謝連寶， 林 琪

（1.裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，北京101406； 2.裝備學(xué)院 航天指揮系，北京101406）

很多關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)都是耗資巨大、非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，比如空間操控技術(shù)等，采用什么方法對(duì)這些復(fù)雜的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)成果進(jìn)行集成演示、效能評(píng)估、總體設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證等，是必須考慮的重要問(wèn)題?；谠囼?yàn)床，完成和優(yōu)化仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制，進(jìn)行各種作戰(zhàn)環(huán)境下的流程仿真，通過(guò)仿真的形式對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果快速驗(yàn)證，通過(guò)抽象關(guān)鍵技術(shù)、模擬真實(shí)條件、弱化次要約束等一系列措施，可以降低技術(shù)難度與投資成本，縮短研制周期，打破傳統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)模式所面臨的困境，體現(xiàn)了未來(lái)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此深入研究試驗(yàn)床對(duì)促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。試驗(yàn)床技術(shù)［1－4］，其本質(zhì)是針對(duì)具有共同特性的一系列飛行器構(gòu)筑的通用技術(shù)研究平臺(tái)，以快速實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)、難點(diǎn)技術(shù)突破的技術(shù)。在很多領(lǐng)域，試驗(yàn)床是指能模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行大量測(cè)試的開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)將技術(shù)試驗(yàn)與技術(shù)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，打破傳統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)模式所面臨的困境，表現(xiàn)出了巨大潛力，也體現(xiàn)了未來(lái)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，試驗(yàn)床技術(shù)越來(lái)越受到各國(guó)的重視。

1 試驗(yàn)床技術(shù)的提出

試驗(yàn)床技術(shù)興起源于技術(shù)發(fā)展的需要。20世紀(jì)以來(lái)，新技術(shù)革命促進(jìn)了技術(shù)的迅速發(fā)展，然而技術(shù)發(fā)展所付出的技術(shù)代價(jià)也在不斷增加，包括資金、人力、物力和研制周期等，如何既能保證技術(shù)的快速發(fā)展不受制約，又能降低技術(shù)代價(jià)已成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。此外，某些武器試驗(yàn)已很難做到全系統(tǒng)、全過(guò)程、全物理環(huán)境下的真實(shí)驗(yàn)證試驗(yàn)，如核爆試驗(yàn)，未來(lái)的全球打擊和空間攻防對(duì)抗武器、網(wǎng)絡(luò)電磁空間武器及其防護(hù)手段有效性的評(píng)估等。正是在這種技術(shù)發(fā)展的客觀需求下，催生了試驗(yàn)床技術(shù)，它的出現(xiàn)為解決這一系列問(wèn)題創(chuàng)造了可能。在20世紀(jì)80年代美國(guó)實(shí)施“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃時(shí)，就專門為動(dòng)能武器和激光武器建立了試驗(yàn)床（如動(dòng)能攔截器（kinetic kill vehicle，KKV）懸浮試驗(yàn)床）。隨著技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)床已廣泛應(yīng)用于新技術(shù)開(kāi)發(fā)和武器裝備研制中，貫穿于武器研制概念論證、技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)集成和演示驗(yàn)證等各個(gè)階段，取得了顯著效果。國(guó)外試驗(yàn)床種類繁多、用途各異，表1總結(jié)了國(guó)外幾種典型試驗(yàn)床［5－8］。

以快速機(jī)動(dòng)空間試驗(yàn)床為例，F(xiàn)AST項(xiàng)目的目標(biāo)是研發(fā)一種重量輕、發(fā)電功率高、具有高機(jī)動(dòng)性的航天器試驗(yàn)床。FAST項(xiàng)目的開(kāi)展，就是希望通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)突破，加強(qiáng)航天器平臺(tái)在軌維持能力、機(jī)動(dòng)能力以及空間態(tài)勢(shì)感知能力。為實(shí)現(xiàn)FAST項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)，設(shè)想了2個(gè)階段的發(fā)展計(jì)劃。一是地面試驗(yàn)床的設(shè)計(jì)與組裝，高功率發(fā)電系 統(tǒng)（high－power generation system，HPGS）的性能仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能能源集中器、高效電源轉(zhuǎn)換設(shè)備、太陽(yáng)的定位與跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)的突破。二是制造并組裝2個(gè)HPGS地面試驗(yàn)床，在模擬空間環(huán)境的條件下，進(jìn)行性能測(cè)試與演示驗(yàn)證。由于FAST具有較強(qiáng)的能源供應(yīng)能力，因此，可以搭載大型雷達(dá)設(shè)備與通訊設(shè)備，強(qiáng)化航天器空間態(tài)勢(shì)感知能力與預(yù)警能力，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)略意義。

綜上，試驗(yàn)床廣泛應(yīng)用于空間研發(fā)領(lǐng)域、新技術(shù)開(kāi)發(fā)和武器系統(tǒng)研制，貫穿了概念論證、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)集成演示驗(yàn)證等各個(gè)階段，是一個(gè)為了設(shè)計(jì)、分析和大規(guī)模多技術(shù)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)制造的軟件環(huán)境，使復(fù)雜系統(tǒng)能快速建模、仿真和虛擬原型。試驗(yàn)床技術(shù)包含了仿真平臺(tái)、模型集成與協(xié)同仿真等相關(guān)內(nèi)容［9－13］。仿真平臺(tái)是本質(zhì)屬性，模型集成是基本任務(wù)要求、應(yīng)具備的基本功能，協(xié)同仿真是最初的原則依據(jù)。試驗(yàn)床技術(shù)與它們之間的區(qū)別在于實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)平臺(tái)與應(yīng)用平臺(tái)的一體化。

我國(guó)試驗(yàn)床技術(shù)的研究從“十五”開(kāi)始，已開(kāi)展了試驗(yàn)床的先期研究，所構(gòu)建的試驗(yàn)床在技術(shù)上已有一些儲(chǔ)備，但由于缺乏頂層規(guī)劃，應(yīng)用領(lǐng)域有限，發(fā)展力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，試驗(yàn)床技術(shù)在我國(guó)有著很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

2 試驗(yàn)床概念體系研究

試驗(yàn)床的概念包含仿真平臺(tái)、模型集成與協(xié)同仿真等技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。

2.1 試驗(yàn)床概念間關(guān)系

概念依存于概念結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，彼此之間存在著各種不同形式的聯(lián)系。正是基于這些關(guān)系，才有可能把試驗(yàn)床的全部概念組成一個(gè)概念體系。概念間的關(guān)系分為層級(jí)關(guān)系和非層級(jí)關(guān)系。層級(jí)關(guān)系體現(xiàn)的是范疇層次關(guān)系，包括種屬關(guān)系和整體－部分關(guān)系2種類型。種屬關(guān)系是指下位概念（種）是上位概念（屬）外延的一部分。下位概念除了具有上位概念的一切特征之外，至少還有一個(gè)區(qū)別于同一抽象層面的其他下位概念的獨(dú)特特征。種屬概念順序形成縱向序列，而一組并列排在同一層次上的概念，則組成橫向序列。

在上位概念表示整體，而下位概念表示該整體組成部分的情況下，就存在整體－部分關(guān)系。這些部分合起來(lái)就構(gòu)成整體。在整體－部分關(guān)系中的上位概念稱作整體概念，而下位概念稱作部分概念。整體－部分關(guān)系也可以用垂直和水平的系列來(lái)表示。圖1所示為“仿真平臺(tái)”的種屬關(guān)系和整體－部分關(guān)系。

圖1 仿真平臺(tái)等級(jí)結(jié)構(gòu)

非層級(jí)關(guān)系也反映了客體之間的某些關(guān)系，例如可憑借經(jīng)驗(yàn)在概念之間建立主題聯(lián)系時(shí)，就存在聯(lián)想關(guān)系，聯(lián)想關(guān)系又稱主題關(guān)系或?qū)嵱藐P(guān)系。

模型集成、虛擬原型、仿真平臺(tái)3種技術(shù)與試驗(yàn)床之間存在主題關(guān)系。仿真平臺(tái)通過(guò)綜合集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)多仿真平臺(tái)的集成，信息的交互，體現(xiàn)試驗(yàn)床多平臺(tái)、多形式、互操作性等特點(diǎn)；虛擬原型技術(shù)通過(guò)提高用戶對(duì)需求的理解，加快了多平臺(tái)仿真模型的設(shè)計(jì)進(jìn)程及簡(jiǎn)化調(diào)試，降低與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，體現(xiàn)試驗(yàn)床的低成本、研制周期短的原則。其關(guān)系如圖2所示。

圖2 概念主題關(guān)系

概念的層級(jí)關(guān)系有助于概念的抽象和劃分，這種抽象過(guò)程可由下向上不斷進(jìn)行，從而建立一個(gè)多層次的垂直概念體系，其中的每一個(gè)層次稱為抽象層面。而概念的非層級(jí)關(guān)系的形成是基于人們經(jīng)驗(yàn)中的多種意象圖式。

2.2 試驗(yàn)床概念體系建立

試驗(yàn)床概念體系的建立是以弄清復(fù)雜系統(tǒng)仿真領(lǐng)域各專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)和基本知識(shí)點(diǎn)的基本概念及其彼此間的關(guān)系為基礎(chǔ)的。試驗(yàn)床概念體系是由一組相關(guān)的仿真系統(tǒng)概念構(gòu)成，如圖3所示。仿真系統(tǒng)概念組成了以概念間的關(guān)系為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)一致的試驗(yàn)床概念體系。每個(gè)概念在體系中都占據(jù)一個(gè)確切的位置，這個(gè)唯一位置應(yīng)由內(nèi)涵（即組成概念的唯一的特征集合）和概念外延所確定。每個(gè)概念不能隨意變動(dòng)，否則就會(huì)破壞整個(gè)概念體系，造成概念混亂。理想的概念體系應(yīng)該層次分明，結(jié)構(gòu)合理，正確反映客觀事物，便于下定義和規(guī)范指稱，也便于協(xié)調(diào)和容納不同語(yǔ)言的相應(yīng)術(shù)語(yǔ)體系。概念體系一般以種屬關(guān)系為主架，在個(gè)別地方輔以整體－部分關(guān)系和主題關(guān)系等。

圖3 試驗(yàn)床概念體系

3 試驗(yàn)床結(jié)構(gòu)框架研究

試驗(yàn)床框架主要提供一個(gè)協(xié)同計(jì)算環(huán)境，建成促進(jìn)不同仿真程序和其他非仿真支持軟件一起綜合執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)，解決關(guān)于不同硬件平臺(tái)，不同構(gòu)件和不同軟件組件之間的協(xié)同問(wèn)題。主要解決4個(gè)方面問(wèn)題：

1）構(gòu)建何種支持現(xiàn)有模型和模型技術(shù)重用的開(kāi)放結(jié)構(gòu)；

2）如何做到系統(tǒng)與主流設(shè)計(jì)、分析軟件及已有研究成果的無(wú)縫集成；

3）如何對(duì)已有系統(tǒng)或待建系統(tǒng)作進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展；

4）如何實(shí)現(xiàn)促進(jìn)不同仿真程序和其他非仿真支持軟件一起綜合執(zhí)行。

由此試驗(yàn)床的結(jié)構(gòu)框架主要包含試驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，分布式資源庫(kù)和運(yùn)行支撐環(huán)境3個(gè)方面。

開(kāi)發(fā)環(huán)境支持系統(tǒng)構(gòu)造階段的各類活動(dòng)，開(kāi)發(fā)階段生成的各類數(shù)據(jù)／信息／模型將提交給分布式資源庫(kù)來(lái)管理；分布式資源庫(kù)管理分布虛擬試驗(yàn)環(huán)境中涉及的大量數(shù)據(jù)信息，是運(yùn)行支撐環(huán)境的強(qiáng)大支持系統(tǒng)；運(yùn)行支撐環(huán)境主要解決各應(yīng)用子系統(tǒng)在運(yùn)行階段的試驗(yàn)推進(jìn)、時(shí)間管理和數(shù)據(jù)交互等問(wèn)題。由此一般的試驗(yàn)床架構(gòu)由集成用戶接口，決策者用戶接口，集成系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)，模型功能管理，模型庫(kù)管理，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和文件存儲(chǔ)系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)床結(jié)構(gòu)框架

集成用戶接口提供模型轉(zhuǎn)化到試驗(yàn)床的能力，決策者用戶接口是仿真接口，支持試驗(yàn)床中被控集成模型的執(zhí)行和腳本發(fā)展，仿真系統(tǒng)通過(guò)腳本運(yùn)行集成模型。模型功能管理為不同的事務(wù)提供事件邏輯，模型庫(kù)管理提供庫(kù)的發(fā)展和管理（恢復(fù)、保存、構(gòu)造），數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)模型及其細(xì)節(jié)，文件存儲(chǔ)系統(tǒng)用合適的方案存儲(chǔ)模型和它的細(xì)節(jié)。

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

試驗(yàn)床的開(kāi)發(fā)環(huán)境主要支持以下3個(gè)階段的活動(dòng)：

1）分析待建系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)環(huán)境的首要任務(wù)就是使用一定的方法（如面向?qū)ο?、面向過(guò)程或基于組件的思想），按照一定的原則，將復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的分解，定義成功能、接口明確的子模塊；并定義各子模塊的功能、輸入／輸出，以及模塊之間的相互依賴關(guān)系等屬性，為系統(tǒng)的建模工作做好準(zhǔn)備。

2）系統(tǒng)構(gòu)建。根據(jù)前一階段的分析，用一定的方法和結(jié)構(gòu)來(lái)完成系統(tǒng)的構(gòu)建。為使試驗(yàn)床能適用于不同規(guī)模的仿真試驗(yàn)和便于進(jìn)一步地集成與擴(kuò)展，對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的靈活性提出了嚴(yán)格要求。體系結(jié)構(gòu)的靈活性是通過(guò)可重用的軟件組件體現(xiàn)的，組件之間的耦合關(guān)系是一個(gè)重要的方面，組件之間的耦合性越小，系統(tǒng)就越靈活。另外，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)還須支持可擴(kuò)展性、魯棒性、集成性和互操作性。

3）模型開(kāi)發(fā)與集成。這里所說(shuō)的模型是指數(shù)字化模型。它是仿真試驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分，包括2大類：一是仿真實(shí)體模型，比如飛機(jī)、導(dǎo)彈等，不但包括仿真對(duì)象的幾何特征數(shù)據(jù)，還包括相應(yīng)的物理特征數(shù)據(jù)、算法以及控制方法等。這一類模型通常也稱為虛擬樣機(jī)，相應(yīng)的建模工具有Catia、UG、Nastran、LMS的Virtual.lab等［14］。二是環(huán)境和目標(biāo)模型，比如大規(guī)模地形模型、典型環(huán)境三維模型、典型武器系統(tǒng)幾何實(shí)體模型、典型目標(biāo)三維實(shí)體模型等，系統(tǒng)不關(guān)注它們的物理特征，只關(guān)心它們的幾何特征。對(duì)于這一類模型的創(chuàng)建，一是基于商用軟件的人工創(chuàng)建，二是利用一些數(shù)字化手段，從原始模型直接得到物體的幾何表示。

3.2 分布式資源庫(kù)

分布式資源庫(kù)有2種組織結(jié)構(gòu)：層次結(jié)構(gòu)與對(duì)等結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)是由不同級(jí)別的資源節(jié)點(diǎn)組織而成的，物理資源存放在下級(jí)資源中心，下級(jí)資源中心到上級(jí)資源中心注冊(cè)并同步資源描述信息，用戶可在上級(jí)資源中心檢索到該節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)所有下級(jí)資源中心的資源信息。對(duì)等結(jié)構(gòu)是指各個(gè)資源節(jié)點(diǎn)不分級(jí)別，都是對(duì)等的、獨(dú)立的系統(tǒng)。用戶向某一節(jié)點(diǎn)提交查詢請(qǐng)求時(shí)，該節(jié)點(diǎn)中如果沒(méi)有相關(guān)資源，就把請(qǐng)求發(fā)送給所有與之相連的其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后在自己資源庫(kù)中進(jìn)行查詢，并把查詢結(jié)果返回給發(fā)出請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)。鑒于集中式存儲(chǔ)管理難度大，以及對(duì)等結(jié)構(gòu)的資源庫(kù)容易造成網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載過(guò)重等局限，可采用資源的分布式存儲(chǔ)和層次結(jié)構(gòu)管理，通過(guò)建立資源目錄中心，對(duì)分布存儲(chǔ)的資源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)分布式資源的快速檢索，并采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（data distribution service，DDS）技術(shù)［15］解決資源目錄中心和分布式資源庫(kù)節(jié)點(diǎn)之間信息的交互問(wèn)題。

3.3 運(yùn)行支撐環(huán)境

運(yùn)行支撐環(huán)境是核心，提供試驗(yàn)床運(yùn)行時(shí)的共用方法和共享資源，具有通信管理、數(shù)據(jù)管理、時(shí)間管理及相關(guān)的公共服務(wù)能力，并且可提供試驗(yàn)過(guò)程的推進(jìn)方法和管理、試驗(yàn)過(guò)程描述，使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程可借助這個(gè)運(yùn)行支撐環(huán)境來(lái)進(jìn)行。如圖5所示，本文提出以DDS為中間件，并結(jié)合人機(jī)交互技術(shù)、語(yǔ)言翻譯技術(shù)、組件技術(shù)和時(shí)間管理等技術(shù)開(kāi)發(fā)構(gòu)建試驗(yàn)床運(yùn)行支撐環(huán)境。

基于DDS中間件技術(shù)。通過(guò)DDS技術(shù)可將各試驗(yàn)應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳輸，根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)的需求不同，將數(shù)據(jù)按照各自的來(lái)源和目的地進(jìn)行傳遞，有效解決服務(wù)器瓶頸和單點(diǎn)失效的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)應(yīng)用和底層支撐服務(wù)以及試驗(yàn)應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)雙向傳遞以及消息消費(fèi)者的異步通信，可靠性得到保證。

圖5 試驗(yàn)床運(yùn)行支撐環(huán)境

人機(jī)交互技術(shù)。友好的人機(jī)交互能力使人能夠進(jìn)入仿真回路中，體現(xiàn)人在仿真系統(tǒng)的決策作用，進(jìn)一步增強(qiáng)試驗(yàn)床的實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

語(yǔ)言翻譯技術(shù)。由于不同的仿真模型要由不同開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，不同仿真軟件開(kāi)發(fā)完成，各個(gè)模型的語(yǔ)言自然不同，為了保證所有模型的可用，以及試驗(yàn)床的可擴(kuò)展性要求，必須要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型翻譯，在模型庫(kù)中引用的每個(gè)模型都要執(zhí)行此操作。

組件技術(shù)?；诮M件的技術(shù)，可以將大量已有的模型抽象并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成一個(gè)個(gè)可重用的組件，避免開(kāi)發(fā)過(guò)程中重復(fù)勞動(dòng)，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率，縮短系統(tǒng)集成周期，提高系統(tǒng)的質(zhì)量。

時(shí)間管理。在消息傳遞方面可以應(yīng)用DDS提供的QoS（quality of service）服務(wù)策略在數(shù)據(jù)包中加上時(shí)戳，訂購(gòu)方根據(jù)時(shí)戳完成數(shù)據(jù)排序，保證數(shù)據(jù)時(shí)序的正確性；在時(shí)間推進(jìn)方面可以根據(jù)具體實(shí)際情況采用全局信號(hào)同步推進(jìn)、統(tǒng)一時(shí)鐘同步推進(jìn)、統(tǒng)一時(shí)鐘異步推進(jìn)和非受控異步推進(jìn)等方式。

另外試驗(yàn)床的運(yùn)行支撐環(huán)境負(fù)責(zé)完成仿真試驗(yàn)初始配置，設(shè)置初始想定劇情，啟動(dòng)和結(jié)束仿真。保證實(shí)施仿真過(guò)程的順利進(jìn)行，通過(guò)對(duì)仿真系統(tǒng)中的仿真成員進(jìn)行控制，使各個(gè)仿真成員在統(tǒng)一的管理下，協(xié)調(diào)一致地完成仿真模型計(jì)算和仿真數(shù)據(jù)交互。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

試驗(yàn)床技術(shù)作為技術(shù)突破的重要手段，展現(xiàn)出了無(wú)限生機(jī)，技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用的平臺(tái)一體化也必將成為未來(lái)試驗(yàn)床技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。另外試驗(yàn)床開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、投資規(guī)模大，動(dòng)輒數(shù)年、十幾年，甚至幾十年（如X－33／X－37飛行試驗(yàn)床），投資一般為數(shù)千萬(wàn)至數(shù)億美元不等。為減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，可以在加強(qiáng)總體規(guī)劃與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用邊開(kāi)發(fā)邊應(yīng)用邊完善的發(fā)展思路。但是由于國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)床領(lǐng)域資料尚不充足，試驗(yàn)床概念體系和結(jié)構(gòu)框架研究還很匱乏，有待進(jìn)一步研究和深入。

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