交通信息分發及查詢系統的設計與實現

摘 要:車載無線網絡技術包括集中式模式及自組織模式。結合了兩種模式優點的可擴展車載實時信息發布及信息查詢平臺是實現各種基于車載無線網絡技術的應用基礎。Vtraffic系統利用基于排序的路況信息分發算法在車載無線自組網上實現高效的路況信息發布，同時利用較可靠的移動通信網絡為司機提供路況詳情的查詢服務。通過對Vtraffic系統的現場測試及對該系統核心分發算法的仿真測試，驗證了系統的實用性與可擴展性。作為一個演示系統，Vtraffic系統實現了可擴展的車載實時信息發布平臺及信息查詢平臺的框架。

關鍵詞:無線通信; 分發算法; 車載自組網; 實時交通信息

中圖分類號:TP394文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)03-0970-05

doi:10.3969/j.issn.10013695.2010.03.044

Design and implementation of traffic information dissemination and query system

ZHONG Ting， QIN Zhi-guang， YANG Lei

(School of Computer Science Technology， University of Electronic Science Technology of China， Chengdu 610054， China)

Abstract:There were two kinds of vehicular wireless networks: the centralized networks and the Adhoc networks. It was important to build a platform which made use of both networks to provide information dissemination and query functions. Vtraffic system realized an efficient traffic information dissemination algorithm based on VANET’s. At the same time， Vtraffic system provided drivers with the function of detailed traffic information query based on mobile communications network. The viability and extendibility of the system is validated both by simulation and field test. As a demo system， Vtraffic system was the foundation work for an extendable vehicular realtime information dissemination and information query platform.

Key words:wireless communication; disseminating algorithm; vehicular Ad hoc networks; realtime traffic information

0 引言

隨著無線通信網絡技術的快速發展以及交通領域信息化的迫切需求，將無線通信技術應用于交通領域的車載無線網絡技術是構建未來智能交通的基礎與熱點。車載無線網絡技術通過車輛間及車輛與基礎設施之間的數據交換，可實現事故預警、輔助駕駛、道路交通信息查詢等智能交通方面的應用[1~4]。同時也可提供車載娛樂、周邊興趣點查詢、Internet接入等數據服務。車載無線網絡技術將為人們提供一個更加高效、安全、舒適的交通網絡。

車載無線網絡技術包括了兩種通信模式:第一種是車輛與基站的單跳集中式無線通信模式;第二種是車間構成無線自組織網絡的通信模式。

集中式的方案比較簡單，可以直接借助于成熟的移動通信網絡技術。這種集中式模式的優點是簡單、穩定可靠，缺點是成本較高，很難為車輛提供在線服務。3G技術的普及將大大降低這種集中式模式的成本，并提高帶寬，降低延遲，但在短期內，為車輛提供完全依賴于移動運營商的全時交通信息服務仍是不現實的。

基于車載無線自組織網絡技術(vehicular Ad hoc networks， VANET’s)的解決方案部署方便、費用低廉，有非常好的應用前景。為了更好地適應車間無線通信模式，美國電氣與電子工程師協會在IEEE 802.11a/b/g標準的基礎上專門擴展出了用于車載通信的IEEE 802.11p標準。IEEE 802.11p也稱為專用短距離通信標準[5](dedicated short range communications，DSRC)，IEEE 802.11p目前處于IEEE標準化的過程中。主流的汽車廠商也開始逐步在新款車型中配置支持WiFi或是DSRC的車載無線通信設備，為車載自組織網絡的應用與普及提供了良好的基礎條件。與普通的自組織網絡相比，車載自組織網絡中的節點移動速度更快，拓撲動態性更大，對時延的要求更高，因此維護路由很困難。實驗數據顯示，在VANET中使用傳統的傳輸層協議(如TCP和UDP)和路由協議(如AODV、DSR、OLSR等)，數據包的成功傳輸率不會超過50%[6]，延遲大且延遲抖動劇烈。因而很多基于車載自組織網絡的應用采用廣播方式分發交通信息。廣播協議雖然不需要維護路由，但由于廣播沖突，其可靠度及吞吐量都較低，通過車載自組織網絡可靠地傳遞大量信息是不可行的。

自組網模式方便、價格低廉但不可靠，集中式模式可靠但延遲較長、費用太高，最佳的解決方案是結合兩者各自的優點，取長補短。ITA項目的目的就是尋求一種高效經濟的模式，為車輛間的通信提供一個可擴展的基礎平臺。具體說來，ITA項目有以下兩項目標:

a)構建一個車輛間實時的信息發布平臺。車輛交換的數據要求低時延，占用少量的帶寬;可用于實時路況，事故報警，交通監管信息的發布。

b)提供一個信息查詢平臺。車輛可借助這個平臺查詢信息，如加油站位置信息、某路段詳細路況信息等。

本文將介紹ITA的一個子項目Vtraffic。作為一個演示項目，Vtraffic既提供了一個車載信息發布與信息查詢的框架，又是一個可實際部署的項目。Vtraffic為參與節點選擇最佳路線提供了依據，并同時提供了方便的可視化路況信息查詢服務。

1 系統概述

如圖1所示，Vtraffic系統選用的硬件設備是HP iPAQ hw6925智能手機。該手機帶有攝像頭、GPS天線，配置了SIM卡(支持SMS、WDP信息及EGPRS的移動電話卡)。在部署時，智能手機被安裝到汽車的擋風玻璃上，攝像頭可拍攝車輛前方路況。在設計初期，共購置了10臺HP iPAQ hw6925智能手機構建原型系統。

如圖2所示，在Vtraffic系統中，所有參與車輛通過WiFi構成車載自組織網絡。每一輛參與車輛通過GPS，可計算自己所在的位置及行駛速度。如果車輛O發現某路段S發生擁堵。O會創建一個關于路段S的路況報告，并通過存儲轉發的方式分發到自組織網絡中去。路況報告包括報告創建者O的信息及O在S上的實際車速等信息。接收到路況報告的參與節點可據此估算路段S上的實時車速，并將實時車速信息顯示在屏幕的簡易地圖上供司機參考。

由于每輛車的行駛速度除了與路況有關外，還與司機個人習慣有關。在參與節點密度較大時，同一路段會有多輛汽車發布車速信息。此時可綜合考慮不同來源的多條報告，從而排除個別誤導信息。在部署的初期，參與車輛的密度不可能足夠大，個別車輛提供的信息可能不夠準確。為了讓司機了解更準確的實時路況。Vtraffic系統中的車輛會在擁堵時拍攝一段能直觀反映擁堵情況的視頻。司機若對某一個擁堵路段的路況特別關注，可對該路段的視頻信息進行查詢。Vtraffic將通過移動電話網絡獲取路況視頻，并顯示在該節點屏幕上。

作為一個演示系統，Vtraffic主要通過簡易地圖方式顯示實時路況。在將來實際部署時，Vtraffic完全可以與商用導航系統融合，在其上提供實時路況顯示及路況詳情查詢等功能。

2 數據表示

2.1 電子地圖

實驗的場景為芝加哥290高速公路。高速公路出入口將道路劃分為一個個路段，不同向的相鄰車道被標志為不同路段。將參與車輛O保存的電子地圖表示為DMO。電子地圖DMO為每個路段保存了以下信息:

a)該路段的標志S;

b)該路段的物理位置(該路段起止點的坐標);

c)車輛在該路段的最高限速。

2.2 路況報告

當車輛O在路段S上行駛時，通過GPS的數據，O可以計算在S上的行駛速度。當車輛O在發現車速低于最高限速60%時，則認為發生擁堵。在發生擁堵時，O會拍攝一段5 s路況視頻。同時系統將為此擁堵路段生成路況報告并通過車載自組網進行分發。路況報告反映了O在該擁堵路段的行駛狀況，包括以下信息:

a)ID:節點O的惟一標志(可用車牌號標志);

b)IDS:該路段惟一標志;

c)SPD:O在該路段的行駛速度;

d)TSt:時間戳，即生成此報告的時間;

e)PhNo:節點O的電話號碼;

f)VClip:拍攝的路況視頻文件名及本地路徑。

2.3 路況報告數據庫

擁堵時創建的路況報告將通過車載自組網分發給更多的參與節點。節點在收到路況報告時，首先對路況報告進行數據聚合處理，即將一些類似的路況報告進行合并;然后將聚合后的路況報告存入路況報告數據庫。路況報告數據庫中的條目若20 min之內未更新，則從數據庫中刪除。

2.4 視頻信息數據庫

節點將保存20 min之內拍攝的關于擁堵路段路況的視頻片段以備其他節點查詢。

3 系統模塊

Vtraffic系統主要實現以下功能:在擁堵時節點定期創建路況報告，并通過無線自組網分發報告;每個節點根據接收到的路況報告，將擁堵路段車速信息顯示在地圖上，司機通過地圖的顯示能了解擁堵路段的位置及估算實時車速，節點在產生路況報告的同時拍攝路況視頻，司機可根據需要查詢擁堵路段的路況視頻，Vtraffic將通過移動通信網絡獲取司機關注路段的最新視頻并顯示到屏幕上。具體說來，Vtraffic系統由以下模塊組成。

3.1 GPS模塊

GPS模塊根據GPS硬件提供的數據，周期性地更新節點自身的位置及速度信息，當車速低于一定閾值時將觸發路況報告的創建與分發及路況視頻的拍攝。

3.2 路況報告分發模塊

通過廣播將自身創建的路況報告及數據庫中的路況報告低延時地傳遞給盡可能多的節點。路況報告分發的性能對整個系統的可用性起著關鍵作用。第4章將詳細介紹高效的路況報告分發算法。

3.3 接收模塊

節點接收鄰居節點的廣播，然后將接收到的路況報告進行數據聚合處理后存入路況報告數據庫。

3.4 數據聚合模塊

無線自組網的帶寬是有限的，因此數據聚合模塊是提高系統性能非常重要的一個模塊。若在節點密度較大的路段發生了擁堵，將有大量關于該路段的路況報告產生。這些路況報告的冗余度很大，沒有必要將這些近似的路況報告都分發出去。因此Vtraffic系統會對同一路段的路況報告進行聚合。

若n個路況報告(ID1，IDS1，SPD1，TSt1，PhNo1，VClip1)…(IDn，IDRn，SPDn，TStn，PhNon，VClipn)是關于同一路段，節點將對這個n個路況報告進行聚合。聚合的結果是取其中最新的一個報告(IDα，IDRα，SPDα，TStα，PhNoα，VClipα)。并將其中的SPDα按式(1)重新計算:

SPDα=ni=1(SPDiTSti-CurT+1)/ni=1(1TSti-CurT+1)(1)

其中:CurT代表當前時間。聚合后新報告的車速SPDα是這n個路況報告中車速的加權平均值。其中權值報告的新舊有關，較新的報告權值較高。采用這樣的數據聚合算法基于以下幾點考慮:a)對每個路段保留一個報告足夠了，因為路段是司機選擇路線的最小單位;b)較新的報告反映較新的路況，因此應保留最新的報告，司機查詢路況視頻時也能返回最新的視頻;c)考慮到司機的駕駛習慣對車速的影響，單條報告中的車速信息往往不夠準確，因此采用了式(1)計算新報告中的車速信息。

3.5 視頻采集模塊

當擁堵出現時，視頻采集模塊周期性地自動拍攝前方的路況信息。視頻采集在后臺進行，不影響前端地圖的顯示。

3.6 視頻查詢模塊

當司機查詢關注路段視頻時，視頻查詢模塊將通過移動通信網絡獲取視頻信息。視頻查詢模塊詳述見第5章。

3.7 地圖顯示/用戶界面模塊

Vtraffic系統提供給用戶良好的界面。用戶可直觀地從顯示的地圖上看到擁堵路段的估算車速等信息。另外，當獲取視頻信息后，用戶界面模塊還負責提示用戶，在經用戶確認后，在屏幕上顯示擁堵路段路況視頻。

4 路況報告的分發算法

由于汽車的快速移動，車載自組網動態性較大，很難維護穩定的路由信息很多車載自組網上的應用選用廣播來分發交通路況信息。某些基于車載自組網的交通信息分發算法采用泛洪的方式分發交通路況信息[7]。在泛洪的方式中，一個節點接收到一個新的廣播數據包時，會立刻將此包再次廣播。泛洪方式存在很多弊端:首先，當節點密度很小時，網絡的連通性較差;采用泛洪方式，所有與路況報告創建節點沒有瞬時路徑的節點將無法收到路況報告;如果節點密度較大，發生擁堵路段較多時，產生的路況報告也會較多。而在多跳無線自組織網絡中，基于IEEE 802.11協議的廣播不具有單播下的確認重傳機制，在較高節點密度、較大數據量的情況下，廣播的可靠度及吞吐量很低[8]。此時，大量的沖突造成了系統中絕大部分的節點無法成功接收到路況報告，尤其是離擁堵地點較遠的節點。因此，泛洪方式的分發擴展性很差，對Vtraffic系統不適合。

在Vtraffic系統中，采用了基于排序的存儲轉發分發方式分發路況報告。車輛O周期性的觸發廣播。當廣播被觸發后，O對路況報告數據庫中的報告進行排序，然后將序號較小的m個報告廣播給自己的鄰居。鄰居收到這些報告后，將這些報告同本地報告進行融合及排序，并等待自己的下一個觸發點執行類似的轉發。這樣，路況報告可以通過存儲轉發的機制擴散到整個網絡。由于不維護任何路由結構，基于排序的存儲轉發能夠很好地適應拓撲的快速變化。另一方面，這種方式利用排序解決了帶寬受限的問題。在基于排序的存儲轉發模式中，需要解決以下幾個核心問題:

a)廣播時機的確定。在什么時候進行廣播是最佳的?

b)廣播報告數的確定。每次廣播多少條路況報告才能最有效的利用網絡帶寬?

c)排序算法。如何進行排序顯然是算法的核心。什么樣的路況報告應該被節點優先轉發?

4.1 廣播時機

Vtraffic系統中，在三種情況下會觸發節點的廣播:節點創建了新的路況報告;節點通過鄰居發現算法發現了有新的鄰居;如果在一定的時間(系統默認3 s)內，若前兩種情況沒有出現，則節點定時啟動廣播。這種廣播觸發方式使得Vtraffic能適用于不同的環境。當節點的鄰居集合變化大時，能迅速地將路況信息傳遞給新的鄰居，而當鄰居集合變化不大，也能通過定期的廣播分發路況報告。

4.2 廣播報告數的確定

車載設備由于可以使用車載充電器，不用考慮傳統自組網中的能耗問題，應充分利用網絡所提供的帶寬分發路況信息。Vtraffic系統使用了文獻[9]提出的GC公式來確定每次廣播的最佳數據量。GC公式適用于所有載波偵聽多路訪問(CSMA)類型的協議，所以GC公式適用于大多數車載自組網。GC公式將網絡的吞吐量表示為單次廣播報告數的函數，可以利用GC公式算出取得最大吞吐量時，每次廣播的數據量，然后從節點的路況報告數據庫提取相應條數的報告進行廣播。

4.3 排序算法

節點每次廣播的報告條數是有限的，因此每次只能選擇報告數據庫中的一部分報告進行廣播。Vtraffic系統中，每次廣播前首先確定該次廣播的報告條數m，然后對路況報告進行排序，廣播序號較小的m條報告。

排序算法根據每個報告的重要性對報告進行評分。如果時刻t車輛O的位置為p，則將在時刻t，路況報告R對車輛O路徑規劃的重要性等級表示為r(R，p，t)。影響報告R對O路徑規劃的重要性因素有很多，其中最重要的是O與R所報告路段RS之間的距離，以及報告R的年齡。直觀來看，報告R越陳舊，RS離O越遠，R的重要性越小。因此，這里將r(R，p，t)定義為

r(R，p，t)=1/(a(R)+g)(2)

其中:a(R)是報告R的年齡;g是在道路暢通的情況下，車輛O行駛到RS所需要的最短時間，即O經由最優路徑到達RS所需的時間。在這里，使用了最短行駛時間g，而不直接采用O與RS之間的距離。其目的是為了統一上式中分母的兩個加項的單位。

5 路況視頻的查詢

Vtraffic系統中，司機可選擇查詢某擁堵路段的路況視頻。Vtraffic系統會從路況報告數據庫提取信息，獲取并顯示關于該路段最新的視頻。

基于無線自組織網絡傳輸視頻信息是不可行的。無線自組織網絡不能為視頻信息提供足夠的帶寬。其性能隨著跳數的增加急劇下降，當超過16跳時，吞吐量幾乎為0 [10]。不難計算，當傳輸半徑為250 m時，為了獲取4 km之外的視頻，至少需要16跳。因此，Vtraffic系統選擇利用可靠的移動通信網絡傳輸視頻信息。

當設備通過GPRS或是EGPRS連接到Internet時，移動運營商會為每臺接入設備提供一個臨時的IP地址。基于成本的考慮，參與節點不能全時在線，因此當司機查詢路況視頻時，不可能知道擁有視頻文件的節點IP地址。而視頻文件屬主節點也不知道有哪些節點需要該視頻。節點從路況報告中可得到視頻文件屬主的電話號碼。獲知了視頻文件屬主的電話號碼后，Vtraffic系統利用WDP(wireless datagram protocol)消息作為視頻文件屬主與文件查詢者之間溝通的媒介。WDP是一個實現在SMS(short message service)之上與UDP協議類似的無線通信協議。可通過移動終端的電話號碼向該終端發送WDP消息。基于WDP消息，查詢節點獲取視頻流程如下:

a)司機查詢某擁堵路段S的視頻信息。

b)系統搜索路況報告數據庫，獲得視頻文件的路徑信息，并獲取擁有該路段最新視頻文件終端節點的電話號碼PhNo。

c)連接到EGPRS，獲得移動運營商分配的臨時IP地址，并啟動FTP服務器。

d)向視頻文件屬主發送WDP消息。WDP消息中包括視頻文件路徑信息，查詢節點的IP地址及其打開的FTP端口號。

e)設置等待超時時間(1 min)，等待視頻文件的上傳。

f)如果成功獲取視頻，則在屏幕上顯示路況視頻。若等待超時，則顯示超時出錯信息。

g)切斷EGPRS連接。

每一個節點在獲得WDP消息后，首先查詢是否擁有被查詢的視頻文件。如果沒有，則忽略該請求;如果擁有該文件，則連接到EGPRS，提取本地視頻文件并上傳到查詢者的FTP服務器上。成功后切斷EGPRS連接。

這種方式是非常經濟可靠的。無論WDP消息還是傳輸視頻文件的流量，在移動運營商都按包月流量收費。實驗中，5 s視頻文件大小大概為80 KB，30 Mbps包月流量足夠收發300條左右的視頻信息。

6 實驗結果

在Vtraffic系統最重要的兩項性能指標是路況報告分發算法的性能及視頻文件獲取的延時。在6.1、6.2節中將分別對這兩項指標進行評估。

6.1 路況報告分發算法的性能

Vtraffic的原型系統僅有10臺終端，數據量很小，車載無線自組網可以提供足夠的帶寬低延時傳輸每個擁堵路段的路況報告。因此只能采用仿真實驗驗證系統大規模部署下的分發性能。

6.1.1 仿真平臺與實驗環境

實驗采用了美國西北大學的STRAW/SWANS來模擬車輛間的通信。SWANS [11，12](scalable wireless Ad hoc network simulator)實現了IEEE 802.11b協議MAC協議。SWANS模擬信號隨著距離的衰減、信號碰撞、信號捕獲的延遲等無線通信要素，模擬實驗中所有節點執行2 Mbps的IEEE 802.11b。模擬系統與商用的無線通信網卡有著類似無線傳輸特性，并采用了自由空間路徑損耗模型。路況報告的大小被設置為100 bit。STRAW系統則模擬了車輛在道路上的運行。

如圖3所示，模擬實驗中選用了芝加哥地區3.2 km×2.2 km 大小的市區地圖，在這個區域部署了n輛汽車，所有的汽車均參與車載自組網分發，傳輸半徑為250 m。系統初始化時，車輛被隨機地放置到道路網絡上，道路網絡上的另一個隨機點被選為車輛的目的地，車輛選擇最短時間路線作為其行駛路線，當車輛到達了目的地之后，再另外隨機選擇地圖內一點作為目的地。這個過程不斷地重復，直到模擬實驗結束，實驗持續時間為1 000 s。

實驗中，模擬了交通高峰狀態下的情形，隨機將地圖的一半路段設置為低速路段。低速路段的最高時速被設置為該路段的實際限速的30%。

6.1.2 仿真實驗結果

仿真實驗中主要統計參與節點估算的車速與實際車速之間的差異。在最短行駛時間路由情形下，車輛選擇高速公路路段的概率較高，而選擇低限速的城市道路的概率較低，因此，實驗中部分路段上不會有車輛通過，也不會有路況報告為之產生。仿真實驗的主要目的是評估路況報告分發算法的性能，因此對沒有車輛行經的路段不作統計。

定義1 假設S1， S2， …， Sn 是仿真實驗中有車輛行經的路段。SPD(Sk，t)是時刻t路段Sk上的實際行駛速度(在仿真實驗中設置為最高限速30%)。假設SPD(O，Sk，t)是車輛 O在時刻 t根據路況報告數據庫估算的路段Sk上的車速。將時刻t，節點O對各路段的估算車速與各路段實際車速的偏差百分比表示為DIF(O，t)，并定義DIF(O，t)為

DIF(O，t)=ni=1(1gi |SPD(Si，t)-SPD(O，Si，t)|SPD(Si，t))(3)

其中:|SPD(Si，t)-SPD(O，Si，t)|/SPD(Si，t)代表在時刻t節點O對Si估算車速與Si實際車速的偏差百分比;gi是從O到Si的最短行駛時間，即車輛沿最短路徑以最高限速行駛所需的時間。路段Si的權值選擇為1/gi，保證了離O越遠路段對應的權值越小。這是因為一個路段離車輛O越遠，其路況信息對O越重要。除此以外，這個權值的選擇也跟前面定義的排序算法保持一致。DIF(O，t)實際上是O在時刻 t對各路段估算車速與實際車速之間偏差百分比的加權平均值。

在實驗中，節點O每隔10 s計算一次DIF(O，t)，O將計算這些值的平均值AvgDIF(O)。實驗結束后，對所有節點再次求平均得到整個系統的估算偏差百分比的平均值AvgDIF。很顯然，AvgDIF值越小，算法的分發性能越好。表1顯示了在不同參與節點數n下的AvgDIF。從表1中可以看出，在各種節點密度下，平均偏差百分比不大，估算車速較準確，對司機有參考價值。

6.2 視頻文件傳輸的延時

當司機查詢路況視頻時，延時是最重要的性能指標。實驗中分別測試了GPRS及EGPRS的傳輸延時。GPRS與EGPRS的理論最大速率分別為171.2 kbps 與474 kbps，包括了WDP消息帶來的延時。視頻文件在GPRS下的傳輸延時大概為20 s左右，而EGRPS的傳輸延時不超過15 s。

7 相關工作介紹

目前有很多提供實時交通信息的商用系統(如Traffic.com [13]， GCM Travel [14])，這些系統都是集中式的。它們利用道路旁邊的攝像機及傳感器采集信息并傳遞給中央服務器，用戶通過訪問中央服務器獲得實時交通信息。集中式系統提供的交通信息覆蓋面是有限的，即便在發達國家的大城市，覆蓋的也僅僅是部分高速公路網絡。巨大的基礎設施投資使得這種集中式實時交通信息系統很難大規模推廣。

除了上述的集中式商用系統之外，也有很多關于路況信息發布的研究工作。MIT的Cartel項目[15]將道路擁堵信息通過城市中未設置密碼的開放WiFi連接上傳至中央服務器。Cartel項目需要維護中央服務器，用戶通過訪問中央服務器獲得道路擁堵信息。此外，盜用開放WiFi連接是否合法仍存在爭議。TrafficView[16]項目是一個純粹利用車載自組網進行交通信息分發的系統。該項目中，前方行進的車輛向后方車輛提供路況信息。而SOTIS[17]項目在TrafficView項目基礎上，將分發擴展為利用雙向車道上的車輛，前方行駛的車輛可通過反方向行駛車輛攜帶交通信息傳遞給后方行駛的車輛。無論TrafficView還是SOTIS，其分發模式僅適合高速公路的交通信息分發，而不適用于城市支線道路。

8 結束語

Vtraffic系統結合了集中式及自組織模式車載無線通信技術各自的優點，實現了路況報告分發及路況詳情查詢等功能。現場測試及仿真實驗結果均驗證了Vtraffic系統方便實用性以及良好的性能與可擴展性。Vtraffic系統可以與商用GPS導航融合，在其上為駕乘人員提供實時路況顯示及查詢服務。同時，Vtraffic系統也提供了構建基于車載無線通信技術的信息分發平臺及信息查詢平臺的基礎架構。

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