動(dòng)車(chē)組故障檢修數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究與應(yīng)用

張 敏，張 寧

（1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，青島 266111；2.北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044）

動(dòng)車(chē)組高效、安全的運(yùn)營(yíng)需要建立一套集動(dòng)車(chē)組運(yùn)行管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障管理以及應(yīng)急措施為一體的管理體系與運(yùn)營(yíng)機(jī)制。目前，動(dòng)車(chē)組故障檢測(cè)與維護(hù)流程仍處于人工階段[1]，隨車(chē)機(jī)師將動(dòng)車(chē)組故障發(fā)生的位置、部件、損壞情況的信息手工記錄在表單中，等運(yùn)營(yíng)結(jié)束后由派工人員收集故障表單，然后處理形成維修工單分派給維修工人進(jìn)行故障維修工作，維護(hù)完成后還要將維修信息進(jìn)行反饋，這些信息都要記錄備案[2]。整個(gè)流程中，大量繁雜的故障記錄信息需要手工操作，使得整個(gè)故障維護(hù)流程效率較低，手工操作在交互過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)。為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種基于動(dòng)車(chē)組移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，滿(mǎn)足了動(dòng)車(chē)組故障維護(hù)對(duì)信息化處理的要求。

1 數(shù)據(jù)處理技術(shù)概述

1.1 XML與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

XML（Extensible Markup Language）作為一種可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，是標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言（SGML，Standard Generalized Markup Language）的一個(gè)簡(jiǎn)化子集，它繼承了SGML的許多優(yōu)秀特性，同時(shí)也有自己的一些特色[1]：可擴(kuò)展性、靈活性、自描述性、開(kāi)放性、跨平臺(tái)性和簡(jiǎn)明性。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展至今天已具有一套完備的理論基礎(chǔ)、簡(jiǎn)明的數(shù)據(jù)模型、方便的操作方法以及透明的查詢(xún)語(yǔ)言。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)以行和列的形式來(lái)儲(chǔ)存的，相應(yīng)的行與列組成了表，一系列具有特定關(guān)系的表組成了數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。

XML數(shù)據(jù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的難點(diǎn)主要在于存儲(chǔ)模式的區(qū)別，XML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)對(duì)于模式并沒(méi)有強(qiáng)制要求，因?yàn)閄ML文檔本身已經(jīng)包含了模式信息，模式和數(shù)據(jù)是共同存在的。而關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)必須先有關(guān)系模式，模式和數(shù)據(jù)是分開(kāi)存儲(chǔ)的。根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)是否使用XML模式（DTD或XML Schema），基于關(guān)系的XML存儲(chǔ)可以分為以下兩類(lèi)：結(jié)構(gòu)映射和模型映射[4]。

結(jié)構(gòu)映射方法就是在進(jìn)行關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的XML存儲(chǔ)時(shí)，需要根據(jù)XML模式（或挖掘出XML文檔中固有的模式信息）生成相應(yīng)的關(guān)系模式，然后再根據(jù)生成的關(guān)系模式對(duì)XML文檔進(jìn)行解析分解并將它存放于相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。模型映射方法的主要 特點(diǎn)是將任何XML數(shù)據(jù)都存放在有固定關(guān)系模式的數(shù)據(jù)庫(kù)中，而不考慮XML文檔的模式，其本質(zhì)就是存儲(chǔ)XML文檔的結(jié)構(gòu)信息。在模型映射方法中，XML文檔被看作為由元素和屬性等節(jié)點(diǎn)組成的有向有序的樹(shù)或圖結(jié)構(gòu)，本文稱(chēng)這種樹(shù)或圖結(jié)構(gòu)為XML數(shù)據(jù)圖。關(guān)系模式就相當(dāng)于一個(gè)模板，XML在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)主要按照數(shù)據(jù)庫(kù)提供的模板來(lái)組織數(shù)據(jù)。

1.2 基于XML Schema的映射研究

XML Schema[5]提供了創(chuàng)建XML文檔的必要的框架，詳細(xì)說(shuō)明了一個(gè)XML文檔的不同元素和屬性的有效構(gòu)建、出現(xiàn)次數(shù)限制和數(shù)據(jù)類(lèi)型等。目前，主要存在兩種基于XML Schema的映射算法—對(duì)象關(guān)系映射算法和直接映射算法。本文主要研究的是直接映射算法，其主要思想是建立一系列的映射規(guī)則，將Schema中定義的對(duì)象（屬性、元素、嵌套關(guān)系等）映射為關(guān)系模式的相應(yīng)對(duì)象。

基于XML Schema的關(guān)系映射算法主要分為兩個(gè)部分：（1）將XML Schema數(shù)據(jù)文檔進(jìn)行DOM解析生成DOM樹(shù)，對(duì)DOM樹(shù)進(jìn)行遍歷，對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)生成其對(duì)應(yīng)的對(duì)象，遍歷完DOM樹(shù)后生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)對(duì)象樹(shù)。（2）對(duì)第一部分生成的對(duì)象節(jié)點(diǎn)樹(shù)進(jìn)行遍歷，對(duì)于不同的節(jié)點(diǎn)調(diào)用其不同的節(jié)點(diǎn)映射函數(shù)進(jìn)行處理，生成相應(yīng)的SQL語(yǔ)句，最后完成關(guān)系映射?；赬ML Schema的關(guān)系映射算法流程，如圖1所示。

1.3 Oracle XML DB技術(shù)

目前，Oracle XML DB是比較成熟的XML關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理框架，它提供高性能XML存儲(chǔ)和檢索技術(shù)，提供存儲(chǔ)獨(dú)立、內(nèi)容獨(dú)立和編程語(yǔ)言獨(dú)立的基礎(chǔ)架構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)和管理XML數(shù)據(jù)[6]。該技術(shù)將W3C XML數(shù)據(jù)模型完全集成到Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供新的定位和查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)中XML內(nèi)容的方法。XML數(shù)據(jù)庫(kù)并不能僅僅只提供XML文檔的持久存儲(chǔ)能力，它還必須提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)功能[7]。同時(shí)它也必須提供以XML為中心的有效索引、查詢(xún)、更新和搜索XML內(nèi)容的功能[8]。在Oracle XML DB中，XML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)策略主要有3種：結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)及混合存儲(chǔ)。對(duì)于XML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù)對(duì)象來(lái)進(jìn)行選擇。

圖1 算法流程

2 應(yīng)用實(shí)例

動(dòng)車(chē)組故障檢修是行車(chē)安全的重要保障，但是動(dòng)車(chē)組故障檢修專(zhuān)項(xiàng)系統(tǒng)的研究在國(guó)內(nèi)起步較晚[2]。在這樣的大背景下，本文研究和實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（MID，Mobile Internet Device）的動(dòng)車(chē)組故障檢修專(zhuān)用系統(tǒng)。

動(dòng)車(chē)組MID專(zhuān)用系統(tǒng)用于動(dòng)車(chē)組故障檢修與維護(hù)過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)的信息化處理，滿(mǎn)足隨車(chē)機(jī)師、派工人員和機(jī)車(chē)維護(hù)人員的使用需求。MID專(zhuān)用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.1 MID客戶(hù)端系統(tǒng)

圖2 MID專(zhuān)用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

MID客戶(hù)端系統(tǒng)的主要功能是輔助動(dòng)車(chē)組隨車(chē)機(jī)師完成動(dòng)車(chē)組上部件故障的檢測(cè)與記錄，例如：動(dòng)車(chē)組座椅故障、吧臺(tái)故障、車(chē)門(mén)故障等故障信息，然后將這些故障信息發(fā)送到地面系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理?？蛻?hù)端要存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)量并不復(fù)雜和龐大，所有的數(shù)據(jù)都是以XML文檔的形式儲(chǔ)存。MID客戶(hù)端系統(tǒng)采用圖形界面的方式模擬動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)流程，如圖3所示。其中，未處理故障界面和歷史故障界面主要是對(duì)故障信息的分類(lèi)查詢(xún)，未發(fā)送故障界面是對(duì)當(dāng)前MID專(zhuān)用系統(tǒng)中已經(jīng)形成故障記錄但尚未發(fā)送的記錄的查詢(xún)和處理操作。在動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)界面中，用戶(hù)點(diǎn)擊相應(yīng)的車(chē)廂會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的車(chē)廂布局界面，實(shí)現(xiàn)故障定位和故障記錄的生成。

圖3 MID系統(tǒng)流程

2.1.1 故障信息錄入

故障信息錄入是客戶(hù)端系統(tǒng)的核心功能，后臺(tái)代碼使用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)只需要通過(guò)點(diǎn)擊界面上相應(yīng)的模型就可以準(zhǔn)確的定位到故障發(fā)生的位置，然后進(jìn)行故障信息的輸入。MID專(zhuān)用系統(tǒng)中的核心數(shù)據(jù)是故障記錄，故障記錄主要分為3部分信息：故障記錄信息（故障發(fā)生的位置、部件、故障備注、發(fā)生時(shí)間等）、動(dòng)車(chē)組信息（動(dòng)車(chē)組的編號(hào)、型號(hào)等）以及操作人員信息（操作人員的姓名、編號(hào)、記錄時(shí)間等）。

第一排01座扶手破損

0

01

座椅

上述是故障記錄數(shù)據(jù)的一個(gè)簡(jiǎn)單示例：trainInfo、failure和operatorInfo 3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別表示動(dòng)車(chē)組信息、故障記錄信息以及操作員信息。

（1）trainInfo

trainType：動(dòng)車(chē)組的類(lèi)型編號(hào)。

trainNum：動(dòng)車(chē)組編號(hào)。

（2）failure

failureCode：故障代碼。

failureContent：故障內(nèi)容。

state：故障狀態(tài)。

time：故障記錄時(shí)間。

failurePosition：故障發(fā)生位置，其中carriageNum表示故障發(fā)生車(chē)廂，deviceCode表示故障發(fā)生部件代碼，device表示故障發(fā)生部件。

（3）operatorInfo

name：操作人員姓名。

telephone：操作員聯(lián)系電話(huà)。

time：故障記錄時(shí)間。

2.1.2 故障記錄查詢(xún)

故障記錄查詢(xún)主要有3種：未處理故障查詢(xún)、未發(fā)送故障查詢(xún)及歷史故障查詢(xún)。3種查詢(xún)分別對(duì)應(yīng)的未處理故障數(shù)據(jù)、未發(fā)送故障數(shù)據(jù)以及歷史故障記錄數(shù)據(jù)，這3種數(shù)據(jù)主要通過(guò)數(shù)據(jù)中的元素值來(lái)區(qū)分。由于MID中的數(shù)據(jù)都是以XML格式來(lái)存儲(chǔ)的，所以查詢(xún)操作也就轉(zhuǎn)換成了XML數(shù)據(jù)的查詢(xún)問(wèn)題。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)XML數(shù)據(jù)查詢(xún)時(shí)采用XPath查詢(xún)結(jié)構(gòu)。Java對(duì)XPath有很好的支持，導(dǎo)入javax.xml.xpath包就可以在Java程序中嵌入XPath表達(dá)式。XML數(shù)據(jù)源文檔通過(guò)文檔對(duì)象模型（DOM）解析成DOM樹(shù)形式，程序根據(jù)用戶(hù)輸入的查詢(xún)條件構(gòu)造相應(yīng)的XPath查詢(xún)表達(dá)式，XPath通過(guò)編譯和執(zhí)行后便可以從DOM樹(shù)中返回滿(mǎn)足查詢(xún)表達(dá)式的節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 故障記錄發(fā)送

故障記錄數(shù)據(jù)以XML數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在MID系統(tǒng)中，而XML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的缺點(diǎn)在于標(biāo)簽信息的冗余，MID系統(tǒng)與地面服務(wù)通信采用的是3G網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，所以在故障記錄之前需要對(duì)故障記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，系統(tǒng)采用字典映射替換的思想，結(jié)合故障記錄數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)其標(biāo)簽進(jìn)行替換。這種映射策略使故障記錄數(shù)據(jù)量大大減少，而在地面服務(wù)器中接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)同樣的映射表可以還原XML數(shù)據(jù)，通過(guò)這種映射方法可以有效地降低故障記錄XML數(shù)據(jù)大小，同時(shí)保持XML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息。由于3G是公用網(wǎng)絡(luò)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕跀?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候需要根據(jù)預(yù)先約定好的私有協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封包傳輸。

2.2 MID系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊架構(gòu)

地面數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)解決了動(dòng)車(chē)組故障檢測(cè)與維護(hù)流程中數(shù)據(jù)管理的問(wèn)題。在故障信息記錄結(jié)束以后，需要將這些信息發(fā)送到地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和生成維修工單等功能。

2.2.1 模塊功能設(shè)計(jì)

整個(gè)故障維護(hù)系統(tǒng)每天都會(huì)由MID專(zhuān)用系統(tǒng)產(chǎn)生大量的XML數(shù)據(jù)文檔，為了能夠使這些XML數(shù)據(jù)得到有效的存儲(chǔ)和處理，系統(tǒng)借助成熟的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，因此，MID專(zhuān)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過(guò)XML數(shù)據(jù)管理模塊存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)則可以通過(guò)模塊提供的界面對(duì)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的XML數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

MID系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊功能主要分為3部分：

（1）對(duì)MID專(zhuān)用系統(tǒng)中的XML數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系存儲(chǔ)，例如：客戶(hù)端中產(chǎn)生的故障記錄數(shù)據(jù)和用戶(hù)界面（UI，User Interface）信息等。

（2）用戶(hù)對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能進(jìn)行維護(hù)操作，例如：修改故障數(shù)據(jù)、查詢(xún)故障數(shù)據(jù)等。

（3）根據(jù)用戶(hù)從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)得到的數(shù)據(jù)能組成有效的XML數(shù)據(jù)，例如：產(chǎn)生工單數(shù)據(jù)等。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式選擇

在MID專(zhuān)用系統(tǒng)的XML數(shù)據(jù)管理中，數(shù)據(jù)按照用途可以分為兩部分：（1）MID專(zhuān)用系統(tǒng)的配置信息和字典信息，例如：車(chē)輛配置信息、人員配置信息、UI布局信息等，這一類(lèi)信息相對(duì)來(lái)說(shuō)變更的可能性不大，所以對(duì)于這一類(lèi)信息主要采用非結(jié)構(gòu)化方式存儲(chǔ)；（2）故障信息和工單信息，這一類(lèi)信息是XML管理模塊的主要操作對(duì)象，對(duì)其查詢(xún)、修改的操作比較頻繁，所以對(duì)于這一類(lèi)信息采用半結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)方式。

2.2.2.1 非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)

在MID專(zhuān)用系統(tǒng)中，字典信息、UI布局信息等都屬于相對(duì)“靜態(tài)”的數(shù)據(jù)。UI信息的一個(gè)片段示例，如圖4所示。

可以看出UI信息主要保存的是車(chē)廂中各個(gè)部件對(duì)應(yīng)的UI信息，例如：圖中表示車(chē)廂中的一個(gè)組件，其中，屬性值為01，根據(jù)字典表查詢(xún)可知其代表的是車(chē)廂中的座椅部件，由此可以看出，UI信息內(nèi)容是依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的動(dòng)車(chē)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)的，若UI信息對(duì)應(yīng)的動(dòng)車(chē)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，則UI信息也不會(huì)發(fā)生變化。所以這一類(lèi)信息對(duì)其管理的需求主要是進(jìn)行存儲(chǔ)以及整體的檢索。非結(jié)構(gòu)化XML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)系，如表1所示。

圖4 UI信息示例

表1 unstruct_xml表結(jié)構(gòu)

unstruct_xml表用來(lái)存儲(chǔ)MID專(zhuān)用系統(tǒng)中以整體形式存儲(chǔ)的XML數(shù)據(jù)內(nèi)容，表中通過(guò)記錄XML數(shù)據(jù)文檔的名稱(chēng)、類(lèi)型等信息為文檔的檢索帶來(lái)便利。此過(guò)程中，以XML數(shù)據(jù)文檔作為輸入，獲取XML文檔的文件名作為xml_value字段的值，并提取XML數(shù)據(jù)文檔的數(shù)據(jù)內(nèi)容，拼接成插入數(shù)據(jù)庫(kù)的SQL/XML語(yǔ)句執(zhí)行插入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.2.2 半結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)

在MID專(zhuān)用系統(tǒng)中，故障記錄數(shù)據(jù)和工單記錄數(shù)據(jù)都需要半結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，而半結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)的基礎(chǔ)是其相對(duì)應(yīng)的XML Schema模式信息，所以首先需要對(duì)XML數(shù)據(jù)進(jìn)行模式設(shè)計(jì)。使用類(lèi)似于關(guān)系型數(shù)據(jù)模式的開(kāi)發(fā)方式，創(chuàng)建概念模型，概念建模主要偏重于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而不是XML的層次結(jié)構(gòu)。故障記錄數(shù)據(jù)的概念模型，如圖5所示。

在對(duì)概念模型進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成XML Schema模式過(guò)程中，可以采用對(duì)象-關(guān)系的建模思想：將每一個(gè)節(jié)點(diǎn)元素轉(zhuǎn)換成一個(gè)同名元素，將每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)子元素或一個(gè)屬性。在設(shè)計(jì)XML Schema時(shí)還涉及到數(shù)據(jù)的約束問(wèn)題，例如：錄入個(gè)人信息中的電話(huà)信息并不是必須元素時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置其minOccurs="0"來(lái)制訂約束信息。XML Schema模式信息建立和注釋后，還在Oracle XML DB中進(jìn)行注冊(cè)，在注冊(cè)之前需要?jiǎng)?chuàng)建目錄對(duì)象用來(lái)保存XML模式文檔和實(shí)例文檔。

2.2.3 維修工單數(shù)據(jù)管理

維修工單的生成就是將故障記錄和維修工人配對(duì)的過(guò)程：（1）用戶(hù)通過(guò)對(duì)故障記錄表進(jìn)行查詢(xún)，得到需要進(jìn)行維修的故障列表；（2）再?gòu)木S修工人信息表中獲取指定的維修工人的信息；（3）將兩部分信息組合生成維修工單數(shù)據(jù)。生成的工單數(shù)據(jù)以XML格式存儲(chǔ)，可以通過(guò)XSL樣式將XML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HTML在Web頁(yè)面中展示，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)一個(gè)故障工單表來(lái)保存故障記錄與維護(hù)工人的配對(duì)信息，當(dāng)維修工人反饋故障維修的結(jié)果時(shí)，在故障工單表中找到對(duì)應(yīng)的記錄，從而找到對(duì)應(yīng)的故障記錄數(shù)據(jù)，將故障維修的結(jié)果更新到故障記錄表中。

圖5 故障記錄概念模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將XML技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)車(chē)組故障檢測(cè)與維護(hù)中，作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于MID的動(dòng)車(chē)組故障檢修專(zhuān)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成動(dòng)車(chē)組故障信息的錄入，并將故障記錄打包，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面維修所，使得維修人員能及時(shí)根據(jù)故障信息制定維修計(jì)劃；同時(shí)，系統(tǒng)還能及時(shí)將故障維修結(jié)果反饋給隨車(chē)技師，從而將動(dòng)車(chē)組故障檢修優(yōu)化成為閉環(huán)流程，有效地解決了動(dòng)車(chē)組故障數(shù)據(jù)手工錄入、保存和管理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車(chē)組故障檢修過(guò)程的信息化，提高了檢修效率。

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