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1、1網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與工作流技術(shù)在虛擬天文臺(tái)中的應(yīng)用 陳東云南天文臺(tái)中科院國(guó)家天文臺(tái)2022-3-192內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與工作流技術(shù)VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)未來(lái)工作設(shè)想及展望31 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的概念:孤立設(shè)備-集中控制-分布式控制從網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的系統(tǒng)層次上來(lái)看,控制網(wǎng)絡(luò)分為2個(gè)部分:1)面向設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò);2)面向控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò);現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)(如RS-232/422/485, CAN, LonWorks,工業(yè)以太網(wǎng),等)連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,并通過(guò)某種接口(如標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口),以開(kāi)放之TCP/IP協(xié)議接入控制網(wǎng)絡(luò),控制網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)其他系統(tǒng),同時(shí),從原理上講,上述控制網(wǎng)絡(luò)可以平滑的接入廣域
2、網(wǎng),形成更大的控制網(wǎng)絡(luò)。41 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)51 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)分布式控制網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)圖 分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 61 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)分布式控制網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)控制網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)遵循TCP/IP協(xié)議-開(kāi)放性各種現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)間通過(guò)路由器互聯(lián),路由器進(jìn)行邏輯隔離,而非屋里格里,使通道之間透明71 工作流技術(shù)工作流的概念:工作流程的抽象對(duì)一個(gè)工作流模型而言,其主要的目的是回答這些問(wèn)題:1.此過(guò)程要做什麼?其目標(biāo)或目的是什麼?2.此過(guò)程是如何完成的,有哪些任務(wù)并經(jīng)過(guò)那些步驟完成?每個(gè)任務(wù)有哪些角色參與?3.此過(guò)程所需要的資源是哪些?為了說(shuō)明上述問(wèn)題,并且以計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的方式建立工作流模型,在工作流中必須定義一系列的基本
3、組成元素來(lái)描述模型的組成。最主要的基本元素為:任務(wù)任務(wù),角色角色和任任務(wù)間的關(guān)系務(wù)間的關(guān)系。任務(wù)表明過(guò)程中的活動(dòng)或操作;角色是過(guò)程中參與任務(wù)的人或應(yīng)用程序;任務(wù)間的關(guān)系代表了過(guò)程中的規(guī)則和業(yè)務(wù)流程。通過(guò)條件觸發(fā)任務(wù),角色參與任務(wù),任務(wù)由順序,同步等約束。在工作流中,信息流(數(shù)據(jù)流)的傳遞將上述組成部分串連在一起。81 工作流技術(shù)工作流模型與工作流引擎工作流模型包含了描述一個(gè)能夠有工作流執(zhí)行服務(wù)系統(tǒng)執(zhí)行的過(guò)程所需要的所有信息。這些信息包括過(guò)程的開(kāi)始和完成條件,構(gòu)成過(guò)程的活動(dòng),以及活動(dòng)間轉(zhuǎn)換的規(guī)則,用戶(hù)需要完成的任務(wù),可能調(diào)用的應(yīng)用,工作流引擎間的引用關(guān)系,所有與工作流相關(guān)的數(shù)據(jù)及其格式。在工作流
4、執(zhí)行環(huán)境中,工作流執(zhí)行服務(wù)負(fù)責(zé)將角色與相應(yīng)的活動(dòng)進(jìn)行連接,這樣可以增加過(guò)程定義的靈活性;而所謂工作流引擎是指工作流作為應(yīng)用系統(tǒng)的一部分,并為之提供對(duì)各應(yīng)用系統(tǒng)有決定作用的根據(jù)角色、分工和條件的不同決定信息傳遞路由、內(nèi)容等級(jí)等核心解決方案。 91 工作流技術(shù)在工作流技術(shù)中,核心的組件之一是:工作流引擎工作流引擎提供了過(guò)程實(shí)例執(zhí)行的運(yùn)行環(huán)境,主要完成以下功能:實(shí)例化及執(zhí)行過(guò)程模型:解釋工作流程模型,根據(jù)過(guò)程執(zhí)行需要的初始條件和執(zhí)行參數(shù)生成過(guò)程實(shí)例,運(yùn)行該過(guò)程實(shí)例并管理其運(yùn)行過(guò)程;為過(guò)程和活動(dòng)的執(zhí)行導(dǎo)航:根據(jù)過(guò)程定義和工作流相關(guān)數(shù)據(jù),驅(qū)動(dòng)過(guò)程實(shí)例的進(jìn)行;根據(jù)活動(dòng)間的關(guān)聯(lián)和執(zhí)行條件,決定并行或串行執(zhí)行
5、后續(xù)活動(dòng);給用戶(hù)提供操作的工作流人物信息;或根據(jù)過(guò)程需要激活之其他應(yīng)用,等;與外部資源交互完成各項(xiàng)活動(dòng):如獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后,自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè),對(duì)于合格的數(shù)據(jù)自動(dòng)歸檔并發(fā)布;維護(hù)工作流控制數(shù)據(jù)和工作流相關(guān)數(shù)據(jù):保存和保護(hù)工作流執(zhí)行過(guò)程中每一個(gè)步驟地狀態(tài)信息;并且安全的存儲(chǔ)于工作流相關(guān)的一切數(shù)據(jù);101 工作流技術(shù)工作流過(guò)程定義元模型 工作流定義:包含工作流模型名稱(chēng),過(guò)程啟動(dòng)、中止條件,系統(tǒng)安全、監(jiān)控和控制信息等基本屬性。表明了此過(guò)程最終需要實(shí)現(xiàn)的目的和目標(biāo);活動(dòng):主要有名稱(chēng),類(lèi)型,前后條件,約束條件/參數(shù),工作流引擎位置等屬性。此實(shí)體就是過(guò)程中的任務(wù),反映了一個(gè)工作過(guò)程中需要的功能操作;轉(zhuǎn)換條
6、件:驅(qū)動(dòng)工作流實(shí)例的依據(jù),主要參數(shù)有:過(guò)程條件,執(zhí)行條件,通知條件。轉(zhuǎn)換條件對(duì)應(yīng)于一個(gè)工作過(guò)程中的業(yè)務(wù)規(guī)則和操作順序;工作流相關(guān)數(shù)據(jù):工作流引擎將根據(jù)工作流相關(guān)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行推進(jìn)。工作流相關(guān)數(shù)據(jù)的主要元屬有:數(shù)據(jù)名稱(chēng),數(shù)據(jù)類(lèi)型,數(shù)據(jù)值,等。其為工作流引擎推進(jìn)工作流程的依據(jù),角色:角色是參與某個(gè)過(guò)程的實(shí)體,角色可以是人,某個(gè)組織機(jī)構(gòu),或某個(gè)應(yīng)用程序,其主要屬性有:名稱(chēng),組織實(shí)體,角色能力,等。它描述的是一個(gè)工作流程中參與操作的一切實(shí)體;工作流相關(guān)應(yīng)用:主要包含以下信息:應(yīng)用類(lèi)型,名稱(chēng),存儲(chǔ)位置,運(yùn)行參數(shù),等;其表明了完成一個(gè)工作過(guò)程所采用的工具和手段。 112 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技
7、術(shù)一、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與VO目的:通過(guò)Internet/Intranet控制天文儀器設(shè)備并且將天文儀器設(shè)備接入虛擬天文臺(tái)手段:嵌入式Internet技術(shù),工業(yè)以太網(wǎng),等我們定義了VAI(Virtual Astronomical Instruments)-虛擬的天文儀器,抽象共性,隱藏細(xì)節(jié),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(Internet/Intranet)控制122 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)虛擬天文臺(tái)的邏輯結(jié)構(gòu) 虛擬天文儀器/虛擬天文臺(tái)的物理體系結(jié)構(gòu) 132 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)VAI協(xié)議所有VAI設(shè)備需要通過(guò)基于TCP(UDP)/IP協(xié)議的物理網(wǎng)絡(luò)相互連接的要求,需要定義在各個(gè)VAI設(shè)備間交換信息
8、/指令/數(shù)據(jù)的,基于TCP(UDP)/IP協(xié)議的高層協(xié)議,亦即VAI協(xié)議。其中基于TCP協(xié)議的部分用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,基于UDP協(xié)議的部分用于點(diǎn)到多點(diǎn)連接(multicast)。 User ApplicationVAI ProtocolTCP/UDPIPPhysical Layer142 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)我們將要建立的系統(tǒng)將是這樣的一個(gè)系統(tǒng): 擁有一個(gè)VAI Server, 若干VAI設(shè)備,物理上通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)系,并可以擴(kuò)展至廣域網(wǎng);通過(guò)基于TCP(UDP)/IP的VAI協(xié)議交換信息的一個(gè)邏輯整體。152 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)基于VAI的 CMOS相機(jī) - 設(shè)計(jì)和進(jìn)展
9、 為了檢驗(yàn)VAI及VAI協(xié)議,我們與北京中科院北京天文臺(tái)CCD實(shí)驗(yàn)室的尚圓媛博士一起進(jìn)行了將嵌入式系統(tǒng)用于CMOS相機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)驗(yàn)。162 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)方案:硬件方案:嵌入式系統(tǒng):ucLinux+Motorola ColdFire/C+Java選擇嵌入式系統(tǒng)之原因:1)嵌入了操作系統(tǒng):靈活,高效2)嵌入了網(wǎng)絡(luò)接口:傳輸距離和速度172 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)軟件方案結(jié)構(gòu):如右圖定義:套接字端口設(shè)備參數(shù)命令集協(xié)議182 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)已經(jīng)完成工作:CMOS相機(jī)設(shè)計(jì)及研制:主要由尚圓媛博士及鄧建先生完成,在此不做詳述; 硬件系統(tǒng)改造;uClin
10、ux中斷方式下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě):經(jīng)過(guò)我們的實(shí)驗(yàn),uCLinux(2.0.38)最快的中斷響應(yīng)速度為250KHz;網(wǎng)絡(luò)控制方案及協(xié)議的制定;PC端以及嵌入式系統(tǒng)端網(wǎng)絡(luò)控制軟件框架; 192 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)正在進(jìn)行的工作嵌入式系統(tǒng)端應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā):在目前完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸客戶(hù)端的基礎(chǔ)上,尚需完成2000端口監(jiān)聽(tīng)程序,命令轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)(將PC端命令轉(zhuǎn)換成嵌入式系統(tǒng)端命令),CMOS相機(jī)控制軟件等主要系統(tǒng)軟件。后端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng):從相機(jī)得到的數(shù)據(jù)在通過(guò)質(zhì)量檢查后,將數(shù)據(jù)包裝,并直接進(jìn)入后端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或?qū)S每蛻?hù)端軟件可以訪問(wèn) 目前由于非人為的因素(SARS),以及CMOS相機(jī)電路板制
11、作等問(wèn)題,本系統(tǒng)還未最終完成。 202 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)212 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)另一個(gè)原型系統(tǒng):虛擬網(wǎng)絡(luò)天文臺(tái)氣象參數(shù)傳感器-數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)-控制網(wǎng)絡(luò)正在調(diào)試222 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)與VAI相關(guān)的一些問(wèn)題:安全性:包括天文設(shè)備(如,望遠(yuǎn)鏡,圓頂,等),以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)2各主要部分的安全。對(duì)天文設(shè)備而言,其安全性依賴(lài)于設(shè)備本身的物理設(shè)計(jì)。對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言,只要連接到Internet,100%的安全就不會(huì)得到,但是,我們將采取相應(yīng)的措施來(lái)保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全,如:*加密傳輸(SSL);*防火墻技術(shù);*用戶(hù)有效期;等。并且,我們將隨時(shí)跟蹤安全問(wèn)題,
12、隨時(shí)加以彌補(bǔ)。實(shí)時(shí)性:實(shí)時(shí)性是一個(gè)相對(duì)的概念,對(duì)于不同的應(yīng)用,實(shí)時(shí)性的要求是不一樣的。在局域網(wǎng)中,我們可以保障信息/數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)/實(shí)時(shí)傳送。對(duì)遠(yuǎn)端得天文觀測(cè)者而言,秒級(jí)乃至分鐘級(jí)的延遲是可以容忍的。并發(fā)處理:所謂并發(fā)處理指的是這種情況:系統(tǒng)中存在多個(gè)同樣的設(shè)備,需要同步操作,如需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)CCD同時(shí)曝光,故需要進(jìn)行并發(fā)處理,將信息同時(shí)傳輸至各個(gè)設(shè)備。根據(jù)我們的設(shè)想,我們將使用基于UDP協(xié)議的組播協(xié)議來(lái)完成上述工作。與虛擬天文臺(tái)的集成:由于未來(lái)基于VAI的設(shè)備的后端將是天文數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),而天文數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)又是虛擬天文臺(tái)的基礎(chǔ),同時(shí),未來(lái)的所有數(shù)據(jù)將進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝(使用XML或VOTable,等),
13、故二者可以無(wú)縫的集成到一起,VAI設(shè)備可以自然的成為虛擬天文臺(tái)的前端傳感器。232 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)二、 工作流技術(shù)與虛擬天文臺(tái)天文研究工作中的有關(guān)工作流的現(xiàn)狀云臺(tái)1米鏡的日常維護(hù)/觀測(cè)過(guò)程北臺(tái)2.16米望遠(yuǎn)鏡的日常維護(hù)/觀測(cè)過(guò)程,等但是這些工作流程沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化組合,大部分不能自動(dòng)實(shí)施,需要人員全程參與。但是,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以及天文觀測(cè)/數(shù)據(jù)處理過(guò)程的日益復(fù)雜,信息量的增加,單純的采用人工完成整個(gè)過(guò)程將日益顯得吃力。我們認(rèn)為:在將來(lái)的虛擬天文臺(tái)中,如何為觀測(cè),數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)發(fā)掘等活動(dòng)建立工作流模型,改進(jìn)和重組工作流程,提高工作效率,建立在工作流驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上應(yīng)用將是虛
14、擬天文臺(tái)的一個(gè)重要課題。另一方面,由于天文觀測(cè)/數(shù)據(jù)處理等天文學(xué)研究過(guò)程的特殊性,各個(gè)天文研究機(jī)構(gòu)有可能開(kāi)發(fā)自己的工作流系統(tǒng),因此,我們希望在天文界有一個(gè)類(lèi)似于“工作流管理聯(lián)盟(wfmc)”的國(guó)際組織,在參考現(xiàn)有商業(yè)/工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,定義有關(guān)的系統(tǒng)規(guī)范,標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口,從而實(shí)現(xiàn)工作流技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放性,支持異構(gòu)工作流系統(tǒng)和產(chǎn)品間的互操作。242 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)工作流技術(shù)在VO中的應(yīng)用觀測(cè)過(guò)程:數(shù)據(jù)處理/發(fā)布過(guò)程:其他過(guò)程:行政管理,物資管理,等 252 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)一個(gè)實(shí)例:云臺(tái)Halpha全日面像觀測(cè)及其數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)云南天文臺(tái)的觀測(cè)設(shè)備如下:18cm
15、雙筒太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡Kodak Mega+ CCD像機(jī): 2K*2K 8bits數(shù)據(jù)采集速度為1 Frame/Min. 正常工作情況下,每天工作9小時(shí)(8:00-17:00)每天的數(shù)據(jù)量為:9*60min*4Mbytes/min=2160M數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)Fits格式灰度圖像文件頭中記錄有與觀測(cè)相關(guān)的數(shù)據(jù),如觀測(cè)者,時(shí)間(UT),圖像大小,等。所有fits文件壓縮為最大壓縮比之標(biāo)準(zhǔn)zip格式至2002年7月為止,壓縮后的數(shù)據(jù)已達(dá)約350G.262 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)我們面臨:面對(duì)如此巨大的數(shù)據(jù)量:人工管理?計(jì)算機(jī)管理?如何組織觀測(cè)工作流程?以達(dá)到自動(dòng),高效的目的?解決之道:人工管理不太可
16、能,計(jì)算機(jī)管理最好,但必須適應(yīng)分布式環(huán)境,可以與其他系統(tǒng)連接;建立工作流模型,重組工作流程,最大限度上實(shí)現(xiàn)觀測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化。272 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)工作流模型定義完成整個(gè)過(guò)程所需要的所有參數(shù),如:關(guān)鍵之步驟,其執(zhí)行順序,執(zhí)行條件,結(jié)果判別,數(shù)據(jù)流的格式和建立,執(zhí)行步驟之角色,以及執(zhí)行時(shí)設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序等。通過(guò)這種建模,我們可以在最大程度上讓計(jì)算機(jī)來(lái)自動(dòng)的完成整個(gè)觀測(cè)/處理過(guò)程,從而保障數(shù)據(jù)的有效性,并減輕人員的工作負(fù)擔(dān)。同時(shí),我們希望通過(guò)我們對(duì)工作流建模的研究為將來(lái)進(jìn)一步的工作打下基礎(chǔ)。282 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)系統(tǒng)組成:2個(gè)部分組成:數(shù)據(jù)檢索數(shù)據(jù)檢索/ /管理系統(tǒng)
17、管理系統(tǒng)后臺(tái)管理維護(hù)系統(tǒng)后臺(tái)管理維護(hù)系統(tǒng)。292 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)目前情況:2003年6月開(kāi)始試運(yùn)行,工作正常實(shí)例:8/logfrm.html未來(lái)工作展望:1)數(shù)據(jù)收集,整理的自動(dòng)化:2)工作流程的不斷改進(jìn)以及工作流引擎的開(kāi)發(fā):3)搜索引擎的改進(jìn),優(yōu)化代碼,增強(qiáng)功能,等;搜索結(jié)果的XML輸出,以及應(yīng)用VOTable封裝數(shù)據(jù),等;4)提供英文版:為了國(guó)際交流的方便,必須提供英文版的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng);5)解決海量存儲(chǔ)問(wèn)題:6)集成其他聯(lián)測(cè)網(wǎng)內(nèi)臺(tái)站的數(shù)據(jù);7)研究開(kāi)發(fā)太陽(yáng)黑子,暗條,等的自動(dòng)識(shí)別,分類(lèi)系統(tǒng),等等。302 VO中的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和工作流技術(shù)2
18、.4m望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程觀測(cè)系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)完成后,一次成功的遠(yuǎn)程觀測(cè)將會(huì)分成4個(gè)階段:觀測(cè)申請(qǐng),觀測(cè)準(zhǔn)備,觀測(cè)實(shí)施,觀測(cè)后處理。工作流程如右圖所示。 312 我們的工作 2.4m望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程觀測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:安全性實(shí)時(shí)性可靠性目前,本方案還在修改完善的過(guò)程之中,并且正在與英國(guó)TTL公司進(jìn)行協(xié)調(diào),討論。我們將按合同于2004年2月前往英國(guó)完成此方案。 323未來(lái)工作設(shè)想/展望在現(xiàn)有的工作基礎(chǔ)上,我們未來(lái)的工作將重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面:1)將更多的天文儀器接入網(wǎng)絡(luò),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。同時(shí),在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)新設(shè)備的自動(dòng)注冊(cè),融入已有設(shè)備網(wǎng)絡(luò);并且實(shí)現(xiàn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。目前,我們已經(jīng)在進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn);2)建立有效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),將所有前端傳感器的數(shù)據(jù)均置于規(guī)范而標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)流程的管理之下,從而保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量;另一方面,通過(guò)分布式的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),為所有用戶(hù)提供訪問(wèn)數(shù)據(jù),了
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