面向位置服務(wù)的室內(nèi)空間模型研究進(jìn)展

林 雕，宋國(guó)民，賈奮勵(lì)

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，鄭州 450052)

1 引言

近年來(lái)，國(guó)際位置服務(wù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)已從室外延伸到室內(nèi)，我國(guó)“導(dǎo)航與位置服務(wù)科技發(fā)展十二五規(guī)劃”也明確提出了發(fā)展室內(nèi)外協(xié)同實(shí)時(shí)高精度定位和全息導(dǎo)航地圖，以解決目前位置服務(wù)存在的“最后一千米”問題。室內(nèi)位置服務(wù)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵性問題就是室內(nèi)空間建模，目前研究人員已提出了多種室內(nèi)空間模型，但通常都只針對(duì)某一特定的應(yīng)用，很難有一個(gè)適合于所有應(yīng)用的通用室內(nèi)空間模型。文獻(xiàn)[1]從普適計(jì)算的角度對(duì)室內(nèi)空間模型作了綜述，文獻(xiàn)[2]則側(cè)重于情境感知的角度對(duì)幾何和符號(hào)兩類空間模型進(jìn)行了比較分析，文獻(xiàn)[3-4]也對(duì)室內(nèi)空間模型作了分類比較，但尚無(wú)專門從位置服務(wù)角度對(duì)室內(nèi)空間模型的綜述，本文以室內(nèi)位置服務(wù)應(yīng)用為背景，依據(jù)模型的構(gòu)造特點(diǎn)對(duì)典型室內(nèi)空間模型進(jìn)行分類剖析，詳細(xì)介紹各類模型的建模原理及優(yōu)缺點(diǎn)，為開展面向室內(nèi)位置服務(wù)的空間建模研究提供借鑒。首先，闡述了室內(nèi)空間的特點(diǎn)和主要的室內(nèi)位置服務(wù)模式；然后，根據(jù)模型的構(gòu)造特點(diǎn)，將現(xiàn)有空間模型劃分為幾何、符號(hào)、語(yǔ)義3類，并對(duì)其中的典型成果進(jìn)行了分析和評(píng)述；最后，討論了現(xiàn)有建模方法面臨的主要問題，并展望了室內(nèi)空間建模研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2 室內(nèi)空間及其位置服務(wù)

2.1 室內(nèi)空間特點(diǎn)

室內(nèi)空間可以被非正式的定義為人們所活動(dòng)的建筑環(huán)境(例如房間、會(huì)議室等)[5]。與室外空間相比，室內(nèi)空間具有其獨(dú)特性。主要表現(xiàn)在：

(1)室內(nèi)外空間尺度不同。室內(nèi)空間整體與室外空間相比是微觀的空間，室內(nèi)空間通常被認(rèn)為是小尺度的感知空間[6]。不同空間尺度上，人類對(duì)于空間有著不同的理解能力和表達(dá)方式。因此，室內(nèi)空間建模需充分考慮室內(nèi)的認(rèn)知特點(diǎn)。例如，室內(nèi)情況下通常使用更加符合用戶認(rèn)知習(xí)慣的符號(hào)化位置描述(如：302房間)。又如，室內(nèi)空間的定向更加困難，“東南西北”的定向方式在室內(nèi)已不再適用，復(fù)雜的室內(nèi)空間構(gòu)造容易使用戶轉(zhuǎn)向，特別是在跨樓層的移動(dòng)情況下。

(2)室內(nèi)外空間組成要素不同。室內(nèi)空間沒有自然要素，都是人工設(shè)施[6]，各類構(gòu)件繁多且功能各異。因此，室內(nèi)外空間模型所需要表達(dá)內(nèi)容有所不同。室內(nèi)空間模型需重點(diǎn)描述門、窗、樓梯、通道等室內(nèi)構(gòu)件，具體的模型抽象方式和所針對(duì)的應(yīng)用相關(guān)。

(3)室內(nèi)外空間約束有所不同。室內(nèi)空間中沒有類似于室外路網(wǎng)那樣明確的路徑信息，用戶在室內(nèi)的移動(dòng)具有更大的隨意性，但同時(shí)室內(nèi)的移動(dòng)又受到門、房間、走廊、樓梯等建筑物構(gòu)件的限制[3]。因此，用戶的室內(nèi)外移動(dòng)習(xí)慣有所不同，在建模過程中應(yīng)將其納入考慮。例如，在房間內(nèi)部人們一般習(xí)慣從一個(gè)門徑直走到另一個(gè)可通視的門[7]。

2.2 典型室內(nèi)位置服務(wù)模式

現(xiàn)有的室內(nèi)空間模型主要應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、普適計(jì)算等領(lǐng)域[2]。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ｒ蟛煌?。本文重點(diǎn)關(guān)注面向位置服務(wù)的室內(nèi)空間模型。目前，室內(nèi)空間模型的位置服務(wù)模式主要有以下五種[1-2]：

位置查詢：提供移動(dòng)或靜止的空間實(shí)體位置信息。它是實(shí)現(xiàn)其它相關(guān)位置服務(wù)的基礎(chǔ)，沒有位置信息的支持，其它的位置服務(wù)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

導(dǎo)航：根據(jù)用戶提出的要求查找符合條件的興趣點(diǎn)并提供到達(dá)該點(diǎn)的相關(guān)路徑信息。常見的導(dǎo)航任務(wù)是提供一條到達(dá)指定地點(diǎn)的最短或最省時(shí)的路徑。

范圍查詢：用于查找一個(gè)用戶指定范圍或區(qū)域內(nèi)空間實(shí)體的相關(guān)信息。常見的應(yīng)用就是信息推送，如向指定范圍內(nèi)的人群推送廣告信息。

最鄰近查詢：根據(jù)要求，查找n個(gè)距離指定位置最近的空間實(shí)體信息。例如，一個(gè)用戶可以搜索距他當(dāng)前位置最近的餐館信息。

可視化：通常以地圖的形式實(shí)現(xiàn)，制圖是空間模型最顯著的應(yīng)用之一，一般來(lái)說，前文所提的導(dǎo)航、范圍查詢等均需借助地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。地圖的繪制則需要在空間實(shí)體的幾何信息支持下完成。

綜合考慮室內(nèi)空間自身特性與室內(nèi)位置服務(wù)的應(yīng)用需求可知，傳統(tǒng)的室外空間模型已不能完全適用于室內(nèi)位置服務(wù)，例如，室內(nèi)的位置描述、路網(wǎng)構(gòu)建和室外均有所不同，需結(jié)合室內(nèi)空間特點(diǎn)探討適合室內(nèi)位置服務(wù)的空間模型。

3 面向室內(nèi)位置服務(wù)的空間模型

目前，國(guó)內(nèi)外已提出了眾多的室內(nèi)空間模型，研究者們從不同的角度提出了多種分類方式，其中，文獻(xiàn)V[1-2]將其分類為幾何模型和符號(hào)模型兩類，二者分別從普世計(jì)算和情境感知的角度對(duì)這兩類模型作了進(jìn)一步的分析，文獻(xiàn)[3]則按照空間模型描述對(duì)象的不同，將其分為對(duì)象特征模型、幾何模型以及符號(hào)模型三類，文獻(xiàn)[4]中則提出可將當(dāng)前空間模型粗略區(qū)分為語(yǔ)義模型、拓?fù)淠Ｐ汀缀文Ｐ?、混合模型四類。不同分類方式各有其?yōu)缺點(diǎn)，側(cè)重點(diǎn)也有所不同，本文在參照已有模型分類方法的基礎(chǔ)上，從面向位置服務(wù)的角度出發(fā)，根據(jù)模型的構(gòu)造特點(diǎn)將其大致分為幾何空間模型、符號(hào)空間模型、語(yǔ)義空間模型三類。

3.1 幾何模型

幾何空間模型通常是對(duì)室內(nèi)實(shí)體做一個(gè)幾何的描述，它以坐標(biāo)的形式為模型提供精確的幾何信息。依據(jù)表示形式不同分為基于邊界的模型和基于格網(wǎng)的模型兩類。

3.1.1 基于邊界的模型

基于邊界的模型將室內(nèi)實(shí)體通過歐式空間的點(diǎn)、線、面、體來(lái)描述，每個(gè)空間實(shí)體表示為一個(gè)坐標(biāo)集。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)室內(nèi)平面圖是目前最為常見的一類室內(nèi)幾何模型，一般用于建筑工程領(lǐng)域，包含有諸多室內(nèi)構(gòu)件的幾何信息。另外，由國(guó)際協(xié)同聯(lián)盟(international alliance for interoperability，IAI)提出的工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation class，IFC)數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)作為建筑信息模型的一個(gè)主要數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，采用了實(shí)體模型的表達(dá)機(jī)制來(lái)描述室內(nèi)構(gòu)建幾何信息，主要用于建筑工程管理。城市地理標(biāo)記語(yǔ)言(city geography markup language，CityGML)的多細(xì)節(jié)層次4(levels of detail 4，LOD4)則是由開放地理信息聯(lián)盟提出的室內(nèi)3維空間數(shù)據(jù)模型，相比較IFC模型而言更加接近于GIS的應(yīng)用，采用了表面模型的3維幾何模型表達(dá)機(jī)制，主要用于對(duì)室內(nèi)空間的可視化。

盡管邊界模型能夠提供豐富的室內(nèi)幾何數(shù)據(jù)，但一般不能將其直接用于導(dǎo)航、范圍查詢等室內(nèi)位置服務(wù)。目前，主要將其用作其他空間模型的數(shù)據(jù)源。例如，文獻(xiàn)[8]基于CAD室內(nèi)模型構(gòu)建了室內(nèi)拓?fù)淠Ｐ?，并將其?yīng)用于導(dǎo)航；文獻(xiàn)[9]在IFC的基礎(chǔ)下，提取實(shí)體邊界信息并將其格網(wǎng)化到2維平面實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)的路徑規(guī)劃。

3.1.2 基于格網(wǎng)的模型

基于格網(wǎng)的空間模型通過對(duì)室內(nèi)空間的格網(wǎng)分割實(shí)現(xiàn)。包括有規(guī)則格網(wǎng)分割和不規(guī)則格網(wǎng)分割。其中規(guī)則分割將空間用形狀和大小相同的幾何圖形進(jìn)行分割，常見的有正方形和六角形分割。這種分割方式廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航領(lǐng)域它提供了一個(gè)具有連續(xù)幾何特性的空間模型，并支持不同類型的基于幾何的空間查詢和格網(wǎng)交互。另外，還可在格網(wǎng)分割的基礎(chǔ)下建立基于格網(wǎng)的圖模型，用于路徑導(dǎo)航和空間分析。文獻(xiàn)[10]提出的2維室內(nèi)空間格網(wǎng)圖模型，不僅能夠表示空間幾何信息，也可表示空間的結(jié)構(gòu)屬性和不同抽象層次的拓?fù)潢P(guān)系，還可以用于室內(nèi)尋路和擴(kuò)散分析。一般來(lái)說，格網(wǎng)分割越細(xì)模型的幾何精度越高，但存在的問題就是格網(wǎng)越多所占的內(nèi)存越大，查詢和服務(wù)效率則會(huì)相對(duì)降低。不規(guī)則格網(wǎng)空間分割則是根據(jù)相應(yīng)的原則將空間分割成不規(guī)則的多邊形，常見的有三角格分割、Voronoi多邊形分割等，常用于室內(nèi)的壁障導(dǎo)航。文獻(xiàn)[11]提出了一種對(duì)室內(nèi)空間的三角格網(wǎng)劃分，通過構(gòu)建基于三角格網(wǎng)的圖模型實(shí)現(xiàn)了高效的壁障路徑查詢，但是該模型適用范圍有限不能夠直接支持范圍查詢、最鄰近查詢等位置服務(wù)。另一類基于Voronoi多邊形分割的空間模型被廣泛的用于諸多領(lǐng)域，文獻(xiàn)[12]提出了一個(gè)分級(jí)的基于Voronoi多邊形的路徑圖模型構(gòu)建方法，并將其應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航和路徑描述，然而這種模型的構(gòu)建和維護(hù)并不容易，目前也不能實(shí)現(xiàn)Voronoi多邊形的自動(dòng)構(gòu)建。

相對(duì)于規(guī)則格網(wǎng)而言，不規(guī)則格網(wǎng)空間分割更加的靈活，室內(nèi)尋路的效率要高于規(guī)則格網(wǎng)，存在的問題就是模型構(gòu)造依賴于具體的空間分割算法，建模過程比較繁瑣，且不能提供高精度的位置信息。

3.2 符號(hào)模型

符號(hào)模型將室內(nèi)空間的所有對(duì)象表示為帶有特定ID標(biāo)記的符號(hào)元素，一般用于描述對(duì)象之間的拓?fù)潢P(guān)系，主要包括基于集合的模型和基于圖的模型。

3.2.1 基于集合的模型

基于集合的模型首先給空間或?qū)嶓w一個(gè)符號(hào)標(biāo)識(shí)，然后依據(jù)空間之間的包含關(guān)系將不同空間標(biāo)識(shí)組成集合和子集，建立一個(gè)分級(jí)的空間模型。例如，一個(gè)超市被定義為一個(gè)樓層編號(hào)的集合，每一個(gè)樓層都有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的子集，每個(gè)子集中包括該樓層內(nèi)所有的房間編號(hào)。其中具有代表性的就是文獻(xiàn)[13]所提的基于集合的語(yǔ)義拓?fù)淠Ｐ?，該模型描述了空間之間的包含與連通關(guān)系，并可用于室內(nèi)位置查詢，主要缺點(diǎn)在于缺少對(duì)空間幾何信息的描述。另外，這種樹狀結(jié)構(gòu)模型不允許一個(gè)元素同時(shí)繼承于多個(gè)父類，例如，一個(gè)房間可包含于某個(gè)樓層中，也可以包含于建筑物的一個(gè)側(cè)翼，基于概念格的模型則很好的解決了子類空間的多元繼承問題。圖1表示了一個(gè)示例的基于概念格的空間模型，圖1(a)表示該建筑物B的組成部分包括有樓層F1和F2以及兩個(gè)側(cè)翼W1和W2，該區(qū)域內(nèi)共有R1到R5五個(gè)房間。圖1(b)則是圖1(a)所對(duì)應(yīng)的基于概念格的集合模型，該模型中的空間區(qū)域可以通過多個(gè)空間標(biāo)識(shí)的集合加以表示，重疊的空間區(qū)域則被定義為兩個(gè)集合之間的交集，其中編號(hào)為FiWj的空間表示樓層Fi與側(cè)翼Wj的交叉空間。文獻(xiàn)[14]提出了基于“位置·出口”的概念格空間模型，將室內(nèi)抽象成位置和出口兩類對(duì)象，并基于概念格理論建立了空間的連接關(guān)系，該模型可以用于室內(nèi)的最鄰近查詢和語(yǔ)義室內(nèi)導(dǎo)航。

基于集合的模型可用于支持室內(nèi)范圍查詢、最鄰近查詢、導(dǎo)航等位置服務(wù)，但通常情況下該模型只是對(duì)空間的定性描述，缺少坐標(biāo)、距離等定量信息，難以滿足高精度的位置查詢、路徑導(dǎo)航等位置服務(wù)需求。

3.2.2 基于圖的模型

基于圖的模型將室內(nèi)空間表示為一個(gè)圖G=(V，E)，其中V(vertices)表示預(yù)先定義好的位置(如：某個(gè)場(chǎng)所或是某個(gè)興趣點(diǎn))，E(edge)表示兩個(gè)位置之間可通行的直接連接關(guān)系。圖2所描述的是一類最簡(jiǎn)單的室內(nèi)圖模型，它將房間和通道等空間抽象為節(jié)點(diǎn)，將連接房間與通道的門抽象為邊，該模型明確表示了空間的連通關(guān)系，可直接用于室內(nèi)最鄰近查詢，給節(jié)點(diǎn)和邊賦權(quán)值后還可用于室內(nèi)的導(dǎo)航和范圍查詢。單純的圖模型只能表示空間的拓?fù)潢P(guān)系，缺少距離等幾何信息。針對(duì)該問題，文獻(xiàn)[15]提出了室內(nèi)3維網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)了幾何信息和拓?fù)湫畔⒌慕y(tǒng)一表達(dá)，模型主要構(gòu)建原理是通過對(duì)偶圖的方法將3維空間實(shí)體(如房間)轉(zhuǎn)換成0維的點(diǎn)，將2維的面轉(zhuǎn)換成1維的線從而構(gòu)建一個(gè)可表示空間拓?fù)潢P(guān)系的2維圖模型，并通過中軸變換的方法提取多邊形的線性特征來(lái)獲取2維圖的幾何信息(如圖3所示)。幾何圖的建模方法廣泛的應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航[16-19]。根據(jù)空間抽象方式的不同，可進(jìn)一步將其分為“房間·房間”圖模型[8，20]和“門·門”圖模型[21-23]兩類，其中房間圖模型將房間抽象表示為節(jié)點(diǎn)，房間之間的門表示為邊，門圖模型則將門表示為節(jié)點(diǎn)，門之間的連接表示為邊。相對(duì)于房間圖模型而言后者可支持非繞行的室內(nèi)尋路，還可通過增加可視點(diǎn)的方式[21]確保節(jié)點(diǎn)之間的通視。

圖3 建筑物和其對(duì)應(yīng)的3維空間模型示意圖[15]

盡管幾何圖模型存在多方面的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑物而言不能實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)構(gòu)建。另外，當(dāng)模型應(yīng)用于范圍查詢時(shí)只能返回預(yù)先定義的節(jié)點(diǎn)空間信息而不能得到其他抽象層次的查詢結(jié)果，解決的方法可以將圖模型通過分級(jí)的方式組織，構(gòu)建不同抽象層次的圖模型[20]。

3.3 語(yǔ)義模型

語(yǔ)義模型通過對(duì)不同類型室內(nèi)空間對(duì)象的區(qū)分，重點(diǎn)描述各類空間對(duì)象的屬性、操作以及相互之間的關(guān)系，不僅包括描述性的功能還包括空間推理功能，通常和本體論相聯(lián)系。文獻(xiàn)[13]較早的提出了室內(nèi)本體構(gòu)建的問題，但沒有給出具體的本體模型構(gòu)建方式。文獻(xiàn)[24]基于本體理論提出了室內(nèi)導(dǎo)航本體模型，該模型主要用于個(gè)性化的室內(nèi)導(dǎo)航，依據(jù)各路徑組成片段不同的語(yǔ)義描述，將室內(nèi)空間區(qū)分為水平過道、移動(dòng)過道、空間出口、電梯出口等，并建立用戶本體及兩者之間的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化的路徑選擇。該模型有別于IFC中對(duì)室內(nèi)空間實(shí)體的區(qū)分方式，建模過程中重點(diǎn)表示了與路徑相關(guān)的實(shí)體語(yǔ)義信息。文獻(xiàn)[25]則基于IBM模型，利用其豐富的語(yǔ)義信息，并結(jié)合智能導(dǎo)航應(yīng)用需求構(gòu)建了室內(nèi)導(dǎo)航本體模型。不同于其他模型，該模型將窗戶表示為一個(gè)特殊的路徑點(diǎn)以便支持緊急情況下的室內(nèi)逃生。文獻(xiàn)[26]基于本體理論，針對(duì)美國(guó)殘疾法案(American disability act，ADA)標(biāo)準(zhǔn)下的不同類型用戶需求，提出了用于室內(nèi)空間尋路的本體模型并給出了對(duì)應(yīng)的尋路算法。文獻(xiàn)[27]則分別從概念空間、定性空間、定量空間來(lái)描述室內(nèi)領(lǐng)域本體層三個(gè)不同方面的特性，例如對(duì)于一個(gè)門而言，概念空間描述了門的材料和顏色，定性空間描述了門和墻的相鄰關(guān)系以及指定門所屬的房間號(hào)等，定量空間則描述了門的長(zhǎng)、寬、高以及具體的位置。文獻(xiàn)[28]則提出在頂層、領(lǐng)域、任務(wù)、應(yīng)用四個(gè)級(jí)別的室內(nèi)外一體本體建?？蚣?，并重點(diǎn)介紹了其中的室內(nèi)結(jié)構(gòu)本體模型和導(dǎo)航任務(wù)本體模型，為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體的位置服務(wù)研究提供了一個(gè)較好的思路。

基于本體的室內(nèi)語(yǔ)義模型可以用于支持室內(nèi)的空間推理，常用于個(gè)性化的室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，也可以在一定程度的上支持位置查詢、范圍查詢、最鄰近查詢等位置服務(wù)，通常將其與圖模型相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的室內(nèi)位置服務(wù)。其他一些文獻(xiàn)[1-2]中也有將基于本體的室內(nèi)空空間模型歸類為符號(hào)模型，文獻(xiàn)[3]則將其稱之為對(duì)象特征模型，本文將其看作是一類單獨(dú)的室內(nèi)空間模型主要是為了突出這類模型的本體推理功能。因?yàn)橄鄬?duì)于室外而言，室內(nèi)需更加強(qiáng)調(diào)個(gè)性化的位置服務(wù)[26]，將更多的上下文信息納入室內(nèi)位置服務(wù)的考慮當(dāng)中，而本體建模則是其有效的實(shí)現(xiàn)手段之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著室內(nèi)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)定位、室內(nèi)地圖制作等相關(guān)技術(shù)的成熟以及對(duì)室內(nèi)空間認(rèn)知等理論的深入研究，將進(jìn)一步的促進(jìn)室內(nèi)位置服務(wù)的發(fā)展，作為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置服務(wù)的基礎(chǔ)與核心，室內(nèi)空間建模已經(jīng)成為位置服務(wù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并取得了一定的研究進(jìn)展。盡管如此，面向位置服務(wù)的室內(nèi)空間建模方面仍面臨許多困難與挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步研究和解決，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1)當(dāng)前室內(nèi)模型通常針對(duì)某一特定的應(yīng)用領(lǐng)域，只表達(dá)了部分的室內(nèi)空間信息，應(yīng)用范圍有限，如何綜合考慮幾何、拓?fù)洹⒄Z(yǔ)義三類信息，構(gòu)建一個(gè)可擴(kuò)展、適用于多應(yīng)用的室內(nèi)空間模型還有待進(jìn)一步研究。

(2)現(xiàn)有的室內(nèi)空間模型不能滿足室內(nèi)外一體的位置服務(wù)應(yīng)用需求，例如室內(nèi)外一體的導(dǎo)航要求構(gòu)建室內(nèi)外一體的路網(wǎng)模型。因此，構(gòu)建室內(nèi)外一體的空間模型是未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

(3)效率是建模的一個(gè)重要影響因素，現(xiàn)有幾何模型(如IFC模型、GityGML等)可以作為室內(nèi)建模的重要數(shù)據(jù)源，但是如何有效利用現(xiàn)有幾何模型，實(shí)現(xiàn)面向位置服務(wù)的室內(nèi)空間模型的自動(dòng)構(gòu)建問題還沒有得到很好的解決。例如，目前的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的自動(dòng)化程度仍然不高，下一步需集中研究如何有效減少建模的工作量，提高建模的效率。

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