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智慧用電在智慧港口建設(shè)中的應(yīng)用-港口智慧用電通用解決方案

智慧用電在智慧港口建設(shè)中的應(yīng)用

高一峰

 

  • 什么是智慧用電?

  • 智慧用電的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

  • 港口智慧用電需求分析

  • 港口智慧用電的場(chǎng)景示例

  • 港口智慧用電通用解決方案

 

能源是一切生命活動(dòng)的本源。能源的采集、消耗和管理是人類(lèi)社會(huì)有史以來(lái)從來(lái)都不敢忽視的事情。自工業(yè)文明以來(lái),電能幾乎扮演了人類(lèi)能源最重要的角色。隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展,石化能源的逐漸枯竭及其對(duì)自然環(huán)境的影響,推動(dòng)著人類(lèi)不斷尋求和挖掘更好的清潔能源。電能是人類(lèi)生活、特別是工業(yè)生產(chǎn)中不可替代的、極其重要能量資源。電能的一部分來(lái)源于石化能源的轉(zhuǎn)化,如火力發(fā)電;一部分來(lái)源于清潔能源的生產(chǎn),如水電、風(fēng)力發(fā)電。如何最大限度地用好這些寶貴的電力資源,一直是人類(lèi)追求的重要目標(biāo)。
 
在人工智能時(shí)代到來(lái)的前夜,互聯(lián)網(wǎng)、廣義互聯(lián)網(wǎng)(含物聯(lián)網(wǎng))及人工智能技術(shù)正在不斷的催生著各種新興技術(shù)的誕生和應(yīng)用。隨著低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)(LPWAN)的出現(xiàn)及其工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立,標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正邁入了萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代,在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的加持下,以人工智能為主角的智慧生活時(shí)代的大幕正在徐徐開(kāi)啟。
 
在這樣的大背景下,智慧用電毫無(wú)懸念地成為了這個(gè)時(shí)代大舞臺(tái)上的一個(gè)非常重要且亮眼的角色。
 
一、什么是智慧用電?
 
顧名思義,智慧用電就是通過(guò)智慧的技術(shù)、手段和方法,來(lái)掌控和支配電力資源的使用,從而使我們的用電生活變得靈動(dòng)、聰明,既安全可靠、高效便捷,又避免浪費(fèi),節(jié)約成本,使我們的用電行為更加科學(xué)合理。
 
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片摘自中國(guó)電力出版社科普書(shū)籍《智慧生活看懂智能用電》
 
二、智慧用的電技術(shù)實(shí)現(xiàn)
 
智慧用電的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,通過(guò)將用電設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)中,在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能的支持下,用戶可以自主或自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的自動(dòng)化管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力資源消耗的有效管控,從而以最安全、最節(jié)能、最高效的方式使用電力能源。
 
智慧用電的技術(shù)實(shí)現(xiàn)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:

  • 智能感知與控制技術(shù)

  • 低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線傳輸技術(shù)(LoRa與NB-IoT)

  • 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

  • 大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)

 
1、智能感知與控制技術(shù)

它是由智能感知與智能控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

智能感知模塊不僅夠?qū)崟r(shí)感知和采集用電節(jié)點(diǎn)上的用電量大小,還能感知電壓、電流是否存在過(guò)載,是否存在漏電、短接,感知用現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度,是否存在火災(zāi)隱患等等。

當(dāng)智能感知模塊將感知數(shù)據(jù)采集后,通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù),將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)服務(wù)器在智能系統(tǒng)的支持下,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器,交付給云計(jì)算。云計(jì)算系統(tǒng)是一個(gè)基于人工智能的算法系統(tǒng),它會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的解碼、清洗、過(guò)濾、分類(lèi)、加工以后,交付給中心智慧控制系統(tǒng),首先判斷數(shù)據(jù)信號(hào)是否異常,是否存在安全警示信息,判斷是否有必要采取拉閘限電措施。如果出現(xiàn)必要的警示信息或者緊急斷電信息,系統(tǒng)會(huì)立即將警示信息分發(fā)給相關(guān)用戶終端,同時(shí)將控制信息反饋到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器,并通過(guò)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器無(wú)線傳輸?shù)街悄芸刂颇K,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警或拉閘限電。而且,這整個(gè)過(guò)程都是在無(wú)人值守的狀態(tài)下、以毫秒級(jí)的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
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智能感知與控制模塊示意圖
 
如圖所示的智慧用電模塊,采用220VAC供電,能夠采集三相電壓、三相電流、N相電流、1路漏電流、4路溫度。能夠測(cè)量溫度、漏電流、電壓有效值、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電壓頻率、諧波等多種參數(shù)。同時(shí)具備測(cè)溫式和剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)、溫度報(bào)警、漏電流報(bào)警、過(guò)壓報(bào)警、欠壓報(bào)警、過(guò)流報(bào)警、溫度探頭短路/掉線故障、漏電流互感器短路/掉線故障、供電中斷故障、錯(cuò)相缺相故障報(bào)警等功能。

除了安全用電,智能感知模塊還能添加其他更多智能感知組件,如感知用電場(chǎng)景是否存在用電浪費(fèi)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)人走關(guān)電、停工拉閘的自動(dòng)化等等。

目前,智能感知與控制模塊在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有非常多的成熟產(chǎn)品提供市場(chǎng)選擇。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也有許多優(yōu)秀的產(chǎn)品滿足市場(chǎng)的需要。
 
這是一個(gè)常規(guī)的智慧用電安全裝置。擁有剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)器、漏電報(bào)警器、火災(zāi)報(bào)警器。
 
2、低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線傳輸技術(shù)

低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線傳輸技術(shù)自誕生以來(lái),已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域獲得了業(yè)界的普遍認(rèn)同和支持,具有極其廣闊的應(yīng)用前景。該項(xiàng)技術(shù)以其低功耗、長(zhǎng)距離、低成本、廣覆蓋、安全可靠贏得了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線傳輸技術(shù),在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用在終端的智能感知和控制模塊與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)M2M數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

它有兩個(gè)不同的技術(shù)范疇,分別是LoRa和NB-IoT技術(shù)。

其中,NB-IoT是基于窄帶的GSM蜂窩移動(dòng)通訊技術(shù),運(yùn)行在授權(quán)頻譜上。特別對(duì)三大運(yùn)營(yíng)商具有可以利用現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)低成本、廣覆蓋。目前電信運(yùn)營(yíng)商提供了一些網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)的服務(wù)支持。

LoRa技術(shù)則是基于低功耗廣域網(wǎng)的無(wú)線擴(kuò)頻技術(shù),目前我國(guó)的政策,它被允許免費(fèi)運(yùn)行在475-510MHz的非授權(quán)頻譜上。由于其低功耗、長(zhǎng)距離、低成本、廣覆蓋、安全可靠,以及部署靈活、按需配置,能支持在用戶單位內(nèi)局域范圍自由組網(wǎng)通訊,是很多企業(yè)、工廠、園區(qū),以及農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)等特定場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊的最佳選擇。

需要說(shuō)明的是,LoRa技術(shù)在國(guó)內(nèi)的落地曾經(jīng)有一定的爭(zhēng)議。因?yàn)樵摷夹g(shù)專(zhuān)利為美國(guó)Semtech(升特)公司所有。目前,全球LoRa芯片均為Semtech公司或其授權(quán)公司生產(chǎn)。

2015年,Semtech牽頭成立了國(guó)際LoRa聯(lián)盟(LoRa Alliance)。創(chuàng)始成員中有IBM、思科這樣重量級(jí)產(chǎn)巨頭,也有知名半導(dǎo)體廠商MicroChip。此外,聯(lián)盟還拉攏了眾多電信運(yùn)營(yíng)商,如:新加坡電信SingTel、荷蘭皇家電信KPN、瑞士電信Swisscom、比利時(shí)電信運(yùn)營(yíng)商Belgacom?,F(xiàn)在,中國(guó)的阿里和騰訊也相繼加入了該聯(lián)盟。
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國(guó)際LoRa聯(lián)盟成立之初,就特別注重生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。在聯(lián)盟的推動(dòng)下,LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈相當(dāng)成熟,從底層的芯片、模組到設(shè)備制造、系統(tǒng)集成,都有相關(guān)廠商。

最新的數(shù)據(jù)顯示,全球LoRa聯(lián)盟成員已經(jīng)發(fā)展到500多家,有121家運(yùn)營(yíng)商部署了LoRa網(wǎng)絡(luò),全球LoRa節(jié)點(diǎn)已經(jīng)超過(guò)1個(gè)億。像美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、印度等國(guó)家,都有LoRa運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。荷蘭KPN電信、韓國(guó)SK電信早在2016年上半年就部署了覆蓋全國(guó)的LoRa網(wǎng)絡(luò),提供基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

2016年1月,由中興通訊牽頭并發(fā)起成立了“中國(guó)LoRa應(yīng)用聯(lián)盟(CLAA)”,旨在推動(dòng)LoRa產(chǎn)業(yè)鏈在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展。目前,聯(lián)盟成員已經(jīng)超過(guò)1200多家。2018年中國(guó)市場(chǎng)LoRa芯片出貨量占全球一半以上,中國(guó)已成為L(zhǎng)oRa產(chǎn)業(yè)生態(tài)事實(shí)上最大的市場(chǎng)。

2017年12月,工信部發(fā)布《微功率短距離無(wú)線電發(fā)射設(shè)備技術(shù)要求(征求意見(jiàn)稿)》。在意見(jiàn)稿中,工信部將用于民用無(wú)線電的470-510MHz頻段,也就是LoRa用于組網(wǎng)的頻段,限定為單頻點(diǎn)使用,不能用于組網(wǎng)應(yīng)用。

當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)國(guó)外所有的LoRa相關(guān)企業(yè)集體抱團(tuán),與工信部無(wú)線電管理局進(jìn)行溝通和磋商。歷時(shí)一年,工信部在認(rèn)真梳理分析反饋意見(jiàn)建議基礎(chǔ)上,終于在2018年11月28日,對(duì)征求意見(jiàn)稿進(jìn)行了完善和修改,放寬了限制,允許470-510MHz頻段用于組網(wǎng)應(yīng)用。

LoRa無(wú)線通訊技術(shù)在全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的發(fā)展速度是空前,規(guī)模是巨大的,覆蓋是極其廣泛的。并且,幾乎在所有的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域仍然有無(wú)限的想象和創(chuàng)新的空間,它毫無(wú)疑問(wèn)是人類(lèi)社會(huì)走向智慧生活的重要技術(shù)支撐。

2019年11月28日,工信部發(fā)布第52號(hào)公告。再次對(duì)470-510MHz頻段的無(wú)線通訊技術(shù)的應(yīng)用提出了非常明確的規(guī)范。需要特別強(qiáng)調(diào)的是,我們不應(yīng)將這個(gè)公告視為對(duì)該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的限制,而應(yīng)該視為對(duì)技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范,這恰恰是符合中國(guó)國(guó)情的政府宏觀管理模式的,放任不管的才是有風(fēng)險(xiǎn)的,有明確規(guī)范的才是可持續(xù)的。

可以預(yù)見(jiàn),LoRa技術(shù)在未來(lái)的中國(guó)市場(chǎng)即將迎來(lái)一個(gè)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。
 
3、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng),在技術(shù)層面上實(shí)際上是互聯(lián)網(wǎng)的拓展,它與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)共同構(gòu)成廣義上的互聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng),即萬(wàn)物互聯(lián),是物與物的連接。但是,它們之間的通訊數(shù)據(jù)最終都要接入互聯(lián)網(wǎng),并且傳送到云計(jì)算平臺(tái),才能依賴(lài)互聯(lián)網(wǎng)海量的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和云計(jì)算系統(tǒng)的人工智能算力,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能管控。

離開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng),可以實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用,但很難實(shí)現(xiàn)智慧管理。因?yàn)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)是建立在大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)之上的,離開(kāi)了大數(shù)據(jù)的支持,人工智能的實(shí)現(xiàn)將是極其有限的。孤立的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),必然導(dǎo)致通訊數(shù)據(jù)用完即止,甄沒(méi)在物理終端里。所以,物聯(lián)網(wǎng)的智能終端(智能感知與智能控制模塊)一定是要通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)連接到互聯(lián)網(wǎng)的。

所以,互聯(lián)網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智慧應(yīng)用的過(guò)程和體系中,起著重要的基礎(chǔ)支撐作用。
 
4、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)

顯然,大數(shù)據(jù)和云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智慧應(yīng)用的終極重器。幾乎任何一個(gè)完善的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),最終都會(huì)要?jiǎng)?chuàng)建或依賴(lài)一個(gè)云計(jì)算平臺(tái)提供遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)計(jì)算的支持。

如前所述,通常一個(gè)智慧用電的終端模組,會(huì)設(shè)置5分鐘左右向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。它就像人體的脈搏一樣,持續(xù)不間斷地監(jiān)測(cè)著用電對(duì)象。而這些發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),被傳送到互聯(lián)網(wǎng)以后,是需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理的,包括實(shí)時(shí)的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ),存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并不是靜態(tài)保管和無(wú)處理轉(zhuǎn)發(fā)的,它還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分類(lèi)、檢查、判斷、封裝、存儲(chǔ),以便為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的垂直應(yīng)用系統(tǒng)提供清潔數(shù)據(jù)的查詢和有效數(shù)據(jù)的分析支持。而這些工作,都是由云計(jì)算平臺(tái)來(lái)完成的。

云計(jì)算平臺(tái)不僅能夠反饋實(shí)時(shí)的緊急操作指令,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)觸發(fā)智能控制模塊實(shí)現(xiàn)限電操作,同時(shí),推送消息至用戶的應(yīng)用服務(wù)器,向用戶終端實(shí)時(shí)分發(fā)警示信息,還能通過(guò)API接口為應(yīng)用場(chǎng)景下的其他垂直應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)支持,這就為智慧港口的智能生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享提供了技術(shù)保障。
 
三、港口智慧用電需求分析
 
港口是機(jī)電設(shè)備密集型經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所,歷來(lái)是電力能源消耗大戶。在安全用電與能耗管理上具有剛性需求。

下面列舉不同類(lèi)型的港口碼頭的機(jī)電設(shè)備的常規(guī)配置及供電裝置。

集裝箱碼頭
碼頭前沿:岸壁式起重機(jī)、門(mén)座式起重機(jī),船舶岸基供電裝置。
后方堆場(chǎng):裝卸橋、行吊,冷藏箱堆場(chǎng)供電裝置。
水平運(yùn)輸:新型智能化電氣控制無(wú)人駕駛拖車(chē)。

散貨碼頭
碼頭前沿:躉船、皮帶裝船機(jī),門(mén)座式抓斗裝卸船機(jī),船舶岸基供電裝置。
后方堆場(chǎng):坑道式螺旋卸車(chē)機(jī)、皮帶卸車(chē)機(jī)、翻車(chē)機(jī)、斗輪式裝船機(jī)。
水平運(yùn)輸:皮帶式運(yùn)輸機(jī)。

雜貨碼頭
碼頭前沿:躉船、門(mén)座式起重機(jī),裝卸橋,船舶岸基供電裝置。
后方堆場(chǎng):門(mén)座式起重機(jī)、行吊、橋吊。
水平運(yùn)輸:新型智能化電氣水平運(yùn)輸拖車(chē)。

危險(xiǎn)品碼頭(如液貨碼頭)
碼頭前沿:躉船、輸油臂、液化氣鶴嘴。
后方堆場(chǎng):儲(chǔ)油罐、儲(chǔ)氣罐。
水平運(yùn)輸:輸油管路、輸氣管路。

以上這些電氣設(shè)備、設(shè)施無(wú)一不是與安全用電有關(guān),且構(gòu)成港口安全用電數(shù)量的主體。他們?cè)谥腔塾秒姷男枨笊现饕▋蓚€(gè)方面:

一是用電安全。
二是能耗管理。

客觀上,這兩個(gè)方面都存在巨大的需求。

首先是安全用電,安全問(wèn)題歷來(lái)都是港口生產(chǎn)中的重中之重的大事。港區(qū)生產(chǎn)是一個(gè)半開(kāi)放的作業(yè)環(huán)境,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件受氣候影響極大,且通常安裝和使用了大型機(jī)電設(shè)備。危險(xiǎn)品碼頭更是涉及有易燃、易爆、有毒、有害氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn),一旦發(fā)生安全事故,無(wú)論是漏電、短路,或者是爆炸、火災(zāi),都可能導(dǎo)致重大安全事故,危及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全。

其次是能耗管理,由于港口作業(yè)的特殊性,面對(duì)的都是笨重長(zhǎng)大件貨物、20-40英尺國(guó)際集裝箱,或者是散裝煤炭、礦石,再或者是原油、石油、天然氣等等,設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中電能消耗都非常大,它不僅構(gòu)成港口生產(chǎn)成本的重要指標(biāo),一些重點(diǎn)港口,在電力供應(yīng)上,甚至需要得到地方電力供應(yīng)系統(tǒng)的特別保障和支持。

所以,客觀上,智慧用電系統(tǒng),對(duì)于任何一個(gè)港口而言,都是需求剛性和迫切、值得特別重視和應(yīng)該迅速搭建的。
 
四、港口智慧用電的場(chǎng)景示例

這里以集裝箱碼頭岸橋智慧用電終端聯(lián)網(wǎng)為示例,顯示碼頭終端設(shè)備如何接入智慧用電網(wǎng)絡(luò),其他用電設(shè)備或用電單元的接入方式均可參考。

港口智慧用電.png

如圖所示,用于港口智慧用電的終端設(shè)備是一個(gè)智能集成裝置,支持三相交流電智能監(jiān)測(cè)和智能控制。它包含:

  • 一個(gè)智慧用電集成模塊(含智能感知模塊和智能控制模塊)

  • 一個(gè)LoRa無(wú)線通訊模塊

該裝置可以部署安裝在任何一臺(tái)港口機(jī)電設(shè)備上。它通過(guò)LoRa無(wú)線通訊模塊與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無(wú)線通訊,網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)關(guān)服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心,云計(jì)算平臺(tái)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)更新后,會(huì)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理,并作出相應(yīng)的反饋,如果發(fā)生報(bào)警、火災(zāi)等信息,云服務(wù)平臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)將報(bào)警信息分發(fā)到所有相關(guān)的電腦和移動(dòng)終端,必要時(shí)會(huì)遠(yuǎn)程切斷電源。
 
 
五、港口智慧用電通用解決方案
 
一般來(lái)說(shuō),港口智慧用電系統(tǒng)應(yīng)該是構(gòu)成智慧港口集成系統(tǒng)的一部分,它屬于智慧港口建設(shè)中的一個(gè)垂直應(yīng)用子系統(tǒng)。
通常,無(wú)論哪種類(lèi)型的港口生產(chǎn)場(chǎng)景下,其智慧用電的模式都是相似的,差別在于機(jī)電設(shè)備分散布局和終端模塊的配置規(guī)模。這里,我們可以針對(duì)港口智慧用電給出一個(gè)通用的解決方案,或者叫方案模型,如下圖示。

港口智慧用電通用解決方案.png

 


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