多旋翼無人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)對(duì)花生冠層霧滴沉積分布特性的影響

漆海霞 鄒軍 苗秋實(shí) 黃桂珍 陳宇 蘭玉彬

摘要：為探究無人機(jī)航空噴施時(shí)花生冠層霧滴沉積分布規(guī)律，設(shè)計(jì)無人機(jī)不同噴霧作業(yè)參數(shù)對(duì)花生冠層的霧滴沉積分布影響的試驗(yàn)。該試驗(yàn)以DJ T20型多旋翼電動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，以清水代替農(nóng)藥噴施采集霧滴沉積數(shù)據(jù)，以圖像處理軟件Depositscan來分析采集來的水敏紙數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：各組試驗(yàn)的霧滴沉積分布趨勢(shì)均相似，在靶區(qū)內(nèi)霧滴沉積大致呈正態(tài)分布，受環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響，大量霧滴在中心航線左側(cè)沉積，受無人機(jī)起飛時(shí)速度和高度的影響，各區(qū)域內(nèi)第一條采樣帶R1的霧滴沉積效果較好；從霧滴沉積量、沉積密度均勻性分析可知，當(dāng)飛行速度為2.5 m/s、噴霧流量為1.6 L/min，飛行高度為3.5 m時(shí)，噴霧效果最佳，為最佳作業(yè)組合；飛行高度、飛行速度對(duì)靶區(qū)內(nèi)霧滴沉積量、霧滴沉積均勻性影響均顯著。該研究對(duì)提高無人機(jī)噴施效率具有十分重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)噴霧；花生冠層；作業(yè)參數(shù)；霧滴沉積；均勻性

中圖分類號(hào)：S252

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 04-0057-08

Abstract： In order to explore the distribution pattern of peanut canopy droplet deposition during aerial spraying by UAV， an experiment was designed to investigate the effect of different spraying operation parameters of UAV on the droplet deposition distribution of peanut canopy. The experiment was conducted with DJ T20 multi-rotor electric UAV， and the fog droplet deposition data was collected with water instead of pesticide spraying， and the image processing software Depositscan was used to analyze the collected water-sensitive paper data. The results showed that the droplet deposition distribution trends of all groups of tests were similar， the droplet deposition in the target area was roughly normal distribution， influenced by the ambient wind field， a large number of droplets deposited in the left side of the central route， influenced by the speed and height of the UAV takeoff， the first sampling zone R1 in each area of the droplet deposition effect was better. From the analysis of the uniformity of droplet deposition amount and deposition density， it could be seen that when the flying speed was 2.5 m/s， the spray flow rate was 1.6 L/min， and the flying altitude was 3.5 m， the spray effect was the best， which was the best operation combination. The effects of flight height and flight speed on the droplet deposition volume and droplet deposition uniformity in the target area were significant. This study has very important guiding significance for improving the spraying efficiency of UAV.

Keywords： UAV spraying; peanut canopy; operational parameters; droplet deposition; uniformity

0 引言

我國(guó)是世界上最大的花生主產(chǎn)國(guó)，種植面積及產(chǎn)量均居世界第一?；ㄉ鳛槲覈?guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物，在全國(guó)范圍內(nèi)均有種植，但花生種植過程中蟲害也時(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致產(chǎn)量大幅降低。為了貫徹落實(shí)國(guó)家保障油脂油料供給安全的戰(zhàn)略方針，保障花生行業(yè)快速、有效的蟲害防治對(duì)花生行業(yè)具有積極的意義［1］。

植保無人機(jī)航空施藥技術(shù)作為中國(guó)近年來的新型植保作業(yè)方式，改變了中國(guó)傳統(tǒng)植保作業(yè)方式的弊端。植保無人機(jī)不僅噴施作業(yè)效率高、霧化效果好、成本低，并且可以解決地面機(jī)械難以下田作業(yè)的問題等，正逐漸成為人們首選的植保作業(yè)方式［2-3］。截至2020年，我國(guó)植保無人機(jī)保有量超過了12萬架，年作業(yè)面積超過了7.3 khm2，作業(yè)對(duì)象幾乎覆蓋了全部農(nóng)作物，如花生、水稻、玉米等經(jīng)濟(jì)作物，并取得了理想的防治效果［4］。

噴霧霧滴在作物上的沉積效果是評(píng)價(jià)植保機(jī)械農(nóng)田作業(yè)效果的重要指標(biāo)［5-7］，也是無人機(jī)作業(yè)中最被關(guān)心的問題，因而研究員針對(duì)無人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和霧滴沉積效果方面的研究也逐漸得以開展［8］。王昌陵等［9-10］提出了一種植保無人機(jī)施藥霧滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試法，該方法可以有效獲得準(zhǔn)確飛行速度和高度下無人機(jī)施藥霧滴空間分布情況和下旋氣流場(chǎng)分布情況；Thistle等［11］根據(jù)選定的試驗(yàn)參數(shù)對(duì)噴灑的霧滴沉積分布規(guī)律的影響因素進(jìn)行探究，最后發(fā)展成為AGDISP（Agricultural dispersion）模型；Lan等［12］研究單因素對(duì)霧滴沉積分布規(guī)律的獨(dú)立影響，預(yù)測(cè)了對(duì)霧滴沉積的最大影響因子；如杜文等通過調(diào)節(jié)無人機(jī)的作業(yè)高度進(jìn)行水稻冠層霧滴沉積量評(píng)估試驗(yàn)。試驗(yàn)中無人機(jī)在不同作業(yè)高度時(shí)，霧滴在水稻冠層和下層具有不同的沉積效果，且分布均勻性也不同；薛新宇等［13］利用N-3型無人直升機(jī)對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果進(jìn)行了不同作業(yè)高度和不同噴灑濃度的田間藥效試驗(yàn)，得出無人機(jī)優(yōu)于傳統(tǒng)擔(dān)架式噴霧機(jī)噴灑防治效果的結(jié)論；陳盛德等［14］以HY-B-10L型單旋翼電動(dòng)無人機(jī)通過設(shè)置3種不同的飛行參數(shù)，研究噴霧霧滴在水稻冠層沉積分布規(guī)律并初步探究了各因素與霧滴沉積效果的相關(guān)性；郭祥雨等［15］設(shè)計(jì)了三因素三水平正交試驗(yàn)，探究了單旋翼無人機(jī)對(duì)棕櫚樹霧滴沉積效果的影響；Pan等［16］通過3W-LWS-Q60S型4旋翼無人機(jī)，針對(duì)果樹不同形狀和高度進(jìn)行了冠層霧滴沉積效果試驗(yàn)；Lan等［17］研究四種霧滴防飄助劑對(duì)霧滴沉積影響，結(jié)果顯示霧滴沉積量、霧滴粒徑、覆蓋率及霧滴沉積密度與助劑的使用有很大的相關(guān)性，助劑能有效提高霧滴的沉積量和沉積密度；Fritz等［18］通過試驗(yàn)評(píng)估了風(fēng)場(chǎng)和噴嘴對(duì)航空噴施霧滴沉積和漂移分布效果的影響。

目前應(yīng)用比較廣泛的植保無人機(jī)類型有單旋翼油動(dòng)、單旋翼電動(dòng)、多旋翼電動(dòng)等。不同類型的植保無人機(jī)由于其機(jī)身構(gòu)造不一樣，對(duì)作業(yè)參數(shù)的要求也不一樣，為了便于無人機(jī)作業(yè)的快速推廣，應(yīng)通過試驗(yàn)優(yōu)選出無人機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)。本文以DJ T20多旋翼植保無人直升機(jī)為例，通過不同飛行參數(shù)進(jìn)行花生田間噴霧試驗(yàn)，針對(duì)無人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)（飛行速度、高度、作業(yè)流量），設(shè)計(jì)了三因素三水平正交試驗(yàn)［19］，對(duì)農(nóng)藥在花生冠層的霧滴沉積分布特性和均勻性進(jìn)行研究，并優(yōu)選出該無人機(jī)進(jìn)行花生冠層噴霧作業(yè)的最佳參數(shù)，以期為植保無人機(jī)田間噴霧作業(yè)參數(shù)的選擇提供參考，提高植保無人機(jī)作業(yè)噴施質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)裝置主要為作業(yè)植保無人機(jī)，數(shù)據(jù)收集、分析裝置以及環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置。本次作業(yè)采用DJ T20多旋翼植保無人機(jī)，主要性能指標(biāo)見表1，DJ T20多旋翼植保無人機(jī)采用八噴頭設(shè)計(jì)，6 L/min大流量水泵，配合深度優(yōu)化的風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)，可讓霧滴均勻細(xì)密，輕松覆蓋作物葉片兩面。全新研發(fā)的四通道電磁流量計(jì)，可對(duì)DJ T20多旋翼植保無人機(jī)四條液體管路進(jìn)行獨(dú)立管控，使得各噴頭噴灑效果更為接近，整體噴灑也更均勻。

采用HberW6-3便攜式微型自動(dòng)氣象站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田間作業(yè)時(shí)的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素；霧滴數(shù)據(jù)的收集需要萬向夾、支架、水敏紙、橡膠手套、標(biāo)簽紙和密封袋等；數(shù)據(jù)分析需要掃描儀將水敏紙掃描成灰度圖，通過Depositscan圖像處理軟件進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1.2 試驗(yàn)方法

DJT20多旋翼植保無人機(jī)藥效試驗(yàn)于2021年7月初在廣東省陽江市梨花基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)域是長(zhǎng)為72 m，寬為25 m的花生地塊?；ㄉ鸀橥侠瓩C(jī)單粒精播，生長(zhǎng)期為結(jié)莢期，平均株高為15 cm，行距為15～30 cm，株距為15～18 cm，株密度為2 024萬株/hm2。試驗(yàn)時(shí)平均溫度為32 ℃，濕度為35%，平均風(fēng)速為1.3 m/s。

1.2.1 采樣點(diǎn)布置

試驗(yàn)區(qū)域劃分與采樣點(diǎn)的布置如圖1所示，將花生地塊劃分為9個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域大小為長(zhǎng)24 m，寬8 m。圖1中取1個(gè)區(qū)域進(jìn)行采樣點(diǎn)布置示意，其他8個(gè)作業(yè)區(qū)域的布置方式相同。每個(gè)區(qū)域內(nèi)布置3條采樣帶，每條采樣帶上設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn)，從航線左側(cè)依次記作1#～7#，各采樣點(diǎn)間隔1 m。第二條采樣帶R2在各自區(qū)域的中心線處，各區(qū)域第一條采樣帶R1和第三條采樣帶R3在距離各自區(qū)域中心線的6 m處。每個(gè)采樣點(diǎn)在距離地面50 cm處，用萬向夾固定3 cm×8 cm大小的水敏紙，收集霧滴沉積數(shù)據(jù)，箭頭方向?yàn)闊o人機(jī)作業(yè)時(shí)實(shí)際飛行方向。

1.2.2 作業(yè)參數(shù)

本次試驗(yàn)為了研究DJ T20多旋翼植保無人機(jī)在不同飛行速度、飛行高度和噴霧流量下的霧滴沉積規(guī)律，設(shè)計(jì)了3因素3水平正交試驗(yàn)，總計(jì)共9次試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平劃分和試驗(yàn)方案如表2、表3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴沉積分布特性

圖2為9次試驗(yàn)的霧滴沉積情況分布圖，試驗(yàn)中每個(gè)采集點(diǎn)霧滴沉積量采用三條采集帶的平均值，最大程度減少了試驗(yàn)誤差。圖中橫坐標(biāo)表示每條霧滴采樣帶上按等間距分布的1#～7#采樣點(diǎn)的位置，縱坐標(biāo)表示在同一區(qū)域3條采樣帶上收集霧滴沉積量的總和。

由圖2可以看出，在靶標(biāo)區(qū)域內(nèi)霧滴沉積大致呈正態(tài)分布。對(duì)比試驗(yàn)組T2、T5、T8可以看出，在噴霧流量一定的情況下，靶區(qū)內(nèi)的霧滴沉積量因飛行速度與高度的增加呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，參照玄子玉［21］計(jì)算噴霧流量與飛行速度關(guān)系可知，隨著無人機(jī)飛行速度的增加，使得單位面積內(nèi)的噴霧量減少，而飛行高度的增加，無人機(jī)的作業(yè)噴幅也相對(duì)變小［22］，同樣造成單位面積內(nèi)噴霧量的減少。試驗(yàn)組T1的飛行速度和飛行高度最低，有著最大的沉積量，也驗(yàn)證了該分析的可靠性。9組試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)三條采樣帶R1～R3飛行航線左側(cè)（采樣點(diǎn)1#～3#）的霧滴沉積量均值分別為0.435 μL/cm2、0.249 μL/cm2，0.289 μL/cm2明顯高于飛行航線右側(cè)的0.278 μL/cm2、0.111 μL/cm2、0.147 μL/cm2，且采樣帶R1的霧滴沉積量明顯大于采樣帶R2、R3的值。由表3可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際田間飛行作業(yè)時(shí)，外界存在東南風(fēng)的干擾，即吹向飛行航線左前方向的側(cè)向風(fēng)，受環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響，霧滴沉積分布出現(xiàn)偏移，揭示了霧滴沉積效果受外界風(fēng)場(chǎng)的影響；而第一條采樣帶R1的霧滴沉積量明顯大于采樣帶R2、R3，且采樣帶R2、R3處霧滴沉積量相差不大，究其原因，是無人機(jī)作業(yè)經(jīng)過第一條采樣帶R1時(shí)，無人機(jī)飛行不穩(wěn)定，受旋翼風(fēng)場(chǎng)的影響，從而造成花生冠層霧滴大量沉積，待飛行穩(wěn)定后，霧滴沉積效果也趨于穩(wěn)定，無明顯差異。

2.2 霧滴沉積均勻性與因素顯著性分析

為較為全面的分析霧滴沉積量分布的均勻性，從總體區(qū)域、無人機(jī)航線方向和無人機(jī)兩翼方向3個(gè)方面進(jìn)行研究。如表4所示，總體區(qū)域變異系數(shù)的計(jì)算取每次試驗(yàn)全部采樣點(diǎn)的集合；無人機(jī)航線方向，取每次試驗(yàn)的列采樣點(diǎn)霧滴沉積量的平均值為一個(gè)集合，數(shù)據(jù)量為采樣點(diǎn)的列數(shù)；無人機(jī)兩翼方向，取每次試驗(yàn)的行采樣點(diǎn)霧滴沉積量的平均值為一個(gè)集合，數(shù)據(jù)量為采樣點(diǎn)的行數(shù)。

通過變異系數(shù)大小來衡量花生冠層霧滴沉積量分布的均勻性，由表4可知，試驗(yàn)過程中，總體區(qū)域的霧滴沉積量變異系數(shù)平均值為51.7%，最大值為72.4%，無人機(jī)航線方向的霧滴沉積效果相對(duì)兩翼方向更穩(wěn)定。試驗(yàn)號(hào)T2～T7組次，總體區(qū)域、航向方向、兩翼方向的變異系數(shù)均值分別為45.9%、23.7%、37.3%，遠(yuǎn)低于試驗(yàn)T1、T8、T9組次的60.7%、47.8%、48.2%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因，試驗(yàn)T1組次，可能是無人機(jī)起飛速度、高度較低造成的，在靶區(qū)內(nèi)無人機(jī)下方旋翼風(fēng)場(chǎng)和花生產(chǎn)生較強(qiáng)的紊流風(fēng)場(chǎng)，使得下落的霧滴無法均勻的沉積在花生冠層；試驗(yàn)T7、T8組次，可能是下落的霧滴，受外界較強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)影響，小粒徑霧滴隨風(fēng)飄移出靶區(qū)，造成霧滴沉積量的減少、分布不均勻。綜合分析，可以看出試驗(yàn)T5、T6組次的霧滴沉積量的分布較為均勻，為最佳試驗(yàn)組。

圖3和表5為9組試驗(yàn)霧滴沉積密度分布情況，其中，圖3的每個(gè)采樣點(diǎn)用實(shí)際測(cè)得的沉積密度值表示，表5中的沉積密度用每條采樣帶沉積密度的均值表示，用三條采樣帶的平均CV值來表示霧滴沉積均勻性。從霧滴沉積密度可以看出，當(dāng)噴霧流量為0.8 L/min或者速度為2.5 m/s時(shí)，霧滴沉積密度值較小。飛行速度為2.5 m/s、噴霧流量為1.6 L/min，飛行高度為3.5 m時(shí)，無人機(jī)施藥時(shí)霧滴沉積在三條采樣帶上的沉積密度分別為70.34個(gè)/cm2、106.01個(gè)/cm2、98.57個(gè)/cm2，且變異系數(shù)為41.1%，均優(yōu)于其他試驗(yàn)組，因此試驗(yàn)T5為最佳試驗(yàn)組。

將圖3和表5的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS20軟件中進(jìn)行方差分析，得到各作業(yè)參數(shù)與霧滴沉積效果的影響顯著性水平，如表6所示?？梢钥闯鲲w行高度（P=0.018<0.05）、飛行速度（P=0.027<0.05）、噴霧流量（P=0.046<0.05）對(duì)靶區(qū)內(nèi)霧滴沉積量均有顯著性影響；飛行高度（P=0.034<0.05）對(duì)霧滴沉積均勻性有顯著影響，而噴霧流量、飛行速度對(duì)靶區(qū)內(nèi)霧滴沉積分布均勻性無顯著影響。

2.3 霧滴粒徑分布

圖4為DJ T20多旋翼植保無人機(jī)在9組田間作業(yè)中霧滴在不同采樣點(diǎn)處的平均霧滴粒徑分布情況。

霧滴體積中值直徑（DV.50）主要分布在130～260 μm之間，滿足國(guó)家對(duì)航空低容量噴灑殺菌劑霧滴粒徑的要求（200～250 μm）；大粒徑霧滴主要沉積在中心航線附近，較小粒徑的霧滴，主要分布在中心航線遠(yuǎn)處的兩側(cè)。這一現(xiàn)象的主要原因是較大粒徑的霧滴受田間側(cè)向水平風(fēng)場(chǎng)的影響較小，在自身重力的作用下快速沉降到花生冠層葉面；粒徑較小的霧滴更容易受到環(huán)境側(cè)向水平風(fēng)場(chǎng)的影響而發(fā)生飄移，且受側(cè)向風(fēng)場(chǎng)的影響，中心航線左側(cè)沉積了較多的小粒徑霧滴。

3 討論

無人機(jī)飛行參數(shù)、自然因素、噴霧方式等是影響作物葉面霧滴沉積特性、分布均勻特性的主要因素。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)飛行速度、飛行高度對(duì)霧滴沉積量和分布均勻性有著顯著影響，在噴霧流量一定的情況下，飛行速度過快，單位面積內(nèi)的霧滴沉積量就會(huì)減少；飛行高度的增加會(huì)改變無人機(jī)的作業(yè)噴幅，容易造成田間作業(yè)的重噴、漏噴。姚偉祥等［23］研究發(fā)現(xiàn)自然因素中風(fēng)場(chǎng)是影響霧滴沉積分布特性的主要因素，包括旋翼風(fēng)場(chǎng)和環(huán)境風(fēng)場(chǎng)。其中側(cè)向風(fēng)的大小和方向?qū)τ行姺酗@著影響，小粒徑霧滴會(huì)發(fā)生明顯的飄移現(xiàn)象。文晟等［24］研究發(fā)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)翼尾渦會(huì)隨著飛行高度和飛行速度的變化而改變，而飄移是由霧滴因尾渦發(fā)生卷揚(yáng)現(xiàn)象造成的。

本試驗(yàn)中T1組次由于無人機(jī)飛行速度和高度較低，旋翼風(fēng)場(chǎng)與作物冠層產(chǎn)生較強(qiáng)的紊流風(fēng)場(chǎng)，造成霧滴發(fā)生飄移，使得霧滴分布不均；試驗(yàn)T7、T8組次，受環(huán)境側(cè)向風(fēng)場(chǎng)的影響，小粒徑霧滴向航向中心左側(cè)大量沉積，甚至飄移，試驗(yàn)結(jié)果與上述旋翼風(fēng)場(chǎng)和環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積效果影響結(jié)論一致。本試驗(yàn)探究了無人機(jī)飛行參數(shù)對(duì)航空噴施霧滴沉積分布特性的影響，并分析了旋翼風(fēng)場(chǎng)和環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積的影響。由于霧滴在下落過程極容易因環(huán)境風(fēng)發(fā)生飄移，飄移會(huì)造成農(nóng)藥的浪費(fèi)甚至對(duì)周圍作物造成不利影響。該試驗(yàn)結(jié)果用以指導(dǎo)無人機(jī)企業(yè)在設(shè)計(jì)噴霧系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮旋翼風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布影響，在田間實(shí)際作業(yè)時(shí)，不僅選擇合適的飛行參數(shù)，還要考慮作物種類和風(fēng)場(chǎng)等因素，提高航空噴施的效率。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)主要探究了多旋翼植保無人機(jī)在不同作業(yè)參數(shù)下，花生冠層的霧滴沉積效果規(guī)律。

1）? 試驗(yàn)以DJ T20型多旋翼電動(dòng)無人機(jī)為作業(yè)機(jī)體，設(shè)計(jì)不同維度作業(yè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，以圖像處理軟件Depositscan分析霧滴沉積數(shù)據(jù)，通過霧滴沉積量、沉積密度、霧滴粒徑大小等指標(biāo)來評(píng)價(jià)作業(yè)質(zhì)量，并引入變異系數(shù)來衡量作業(yè)均勻性。

2）? 從霧滴沉積密度和霧滴沉積均勻性分析：飛行速度為2.5 m/s、噴霧流量為1.6 L/min、飛行高度為3.5 m時(shí)，無人機(jī)施藥時(shí)霧滴沉積密度分別為70.34個(gè)/cm2、106.01個(gè)/cm2、98.57個(gè)/cm2，且變異系數(shù)為41.1%；總體區(qū)域、航向方向、兩翼方向的霧滴密度變異系數(shù)均值分別為41.8%、23.7%、34.7%均優(yōu)于其他試驗(yàn)組，綜合得出試驗(yàn)T5為最佳試驗(yàn)組。

3）? 由顯著性分析可知，飛行高度（P=0.018<0.05）、飛行速度（P=0.027<0.05）對(duì)靶區(qū)內(nèi)霧滴沉積量、霧滴沉積均勻性影響均顯著，噴霧流量對(duì)靶區(qū)內(nèi)霧滴沉積量、霧滴沉積均勻性無顯著性影響；此外，無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)、自然風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速和風(fēng)向?qū)F滴沉積分布有著明顯的影響，本研究為后續(xù)無人機(jī)的噴霧作業(yè)參數(shù)的設(shè)置提供理論指導(dǎo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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