基于SOA的高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

蘇雪，奚進(jìn)

0 前言

高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)是高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的重要組成部分，是高速行車的中樞，需要運(yùn)輸組織、機(jī)車車輛、通信信號(hào)等多個(gè)成分的協(xié)同工作。一個(gè)功能完備、性能可靠、可移植性好的調(diào)度系統(tǒng)是保障高速鐵路安全、高效運(yùn)營(yíng)的基本保障。

傳統(tǒng)的鐵路信息系統(tǒng)通常采用C/S雙層的結(jié)構(gòu)模式。通常是一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)做客戶機(jī)使用，另外一臺(tái)服務(wù)器用于存放后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。應(yīng)用程序與客戶端直接相連，中間沒(méi)有其它邏輯。程序的業(yè)務(wù)邏輯則一般存在于前臺(tái)的應(yīng)用程序中，即程序員根據(jù)客戶的業(yè)務(wù)要求定制客戶端程序，這種定制的程序沒(méi)有通用性。業(yè)務(wù)邏輯也可存在于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以觸發(fā)器的方式實(shí)現(xiàn)。這種方式有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是一旦客戶的業(yè)務(wù)邏輯有所改變,將引起應(yīng)用程序的修改以及后臺(tái)觸發(fā)器的修改。所有程序模塊都重新修改、編譯、連接的工作量是相當(dāng)大的。另外由于這種結(jié)構(gòu)將用戶界面和業(yè)務(wù)邏輯以及數(shù)據(jù)源綁定在一起，會(huì)消耗客戶機(jī)的大量資源，對(duì)客戶機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)，無(wú)法適應(yīng)大規(guī)?？蛻舴?wù)應(yīng)用需求。同時(shí)，在傳統(tǒng)的二層客戶機(jī)/服務(wù)器模式中，由于客戶端與服務(wù)器端直接連接，系統(tǒng)的安全性很低。非法用戶可較容易通過(guò)客戶端直接進(jìn)入中心數(shù)據(jù)庫(kù)，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的丟失、損壞、修改和泄密,容易引起高速鐵路運(yùn)行計(jì)劃的混亂并危及列車控制系統(tǒng)的安全，同時(shí)客戶端與服務(wù)器間的大量數(shù)據(jù)傳送,容易造成業(yè)務(wù)高峰期網(wǎng)絡(luò)流量暴增，形成網(wǎng)絡(luò)阻塞。對(duì)于系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性均存在著潛在的威脅。

在高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了避免上述二次軟件結(jié)構(gòu)模式所面臨的問(wèn)題，本文提出基于SOA的高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用三層或多層客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模型，以提高系統(tǒng)的易用性、安全性、可靠性和可擴(kuò)展性。從本質(zhì)上說(shuō)，SOA架構(gòu)將業(yè)務(wù)應(yīng)用分解為開(kāi)放、可重用、松耦合的服務(wù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)服務(wù)的編排組合滿足業(yè)務(wù)的需求，通過(guò)服務(wù)的重用實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的變化[1]。SOA與其他IT架構(gòu)的最大區(qū)別在于它與業(yè)務(wù)的關(guān)聯(lián)性，它以服務(wù)為基本單元組織IT資源，其中的每一項(xiàng)服務(wù)都可以完成實(shí)際業(yè)務(wù)流程中的一項(xiàng)任務(wù)。業(yè)務(wù)人員可以參與服務(wù)的創(chuàng)建并且用它們定義新的業(yè)務(wù)流程。SOA使業(yè)務(wù)人員和IT人員在創(chuàng)建新業(yè)務(wù)流程的過(guò)程中能夠更有效地協(xié)作。

1 面向服務(wù)的軟件開(kāi)發(fā)

1.1 SOA概述

面向服務(wù)的架構(gòu)代表了一種將軟件資源作為網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)的分布式計(jì)算方式[2]。面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)和構(gòu)建松散耦合的軟件解決方案。這個(gè)解決方案能夠以程序化的可訪問(wèn)的軟件服務(wù)的形式公開(kāi)業(yè)務(wù)功能，以使其它應(yīng)用程序可以通過(guò)已發(fā)布的和可發(fā)現(xiàn)的接口來(lái)使用這些服務(wù)。像XML和SOAP這樣的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)可以提供不同廠商的解決方案的互操作性。這樣，對(duì)交互中某一方的接口改變不會(huì)破壞另一方。這兩個(gè)核心原則使公司可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)而不需要知道消費(fèi)這項(xiàng)服務(wù)的任何細(xì)節(jié)，反之亦然。SOA描述了服務(wù)提供者、服務(wù)請(qǐng)求者、服務(wù)代理三種角色，分別承擔(dān)了不同的任務(wù)；在這三種角色上又有三個(gè)操作:發(fā)布、查找、綁定。它們之間的關(guān)系，如圖1所示:

圖1 SOA架構(gòu)中的角色

其中:

1）服務(wù)提供者，或簡(jiǎn)稱為服務(wù)。它們一般有定義良好的接口（對(duì)內(nèi)的和對(duì)外的），并且接口的定義是平臺(tái)和語(yǔ)言中立的。接口的描述信息被發(fā)布到服務(wù)代理中，這樣就可以被動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)和調(diào)用。

2）服務(wù)消費(fèi)者，或稱為服務(wù)請(qǐng)求者，在需要某項(xiàng)服務(wù)的時(shí)候，先查詢服務(wù)代理，得到相關(guān)服務(wù)的描述信息，然后動(dòng)態(tài)地綁定到相關(guān)服務(wù)，這樣就可以以一種對(duì)服務(wù)消費(fèi)者透明地方式調(diào)用服務(wù)。

3）服務(wù)代理是連接服務(wù)消費(fèi)者和服務(wù)提供者的橋梁。服務(wù)提供者可以向它注冊(cè)服務(wù)，服務(wù)消費(fèi)者可以通過(guò)它查詢服務(wù)描述信息。在服務(wù)代理中注冊(cè)的服務(wù)可以按某種準(zhǔn)則分類，方便服務(wù)消費(fèi)者查詢。

服務(wù)提供者和服務(wù)消費(fèi)者通過(guò)發(fā)送消息通信。這種消息不是指令性的，沒(méi)有攜帶任何底層通信協(xié)議的語(yǔ)義，而僅僅是對(duì)服務(wù)接口契約的描述。服務(wù)通過(guò)接口描述了服務(wù)的行為、接收的消息和返回的消息。這種描述是平臺(tái)中立和語(yǔ)言中立的。這就要求消息的格式必須也是平臺(tái)中立的，而且消息格式還要提供無(wú)限制的類型定義能力，以滿足平臺(tái)中立和語(yǔ)言中立的要求。XML無(wú)疑滿足了這種需求。消息通信使用的協(xié)議也應(yīng)該是平臺(tái)中立和語(yǔ)言中立的，被Web Services采用作為應(yīng)用層消息傳輸協(xié)議的SOAP協(xié)議正是這樣一種協(xié)議。滿足上述要求的架構(gòu)提供了服務(wù)選擇的靈活性和應(yīng)用程序間的無(wú)縫集成能力。

1.2 SOA軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程

由于SOA涉及到業(yè)務(wù)的諸多方面，因此需要從一開(kāi)始就對(duì)SOA項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)心的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。需要考慮項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，從最初的階段到第一個(gè)實(shí)現(xiàn)，再一直到可能的修訂和重用。

現(xiàn)在讓我們看看SOA生命周期，此部分概略說(shuō)明了在生命周期的各個(gè)階段發(fā)生的事項(xiàng)，并詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)生命周期的各個(gè)步驟，如圖2中所示:

圖2 SOA生命周期

(1)建模

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的第一步幾乎和技術(shù)沒(méi)有任何關(guān)系，所有事項(xiàng)都與項(xiàng)目的業(yè)務(wù)相關(guān)。面向服務(wù)的方法將業(yè)務(wù)所執(zhí)行的活動(dòng)視為服務(wù)，因此第一步是要確定這些業(yè)務(wù)活動(dòng)或流程實(shí)際是什么。對(duì)項(xiàng)目的業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行記錄，這些記錄不僅可以用于規(guī)劃SOA，還可以用于對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)流程進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)在編寫(xiě)代碼前模擬或建模業(yè)務(wù)流程，可以更深入地了解這些流程，從而有利于構(gòu)建幫助執(zhí)行這些流程的軟件。建模業(yè)務(wù)流程的程度將依賴于預(yù)期實(shí)現(xiàn)的深度。

(2)組裝

對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了建模和優(yōu)化后，開(kāi)發(fā)人員可以開(kāi)始構(gòu)建新的服務(wù)和/或重用現(xiàn)有的服務(wù)，然后對(duì)其進(jìn)行組裝以形成組合應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)這些流程。在“建?！辈襟E中，已經(jīng)確定了需要何種類型的服務(wù)以及它們將訪問(wèn)何種類型的數(shù)據(jù)。已經(jīng)存在某種形式的實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)或訪問(wèn)該類數(shù)據(jù)所需的一些軟件?！敖M裝”步驟將要找到已經(jīng)存在的功能，并為其添加服務(wù)支持。另外，還涉及到創(chuàng)建提供功能和訪問(wèn)數(shù)據(jù)源所需的新服務(wù)，以便滿足SOA涉及的業(yè)務(wù)流程范圍內(nèi)的需求。

(3)部署

進(jìn)行了建模和組裝后，要將組成SOA的資產(chǎn)部署到安全的集成環(huán)境中。此環(huán)境本身提供專門化的服務(wù)，用于集成業(yè)務(wù)中涉及的人員、流程和信息。這種級(jí)別的集成可幫助確保將公司的所有主要元素連接到一起協(xié)同工作。此外，部署工作還需要滿足業(yè)務(wù)的性能和可用性需求，并提供足夠的靈活性，以便吸納新服務(wù)（并使舊服務(wù)退役），而不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成大的影響。

(4)管理

部署后，需要從IT和業(yè)務(wù)兩個(gè)角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)視。在“管理”步驟中收集的信息用于幫助實(shí)時(shí)地了解業(yè)務(wù)流程，從而能更好地進(jìn)行業(yè)務(wù)決策，并將信息反饋回生命周期，以進(jìn)行持續(xù)的流程改進(jìn)工作。需要處理服務(wù)質(zhì)量、安全、一般系統(tǒng)管理之類的問(wèn)題。在本步驟中，監(jiān)視和優(yōu)化系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)和糾正效率低下的情況和存在的問(wèn)題。由于SOA是一個(gè)迭代過(guò)程，因此，在此步驟中，不僅要找出技術(shù)體系結(jié)構(gòu)中有待改進(jìn)之處，而且還要找出業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)中有待改進(jìn)之處。

完成此步驟后就要開(kāi)始新的“建?！辈襟E了。在“管理”步驟中收集的數(shù)據(jù)將用于重復(fù)整個(gè)SOA生命周期，再次進(jìn)行整個(gè)過(guò)程。

SOA是一種集中系統(tǒng)，其中可以包含來(lái)自組織的不同部門的服務(wù)，甚至還能包含來(lái)自組織外的服務(wù)。如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)目刂?，這種系統(tǒng)很容易失控?？刂茖?duì)所有生命周期階段起到鞏固支撐作用，為整個(gè)SOA系統(tǒng)提供指導(dǎo)，并有助于了解系統(tǒng)全貌。它提供指導(dǎo)和控制，幫助服務(wù)提供者和使用者避免遇到意外情況。

2 面向服務(wù)的高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)的用戶需求和系統(tǒng)功能需求，高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)的系統(tǒng)模型[3]，如圖3所示:

圖3 高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

圖3給出了系統(tǒng)組成及各部分的相互關(guān)系。首先高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)以計(jì)劃調(diào)度和列車調(diào)度為核心。計(jì)劃調(diào)度根據(jù)高速鐵路運(yùn)營(yíng)管理部門下達(dá)的計(jì)劃制定列車運(yùn)行計(jì)劃，并將制定的列車運(yùn)行計(jì)劃交到列車調(diào)度系統(tǒng)執(zhí)行。列車調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)列車運(yùn)行、動(dòng)車組、信號(hào)、電力、線路、災(zāi)害等情況對(duì)運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并將生成的可執(zhí)行列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃提供給其它調(diào)度子系統(tǒng)，以便各子調(diào)度子系統(tǒng)制定各自的調(diào)度策略，同時(shí)將列車調(diào)整計(jì)劃送到各車站。各車站信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)列車調(diào)整計(jì)劃制定信號(hào)控制策略。其它調(diào)度子系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃調(diào)度和列車調(diào)度所制定的列車運(yùn)行調(diào)整計(jì)劃指揮、控制列車及相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)、控制指令執(zhí)行情況等反饋給列車調(diào)度和計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)，從而形成一個(gè)閉環(huán)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制系統(tǒng)。

2.2 面向服務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以EWA（讀作“Eva”）這個(gè)框架中為作為綜合調(diào)度系統(tǒng)遷移到面向服務(wù)的體系架構(gòu)的平臺(tái)。EWA是IBM開(kāi)發(fā)的SOA框架，配置定義了一個(gè)應(yīng)用程序，描述了該應(yīng)用程序的組件以及它們調(diào)用的順序和方法。以源中立的方式接收輸入并將其傳送到應(yīng)用程序。因此，對(duì)應(yīng)用程序邏輯來(lái)說(shuō)是透明的。雖然EWA是完全遵循J2EE，但是它可以連接到外部基于DCOM或CORBA組件的系統(tǒng)。

首先對(duì)2.1節(jié)的系統(tǒng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化:將每個(gè)子系統(tǒng)都以一個(gè)應(yīng)用程序表示。簡(jiǎn)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示:

圖4 簡(jiǎn)化綜合調(diào)度系統(tǒng)示意圖

這個(gè)看似簡(jiǎn)單的scheme是EWA架構(gòu)的一個(gè)起點(diǎn)?，F(xiàn)在，添加屬于體系結(jié)構(gòu)概念范圍的服務(wù)總線（Service Bus）和服務(wù)或流管理器來(lái)連接服務(wù)和提供服務(wù)請(qǐng)求的路徑。流管理器處理定義好的執(zhí)行序列或服務(wù)流，它們將按照適當(dāng)?shù)捻樞蛘{(diào)用所需的服務(wù)來(lái)產(chǎn)生最后的結(jié)果。業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語(yǔ)言（Business Process Execution Language，BPEL）[4]就是這種將流程定義為一組服務(wù)調(diào)用的技術(shù)的例子。在這里，需要確定如何調(diào)用服務(wù)，因而將添加應(yīng)用程序配置。接著，虛擬化輸入和輸出。最后，提供到后端流程的連接，以便使它們可以按“僅此狀態(tài)”運(yùn)行，并且還可以在將來(lái)進(jìn)行遷移?，F(xiàn)在，這個(gè)高層次的圖至少在結(jié)構(gòu)上是完整的了，如圖5所示:

圖5 基于服務(wù)的綜合調(diào)度系統(tǒng)示意圖

在最高的層次上，任何健壯的應(yīng)用程序框架都必須提供這些功能。接下來(lái)的工作是構(gòu)建組件來(lái)豐富這個(gè)骨架。把現(xiàn)有的應(yīng)用程序分解成用于框架的組件就夠了，而不必重新開(kāi)發(fā)所有其他已知將要用到的通用用途組件和系統(tǒng)組件。

服務(wù)的選取和組合可以根據(jù)服務(wù)的QoS進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度?？啥攘康腝oS屬性包括諸如響應(yīng)時(shí)間（Response Time）、可靠性（Reliability）、可用性（Availability）等[5]。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需求和綜合QoS度量，可以選取優(yōu)化的服務(wù)組合方案，從而保障整個(gè)系統(tǒng)在滿足功能需求的同時(shí)達(dá)到性能優(yōu)化。

例如，針對(duì)供電系統(tǒng)服務(wù)，在其WSDL中的tport元素中加入一個(gè)tOperationInst屬性，以描述供電服務(wù)的responseTime（服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間）、availability（服務(wù)可以被其客戶正確使用的概率）、concurrency（服務(wù)支持并發(fā)事務(wù)的數(shù)量）、price（使用該服務(wù)的價(jià)格）、fine（服務(wù)代理、提供商和客戶之間違約而需支付的罰金）、securityLevel（服務(wù)的安全等級(jí)）等六個(gè)QoS屬性。其他的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，如綜合調(diào)度系統(tǒng)在需要使用供電服務(wù)時(shí)，按照其給出的tport元素描述的具體QoS需求，選擇可以匹配的供電系統(tǒng)為其提供服務(wù)。其他子系統(tǒng)在使用供電服務(wù)時(shí)亦然。這樣使得供電服務(wù)實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)，在滿足供電服務(wù)功能的同時(shí)，最大化供電系統(tǒng)的供電服務(wù)提供效率。

2.3 比較和分析

應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的綜合調(diào)度系統(tǒng)可能是由許多不同性質(zhì)特征的子系統(tǒng)構(gòu)成（異構(gòu)性）。由此帶來(lái)的系統(tǒng)集成的復(fù)雜性。如果n個(gè)應(yīng)用程序系統(tǒng)必須直接互連，那么將會(huì)產(chǎn)生n(n-1)個(gè)連接或接口。因此，如果另一個(gè)應(yīng)用程序系統(tǒng)A（第n+1個(gè)）必須集成進(jìn)來(lái)，將需要產(chǎn)生、文檔化、測(cè)試和維護(hù)2n個(gè)新的接口。雖然在上圖中，5個(gè)應(yīng)用程序組成的集合需要20個(gè)直接接口，但是添加第6個(gè)應(yīng)用程序?qū)⑿枰?0個(gè)新接口，而更糟的是，必須修改每個(gè)已有的應(yīng)用程序中的代碼以包括進(jìn)新的接口，因而將發(fā)生大量的測(cè)試費(fèi)用。

面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）是讓高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)更加關(guān)注于業(yè)務(wù)流程而非底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，從而獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的更高級(jí)別的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)架構(gòu)。SOA對(duì)需要使用信息技術(shù)解決關(guān)鍵業(yè)務(wù)問(wèn)題的高速鐵路運(yùn)營(yíng)與維護(hù)很有價(jià)值。采用服務(wù)驅(qū)動(dòng)型方法的高速鐵路運(yùn)營(yíng)公司體驗(yàn)著以下業(yè)務(wù)和IT好處:

2.3.1 面向服務(wù)架構(gòu)的業(yè)務(wù)好處

效率:將業(yè)務(wù)流程從"煙囪"狀的、重復(fù)的流程向維護(hù)成本較低的高度利用、共享服務(wù)應(yīng)用轉(zhuǎn)變。

響應(yīng):迅速適應(yīng)和傳送關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)來(lái)滿足市場(chǎng)需求，為客戶、雇員和合作伙伴更高水準(zhǔn)的服務(wù)。

適應(yīng)性:更高效地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出讓整個(gè)業(yè)務(wù)變得復(fù)雜性和難度更小，達(dá)到節(jié)約時(shí)間和資金的目的。

3.2.2 面向服務(wù)架構(gòu)的IT好處

復(fù)雜性降低:基于標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，與點(diǎn)到點(diǎn)的集成相比降低了復(fù)雜性。

重用增加:通過(guò)重用以前開(kāi)發(fā)和部署的共享服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了更有效的應(yīng)用程序/項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和交付。

遺留集成:用作可重用服務(wù)的遺留應(yīng)用程序降低了維護(hù)和集成的成本。

基于SOA的高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法提供了層次化的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)和個(gè)性化的服務(wù)組合方法，有效克服了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法的不足，對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性、高效性和可維護(hù)性起到了重要作用。

3 結(jié)論

本文分析了SOA的基本體系結(jié)構(gòu)及該體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并闡述了應(yīng)用該軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)的方法。面向服務(wù)的綜合調(diào)度系統(tǒng)，可以基于現(xiàn)有的系統(tǒng)投資來(lái)發(fā)展，而不需要徹底重新創(chuàng)建系統(tǒng)。如果組織將開(kāi)發(fā)力量集中在創(chuàng)建服務(wù)、利用現(xiàn)有的技術(shù)、結(jié)合基于組建的方法來(lái)開(kāi)發(fā)軟件上可以獲得減少成本、加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度、降低風(fēng)險(xiǎn)和能持續(xù)改進(jìn)的優(yōu)越性。

[1]Bell.M.SOA Modeling Patterns for Service-Oriented Discovery and Analysis,John Wiley &Sons Inc,2010.

[2]Papazoglou M P,Heuvel W J.Service oriented architectures:Approaches,technologies and research issues.International Journal on Very Large Data Bases,2007,16(3):389-415.

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