劉 倩,劉 群
(重慶郵電大學(xué) 計(jì)算智能重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)
近年來(lái),學(xué)者對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究集中于重疊社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法。目前,已經(jīng)出現(xiàn)了許多發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊社區(qū)的算法。其中,Evans等[1]和Ahn等[2]分別發(fā)表了從邊的角度來(lái)研究社團(tuán)劃分,文獻(xiàn)[3]還運(yùn)用領(lǐng)導(dǎo)的思想來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊社區(qū)。其它算法有基于模糊聚類的發(fā)現(xiàn)算法[4],基于非負(fù)矩陣分解的發(fā)現(xiàn)算法[5],基于混合概率模型的方法[6]等。圖1是一個(gè)具有兩個(gè)社區(qū)并存在重疊節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,其中每個(gè)圓圈虛線內(nèi)的節(jié)點(diǎn)集構(gòu)成一個(gè)社區(qū),而三角形節(jié)點(diǎn)就是社區(qū)之間的重疊結(jié)點(diǎn)。
圖1 重疊社區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
本文提出了基于引力度擴(kuò)展的重疊社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法。該算法中的種子選取策略考慮了種子對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的直接與間接影響力,這使算法選取的種子更加準(zhǔn)確,從而使社區(qū)劃分的結(jié)果更加精確。
給定一個(gè)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)和m 條邊的網(wǎng)絡(luò)G(V,E),其中V 表示節(jié)點(diǎn)集合,E 表示邊集合。節(jié)點(diǎn)u與節(jié)點(diǎn)v之間連接的邊表示為euv,邊euv的權(quán)重為wuv;如果節(jié)點(diǎn)u與節(jié)點(diǎn)v有邊連接,則wuv=1,相反,wuv=0。節(jié)點(diǎn)u的度ku的定義如下
例如,在圖2所示的小網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,節(jié)點(diǎn)5的度為1+1+1+1=4,節(jié)點(diǎn)9的度為1+1+1=3,節(jié)點(diǎn)1的度為1+1+1=3。網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度等于與這個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接的所有邊數(shù)的總和。
圖2 小網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)G(V,E),以及G 中的一個(gè)社區(qū)c和一個(gè)節(jié)點(diǎn)u,則節(jié)點(diǎn)u 對(duì)社區(qū)c的隸屬度B(u,c)[7]的定義如下
式中:隸屬度函數(shù)B(u,c)反映了節(jié)點(diǎn)u與社區(qū)c聯(lián)系的緊密程度,B(u,c)的值越大,節(jié)點(diǎn)u與社區(qū)c的連接越密集,而B(u,c)的值越小,節(jié)點(diǎn)u與社區(qū)c的連接越松散。如果節(jié)點(diǎn)u的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都被包含在社區(qū)c中,則B(u,c)=1,即節(jié)點(diǎn)u只屬于c這一個(gè)社區(qū);否則,B(u,c)<1,即節(jié)點(diǎn)u屬于多個(gè)社區(qū)。
例如,在圖2中,假設(shè)社區(qū)c包含的節(jié)點(diǎn)集合為{1,2,3,4,5},其中,節(jié)點(diǎn)6對(duì)社區(qū)c的隸屬度B(6,c)的值是1/(1+1+1)=1/3,節(jié)點(diǎn)7對(duì)社區(qū)c的隸屬度B(7,c)的值是(1+1)/(1+1+1+1)=1/2,節(jié)點(diǎn)5的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都在社區(qū)c里,則它對(duì)社區(qū)c的隸屬度B(5,c)=1。
牛頓萬(wàn)有引力定律是解釋物體之間的相互作用的引力定律。且牛頓萬(wàn)有引力定律認(rèn)為,地球上的任何兩個(gè)物體之間都存在萬(wàn)有引力,該引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,并且與兩物體的化學(xué)本質(zhì)或物理狀態(tài)以及中介物質(zhì)無(wú)關(guān),公式表示如下
式中:F——兩個(gè)物體之間的引力,m1、m2——兩個(gè)相互存在引力的物體的質(zhì)量,r——兩個(gè)存在引力的物體之間的距離,G——引力常數(shù)。
由牛頓萬(wàn)有引力定律可知,既然任意兩個(gè)物體之間都存在引力,那么網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間也存在萬(wàn)有引力。由于網(wǎng)絡(luò)具有自己的結(jié)構(gòu)特性,將網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)u與節(jié)點(diǎn)v之間的萬(wàn)有引力重新定義為式(4)
式中:mu、mv——網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)u和節(jié)點(diǎn)v的質(zhì)量。用節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)自身的特性,則質(zhì)量越小,自身的重要性也越??;質(zhì)量越大,自身的重要性也越大。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)自身的結(jié)構(gòu)性質(zhì),對(duì)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn),只有節(jié)點(diǎn)的度能直接反應(yīng)出該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息,同時(shí)也體現(xiàn)了一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的直接通信能力。因此,我們采用節(jié)點(diǎn)的度來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量,則對(duì)任意節(jié)點(diǎn)u,就有mu=ku。
而距離d(u,v)的衡量,我們?nèi)匀粡木W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性出發(fā),用節(jié)點(diǎn)u與節(jié)點(diǎn)v之間的最短路徑長(zhǎng)度來(lái)具體度量d(u,v)。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)u與節(jié)點(diǎn)v之間的最短路徑長(zhǎng)度即是以節(jié)點(diǎn)u為起點(diǎn),以v為終點(diǎn)的最短路徑中所含邊的數(shù)量,此長(zhǎng)度值還可以反應(yīng)出節(jié)點(diǎn)u最少能通過(guò)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)就能與節(jié)點(diǎn)v取得聯(lián)系,即表明了一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)間接通信的最大能力。
既然,網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)u都與其它節(jié)點(diǎn)之間存在引力,那么網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)的引力就存在一個(gè)和值,就將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)u與其它節(jié)點(diǎn)的引力之和定義為節(jié)點(diǎn)u的引力度,其定義式如式(5)
給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)G(V,E),節(jié)點(diǎn)數(shù)|V|=n,邊數(shù)|E|=m;該算法主要由兩部分組成:①尋找初始社區(qū);②對(duì)社區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展。為了挖掘出網(wǎng)絡(luò)中的重疊社區(qū),將網(wǎng)絡(luò)中未被劃分到任意一個(gè)社區(qū)中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為 ‘M’,這些被標(biāo)記為 ‘M’的節(jié)點(diǎn)集合記為VM,而已經(jīng)被分配到至少一個(gè)社區(qū)中的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為 ‘D’,這些被標(biāo)記為 ‘D’的節(jié)點(diǎn)集合記為VD,且VM=V-VD。首先,將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的劃分狀態(tài)初始化為 ‘M’,即沒有任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被劃分到某個(gè)社區(qū)。
步驟1 使用式(5),即用f(u)的定義公式來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中劃分狀態(tài)標(biāo)記為 ‘M’的節(jié)點(diǎn)的引力度值;
步驟2 選取引力度值最大的節(jié)點(diǎn)作為發(fā)現(xiàn)一個(gè)社區(qū)的種子;
步驟3 查詢種子節(jié)點(diǎn)的劃分狀態(tài)為 ‘M’的鄰居節(jié)點(diǎn)集合,這些鄰居節(jié)點(diǎn)與種子節(jié)點(diǎn)便形成了一個(gè)初始社區(qū)c;
步驟4 對(duì)于社區(qū)c中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)u,計(jì)算其隸屬度B(u,c)的值,如果存在B(u,c)<Bc(Bc表示節(jié)點(diǎn)u與社區(qū)c聯(lián)系緊密程度的門限值)的節(jié)點(diǎn),則將這些節(jié)點(diǎn)從社區(qū)c中移除;
步驟5 返回步驟4,直到 u ∈c,B(u,c)≥Bc,則獲得了最終的初始社區(qū)c。
步驟1 找出社區(qū)c的鄰居節(jié)點(diǎn)集合,將其記為Nc,并計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)集Nc中每個(gè)節(jié)點(diǎn)v的隸屬度B(v,c)的值;
步驟2 找出Nc中隸屬度B(v,c)≥Bv(Bv表示節(jié)點(diǎn)v與社區(qū)c聯(lián)系緊密程度的門限值)的所有節(jié)點(diǎn),用Nv={B(v,c)≥Bv}表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)集合;
步驟3 如果|Nv|>0(|Nv|表示集合Nv中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)),則添加Nv集合中的節(jié)點(diǎn)到社區(qū)c中,便形成了一個(gè)更大的社區(qū)c,返回步驟1;
步驟4 如果|Nv|=0,則挖掘出了一個(gè)最終的社區(qū)c。
例如,在圖3中,假定初始社區(qū)c包含的節(jié)點(diǎn)集為{1,2,3,4,5},它的鄰居節(jié)點(diǎn)集合為{8,7,6},其中B(8,c)=1/4,B(7,c)=2/5,B(6,c)=3/5,添加節(jié)點(diǎn)6到社區(qū)c中。添加節(jié)點(diǎn)6之后,社區(qū)c的鄰居節(jié)點(diǎn)集Nc中的任意節(jié)點(diǎn)v,都有B(v,c)<Bv。此時(shí),停止社區(qū)擴(kuò)展過(guò)程并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)最終的社區(qū)c={1,2,3,4,5,6},即圖3中的三角形節(jié)點(diǎn)集。
圖3 社區(qū)擴(kuò)展
圖4表明了如何挖掘出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有重疊社區(qū)。當(dāng)作社區(qū)擴(kuò)展時(shí),查找鄰居節(jié)點(diǎn)集是不考慮鄰居節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)被劃分到了某個(gè)社區(qū),因此就可以發(fā)現(xiàn)社區(qū)之間的重疊結(jié)點(diǎn),即發(fā)現(xiàn)重疊社區(qū)。
為了測(cè)試本文算法的可行性,將算法運(yùn)用在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了測(cè)試,并與Lancichinetti[8]等提出的重疊社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法 (LMF算法[9])做了性能上的對(duì)比。
圖4 算法流程
為了衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)劃分質(zhì)量的優(yōu)劣,New-man[10]提出了模塊度Q 這一衡量指標(biāo)。雖然該模塊度已經(jīng)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的認(rèn)可與運(yùn)用,但是,仍然存在諸多問(wèn)題,例如它不能解決衡量重疊社區(qū)結(jié)構(gòu)劃分質(zhì)量的限制性問(wèn)題[11]。為了解決此問(wèn)題,又有人提出了衡量重疊社區(qū)結(jié)構(gòu)劃分質(zhì)量的模塊度函數(shù),本文采用文獻(xiàn)[12]中的擴(kuò)展模塊度函數(shù)EQ(extend modularity)來(lái)衡量重疊社區(qū)結(jié)構(gòu)劃分的質(zhì)量。EQ 的定義如下
式中:m——網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間連接的總邊數(shù),Qu、Qv——節(jié)點(diǎn)u、節(jié)點(diǎn)v所屬的社區(qū)個(gè)數(shù),Auv——網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣?yán)锏脑?,也反映了?jié)點(diǎn)u與節(jié)點(diǎn)v的連接情況,如果節(jié)點(diǎn)u與節(jié)點(diǎn)v有連接,則Auv=1,相反,Auv=0,Ku、Kv分別表示節(jié)點(diǎn)u、節(jié)點(diǎn)v的度。
本文算法中Bc(Bc表示節(jié)點(diǎn)u與社區(qū)c聯(lián)系緊密程度的門限值)的取值影響著社區(qū)劃分的尺度與社區(qū)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣和明顯程度。下面主要從Bc取0.4與0.5來(lái)討論我們算法劃分的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)的結(jié)果。
3.2.1 Zachary’s karate club
Zachary社會(huì)網(wǎng)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)社區(qū)發(fā)現(xiàn)中經(jīng)常被用來(lái)進(jìn)行測(cè)試的經(jīng)典小型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集,該網(wǎng)絡(luò)反映了美國(guó)一所大學(xué)空手道俱樂(lè)部成員之間的社會(huì)關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)包含34個(gè)節(jié)點(diǎn)與78條邊,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)俱樂(lè)部成員,每一條邊表示俱樂(lè)部成員之間除了具有俱樂(lè)部成員的關(guān)系外,他們私下還是朋友的關(guān)系。本文算法將Zachary社會(huì)網(wǎng)劃分的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 社區(qū)劃分
在圖5的圖(a)、圖(b)、圖(c)中,實(shí)心圓節(jié)點(diǎn)集表示一個(gè)社區(qū),實(shí)心正方形節(jié)點(diǎn)集表示另一個(gè)社區(qū),三角形節(jié)點(diǎn)集表示社區(qū)之間的重疊節(jié)點(diǎn)。圖5 (a)是真實(shí)社區(qū)結(jié)構(gòu)圖,節(jié)點(diǎn)3是兩個(gè)社區(qū)之間的重疊節(jié)點(diǎn)。在圖5(b)中,Bc取值為0.4,網(wǎng)絡(luò)被本文算法劃分為兩個(gè)社區(qū),節(jié)點(diǎn)3、9、10、14、31是兩個(gè)社區(qū)之間的重疊節(jié)點(diǎn)。在圖5(c)中,Bc取值為0.5,此時(shí)本文算法仍然將網(wǎng)絡(luò)劃分為2個(gè)社區(qū),但重疊節(jié)點(diǎn)是3、10。將圖5中的圖(b)、圖(c)與圖(a)作對(duì)比,可以得出Bc=0.5時(shí),我們算法所劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)與真實(shí)社區(qū)結(jié)構(gòu)更相符合。
3.2.2 American College football
College football網(wǎng)通常也是社區(qū)發(fā)現(xiàn)中算法運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集對(duì)象,該網(wǎng)絡(luò)描述了美國(guó)一所大學(xué)里各學(xué)院之間玩足球游戲的社會(huì)關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)包含了115個(gè)結(jié)點(diǎn)和615條邊,節(jié)點(diǎn)表示足球隊(duì),節(jié)點(diǎn)之間的邊則表示足球隊(duì)之間有足球比賽的社會(huì)關(guān)系。當(dāng)Bc取值為0.4時(shí),我們算法將網(wǎng)絡(luò)劃分為11個(gè)非重疊社區(qū);當(dāng)Bc取值為0.5 時(shí),算法將網(wǎng)絡(luò)劃分為14個(gè)非重疊社區(qū)。
3.2.3 Email
Email網(wǎng)是Rovira i Virgeili大學(xué)的一個(gè)郵件網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)包含1133個(gè)節(jié)點(diǎn)和5451條邊。我們算法在Bc取值為0.4時(shí)將網(wǎng)絡(luò)劃分為232個(gè)社區(qū),社區(qū)之間有101個(gè)重疊節(jié)點(diǎn),在Bc取值為0.5時(shí)將網(wǎng)絡(luò)劃分為261個(gè)社區(qū),社區(qū)之間有107個(gè)重疊節(jié)點(diǎn)。
本文算法與LMF算法在3個(gè)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行測(cè)試的算法性能結(jié)果見表1。
表1 算法性能對(duì)比
從3個(gè)網(wǎng)絡(luò)的描述與表1可以得出,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集不同,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)也不相同,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多,我們算法的運(yùn)行時(shí)間與LMF算法的運(yùn)行時(shí)間都在增加,尤其是本文算法的運(yùn)行時(shí)間增加更快。對(duì)表1作進(jìn)一步分析,在karate網(wǎng)絡(luò)中,Bc取0.4與0.5時(shí),我們算法的EQ 值都比LMF算法的EQ 值略低,說(shuō)明本文算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)不如LMF算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)明顯,且我們算法在Bc取0.5比Bc取0.4時(shí)的EQ 值高,即Bc取0.5時(shí)的社區(qū)劃分結(jié)果更好。在football網(wǎng)絡(luò)中,Bc取0.4與0.5時(shí),我們算法的EQ 值都比LMF算法的EQ 值高,表明我們算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)比LMF算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)更優(yōu)。而在email網(wǎng)絡(luò)中,Bc取0.4時(shí),我們算法的EQ 值比LMF算法的EQ 值高,即我們算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)比LMF算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)更好,但Bc取0.5 時(shí),我們算法的EQ 值卻比LMF 算法的EQ 值低,即我們算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)比LMF算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)稍差。
3.2.4 KDD Cup2012
KDD Cup2012是2012年在中國(guó)舉行的國(guó)際性數(shù)據(jù)挖掘大賽,大賽任務(wù)一是好友推薦,其數(shù)據(jù)集是由騰訊微博提供的大量微博數(shù)據(jù)。騰訊微博也是一個(gè)社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò),每一個(gè)微博用戶就是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),用戶在微博上與其他用戶取得的聯(lián)系就是網(wǎng)絡(luò)中的邊。該微博數(shù)據(jù)集分為很多項(xiàng)目文件,其中的user_profile.txt文件描述的是每個(gè)騰訊微博用戶的一些基本信息,如用戶的編號(hào)、出身日期、興趣愛好等,user_sns.txt文件描述的是微博用戶之間在微博上有聯(lián)系的社會(huì)關(guān)系。我們從user_profile.txt文件中提取了不同規(guī)模的節(jié)點(diǎn)數(shù)(節(jié)點(diǎn)數(shù)以100作為起點(diǎn)),并從user_sns.txt文件中提取了不同規(guī)模節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的邊關(guān)系。將本文算法與LMF算法在提取的數(shù)據(jù)集上做了測(cè)試,然后對(duì)測(cè)試的結(jié)果做了對(duì)比分析。如圖所示,其中圖6是算法的運(yùn)行時(shí)間與節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系圖,橫坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)為運(yùn)行時(shí)間;圖7 是EQ 與節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系圖,橫坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)為EQ 值。
圖6 時(shí)間與節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系
圖7 EQ 與節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系
由圖6可以得出,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模增大時(shí),我們算法的運(yùn)行時(shí)間仍然比LMF算法的運(yùn)行時(shí)間增加得更多。由圖7可以看出,我們算法的EQ 值與LMF 算法的EQ 值在節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)都有所下降,但我們算法在Bc取0.4 與0.5時(shí),其EQ 值都比LMF算法的EQ 值高,這說(shuō)明我們算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)更加精確與明顯。而節(jié)點(diǎn)規(guī)模為1000 時(shí),我們算法在Bc取0.4時(shí)的社區(qū)劃分結(jié)果比Bc取0.5時(shí)的社區(qū)劃分結(jié)果更準(zhǔn)確。
本文提出了基于引力度擴(kuò)展的重疊社區(qū)發(fā)現(xiàn)算法。算法以引力度最大的節(jié)點(diǎn)為種子來(lái)尋找初始社區(qū),再進(jìn)行擴(kuò)展得到最終社區(qū)。將算法在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示我們算法的時(shí)間復(fù)雜度比LMF算法的時(shí)間復(fù)雜度高。我們算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)的結(jié)果雖然受Bc取值的影響,但總體上獲得的EQ 值比LMF算法的EQ 值更高,即我們算法劃分的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)結(jié)構(gòu)比LFM 算法劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)更精確,這說(shuō)明我們算法在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊社區(qū)上是可行與有效的。我們后續(xù)工作將提高算法的時(shí)間效率,并提高我們算法在大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上劃分的社區(qū)結(jié)構(gòu)質(zhì)量。
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