電力設(shè)計(jì)院知識(shí)庫(kù)構(gòu)建研究

王學(xué)超 劉大偉 鄭凱 閻欣欣 冷凱強(qiáng)

摘要：電力設(shè)計(jì)院目前的知識(shí)管理主要集中于檔案管理，存在知識(shí)獲取不全、知識(shí)利用率低等問(wèn)題，對(duì)于知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用較少。本文分析了電力設(shè)計(jì)院構(gòu)建知識(shí)庫(kù)的必要性，并提出了知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建原則。最后以變電土建工程知識(shí)庫(kù)中的土建造價(jià)庫(kù)為例，介紹了利用本體構(gòu)建知識(shí)庫(kù)的方法，對(duì)其功能進(jìn)行了分析。本文構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)可以較好地滿足電力設(shè)計(jì)人員對(duì)于設(shè)計(jì)、造價(jià)工作的要求，提出的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方法能夠?yàn)殡娏υO(shè)計(jì)院的知識(shí)管理提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：電力設(shè)計(jì)院;知識(shí)管理;知識(shí)庫(kù);變電土建

中國(guó)分類號(hào)：TP311.13? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）15-0222-04

Abstract： At present， knowledge management in electric power design institute is mainly focused on archive management， but the application of knowledge base is less， and there are some problems such as incomplete knowledge acquisition and low knowledge utilization rate. This paper analyzes the necessity of knowledge base construction in electric power design institute， and proposes the construction principle of knowledge base. Finally， taking the civil engineering cost database of the knowledge base of substation civil engineering as an example， this paper introduces the method of using ontology to construct the knowledge base and analyzes its functions. The knowledge base constructed in this paper can better meet the design and cost requirements of electric power designers， and the proposed method of knowledge base construction can provide reference for knowledge management of electric power design institutes.

Key words： electric power design institute;knowledge management;the knowledge base;substation construction

1 引言

電力設(shè)計(jì)院作為知識(shí)密集型組織，業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)帶來(lái)了設(shè)計(jì)文件的快速增多，為確保文件的完整性和精確性，對(duì)電力設(shè)計(jì)院進(jìn)行知識(shí)管理尤為重要。目前已有部分電力設(shè)計(jì)院初步構(gòu)建了自己的知識(shí)管理平臺(tái)系統(tǒng)，但大多數(shù)的設(shè)計(jì)院在知識(shí)管理上仍存在問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)知識(shí)進(jìn)行有效的沉淀歸檔和利用。知識(shí)庫(kù)作為計(jì)算機(jī)中的知識(shí)集群，具備良好的知識(shí)存儲(chǔ)、共享、創(chuàng)新等功能，便于設(shè)計(jì)人員操作使用。目前，電力設(shè)計(jì)院較少地將知識(shí)庫(kù)應(yīng)用于知識(shí)管理。基于此，本文通過(guò)對(duì)電力設(shè)計(jì)院的知識(shí)管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了將知識(shí)庫(kù)應(yīng)用于電力設(shè)計(jì)院進(jìn)行知識(shí)管理，詳細(xì)闡述了構(gòu)建電力設(shè)計(jì)院知識(shí)庫(kù)的必要性及原則，并以變電土建工程知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建為例對(duì)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建方法和功能進(jìn)行了分析。

2 電力設(shè)計(jì)院知識(shí)管理現(xiàn)狀分析

知識(shí)管理是社會(huì)中的組織和個(gè)人完成知識(shí)獲取、存儲(chǔ)、交流、共享、應(yīng)用和創(chuàng)新的管理過(guò)程 [1]7。我國(guó)的知識(shí)管理研究始于20世紀(jì)80年代后期[2]，在2005年之后開(kāi)始快速發(fā)展[3]。電力行業(yè)對(duì)知識(shí)管理也頗為關(guān)注，并制定了相應(yīng)的規(guī)劃，也取得了相應(yīng)的成果。如國(guó)家電網(wǎng)和中國(guó)電建都創(chuàng)建了自己的一體化協(xié)同辦公平臺(tái)等大型知識(shí)管理平臺(tái)。

2.1 知識(shí)獲取

知識(shí)獲取是知識(shí)管理的重要前提，目前，大多數(shù)電力設(shè)計(jì)院處于知識(shí)數(shù)據(jù)的積累階段，已經(jīng)積累了足夠豐富的知識(shí)資源，只是尚缺乏對(duì)這些知識(shí)資源進(jìn)行有效整理。在知識(shí)獲取的過(guò)程中，由于知識(shí)資源相對(duì)分散，大部分?jǐn)?shù)據(jù)資料存儲(chǔ)在個(gè)人電腦當(dāng)中[4]，因此存在部分顯性知識(shí)獲取不全的問(wèn)題。此外，專家、工程師等頭腦中的經(jīng)驗(yàn)、技巧等隱性知識(shí)沒(méi)能得到有效挖掘，造成了知識(shí)資源的浪費(fèi)。

2.2 知識(shí)存儲(chǔ)及應(yīng)用

獲取知識(shí)之后需要對(duì)其存儲(chǔ)，目前已有部分電力設(shè)計(jì)院建設(shè)了自己的協(xié)同辦公平臺(tái)或知識(shí)管理系統(tǒng)，能夠做到設(shè)計(jì)文件資料的及時(shí)保存和更新，最大程度確保了所獲取文件的完整性和精確性。知識(shí)存儲(chǔ)的最終目的是對(duì)知識(shí)進(jìn)行有效利用，如何提高知識(shí)的利用率是大部分電力設(shè)計(jì)院普遍面臨的一個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)階段電力設(shè)計(jì)院所建設(shè)的知識(shí)管理平臺(tái)基本實(shí)現(xiàn)了目錄服務(wù)、知識(shí)檢索等功能[5]，但是缺少對(duì)知識(shí)信息資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，影響了設(shè)計(jì)院效益的提高，需要完善知識(shí)共享和創(chuàng)新等功能。目前知識(shí)管理人員業(yè)務(wù)水平有待提高，構(gòu)建的知識(shí)管理系統(tǒng)缺乏良好的運(yùn)行環(huán)境，導(dǎo)致知識(shí)利用程度低，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)知識(shí)的充分共享。此外，知識(shí)之間具有聯(lián)系，如何挖掘知識(shí)之間的相互關(guān)系，使知識(shí)發(fā)揮出更大的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)知識(shí)二次利用和創(chuàng)新，是知識(shí)管理系統(tǒng)健全完善的方向。知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建將有利于電力設(shè)計(jì)院實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和創(chuàng)新。

知識(shí)庫(kù)作為計(jì)算機(jī)中的知識(shí)集群，具備良好的知識(shí)存儲(chǔ)、共享、創(chuàng)新等功能。然而目前電力設(shè)計(jì)院創(chuàng)建的知識(shí)管理系統(tǒng)較少將知識(shí)庫(kù)應(yīng)用其中，其知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建處于起步階段，基本實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)分類架構(gòu)，具備成熟的知識(shí)庫(kù)的電力設(shè)計(jì)院還比較少。針對(duì)目前電力設(shè)計(jì)院知識(shí)管理上所存在的亟待解決的問(wèn)題，運(yùn)用知識(shí)庫(kù)將得到有效改善。

3 電力設(shè)計(jì)院構(gòu)建知識(shí)庫(kù)的必要性及原則

3.1 知識(shí)庫(kù)相關(guān)概念

知識(shí)庫(kù)是按一定要求存貯在計(jì)算機(jī)中的相互關(guān)聯(lián)的某種事實(shí)、知識(shí)的集合，是經(jīng)過(guò)分類和組織、序化的知識(shí)集合[6]。知識(shí)庫(kù)以機(jī)器可讀的形式表達(dá)，并且可供機(jī)器處理。知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建需要某種知識(shí)表示方法支撐，目前最流行且最常用的知識(shí)表示方法是本體表示法，其對(duì)于知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建至關(guān)重要。

本體有許多不同的定義，在各界學(xué)者中認(rèn)可度最高的定義是由德國(guó)學(xué)者Studer等人于1998年提出的，即本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明[7]。目前存在諸多本體的構(gòu)建方法，其中應(yīng)用較廣的是七步法。七步法由美國(guó)斯坦福大學(xué)Noy教授等人所創(chuàng)[8]。經(jīng)歷約20年的發(fā)展，七步法相對(duì)于其他本體構(gòu)建方法而言，體系比較完整。

3.2 構(gòu)建知識(shí)庫(kù)的必要性

1）提高知識(shí)存儲(chǔ)效率，促進(jìn)電力設(shè)計(jì)院快速發(fā)展

在知識(shí)存儲(chǔ)方面，知識(shí)基本靠人工手動(dòng)輸入管理系統(tǒng)，這不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，也將占用較多的人力資源，阻礙了電力設(shè)計(jì)院工作效率的提高。在當(dāng)今知識(shí)量爆炸性增長(zhǎng)的時(shí)代，這種落后的方法亟待改進(jìn)，而知識(shí)庫(kù)的自動(dòng)化構(gòu)建有望打破這一困境。

本體的自動(dòng)構(gòu)建從20世紀(jì)初就開(kāi)始被研究[9]，十幾年間在理論上已經(jīng)取得了一定突破，在實(shí)踐中也有所進(jìn)展，如桂冬冬等人提出了一種煤礦事故本體自動(dòng)構(gòu)建方法，使構(gòu)建的本體更加全面[10]。隨著本體自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)和人工智能技術(shù)的與時(shí)俱進(jìn)，知識(shí)庫(kù)的半自動(dòng)化構(gòu)建乃至自動(dòng)化構(gòu)建將逐漸從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這將大大減少人力資源的投入，提高知識(shí)存儲(chǔ)輸入的效率。

2）提高知識(shí)查詢精準(zhǔn)度，促進(jìn)知識(shí)傳遞共享

在知識(shí)應(yīng)用方面，目前的知識(shí)管理方式對(duì)電力設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用程度不高，沒(méi)有充分發(fā)揮知識(shí)資源應(yīng)有的價(jià)值。由于知識(shí)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，使之更具備條理性，并且能夠表示知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)。基于本體構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)的查全率和查準(zhǔn)率分別可達(dá)93%和87% [1]57，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的精準(zhǔn)查詢。電力設(shè)計(jì)人員尋找和利用知識(shí)的時(shí)間將大大減少，促進(jìn)了知識(shí)的傳遞共享。

3）提高電力設(shè)計(jì)院工作效率，促進(jìn)知識(shí)重用創(chuàng)新

知識(shí)庫(kù)可以與推理機(jī)相結(jié)合組成專家系統(tǒng)，即模仿人類思維求解復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)，通過(guò)本體推理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的重用創(chuàng)新，為電力設(shè)計(jì)院創(chuàng)造更大的價(jià)值。本體推理的實(shí)現(xiàn)機(jī)制表現(xiàn)為，在推理機(jī)的作用下，將知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)與規(guī)則庫(kù)中的推理規(guī)則相互匹配，從而推理出知識(shí)庫(kù)中的隱含知識(shí)[1]12。例如，通過(guò)本體推理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)及評(píng)估，設(shè)計(jì)人員基于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，從而可以有效避免將來(lái)工程建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中類似風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，極大地提高了工程的安全性并減少了損失[11-12]。此外，知識(shí)庫(kù)還可用于綠色建筑評(píng)價(jià)[13]，電站或建筑的智能運(yùn)維[14-15]等方面。若電力設(shè)計(jì)院實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)的成熟建設(shè)，電力設(shè)計(jì)人員的工作效率及效果都將得到極大提高。

3.3 知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建原則

不同領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建原則各有不同，需根據(jù)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建的目的進(jìn)行設(shè)置。由于電力設(shè)計(jì)院知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是為了更好地對(duì)知識(shí)資源進(jìn)行有效管理，從而提高電力設(shè)計(jì)院的工作效率。為了盡可能發(fā)揮所構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)的作用，本文提出了三點(diǎn)電力設(shè)計(jì)院知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建原則。

1）完整性原則

電力設(shè)計(jì)院的知識(shí)繁雜密集，為了避免遺漏，在構(gòu)建知識(shí)庫(kù)之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)知識(shí)進(jìn)行合理的分門別類，在涵蓋全部核心知識(shí)的基礎(chǔ)上，力求維護(hù)知識(shí)的完整性及條理性，從而便于知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，也有利于提高實(shí)現(xiàn)知識(shí)查詢的完整性和精確性。

2）易操作性原則

知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是為了更加高效地利用知識(shí)，因此，構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)需要具備較強(qiáng)的可操作性。首先知識(shí)庫(kù)必須具備一定的可拓展性。隨著電力設(shè)計(jì)院的發(fā)展，其內(nèi)外部的資料都在不斷增加，只有具備一定可拓展性的知識(shí)庫(kù)才能實(shí)現(xiàn)知識(shí)的更新補(bǔ)充。其次，構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)要方便使用，從而減少知識(shí)查詢和創(chuàng)新重用所耗費(fèi)的時(shí)間，提高電力設(shè)計(jì)人員的工作效率。

3）一致性原則

電力設(shè)計(jì)院方面的專有名詞較多，在描述這些專有名詞的概念、屬性及實(shí)例時(shí)，必須與實(shí)際相符，同時(shí)要滿足定義和推理在邏輯上相一致[16]。

4 電力設(shè)計(jì)院知識(shí)庫(kù)構(gòu)建案例

4.1 知識(shí)庫(kù)的系統(tǒng)架構(gòu)

目前國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的人才交流帶來(lái)了電力設(shè)計(jì)人員流動(dòng)較大等問(wèn)題，流出有經(jīng)驗(yàn)人員導(dǎo)致知識(shí)流失，流入無(wú)經(jīng)驗(yàn)人員無(wú)法系統(tǒng)全面地了解設(shè)計(jì)知識(shí)。因此，構(gòu)建電力設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)尤為必要。本文以變電站土建工程知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建為例，幫助電力設(shè)計(jì)院更好地進(jìn)行知識(shí)管理，使得新加入的缺乏經(jīng)驗(yàn)的電力設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)懂設(shè)計(jì)、懂造價(jià)的目標(biāo)。擬構(gòu)建知識(shí)庫(kù)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

4.2 知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建步驟

目前缺少可以重用的本體，故該知識(shí)庫(kù)所利用的本體需自主構(gòu)建。知識(shí)庫(kù)本體的構(gòu)建工程較為龐大，目前利用protégé軟件完成了土建造價(jià)庫(kù)的構(gòu)建，主要的構(gòu)建方法簡(jiǎn)述如下。

第一步，定義類，主要包括設(shè)計(jì)對(duì)象庫(kù)、設(shè)計(jì)要求庫(kù)、計(jì)量規(guī)則庫(kù)三類。類及其定義如表1所示，在protégé軟件中構(gòu)建的該知識(shí)庫(kù)本體的類如圖2所示。

第二步，定義類的屬性，主要包括對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性。首先定義對(duì)象屬性，它表達(dá)的是類與類之間的關(guān)系。該本體中子類與基礎(chǔ)類構(gòu)建了歸屬關(guān)系的“is-a”屬性，例如通過(guò)“is-a”將“主要生產(chǎn)建筑物”和“設(shè)計(jì)對(duì)象”聯(lián)系起來(lái)，表示“主要生產(chǎn)建筑物”是“設(shè)計(jì)對(duì)象”的一個(gè)子類。表2展示了對(duì)象屬性的定義域及值域。定義域是屬性的起點(diǎn)，表示屬性限制的類;值域是屬性的終點(diǎn)，表示屬性指向的對(duì)象。數(shù)據(jù)屬性描述的是類的具體信息，它是類與數(shù)據(jù)的連接點(diǎn)，如表3所示。

第三步，創(chuàng)建實(shí)例。實(shí)例是真實(shí)具體的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)實(shí)際對(duì)象、實(shí)際要求和實(shí)際計(jì)量規(guī)則。通過(guò)創(chuàng)建實(shí)例可以將本體應(yīng)用到實(shí)際。本文以“站區(qū)道路”為例，說(shuō)明構(gòu)建實(shí)例的思路和過(guò)程。

實(shí)例“站區(qū)道路”屬于類“設(shè)計(jì)對(duì)象”的子類“站區(qū)性建筑”，整體視圖如圖3所示。類“設(shè)計(jì)對(duì)象”的子類“站區(qū)性建筑”是抽象的概念，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將圍墻、大門、護(hù)坡、擋土墻、排水溝、站區(qū)廣場(chǎng)和站區(qū)道路規(guī)為一類“站區(qū)性建筑”。

4.3 知識(shí)庫(kù)的功能實(shí)現(xiàn)

1）知識(shí)結(jié)構(gòu)可視化

知識(shí)庫(kù)本體通過(guò)計(jì)算機(jī)可識(shí)別的語(yǔ)言進(jìn)行構(gòu)建，并以.OWL形式進(jìn)行存儲(chǔ)，這些計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言對(duì)一般電力設(shè)計(jì)人員而言，晦澀難懂。而知識(shí)庫(kù)可以將知識(shí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成可視化的形式，通過(guò)直觀展示，電力設(shè)計(jì)人員可以清晰地了解知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，也便于快速地掌握設(shè)計(jì)知識(shí)，從而提高其設(shè)計(jì)能力。根據(jù)知識(shí)可視化展示的詳細(xì)程度可以分為OWLViz可視化和OntoGraf可視化。前者只能展示類這一層次，后者可以展示全部的類及屬性。由于全部展示形成的結(jié)構(gòu)較大，故只展示第二子類這一層次，圖4和圖5為土建造價(jià)庫(kù)的這兩種知識(shí)可視化形式。

2）知識(shí)精準(zhǔn)查詢

OntoGraf可以實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)查詢的功能。以“道路”為例，在搜索框中輸入“道路”，查詢結(jié)果如圖6所示。圖中展示了與“道路”有關(guān)的類及實(shí)例，如施工圖通用設(shè)計(jì)中與站內(nèi)道路有關(guān)的各類設(shè)計(jì)要求。電力設(shè)計(jì)人員通過(guò)知識(shí)查詢，可以快速找到自己需要的信息，節(jié)約知識(shí)查找所耗費(fèi)的時(shí)間，從而提高其設(shè)計(jì)效率。

3）待完善的功能

由于知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是一項(xiàng)工作量較大的工程，目前實(shí)現(xiàn)的部分還不夠健全。待整個(gè)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建完善之后，知識(shí)之間的聯(lián)系更加密切，通過(guò)巨大的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)現(xiàn)更多的功能。待完善的功能主要有以下幾點(diǎn)。首先，需要實(shí)現(xiàn)知識(shí)之間的精準(zhǔn)索引。例如，通過(guò)查詢“在建工程資料庫(kù)”中的某設(shè)計(jì)圖紙，可以找到“設(shè)計(jì)人員庫(kù)”中的相應(yīng)負(fù)責(zé)人，從而實(shí)現(xiàn)施工人員與設(shè)計(jì)人員的及時(shí)溝通，促進(jìn)雙方工作協(xié)同優(yōu)化，節(jié)約工程造價(jià)。其次，實(shí)現(xiàn)相似項(xiàng)目案例的精準(zhǔn)匹配。通過(guò)構(gòu)建案例推理規(guī)則庫(kù)，利用相似度算法來(lái)實(shí)現(xiàn)相似案例的精準(zhǔn)查找，為當(dāng)前的設(shè)計(jì)工作提供借鑒，優(yōu)化設(shè)計(jì)成果。最后，努力開(kāi)發(fā)知識(shí)庫(kù)半自動(dòng)乃至自動(dòng)構(gòu)建方法，為知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建節(jié)省時(shí)間和人力，從而更快更好地充分利用知識(shí)庫(kù)的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

電力設(shè)計(jì)院的知識(shí)管理十分重要。本文首先對(duì)電力設(shè)計(jì)院的知識(shí)管理的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)目前的知識(shí)管理方式仍然存在較多不足之處，通過(guò)構(gòu)建并應(yīng)用知識(shí)庫(kù)進(jìn)行知識(shí)管理可以有效地改善這些問(wèn)題。然后以變電站土建工程的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建為例，設(shè)計(jì)了該知識(shí)庫(kù)的系統(tǒng)架構(gòu)，并分析了其構(gòu)建方法和功能。結(jié)果表明，目前構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)能夠較好地滿足電力設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范以及工程造價(jià)的學(xué)習(xí)需求，本文提出的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方法能夠?yàn)殡娏υO(shè)計(jì)院的知識(shí)管理提供借鑒參考。

本文仍存在一些不足之處。目前所構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)還不夠健全，只具備一些基礎(chǔ)功能。知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，后續(xù)將完善本知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，并研究半自動(dòng)化構(gòu)建乃至自動(dòng)化構(gòu)建技術(shù)，節(jié)約時(shí)間和人力。此外還將開(kāi)發(fā)更多的知識(shí)庫(kù)功能，幫助電力設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其設(shè)計(jì)工作，促進(jìn)電力設(shè)計(jì)院實(shí)現(xiàn)更佳的知識(shí)管理。

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