道路交通信号控制系统方案.docx
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道路交通信号控制系统方案
道路交通信号控制
解
决
方
案
1方案概述
随着城市化进程的逐步加快，城市交通问题已经成为中国迫在眉睫的难题，越来越多的现象表明，城市交通拥堵往往突出表现在城市道路交叉口处，很多平面交叉口的通行能力不足相关路段平均通行能力的50%。
因此，道路资源充分利用与否的关键是交叉口资源的利用。
交通信号控制系统在现代智能交通领域，是极其重要的组成部分。
利用先进的交通信号控制系统，可以有效管理交通流量，增进城市道路畅通水平。
各种先进的道路交通管理方案，最终都要依靠交通信号控制系统来实现。
目前在我国大、中城市交通管理中，已经普遍使用交通信号机对交叉路口进行管理。
在国内市场，各地应用的主流信号控制系统绝大多数都是国外品牌，比如英国的SCOOT，澳大利亚的SCATS，德国西门子的ACTRA等，但这些品牌信号机售价高、二次开发受限、对基础建设要求较高，不符合大多数项目需求；国内生产研发信号机的厂家也达到170余家，但从整体水平来看，普遍存在科研水平不高、标准符合度差、功能单一等问题。
在此背景下，我们设计推出一套标准符合度高、低成本、高质量的交通信号控制系统解决方案（包括交叉路口道路信号机和信号控制管理系统软件），该方案应用国际领先技术，结合国内混合交通特点研发，满足城市智能交通项目建设需求，缓解日趋严重的交通拥堵问题。
道路交通信号控制系统由前端交通信号机、车辆检测器、网络传输单元和中心控制部分组成，前端交通信号控制机采用32位微处理器控制，硬件设计采用模块化设计思想，可实现全天候自动化控制；车辆检测器支持线圈、地磁、视频等多种检测方式，同时可与电子警察系统无缝对接，实现优化控制；中心控制软件采用Linux系统，软硬一体化设计，全中文化、图形化、菜单化操作界面，操作简单，系统控制功能强大，可实现自适应控制、干线绿波、区域协调控制、公交优先等多种控制模式，满足不同场景下的控制要求，提高道路通行效率。
1.1应用背景和现状分析
目前城区绝大部分路口都已设置了信号机，个别距离较近的小路口未设置信号机，交通秩序混乱，引发交通局部拥堵，一些流量较大的路口在高峰时段使用临时信号机，对维护交通秩序起到一些作用，但是部分车辆驾驶员不遵守临时信号机放行顺序，闯红灯现象严重，存在较大的安全隐患，另外临时信号灯无法与上下游路口进行协调控制，在高峰期间极易造成下游路口排队溢出，造成交通拥堵。
已建信号机大多是单点定时控制信号机，无法进行中心联网控制，各路口信号配时不能根据实时交通量进行调节，致使高峰时段路口排队较长，需民警现场指挥交通，占用大量警力资源。
已建信号机部分可进行中心联网控制，但只能做到简单控制，无法进行区域协调控制，道路通行能力利用不够，交通拥堵时有发生，交通信号控制路口之间不协调，车辆行驶不畅通，信号控制不灵活，停车次数和延误较大，通行效率低下。
2方案总体设计
2.1设计目标
1、城区外围相对孤立的交叉口，根据交通流变化实时调整信号配时方案，减少绿灯空放，提高路口运行效率。
自适应交通信号控制系统，根据交通流的动态变化，实时的自动调整信号配时参数方案，实时调整绿灯时间。
配时方案并可自动适应高峰、平峰、低峰不同的交通状态。
2、平峰期城区内主要干道实现“绿波”控制，高峰期采用自适应控制，提升区域交通运行效率。
实现“立足于交叉口的点优化控制、保障主干道的线协调控制、实现分区域的自适应控制”，即根据关键交叉口、主干道（包括瓶颈路段）、分区域的交通流特点，基于自动采集的实时数据，采取合理的控制策略，保障主干道的线协调控制、进而最大限度实现分区域的自适应控制，减少车辆在区域内的旅行时间、停车次数以及运行延误，提升区域交通的运行品质。
3、采用信号系统提供的本地遥控控制、中心手动控制、快速警卫任务等功能，提高工作效率，减少交警现场工作量，节省警力。
信号控制系统可提供中心手动控制、本地手动及遥控手动功能，交警可在中心进行远程或在路口进行远程指挥，不需要进行路面的现场指挥，减少交警的人身安全问题。
提供警卫预案控制，保证警务车队准时、安全到达目的地，同时尽量减少对社会车辆的影响。
提供专用的、合理的行人相位及相序设置，消除人车之间的交通冲突、行人过街的安全隐患，保障行人交通的人本安全。
2.2设计原则
针对智能交通建设的实际情况，充分考虑系统建设的发展需求，以实现提高道路通行效率、缓解城市交通压力、保证系统兼容性作为目标，以”先进、可靠、成熟、兼容、经济、实用”为总体设计原则。
1、先进性：
在系统总体方案设计时采用业界先进的方案和技术，确保一定时间内不落后。
选择实用性强产品，模块化结构设计，具备动态扩容能力的系统，既可满足当前的需要又可实现今后系统发展平滑扩展。
2、可靠性：
交通信号控制系统的运行必须具有高稳定性和高可靠性，保证整套系统能够7×24、全天候稳定运行，另外系统具有故障自动检测、报警的功能，发生故障系统自动降级控制，且系统中任意服务器发生故障均不影响信号机运行。
3、成熟性：
交通信号控制系统要基于成熟的、国际主流的技术，系统所采用的技术和设备经过实践检验是成功的。
4、兼容性：
交通信号控制系统采用的关键技术必须具有兼容性，具有良好的扩展能力。
系统完全符合NTCIP国际标准通讯协议，凡支持NTCIP协议的信号机都可无缝接入本系统，同时系统提供协议可实现与其他系统间的对接。
5、经济性：
在建设节约型社会的道路上，经济性也是我们要考虑的重要原则，确保花最少的钱来建设需要的系统。
整个系统的成本主要体现在建设成本和运维成本，建设成本主要体现在前端、传输、服务器等环节，运维成本主要体现在能耗、故障设备更换、用户培训等环节，其中前端设备中检测器可复用电子警察相机，系统服务器采用linux系统，维护成本亦大大降低。
6、实用性：
交通信号控制系统及其兼容的交通信号控制机具有良好的实用性，所使用的技术、设备、控制软件要符合交通的特点，满足交通信号控制需求，建设、使用、维护方便。
2.3设计依据
总体建设以国家、行业相关规范和标准为设计标准及依据，具体如下：
《城市道路设计规范》CJJ37-90
《城市规划基本属于标准》GB/T50280-98
《道路交通标志和标线》GB5768-1999
《安全色》GB2893-82
《道路交通信号灯》GB14887-2003
《道路交通信号控制机》GA47-2002
《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50168-92
《质量管理和质量保证标准第三部分：
在软件开发、供应和维护中的使用指南》GB/T19000394
《电子计算机机房施工及验收规范》SJ/T30003-93
公安部、建设部《城市道路交通管理评价指标体系》2003年版
《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》GB50168-92
《安全防范工程程序与要求》GA/T75-94
《电气安装工程施工及验收规范》GBJ232-90／92
《电工电子产品基本环境试验规程总则》GB2421
《电工电子产品基本环境试验规程名词术语》GB2422
《电工电子产品基本环境规程低温试验方法》GB2423.1
《电工电子产品基本环境试验规程高温试验方法》GB2421.2
《NTCIP》1202:
2005V02.19
《国家标准道路交通信号控制机》GB25280-2010
2.4方案总体架构
2.4.1组网拓扑
交通信号控制系统在现代智能交通领域，是极其重要的组成部分。
利用先进的交通信号控制系统，可以有效管理交通流量，增进城市道路畅通水平。
各种先进的道路交通管理方案，最终都要依靠交通信号控制系统来实现。
交通信号控制系统吸取国内外系统的先进控制经验，依托强大的研发实力，软硬件完全自主开发，各项性能都达到国内领先水平。
系统包括前端信号控制单元、交通信息采集单元、网络传输单元和中心管理控制单元，系统主要构成如下图：
组网图
2.4.2方案组成
2.4.2.1前端信号控制单元
道路交通信号控制机是按照循环交通信号规则控制交通信号灯显示状态指示车道实际状态。
信号机是由自主研发的产品，它结合中国的复杂交通情况和国内外新近道路交通控制器的经验研发而成，是一款具有国内领先水平的集中协调式的交通信号控制机。
适用于各种十字、丁字等交叉路口，控制机动灯红、黄、绿及行人红、绿灯的通、禁行工作时间自动执行控制设置。
可根据不同路口或同一路口不同时间段车流量的大小，自动调节相应的通、禁行时间。
对维护交通秩序，改善路口通行率，避免路口交通事故起到举足轻重的作用。
控制系统采用32位微处理器控制，软硬件设计采用模块化设计思想，实现交通信号的控制和通信功能。
可实现全天侯自动控制，或夜间自动关机、黄闪等工作方式。
本系统设计先进，具有多时段多方案运行、感应调节、自适应协调控制，自动和手动控制转换、遥控控制、断电保护等功能，使路口间协调控制，不会因断电而丢失时间信息和控制参数。
另外还采用了固态继电器驱动电路，改善了无触点磨损，延长其使用寿命。
本机具有外型美观，结构简单合理，操作简便灵活，实用性强，稳定性好，可靠性高功损耗小，使用寿命长等特点，是控制交通信号的高科技产品。
2.4.2.2交通信息采集单元
交通信息是交通信号控制的基础和依据，也是交通管理者进行交通管理和规划的数据支撑，科学、完备的交通数据采集系统是智能交通建设的重要组成部分。
交通信号控制系统能够按照用户设定的间隔上载信号机检测的交通信息。
信号机可连接视频、线圈等多种检测器。
信号机能够准确地自动采集交通数据，并根据各种交通控制需求，按相应的数据格式进行预处理。
所有检测器信息数据应支持系统传输要求，在系统传输正常的情况下，以设定的时间间隔上传数据，时间间隔依从系统需求。
2.4.2.3中心管理控制单元
交通信号控制系统中心服务是由中心服务器、数据库服务器、区域（优化）服务器组成的服务器群，通过控制平台可实现信号机添加管理、参数配置、实时监控、特勤任务、统计查询、报警管理等功能，利用检测器对交通流量、时间占有率进行检测，采用先进的优化模型对交通信号配时进行实时优化，实现各种协调控制功能。
建议主城区、警卫线路区域、绿波协调区域信号机全部采用同一品牌交通信号控制机，交通信号控制系统中心服务器是由中心服务器、数据库服务器、区域服务器、优化服务器和地图服务器组成的服务器群。
中心服务器：
负责管理和分配各个服务器的职责,提供离线GIS服务
区域服务器：
负责管理前端设备
优化服务器：
根据交通流实时优化路口配时方案
地图服务器：
负责地图展示
数据库服务器：
可采用内置嵌入式数据库或者外接oracle数据库
前端检测设备获得的流量信息通过网络上传保存在数据库服务器，区域（优化）服务器对数据进行处理得出最优配时方案再下发到各个信号机，由此实现交通信号配时的实时优化，提高道路通行效率。
3方案详细设计
3.1系统组成
交通信号控制系统是智能交通管理系统的核心，其主要功能是自动协调和控制整个控制区域内交通信号灯的配时方案，均衡路网内交通流运行，使停车次数、延误时间及环境污染减至最小，充分发挥道路系统的交通效益。
必要时，可通过控制中心人工干预，直接控制路口信号机执行指定相位，强制疏导交通。
交通信号控制系统采用三级分布式递阶基本控制结构：
中心控制级，区域控制级，路口控制级。
具体如下图所示：
1）中央控制级
负责管理和分配各个服务器的职责，包括系统管理功能，包括设备添加、参数配置、实时监控、特勤任务、统计查询、报警管理等。
还包括区域服务器、优化服务器等中心调度功能，分配区域服务器和优化服务器管理的设备，协调服务器之间的工作。
中央控制级由中央控制计算机及其配套软件组成，中央控制机采用企业级PC服务器。
中央控制机不直接进行自适应控制，主要功能是：
负责协调区域控制级的运行；
连接各种服务，提供系统参数、路口特征参数的上传下载及同步；
连接用户终端监视系统运行、修改参数、进行人工干预；
连接数据终端进行交通信息的统计处理；
监视系统各组成部分的运行情况，并维护相关日志；
进行信息的发布，可与上层指挥系统提供相关交通数据。
2）区域控制级
区域控制级是实时自适应控制的核心，监控受控区域的运行，具体功能如下：
对路口交通信号进行优化协调控制；
对路口交通信号机的工作状态和故障情况进行监视；
监视和控制区域级外部设备的运行，并维护相关日志。
区域控制级主要由区域控制计算机、通信设备和系统控制软件组成，区域控制计算机采用工业PC机，通讯设备由设在控制中心（或分中心）的内站通信装置（ITU）和装在路口信号控制机处的外站通信装置（OTU）组成，ITU与区域控制计算机通过以太网连接，ITU与各OTU之间采用有线光纤的以太网连接。
3）路口控制级
路口控制级由路口信号控制机及检测器组成，它是信号控制系统的执行终端和交通流数据采集终端，主要功能有：
控制路口交通信号灯；
接收处理来自车辆检测器的交通流信息，并定时向区域计算机发送；
接收处理来自区域计算机的命令，并向区域计算机反馈工作状态和故障信息；
具有单点信号优化功能。
4）终端控制
为了方便灵活地控制系统，系统挂接终端控制计算机。
用户可以通过终端控制计算机上基于GIS的软件界面方便地实施系统监视、人工干预、参数修改、信息查询。
3.2控制模式
3.2.1单点多时段控制
把一天按交通流大小分成若干时段，在高峰时段执行高峰配时方案，低、平峰时又分别执行低峰、平峰信号配时方案，这样有效地提高了交通信号的控制效率。
系统具有时间表控制功能：
设置时间包括年、月、周、日、时、分，日时段划分为40个，可设置16个周期方案，7×16个日期类型，可分别设置工作日、周末、节日或特别指定日的时间表，系统根据日期自动改变执行时间表。
3.2.2单点感应控制
利用交通检测设备对到达的交通流进行检测，优化交通信号配时，使信号配时适应实际到达的交通需求。
单点感应控制分为全感应和半感应两种。
1）全感应信号控制：
是在路口各进口道都设置交通检测器。
在采用全感应信号控制的交叉路口，以车队形式到达的车流最有可能遇到绿灯，不要让车队出现大的空隙，否则检测器会以为没有车辆到达，而不延长绿灯信号。
2）半感应信号控制：
用于主次干道相交的道路，检测器的设置有两种：
●检测器设在次要道路上：
通常情况下主路上总是绿灯，对次路预置最短绿灯时间。
当次路上检测器测到有车时，立即改变相位，次路为绿灯，后继无车时，相位即返回主路。
这种感应控制实质上是次路优先，只要次路检测到有车到达就会打断主路车流。
这种半感应控制一般在消防队、救护车、重要机关出入口等处采用。
●检测器设置在主路上：
主路优先，这种半感应控制通常主路绿灯总是亮的，当检测器在一段时间内测不到主路有车辆时，才换相位，让次路通车；主路上测得车辆到达时，通车相位返回主路。
这种控制方式可避免主路车流被次路车流打断。
3.2.3单点自适应控制
信号机单点运行时可采集实时流量、占有率等数据，数据经过处理后通过优化软件对信号周期时长和绿信时间进行优化，提高交叉口通行效率，达到单点的最优控制
3.2.4干线绿波控制
在城市交通中，交通干线承担了大量的交通负荷，通过协调控制的方式保证干线交通的畅通，对改善城市交通状况具有很大的作用。
在干线协调中，路口信号控制有一个明显的规律：
绿灯时车辆以车队形式通过路口，而当路口前的车辆放空后出现断流，路段上出现空闲时间，放行相交方向的交通流。
根据上述规律，我们将针对整个信号控制系统中涉及的道路和路口进行干线控制线路，优先保证这些干线方向运行畅通，提高交通信号控制的整体效应。
进行干线协调有以下几种控制方式：
1.干线静态绿波控制
绿波控制是干线协调的基本方法，绿波控制原理可以这样理解：
对处于一条主干线上的一串信号灯同步动作，各路口的信号绿灯依一定规律先后出现，使往来于主干线上以车队形式出现的车流能够不遇红灯、不停车的顺利通过，从行驶方向来看就像一条绿波从一个交叉路口随着车流传播到下一个交叉路口，从而形成一条绿波带。
由此可见，绿波控制的实质是相位差的调整。
在实际的干线绿波控制中，通过对几个信号机设定共用的周期长（系统周期长）和确定各信号时间上的相对关系（相位差）来实现绿波控制。
2.干线动态绿波控制
干线动态绿波控制是对干线静态绿波控制的发展。
它在应用绿波控制基本原理（干线子区内各路口信号机执行相同周期并协调协调相位差）的基础上，通过实时获取当前干线交通流状态，在每个信号控制周期后对整个子区共有周期做出调整。
子区内各个路口信号机在执行共有周期基础上根据自己路口交通流状态调整绿信比（可换算成各个相位绿灯时间）和相位差。
这样的控制方式可以根据交通状态对绿波带宽做出调整，达到在保证干线绿波、最大限度提高协调方向道路通行能力的基础上兼顾其他方向交通需求，有效减少绿灯浪费。
3.2.5区域协调控制
将重点区域及相关联路口划为同一个子系统，有多个子系统组成一个区域，子系统内各个路口均配备交通流量检测器。
系统能够根据各路口检测的交通流信息自动进行交通控制参数的优化并执行优化后的配时方案，实现区域协调控制，提高区域通行能力，解决城市交通中存在的结点区域
3.2.6远程手动控制
系统按等级设置用户权限，当发现紧急情况下需要人工干预时，拥有权限的用户将对需要控制的路口进行人工干预，待路口秩序恢复正常情况后切换为自动控制
3.2.7路口排队溢出控制
路口出口处排队溢出，造成路口拥堵，影响其它方向车辆行驶，在这种情况下，系统进行饱和控制模式，避免排队上溯，避免大范围拥堵；减少上游路口绿灯，极限时不放行绿灯；增加下游路口绿灯。
系统工作模式：
排队溢出检测器检测到有路口出口处有车辆排队，检测器检测信息反馈到信号控制机，信号机启动饱和控制模式，控制进入排队方向的信号灯亮红灯，直到检测器反馈的信息确认排队溢出现象解除，信号机回复正常控制模式。
排队溢出检测器安装示意如下图（一般情况下检测器个数与车道数相同）：
3.2.8路口溢出拥堵控制
下游路口遇堵导致车辆排队，且溢出至上游路口，其它方向车辆驶入路口中间无法驶出，导致路口中间拥堵，从而使交通瘫痪。
系统能通过视频检测路口中间拥堵状态，然后是上游路口全部亮红灯，待路口中间的车辆驶离出路口之后，再恢复正常周期运行。
3.2.9紧急车辆优先控制
系统能够按预定时间和预定路线进行绿灯信号推进，以满足各种重大活动、重大事件及特殊警务的通行需求
系统能响应特殊情况下的警务、消防、救护、抢险等特种车辆的紧急请求，使车辆迅速通过沿线路口
3.2.10公交优先控制
系统具有多种科学合理、灵活实用的公交优先控制算法并能执行相应的优先控制，以满足一般公交优先、双向高频度公交优先或多方向公交优先的需求。
通过在公交车辆安装特殊发射装置或在公交专用车道上设置车辆检测器采集公交车辆的交通需求，通过专门的公交优先算法，给公交车辆以适当的提前放行或绿灯时间延长
3.2.11故障降级控制
故障降级机制，系统运行安全可靠，中心软件可监视系统内所有设备的运行状况，在设备发生故障时产生报警，系统在出现严重冲突如绿冲突、某信号组所有红灯均熄灭或信号灯组红灯、绿灯同时点亮时，信号机应能立即自动切断信号输出通道，转入黄闪或关灯状态。
信号机设有独立黄闪器，即使在信号机主控制器故障的情况下仍然能进行黄闪控制，系统依次降为：
系统控制→单点控制→黄闪。
3.3流量检测方式
交通流量是交通控制的基础，根据不同场景选择合适的流量检测设备，既要保证信号系统的能够获取需要的数据，又需要考虑建设成本最低，基于以上考虑，以下几种场景推荐流量检测方式：
1、完全新建路口。
新建路口前期没有信号灯控制，驾驶员经过此类路口时可能不遵守交通法规，出现闯红灯等违法行为相对较多，此类路口建议采用电子警察做流量检测，规范驾驶员的驾驶行为，同时为交通信号机提供流量；
2、改造路口（已建设电子警察）。
前期电子警察品牌如果是，可通过产品升级实现流量检测，升级时注意电子警察程序版本信息、程序有无定制化功能。
3、改造路口（已建设其它厂家电子警察）。
前期电子警察品牌是其它厂家，其提供对接协议的情况下使用实时流量转接器，交通流量经过转换后直接给信号控制机。
4、改造路口（已建设其它厂家电子警察）。
前期电子警察品牌是其它厂家，但是其不支持流量检测，此时推荐使用视频流量检测器。
3.3.1电子警察相机
利用自身在视频监控和智能交通行业的优势，业内首家推出电子警察相机结合信号控制系统的综合解决方案，最大限度的利用已建设备，减少建设投入，使建设方案更具经济性。
采用基于运动检测的车辆检测方法，其核心原理是通过学习建立道路背景模型，将当前帧图像与背景模型进行背景差分得到运动前景像素点，然后对这些运动前景像素进行处理得到车辆信息，车辆的抓拍触发综合运用了车牌检测算法和车辆检测算法，系统首先采用车牌检测算法，在车辆到达触发线的时刻，若系统检测到图像中存在车牌，则触发抓拍，并进行车牌识别；对于无后车牌或后车牌遮挡的车辆，系统无法检测到车牌，此时将启用车辆检测算法，若运动对象与系统内建的车辆模型相匹配，则触发抓拍，并记录为无牌车辆。
电子警察相机通过车牌识别将获取到的交通流量信息直接传送给前端信号控制机，信号控制机经处理后转发给中心控制平台，以报表形式展示给交通管理者，作为交通指挥调度的数据依据。
3.3.2环形线圈检测器
环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。
车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。
此种方法技术成熟，易于掌握，并有成本较低的优点。
这种方法也有以下缺点：
1、线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍。
2、埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重。
3、感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响。
作为目前检测精度最高、建设成本低、技术最成熟、不受天气等因素影响的流量检测方式，地感线圈检测依然适用于小型车辆占多数、道路改造较少的城市道路，但是建设过程中需要占道施工、维护比较麻烦的缺点阻碍了线圈检测技术的大范围的推广。
3.3.3视频流量检测器
视频检测器是将摄像机图像采集和视频检测技术模块采用集成一体化设计集成于一体化防护罩内，使得视频采集与检测功能均在一体化系统内完成。
可在视频监控区域对每条车道设置一个检测区域（虚拟线圈），监控交通状况动态信息如车流量、拥堵状况、速度、车道空间占有率、车辆排队长度等参数，检测到的流量直接给前端信号机，信号机进行优化控制的同时将流量传回中心控制平台，以报表形式展示给交通管理者，作为交通指挥调度的数据依据。
3.4系统技术指标
性能系统
说明
中心管理平台（T720）
产品形态
软硬件一体化设计，系统采用Linux系统
接入性能
单台服务器最大支持128路信号机接入管理
电子地图
地图放大或缩小，支持按图层显示
报警状态
支持灯组故障、锁相位、高饱和度、检测器故障灯报警
远程控制
通过中心平台可对现场红绿灯进行锁定、解锁、切换、编辑相位等操作
特勤任务
根据要求新建特勤任务、添加设备，并对需锁定的方向进行设置，保存后可通过锁定、解锁执行警卫任务。
绿波控制
重点路段进行绿波控制，绿波区域内信号机自动生成配置方案，配合流量检测器还可实现动态绿波控制
饱和路口控制
路口出口处设置检测器，检测到路口某个方向排队溢出时，信号机切换到饱和控制模式，此方向信号灯切换为红灯控制。
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