
(71)申请人中铁工程装备集团有限公司地址450016河南省郑州市经济技术开发区第六大街99号
(72)发明人牛孔肖荆留杰****宇徐受天王永胜李艺嘉贾正文徐剑安陈强骆光炬谭娜
本发明公开了一种凿岩钻孔方法及装置,涉及隧道施工技术领域,其中该方法包括,在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,在三维孪生模型中对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控制指令,所述远程控制指令用于真实凿岩台车的钻臂对孔打钻,将远程控制指令发送给真实凿岩台车。本发明可以降低凿岩钻孔的人工成本,提升隧道开挖质量。
在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,
根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,
在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控制指令,所述远程控制指令用于真实凿岩台车的钻臂对孔打钻,
将远程控制指令发送给线所述的方法,其特征在于,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境按如下方式保持一致,
实时接收最新的真实凿岩台车位姿状态,同步更新三维孪生模型的位姿状态,所述最新的真实凿岩台车位姿状态从安装在真实凿岩台车上的惯性导航装置得到。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,包括,
根据在显示设备上实时动态显示的虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,包括,
在虚拟环境中,对每一预先导入的布孔图,累积历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,
根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,从累积的历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,查询得到对应真实凿岩台车位姿状态的误差最小的钻臂对孔数据,作为推荐钻臂对孔数据。
5.如权利要求1至4任一所述的方法,其特征在于,所述钻臂对孔数据包括钻臂角度,和/或,钻臂伸长量。
三维孪生模型构建模块,用于在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
真实凿岩台车控制模块,用于根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,
钻臂对孔数据推荐模块,用于根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,
仿真试验模块,用于在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控
指令发送模块,用于将远程控制指令发送给线所述的装置,其特征在于,三维孪生模型构建模块具体用于,按如下方式使虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
实时接收最新的真实凿岩台车位姿状态,同步更新三维孪生模型的位姿状态,所述最新的真实凿岩台车位姿状态从安装在真实凿岩台车上的惯性导航装置得到。
根据在显示设备上实时动态显示的虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方。
在虚拟环境中,对每一预先导入的布孔图,累积历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,
根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,从累积的历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,查询得到对应真实凿岩台车位姿状态的误差最小的钻臂对孔数据,作为推荐钻臂对孔数据。
10.如权利要求6至9任一所述的装置,其特征在于,所述钻臂对孔数据包括钻臂角度,和/或,钻臂伸长量。
11.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5任一所述方法。
12.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一所述方法。
13.一种计算机程序产品,其特征在于,所述计算机程序产品包括计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一所述方法。
[0001]本发明涉及隧道施工技术领域,尤其涉及一种凿岩钻孔方法及装置。
[0002]本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
[0003]凿岩钻孔是钻爆法隧道施工中的关键工序,一方面钻孔过程对人工操作水平和施工经验要求较高,难以保证隧道最终成型质量,断面一致性较差,另一方面凿岩施工过程中,经常面临噪音、落石、滴水等恶劣环境,会对操作手身心健康造成一定的影响。
[0004] 近年来随着科技的发展和学科间的交融,出现了全电脑凿岩台车,多采用预先导入的布孔图,确定当前待钻孔,电脑辅助控制钻臂到达当前待钻孔位,这样虽然在一定程度上降低了对操作手的经验要求,但因增加了一系列前期准备工作和许多信息化手段,反而要求操作手具有更高的科学文化基础,而且参与现场施工的操作手数量并没有减少,仍然需要经验丰富的操作手在隧道施工现场操控,他们仍要面临掌子面附近的恶劣工况环境,人工成本依旧很高。
[0005] 本发明实施例提供一种凿岩钻孔方法,用以降低凿岩钻孔的人工成本,改善凿岩钻孔工作环境,提高凿岩台车操作舒适性和隧道开挖质量,该方法包括,
[0006] 在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
[0007] 根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,
[0008] 根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,
[0009] 在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控制指令,所述远程控制指令用于真实凿岩台车的钻臂对孔打钻,
[0010] 将远程控制指令发送给线 ] 本发明实施例还提供一种凿岩钻孔装置,用以降低凿岩钻孔的人工成本,改善凿岩钻孔工作环境,提高凿岩台车操作舒适性和隧道开挖质量,该装置包括,
[0012] 三维孪生模型构建模块,用于在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
[0013] 真实凿岩台车控制模块,用于根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,
[0014] 钻臂对孔数据推荐模块,用于根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,
[0015] 仿真试验模块,用于在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控制指令,所述远程控制指令用于真实凿岩台车的钻臂对孔打钻,
[0016] 指令发送模块,用于将远程控制指令发送给线] 本发明实施例还提供一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述凿岩钻孔方法。
[0018] 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述凿岩钻孔方法。
[0019] 本发明实施例还提供一种计算机程序产品,所述计算机程序产品包括计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现上述凿岩钻孔方法。
[0020] 本发明实施例中,在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控制指令,所述远程控制指令用于真实凿岩台车的钻臂对孔打钻,将远程控制指令发送给真实凿岩台车。一方面通过远程控制凿岩钻孔,工作环境好,明显提高了凿岩台车的操作舒适性,另一方面通过在虚拟环境中实现真实施工环境到仿真数据的映射,为凿岩钻孔的施工提供真实、可靠的仿真系统,增加凿岩钻孔施工的全方位、可视化的仿真效果,使凿岩钻孔更加智能化,提高了凿岩钻孔的施工效率,并由于在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,使得最后的凿岩钻孔效果更加符合预期,断面一致性较好,提升了隧道开挖质量,同时降低了对操作手丰富经验的依赖,降低了凿岩钻孔的人工成本。
[0021 ] 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,还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中,
[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
[0029] 数字孪生,充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念,可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
[0030] 申请人发现,目前凿岩钻孔技术增加了许多信息化手段,但是仍然对操作手的经验、文化基础有较高的要求,他们仍要面临掌子面附近的恶劣工况环境,人工成本还是较高,并且隧道开挖质量还有待提高。基于此,申请人提出了一种凿岩钻孔方法。
[0031 ] 图1为本发明实施例中凿岩钻孔方法的流程示意图,如图1所示,该方法包括,
[0032] 步骤101、在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
[0033] 步骤102、根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,
[0034] 步骤103、根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,
[0035] 步骤104、在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控制指令,所述远程控制指令用于真实凿岩台车的钻臂对孔打钻,
[0036] 步骤105、将远程控制指令发送给线所示流程可以看出,本发明实施例一方面通过远程控制凿岩钻孔,工作环境好,明显提高了凿岩台车的操作舒适性,另一方面通过在虚拟环境中实现真实施工环境到仿真数据的映射,为凿岩钻孔的施工提供真实、可靠的仿真系统,增加凿岩钻孔施工的全方位、可视化的仿真效果,使凿岩钻孔更加智能化,提高了凿岩钻孔的施工效率,并由于在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,使得最后的凿岩钻孔效果更加符合预期,断面一致性较好,提升了隧道开挖质量,同时降低了对操作手丰富经验的依赖,降低了凿岩钻孔的人工成本。
[0039] 首先,搭建仿线] 具体实施时,在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,并使虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致。实施时,按照真实待建隧道、真实凿岩台车的位姿状态构建仿真的三维孪生模型,例如使用Unity、3dmax、maya等建模软件构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,同时可以在虚拟环境中增设对凿岩台车的三维孪生模型的操控功能、接收真实凿岩台车的关键运动参数、驱动凿岩台车的三维孪生模型与真实凿岩台车同步运动、对待建隧道的模拟凿岩钻孔等一系列仿真功能,使得虚拟环境中施工状态与真实施工环境保持一致,完成从线页
[0041 ] 在一个实施例中,为了使虚拟环境中凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态能够及时准确的反映真实凿岩台车的状态,对真实施工环境起到有效“监督”的作用,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境按如下方式保持一致,实时接收最新的真实凿岩台车位姿状态,同步更新三维孪生模型的位姿状态,所述最新的真实凿岩台车位姿状态从安装在真实凿岩台车上的惯性导航装置得到。
[0042] 实施时,在施工环境现场的真实凿岩台车上布置惯性导航装置和点扫定位装置,惯性导航装置实时更新真实凿岩台车位姿状态,在远程驾驶室中布置有待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的仿真系统的操控电脑,操控电脑实时接收最新的真实凿岩台车位姿状态,将其同步更新至三维孪生模型的位姿状态。另外,点扫定位装置扫描待建隧道上布置的靶标,可以通过点扫定位装置更新虚拟环境中待建隧道的最新状态。其中,真实凿岩台车位姿状态、待建隧道的最新状态可以通过5G消息进行传送。
[0044] 在凿岩钻孔施工过程中,首先根据虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方,此时可以在远程驾驶室内增设多个显示设备或窗口,在多个显示设备窗口上实时动态显示虚拟环境的情况和真实凿岩台车、真实施工环境的情况,可以根据在显示设备上实时动态显示的虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方。在真实凿岩台车行进过程中,通过惯性导航装置同步更新虚拟环境中凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,二者状态保持一致。
[0045] 真实凿岩台车及其虚拟环境中的三维孪生模型停在掌子面前方后,根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据。例如,在虚拟环境中,根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,通过比较分析或统计分析,得到对于当前凿岩台车位姿状态和布孔图的多组推荐钻臂对孔数据。
[0046] 然后在三维孪生模型中使用每组推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对每组推荐钻臂对孔数据进行凿岩钻孔验证以及修改,最终得到一组用于控制真实凿岩台车钻臂对孔打钻的远程控制指令,其中,钻臂对孔数据可以包括钻臂角度、钻臂伸长量等参数,在仿真试验时可以对钻臂角度、钻臂伸长量等参数进行修改、验证。
[0047] 最后将远程控制指令发送给真实凿岩台车,实现真实凿岩台车的钻臂对孔打钻。
[0048] 图2为本发明实施例中凿岩钻孔方法的一具体实施例,如图2所示,为了提高凿岩钻孔质量,提高隧道开挖质量,根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,可以包括,
[0049] 步骤201、在虚拟环境中,对每一预先导入的布孔图,累积历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,
[0050] 步骤202、根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,从累积的历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,查询得到对应真实凿岩台车位姿状态的误差最小的钻臂对孔数据,作为推荐钻臂对孔数据。
[0051 ] 实施时,可以根据历史累计的对孔打钻时钻臂对孔数据查询得到推荐钻臂对孔数据,例如查询历史对孔打钻时爆破效果最好的、或与预计对孔打钻数据相比误差最小的钻臂对孔数据作为推荐钻臂对孔数据。
[0052] 在一个实施例中,为了降低对操作手经验、文化基础的要求,降低人工成本,提高作业效率,在显示设备上动态显示在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验过程,并以不同颜色及覆盖范围显示凿岩钻孔效果。
[0053] 图3为本发明实施例中凿岩钻孔方法的一具体实施例,如图3所示,本例公开了一种数据孪生远程控制系统及凿岩台车,该系统包括,凿岩台车、数据孪生模块、远程显示终端、操控模块、5G通讯装置、台车定位模块和记忆模块,
[0054] 数据孪生模块主要包括在虚拟环境中构建的待建隧道和多臂凿岩台车的三维孪生模型,数据孪生模块可以接收真实台车钻臂的关键运动参数,驱动孪生模型同步动作,完成从真机到孪生模型的映射,
[0056] 操控模块,其配置有操控面板,用于控制真实凿岩台车,操控数据孪生模块的仿真测试等系列操作,
[0057] 5G通讯装置,其具有高速率、低时延和大连接等特点,实现系统中每个模块与真实凿岩台车的远程互联通讯,
[0058] 台车定位模块,其包含安装与真实凿岩台车上的惯性导航装置和点扫定位装置,
[0059] 记忆模块,其用来存储历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,
[0060] 其中,台车定位模块装在真实凿岩台车上,其它模块均布置在远程驾驶室中。
[0061 ] 本例实施时,操作手坐在远程驾驶室内,而真实凿岩台车上不需要配置操作手。操作手观看远程显示终端上的数据孪生模块中模型的当前状态,控制凿岩台车行进、点扫定位和钻臂对孔打钻。操作手远程控制点扫定位装置扫描隧道上布置的标靶点,台车定位模块通过5G通讯装置将台车位姿信息传给数据孪生模块,保证数据孪生模块中凿岩台车孪生模型的位姿状态与真实施工环境一致。操作手控制凿岩台车行进过程中,台车定位模块中的惯性导航装置实时更新台车位姿信息,并通过5G通讯装置传送给数据孪生模块。台车停在掌子面前方后,记忆模块查询与当前台车位姿最接近的一组钻臂对孔数据,推荐给操作手。操作手在数据孪生模块中查看推荐的钻臂对孔数据,并通过操控模块在数据孪生模块中对推荐的钻臂对孔数据的部分数据进行修改和验证,掌子面的所有孔位确认或修改完毕后生成远程控制指令,发送给真实凿岩台车,实现钻臂自动对孔打钻。
[0062] 本发明实施例中还提供了一种凿岩钻孔装置,如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与凿岩钻孔方法相似,因此该装置的实施可以参见凿岩钻孔方法的实施,重复之处不再赘述。
[0063] 图4为本发明实施例中凿岩钻孔装置的示意图,如图4所示,该装置包括,
[0064] 三维孪生模型构建模块401 ,用于在虚拟环境中构建待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型,其中,虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
[0066] 钻臂对孔数据推荐模块403,用于根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,查询得到推荐钻臂对孔数据,
[0067] 仿线,用于在三维孪生模型中使用推荐钻臂对孔数据对待建隧道进行钻臂对孔打钻的仿真试验,根据仿真试验结果,对推荐钻臂对孔数据进行修改和验证,得到远程控制指令,所述远程控制指令用于真实凿岩台车的钻臂对孔打钻,
[0068] 指令发送模块405,用于将远程控制指令发送给线] 在一个实施例中,三维孪生模型构建模块401具体用于,按如下方式使虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态与真实施工环境保持一致,
[0070] 实时接收最新的真实凿岩台车位姿状态,同步更新三维孪生模型的位姿状态,所述最新的真实凿岩台车位姿状态从安装在真实凿岩台车上的惯性导航装置得到。
[0071 ] 在一个实施例中,线] 根据在显示设备上实时动态显示的虚拟环境中待建隧道和凿岩台车的三维孪生模型的位姿状态,控制真实凿岩台车行进至掌子面前方。
[0074] 在虚拟环境中,对每一预先导入的布孔图,累积历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,
[0075] 根据真实凿岩台车位姿状态和预先导入虚拟环境的布孔图,从累积的历史每一位姿状态下的真实凿岩台车对孔打钻时钻臂对孔数据误差最小时的三维孪生模型的钻臂对孔数据,查询得到对应真实凿岩台车位姿状态的误差最小的钻臂对孔数据,作为推荐钻臂对孔数据。
[0076] 在一个实施例中,所述钻臂对孔数据包括钻臂角度,和/或,钻臂伸长量。
[0077] 图5为本发明实施例中计算机设备的示意图,如图5所示,本发明实施例还提供一种计算机设备500,包括处理器501、存储器502及存储在存储器502上并可在处理器501上运行的计算机程序503,所述处理器501执行所述计算机程序503时实现上述凿岩钻孔方法。
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