电力输电线路巡检巡修综合管理平台项目解决方案.docx

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电力输电线路巡检巡修综合管理平台项目解决方案

 

电力输电线巡检巡修综合管理平台

总体设计方案

 

 

XXXX

XXXX年XX月

1前言

在电力行业,输电线路是电力系统的重要组成部分,由于其长期暴露在自然环境中,不仅要承受正常机械载荷和电力负荷的部压力,还要经受污秽、雷击、强风、洪水、滑坡、沉陷、地震和鸟害等外界因素的侵害。

上述因素会促使线路上各元件老化、疲劳,如不及时发现和消除隐患则可能发展成各种故障甚至事故,对电力系统的安全和稳定构成威胁。

电网线路巡检巡修工作是有效保证输电线路及其设备安全的一项基础工作。

通过巡视检查来掌握线路运行状况及周围环境的变化,发现设备缺陷和危及线路安全的隐患,提出具体检修意见,以便及时消除缺陷、预防事故发生,或将故障限制在最小围,从而保证输配电线路安全和电力系统稳定,达到电力系统“安全、经济、多供、少损”的运行目标。

电力线路覆盖围广,经常穿行于崇山峻岭和广阔的森林之中,有些线路需要跨越无人区、交通死区和通讯盲区,线路、塔架的运行维护和突发故障查找异常困难,传统的人工巡线方式已不能适应超高压、特高压电网的运行维护要求,急需通过现代化的科技手段来逐步代替人力对电网的巡检工作。

随着我国技术水平的进步,可用巡线的潜在科技手段也在不断增多。

经过调查,拟选用卫星遥感技术用于大面积电网状态普查,选取无人机遥感用于重点区域电网状态详查,然后对存在问题的区域进行人工巡检。

本系统集成了卫星遥感、无人机监测、气象接受、计算机、无线通讯、卫星定位、地理信息系统、移动互联网、位置服务、移动智能终端等最新技术,以此实现一种快捷、高效的管理方法,用它来指挥和调度电网线路巡检、巡修人员,并建成一种能对人员和线路、设备、塔架等相关事物都能进行管理的系统,实现了输电线路的运行、检修管理的标准化、规化、科学化。

2术语和缩略语

缩写

英文

中文

RS

remotesensing

遥感

UAV

UnmannedAerialVehicle

无人机

GPS

GlobalPositionSystem

全球定位系统

GIS

GeographicInformationSystem

地理信息系统

PDA

PersonalDigitalAssistant

掌上电脑

VR

VirtualReality

虚拟现实

MIS

ManagementInformationSystem

管理信息系统

SAN

NetworkAttachedStroage

网络依附存储

VPN

VirtualPrivateNetwork

虚拟个人网络

3任务需求

通过高分辨率卫星遥感监测获取电力输电线路的影像图,从中提取输电设施及周边地物信息,如积雪厚度、树木灾害破坏情况等,通过图形综合分析设备状态,从而判定是否进一步详查。

对于重点或特殊区域采用固定翼无人机进行监测,无人机按照控制中心发出的信号按照规划路线进行巡检,要求能够对导地线、金具、绝缘子、走廊以及杆塔等设施进行检查、录像和其他信息采集。

通过人工巡检PDA手持设备,对指定输电线路进行人工巡检,手持设备要求能够接收调度中心下达的任务,按照设备电子地图上指定路线并结合GPS导航快速到达检修点,采集设备状态信息反馈到指挥监控中心,根据指挥中心指示开展工作,最终上报任务状态。

设备还可以采集杆塔地理坐标等数据并同步到中心服务器,为合理安排工作任务及保障巡修人员安全,手持设备要定时上传位置信息到监控中心。

建设卫星云图接收系统,分析天气变化趋势,为输电设备缺陷预警提供条件。

通过大屏幕与三维场景的结合展现输电线路设施布局情况、当前巡检情况以及重点盯防区域情况等,监控系统能够接收巡检人员上传的信息,并实时更新到监控系统中。

通过三维量测、地形分析、重冰区分析、污秽区分析、故障定位、模拟巡检、停电围分析以及报表输出等操作,辅助调度决策。

调度人员根据情况创建任务,指定已有巡检路线或新绘制路线,下达给巡检人员,并根据巡检人员的反馈报告下达指令。

调度人员可以对任务进行查询、编辑与统计等操作。

调度人员可以根据巡检人员所上传的巡检路线信息,提取出相应工作时间记录,统计其考勤情况。

建立输电线路设备的台账系统,包含输电线路的属性信息、空间信息以及多媒体信息,管理员可以对其进行查询、修改、更新等操作。

为保障系统的可维护性与可扩展性,系统维护系统要能够增删、编辑用户信息及其权限;能够快速应对业务变更;能够记录与统计系统操作日志,及时发现系统问题原因。

能够对系统数据进行定时备份,保障系统安全性。

4系统技术方案

4.1总体设计

4.1.1设计原则

1.1.1.1实用性与先进性原则

电力输电线路综合管理平台设计和建设的目的是应用。

要确保实用性,充分满足输电中心对输电设备管理、更新、巡检、调度、统计分析等方面需求。

总体框架设计要涵盖输电中心所有业务,流程设计要符合实际操作流程,原则性与灵活性并存。

巡检方式设计要充分考虑效果以及成本,确保其可行性与高效性。

在确保实用性的同时,要尽可能采用先进的技术、方法和流程,确保平台技术体系的先进性,顺应技术的发展而可持续发展,实现业务应用的敏捷和高效。

例如本项目中采用的卫星遥感监测、无人机遥感监测与人工智能巡检相结合,则是先进技术综合应用的典型案例。

1.1.1.2标准性与规性原则

要保证平台数据具有精确、完备、现势、标准等方面的优势,在平台的建设过程中,应制定一系列标准与规来约束、指导数据维护者按照统一的规来建立基础数据库与电力专题数据库,从而提高平台服务质量。

1.1.1.3易用性与稳定性原则

平台中涉及监控大厅以及移动终端设备,这一大一小的应用设备对于系统的可操作性要求较高,所以软件设计要充分考虑易用性。

由于移动终端往往要到环境复杂的区域进行巡检工作,这就要求系统不能存在明显或致命的故障问题,对稳定性要求较高。

1.1.1.4可扩充性原则

平台在设计上充分考虑系统数据和系统功能的扩展,必须能方便地实现基础数据以及巡检任务等方面的管理。

系统设计时充分考虑业务流程变化以及业务扩充等方面的需求,力求零代码在线维护以应对需求变更。

4.1.2设计思路

4.1.2.1卫星遥感、无人机监测和人工巡检相结合

卫星遥感监测可以对普通区域的输电线设备进行监测,成本较低但对特殊区域存在监测不足问题,无人机监测虽然成本较高一些,但是可以对重点区域或特殊区域进行巡检来弥补卫星遥感监测的不足,这两者的结合可以基本确定输电设备是否存在问题。

对可疑设备采用人工巡检,既提高工作效率又减少成本。

4.1.2.2RS、GIS、GPS、VR与MIS一体化

RS、GIS与VR技术的应用可以将电力输电设备在地图上直观展示,GPS辅助巡检人员快速精确的到达指定设备位置,从而保证故障响应时间。

MIS技术可以可以使业务流程化、信息化。

4.1.2.3系统维护工具化

自维护——提供的维护工具,可以使系统管理员在不用编码、不用了解系统的详细结构情况下,完成系统的日常维护工具,无须依赖开发单位;

自扩展——可以使系统管理员随时添加需要的地图和属性信息,配置修改各项功能,提供了数据和系统的扩展能力。

4.1.2.4界面友好,方便实用

在界面设计上,充分考虑了业务办公人员、系统使用人员的操作习惯,使业务使用人员只需要进行简单的系统熟悉即可进行日常的业务办公。

从而节省大量的系统培训时间,提高工作效率。

4.1.3关键技术

4.1.3.1高分辨率SAR卫星输电设施监测技术

雷达卫星是载有合成孔径雷达(SAR)的对地观测遥感卫星的统称,现在已在一些发射的卫星上携有SAR,如SeasatSAR,AlmazSAR,JERS-1SAR,ERS-1/2SAR,1995年11月发射的加拿大雷达卫星(Radarsat)则是一个兼顾商用及科学试验用途的雷达系统。

SAR技术发展到今天,已成为最受欢迎的侦查仪器之一。

输电铁塔为角钢和构件组成的网状体塔身和横担的材料都是金属,这种特征使得杆塔在SAR图像中有很强的后向散射特性。

高分辨率SAR图像中铁塔的目标特性反映为一系列亮点、具有一定宽度的亮线组合而成的几何结构,因此在成像数据中通过提取与分析两点与亮线即可。

4.1.3.2固定翼无人机监测技术

随着电网的日益扩大,巡线的工作量也日益加大,固定翼无人机作为无人机的一种,可以被应用在输电线路巡检中,以提高巡线的效率。

基于固定翼无人机平台在输电线路巡检系统中的应用进行探讨,包括对于固定翼无人机巡线系统设计思路、固定翼无人机巡线系统组成、各分系统功能以及关键技术问题等的研究。

主要的巡检方式包括可见光巡检、红外光巡检、紫外巡检和三维激光扫描巡检。

巡检对象包括线路走廊、导线、塔身、金具等。

巡检容包括线路走廊异常、设备热缺陷、电晕放电等。

无人飞机输电线路巡线的关键技术为:

飞行控制技术、机体稳定飞行技术、线路杆塔自动跟踪识别技术和摄像快速对焦成象技术。

无人飞机可以穿越高山、河流对输电线路进行快速巡线,对架空的铁塔、支架、导线、绝缘子、防震锤、耐线夹、悬垂线夹等进行探测摄像和故障识别。

无人飞机输电线路巡线是一种快速、高效、前途广阔的巡线方式。

4.1.3.3PDA技术

PDA,又称为掌上电脑。

掌上电脑最大的特点就是他们有其自身的操作系统,一般都是固化在ROM中的。

其采用的存储设备多是比较昂贵的IC闪存。

掌上电脑一般没有键盘,采用手写和软键盘输入方式,同时配备有标准的串口、红外线接入方式并置有MODEM,以便于个人电脑连接和上网。

掌上电脑和前面的产品最大的区别,就是它的应用程序的扩展能力。

基于各自的操作系统,任何人可以利用编程语言开发相应的应用程序。

也可以在掌上电脑上任意安装和卸载应用程序。

由于其功能非常的完备,基于此设备进行开发人工智能巡检系统。

4.1.3.4GPS技术

GPS又称为全球定位系统(GlobalPositioningSystem)是美国从上世纪70年代开始研制,历时20年研制而成的技术。

GPS系统包括三大部分:

空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS信号接收机。

GPS系统具有以下主要特点:

高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。

本项目中将利用GPS技术进行终端导航。

4.1.3.5三维虚拟现实技术

虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术,它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境,能使用户具有身临其境的沉浸感,具有与环境完善的交互作用能力,并有助于启发构思。

所以说,沉浸-交互-构想是VR环境系统的三个基本特性。

虚拟技术的核心是建模与仿真。

本项目中将遥感影像与DEM叠加构建三维模型,从而对所辖输电线路覆盖区域进行模拟仿真,使其管理更直观。

1.1.2总体结构

平台部在逻辑上由应用层、服务层、数据称、支撑层、标准规和保障体系。

平台的组成结构如下图:

图49总体框架图

1.1.2.1支撑层

是指平台运行所需的硬件、网络和软件系统条件,硬件主要由服务器、数据存贮设备、数据备份设备和输出设备及其它网络设备和外设;软件包括操作系统、数据库系统、中间件(ESB)和GIS软件平台等;

1.1.2.2数据层

主要是指平台管理的数据按照一定分类构成的数据集或数据库集合,包括巡检业务数据库、基础地理信息数据库和输电线路专题数据库。

1.基础地理信息数据库

包括遥感影像数据、DEM数据、道路、行政区划等。

2.输电线路专题数据库

包括:

杆塔、输电线等电力输电线设施、三维输电设施、专题图数据库、多媒体数据库等。

3.巡检业务数据库

包括:

巡检业务库、巡修业务库。

1.1.2.3服务层

通过GIS服务为应用层提供空间信息服务,将电力设施空间化管理;通过GPS位置服务实现导航与位置监控;通过3G无线网络实现PDA终端设备与中心服务器端的信息传输。

1.1.2.4应用层

通过卫星遥感监测、无人机监测与人工智能巡检相结合最大化实现监测科学化、智能化与集约化。

通过对形势的准确分析,对巡检的实时监控,辅助指挥工作,有效的保障电力输电线路的正常运行。

4.1.4功能组成

系统将建设覆盖整个电力输电线管理流程的综合应用平台,平台建设包括三个应用中心:

巡检巡修中心、监控指挥中心和运维管理中心。

如下图所示:

4.1.5网络结构设计

4.1.5.1网络结构设计

核心层配置2台核心路由交换机互为备份形成集群交换机,部可以双路连接数据库服务器、应用服务器等中心服务器。

同时提供1台核心交换机与公众服务器(数据库服务器、应用服务器)连接,并通过安全网闸与核心数据库服务器进行数据交换。

骨干层配置三层交换机,构建自身的局域网平台,连接综合管理平台协同工作网络。

连接专网接口处配置两台防火墙(互为备份)和两台路由器(互为备份);连接互联网接口处配置一台防火墙和一台路由器,隔离外来入侵。

为GPS应用准备了定位服务器和通信服务器。

地理信息服务平台系统网络部连接除到桌面的采用六类线连接以外,其余设备之间均采用千兆以上光纤连接,所有设备均需考虑配置光模块。

网络逻辑结构示意如下:

图52集中式网络结构示意图

4.1.5.2服务器与存储

采用多台高性能的刀片式服务器作为GIS数据库服务、RS数据服务器、MIS数据库服务器、应用服务器和备份服务器。

采用1台磁盘阵列互为镜像做为大容量存储系统,并采用双控制器,搭建后台的SAN网络环境,满足数据的高速传输及备份性能的需求,提供存储设备、磁带库和服务器的双链路接入,提高可用性,提供充足的端口和解决存储管理中任何单点故障,实现LAN-free备份和服务器与存储资源的整合。

数据库服务器:

采用刀片式服务器,在条件允许的情况下建议采用小型机双机系统,采用集群与负载均衡策略配置。

应用服务器:

采用刀片式服务器集群方案,一是考虑可靠性,二是考虑可扩展。

配置说明:

每台服务器配置2块HBA卡连接SAN交换机,同时配置千兆网卡接入核心交换机;数据库服务器和应用服务器均作集群及负载均衡,将来视情况不断进行扩展;1台服务器作为备份服务器。

通信服务器负责实现与手机、GPS终端等的通信联系,定位数据服务器负责接收和处理GPS定位信息。

通信服务器、定位数据服务器均由专线接入。

4.1.5.3网络设备配置

a.中心交换机

核心层是输电设施巡检巡修综合管理平台网络系统的主干。

其上承载了众多服务、应用系统,有大量的服务器,各个应用系统之间可以划分不同的VLAN进行逻辑隔离。

网络中心作为公共服务平台应用服务系统和数据传输枢纽,需要高性能、高可用性和安全性。

在中心部署两台48口千兆核心交换机,采用全分布式的线速转发方式,并支持扩展到万兆级别。

配置实现双设备、双核心;双电源冗余互备,支持热插拔。

b.二级交换机

在骨干层部署二级交换机,通过光纤连接机房的集群交换机。

二级交换机应具有有三层交换功能,并在输电中心的各个业务职能节点之间可以划分不同的VLAN进行逻辑隔离。

c.路由器

路由器是建立局域网与广域网连接的桥梁。

采用两台企业级路由器互为备份。

所谓的路由器自身的备份技术是为了解决路由器由于自身硬件(如存、CPU)或软件IOS的某种故障或局域端口的故障,所连接局域设备的端口或线路的故障所导致的网络瘫痪的问题。

路由器的备份要求至少有一台与正在工作的主路由器功能相同的路由器,在主路由器瘫痪的情况下,以某种方式代替主路由器,为局域网用户提供路由服务。

d.入侵检测与漏洞扫描设备

入侵检测是防火墙的合理补充,帮助系统对付网络攻击,特别是来自于防火墙部的恶意攻击,它从计算机网络系统中的若干关键点收集信息,并分析这些信息,看网络中是否有违反安全策略的行为和遭到袭击的迹象。

入侵检测被认为是防火墙之后的第二道安全闸门,在不影响网络性能的情况下能对网络进行监测,从而提供对部攻击、外部攻击和误操作的实时保护。

网络漏洞扫描器通过远程检测目标主机TCP/IP不同端口的服务,记录目标给予的应答,来搜集目标主机上的各种信息,然后与系统的漏洞库进行匹配,如果满足匹配条件,则认为安全漏洞存在;或者通过模拟黑客的攻机手法对目标主机进行攻击,如果模拟攻击成功,则认为安全漏洞存在。

主机漏洞扫描器则通过在主机本地的代理程序对系统配置、注册表、系统日志、文件系统或数据库活动进行监视扫描,搜集它们的信息,然后与系统的漏洞库进行比较,如果满足匹配条件,则认为安全漏洞存在

4.1.6安全性设计

4.1.6.1设备安全设计

根据需求,设备的安全性设计主要体现在以下几个方面:

a.应用系统安全

系统设计时首先要提供身份认证和访问控制,防止部人员(也就是合法用户)滥用权力。

并且要有安全审计和数据灾难备份手段。

用户对系统进行重要的和不可修复的操作时系统需要完整记录用户的操作日志,并提供一定的容错能力,保证在系统故障时可以恢复数据。

b.计算机主机系统安全

在整个系统网络中,各主机都通过网络互相连接,因此要保证操作系统安全。

每台主机需要安装必要的杀毒软件,并去除不必要的配置,保证操作系统的安全运行。

c.网络安全

在整个系统的局域网络中,既需要保证正常数据的网络带宽,也要保证不发生网络灾难。

系统网络需要部署防火墙和入侵检测系统。

d.环境安全

系统、机房、设备地线布设到位,注意屏蔽体接地,电缆屏蔽层接地、电缆印制板接地等。

为使机柜、监控台的机壳、插箱、屏蔽盒等达到好的屏蔽效果,在结构设计中,使机壳很好地电联接是十分重要的。

系统结构合理布局,易互相干扰的设备拉开一定的距离,对某些易受干扰的信号走线采取单独布线。

路由器、交换机、服务器、工作站等设备及工作环境安排人员定期打扫。

4.1.6.2信息安全设计

4.1.6.2.1系统安全体系结构

由于本系统涉及军事应用的敏感性,存在非法访问和蓄意破坏的可能性。

因此为了保护我方信息,保证信息的机密性、完整性、可用性,防止信息的泄密、扩散、破坏和非授权访问,应需要建立相应的信息安全系统。

系统安全层次结构见下图所示。

图11.31系统安全层次结构图

随着信息技术的发展,非法入侵者入侵技术将不断提高,手段也将日益翻新,这是建立安全系统面临的最大问题。

系统安全机制的建立是一个持续不断的过程,存在于系统的整个生命周期。

在系统的设计研制过程中,不仅要统一考虑,周密设计,建立严密的安全机制,同时,也要建立安全机制的持续完善制度,保证系统安全运行。

整个网络的安全措施应按系统体系建立。

实现通信网安全互联,可在网络的各个层次上采用相应的安全机制。

4.1.6.2.2安全保密设计原则

信息安全与保密是信息系统运行的重要保障,本方案考虑的原则如下:

a.从整体出发进行安全性设计,提供完备的安全使用环境。

b.系统应具备完备的信息加密方案,提供一整套的综合信息加密解决机制,使系统在信息的传递、存储和处理过程中具有多级安全保密功能。

c.系统设计上应有完善的身份验证机制,防止非法用户的侵入与访问。

d.在系统中建立良好的用户等级审核制度,确保不同级别的用户拥有不同的访问权限。

e.系统应具有防“黑客”和病毒攻击的能力,通过必要的防治措施和检测手段,确保系统能够防假冒、防篡改、防窃取、防攻击。

f.系统具有自我保护能力,不因软件故障或误操作而导致系统瘫痪。

g.通过采用合适的安全保密机制与安全管理政策措施,实现本系统安全的五个基本要素,完成以下任务:

h.通过使用身份鉴别机制,阻止非授权用户进入系统,即"进不来",从而保证系统的可用性。

i.使用访问控制与授权机制,实现对用户的权限控制,即不该拿走的"拿不走",同时结合容审计机制,实现对网络资源及信息的可控性。

j.使用加密机制,确保信息不暴露给未授权的实体或进程,即“看不懂”,从而实现信息的保密性。

k.使用数据完整性鉴别机制,保证只有得到允许的人员才能修改数据,而其它人“改不了”,从而确保信息的完整性。

l.使用入侵检测等安全机制,使得攻击者“走不脱”,并进一步对系统出现的安全问题提供调查依据和手段,实现信息安全的可审查性。

m.通信网络具有部通信网络自身带来的安全性,同时采用VPN技术、包过滤防火墙、双穴主机防火墙以及路由控制机制,确保在客户机和服务器之间建立安全认证通道。

系统安全采用身份认证机制、访问权限控制对用户要求及数据请求进行认证,在软硬件选型中,操作系统具有C2级安全级别,并安装防病毒软件。

数据安全为客户机和服务器之间提供数据加密和完整性业务。

4.1.6.2.3系统的安全保密要素与措施

具体考虑本系统的安全保密要素与措施如下:

a.网络安全采用PVC建立VPN,保证所有用户的网络系统是可信的;

b.采用具有C2级安全的操作系统保证操作系统的安全;

c.采用ORACLE数据库安全策略保证数据库访问的安全性,对数据进行访问控制;

d.用户管理与授权,在系统中建立良好的用户等级审核制度,确保不同级别的用户拥有不同的访问权限;

e.通过口令与身份识别,保证本系统的用户是可管理的;

f.对机密数据进行加密传输;

g.安全审计;

h.包过滤防火墙、代理防火墙;

i.防黑客攻击;

j.安全告警;

k.防病毒。

4.2分系统设计

以下对电力输电线路综合管理平台的各子系统进行详细设计,主要分为三个部分,分别为巡检巡修中心、监控指挥中心和运维管理中心。

4.2.1巡检巡修中心建设

天线控制和信道分系统由天线控制子系统和接收信道子系统两部分设备组成。

4.2.1.1卫星遥感影像专题提取与分析系统

4.2.1.1.1概述

卫星遥感影像专题提取与分析系统主要是将购买的遥感影像产品进行加工处理,提取出电力设施专题图层与周边影像地物,从而分析卫星电力设施存在问题。

4.2.1.1.2主要功能

a.多源遥感卫星影像数据格式支持;

b.提供基本影像处理功能,如坐标准换、配准等操作;

c.提取电力设施专题图;

d.提取电力设施周边地物,如:

道路、建筑、冰雪、森林等。

e.将提取出的专题数据处理入库,以供后期查询分析;

f.提取出电力设施图制作专题图,打印输出。

4.2.1.1.3系统组成

a.遥感影像录入子系统:

各种高、低分辨率影像数据录入。

b.影像处理子系统:

提供坐标系转换以及影像配准校正功能。

c.电力设施提取:

通过提取与定义电力设施符号,基于此符号提取影像图中的电力设施,提取精度达到80%以上,并结合人工识别,可以快速将电力设施矢量化。

d.周边设施提取:

与电力设施提取一样,通过提取周边地物符号,基于已有符号提取各种设施,提取精度达到80%以上,并结合人工识别,可以快速将电力设施矢量化。

e.将处理完成的矢量专题数据存到空间数据库中,方便查询管理。

f.专题图制作能够选择输出区域,添加比例尺、指北针、图框以及已有的专题模板。

4.2.1.2无人机遥感监测系统

4.2.1.2.1概述

无人机巡线系统通过在无人机上装备陀螺稳定的可见光检测仪与红外热成像仪等传感器,对输电线路进行检查、录像和其他信息采集。

系统具有不受地理环境,适应天气条件能力强等特点,能够查找如下故障缺陷:

a.导地线:

断股损伤,接续管位移过热,异常过热及电晕,跳线连接点松动过热,导地线上异物,危险对地距离及其边界条件下的预测。

b.金具及绝缘子:

金具变形丢失(间隔棒松动掉爪、防振锤移位丢失),绝缘子破碎,明显局部电暈或过热。

c.走廊:

新增建筑物及交叉跨越,线下异常堆放物,植被地貌明显变化。

d.杆塔:

铁塔倾斜扭曲,塔材明显丢失。

e.基础

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