孫軍 胡美羽 張力 施佳 佟蕊 徐慧娟

(北京化工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100029)

0 引言

近年來，我國對(duì)淡水資源的需求不斷增加。每年暴雨季節(jié)來臨時(shí)，在地勢(shì)較低處都會(huì)有大量積聚的雨水致使交通阻塞，使人們的出行極為不便。由于對(duì)暴雨控制的風(fēng)險(xiǎn)性極高，其惡性結(jié)果又難以消除，因此只能降低或削弱其影響力，使損失降到最低。

目前雨水收集系統(tǒng)的主要特征是被動(dòng)收集雨水，對(duì)其過程缺乏控制，因此加入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念將有利于擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)，化被動(dòng)為主動(dòng)，從而減輕排水系統(tǒng)的壓力。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)平臺(tái)上，通過各種傳感技術(shù)(RFID、傳感器、GPS、激光掃描器等)及各種通信手段(有線、無線、長距、短距等)將物體與互聯(lián)網(wǎng)相連，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警、診斷和維護(hù)等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“管理、控制、運(yùn)行”一體化的處理系統(tǒng)。在將原始裝置優(yōu)化之后，再進(jìn)一步考慮一體化系統(tǒng)推廣的各項(xiàng)限制條件，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣所遇到的困難和問題進(jìn)行分析研究，并提出與之相適應(yīng)的解決辦法。

本文著眼于雨水收集系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的契合之處，使二者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，建立集成化的系統(tǒng)控制裝置，推進(jìn)雨水收集和處理的一體化進(jìn)程。

1 物聯(lián)網(wǎng)介紹

“物聯(lián)網(wǎng)”是在“互聯(lián)網(wǎng)”概念的基礎(chǔ)上，通過紅外感應(yīng)器、射頻識(shí)別、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備將其用戶端拓展到物品與物品之間的直接交流，按照約定，把任意物品與網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行信息交換和通信功能，以實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控、管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念［1］。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有多技術(shù)融合、跨學(xué)科交叉等特點(diǎn)，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，但目前部分關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)都需要?jiǎng)?chuàng)新。從硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩個(gè)方面來分析，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后的范圍得到擴(kuò)展(圖1)。硬件技術(shù)包括智能嵌入式技術(shù)(Embedded Intelligence)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSNs)、射頻識(shí)別技術(shù) (RFID)及納米技術(shù)(Nanotechnology);軟件技術(shù)包括信息處理技術(shù)、自組織管理技術(shù)、安全技術(shù)［1-2］。

1.1.1 硬件技術(shù)分析

圖1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)最主要的特性之一就是實(shí)現(xiàn)物體與物體之間的信息交換，因而物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)也是依附于各個(gè)物體而實(shí)現(xiàn)的。其中射頻識(shí)別技術(shù)［3］是利用無線射頻信號(hào)對(duì)物體某些特性進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行信息讀取，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別功能，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要有天線、讀取器和感應(yīng)標(biāo)簽，目前該技術(shù)在門禁管理、物料追蹤等領(lǐng)域都有較為成熟的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量，其關(guān)鍵技術(shù)之一即為傳感器技術(shù)。該技術(shù)通過許多微型且廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)來對(duì)客觀動(dòng)態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別，內(nèi)容涉及地震、溫度、濕度、光強(qiáng)度等多種現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前在礦井、核電廠等大型工廠的安全監(jiān)測(cè)方面有較大貢獻(xiàn)。另外，智能嵌入技術(shù)是運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過植入微型芯片的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的數(shù)據(jù)處理效率進(jìn)行提高、功能智能化升級(jí)等效果。根據(jù)嵌入物體種類與特性的不同，嵌入式技術(shù)的可達(dá)到的功能也不盡相同［4-6］。

1.1.2 軟件技術(shù)分析

物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)具體實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，而物聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)則可以很好地從底層網(wǎng)絡(luò)硬件協(xié)助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)安全有效地加以實(shí)施。物聯(lián)網(wǎng)軟件程序通過對(duì)系統(tǒng)中接口的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來表達(dá)系統(tǒng)想要為用戶提供的服務(wù)與需要完成的任務(wù)，提高系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效率。通過對(duì)計(jì)算機(jī)算法的調(diào)整、計(jì)算機(jī)工作方式的控制，可以更高效、統(tǒng)一、便捷地實(shí)現(xiàn)“物物”相聯(lián)的主要目的［7］。

2 傳統(tǒng)雨水收集系統(tǒng)缺陷分析

通過對(duì)現(xiàn)有雨水收集利用系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的雨水收集系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn):

(1)目前的雨水收集系統(tǒng)需要組合使用，這在資源利用上有很大限制。這是一種缺乏系統(tǒng)化和流程化的設(shè)計(jì)，因此，在資源利用過程中會(huì)造成大量人力、物力、財(cái)力投入，但收效甚微。

(2)現(xiàn)有雨水收集系統(tǒng)對(duì)雨水的處理過程較為粗略，以物理處理方式為主，以微少化學(xué)處理流程為輔，且處理后水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置較少，因此會(huì)造成水中總會(huì)有微量的化學(xué)藥劑的存在，并產(chǎn)生一定的副作用。

(3)當(dāng)前的雨水收集系統(tǒng)對(duì)于水資源缺乏細(xì)致的分類，一套流程處理不同的水質(zhì)，就會(huì)造成處理過程嚴(yán)謹(jǐn)化缺失，使水質(zhì)凈化的指標(biāo)保證體系缺乏制度化的規(guī)定，如此一來，對(duì)雨水的分類使用就無從談起。

(4)目前的雨水系統(tǒng)缺乏功能檢測(cè)裝置?，F(xiàn)階段的雨水收集系統(tǒng)只適合小范圍使用，且設(shè)備的處理量較大，這會(huì)導(dǎo)致裝置加速老化，但鮮有人能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的老化并更新系統(tǒng)。

(5)現(xiàn)階段的雨水收集系統(tǒng)缺少預(yù)警環(huán)節(jié)，此處所指的預(yù)警主要有以下幾個(gè)方面:①水質(zhì)等級(jí)預(yù)警;②系統(tǒng)老化預(yù)警;③水質(zhì)處理進(jìn)度預(yù)警;④處理后，水質(zhì)監(jiān)測(cè)及等級(jí)分類預(yù)警。預(yù)警環(huán)節(jié)主要是為了保證雨水收集處理系統(tǒng)的有效性和合理性，這樣的處理流程能滿足當(dāng)前的需求。

(6)當(dāng)前的雨水收集處理系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)效性較差，其主要原因在于系統(tǒng)的開放性較低，且需要人員及時(shí)維護(hù)，缺乏自我修復(fù)功能。一旦出現(xiàn)設(shè)備堵塞而得不到維護(hù)的狀況，就會(huì)造成擁堵產(chǎn)生大量積水，導(dǎo)致路面濕滑，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钤斐珊艽蟛槐恪?/p>

(7)雨水無法真正被人們廣范圍利用，其原因在于國家的機(jī)制體制建設(shè)還不夠完善，對(duì)雨水收集處理的重視程度不高。這就會(huì)導(dǎo)致雨水收集系統(tǒng)的缺點(diǎn)明顯，且加強(qiáng)改善的力度不夠。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有雨水收集系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文將現(xiàn)階段的雨水收集處理系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，完善其功能上的缺失，改變其流程上的不合理性。同時(shí)加強(qiáng)雨水利用效率，減輕淡水資源嚴(yán)重匱乏的壓力，研究雨水收集系統(tǒng)的自動(dòng)化工作裝置，推進(jìn)流程化的雨水收集系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)施。

3 雨水收集方案設(shè)計(jì)與分析

3.1 設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的方案為在原有雨水收集裝置的雨水收集區(qū)域加入污染物濃度傳感器裝置和水位壓力傳感器，并鋪設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò);對(duì)降落到收集區(qū)域的雨水污染程度和降雨量的水位進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)雨水的污染程序及降雨量將其劃分為四個(gè)等級(jí);針對(duì)雨水的不同情況啟動(dòng)相應(yīng)的等級(jí)預(yù)案，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的高效收集處理雨水;針對(duì)不同檢測(cè)結(jié)果，運(yùn)用不同的處理方式，使雨水得到最大化利用(圖2)。

圖2 雨水裝置構(gòu)圖

通過傳感器裝置對(duì)污染物濃度和降雨量進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)中心，與系統(tǒng)中所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可以將所收集到的雨水劃分為以下四種等級(jí):正常情況、輕度污染情況、重度污染情況以及暴雨情況。根據(jù)《城市雨水徑流復(fù)合介質(zhì)多級(jí)過濾技術(shù)研究》中關(guān)于雨水所含物質(zhì)鑒定實(shí)驗(yàn)，水質(zhì)及其用途的劃分標(biāo)準(zhǔn)如圖3 所示。

如果自然降雨，當(dāng)其水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)與車輛沖洗用水水質(zhì)對(duì)應(yīng)指標(biāo)相比更低時(shí)，則其為一級(jí)雨水;當(dāng)雨水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)在道路清掃與建筑施工用水水質(zhì)指標(biāo)之間時(shí)，則其為二級(jí)雨水;當(dāng)雨水各項(xiàng)指標(biāo)高于建筑用水時(shí)可視為三級(jí)雨水，需要經(jīng)過多層處理步驟方可正常使用。

圖3 雨水內(nèi)含物質(zhì)鑒定［8］

通過傳感器裝置對(duì)污染物濃度和水位的測(cè)試數(shù)據(jù)，本文將收集的雨水分為正常情況、輕度污染情況、重度污染情況和暴雨情況，處理及判斷方式具體如下:

(1)正常情況:若為1 級(jí)，則無需開動(dòng)其他閥門開關(guān)，讓雨水直接進(jìn)入普通過濾系統(tǒng)進(jìn)行過濾，過濾之后進(jìn)入蓄水區(qū)，然后需要用水的時(shí)候再進(jìn)入輸水系統(tǒng)進(jìn)行使用，用完之后將廢水處理排除。

(2)輕度污染情況:若檢測(cè)出為2 級(jí)，則過濾裝置閥門開啟二層過濾網(wǎng)，對(duì)雨水進(jìn)行更深一步過濾，二層過濾完之后直接進(jìn)入一層過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾(一層過濾網(wǎng)無需開關(guān))，兩次過濾之后進(jìn)入儲(chǔ)蓄區(qū)域，之后的步驟同1。

(3)重度污染情況:若檢測(cè)為3 級(jí)，即超出了裝置所能過濾的最大限度，或者通過本裝置收集到的雨水的使用對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生危害。屬于這種情況的雨水將直接進(jìn)入最后的排水管道，不進(jìn)行過濾，也就是視其為廢水直接排入下水管道。

(4)暴雨情況:該雨水收集系統(tǒng)通過水位傳感器對(duì)降雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將水位傳感器監(jiān)測(cè)到的水位信號(hào)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)中心，將服務(wù)器將接收到的水位信息譯為可用的數(shù)據(jù)，每經(jīng)過24h 將檢測(cè)到的水位數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。參考我國氣象部門天氣預(yù)報(bào)雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)檢測(cè)到的水位數(shù)據(jù)大于或等于50mm 時(shí)即為暴雨情況，需要開啟暴雨緊急預(yù)案。因?yàn)槿暨€在原裝置中進(jìn)行雨水收集利用，由于過濾的速度和多個(gè)管道橫截面的影響，處理的速度會(huì)比較慢，有可能會(huì)造成過濾效率低下、裝置失靈或者裝置損壞、使用壽命減少等一系列問題。因此，當(dāng)檢測(cè)出為暴雨情況時(shí)，所收集到的雨水會(huì)直接進(jìn)入蓄水區(qū)2，先不進(jìn)行過濾。當(dāng)檢測(cè)到的水位數(shù)據(jù)持續(xù)30min 小于50mm 時(shí)，解除暴雨緊急預(yù)案，恢復(fù)正常雨水處理模式。

與傳統(tǒng)裝置相比，本雨水收集裝置的過濾系統(tǒng)除了感應(yīng)閥門裝置外，還包括兩層過濾網(wǎng):一層為普通的過濾網(wǎng)(一般可以去除＞2.5mm 的雜質(zhì));二層為深度過濾網(wǎng)，針對(duì)2 級(jí)雨水而用，該層過濾網(wǎng)可以將超出指標(biāo)的污染物或渾濁物進(jìn)行進(jìn)一步溶解和沉淀，從而起到高效過濾雨水的作用。

3.2 雨水收集方案優(yōu)化結(jié)果分析

與傳統(tǒng)的雨水收集系統(tǒng)相比，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化之后的雨水收集系統(tǒng)不僅在雨水收集效率及使用用途和廣度方面大為提高，并且針對(duì)雨量及雨水成分的不同分別采取了相應(yīng)的優(yōu)化方式，以保證對(duì)雨水的最大化利用以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3.2.1 被動(dòng)收集變智能化收集

傳統(tǒng)的雨水收集裝置一般為純物理收集方式，采用蓄水池被動(dòng)收集降落的雨水。優(yōu)化之后的雨水收集系統(tǒng)在系統(tǒng)中引入了物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和嵌入式技術(shù)，將對(duì)雨水的收集過程從被動(dòng)式收集逐漸轉(zhuǎn)化為智能式操控。設(shè)計(jì)的裝置所用到的硬件設(shè)施為傳感器裝置，包括污染物濃度傳感器和水位壓力測(cè)試傳感器。從引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)角度來看，一般定義的物聯(lián)網(wǎng)包括三層:網(wǎng)絡(luò)層、傳感層和實(shí)物層。實(shí)物層是具體體現(xiàn)“物”與“物”相連的一層。傳感層的技術(shù)核心即為前文所提到的兩個(gè)傳感器裝置。網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)中樞，主要由三部分組成:①私有網(wǎng)絡(luò)或者互聯(lián)網(wǎng);②有線或者無線通信網(wǎng);③網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)，其主要負(fù)責(zé)傳遞和處理由傳感層獲取的雨水濃度水位等相關(guān)信息。本文所設(shè)計(jì)的方案在網(wǎng)絡(luò)層事先設(shè)定了一系列的通過網(wǎng)絡(luò)管理員實(shí)時(shí)更新的處理等級(jí)與處理方案。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)和雨水收集系統(tǒng)的接口是處理信息與雨水檢測(cè)信息結(jié)合，這使雨水收集從原來的被動(dòng)化收集走向智能化操控階段。

3.2.2 收集效率提高

引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化雨水收集系統(tǒng)方案，在對(duì)雨水進(jìn)行收集過程中，不僅考慮了雨水含量和雨量的變化，還針對(duì)不同的情況采取不同的收集方式，從而提高雨水收集效率和質(zhì)量，提高雨水凈化強(qiáng)度。傳統(tǒng)的雨水收集系統(tǒng)只是簡單地體現(xiàn)雨水收集這一過程，并未針對(duì)雨水含量及雨量的不同采取不同收集方案。優(yōu)化后的系統(tǒng)將通過傳感器對(duì)污染物濃度和水位的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，將雨水劃分成正常、輕度污染、重度污染和暴雨四個(gè)等級(jí)。

正常情況下無需開動(dòng)閥門開關(guān)，過濾后將進(jìn)入蓄水區(qū);當(dāng)出現(xiàn)輕度污染情況時(shí)，過濾裝置將開啟二層過濾網(wǎng)閥門，兩次過濾后再進(jìn)入儲(chǔ)蓄區(qū)域;如果出現(xiàn)重度污染情況，就將雨水直接排入廢水管道;如果遇到暴雨情況，就需要進(jìn)行緊急處理，收集到的雨水會(huì)直接進(jìn)入蓄水區(qū)2，等水位下降時(shí)，再進(jìn)行上述步驟。

3.2.3 增加數(shù)據(jù)維護(hù)功能

由于傳統(tǒng)雨水收集系統(tǒng)中為未結(jié)合智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，眾多有關(guān)雨量及雨水總雜質(zhì)含量的數(shù)據(jù)未能通過技術(shù)手段保留下來。優(yōu)化后方案可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特性，將得到的雨水收集數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，后續(xù)還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘和研究，如預(yù)測(cè)未來雨水含量的走勢(shì)并通過分析雨水中所含雜質(zhì)的比例對(duì)環(huán)境治理提出合理建議。

3.2.4 有利于可持續(xù)發(fā)展

據(jù)國家發(fā)展改革委員會(huì)環(huán)境資源司專業(yè)人士預(yù)測(cè)推算，在“十二五”規(guī)劃期間，包括中央政府、地方政府和個(gè)人投資在內(nèi)的幾大部分，在城市的污水處理環(huán)節(jié)的總投資金額高達(dá)4500 億元［9］。北京泰寧科創(chuàng)科技有限公司之前在籌資建造了占地約為10hm2土地的雨水資源節(jié)約循環(huán)使用示范小區(qū)。按照以往北京的年降雨量來估算，該小區(qū)每年的預(yù)收集雨水可達(dá)5000m3，假設(shè)將上述條件下收集的雨水100%加以利用，據(jù)測(cè)算可以節(jié)約數(shù)萬元購買的自來水的體積。與傳統(tǒng)雨水系統(tǒng)相比，引入技術(shù)設(shè)備之后，雖然單個(gè)系統(tǒng)成本有所提高，但是從社會(huì)效益及長期的成本的角度來看，技術(shù)革新與設(shè)備改進(jìn)是可持續(xù)發(fā)展的必要選擇。如果收集到的雨水水質(zhì)較好，通過過濾即可完成雨水的處理，其處理成本比較低，約為1 元/m3。這就與普通的生活廢水等污水的處理形成了鮮明的對(duì)比，后者的處理成本為3/m3～5 元/m3。所以，加入了物聯(lián)網(wǎng)智能化的雨水收集裝置將大大減少重復(fù)性的人力、物力。

3.2.5 提高雨水使用便利性

基于物聯(lián)網(wǎng)的雨水收集系統(tǒng)在收集雨水過程中充分考慮了雨量變化和雨水所含雜質(zhì)的差異性，旨在提高雨水收集效率和雨水凈化強(qiáng)度。與傳統(tǒng)雨水收集系統(tǒng)相比，優(yōu)化后的基于物聯(lián)網(wǎng)的雨水收集系統(tǒng)擴(kuò)大了處理后雨水的使用范圍。通過傳統(tǒng)的物理過濾方法及化學(xué)物質(zhì)的分步反應(yīng)，雨水中的一些有害物質(zhì)和雜質(zhì)以沉淀的形式被分離出去，使得處理后雨水的各項(xiàng)指標(biāo)在可用水質(zhì)的指標(biāo)范圍之內(nèi)。雨水使用具體可以分為室內(nèi)用水和戶外用水兩大類。室內(nèi)用水主要用于沖洗廁所、澆花及洗清潔用具;戶外用水主要用于室外綠化園地灌溉、洗車及夏季街道灑水降溫等。除此之外，將基于物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化之后的雨水收集系統(tǒng)運(yùn)用于城市雨水收集環(huán)節(jié)，結(jié)合其通用功能(凈化、滲透)，促進(jìn)路面雨水通過地下管道排入沿途大型蓄水池或通過滲透作用補(bǔ)充地下水，以此來維持自然生態(tài)平衡的活水循環(huán)，為實(shí)現(xiàn)生態(tài)小區(qū)和生態(tài)城市奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［10］。

4 結(jié)語

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被人們廣泛關(guān)注。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會(huì)更多地應(yīng)用于人們的日常生活。本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的雨水收集系統(tǒng)在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器等技術(shù)的基礎(chǔ)上也保留了傳統(tǒng)意義上雨水收集系統(tǒng)裝置的特點(diǎn)，對(duì)今后我國的雨水收集利用項(xiàng)目提供了新的思路，具有一定的積極意義。

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