數(shù)字城市地理空間框架中市縣一體化公共服務(wù)云平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

楊利娟

(湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119)

數(shù)字城市地理空間框架的市、縣分建模式在實施過程中往往遇到建設(shè)成果應(yīng)用程度不夠、向縱深發(fā)展不夠、數(shù)字縣域建設(shè)工作進展緩慢等問題。經(jīng)分析主要存在以下原因：一是各市縣獨立建設(shè)項目需投入資金量大，財政難以負擔；二是項目建設(shè)技術(shù)方案不同，平臺兼容和資源共享難以實現(xiàn)；三是各市縣項目主管部門人員、技術(shù)和支撐環(huán)境方面資源不足，系統(tǒng)運行維護難以保障等。

采用市縣一體化的模式建設(shè)數(shù)字城市地理空間框架，即“數(shù)據(jù)共建、軟件共用、平臺共享、維護共擔”，由市縣共同開展地理信息公共服務(wù)平臺建設(shè)，不僅能夠有效促進市縣兩級地理信息資源開發(fā)、整合、共享和應(yīng)用，提高財政資金使用效率，而且能夠加快推進項目建設(shè)進程。因此，采用這種新的模式開展數(shù)字城市地理空間框架，可以有效解決當前數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)工作面臨的技術(shù)、資金及運維方面的困難，更好地為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展提供信息化服務(wù)保障。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，以分布式、并行化為代表的高性能計算技術(shù)正逐漸融入地理信息領(lǐng)域，為GIS的發(fā)展提供了一種嶄新的方式，云GIS技術(shù)應(yīng)運而生。國內(nèi)外GIS平臺廠商紛紛推出了自有的云GIS平臺，如Esri推出的ArcGIS 10.4版本采用云+端的方式，國防科技大學(xué)研制了具有國際領(lǐng)先水平、自主可控的國產(chǎn)高性能地理計算軟件平臺HiGIS等。云GIS能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺分布的空間數(shù)據(jù)集成，特別是具有云計算的“按需獲取計算資源、靈活擴展基礎(chǔ)架構(gòu)”優(yōu)勢特性，可以實現(xiàn)集中調(diào)度，管理大量計算資源，從而改變傳統(tǒng)GIS應(yīng)用方法和建設(shè)模式，為數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)提供更優(yōu)秀的解決方案，使平臺能夠提供大規(guī)模的計算能力、海量數(shù)據(jù)的存儲能力，實現(xiàn)資源集約化管理，大大提升平臺的資源共享服務(wù)能力及管理效率。據(jù)此，本文應(yīng)用高性能地理計算技術(shù)，構(gòu)建云計算環(huán)境，基于HiGIS平臺設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字城市地理空間框架中市縣一體化公共服務(wù)云平臺。

1 市縣一體化云平臺運行模式

市縣一體化云平臺建設(shè)模式采用云集中式，將數(shù)據(jù)集中在市級管理，平臺在云中心部署，為市縣統(tǒng)一提供服務(wù)。該平臺由市級負責(zé)頂層設(shè)計，依托市級的云計算環(huán)境、技術(shù)及人才優(yōu)勢，統(tǒng)一管理全市域地理信息數(shù)據(jù)，統(tǒng)一搭建公共服務(wù)平臺，統(tǒng)一運維管理系統(tǒng)平臺，為全市域地理信息應(yīng)用和共享交換提供相關(guān)標準規(guī)范、技術(shù)支撐和平臺服務(wù)。縣級僅負責(zé)建設(shè)本縣域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，不需單獨搭建地理信息公共服務(wù)平臺，而是將縣級數(shù)據(jù)加載到市縣一體化云平臺，依托一體化平臺實現(xiàn)縣級數(shù)據(jù)管理和共享交換，以滿足縣域的地理信息應(yīng)用需求。一體化云平臺分基礎(chǔ)版、政務(wù)版和公眾版3個版本，3個版本相互隔離，權(quán)限設(shè)置分為市級和縣級用戶，根據(jù)區(qū)域權(quán)限對數(shù)據(jù)資源進行管理、操作。

(1) 基礎(chǔ)版：由市縣一體化云平臺統(tǒng)一管理，以局域網(wǎng)(或?qū)＞W(wǎng))為基礎(chǔ)，運行涉密地理信息數(shù)據(jù)。

(2) 政務(wù)版：由市縣一體化云平臺統(tǒng)一管理，以電子政務(wù)專網(wǎng)為基礎(chǔ)，向市州、縣市區(qū)各用戶提供地理信息服務(wù)。

(3) 公眾版(即天地圖)：縣級不單獨建設(shè)，依托市級天地圖平臺擴展形成縣級天地圖門戶網(wǎng)站，并且安裝部署在市級，基于互聯(lián)網(wǎng)向社會公眾提供地理信息服務(wù)。

在此模式下，數(shù)字縣域建設(shè)充分利用所屬市州數(shù)字城市建設(shè)成果，統(tǒng)一市縣數(shù)據(jù)、服務(wù)和接口標準，實現(xiàn)“硬件一體化、數(shù)據(jù)一體化、平臺一體化、管理一體化和標準一體化”，縣級只需做好本縣域內(nèi)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新維護，不需要對平臺進行運行維護管理，最大限度減輕縣級經(jīng)濟、技術(shù)與管理負擔。

2 市縣一體化云平臺建設(shè)采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高性能GIS應(yīng)用

一體化云平臺建設(shè)依托國防科技大學(xué)研制的HiGIS為底層技術(shù)核心，研建面向數(shù)字城市地理空間框架的高性能地理信息公共服務(wù)平臺。

HiGIS平臺與傳統(tǒng)的GIS軟件(如ArcGIS)相比較，能夠更好地適應(yīng)大數(shù)據(jù)條件下的高性能GIS計算需求，同時由于該平臺所有代碼均未采用商用部件，核心代碼與器件為國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊自主研制，并且能運行于全自主知識產(chǎn)權(quán)的軟硬件環(huán)境中，實現(xiàn)了自主可控，能夠有效保障地理信息安全。

市縣一體化云平臺采用HiGIS作為核心技術(shù)與支撐平臺，基于HiGIS集群、多核、眾核的并行化和可擴展技術(shù)實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)組織與管理、大規(guī)?？臻g分析與處理、大范圍空間數(shù)據(jù)并行可視化與制圖等GIS核心功能，不僅能夠大幅提升計算效率、地圖繪制效率、海量時空模型的求解效率及空間查詢檢索效率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)一體化云平臺建設(shè)的完全自主可控，能夠有效保障系統(tǒng)建設(shè)的安全。

2.2 虛擬化技術(shù)應(yīng)用

虛擬化技術(shù)是實現(xiàn)云架構(gòu)平臺最重要的技術(shù)之一，它通過對基礎(chǔ)設(shè)施進行虛擬化，形成動態(tài)的虛擬資源池，支持基礎(chǔ)設(shè)施資源的共享和多次利用，從而能夠有效支持一體化云平臺按需創(chuàng)建、彈性調(diào)整、自動管理，以及動態(tài)分配存儲和計算資源。

虛擬化技術(shù)包括服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化。其中服務(wù)器虛擬化是指能夠在一臺物理服務(wù)器上運行多臺虛擬服務(wù)器的技術(shù)，用戶可以在虛擬服務(wù)器上靈活安裝任何軟件；存儲虛擬化是一種將存儲系統(tǒng)的內(nèi)部功能從應(yīng)用、主機或網(wǎng)絡(luò)資源中抽象、隱藏或隔離的技術(shù)，實現(xiàn)無關(guān)網(wǎng)絡(luò)的存儲或數(shù)據(jù)管理；網(wǎng)絡(luò)虛擬化是將多個硬件或軟件網(wǎng)絡(luò)資源及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能集成到一個軟件中統(tǒng)一管理和控制。

2.3 采用高可擴展性系統(tǒng)架構(gòu)

一體化云平臺采用了基于云計算模式的高可擴展信息系統(tǒng)架構(gòu)，基于服務(wù)器集群的高性能計算方式對外提供地理計算服務(wù)，可方便通過系統(tǒng)規(guī)模的擴展來實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)能力的增強，并且可以根據(jù)系統(tǒng)負載變化線性增強系統(tǒng)的性能，相比較于傳統(tǒng)系統(tǒng)規(guī)模擴展方式，此種系統(tǒng)架構(gòu)降低了節(jié)點間的耦合度，因此平臺能夠通過增加服務(wù)器節(jié)點方式實現(xiàn)系統(tǒng)性能的快速提升。

2.4 分布式文件存儲技術(shù)應(yīng)用

一體化云平臺基于分布式文件系統(tǒng)的存儲服務(wù)器與存儲陣列構(gòu)建云存儲，集中管理所有存儲設(shè)備，動態(tài)分配存儲能力，實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)存儲與管理，并且提高了平臺并發(fā)高速響應(yīng)能力。分布式文件系統(tǒng)提供文件的分塊、并行存取的文件組織管理功能，通過管理文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)信息，在存放海量文件的同時提供高效的文件檢索功能，并且管理整個存儲系統(tǒng)的命名空間，對外提供單一的系統(tǒng)映像，使平臺具有更好的安全性可靠性。

2.5 無插件三維快速可視化技術(shù)應(yīng)用

一體化云平臺建設(shè)基于HiGIS實現(xiàn)高性能三維時空數(shù)據(jù)可視化，支持客戶端使用標準Web瀏覽器，無客戶端插件的方式打開、瀏覽和操作地理空間三維數(shù)據(jù)。云平臺集成了全球剖分、快速渲染、多細節(jié)層次模型、真實感渲染等基礎(chǔ)三維地理空間可視化算法庫，融合高性能計算、三維索引與調(diào)度、CPU/GPU和內(nèi)存/外存協(xié)同的大場景三維可視化繪制等關(guān)鍵技術(shù)，以提供基于高性能服務(wù)器集群的三維并行繪制、三維繪制數(shù)據(jù)調(diào)度、三維瓦片等三維時空數(shù)據(jù)可視化功能服務(wù)。

3 市縣一體化云平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 市縣一體化云平臺的總體架構(gòu)

數(shù)字城市市縣一體化云平臺是基于云計算的服務(wù)全市域地理信息應(yīng)用和共享交換的綜合系統(tǒng)，匯集管理全市域基礎(chǔ)地理信息資源，構(gòu)建地理空間框架，按市縣兩級進行分類管理和應(yīng)用，向全市域所有用戶提供地理信息服務(wù)。一體化云平臺總體架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)資源層、基礎(chǔ)設(shè)施層、GIS支撐層、業(yè)務(wù)服務(wù)層和應(yīng)用示范層，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字城市地理空間框架中市縣一體化云平臺總體架構(gòu)

(1) 數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層是市縣一體化平臺服務(wù)的基礎(chǔ)，匯總管理市縣兩級時空數(shù)據(jù)資源。該層通過對全市域范圍的地理空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行采集、整合、處理、集成，實現(xiàn)全市域各類時空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯聚、存儲、融合和服務(wù)，為各類時空信息服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

(2) 基礎(chǔ)設(shè)施層。整合市縣現(xiàn)有的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并進行升級改造，構(gòu)建基礎(chǔ)云環(huán)境，為市縣一體化云平臺提供虛擬化的網(wǎng)絡(luò)資源、存儲資源和計算資源。主要包括硬件設(shè)施層和軟件設(shè)施層，其中硬件設(shè)施包括服務(wù)器、高性能計算機等計算資源，通過交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備搭建的網(wǎng)絡(luò)資源，以及基于分布式文件系統(tǒng)的存儲器與存儲陣列構(gòu)成的存儲資源，為平臺整體運行提供硬件支撐保障。軟件設(shè)施包括云操作系統(tǒng)(如VMWare、華為FusionComputer)、服務(wù)器操作系統(tǒng)(如Linux)、微機操作系統(tǒng)(如Windows)、分布式文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如HiGIS空間數(shù)管系統(tǒng))，為平臺整體運行提供基礎(chǔ)軟件運行環(huán)境。

(3) GIS支撐層。地理信息系統(tǒng)支撐層是整個平臺的核心，該服務(wù)層為用戶提供面向海量數(shù)據(jù)、復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的地理信息網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用服務(wù)引擎?；贖iGIS構(gòu)建面向大規(guī)模矢量、柵格數(shù)據(jù)一體化共享管理的并行化數(shù)據(jù)管理引擎，面向在線服務(wù)的并行化空間分析計算引擎，面向大規(guī)模多尺度地圖瀏覽的并行化制圖引擎，面向三維交互應(yīng)用的三維地理可視化引擎，以及提供系統(tǒng)級管理功能的管理服務(wù)系統(tǒng)等。

(4) 業(yè)務(wù)服務(wù)層。業(yè)務(wù)服務(wù)層是公共服務(wù)平臺對外提供各種服務(wù)和應(yīng)用對接的基礎(chǔ)，重點建設(shè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理及云服務(wù)業(yè)務(wù)軟件，包括時空大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和市縣一體化云服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)對地理信息數(shù)據(jù)資源進行整理、聚合及集中化管理，為各種業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)、功能、接口和基礎(chǔ)設(shè)施等服務(wù)。

(5) 應(yīng)用示范層。面向不同行業(yè)應(yīng)用，構(gòu)建各類示范應(yīng)用系統(tǒng)，各系統(tǒng)依據(jù)權(quán)限分級對市縣統(tǒng)一提供業(yè)務(wù)服務(wù)。

3.2 市縣一體化云平臺建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)的現(xiàn)狀，充分利用已有的建設(shè)成果，結(jié)合數(shù)字城市、智慧城市發(fā)展的規(guī)劃，依據(jù)國家、省相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范要求，開展標準規(guī)范系統(tǒng)建設(shè)，搭建基礎(chǔ)云環(huán)境，構(gòu)建高性能地理信息公共服務(wù)平臺、時空大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和市縣一體化云服務(wù)系統(tǒng)。具體建設(shè)內(nèi)容敘述如下。

3.2.1 標準規(guī)范體系建設(shè)

云平臺建設(shè)是一種使用多種技術(shù)、多用戶參與、應(yīng)用廣泛、數(shù)據(jù)源復(fù)雜的龐大的系統(tǒng)工程，為了保障平臺建設(shè)和運維管理，必須加強各個環(huán)節(jié)的標準規(guī)范體系建設(shè)，重點開展數(shù)據(jù)標準、服務(wù)標準和運維管理等方面的標準體系建設(shè)。

3.2.2 基礎(chǔ)云環(huán)境

基于云架構(gòu)，利用虛擬化技術(shù)，通過配置服務(wù)器、交換機、存儲器、云操作系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)等軟硬件設(shè)施，構(gòu)建支撐時空信息大數(shù)據(jù)存儲、時空信息服務(wù)和應(yīng)用的可擴展、高安全的基礎(chǔ)云環(huán)境，為一體化云平臺的運行提供相匹配的虛擬化、存儲和計算能力的基礎(chǔ)設(shè)施保障。

針對基礎(chǔ)版、政務(wù)版和公眾版三類平臺應(yīng)用的特點，分別采用高性能和高擴展的模式構(gòu)建支撐環(huán)境。其中基礎(chǔ)版和公眾版采用高性能模式構(gòu)建支撐環(huán)境，滿足多用戶并發(fā)訪問及平臺計算能力需求。公眾版可配備1套HiGIS服務(wù)器集群作為“云”中的計算資源，1臺萬兆交換機和1套分布式文件系統(tǒng)存儲設(shè)備組成存儲資源；基礎(chǔ)版可配備1套HiGIS服務(wù)器集群作為“云”中的計算資源，1臺磁盤陣列作為存儲資源，1臺萬兆交換機和1臺磁帶庫作為備份資源。政務(wù)版采用高擴展模式搭建支撐環(huán)境，滿足政府部門多應(yīng)用的需求，提供可高擴展的資源配置能力，采用基于虛擬化的云環(huán)境構(gòu)架構(gòu)建支撐環(huán)境，可配備1套HiGIS服務(wù)器集群構(gòu)建虛擬化平臺主機，1套SAN作為虛擬平臺的可擴展網(wǎng)絡(luò)存儲。

3.2.3 高性能地理信息系統(tǒng)平臺

高性能地理信息系統(tǒng)平臺作為市縣一體化云平臺的核心部分，基于高性能服務(wù)器集群實現(xiàn)高性能時空大數(shù)據(jù)管理、并行化地理計算分析、并行地圖實時制圖、高性能三維時空數(shù)據(jù)可視化等GIS核心功能。

該系統(tǒng)通過可靈活組裝的網(wǎng)絡(luò)化GIS軟件服務(wù)形式，依托高性能GIS引擎軟件為客戶端GIS應(yīng)用提供高性能高并發(fā)的多元化GIS功能服務(wù)，支持構(gòu)建面向大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的地理空間數(shù)據(jù)綜合處理分析的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。高性能GIS引擎軟件由數(shù)據(jù)管理引擎、并行計算引擎、并行繪制引擎、三維地理可視化引擎及系統(tǒng)管理服務(wù)5大模塊組成，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、更新與維護、訪問與服務(wù)、備份與恢復(fù)、地理計算和空間分析、可視化制圖、地名地址檢索服務(wù)、系統(tǒng)運行監(jiān)控、系統(tǒng)日志服務(wù)與配置管理等功能。

其中數(shù)據(jù)管理引擎主要提供大數(shù)據(jù)量、復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的地理時空大數(shù)據(jù)、海量位置數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的存儲管理與高性能高并發(fā)訪問功能；并行計算引擎主要提供多任務(wù)、多用戶情況下地理計算算法及流程的資源分配、運行調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控、執(zhí)行控制等功能；并行繪制引擎主要提供基于高性能服務(wù)器集群的地理時空大數(shù)據(jù)實時制圖與可視化功能服務(wù)；三維地理可視化引擎主要提供基于高性能服務(wù)器集群三維并行繪制、三維繪制數(shù)據(jù)調(diào)度、三維瓦片等功能服務(wù)；系統(tǒng)管理服務(wù)主要提供整個高性能地理信息系統(tǒng)運行與應(yīng)用管理功能。

3.2.4 時空信息大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

針對當前數(shù)字城市地理信息公共服務(wù)平臺缺乏對時間、動態(tài)地理數(shù)據(jù)的管理能力及對大規(guī)模地理數(shù)據(jù)管理效率較低的不足，構(gòu)建時空大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，重點開發(fā)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)管理、安全管理和空間分析4個子系統(tǒng)，實現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化時空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯聚、存儲、組織、處理、查詢和統(tǒng)計等管理功能。

3.2.5 天地圖市級節(jié)點

基于HiGIS JavaScript API構(gòu)建市縣一體化云服務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)門戶軟件，實現(xiàn)系統(tǒng)登錄、電子地圖、示范應(yīng)用、資源中心、開發(fā)中心、信息公告、用戶指南等功能。

3.2.6 市縣一體化云服務(wù)系統(tǒng)

針對高性能地理信息服務(wù)和市縣一體化數(shù)字城市建設(shè)的需求，構(gòu)建市縣一體化云服務(wù)系統(tǒng)，重點開發(fā)研建時空數(shù)據(jù)服務(wù)、GIS功能服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、二次開發(fā)接口、地名地址匹配等功能模塊，實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)、功能、接口、基礎(chǔ)設(shè)施等服務(wù)，將硬件、數(shù)據(jù)和軟件功能以服務(wù)的方式向用戶提供。

3.2.7 市縣一體化云平臺運維系統(tǒng)

運維系統(tǒng)將所有與平臺運行維護相關(guān)的內(nèi)容進行統(tǒng)一管理，提供平臺設(shè)置、用戶管理、業(yè)務(wù)審核、平臺監(jiān)控、資源宿主、資源發(fā)布、服務(wù)管理等日常維護管理功能，對地理信息公共服務(wù)平臺的服務(wù)、安全、運行等環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)控，保證一體化云平臺的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

3.2.8 市縣一體化云平臺應(yīng)用示范系統(tǒng)

一體化云平臺的應(yīng)用范圍包括企業(yè)、政務(wù)和公眾等多個層面，各行業(yè)可以基于云平臺的數(shù)據(jù)和功能服務(wù)，搭建各行業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)，并可將系統(tǒng)部署在市縣一體化云環(huán)境中，節(jié)約相應(yīng)的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費用。

4 結(jié) 語

數(shù)字城市地理空間框架市縣一體化建設(shè)既是順應(yīng)數(shù)字城市應(yīng)用與推廣工作發(fā)展的需要，也是兼顧省域經(jīng)濟社會發(fā)展水平實際情況，提升數(shù)字城市建設(shè)與運維管理水平的需要。數(shù)字城市市縣一體化地理信息公共服務(wù)云平臺基于高性能GIS平臺集成虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等關(guān)鍵技術(shù)，可以有效管理、整理盤活全市域的大數(shù)據(jù)資源，為公眾、政府和企業(yè)提供了高效、實時、動態(tài)的市縣一體化地理信息共享交換和應(yīng)用服務(wù)，為數(shù)字城市地理空間框架市縣一體化建設(shè)模式的實現(xiàn)提供了切實可行、高效優(yōu)勢的解決方案。

基于高性能地理計算的市縣一體化云平臺采用了全新的GIS平臺構(gòu)建方式，該平臺的設(shè)計實現(xiàn)與推廣應(yīng)用，不僅能有效解決制約數(shù)字城市建設(shè)、運維管理與應(yīng)用推廣的財政經(jīng)費短缺、管理體制落后、專業(yè)人才缺乏等問題，而且能夠促進地理信息在各行各業(yè)的深度與廣泛應(yīng)用，為社會經(jīng)濟發(fā)展、政府決策、應(yīng)急管理、城市建設(shè)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等各方面提供高效的地理信息協(xié)調(diào)服務(wù)，加快了數(shù)字城市向智慧城市的發(fā)展進程。

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