康與云,唐敦兵
(1.臨沂大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 臨沂 276005;2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)
多功能產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)多個(gè)單功能產(chǎn)品的功能,越來越受到消費(fèi)者的歡迎。因此,研究用于多功能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法變得越來越重要[1-2]。本文將多功能產(chǎn)品細(xì)分為如下四類:①可同時(shí)完成多個(gè)功能的產(chǎn)品,例如小麥聯(lián)合收獲機(jī),可同時(shí)完成割麥、輸送、脫粒、篩選和存儲(chǔ)等多個(gè)功能;②切換不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)不同功能的產(chǎn)品,例如微波爐,可實(shí)現(xiàn)熱菜、燒烤和爆米花等多個(gè)功能;③允許消費(fèi)者通過改變產(chǎn)品部件的組合方式來實(shí)現(xiàn)不同功能的可重構(gòu)產(chǎn)品,例如沙發(fā)床,通過改變靠背和底座的組合方式,可實(shí)現(xiàn)沙發(fā)和床兩個(gè)功能;④基于一個(gè)公用部件,更換不同的執(zhí)行元件以實(shí)現(xiàn)不同功能的產(chǎn)品,例如料理機(jī),通過更換刀片和罩杯,可實(shí)現(xiàn)做豆?jié){、絞肉、研磨和榨汁等功能。
在新產(chǎn)品開發(fā)中,只有少數(shù)產(chǎn)品是全新的設(shè)計(jì),大部分是重用已有的部件,或?qū)^去的零、部件稍作修改[3]?;谥貥?gòu)設(shè)計(jì)理論,多功能產(chǎn)品可由兩個(gè)或多個(gè)單功能產(chǎn)品集成、重構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生[3-5]。重構(gòu)設(shè)計(jì)是在充分重用已有產(chǎn)品構(gòu)件的情況下,從用戶對(duì)產(chǎn)品的功能需求出發(fā)展開新構(gòu)件的設(shè)計(jì),以便快速滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比,在重構(gòu)設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和繼承性能夠被同時(shí)解決。重構(gòu)設(shè)計(jì)在充分重用已有各種設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)資源的基礎(chǔ)上,提供可創(chuàng)新的設(shè)計(jì)空間[4]。文獻(xiàn)[5]在拓?fù)湎嗨菩缘幕A(chǔ)上給出了可重構(gòu)性的定義,認(rèn)為可重構(gòu)性是面向需求與應(yīng)用變化、基于拓?fù)湎嗨菩缘摹皬V義組合理論”。文獻(xiàn)[6]基于多目標(biāo)優(yōu)化策略提出一種可重構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[7]討論了基于物元模型的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品可重構(gòu)設(shè)計(jì)方法。同時(shí),不同的產(chǎn)品具有各種不同形式的相似性,產(chǎn)品的相似性分析也用于輔助多功能產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[8]。文獻(xiàn)[9]從屬性與特征以及關(guān)系與功能兩方面分析了產(chǎn)品的相似性,并應(yīng)用于產(chǎn)品模塊的構(gòu)建。文獻(xiàn)[10]基于產(chǎn)品功能相似性構(gòu)建了產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)。這些方法解決了多功能產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的一些問題,可以獲得產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案,但還存在以下不足:①產(chǎn)品重構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),缺乏功能與元件映射關(guān)系的分析以及功能相似性的分析;②利用產(chǎn)品相似性來設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí),沒有考慮輸入流和輸出流對(duì)功能相似性的影響。
鑒于此,本文提出一種多功能產(chǎn)品概念方案求解方法。該方法采用矩陣來計(jì)算、表達(dá)功能的相似性、元件的關(guān)聯(lián)性以及功能與元件的映射關(guān)系,并充分考慮了輸入流和輸出流對(duì)功能相似性的影響。用矩陣分析產(chǎn)品功能相似性和元件的可重構(gòu)性,方法簡(jiǎn)潔有效,直觀清晰,易于方案求解過程的定量化、程式化。下面通過一系列矩陣的計(jì)算及元件的關(guān)聯(lián)性分析,介紹兩個(gè)單功能產(chǎn)品集成為一個(gè)多功能產(chǎn)品的方法。
概念設(shè)計(jì)是復(fù)雜的思維活動(dòng),產(chǎn)品建模是概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。功能建模是概念設(shè)計(jì)的首要任務(wù),主要包括功能分解、結(jié)構(gòu)與功能匹配和基于功能分解的結(jié)構(gòu)重組三方面[11]。
為了對(duì)功能建模過程中的各級(jí)功能或子功能用合適的方法表達(dá),Stone等[12]提出了功能基(function basis)的概念。功能基是流與功能所組成的一種表達(dá)設(shè)計(jì)方案的語言,該語言用“動(dòng)詞+名詞”形式的詞匯描述產(chǎn)品功能,表示功能模型。在Stone之后,Hirtz等[13]經(jīng)過區(qū)別和比較,并融合統(tǒng)一了功能和流的分類,建立了標(biāo)準(zhǔn)的功能基詞庫(kù)。在該詞庫(kù)中,功能從供應(yīng)、分支、轉(zhuǎn)換、連接、支撐、導(dǎo)向、接發(fā)和控制大小八個(gè)方面進(jìn)行分類;流從能量、信號(hào)和物料三個(gè)方面分類。每一種流又有第二層、第三層的細(xì)分和屬性的解釋,如表1所示。每一種功能也有更詳細(xì)的劃分,如表2所示。
表1 流的分類
表2 功能分類
功能基通過標(biāo)準(zhǔn)詞庫(kù)解決了功能描述的模糊性和歧義性。使用功能基建立功能模型,不同類別的產(chǎn)品能夠在同一功能層次上進(jìn)行分析比較,進(jìn)而比較不同產(chǎn)品在功能上的相似性和差異性。
功能是從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一種表述,是指某一系統(tǒng)所具有的信息、能量或物料轉(zhuǎn)化的特性。通過多個(gè)相同和(或)相異子功能或分功能的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)大部分產(chǎn)品的總功能[14]。為了簡(jiǎn)單方便地分析功能,總功能分解為分功能,分功能又分解為低一級(jí)的子功能,子功能再分解,一直分解到元功能。元功能是一個(gè)比較模糊的概念,是已有的零部件或過程的一種抽象。一個(gè)產(chǎn)品的全部功能可以使用元功能的集合來描述。
實(shí)現(xiàn)功能是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的,集成兩個(gè)單功能產(chǎn)品,首先要建立產(chǎn)品的功能模型。元功能從產(chǎn)品的總功能中分解出來,產(chǎn)品的功能模型由元功能按流的傳遞順序有機(jī)地組合起來得到。利用功能基描述的元功能建立功能模型的步驟包括:①分析系統(tǒng)的輸入、輸出流及總功能;②通過總功能逐級(jí)分解得到元功能;③建立每一個(gè)輸入流的元功能鏈;④連接每條元功能鏈,得到功能模型[10]。
2.1.1 功能分類
為分析功能相似性,元功能分為基礎(chǔ)功能、應(yīng)用功能和附加功能三類。機(jī)電產(chǎn)品是主要通過輸入、轉(zhuǎn)換和傳遞電能來實(shí)現(xiàn)某種功能的產(chǎn)品。傳遞和轉(zhuǎn)換原動(dòng)力的元功能定義為基礎(chǔ)功能;表示產(chǎn)品應(yīng)用價(jià)值的功能定義為應(yīng)用功能,應(yīng)用功能是一個(gè)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品相區(qū)別的功能集合?;A(chǔ)功能和應(yīng)用功能之外不連續(xù)的元功能集合定義為附加功能。
2.1.2 功能模型分解
功能模型按照能量流、物料流或信息流的傳遞順序分解為多條功能鏈。根據(jù)基礎(chǔ)功能、應(yīng)用功能和附加功能的分類,每條功能鏈劃分為不同的模塊,每個(gè)模塊內(nèi)的功能是連續(xù)的。附加功能與基礎(chǔ)功能和應(yīng)用功能無關(guān),分解成一個(gè)獨(dú)立的模塊。分析比較兩個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)模塊內(nèi)的元功能,進(jìn)而分析比較元件間的關(guān)聯(lián)性。
如果產(chǎn)品的功能模型分解出多條功能鏈,則選擇其中一條作為主功能鏈來進(jìn)行分析。主功能鏈一般為包含元功能最多的鏈,兩個(gè)產(chǎn)品的主功能鏈相似度大,則主功能鏈對(duì)應(yīng)元件的重合度和關(guān)聯(lián)性就大,兩個(gè)產(chǎn)品就越相近,兩個(gè)產(chǎn)品集成時(shí),需要改變、重構(gòu)設(shè)計(jì)的元件就少,兩個(gè)產(chǎn)品就容易集成。反之,兩個(gè)產(chǎn)品的主功能鏈相似度小,甚至沖突,所對(duì)應(yīng)的元件就差別很大,兩個(gè)產(chǎn)品集成時(shí),相互之間沒有可借鑒性,重構(gòu)就沒有基礎(chǔ),按照本文所述方法,將得到全為0的矩陣,這樣就不能從現(xiàn)有產(chǎn)品中得到啟發(fā)來設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。從比較功能鏈中的相同或相似元功能的數(shù)量來判別兩條功能鏈相似度的大小,相同或相似的元功能的數(shù)量多,則兩條功能鏈的相似度就大,反之就小。
2.2.1 確定功能相似值
為量化功能的相似性,在“0-1”區(qū)間以及“-1”之間選擇相似值。兩個(gè)產(chǎn)品元功能的相似值,通過鑒定描述元功能的功能基中功能和流的描述來確定。如表1和表2所示,從主類到屬性或同義詞,流或功能的描述越來越詳細(xì)。因此,兩個(gè)元功能在流屬性或功能同義詞中的描述相似度越高,則相似值越大。反之,則相似值越小。
2.2.2 構(gòu)建功能相似矩陣
矩陣作為一種程式化的工具,廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中[15]。為了從輸入、輸出和元功能本身來分析比較兩個(gè)元功能的相似性,構(gòu)建了輸入流相似矩陣(Input Flow Similarity Matrix,IFSM)、功能相似矩陣(Function Similarity Matrix,F(xiàn)SM)和輸出流相似矩陣(Output Flow Similarity Matrix,OFSM)三種相似矩陣,這三種矩陣的格式相同,如圖1所示。在三種矩陣中,元功能按照流的順序排列。輸入流相似矩陣中的值為兩個(gè)元功能輸入物料、能量或信號(hào)的相似值;功能相似矩陣中的值為兩個(gè)元功能的相似值;輸出流相似矩陣中的值為兩個(gè)元功能輸出物料、能量或信號(hào)的相似值。
矩陣中元素xij的值可定義為{x|-1,0≤xij≤1},
(1)當(dāng)xij=1時(shí),對(duì)應(yīng)元功能Fi和Fj或元功能的輸入流、輸出流完全相同。
(2)當(dāng)xij=-1時(shí),對(duì)應(yīng)元功能Fi和Fj或元功能的輸入流、輸出流是沖突的。
(3)當(dāng)xij=0 時(shí),對(duì)應(yīng)元功能或元功能的輸入流、輸出流無關(guān)。
(4)當(dāng)0<xij<1時(shí),對(duì)應(yīng)元功能或元功能的輸入流、輸出流具有相似性。
以上三種矩陣按式(1)可求得功能相似總矩陣(Total Function Similarity Matrix,TFSM),
式中:xTFSMij表示兩個(gè)元功能Fi和Fj總的相似度。在式(1)中,沒有細(xì)分輸入流相似值、輸出流相似值和元功能相似值的權(quán)重,對(duì)三者取了平均值。
2.2.3 功能相似總矩陣過濾
通過式(1)獲得的功能相似總矩陣中功能的相似關(guān)系較為復(fù)雜,為避免功能間相似關(guān)系的高耦合度,假定功能之間的相似關(guān)系是按照流的正向順序且一對(duì)一的關(guān)系,不符合該規(guī)則的值被過濾掉。過濾時(shí)應(yīng)遵循以下原則:保留矩陣中對(duì)角線和對(duì)角線下方較大的數(shù)值,使矩陣中的非零數(shù)值保持向右向下的趨勢(shì)。假定有一功能相似總矩陣如圖2a所示,其中兩個(gè)功能,對(duì)應(yīng)關(guān)系的順序與流的順序相反。因此,逆向的關(guān)系和雙重的對(duì)應(yīng)中較小的值被設(shè)置為“0”,過濾后的矩陣如圖2b所示。
為計(jì)算方便,圖2b中的矩陣轉(zhuǎn)化為:
2.3.1 構(gòu)建功能—元件矩陣
為將過濾后的功能相似總矩陣(Filtration Total Function Similarity Matral,F(xiàn)TFSM)映射為兩個(gè)產(chǎn)品的元件關(guān)聯(lián)矩陣(Component-Component Matrix,CCM),構(gòu)建兩個(gè)產(chǎn)品的功能—元件矩陣(Function-Component Matrix,F(xiàn)CM),如 圖3 所示。功能—元件矩陣中,功能的順序與相似矩陣中相同,元件的順序?qū)ψ詈蠼Y(jié)果則無影響,其中“1”表示元件參與元功能的實(shí)現(xiàn),“0”表示元件與元功能無關(guān)。
2.3.2 元件關(guān)聯(lián)矩陣計(jì)算與分析
為了分析、表示兩個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)元件的關(guān)聯(lián)關(guān)系,需要構(gòu)建元件關(guān)聯(lián)矩陣。元件關(guān)聯(lián)矩陣可由過濾后的功能相似總矩陣(FTFSM)映射求出,映射過程如式(3)所示:
式中m和n分別為產(chǎn)品A 和產(chǎn)品B 元件的總數(shù)。圖2b中功能相似總矩陣映射為元件關(guān)聯(lián)矩陣的計(jì)算過程如式(4)所示:
式(3)和式(4)中運(yùn)算×的運(yùn)算規(guī)則如下:
運(yùn)算規(guī)則1 第一個(gè)矩陣中i行與第二個(gè)矩陣中j列的計(jì)算結(jié)果為{Tij|Mix*Myj},Mix和Myj分別為兩個(gè)矩陣中的元素。例如式(4)中列的計(jì)算過程如式(5)所示:
運(yùn)算規(guī)則2 按照式(6)從規(guī)則1的運(yùn)算結(jié)果中取一個(gè)值作為新矩陣的元素。
式中“0”表示元件無關(guān),“-1”表示元件沖突,最小值Z保證元件最小的相似度。根據(jù)以上運(yùn)算規(guī)則,由式(5)和式(6)可得新矩陣中對(duì)應(yīng)列的元素值為{-1}。式(4)中的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。
圖4 中矩陣表示了兩個(gè)產(chǎn)品中元件的關(guān)聯(lián)關(guān)系,有以下幾種情況:
圖5所示為兩個(gè)單功能產(chǎn)品剃須刀和便攜式吸塵器,將兩個(gè)產(chǎn)品的總功能逐級(jí)分解到元功能,用功能基表示元功能,選擇主功能鏈,按照基礎(chǔ)功能、應(yīng)用功能和附加功能劃分功能模塊,構(gòu)建兩個(gè)產(chǎn)品的功能模型,如圖6和圖7所示。
由圖6和圖7可知,兩個(gè)產(chǎn)品的主功能鏈中主要是能量流,功能模型根據(jù)功能的類型分為四個(gè)模塊,如表3所示。
表3 兩個(gè)產(chǎn)品的模塊類型
從表3可以看出,對(duì)兩個(gè)產(chǎn)品來說,模塊(1)和模塊(2)屬于相同的功能類型。模塊(3)中,旋轉(zhuǎn)固體和氣動(dòng)能輸送物料完全不同,這種不同用來區(qū)別產(chǎn)品,被認(rèn)定為應(yīng)用功能。因此,該模塊作為可重構(gòu)的模塊,在新產(chǎn)品中被修改的可能性大。
根據(jù)主功能鏈和附加功能中元功能的輸入、輸出以及功能的相似性,分別構(gòu)建輸入流相似矩陣、輸出流相似矩陣和功能相似矩陣,如圖8~圖10 所示。矩陣中相同元功能對(duì)應(yīng)的值為“1”,例如輸入電能。沖突的元功能,對(duì)應(yīng)的值為“-1”,其他的功能對(duì)應(yīng)的值在“0~1”之間。由輸入流相似矩陣、功能相似矩陣和輸出流相似矩陣,根據(jù)式(1)計(jì)算得出功能相似總矩陣。根據(jù)2.2.3節(jié)介紹的原則對(duì)功能相似總矩陣進(jìn)行過濾,得到過濾后的功能相似總矩陣,如圖11所示。過濾后的功能相似總矩陣中消除了多對(duì)多的關(guān)系,大部分是一對(duì)一的關(guān)系,只有剃須刀的“引導(dǎo)電能”元功能對(duì)應(yīng)吸塵器的“調(diào)節(jié)電能”和“引導(dǎo)電能”兩個(gè)元功能。還有一些元功能沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系,例如剃須刀的“阻擋固體”、“指示狀態(tài)”、吸塵器的“引導(dǎo)混合物”等。
通過分析便攜式吸塵器和剃須刀所含元件及其對(duì)應(yīng)功能的關(guān)系,分別構(gòu)建了兩種產(chǎn)品的功能—元件矩陣,如圖12和圖13所示。功能-元件矩陣中功能和元件的關(guān)系全部用“1”或“0”表示,其中“1”表示元件全部或參與功能的實(shí)現(xiàn),“0”表示元件與功能沒有任何的關(guān)系。根據(jù)式(3)和式(4)以及2.3.2節(jié)中介紹的運(yùn)算規(guī)則,由圖11中的矩陣與剃須刀的功能—元件矩陣和吸塵器的功能—元件矩陣計(jì)算出剃須刀和吸塵器的元件關(guān)聯(lián)矩陣,如圖14所示。元件關(guān)聯(lián)矩陣中兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)值表示元件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,是兩個(gè)產(chǎn)品功能相似總矩陣的映射。
圖14的矩陣中,“1”表示兩個(gè)元件的關(guān)聯(lián)關(guān)系最大,“0”表示兩個(gè)元件無關(guān)聯(lián)關(guān)系,“0~1”之間的數(shù)值表示兩個(gè)元件的關(guān)聯(lián)度。如表4所示,關(guān)聯(lián)關(guān)系包括無關(guān)聯(lián)、簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)和復(fù)雜關(guān)聯(lián)三類,其中復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系的關(guān)聯(lián)值如圖15所示。
表4 元件關(guān)聯(lián)關(guān)系分類
續(xù)表4
在新產(chǎn)品中被去除無關(guān)聯(lián)關(guān)系的元件,這些元件占總元件數(shù)的15%。對(duì)于簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)關(guān)系中關(guān)聯(lián)值為“1”的兩個(gè)元件,表明這兩個(gè)元件功能完全相同,且與其他元件沒有關(guān)聯(lián),可以相互替代,在新產(chǎn)品中二者取其一即可。這些元件在新產(chǎn)品中不需要修改,是新產(chǎn)品的核心元件,這些元件占總元件數(shù)的37%。對(duì)于簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)關(guān)系中關(guān)聯(lián)值不為“1”的元件對(duì),表明這兩個(gè)元件功能不完全相同,但功能相似,在新產(chǎn)品中需要修改這兩個(gè)元件并集成為一個(gè)元件,同時(shí)實(shí)現(xiàn)原來兩個(gè)產(chǎn)品中的功能,這些元件占總元件數(shù)的7%。對(duì)于復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系的元件,修改其中之一,必然影響到另外的元件,如圖15所示。因此將這些元件作為整體來考慮,相互協(xié)調(diào)并重構(gòu)設(shè)計(jì),集成到新產(chǎn)品中,這些元件占總元件數(shù)的41%。
新產(chǎn)品選擇無關(guān)聯(lián)元件數(shù)少的產(chǎn)品作為基本結(jié)構(gòu),可以減少因移除較多的元件帶來的新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模糊性。剃須刀擁有一個(gè)無關(guān)聯(lián)的元件,吸塵器擁有三個(gè)無關(guān)聯(lián)的元件,因此選擇剃須刀作為新產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu),這樣可以移除“橡膠擋板”、“管口”等無關(guān)的元件。新產(chǎn)品中將刀片盤和葉輪集成為一個(gè)元件,同時(shí)實(shí)現(xiàn)原來的“轉(zhuǎn)動(dòng)固體”和“轉(zhuǎn)換機(jī)械能為氣動(dòng)能”兩個(gè)功能,如圖16中的部件3所示;馬達(dá)、電池、適配器采用原來剃須刀的元件;綜合考慮重新設(shè)計(jì)了刀片倉(cāng)、集塵倉(cāng)及快速拆裝式擋板等相關(guān)元件。綜合以上分析,獲得新產(chǎn)品的概念結(jié)構(gòu)圖,如圖16所示。新產(chǎn)品集成了剃須刀的“剃須”和吸塵器的“吸塵”兩個(gè)單功能,為一種邊剃須邊收集胡須渣到集塵倉(cāng)的新型剃須刀。使消費(fèi)者在剃須的同時(shí),將雜物收集到容易拆裝的部位(如圖16中的元件8),便于雜物的清除。
本文所提出的方法屬于功能驅(qū)動(dòng)的概念設(shè)計(jì),由現(xiàn)有產(chǎn)品的功能分析開始,經(jīng)過一系列矩陣計(jì)算,獲得新產(chǎn)品的概念方案。將產(chǎn)品的總功能分解至元功能,并用功能基表示,可將任意不同產(chǎn)品的功能在同一個(gè)層級(jí)上進(jìn)行分析和比較。利用本文所提方法可將兩個(gè)單功能產(chǎn)品集成為一個(gè)多功能產(chǎn)品;也可通過分析一個(gè)單功能產(chǎn)品和一個(gè)多功能產(chǎn)品中相似的元功能鏈,將單功能產(chǎn)品集成到多功能產(chǎn)品中,還可以通過分析、比較不同產(chǎn)品中的兩條相似元功能鏈,設(shè)計(jì)出新的元件,實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)合功能。因此,參考本方法,設(shè)計(jì)師將產(chǎn)品的功能模型分解到功能鏈后,對(duì)不同產(chǎn)品的兩條功能鏈進(jìn)行分析、比較和重構(gòu),可獲取大量的產(chǎn)品創(chuàng)意。另外,新產(chǎn)品的概念結(jié)構(gòu)是在分析元件關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上人工完成的,如何根據(jù)元件的關(guān)聯(lián)矩陣自動(dòng)化地求解出新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案是下一步研究的方向。在求解兩個(gè)功能的總相似值時(shí),對(duì)輸入流、輸出流和功能的相似值取了平均值,沒有進(jìn)一步分析三者的權(quán)重,這也是今后要繼續(xù)研究的內(nèi)容。
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