吳才聰 方向明
摘要: 農(nóng)機精確導航技術(shù)正在中國大田種植領(lǐng)域規(guī)模化應用,但農(nóng)機精準作業(yè)技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細管理技術(shù)的應用仍進展緩慢,精準農(nóng)業(yè)技術(shù)、裝備與服務體系尚未完成構(gòu)建,節(jié)本增效和節(jié)能環(huán)保等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標的實現(xiàn)仍缺乏技術(shù)手段。隨著物質(zhì)、能量和信息三要素的不斷融合,智能農(nóng)機系統(tǒng)呼之欲出,將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供安全、高效和科學的解決方案?;谥悄苻r(nóng)機系統(tǒng)的特點、中國農(nóng)機社會化服務的特征及農(nóng)業(yè)財政補貼的現(xiàn)狀,本研究以節(jié)本增效和節(jié)能環(huán)保為主要目標,圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織、農(nóng)機服務組織和農(nóng)業(yè)主管部門等農(nóng)機生產(chǎn)作業(yè)的核心參與者,融合農(nóng)機社會化服務和農(nóng)機精準化服務,建立了中國農(nóng)機社會化精準服務體系。該體系預期可精確監(jiān)測農(nóng)機作業(yè)面積和肥藥施用量等基本作業(yè)參數(shù),可作為社會化服務結(jié)算和作業(yè)補助發(fā)放的精準依據(jù)。本研究為實現(xiàn)肥藥雙減等目標、幫助國家有關(guān)農(nóng)業(yè)補貼政策調(diào)整和促進中國精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的全面應用提供了解決思路和技術(shù)手段。
關(guān)鍵詞: 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng);大田作物;智慧農(nóng)業(yè);社會化服務;精準服務
中圖分類號: F325 文獻標志碼: A 文章編號: 201911-SA001
引文格式:吳才聰, 方向明. 基于北斗系統(tǒng)的大田智慧農(nóng)業(yè)精準服務體系構(gòu)建[J]. 智慧農(nóng)業(yè), 2019,1(4): 83-90.
1 引言
從美國等發(fā)達國家精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程來看,順序發(fā)展農(nóng)機精確導航、農(nóng)機精準作業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細管理的脈絡較為清晰,與此同時發(fā)展社會化和專業(yè)化的精準服務,以此形成較為完備的大田精準農(nóng)業(yè)技術(shù)、裝備和服務體系[1-3]。近年來,中國同樣以農(nóng)機精確導航為切入點,發(fā)展精準農(nóng)業(yè)技術(shù)、裝備和服務體系[4]。
隨著物質(zhì)、能量和信息三要素的不斷融合[5],以節(jié)本增效和節(jié)能環(huán)保為目標的智能農(nóng)機系統(tǒng)呼之欲出,將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供安全、高效和科學的解決方案[6,7]。特別是隨著人類智慧不斷融入智能農(nóng)機系統(tǒng),農(nóng)機裝備將迎來一場變革,其應用模式和商業(yè)模式也將迎來一場革命[8,9]。
當前中國有關(guān)機構(gòu)已建設數(shù)量眾多的農(nóng)機位置服務平臺,如深松作業(yè)監(jiān)測平臺、農(nóng)機管理調(diào)度平臺[10]、農(nóng)機物聯(lián)網(wǎng)平臺[11]等。這些平臺滿足了一定的應用需求,如作業(yè)面積計量、作業(yè)補貼發(fā)放和遠程運行維護等,但存在平臺重復建設、運行效益低下、未能解決節(jié)本增效和節(jié)能環(huán)保等問題。如何構(gòu)建一個服務于農(nóng)民科學種田、政府補貼發(fā)放和促進節(jié)能環(huán)保的精準農(nóng)業(yè)服務體系,顯得異常必要和緊迫。
在智能農(nóng)機系統(tǒng)的快速發(fā)展及其社會化與專業(yè)化服務的發(fā)展趨勢下,本研究提出基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(北斗系統(tǒng))構(gòu)建大田智慧農(nóng)業(yè)精準服務體系,在精確導航的基礎上,發(fā)展精準作業(yè)和精細管理,形成較為完備的精準農(nóng)業(yè)技術(shù)、裝備和服務體系,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、增加農(nóng)民收入和促進農(nóng)業(yè)農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展,為國家農(nóng)業(yè)財政補貼發(fā)放和肥藥減施監(jiān)測與補助等提供可靠的技術(shù)手段。
2 北斗系統(tǒng)概況
北斗系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要,自主建設、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Satellite Navigation System,GNSS),是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。2012年年底,中國建成北斗二號系統(tǒng),向亞太地區(qū)提供服務,并計劃在2020年前后,建成北斗全球系統(tǒng),向全球提供服務。2035年前還將建設完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系[12-15]。
北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成??臻g段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星三種軌道衛(wèi)星組成混合導航星座。地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站。用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎產(chǎn)品,以及終端產(chǎn)品、應用系統(tǒng)與應用服務等。
隨著北斗系統(tǒng)建設和服務能力的發(fā)展,相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災減災、應急搜救等領(lǐng)域,逐步滲透到人類社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面,為全球經(jīng)濟和社會發(fā)展注入新的活力。
2013年4月,在北斗二號系統(tǒng)建成并開始提供區(qū)域服務之際,為促進中國精準農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備發(fā)展和北斗系統(tǒng)農(nóng)業(yè)應用,財政部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在國家農(nóng)機購置補貼目錄中,增加“精準農(nóng)業(yè)設備”小類,對“農(nóng)業(yè)用北斗終端(含漁船用)”進行財政補貼[4]。該補貼政策的實施,促進了一批衛(wèi)星導航企業(yè)和農(nóng)機主機企業(yè)研制北斗農(nóng)機自動駕駛導航系統(tǒng),形成了良好的技術(shù)和市場競爭格局。截止到2019年9月,據(jù)作者初步統(tǒng)計,北斗農(nóng)機自動駕駛導航系統(tǒng)已累計推廣近3萬臺(套)。
3 北斗系統(tǒng)農(nóng)業(yè)應用概況
當前,北斗系統(tǒng)在中國農(nóng)機化領(lǐng)域中的規(guī)?;瘧弥饕w現(xiàn)在3個方面:農(nóng)機精確導航、農(nóng)機精準作業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細管理。
3.1 農(nóng)機精確導航應用
農(nóng)機自動駕駛導航技術(shù)可以降低勞動力成本,緩解高技能勞動力的不足,同時可以提高作業(yè)質(zhì)量(例如棉花播種作業(yè)對行精度優(yōu)于±2.5cm)、提高土地利用率和延長作業(yè)時間[16-18]。在東北、西北和華北等種植區(qū),該技術(shù)得到了規(guī)?;膽猛茝V(圖1)。當前,由于安裝、調(diào)試和維護更為簡便,方向盤式自動駕駛導航系統(tǒng)的應用日益普遍。
(a) 播種作業(yè)現(xiàn)場
(b) 精確播種的棉花
3.2 農(nóng)機精準作業(yè)應用
精準農(nóng)業(yè)的核心思想是按需精確投入水、種、肥、藥等生產(chǎn)資料,在實現(xiàn)節(jié)本增效的同時,盡可能地減輕環(huán)境污染,實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[19,20]??偟膩碚f,中國尚未規(guī)模化地推廣應用變量播種[21,22]、變量施肥[23]、變量施藥等精準作業(yè)技術(shù)和裝備。
近年來,無人機植保發(fā)展迅速,在眾多化學防治病蟲草害應用中,滿足了對施藥的效果、效率、安全和環(huán)保要求[24-26]。截至2018年底,中國已有登記3.15萬架農(nóng)用無人機投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn),作業(yè)面積達2.67億畝次[27]。植保作業(yè)對象幾乎覆蓋了全部糧食作物和各種經(jīng)濟作物。高精度GNSS差分導航定位技術(shù)的應用[28,29],使得植保無人機的操縱更為簡單,可以實現(xiàn)全自主飛行和作業(yè),還可以根據(jù)地形和作物的具體情況,進行仿地飛行和定高飛行[27]。
此外,基于RTK-GNSS高精度導航定位的無人機遙感監(jiān)測技術(shù),也得到了一定的應用,在作物長勢監(jiān)測(圖2)和病蟲害診斷等方面,取得了一定的應用實效[30-32]。
3.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細管理應用
基于混合數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理與決策服務具有廣闊的應用前景[3],但中國當前主流應用是農(nóng)機作業(yè)監(jiān)管。
3.3.1 面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織的農(nóng)機作業(yè)監(jiān)管應用
隨著農(nóng)業(yè)合作社、農(nóng)機合作社的不斷發(fā)展壯大,利用空間信息技術(shù)進行資源、計劃和生產(chǎn)管理越來越普遍[33,34]。例如,在采棉機上安裝北斗定位與作業(yè)監(jiān)測終端,機采棉公司可以實現(xiàn)作業(yè)計劃、進度統(tǒng)計、保養(yǎng)記錄、管理調(diào)度等功能,顯著地提高了企業(yè)的管理效率,達到了良好的節(jié)本增效目的[35]。
3.3.2 面向主機企業(yè)的農(nóng)機遠程運維應用
基于農(nóng)業(yè)機械的實時位置、工作狀況和作業(yè)狀況等信息,建立農(nóng)機位置服務平臺,可以提高作業(yè)計量、資產(chǎn)管理、作業(yè)調(diào)度和維修保養(yǎng)等工作效率,降低管理服務成本。當前,面向主機企業(yè)的農(nóng)機位置服務平臺已得到一定程度的應用,例如雷沃阿波斯的智慧農(nóng)業(yè)解決方案iFarming[11]。
3.3.3 面向主管部門的農(nóng)機化管理應用
典型的面向主管部門的農(nóng)機化管理應用主要包括:農(nóng)機購置補貼“三合一”試點要求輪式拖拉機、自走輪式谷物聯(lián)合收割機安裝衛(wèi)星定位終端[36],對補貼機具進行跟蹤管理;江西省農(nóng)機局要求補貼額1萬元及以上的大中型機具必須配備衛(wèi)星定位裝置;各省市農(nóng)機深松作業(yè)監(jiān)管應用和秸稈還田作業(yè)監(jiān)管應用等。
4 農(nóng)機社會化精準服務體系
大田智慧農(nóng)業(yè)的農(nóng)機社會化精準服務體系的構(gòu)建,是在以物質(zhì)裝備為核心要素的農(nóng)機社會化服務基礎上,發(fā)展以“智能裝備+信息知識”為核心要素的農(nóng)機精準服務[7]。由于中國的農(nóng)機作業(yè)本就以農(nóng)機社會化服務為主,在此基礎上發(fā)展農(nóng)機精準作業(yè)服務具有較好的先天優(yōu)勢。
4.1 農(nóng)機社會化服務
中國政府持續(xù)鼓勵土地流轉(zhuǎn),支持建設農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社,引導集約化和規(guī)?;a(chǎn)[37]。部分合作社經(jīng)營的土地規(guī)模達到甚至超過了美國家庭農(nóng)場的土地規(guī)模。但由于難以連片流轉(zhuǎn),土地仍然比較分散,致使合作社無法像美國家庭農(nóng)場那樣選用效率高、數(shù)量少的大型農(nóng)機裝備,只能使用數(shù)量眾多的中小型農(nóng)機裝備。為了提高農(nóng)機作業(yè)效率和人員管理效率,發(fā)展農(nóng)機服務專業(yè)合作社是必然選擇。在完成土地成片流轉(zhuǎn)之前,農(nóng)機合作社為農(nóng)業(yè)合作社和小農(nóng)戶提供農(nóng)機社會化服務將是一種常態(tài)。
4.2 農(nóng)機精準作業(yè)服務
智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備在智能裝備的基礎上融入了信息知識,普通農(nóng)民往往難以直接領(lǐng)悟和全面接受與應用[4]。例如,大田作物的肥料使用往往包括底肥和追肥,為此需要開展田間土壤取樣和養(yǎng)分分析,以及作物長勢監(jiān)測與營養(yǎng)診斷。以上專業(yè)化的技術(shù)和知識難以為普通農(nóng)民所熟練掌握和應用,即使能夠掌握也無法體現(xiàn)規(guī)模效益。因而,在發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備的同時,應大力發(fā)展社會化的精準作業(yè)服務,使智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)落地生根和產(chǎn)生效益。
美國普渡大學(Purdue University)開展的精準農(nóng)業(yè)經(jīng)銷商調(diào)查結(jié)果也充分反映了美國精準服務(Precision Service)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢。調(diào)查表明,與2017年相比,2019年的網(wǎng)格/區(qū)域土壤采樣、衛(wèi)星和無人機成像、產(chǎn)量測圖等感知技術(shù)服務,均呈現(xiàn)上升趨勢。例如,網(wǎng)格和區(qū)域土壤采樣經(jīng)過10多年的發(fā)展,從只有大約一半的經(jīng)銷商提供服務,發(fā)展到2015年的67%和2017的82%,到2019年的89%。10年前,約一半的經(jīng)銷商提供變量施肥應用,2015年提高到69%,2017年提高至81%,2019年是88%。另外,90%的經(jīng)銷商使用自動導航和3/4的經(jīng)銷商提供基于GPS驅(qū)動噴桿/噴嘴控制的噴霧器[3]。
4.3 社會化與精準化服務融合發(fā)展
4.3.1 發(fā)展目標
國家農(nóng)業(yè)支持政策是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基石[38]??v觀發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)政策發(fā)展歷程,均根據(jù)當時的國內(nèi)與國際的實際現(xiàn)狀,進行調(diào)整和優(yōu)化。因而,農(nóng)機社會化精準服務體系應緊跟國家農(nóng)業(yè)政策,著重支持農(nóng)民實現(xiàn)節(jié)本增效,支持政府惠民措施與節(jié)能環(huán)保要求的落實。因此,農(nóng)機社會化精準服務體系應服務于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、提高農(nóng)產(chǎn)品國際競爭力、增加農(nóng)民收入和服務于農(nóng)業(yè)農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展,始終與國家農(nóng)業(yè)政策的供給目標、收入目標、環(huán)境目標和社會目標相一致。
4.3.2 發(fā)展要點
農(nóng)機社會化精準服務體系構(gòu)建的要點是瞄準如何提高農(nóng)民生產(chǎn)收益、促進農(nóng)機社會化服務、落實政府惠民補助和相關(guān)監(jiān)管要求。在某些方面(如肥藥減施),農(nóng)民的目標與政府的目標往往存在差異甚至矛盾,要推動相關(guān)措施的施行,就需要政府給予農(nóng)民相應的技術(shù)支持或財政補貼,使二者相向而行。
當前,基于深松監(jiān)測系統(tǒng)等數(shù)據(jù),政府可以根據(jù)作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)面積向農(nóng)民精準地發(fā)放作業(yè)補貼,但這種技術(shù)手段仍屬于誠信監(jiān)管層面,并沒有實質(zhì)性地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技含量,肥藥雙減等重要目標仍然難以有效推進。鑒于此,本研究提出基于北斗系統(tǒng)提供的精確時間與位置,結(jié)合肥藥變量控制器及其流量監(jiān)測傳感器,準確記錄肥藥施用量,政府據(jù)此給予達到目標的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織和農(nóng)機服務組織相應的財政補貼,并以此引導農(nóng)民積極采用肥藥雙減措施,推動相應技術(shù)裝備的發(fā)展與應用。
4.3.3 體系結(jié)構(gòu)
農(nóng)機社會化精準服務體系的核心成員是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織、農(nóng)機服務組織、相關(guān)農(nóng)業(yè)主管部門以及第三方數(shù)據(jù)管理服務組織,農(nóng)機社會化精準服務平臺供應商、農(nóng)機制造商和信息服務商要為精準服務的實現(xiàn)提供智能農(nóng)機技術(shù)、裝備與平臺(圖3)。由此可見,該體系是一個復雜而完整的生態(tài)系統(tǒng)。
圖3中,農(nóng)機服務組織(供給側(cè))根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織(需求側(cè))的生產(chǎn)作業(yè)需求,基于農(nóng)機社會化精準服務平臺,利用智能農(nóng)機系統(tǒng)開展精準作業(yè)服務,并在農(nóng)機生產(chǎn)作業(yè)過程中,對作業(yè)質(zhì)量和肥藥用量等進行精準控制和監(jiān)測,將作業(yè)軌跡和作業(yè)數(shù)據(jù)回傳至農(nóng)業(yè)主管部門指定的第三方數(shù)據(jù)管理服務組織。針對肥藥減施、深松監(jiān)測、秸稈還田和免耕作業(yè)等具有節(jié)能環(huán)保效益的生產(chǎn)作業(yè),有關(guān)農(nóng)業(yè)主管部門可以套餐形式,給予達到作業(yè)標準的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織相應的財政補貼,以通過成本補償和效益激勵,引導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織和農(nóng)機服務組織采用先進技術(shù)開展社會化精準服務,從而達到節(jié)本增效與節(jié)能環(huán)保等目的。
總而言之,農(nóng)機社會化精準服務體系的設計應兼顧技術(shù)模式、應用模式和商業(yè)模式,應使得技術(shù)運用實現(xiàn)閉環(huán)、核心成員實現(xiàn)共贏、行業(yè)效益得到提升,真正體現(xiàn)科學技術(shù)的第一生產(chǎn)力作用。
4.3.4 關(guān)鍵技術(shù)設計
農(nóng)機社會化精準服務體系的構(gòu)建,主要包括以下主要關(guān)鍵技術(shù)。
(1)農(nóng)機智能網(wǎng)關(guān)技術(shù),用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和傳輸。該網(wǎng)關(guān)應基于ISO 11783協(xié)議,具備高精度GNSS定位、主機工況數(shù)據(jù)采集、機具作業(yè)數(shù)據(jù)采集、圖像或視頻信息采集和移動通信等功能,能夠向數(shù)據(jù)的所有者、需求方或監(jiān)管方提供數(shù)據(jù)定向傳輸服務。通過應用該技術(shù),達到僅用一個智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)主機及機具全部數(shù)據(jù)遠程采集的目標。
(2)肥藥變量控制與計量技術(shù),用于實現(xiàn)和監(jiān)督肥藥雙減、作業(yè)質(zhì)量等。該技術(shù)基于流量控制工作原理,根據(jù)作業(yè)處方圖,進行肥藥精準變量施用,并將施用量通過計量傳感器和智能網(wǎng)關(guān)回傳至指定的數(shù)據(jù)平臺。作業(yè)處方圖制作的前提是掌握土壤養(yǎng)分、作物長勢和病蟲害等空間分布,并基于相應的決策系統(tǒng)進行肥藥選擇和確定其空間分配。
(3)數(shù)據(jù)管理服務技術(shù),用于作業(yè)數(shù)據(jù)的管理與服務。數(shù)據(jù)管理服務系統(tǒng)由政府指定的第三方建設和維護,實現(xiàn)原始作業(yè)數(shù)據(jù)管理和作業(yè)量的精準統(tǒng)計與校驗,配合政府進行作業(yè)抽檢,為肥藥減施等目標規(guī)劃和技術(shù)指標的制訂提供數(shù)據(jù)分析與支持服務。其中,大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是數(shù)據(jù)管理服務的重要支撐,應通過大數(shù)據(jù)分析,及時、全面、準確地評估當前現(xiàn)狀、區(qū)域差異和規(guī)劃下一階段目標與指標。
(4)專業(yè)應用服務平臺技術(shù),用于為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織、農(nóng)機服務組織和農(nóng)機制造商等提供平臺服務,輔助操作手更好地運用智能農(nóng)機系統(tǒng),應具備資源管理、生產(chǎn)決策、作業(yè)計劃、作業(yè)調(diào)度、作業(yè)監(jiān)測和作業(yè)統(tǒng)計等功能。應用服務平臺應能兼容不同的智能農(nóng)機系統(tǒng),為農(nóng)機服務組織提供全面的生產(chǎn)管理服務。
4.3.5 體系作用
農(nóng)機社會化構(gòu)建可起到如下作用:
(1)可作為農(nóng)機社會化服務結(jié)算和政府的農(nóng)機作業(yè)補助發(fā)放的精準依據(jù),并可通過系統(tǒng)整合,解決當前信息化系統(tǒng)林立,數(shù)據(jù)不共享,且效率低下的問題。
(2)有利于國家調(diào)整有關(guān)農(nóng)業(yè)補貼政策。例如,購機補貼在農(nóng)機化過程中起到了至關(guān)重要的推動作用,但其弊端也日漸顯著,建立精準服務體系將有利于補貼政策從購機補貼向作業(yè)補貼過渡。
(3)有利于促進精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的全面應用。以肥藥等農(nóng)資的實際使用作為監(jiān)管和補助的依據(jù),既可以落實肥藥雙減等重要目標,同時又起到了推廣精準農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備的作用。
5 結(jié)論
農(nóng)機精確導航技術(shù)正在中國大田種植領(lǐng)域得到規(guī)模化應用,但農(nóng)機精準作業(yè)技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細管理技術(shù)的應用仍進展緩慢,精準農(nóng)業(yè)服務體系尚未完成構(gòu)建,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)本增效和節(jié)能環(huán)保等主要目標的實現(xiàn)仍缺乏科學的技術(shù)手段。
本研究提出以節(jié)本增效和節(jié)能環(huán)保為主要目標,融合農(nóng)機社會化服務和農(nóng)機精準化服務,發(fā)展中國農(nóng)機社會化精準服務體系,在詳細介紹了北斗系統(tǒng)及在農(nóng)業(yè)應用的基礎上,重點闡述了農(nóng)機社會化服務體系的發(fā)展目標、發(fā)展要點、體系結(jié)構(gòu)和體系作用。該體系是一個復雜而完整的生態(tài)系統(tǒng),核心成員各司其職,以合作共贏的方式,實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應用。
參考文獻
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