董志乾
Abstract: Wireless sensor network has the functions of collecting, analyzing, processing and storing massive data information. The network itself has the characteristics of wireless, multi-hop, self-organization and so on. With the help of sensor nodes, a new network system is formed. This wireless sensor network is mainly used in military industry, ecological environment monitoring, geological early warning and other special working environments in China. In the actual operation of the ship, many engineers analyze the operation of the ship's main engine by monitoring the exhaust temperature of the cylinder. Therefore, it is necessary to strengthen the analysis of the change of single cylinder exhaust temperature.
關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡;主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng);發(fā)展趨勢
Key words: wireless sensor network;host temperature acquisition and monitoring system;development trend
中圖分類號:TP212.14 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-957X(2022)04-0230-03
0 ?引言
作為船舶的動力核心,在船舶主機長期運行過程中,由于維護不當或操作不當,經(jīng)常會出現(xiàn)一些故障問題。分析和排除這些常見故障的原因,盡快恢復主機裝置的正常運行,可以有效地提高船舶的工作效率。船舶主機的排氣溫度作為主要熱工參數(shù),能有效反應出主機工況,過高或者過低的排氣溫度能較早的表現(xiàn)出主機可能存在的故障。原船舶主機維修采用定期計劃維修的策略。該策略是有計劃的,可以有效地防止船舶主機的突然故障。這種策略也有一定的弊端。它不僅不考慮主發(fā)動機的運行狀況和管理水平,而且不是所有常見的突然失敗是可以預防的。因此,主機溫度監(jiān)測系統(tǒng)能在熱工參數(shù)出現(xiàn)異常的時候較早的發(fā)出預警,輔助維修人員進行故障判斷,減少經(jīng)濟損失。
1 ?主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)
本文提出一種以德州儀器成熟解決方案——cc2530為SoC的基于zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡,以常用的k型熱電偶作為溫度測量的敏感部件,通過利用cc2530自帶的ADC來采集傳感器的毫伏信號,經(jīng)過變送、處理、轉(zhuǎn)發(fā)將個缸排溫上傳至zigbee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān),在通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機進行統(tǒng)一的監(jiān)測與預報警。無線傳感器用于在線監(jiān)測主機連接點的工作溫度,以確定被測對象的過熱程度。在超溫,或者溫度異常偏低的情況下,測溫系統(tǒng)會發(fā)送報警或預警信息通知用戶。溫度測量系統(tǒng)具有以下功能溫度測量系統(tǒng)具有以下三個技術(shù)特點:
第一,無線傳感器系統(tǒng)以無線作為信號傳輸和傳感介質(zhì),能夠?qū)崟r檢測環(huán)境溫度的變化并進行分布式測量。該產(chǎn)品具有較高的監(jiān)測靈敏度,可實現(xiàn)無電源檢測,同時避免了復雜的現(xiàn)場布線。
第二:可靠性和精度高,長期穩(wěn)定性好,電氣絕緣,耐腐蝕,對被測介質(zhì)影響小,且分布檢測。
第三:系統(tǒng)滿足本質(zhì)安全、防爆、防靜電的要求,系統(tǒng)可以輸出報警信號和實時溫度信號。
2 ?無線傳感器網(wǎng)絡的定義
無線傳感器網(wǎng)絡是一種新的網(wǎng)絡模式。網(wǎng)絡的功耗和成本相對較低,具有分布式的特點。在傳感區(qū)域,設置多個傳感器節(jié)點組成網(wǎng)絡,實現(xiàn)無線通信。然而,在使用無線傳感器網(wǎng)絡的過程中,數(shù)據(jù)隱私面臨著許多安全威脅。有必要通過應用保護技術(shù)來保證數(shù)據(jù)隱私的安全性,從而保證無線傳感器網(wǎng)絡的安全性。無線傳感器網(wǎng)絡作為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集器,在一段時間內(nèi)部署在需要的區(qū)域進行信息的采集和傳輸。然而,網(wǎng)絡的每個節(jié)點提供的能量是有限的和收集范圍是固定的,所以他們需要配合形成一個多跳網(wǎng)絡維護整個網(wǎng)絡的連通性,因此,在設計傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議時,我們需要考慮節(jié)點的合作,通信能力和能量管理,確保無線傳感器網(wǎng)絡能夠適應不同的工作環(huán)境。目前,社會各行各業(yè)都需要運用一系列的智能設備來把握社會發(fā)展的趨勢和趨勢,船舶行業(yè)也是如此。主機作為船舶的核心動力的重要組成部分,其傳統(tǒng)的電纜工作存在著一些缺陷和問題,需要通過智能化設備來解決。它在智能化無人機艙的建設中也起著重要的作用。員工可以借助這種先進的設備對傳統(tǒng)的工作流程進行改進和優(yōu)化,從而提高無人機艙的水平和質(zhì)量。
分布式無線傳感器網(wǎng)絡可以使用自己的微型傳感器來智能管理整個監(jiān)控區(qū)域。分布式無線傳感器網(wǎng)絡在運行過程中采用多節(jié)點分布,大大縮短了傳輸過程,提高了傳輸效率。同時,分布式無線傳感器網(wǎng)絡可以連接到Internet,這使得可以利用Internet技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡進行遠程控制。與其他無線傳輸網(wǎng)絡相比,分布式無線傳感器網(wǎng)絡具有顯著的優(yōu)勢,尤其是多點傳輸模式,節(jié)點大,空間分布密度高,從而保證了對物理現(xiàn)象的非常有效的監(jiān)測。此外,節(jié)點數(shù)量也高于其他網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。對分布式無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、分布式節(jié)點之間的計算能力、功耗和存儲容量進行最基本的控制,以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。節(jié)點之間的通信方式不夠及時,和傳輸?shù)臏蚀_性,仍然有許多問題缺乏明確的管理導致高度不穩(wěn)定的拓撲和頻繁的和無法控制的變化,所有的挑戰(zhàn)和問題,我們必須處理在未來制定協(xié)議。
3 ?船舶主機排氣溫度監(jiān)測的意義
船舶主機在運行過程中,為了保證整體運行狀態(tài)和運行安全,有必要對汽缸排氣溫度進行監(jiān)測。該溫度參數(shù)能有效反映氣缸和燃油噴射設備的實際狀態(tài)。因此,在船舶實際運行過程中,許多工程師通過監(jiān)測汽缸排氣溫度來分析船舶主機的運行情況。因此,加強對船舶主機單缸排氣溫度變化的分析是十分必要的。船舶柴油機排氣溫度過高影響柴油機的正常工作,如造成排氣管破裂產(chǎn)生火災隱患;破壞滑油膜造成滑油失效導致拉缸;同時形成環(huán)境污染,造成大量損失。柴油機的排氣溫度不應超過說明書的規(guī)定值,且各缸排氣溫度不應產(chǎn)生較大的差距。
異常的排氣溫度也可以較早的預警可能出現(xiàn)的故障隱患例如:①冷卻水溫度異常。正常的柴油機冷卻水溫度應保持在75-90攝氏度,冷卻水的溫度過高或者過低會影響燃燒室燃燒做功,從而影響柴油機輸出功率。②進氣量及增壓器工作異常。主機的最大輸出功率受到進氣量影響,異常的進氣量或者增壓器故障同樣會導致燃燒室做功升高或者下降。③進排氣門和氣門間隙異常。進、排氣門損壞或者間隙過小都會使氣門關(guān)閉不嚴,在壓縮沖程中新鮮空氣泄漏,燃燒的不充分導致輸出功率減小,排氣溫度降低。④噴油提前角的異?;蛘邍娪妥於氯?。噴油量的減小同樣會導致排氣溫度偏低,因此主機排氣溫度的監(jiān)測意義重大,能較早的發(fā)現(xiàn)柴油機工作的異常,提早排除故障,減小經(jīng)濟損失。
4 ?無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)的信息融合、數(shù)據(jù)存儲和查詢緊密結(jié)合在一起,不僅為應用層的接入提供了便捷的途徑,還有助于解決系統(tǒng)的能耗問題,提高了WSN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合的效率。
4.1 壓縮感知的應用
壓縮感知(Compressed sensing,CS)是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù),在無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展中起著非常重要的作用。它主要針對傳統(tǒng)信息處理中采樣信息處理的局限性,利用壓縮方法獲取傳感數(shù)據(jù)信息,利用隨機亞采樣實現(xiàn)對壓縮數(shù)據(jù)的直接采集。在數(shù)據(jù)采集和壓縮的過程中,直接采集,對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行獨立編碼,在感知的過程中,不需要對數(shù)據(jù)進行驗證,在分布式數(shù)據(jù)處理和采集方面具有很大的優(yōu)勢。通過將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)交?,壓縮感知技術(shù)可以從WSN網(wǎng)絡中提取數(shù)據(jù),并通過能量均衡自適應壓縮感知算法防止網(wǎng)絡節(jié)點過度消耗能量。采用閾值選擇方法,滿足不同場景的需求,整合壓縮感知應用的信息,將信息傳輸?shù)綗o線傳感器網(wǎng)絡的多目標位置,調(diào)用復雜數(shù)據(jù)。這樣,可以將基于網(wǎng)格的復雜多目標定位問題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡中的目標跟蹤問題,便于對WSN網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行分布式處理,從而降低網(wǎng)絡消耗。
4.2 面向應用的信息處理
在WSN中,為了提高無線傳感器網(wǎng)絡中信息融合、數(shù)據(jù)存儲和查詢的效率,提高WSN信息融合的服務質(zhì)量,在WSN中采用面向應用的信息處理,便于在網(wǎng)絡中快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。它不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的高速傳輸,還可以降低網(wǎng)絡能耗。為了提供面向應用的信息處理方法,使用不同測控輸入的WSN數(shù)據(jù),并使用相應的神經(jīng)網(wǎng)絡處理完成節(jié)點和網(wǎng)絡層面的數(shù)據(jù)采集和預處理,從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的綜合處理。
5 ?無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)
5.1 無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)檢測
在傳統(tǒng)主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)信息處理基本上是簡單的顯示信息,但具體問題不能及時反饋。在這種背景下,相關(guān)人員往往需要花費更多的時間和精力來處理和解決問題,從而降低了整體維修工作的效率和質(zhì)量。如果能將主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)改造成無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng),就能在一定程度上解決這類問題。在無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)中,主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)繼電保護可以對系統(tǒng)進行實時檢測和監(jiān)控。如果有問題,可以對涉及到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行標記,然后通過通信設備上傳到相應的系統(tǒng),系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)保存起來,不會消失。系統(tǒng)可以有效地檢測出不同時期傳輸?shù)臄?shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)的變化轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)據(jù)圖,便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。同時,無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)還可以模擬損壞的設備進行工作,從而保證主機保護的維護可以更輕松的完成。
主機設備的在線監(jiān)測信息通過zigbee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行傳輸?shù)接嬎銠C上。相關(guān)人員根據(jù)收到的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行分析,包括汽缸排氣溫度、渦輪前排氣溫度、渦輪后排氣溫度、滑油溫度、冷卻水溫度等。傳輸方式也可以分為兩種不同的方式。一種是通過測控裝置傳輸相應的數(shù)據(jù)。這樣,數(shù)據(jù)信息就需要通過網(wǎng)絡配置傳輸?shù)较鄳臏y控設備。測控裝置對這些數(shù)據(jù)信息進行處理,轉(zhuǎn)換成MMS形式傳輸給檢測系統(tǒng)。二是利用網(wǎng)絡分析儀進行傳輸。與前者相比,該過程更快。它直接利用網(wǎng)絡分析對數(shù)據(jù)進行采集、排序和處理,然后轉(zhuǎn)換成MMS格式進行傳輸。無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)通常采用無線傳輸數(shù)據(jù),包括物理通斷和邏輯通斷兩種在線監(jiān)測方法。它們有自己的特點,也可以為數(shù)據(jù)交換提供良好的技術(shù)支持。
5.2 無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)物理鏈路通信
首先是無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)相應的物理鏈路通信。通信狀態(tài)需要保持實用性的原則,因為具體的二次電路保護過程所涉及的內(nèi)容和類型比較多樣化。為了防止由于內(nèi)容多樣化而造成的數(shù)據(jù)傳輸問題,相關(guān)工作人員需要盡可能減少冗余環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),從而加強主機保護的質(zhì)量。為了達到這一效果,相關(guān)人員在進行主機物理通信的過程中,應該采取一些高效、快速的通信方式,防止通信過程中涉及的多個環(huán)節(jié)產(chǎn)生一些無用的數(shù)據(jù)。但是,在交際的過程中,也要保證交際的實用性但是在溝通的過程中,也要保證溝通的實用性,為了簡單快捷,一些必要的步驟不能省略。在實際運行過程中,還可以通過框架結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)進行整理,并對主機進行評估。如果在實際操作過程中出現(xiàn)一些異常情況,也需要由相關(guān)人員及時進行修復和修復,以確保主機各接口正常運行。如果有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤,員工應當首先維護整體數(shù)據(jù)的前提下正常運輸,然后進行維修,準確定位故障的位置,確保主機繼電保護動作的準確性,并為后續(xù)的相關(guān)工作打下良好的基礎。
5.3 無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)邏輯鏈路通信
無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)邏輯鏈路通信在二次電路工作的過程中,主要的工作流程是SCD文件從生成到傳輸?shù)倪^程。在傳輸完相應的信息后,還需要準備相應的信息并上傳到相關(guān)部門進行檢測,以保證傳輸?shù)挠行?。所涉及的冗余設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要與SCD數(shù)據(jù)保持一致,以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。邏輯鏈路的功能主要是分析整理SCD文件以及組態(tài)、消息和設備之間的操作關(guān)系,使各鏈路能夠清楚地掌握自己的任務,在邏輯鏈路的調(diào)節(jié)下,數(shù)據(jù)傳輸變得更加清晰高效。無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)可以對配置進行在線評估。如果發(fā)現(xiàn)發(fā)送和接收設備不能匹配成功在評價過程中,它會發(fā)出警告,提醒員工進行邏輯檢查和檢查相關(guān)設備的工作狀態(tài)。
無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)在實際的應用過程中,員工首先需要將相應的信息存儲在SCD文件中,并將其放入相應的數(shù)據(jù)庫中,以此為基礎建立模型。之后,之前整理好的數(shù)據(jù)和信息需要借助繪圖工具以圖像的形式表達出來。工作人員標出上限和下限。上下限在設置的范圍內(nèi)是正常的。如果不是,則需要重新處理。溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)通過MMS進行連接,保證信息能夠?qū)崟r監(jiān)控,在出現(xiàn)問題和故障時能夠及時處理。將后續(xù)數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng),方便員工進行分析,從而制定出更好的方案。
6 ?無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)查詢和存儲
無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)的信息融合主要以數(shù)據(jù)中心的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。它不同于傳統(tǒng)的集中數(shù)據(jù)庫的集中數(shù)據(jù)處理方法。采用分布式信息處理方法對無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行綜合處理。在信息融合過程中,每個節(jié)點可以得到相應數(shù)據(jù)的查詢處理和存儲信息時的響應。
6.1 數(shù)據(jù)存儲 ?數(shù)據(jù)存儲也是無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡的關(guān)鍵內(nèi)容之一。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)存儲受到網(wǎng)絡能耗條件的限制。要解決數(shù)據(jù)存儲問題,首先要解決的關(guān)鍵問題是如何處理網(wǎng)絡中的能耗分布,從而有效地實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲和快速數(shù)據(jù)響應。當用戶獲取數(shù)據(jù)時,我們只需要關(guān)注數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和具體內(nèi)容,而不需要關(guān)注WSN網(wǎng)絡信息融合的細節(jié)。在數(shù)據(jù)存儲的過程中,首先,利用傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的本地計算函數(shù),建立一個合理的邏輯分區(qū)和資源存儲分區(qū)的數(shù)據(jù)庫,并建立傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲模型在數(shù)據(jù)庫中,可以快速定位數(shù)據(jù)地址和消除一些無關(guān)的數(shù)據(jù),減少存儲介質(zhì)的訪問頻率,造成的能量損失訪問存儲過程,這不僅可以增加數(shù)據(jù)安全訪問的檢測機制,而且還有效地劃分存儲節(jié)點存儲節(jié)點的能量平衡,從而減少能源消耗的基礎網(wǎng)絡??刹捎没谑录纳a(chǎn)頻率和查詢頻率、自適應集中式查詢等技術(shù),實現(xiàn)分布式策略,將數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。
6.2 數(shù)據(jù)查詢 ?無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲后,如何有效地檢索和查詢數(shù)據(jù)無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢需要降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎暮途W(wǎng)絡信息融合的延遲。在盡可能降低能耗的同時,還可以提供有效的數(shù)據(jù)服務。WSN的數(shù)據(jù)查詢主要包括三種類型:歷史查詢、快照查詢和連續(xù)查詢。WSN網(wǎng)絡提供SQL數(shù)據(jù)庫語言的查詢數(shù)據(jù)接口,可以查詢不同類型的傳感器數(shù)據(jù)。通過使用智能數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng),可以實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡的查詢優(yōu)化和agent生成。這種規(guī)則匹配方式可以快速查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù),降低數(shù)據(jù)查詢的能耗。在數(shù)據(jù)查詢過程中,采用了優(yōu)化思想,以WSN中能量最高的節(jié)點作為查詢節(jié)點,然后使用周期性旋轉(zhuǎn)查詢,能夠平衡網(wǎng)絡節(jié)點的能耗,提高數(shù)據(jù)查詢效率。
6.3 節(jié)點部署方式 ?在無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)中,監(jiān)視器的實際需求決定了節(jié)點的部署方式。節(jié)點部署一般分為手動部署和隨機部署。在手工部署中,通過仔細規(guī)劃節(jié)點位置和密度,可以滿足對特定區(qū)域的監(jiān)控要求。在手工部署中,通過仔細規(guī)劃節(jié)點位置和密度,可以滿足對特定區(qū)域的監(jiān)控要求。當節(jié)點成本較高且對自身位置要求較高時,手動部署將是一個很好的選擇。然而,對于惡劣的環(huán)境,手動部署策略的可執(zhí)行性較差。另一方面,在隨機部署方法中,節(jié)點隨機分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。如果單個用戶只關(guān)心區(qū)域內(nèi)環(huán)境信息的變化,那么節(jié)點的隨機部署可以獲得有效的監(jiān)控。
6.4 網(wǎng)絡能耗設計 ?無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)路由協(xié)議的主要目的是在發(fā)送端和接收端之間有效地傳輸數(shù)據(jù)。每個節(jié)點在感知、處理、接收和傳輸信息時都會消耗能量,而數(shù)據(jù)傳輸是網(wǎng)絡中最消耗能量的部分。由于傳感器節(jié)點的能量有限,某些節(jié)點的能量消耗可能會導致網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和連接性能的變化。然后,需要重新組織和尋找新的路徑來完成信息的傳遞。因此,路由協(xié)議的設計需要在能量優(yōu)化和精度之間進行權(quán)衡。
6.5 節(jié)點屬性 ?在無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡中,分散在環(huán)境中的節(jié)點可以是同構(gòu)的,也可以是異構(gòu)的。同構(gòu)節(jié)點具有相同的工作能力,如傳輸范圍、電池壽命和處理能力等,而異質(zhì)節(jié)點具有不同的能力和資源。在大多數(shù)無線傳感器主機溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)中,傳感器節(jié)點的位置保持不變。然而,對于某些特定的應用,基站和節(jié)點可以移動。在某一區(qū)域時,節(jié)點數(shù)量可能會根據(jù)用戶監(jiān)控需求而變化,即從幾個節(jié)點增加到幾百個節(jié)點。然而,當節(jié)點數(shù)量過大時,每個節(jié)點不可能保持對網(wǎng)絡拓撲的全局理解。因此,所設計的路由協(xié)議需要能夠處理主機大量節(jié)點的通信問題。
7 ?結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡在未來有著廣泛的應用。它是由多個傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸和接收設備組成的自組織多層次網(wǎng)絡,能夠?qū)崿F(xiàn)面向應用的信息處理。信息融合是WSN網(wǎng)絡中信息處理的主要方法,它可以有效地處理獲得的信息,不僅可以降低主機網(wǎng)絡通信節(jié)點的能耗,還可以降低主機網(wǎng)絡通信的時延,延長主機的生命周期。
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