宋冠蕾
摘要:軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化過程的優(yōu)化創(chuàng)新是提升軌道交通車輛產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行安全性的關(guān)鍵?,F(xiàn)有軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化過程的檢驗(yàn)成本較高,檢驗(yàn)結(jié)果一致性較差,檢驗(yàn)效率較低,且不能有效保證不同類型的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互聯(lián)互通。本文對(duì)LIMS與PLM、MES、QMS等多信息化系統(tǒng)的融合進(jìn)行了研究,形成了檢驗(yàn)信息標(biāo)識(shí)及語義規(guī)范、自動(dòng)化檢驗(yàn)過程和試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫等3項(xiàng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)的技術(shù)線路,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期的智能化管控,有效解決了現(xiàn)有產(chǎn)品化過程的各種弊端,構(gòu)建了一種新型軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化平臺(tái),并在動(dòng)車、機(jī)車、城軌等項(xiàng)目上大量應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
Abstract: Optimization and innovation of productization process for the rail transit networked control system is the key for improving the product quality and the operating safety of the train. In productization process of the existing rail transit networked control system, the testing cost is expensive, the consistency of the testing results is poor, the testing efficiency is low, and the interconnection between different type of the networked control system cannot be guaranteed. In this paper, the fusion among the informatization systems of LIMS, PLM, MES, QMS and so on is researched, three standards based on the testing information identifier and semantic specification, the automated testing process, and the verify database are set, the related technical roadmap is also formed, the product life cycle intelligent management is realized, then the drawbacks of the existing productization process are overcome. Finally, a new-type productization platform for the rail transit networked control system is constructed, which is largely used in the programs of bullet train, locomotive and urban rail, and makes the good economic benefits.
關(guān)鍵詞:軌道交通;網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);產(chǎn)品化;檢驗(yàn)
Key words: rail transit;networked control;productization;test
0? 引言
軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)被稱為列車的“神經(jīng)系統(tǒng)”,是高速動(dòng)車、機(jī)車、城市軌道交通車輛的核心系統(tǒng)之一[1],主要用于實(shí)現(xiàn)整車的控制、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷等功能,其設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量檢測(cè)和裝車運(yùn)維等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全過程的不斷優(yōu)化創(chuàng)新,對(duì)進(jìn)一步提升系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量和列車運(yùn)行的安全性至關(guān)重要[2]。
根據(jù)《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2018年版)》的規(guī)劃和《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中“先進(jìn)軌道交通裝備及關(guān)鍵部件”的創(chuàng)新發(fā)展工程要求[3,4],按照供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的總體部署,堅(jiān)持問題導(dǎo)向的思路,著力解決和突破軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中的突出問題和瓶頸。
為此,本文開展基于實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(Laboratory Information Management System,LIMS)與產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management,PLM)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)、質(zhì)量管理系統(tǒng)(Quality Management System,QMS)等多信息化系統(tǒng)融合的研究,針對(duì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全過程,提煉設(shè)計(jì)、制造過程中的關(guān)鍵檢驗(yàn)所需信息,并定義信息的標(biāo)識(shí)及語義規(guī)范;優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證過程中的檢驗(yàn)內(nèi)容、檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)判據(jù),提升質(zhì)量檢驗(yàn)效率和產(chǎn)品合格率;構(gòu)建系統(tǒng)產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證信息數(shù)據(jù)庫,升級(jí)裝車運(yùn)維保障,支持基于大數(shù)據(jù)對(duì)同一類系統(tǒng)產(chǎn)品的一致性和互操作性進(jìn)行智能化評(píng)估,形成3項(xiàng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),完成LIMS與PLM、MES、QMS等信息化系統(tǒng)的無縫對(duì)接,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的智能化管控。
1? 現(xiàn)有產(chǎn)品化過程的不足
目前,軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化相關(guān)環(huán)節(jié)的流程如圖1所示。
圖1中,設(shè)計(jì)人員首先運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)軟件完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后進(jìn)入制造環(huán)節(jié),制造部門根據(jù)MES系統(tǒng)的資源調(diào)度完成生產(chǎn)制造;設(shè)計(jì)部門隨后根據(jù)產(chǎn)品檢驗(yàn)需要制定試驗(yàn)大綱并提交至PLM系統(tǒng)審核;審核通過后,將最終的試驗(yàn)大綱打印并提交至檢驗(yàn)部門的LIMS系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)業(yè)務(wù)申請(qǐng),樣品管理員進(jìn)行產(chǎn)品收樣;檢驗(yàn)部門將根據(jù)收樣產(chǎn)品的特征設(shè)計(jì)接口夾具,制定通信協(xié)議,將樣品信息手動(dòng)錄入LIMS系統(tǒng)開展試驗(yàn),每完成一個(gè)項(xiàng)目,需進(jìn)行手動(dòng)切換線路操作;試驗(yàn)完成后,試驗(yàn)人員整理測(cè)試數(shù)據(jù),手動(dòng)出具檢驗(yàn)報(bào)告;如果檢驗(yàn)結(jié)果不通過,需將樣品故障信息手動(dòng)錄入QMS系統(tǒng),由QMS系統(tǒng)組織進(jìn)行失效原因分析,如果檢驗(yàn)結(jié)果通過,則樣品可提交給客戶裝車使用。
上述軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化過程存在以下缺陷:
①未形成一整套規(guī)范化的信息化手段將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中的關(guān)鍵檢驗(yàn)所需信息完整、有效地傳遞到檢驗(yàn)環(huán)節(jié),影響檢驗(yàn)結(jié)果的錄入效率;此外,在產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí),由于檢驗(yàn)所需信息的不完整性,不利于產(chǎn)品的故障定位,也不利于后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的改進(jìn)升級(jí)。
②目前產(chǎn)品的試驗(yàn)大綱主要參照國際標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)制定,標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵檢驗(yàn)項(xiàng)目和通過性判據(jù)進(jìn)行了明確規(guī)定,而對(duì)各檢驗(yàn)項(xiàng)目的具體檢驗(yàn)方法未進(jìn)行詳細(xì)描述,各廠商在檢驗(yàn)實(shí)施過程中因存在的個(gè)體差異,導(dǎo)致檢驗(yàn)通過的產(chǎn)品裝車后仍存在互聯(lián)互通方面的問題。
③測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)產(chǎn)品之間缺乏統(tǒng)一的電氣接口和數(shù)據(jù)通信接口規(guī)范,對(duì)于不同類型的產(chǎn)品,往往需要單獨(dú)制定配套的測(cè)試夾具和數(shù)據(jù)通信協(xié)議,檢驗(yàn)成本較高,檢驗(yàn)結(jié)果的一致性較差。
④產(chǎn)品檢驗(yàn)過程需要人工進(jìn)行頻繁的接換線操作,不同檢驗(yàn)人員的操作差異容易對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響,檢驗(yàn)數(shù)據(jù)需要手動(dòng)整理形成檢驗(yàn)報(bào)告,檢驗(yàn)效率較低。
⑤裝車運(yùn)維人員缺少一種有效的方式及時(shí)獲取產(chǎn)品的完整檢驗(yàn)信息,軟硬件版本的可追溯性差;對(duì)于同一列車中不同類型網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的差異是否會(huì)影響互聯(lián)互通也缺乏有效的分析手段。
2? 產(chǎn)品化過程創(chuàng)新設(shè)計(jì)
基于現(xiàn)有軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化流程的不足,本文提出一種新型軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品化全生命周期流程,并構(gòu)建支撐該流程的創(chuàng)新技術(shù)線路,形成相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。
2.1 新型產(chǎn)品化過程
以優(yōu)化現(xiàn)有軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化流程為目標(biāo),新型軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品化流程如圖2所示。
圖2中,預(yù)先提煉產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的硬件信息(關(guān)鍵容器、硬件版本等)和軟件信息(軟件版本、設(shè)備類別等)以及制造過程中的生產(chǎn)信息(生產(chǎn)工藝、批次等)等關(guān)鍵檢驗(yàn)所需信息;在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中套用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)大綱模板,采用統(tǒng)一的測(cè)試夾具和數(shù)據(jù)通信協(xié)議,對(duì)樣品信息自動(dòng)導(dǎo)入,并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告和存入數(shù)據(jù)庫;在產(chǎn)品裝車維護(hù)過程中,支持檢驗(yàn)信息的查看,可基于大數(shù)據(jù)對(duì)同一類系統(tǒng)產(chǎn)品的一致性和互操作性進(jìn)行智能化評(píng)估,有效提升了軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化過程中的檢驗(yàn)效率和檢驗(yàn)結(jié)果的一致性,降低了檢驗(yàn)成本,同時(shí)又能快速分析出不同類型的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間是否可進(jìn)行互聯(lián)互通。
2.2 創(chuàng)新技術(shù)路線構(gòu)建與標(biāo)準(zhǔn)形成
以產(chǎn)品化過程中的質(zhì)量檢測(cè)為基礎(chǔ)導(dǎo)向,提高系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量為基本目標(biāo),構(gòu)建的新型軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品化創(chuàng)新技術(shù)線路如圖3所示。
圖3中的創(chuàng)新技術(shù)線路具體原理如下:
①對(duì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化檢驗(yàn)結(jié)果標(biāo)識(shí)需包含的關(guān)鍵設(shè)計(jì)與制造信息進(jìn)行調(diào)研分析和提煉,在其開展試驗(yàn)驗(yàn)證前分階段輸入這些關(guān)鍵信息,對(duì)各信息的標(biāo)識(shí)及語義進(jìn)行規(guī)范,制定《軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)通用信息標(biāo)識(shí)規(guī)范》。
②分析研究現(xiàn)有列車網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn),對(duì)MVB、WTB、ECN、ETB、網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)方法、判決條件進(jìn)行優(yōu)化,制定《軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)智能制造質(zhì)量保證通用技術(shù)條件》。
③對(duì)軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品與自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)之間的物理接口與數(shù)據(jù)通信接口進(jìn)行調(diào)研分析,制定《軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自動(dòng)化檢驗(yàn)通用接口和數(shù)據(jù)規(guī)范》。
④依據(jù)《軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)智能制造質(zhì)量保證通用技術(shù)條件》的檢驗(yàn)要求,對(duì)新型產(chǎn)品化平臺(tái)進(jìn)行需求分析、方案設(shè)計(jì)、平臺(tái)建設(shè),采用模塊化協(xié)議分析儀、示波器、網(wǎng)分儀等完成平臺(tái)的搭建。
1)通過設(shè)計(jì)通用測(cè)試夾具,分路被測(cè)樣品網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào),實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷數(shù)據(jù)包捕獲及分析,并采用防閃斷設(shè)計(jì),設(shè)備操作不會(huì)對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)造成影響;
2)利用FPGA模塊實(shí)時(shí)解碼MVB/WTB數(shù)據(jù)幀并檢測(cè)樣品網(wǎng)絡(luò)中的錯(cuò)誤幀;
3)基于虛擬儀器技術(shù)完成控制邏輯設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)電氣特性測(cè)試及診斷;
4)通過開展Wireshark二次開發(fā)研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)ETB(以太列車骨干網(wǎng))、ECN(以太編組網(wǎng))等鐵路專有以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)時(shí)解析;
5)開展LabVIEW軟件開發(fā)研究,實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)控制、按照標(biāo)準(zhǔn)要求制定并執(zhí)行測(cè)試計(jì)劃、自動(dòng)采集測(cè)試數(shù)據(jù)并出具報(bào)告等功能。
⑤通過持續(xù)產(chǎn)品化的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證和平臺(tái)驗(yàn)證,構(gòu)建軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)理論體系和關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái),進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)數(shù)學(xué)建模和仿真分析,促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的國際化應(yīng)用和產(chǎn)品化技術(shù)的升級(jí)換代。
3? 實(shí)踐結(jié)果
為實(shí)現(xiàn)新型軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化過程的工程化應(yīng)用,構(gòu)建對(duì)應(yīng)平臺(tái)可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為:
①波形測(cè)量帶寬:≥1GHz;
②波形存儲(chǔ)深度:≥8M;
③波形測(cè)量時(shí)基精度:≤1ns;
④波形測(cè)量電壓測(cè)量范圍:≥5V;
⑤網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率:≥4GHz;
⑥網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率準(zhǔn)確度:≥1%;
⑦網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出電平平坦度誤差:≤1dB;
⑧網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出電平線性度誤差:≤1dB;
⑨網(wǎng)絡(luò)分析儀軌跡噪聲:<0.006dB rms;
⑩信號(hào)輸出頻率:1kHz~20MHz;
{11}信號(hào)輸出電壓:≥5Vrms;
{12}信號(hào)生成存儲(chǔ)深度:≥64kbits;
{13}以太網(wǎng)性能測(cè)試:10M/100M/1000M帶寬,可進(jìn)行吞吐量測(cè)試、丟包率測(cè)試、時(shí)延測(cè)試、背靠背測(cè)試等。
4? 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益
4.1 提升試驗(yàn)驗(yàn)證效率
本項(xiàng)目消化吸收智能制造相關(guān)技術(shù)及理念,通過打造“三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、兩個(gè)平臺(tái)、一個(gè)應(yīng)用”,實(shí)現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)智能制造檢驗(yàn)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)檢驗(yàn)效率的提升。經(jīng)過技術(shù)研究及試驗(yàn)論證,本產(chǎn)品化平臺(tái)全面完成,并于2017年底獲得驗(yàn)收通過。
驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)完善了原有TCN一致性測(cè)試平臺(tái)的檢驗(yàn)?zāi)芰?,提升了平臺(tái)智能化程度。支持樣品信息掃碼導(dǎo)入、試驗(yàn)過程自動(dòng)執(zhí)行、試驗(yàn)結(jié)果短信實(shí)時(shí)通知,原始記錄和報(bào)告自動(dòng)生成等功能?;跈z驗(yàn)完成后自動(dòng)打印的二維碼信息,支持授權(quán)用戶利用LIMS檢驗(yàn)業(yè)務(wù)APP在移動(dòng)端掃碼查看報(bào)告詳情的功能,極大地縮減了檢驗(yàn)人員整理原始記錄和報(bào)告的時(shí)間。使檢驗(yàn)人員可以將更多的精力從執(zhí)行例行試驗(yàn)任務(wù)中解放出來,人員將能夠?qū)W⒂趧?chuàng)新、增值的活動(dòng),提高服務(wù)效率和智能化水平。項(xiàng)目搭建的出廠試驗(yàn)平臺(tái)提升出廠檢驗(yàn)效率提升30%-60%,在生產(chǎn)線上推廣運(yùn)用后,預(yù)計(jì)可節(jié)約生產(chǎn)檢驗(yàn)成本約20000元/月。
4.2 示范推廣效應(yīng)
項(xiàng)目根據(jù)《軌道交通電子設(shè)備列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)》系列標(biāo)準(zhǔn)提出了試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件和判定準(zhǔn)則,應(yīng)用新建成的軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),對(duì)新研發(fā)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、試驗(yàn)與驗(yàn)證,并開展對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用推廣工作,確保我國軌道交通列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的技術(shù)、質(zhì)量與可靠性達(dá)到國際先進(jìn)水平。
通過本項(xiàng)目提出的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件和判定準(zhǔn)則,應(yīng)用新建成的軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái),對(duì)新研發(fā)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試、試驗(yàn)與驗(yàn)證,并開展對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用推廣工作,可確保我國軌道交通列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的技術(shù)、質(zhì)量與可靠性達(dá)到國際先進(jìn)水平。
本項(xiàng)目提出的系列試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件和判定準(zhǔn)則,可有效提升軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,提高各廠商生產(chǎn)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一致性、互操作性,規(guī)范軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)檢驗(yàn)信息輸入、質(zhì)量考核方式、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)之間的物理接口、數(shù)據(jù)通信接口等信息,指導(dǎo)各廠商遵循統(tǒng)一規(guī)范完成完整的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品性能考核,有效提升檢驗(yàn)效率。
綜合以上,軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于我國軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制產(chǎn)業(yè)的提升具有重大的里程碑意義。
5? 結(jié)論
針對(duì)現(xiàn)有軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品化流程的不足,本文對(duì)各信息化系統(tǒng)間復(fù)雜的業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流進(jìn)行梳理,依據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)功能進(jìn)行匹配,對(duì)業(yè)務(wù)范圍進(jìn)行界定,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體信息化規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì),使得各信息化系統(tǒng)接口良好對(duì)接,形成了3項(xiàng)創(chuàng)新基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建了一套新型軌道交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量檢測(cè)和裝車運(yùn)維的全生命周期智能化管控,滿足了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)品批量生產(chǎn)的要求,實(shí)現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
然而,新型產(chǎn)品化平臺(tái)對(duì)如何減小自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)引入誤差,如何保證自動(dòng)化測(cè)試軟件的準(zhǔn)確性,如何分析系統(tǒng)不確定度評(píng)定的準(zhǔn)確性及有效性等需要進(jìn)一步改進(jìn);此外,影響軌道交通不同類型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的因素非常多,對(duì)所有可能的影響因子進(jìn)行收集羅列有一定的難度,各影響因子的互操作性權(quán)重設(shè)定也是一大難點(diǎn),也需要進(jìn)一步突破。
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