CN106672032B - 一种列车运行的目标速度曲线优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种列车运行的目标速度曲线优化方法，所述方法包括：将待优化的目标速度曲线划分为列车运动特性对应的多个模态；对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，以得到优化后的目标速度曲线。本发明使得优化后的目标速度曲线对应的列车加速度不会发生突变，从而避免列车实际速度偏离目标速度曲线，改善了***的控制特性，从而乘客也不会感受到加速度冲击，有效改善了列车乘坐舒适度。
Description
技术领域
本发明涉及列车运行控制技术领域，尤其涉及一种列车运行的目标速度曲线优化方法。
背景技术
地铁列车ATO(Automatic Train Operation，列车自动运行)***基于目标速度曲线进行列车速度控制，ATO***将采用多种控制算法调控列车速度，使其尽可能与目标速度曲线中的目标速度一致，因此ATO***的目标速度曲线将直接影响列车的运动特性。
目前典型的目标速度曲线如图1及图2所示。图1中的典型的ATO运行过程可以被划分成牵引段、巡航段和制动段3部分。更为复杂的目标速度曲线如图2所示，ATO运行过程可以被等效成多个牵引段、巡航段、制动段的组合。
而现有ATO目标速度曲线是直接基于列车的牵引特性、巡航特性和制动特性生成各阶段的目标曲线，然后直接首尾相连，在阶段转换处形成曲线拐点。事实上，由于实际列车的运动特性不可能发生突变(如牵引力矩不可能突变)，所以在实际运用中，列车的实际速度将在目标速度曲线的拐点处发生偏离，***控制精度下降，此时ATO控制算法将产生较大的控制输出进行修正，此时乘客会感受到明显的加速度冲击，乘坐舒适度降低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种列车运行的目标速度曲线优化方法，能够解决现有技术中基于现有目标速度曲线运行时列车的实际速度将在目标速度曲线的拐点处发生偏离正的问题。
第一方面，本发明提供了一种列车运行的目标速度曲线优化方法，所述方法包括：
将待优化的目标速度曲线划分为列车运动特性对应的多个模态；
对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，以得到优化后的目标速度曲线。
可选地，所述列车运动特性对应的多个模态包括：牵引特性对应的加速模态、巡航特性对应的匀速模态和制动特性对应的减速模态。
可选地，所述对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，包括：
采用预设的二次曲线与任意两个相邻模态对应的曲线相切，将所述待优化的目标速度曲线在两个相切点之间的曲线替换为所述预设的二次曲线在所述两个相切点之间的曲线，以得到优化后的目标速度曲线；
其中，所述预设的二次曲线的公式为：
y＝k1x2+k2x+k3；
其中，所述k1为预设的第一系数，k2为第二系数，k3为第三系数，且k2和k3通过曲线拟合算法唯一确定；
相应地，所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时的加速度变化率为2k1。
可选地，所述待优化的目标速度曲线包括：加速模态、匀速模态及减速模态；
相应地，所述对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，包括：
采用预设的第一二次曲线与相邻的加速模态及匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述加速模态切换至所述匀速模态时列车的加速度变化率为第一预设变化率；
采用预设的第二二次曲线与相邻的匀速模态及减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述匀速模态切换至所述减速模态时列车的加速度变化率为第二预设变化率；
其中，所述第一预设变化率为所述第一二次曲线的二次项系数的2倍；所述第二预设变化率为所述第二二次曲线的二次项系数的2倍。
可选地，所述待优化的目标速度曲线包括：第一加速模态、第一匀速模态、第一减速模态、第二匀速模态、第二加速模态、第三匀速模态及第二减速模态；
相应地，所述对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，包括：
采用预设的第三二次曲线与相邻的第一加速模态及第一匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一加速模态切换至所述第一匀速模态时列车的加速度变化率为第三预设变化率；
采用预设的第四二次曲线与相邻的第一匀速模态及第一减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一匀速模态切换至所述第一减速模态时列车的加速度变化率为第四预设变化率；
采用预设的第五二次曲线与相邻的第一减速模态及第二匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一减速模态切换至所述第二匀速模态时列车的加速度变化率为第五预设变化率；
采用预设的第六二次曲线与相邻的第二匀速模态及第二加速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第二匀速模态切换至所述第二减速模态时列车的加速度变化率为第六预设变化率；
采用预设的第七二次曲线与相邻的第二加速模态及第三匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第二加速模态切换至所述第三匀速模态时列车的加速度变化率为第七预设变化率；
采用预设的第八二次曲线与相邻的第三匀速模态及第二减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第三匀速模态切换至所述第二减速模态时列车的加速度变化率为第八预设变化率；
其中，所述第三预设变化率为所述第三二次曲线的二次项系数的2倍；所述第四预设变化率为所述第四二次曲线的二次项系数的2倍；所述第五预设变化率为所述第五二次曲线的二次项系数的2倍；所述第六预设变化率为所述第六二次曲线的二次项系数的2倍；所述第七预设变化率为所述第七二次曲线的二次项系数的2倍；所述第八预设变化率为所述第八二次曲线的二次项系数的2倍。
可选地，所述方法还包括：
根据所述优化后的目标速度曲线，对所述列车的速度进行控制。
由上述技术方案可知，本发明提供一种列车运行的目标速度曲线优化方法，通过将待优化的目标速度曲线划分为列车运动特性对应的多个模态，并对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，以得到优化后的目标速度曲线。如此，使得优化后的目标速度曲线对应的列车加速度不会发生突变，从而避免列车实际速度偏离目标速度曲线，改善了***的控制特性，从而乘客也不会感受到加速度冲击，有效改善了列车乘坐舒适度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是现有的目标速度曲线的示意图；
图2是现有的目标速度曲线的示意图
图3是本发明一实施例提供的一种列车运行的目标速度曲线优化方法的流程示意图；
图4是本发明另一实施例提供的对目标速度曲线中加速模态与匀速模态的切换点进行优化的示意图；
图5是本发明另一实施例提供的对目标速度曲线中匀速模态与减速模态的切换点进行优化的示意图；
图6是本发明另一实施例提供的对目标速度曲线中减速模态与匀速模态的切换点进行优化的示意图；
图7是本发明另一实施例提供的对目标速度曲线中匀速模态与加速模态的切换点进行优化的示意图；
图8是本发明另一实施例提供的一种列车运行的目标速度曲线优化方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3是本发明一实施例中的一种列车运行的目标速度曲线优化方法的流程示意图，如图3所示，所述方法包括如下步骤：
S1：将待优化的目标速度曲线划分为列车运动特性对应的多个模态。
具体地，列车运行具体包括三个阶段：牵引阶段、巡航阶段(惰行)及制动阶段。相应地，待优化的目标速度曲线中列车运动特性对应的多个模态包括：牵引特性对应的加速模态、巡航特性对应的匀速模态和制动特性对应的减速模态。
S2：对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，以得到优化后的目标速度曲线。
具体来说，不同模态对应不同的加速度，如加速模态对应的第一加速度，匀速模态对应的加速度为0，减速模态对应第二加速度。而现有的目标速度曲线中，如图1及图2所示，加速模态切换到匀速模态时加速度突然由第一加速度变为0，匀速模态切换到减速模态时加速度由0直接转变为第二加速度，然而实际列车的运动特性不可能发生突变，导致列车的实际速度将在目标速度曲线的拐点处发生偏离。
因此，对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，如对加速模态切换至匀速模态的切换点进行优化，使得加速模态切换到匀速模态时加速度由第一加速度连续变化至0，即加速度变化率恒定；对匀速模态切换至减速模态的切换点进行优化，使得匀速模态切换到减速模态时加速度由0连续变化至第二加速度，即加速度变化率恒定。如此，得到优化后的目标速度曲线。
本实施例中，通过将待优化的目标速度曲线划分为列车运动特性对应的多个模态，并对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，以得到优化后的目标速度曲线。如此，使得优化后的目标速度曲线对应的列车加速度不会发生突变，从而避免列车实际速度偏离目标速度曲线，改善了***的控制特性，从而乘客也不会感受到加速度冲击，有效改善了列车乘坐舒适度。
具体地，上述步骤S2，具体包括：
采用预设的二次曲线与任意两个相邻模态对应的曲线相切，将所述待优化的目标速度曲线在两个相切点之间的曲线替换为所述预设的二次曲线在所述两个相切点之间的曲线，以得到优化后的目标速度曲线；
其中，所述预设的二次曲线如公式(1)所示：
y＝k1x2+k2x+k3 (1)
其中，所述k1为预设的第一系数，k2为第二系数，k3为第三系数，且k2和k3通过曲线拟合算法唯一确定；
相应地，所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时的加速度变化率为2k1。
具体来说，本实施例通过在目标速度曲线拐点处加入一条二次曲线，使目标速度曲线对应的加速度不会发生突变，从而避免列车实际速度偏离目标速度曲线，乘客也不会感受到加速度冲击。
对于确定的牵引特性(加速模态)和巡航特性(匀速模态)曲线，其加速度是连续的，也就是v-t平面上的牵引特性曲线和巡航特性曲线是处处可导的，所以可以做二次曲线y＝k1x2+k2x+k3分别与牵引特性曲线和巡航特性曲线相切，且在二次项系数k1确定时，该曲线是唯一的，如图4所示(其中虚线为相邻模态的切换点优化前对应的曲线)：
其中x轴是时间t，y轴是目标速度v。k1是一个预先确定的固定值，在已知k1、牵引特性曲线(由配置参数确定)、巡航特性曲线(由配置参数和EBI确定)时，可以通过曲线拟合算法唯一确定k2和k3的值，也就是k2和k3可计算得到。
特别地，该二次曲线的二阶导数为常数
而y就是目标速度，于是有：
所以在该二次曲线上，目标加速度的变化率是恒定的。
又由于二次曲线分别于牵引特性曲线和巡航特性曲线相切，所以整个目标速度曲线上的加速度是没有突变的，列车运动特性将从牵引特性以匀加速率(加速度的改变速度)转换到巡航特性，且加速率为2k1。
所以通过限制2k1的值，就可以限制目标速度曲线的加速率，也就是限制乘客所能感受到的加速度冲击。因此对于k1，实际反映了目标速度的加速率，它是一个舒适度相关的配置项，可以根据乘客的舒适度需求而预先设定k1。
在本发明的一个可选实施例中，如图1所示，所述待优化的目标速度曲线包括：加速模态、匀速模态及减速模态。
相应地，上述步骤S2，具体包括如下步骤：
S21：采用预设的第一二次曲线与相邻的加速模态及匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述加速模态切换至所述匀速模态时列车的加速度变化率为第一预设变化率；
如图4所示，采用第一二次曲线与相邻的加速模态(牵引曲线)及匀速模态(巡航曲线)对应的曲线相切，将所述待优化的目标速度曲线在两个相切点之间的曲线替换为所述第一二次曲线在所述两个相切点之间的曲线，以得到优化后的目标速度曲线，使得基于该优化后的目标速度曲线由所述加速模态切换至所述匀速模态时列车的加速度变化率为第一预设变化率，即加速度变化率恒定。其中，所述第一预设变化率为所述第一二次曲线的二次项系数的2倍。
S22：采用预设的第二二次曲线与相邻的匀速模态及减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述匀速模态切换至所述减速模态时列车的加速度变化率为第二预设变化率。
如图5所示，采用第二二次曲线与相邻的匀速模态(巡航曲线)及减速模态(制动曲线)对应的曲线相切，将所述待优化的目标速度曲线在两个相切点之间的曲线替换为所述第二二次曲线在所述两个相切点之间的曲线，以得到优化后的目标速度曲线，使得基于该目标速度曲线由所述匀速模态切换至所述减速模态时列车的加速度变化率为第二预设变化率，即加速度变化率恒定。其中，所述第二预设变化率为所述第二二次曲线的二次项系数的2倍。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，所述待优化的目标速度曲线包括：第一加速模态(牵引段)、第一匀速模态(巡航段)、第一减速模态(制动段)、第二匀速模态(巡航段)、第二加速模态(牵引段)、第三匀速模态(巡航段)及第二减速模态(制动段)。
相应地，上述步骤S2，具体包括如下步骤：
S21’：采用预设的第三二次曲线与相邻的第一加速模态及第一匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一加速模态切换至所述第一匀速模态时列车的加速度变化率为第三预设变化率；
如图4所示，具体如上述步骤S21所述，在此不再赘述。其中，所述第三预设变化率为所述第三二次曲线的二次项系数的2倍。
S22’：采用预设的第四二次曲线与相邻的第一匀速模态及第一减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一匀速模态切换至所述第一减速模态时列车的加速度变化率为第四预设变化率；
如图5所示，具体如上述步骤S22所述，在此不再赘述。其中，所述第四预设变化率为所述第四二次曲线的二次项系数的2倍。
S23’：采用预设的第五二次曲线与相邻的第一减速模态及第二匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一减速模态切换至所述第二匀速模态时列车的加速度变化率为第五预设变化率；
如图6所示，采用第五二次曲线与相邻的第一减速模态(制动曲线)及第二匀速模态(巡航曲线)对应的曲线相切，将所述待优化的目标速度曲线在两个相切点之间的曲线替换为所述第五二次曲线在所述两个相切点之间的曲线，以得到优化后的目标速度曲线，使得基于该优化后的目标速度曲线由所述第一减速模态切换至第二匀速模态时列车的加速度变化率为第五预设变化率，即加速度变化率恒定。其中，所述第五预设变化率为所述第五二次曲线的二次项系数的2倍。
S24’：采用预设的第六二次曲线与相邻的第二匀速模态及第二加速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第二匀速模态切换至所述第二减速模态时列车的加速度变化率为第六预设变化率；
如图7所示，采用第六二次曲线与相邻的第二匀速模态(巡航曲线)及第二加速模态(加速曲线)对应的曲线相切，将所述待优化的目标速度曲线在两个相切点之间的曲线替换为所述第六二次曲线在所述两个相切点之间的曲线，以得到优化后的目标速度曲线，使得基于该优化后的目标速度曲线由所述第二匀速模态切换至第二加速模态时列车的加速度变化率为第六预设变化率，即加速度变化率恒定。其中，所述第六预设变化率为所述第六二次曲线的二次项系数的2倍。
S25’：采用预设的第七二次曲线与相邻的第二加速模态及第三匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第二加速模态切换至所述第三匀速模态时列车的加速度变化率为第七预设变化率；
如图4所示，具体如上述步骤S21所述，在此不再赘述。其中，所述第七预设变化率为所述第七二次曲线的二次项系数的2倍。
S26’：采用预设的第八二次曲线与相邻的第三匀速模态及第二减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第三匀速模态切换至所述第二减速模态时列车的加速度变化率为第八预设变化率；
如图5所示，具体如上述步骤S22所述，在此不再赘述。其中，所述第八预设变化率为所述第八二次曲线的二次项系数的2倍。
进一步地，在本发明的一个可选实施例中，如图8所示，所述方法还包括如下步骤：
S3：根据所述优化后的目标速度曲线，对所述列车的速度进行控制。
本实施例中，采用本方法对ATO目标速度曲线进行优化后，目标加速度将连续变化，列车实际速度不会显著偏离目标速度曲线，改善***的控制特性。从而，本实施例可以限制列车运动过程中的加速率，从而使乘客不会感受到过大的加速度冲击，改善列车的乘坐舒适度。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种列车运行的目标速度曲线优化方法，其特征在于，所述方法包括：
将待优化的目标速度曲线划分为列车运动特性对应的多个模态；
对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，以得到优化后的目标速度曲线；
所述列车运动特性对应的多个模态包括：牵引特性对应的加速模态、巡航特性对应的匀速模态和制动特性对应的减速模态；
所述对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，包括：
采用预设的二次曲线与任意两个相邻模态对应的曲线相切，将所述待优化的目标速度曲线在两个相切点之间的曲线替换为所述预设的二次曲线在所述两个相切点之间的曲线，以得到优化后的目标速度曲线；
其中，所述预设的二次曲线的公式为：
y＝k1x2+k2x+k3；
其中，所述k1为预设的第一系数，k2为第二系数，k3为第三系数，且k2和k3通过曲线拟合算法唯一确定；
相应地，基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率为2k1。
2.根据权利要求1所述的目标速度曲线优化方法，其特征在于，所述待优化的目标速度曲线包括：加速模态、匀速模态及减速模态；
相应地，所述对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，包括：
采用预设的第一二次曲线与相邻的加速模态及匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述加速模态切换至所述匀速模态时列车的加速度变化率为第一预设变化率；
采用预设的第二二次曲线与相邻的匀速模态及减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述匀速模态切换至所述减速模态时列车的加速度变化率为第二预设变化率；
其中，所述第一预设变化率为所述第一二次曲线的二次项系数的2倍；所述第二预设变化率为所述第二二次曲线的二次项系数的2倍。
3.根据权利要求1所述的目标速度曲线优化方法，其特征在于，所述待优化的目标速度曲线包括：第一加速模态、第一匀速模态、第一减速模态、第二匀速模态、第二加速模态、第三匀速模态及第二减速模态；
相应地，所述对任意两个相邻模态之间的切换点进行优化，使得基于所述目标速度曲线由一个模态切换至另一个模态时列车的加速度变化率恒定，包括：
采用预设的第三二次曲线与相邻的第一加速模态及第一匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一加速模态切换至所述第一匀速模态时列车的加速度变化率为第三预设变化率；
采用预设的第四二次曲线与相邻的第一匀速模态及第一减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一匀速模态切换至所述第一减速模态时列车的加速度变化率为第四预设变化率；
采用预设的第五二次曲线与相邻的第一减速模态及第二匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第一减速模态切换至所述第二匀速模态时列车的加速度变化率为第五预设变化率；
采用预设的第六二次曲线与相邻的第二匀速模态及第二加速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第二匀速模态切换至所述第二减速模态时列车的加速度变化率为第六预设变化率；
采用预设的第七二次曲线与相邻的第二加速模态及第三匀速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第二加速模态切换至所述第三匀速模态时列车的加速度变化率为第七预设变化率；
采用预设的第八二次曲线与相邻的第三匀速模态及第二减速模态对应的曲线相切，使得基于所述目标速度曲线由所述第三匀速模态切换至所述第二减速模态时列车的加速度变化率为第八预设变化率；
其中，所述第三预设变化率为所述第三二次曲线的二次项系数的2倍；所述第四预设变化率为所述第四二次曲线的二次项系数的2倍；所述第五预设变化率为所述第五二次曲线的二次项系数的2倍；所述第六预设变化率为所述第六二次曲线的二次项系数的2倍；所述第七预设变化率为所述第七二次曲线的二次项系数的2倍；所述第八预设变化率为所述第八二次曲线的二次项系数的2倍。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的目标速度曲线优化方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述优化后的目标速度曲线，对所述列车的速度进行控制。
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