周凡利
每個(gè)工業(yè)APP都包含了人的知識(shí)和技能,其實(shí)是工程師的一個(gè)數(shù)字替身,通過這樣的數(shù)字替身可以把人解放出來,讓人把更多的精力放到做創(chuàng)造性的工作中去。在這條路上,江蘇蘇州同元為中國智造提供核心工業(yè)軟件踐行著企業(yè)的使命。
根據(jù)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP培育工程實(shí)施方案(2018-2020年》要求,經(jīng)地方(行業(yè))推薦、案例評(píng)審和企業(yè)現(xiàn)場答辯等環(huán)節(jié),2018年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP優(yōu)秀解決方案脫穎而出,予以公示的名單有89個(gè)工業(yè)APP。其中,江蘇蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司(下稱同元軟控)的“同元系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)MWorks工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP應(yīng)用解決方案”赫然在列。在此之前,同元軟控已經(jīng)獲批江蘇省重點(diǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)級(jí)平臺(tái)“裝備制造業(yè)產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證服務(wù)平臺(tái)”和江蘇省領(lǐng)先的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP集成開發(fā)平臺(tái)“多學(xué)科一體化仿真與驗(yàn)證工業(yè)APP可視化集成開發(fā)平臺(tái)”。
工業(yè)APP是我國工業(yè)軟件換道超車的新機(jī)遇
制造業(yè)是強(qiáng)國之基、富國之本,可以說,沒有強(qiáng)大的制造業(yè)支撐,就不可能成為真正意義上的世界強(qiáng)國。先進(jìn)制造業(yè)特別是高端裝備制造業(yè)已成為國際競爭的制高點(diǎn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的重要載體,也是全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點(diǎn)。
工業(yè)軟件是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基石,是新一輪工業(yè)革命的核心要素。工業(yè)軟件不同于普通軟件,它是工業(yè)創(chuàng)新知識(shí)長期積累、沉淀并在應(yīng)用中迭代進(jìn)化的工具化產(chǎn)物。工業(yè)軟件是典型的軟裝備,是高端工業(yè)裝備的“魂魄”和“大腦”,沒有工業(yè)軟件,所有高端裝備將“喪魂失魄”。工業(yè)軟件是中國制造實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”的基礎(chǔ),沒有自主的工業(yè)軟件,中國制造將是無根之木、無源之水。
工業(yè)軟件在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)化為工業(yè)APP。工業(yè)APP本質(zhì)是工業(yè)知識(shí)的軟件化,這是我國工業(yè)軟件利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢與新一輪產(chǎn)業(yè)機(jī)遇超車的另一個(gè)歷史性機(jī)會(huì)。工業(yè)APP是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為紐帶,承載工業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),滿足特定需求的工業(yè)應(yīng)用軟件,是工業(yè)技術(shù)軟件化的重要成果。每個(gè)工業(yè)APP都包含了人的知識(shí)和技能,其實(shí)是工程師的一個(gè)數(shù)字替身,通過這樣的數(shù)字替身可以把人解放出來,讓人把更多的精力放到做創(chuàng)造性的工作中去。
2001年,同元軟控現(xiàn)任執(zhí)行董事、華中科技大學(xué)國家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心(武漢)主任陳立平教授團(tuán)隊(duì)開始關(guān)注Modelica語言,并組織力量開始多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究。
經(jīng)過5年潛心研究,團(tuán)隊(duì)逐漸突破關(guān)鍵性技術(shù),開發(fā)了系統(tǒng)仿真原型系統(tǒng)MWorks,并于2006年維也納Modelica國際大會(huì)上成功首秀。中國的工業(yè)軟件開始亮相國際舞臺(tái)。
2008年,同元軟控信息技術(shù)有限公司成立,專注于新一代系統(tǒng)仿真軟件的產(chǎn)品化與產(chǎn)業(yè)化,為裝備制造業(yè)提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真工業(yè)軟件的產(chǎn)品研發(fā)、工程服務(wù)及系統(tǒng)工程整體解決方案。
2009年原型系統(tǒng)MWorks實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品化,正式版系統(tǒng)仿真商業(yè)軟件MWorks發(fā)布。2010年至2013年,開始產(chǎn)業(yè)化推廣,同元軟控的產(chǎn)品和服務(wù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航天、航空、能源、車輛、船舶、教育等行業(yè),為國家系列重大工程提供了數(shù)字化設(shè)計(jì)支撐。
受工業(yè)需求驅(qū)動(dòng),從2016年開始,同元軟控以為“中國智造”提供核心工業(yè)軟件為企業(yè)使命,以中國裝備制造業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新研制為源頭需求,通過掌握新一代數(shù)字化設(shè)計(jì)核心技術(shù)——多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模和系統(tǒng)仿真技術(shù),MWorks由從單純的系統(tǒng)仿真軟件發(fā)展成為兼具設(shè)計(jì)與仿真能力的平臺(tái)——同元系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)MWorks,至今,由三大核心軟件及一系列擴(kuò)展工具箱和模型庫組成,產(chǎn)品體系日益壯大。
新一代數(shù)字化研發(fā)技術(shù):系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)與
仿真驗(yàn)證平臺(tái)
現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品隨著智能化、物聯(lián)化程度不斷提升,已發(fā)展為以機(jī)械系統(tǒng)為主體,集電子、控制、液壓等多個(gè)領(lǐng)域子系統(tǒng)于一體的復(fù)雜多領(lǐng)域系統(tǒng)。傳統(tǒng)基于文檔的研制模式難以支撐任務(wù)需求,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同源、信息可追溯性、早期仿真驗(yàn)證及知識(shí)復(fù)用性不足等問題與當(dāng)前復(fù)雜系統(tǒng)研制的高要求越來越不相適應(yīng)。
基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)方法是數(shù)字化技術(shù)的最新發(fā)展,為大型復(fù)雜系統(tǒng)研制提供了有效解決方案,將推動(dòng)數(shù)字化工作和型號(hào)研制流程的融合,提升產(chǎn)品智能制造水平,助推產(chǎn)品研制模式轉(zhuǎn)型。
MWorks是同元軟控基于國際知識(shí)統(tǒng)一表達(dá)與互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)打造的系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái),面向產(chǎn)品正向創(chuàng)新設(shè)計(jì),支持基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、模型集成、虛擬試驗(yàn)以及智能分析,為企業(yè)提供開放、自主、可控的數(shù)字化研發(fā)支撐,通過知識(shí)模型和工程應(yīng)用的積累實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化和設(shè)計(jì)智能化。MWorks是MBSE方法落地的使能工具。MWorks采用基于模型的方法全面支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過不同層次、不同類型的仿真來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì),形成<設(shè)計(jì)-驗(yàn)證>對(duì)偶,構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證閉環(huán)。
MWorks系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)與驗(yàn)證平臺(tái)由三大核心工具及一系列擴(kuò)展工具箱組成,具體包括:
系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)工具M(jìn)Works.Sysbuilder:提供需求架構(gòu)、功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)建模功能,覆蓋基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。
系統(tǒng)仿真驗(yàn)證工具M(jìn)Works.Sysplorer:提供系統(tǒng)仿真建模、編譯分析、仿真求解和后處理功能,覆蓋基于模型的系統(tǒng)驗(yàn)證過程。
協(xié)同設(shè)計(jì)仿真工具M(jìn)Works.Syslink:提供協(xié)同建模、模型管理、在線仿真和數(shù)據(jù)安全功能,為系統(tǒng)研制提供基于模型的協(xié)同環(huán)境。
工具箱MWorks.Toolbox:提供過程集成、試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、PHM、VV&A、半物理、聯(lián)合仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)及數(shù)據(jù)可視化等豐富的實(shí)用工具箱,滿足多樣化的數(shù)字化設(shè)計(jì)、分析、仿真及優(yōu)化需求。
同元軟控多領(lǐng)域工業(yè)模型庫MWorks.Library:提供大量經(jīng)過工程驗(yàn)證的設(shè)計(jì)仿真一體化模型庫,覆蓋航天、航空、汽車、熱工等多個(gè)行業(yè)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上的“微信”平臺(tái):設(shè)計(jì)仿真工業(yè)APP
可視化開發(fā)平臺(tái)
高質(zhì)量工業(yè)APP是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本。如前所述,工業(yè)APP與工業(yè)軟件一樣,是工業(yè)知識(shí)和工業(yè)技術(shù)的軟件化,純粹的IT軟件開發(fā)者難以勝任工業(yè)APP的開發(fā)。MWorks采用的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模規(guī)范Modelica,是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代工業(yè)知識(shí)統(tǒng)一表達(dá)和工業(yè)模型互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn),目前已經(jīng)存在大量可重用的基礎(chǔ)模型庫和行業(yè)模型庫,系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件天然可以成為基于可重用知識(shí)模型庫、面向工程師的可視化工業(yè)APP開發(fā)平臺(tái),這樣可以由大批工程師迅速地將工業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為工業(yè)APP,這種工業(yè)APP生成器將是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)APP時(shí)代的平臺(tái)入口技術(shù)。
同元軟控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)MWorks工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP應(yīng)用解決方案和多學(xué)科一體化仿真與驗(yàn)證工業(yè)APP可視化集成開發(fā)平臺(tái),基于系統(tǒng)建模規(guī)范Modelica、功能樣機(jī)接口規(guī)范FMI以及航天、航空等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提供工業(yè)知識(shí)的模型化表達(dá)和模塊化封裝、可視化的系統(tǒng)集成、基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同建模、仿真求解、智能分析等功能,適用于開展工業(yè)裝備產(chǎn)品概念探索、可行論證、方案設(shè)計(jì)、虛擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)字孿生運(yùn)維等系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真應(yīng)用。目前已在航天、航空、車輛、船舶、兵器能源等領(lǐng)域產(chǎn)品研制中得到了廣泛應(yīng)用,顯著加快了研制進(jìn)度,能夠減少物理試驗(yàn)時(shí)耗、縮短研發(fā)周期、減少企業(yè)研發(fā)成本。
應(yīng)用同元軟控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證平臺(tái)MWorks工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP應(yīng)用解決方案和多學(xué)科一體化仿真與驗(yàn)證工業(yè)APP可視化集成開發(fā)平臺(tái),業(yè)界已經(jīng)有不少成功案例。
空間站總體方案設(shè)計(jì)與多系統(tǒng)綜合仿真分析
隨著空間站系統(tǒng)組成、功能的復(fù)雜化,各專業(yè)之間的耦合關(guān)系越來越緊密,對(duì)系統(tǒng)各專業(yè)的綜合驗(yàn)證已達(dá)成共識(shí)。亟須構(gòu)建數(shù)字化航天器,支持各分系統(tǒng)專項(xiàng)方案、飛行方案及系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證,達(dá)到“早快全準(zhǔn)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證主要目標(biāo),并通過積累知識(shí),實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。
針對(duì)規(guī)模龐大的空間站系統(tǒng),在MWorks平臺(tái)中基于Modelia建模語言,建立了空間站核心艙、試驗(yàn)艙I和試驗(yàn)艙II的動(dòng)力學(xué)與控制、能源、環(huán)熱控、推進(jìn)、信息、數(shù)管、測控七個(gè)分系統(tǒng)模型,覆蓋總體、分系統(tǒng)、關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備,分別對(duì)分系統(tǒng)典型工況進(jìn)行仿真分析,并集成了空間站單艙、兩艙一字型、三艙T字形全系統(tǒng)綜合模型,對(duì)交會(huì)對(duì)接、轉(zhuǎn)位等場景進(jìn)行分析驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了空間站系統(tǒng)級(jí)、全邊界、全工況的分析驗(yàn)證。
MWorks的使用效果如何呢?
為航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供統(tǒng)一的綜合仿真手段,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)可視化,構(gòu)建即可運(yùn)行,設(shè)計(jì)師的工作更有趣、體驗(yàn)更好。
實(shí)現(xiàn)從分系統(tǒng)、單學(xué)科設(shè)計(jì)向系統(tǒng)級(jí)、多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變,可以在航天器系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)、GNC、能源、推進(jìn)、熱控、通信、綜合電子等專業(yè)的統(tǒng)一建模與仿真聯(lián)動(dòng)。
實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證的一體化,支持可行、方案及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)—仿真—驗(yàn)證—設(shè)計(jì)閉環(huán)迭代,進(jìn)行需求階段指標(biāo)分解合理性驗(yàn)證、方案和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段指標(biāo)滿足性驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)構(gòu)造即可行,提升設(shè)計(jì)效率。
通過早、快、全的仿真驗(yàn)證手段,實(shí)現(xiàn)好、快、省的航天器方案。
衛(wèi)星方案多學(xué)科統(tǒng)一建模與系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)仿真分析
衛(wèi)星技術(shù)是高技術(shù)密集的綜合性尖端科學(xué)技術(shù),是現(xiàn)代工程技術(shù)多學(xué)科、多領(lǐng)域綜合集成的典型代表。目前,復(fù)雜衛(wèi)星系統(tǒng)的研制在智能化、數(shù)字化方面的發(fā)展仍相對(duì)滯后,數(shù)字化建設(shè)仍局限于單一學(xué)科或部分學(xué)科,對(duì)于多領(lǐng)域仿真方面則很少涉及;對(duì)于衛(wèi)星設(shè)計(jì)來講,系統(tǒng)級(jí)、多學(xué)科的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)還很薄弱;系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段缺乏基于系統(tǒng)模型的可展示、可運(yùn)行手段支持市場競爭,在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段缺乏基于模型的系統(tǒng)級(jí)仿真支持系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的有效手段。
面向航天某所典型衛(wèi)星產(chǎn)品,采用多領(lǐng)域統(tǒng)一建模技術(shù)MWorks/Modelica,圍繞知識(shí)模型庫“去型號(hào)化”和“本土化”的建設(shè)目標(biāo),設(shè)計(jì)衛(wèi)星通用模型庫架構(gòu),建立衛(wèi)星系統(tǒng)仿真流程規(guī)范和建模規(guī)范,建設(shè)包括姿軌控、電源與配電、推進(jìn)、測控、數(shù)傳和綜合電子等六個(gè)專業(yè)的衛(wèi)星通用模型庫,針對(duì)所內(nèi)的典型型號(hào)開展示范應(yīng)用,支持衛(wèi)星系統(tǒng)多專業(yè)聯(lián)動(dòng)仿真、剛?cè)狁詈戏抡骝?yàn)證、設(shè)計(jì)決策和方案動(dòng)態(tài)展示。
這其中,MWorks系統(tǒng)主要用于整星的方案設(shè)計(jì)階段,驗(yàn)證方案的可行性,輔助總體進(jìn)行決策;
輔助衛(wèi)星飛行任務(wù)流程制定與優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠增強(qiáng)總體單位的話語權(quán);
具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)特點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程中可能存在的問題;
能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)固化,提供一種新的衛(wèi)星研制經(jīng)驗(yàn)傳承手段。
航天器能源系統(tǒng)架構(gòu)建模與仿真驗(yàn)證
供配電大圖是系統(tǒng)反映供電、配電、電氣信號(hào)傳輸、設(shè)備供電接口的一種形式。傳統(tǒng)的供配電大圖由設(shè)計(jì)師根據(jù)供配電系統(tǒng)拓?fù)洹⒃O(shè)備IDS等信息,通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行繪制,最終形成圖冊。這種供配電大圖存在以下不足:主要用于表達(dá)供電信號(hào)傳輸路徑等信息,信息量較小,無法動(dòng)態(tài)表示功率流相關(guān)信息;只能反映設(shè)備供配電接口設(shè)計(jì)情況,無法對(duì)供配電接口設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證;設(shè)計(jì)師根據(jù)IDS進(jìn)行繪制,工作量巨大,且容易出錯(cuò)。
基于數(shù)字衛(wèi)星對(duì)供配電系統(tǒng)信息化設(shè)計(jì)的要求,建設(shè)供配電靜態(tài)大圖生成工具,并進(jìn)一步結(jié)合Modelica模型庫構(gòu)建供配電信息流仿真驗(yàn)證平臺(tái),以輔助供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì),驗(yàn)證和優(yōu)化供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,提升供配電系統(tǒng)性能。
通過數(shù)字化手段對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建模、仿真、分析與驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)從供配電大圖靜態(tài)展示,到輔助和指導(dǎo)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的跨越。如:
從定性到定量:在方案設(shè)計(jì)階段獲取第一手的數(shù)據(jù)用于支撐或驗(yàn)證所做方案的正確性和有效性;
從靜態(tài)到動(dòng)態(tài):以供配電大圖為載體,實(shí)時(shí)反映全任務(wù)周期航天器供配電情況,輔助供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì);
從過程到模式:實(shí)現(xiàn)航天器能源流設(shè)計(jì)要素、流程、方法的規(guī)范化和模式化,可推廣到所有領(lǐng)域航天器電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
飛機(jī)多領(lǐng)域模型開發(fā)及綜合集成虛擬試驗(yàn)
為了加快開發(fā)進(jìn)程,縮短研發(fā)周期,并提高產(chǎn)品綜合性能和品質(zhì),目前國外先進(jìn)的航空制造商都積極地在多學(xué)科系統(tǒng)集成與整機(jī)數(shù)字建模方面進(jìn)行技術(shù)探索和革新。
結(jié)合飛機(jī)研制流程,建立可靠的飛機(jī)級(jí)虛擬綜合集成試驗(yàn)系統(tǒng),可用于飛機(jī)系統(tǒng)型號(hào)初期的驗(yàn)證、系統(tǒng)各系統(tǒng)集成接口驗(yàn)證、針對(duì)各類飛行工況的模擬、極限工況的功能性能分析等,從而對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn),并為飛機(jī)物理綜合試驗(yàn)提供預(yù)先的技術(shù)保障。
基于Modelica以及MWorks.Sysplorer平臺(tái),建立了民用飛機(jī)系統(tǒng)的多物理領(lǐng)域建模與虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)框架;開發(fā)了數(shù)據(jù)分析后處理及可視化軟件模塊;制定針對(duì)民用飛機(jī)的多物理領(lǐng)域模型建模規(guī)范;完成起落架、飛控、液壓、環(huán)境譜等多領(lǐng)域模型庫的開發(fā),并實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)科目分析。如:
拓展了物理試驗(yàn)邊界:虛擬試驗(yàn)平臺(tái)可拓展物理綜合試驗(yàn)邊界條件,完成物理試驗(yàn)無法完成的高危試驗(yàn)仿真驗(yàn)證;
輔助飛機(jī)概念設(shè)計(jì):在民用飛機(jī)型號(hào)研制的概念設(shè)計(jì)和飛機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合定義階段就能開展系統(tǒng)虛擬集成測試,設(shè)計(jì)缺陷早期即可發(fā)現(xiàn),減少設(shè)計(jì)更改周期和重復(fù)性設(shè)計(jì)工作;
試飛試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)估計(jì):虛擬試驗(yàn)平臺(tái)可模擬實(shí)際環(huán)境的邊界條件,完成飛行試驗(yàn)的仿真驗(yàn)證,完成飛行試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備;
輔助飛機(jī)故障分析:飛機(jī)交付后在使用過程中可能出現(xiàn)的各種危險(xiǎn)飛行狀態(tài),可通過用物理鐵鳥與虛擬試驗(yàn)相結(jié)合,復(fù)現(xiàn)故障和分析故障原因。
責(zé)任編輯:孫俊杰
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