基于4G/LORA混合組網(wǎng)方式的電纜隧道工井水位在線監(jiān)測和主動(dòng)排水系統(tǒng)

嚴(yán)有祥 林智雄 陳鴻 陳偉 王俊葳 曾麟

摘要：當(dāng)前國內(nèi)外針對地下電纜隧道水位在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、反饋并主動(dòng)排水的解決通信和能源難題的研究相對較少，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及應(yīng)用下，為隧道水位監(jiān)測工作提供新的技術(shù)支撐，使監(jiān)測技術(shù)得到優(yōu)化創(chuàng)新。在此背景下，將物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算技術(shù)等引入電纜隧道水位監(jiān)測與排水研究中，可使現(xiàn)存的積水問題得到良好解決。對此，本文針對電纜隧道中積水問題設(shè)計(jì)水位在線監(jiān)測與主動(dòng)排水系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行分析，并闡述系統(tǒng)的主要功能、數(shù)據(jù)傳輸與多源無線組網(wǎng)、單元實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。力求通過本文研究，使電纜隧道中的水位情況能夠得到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測，避免嚴(yán)重的電纜安全事故發(fā)生，保障用戶與從業(yè)者的生命財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：電纜隧道工井水位;在線監(jiān)測;主動(dòng)排水;混合組網(wǎng)

引言：當(dāng)前城市化建設(shè)如火如荼，人們生產(chǎn)生活用電需求增加，對電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)提出更高要求，加上地下電纜建設(shè)與投運(yùn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對電纜安全運(yùn)行、水位在線監(jiān)測等要求也逐漸提升。在此背景下，應(yīng)將物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算技術(shù)等引入其中，對電纜隧道水位進(jìn)行科學(xué)監(jiān)管，并針對混合組網(wǎng)電纜隧道創(chuàng)建一套水位在線監(jiān)測與自動(dòng)排水系統(tǒng)，可在超水位線時(shí)向責(zé)任人及時(shí)預(yù)警，同時(shí)現(xiàn)場自動(dòng)排水，使積水問題得到及時(shí)和有效的解決。

一、在線監(jiān)測與主動(dòng)排水現(xiàn)狀與最優(yōu)方案確定

在社會(huì)生產(chǎn)生活中，電力作為基礎(chǔ)設(shè)施與能源，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有不可替代的位置。當(dāng)前城市化進(jìn)程不斷深入，用電需求量也隨之增加。電力電纜作為電網(wǎng)設(shè)施之一，在電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在地下電纜建設(shè)與投運(yùn)規(guī)模日益擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，對電纜安全運(yùn)行提出更高要求。雖然在電纜隧道敷設(shè)中做了防水、排水等處理，避免電纜長期浸泡在水中，使電纜接頭與水接觸發(fā)生安全事故。但在實(shí)際應(yīng)用中，仍然因結(jié)構(gòu)滲漏水、敞口雨水等因素影響，使隧道積水情況時(shí)有發(fā)生，在線監(jiān)測與主動(dòng)排水現(xiàn)狀不夠樂觀。如若積水未能及時(shí)排除，很容易淹沒電纜，對電纜巡檢與維修工作帶來較大不便，甚至引發(fā)嚴(yán)重的電纜安全事故，影響人員安全與各項(xiàng)工作的順利開展。據(jù)調(diào)查，廈門地區(qū)地下水位較高，個(gè)別電纜隧道、接頭位置很容易出現(xiàn)積水情況，對電纜本體、排水設(shè)施等構(gòu)成較大威脅[1]。當(dāng)前，電纜井與隧道積水以人工巡視為主，無法及時(shí)發(fā)覺積水情況，需要設(shè)置水位在線監(jiān)測裝置，從而實(shí)時(shí)掌握隧道低洼地區(qū)積水情況，并在積水上升到指定位置時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為該項(xiàng)問題最佳解決措施，可借助物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算技術(shù)，對隧道水位進(jìn)行有效監(jiān)管，并與實(shí)際情況相結(jié)合，創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集語境系統(tǒng)，在隧道地理空間基礎(chǔ)上進(jìn)行定位導(dǎo)航，使隧道安全運(yùn)維手段更加完善，全面提高隧道管理水平。

當(dāng)前國內(nèi)外重點(diǎn)對電纜層、隧道水位監(jiān)測、自動(dòng)排水原理進(jìn)行研究，將其分為浮力法、浮力磁力法、浮力重力法等，將信號傳輸分成直流信號、交流信號、無線信號三種。其中，浮力法的原理是利用浮體監(jiān)測水位，使浮體連桿作用到開關(guān)上，采集水位信號;重力法原理在于利用浮體監(jiān)測水位，借助滑輪鋼絲繩牽動(dòng)重陀，將其作用到微動(dòng)開關(guān)上，由此采集隧道內(nèi)的水位信息;磁力法是借助浮體監(jiān)測水位，將磁鐵安裝到浮體上，二者共同作用于干簧管，由此采集水位信號;還對傳感器電路法進(jìn)行研究，即利用傳感器監(jiān)測水位，將水位信息傳遞到電路內(nèi)，由電路做出相應(yīng)反應(yīng)，進(jìn)而獲得隧道內(nèi)水位信號。每種信號傳輸方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，方案對比如下表1所示。通過歸類對比分析，堅(jiān)持高可靠性原則，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成兩個(gè)獨(dú)立部分，即用傳感器電路法進(jìn)行自動(dòng)排水控制，與220V低壓交流電系統(tǒng)相連接進(jìn)行控制，采用非接觸式傳感進(jìn)行水位告警信號傳輸，將信號接入4G無線通信網(wǎng)，實(shí)時(shí)傳送給責(zé)任人[2]。

二、在線監(jiān)測與主動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)前自動(dòng)化水平逐漸提升，電纜隧道敷設(shè)方式成為潮流趨勢，可使電纜實(shí)際載流量得以提升，運(yùn)行壽命得以延長。隨著電纜隧道規(guī)模逐漸擴(kuò)大，許多隧道穿過含水量較多的地層，地表水順著覆蓋層縫隙、孔洞等滲透到隧道之中，加上排水設(shè)施不夠完善，很容易導(dǎo)致隧道內(nèi)部積水，使電纜長期浸泡在水中，中間接頭受潮，形成水樹枝放電，造成電纜故障等安全事故。本文聯(lián)合應(yīng)用了4G傳輸技術(shù)以及近年來新興的LORA網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了電纜隧道工井水位在線監(jiān)測和主動(dòng)排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三項(xiàng)內(nèi)容，即水位傳感監(jiān)測、管理系統(tǒng)、邊緣計(jì)算控制器系統(tǒng)。

1.水位傳感監(jiān)測。該設(shè)備的作用在于井下水位監(jiān)測，依靠非接觸式電容監(jiān)測技術(shù)，可對積水情況定性測量;水位傳感器可順著電纜隧道設(shè)置在凹陷區(qū)域，為隧道內(nèi)全部水位情況獲取提供便利，且內(nèi)部設(shè)置鋰電池，無需外界電源供應(yīng)，且安全可靠;

2.管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)作用在于井下水位動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測;由專業(yè)管理者對整個(gè)系統(tǒng)用戶進(jìn)行管理，并根據(jù)用戶角色不同設(shè)置相應(yīng)的使用權(quán)限，提供實(shí)時(shí)告警、水位監(jiān)測、歷史監(jiān)測、排水設(shè)施工況監(jiān)測登功能，用戶在登錄系統(tǒng)后可使用自身權(quán)限對應(yīng)的功能，還可自由查詢和修改基本信息;

3.邊緣計(jì)算控制器安裝到隧道的水泵控制箱或通風(fēng)井位置，有助于直接對接排水設(shè)施和連接內(nèi)部LORA信號與外部4G信號進(jìn)行信息傳輸。邊緣計(jì)算控制器作用在于現(xiàn)場水泵聯(lián)動(dòng)與預(yù)警分析，在靠近數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，利用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算與應(yīng)用能力為一體的開放平臺，提供最近端服務(wù)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

（二）技術(shù)機(jī)理

該系統(tǒng)的液位傳感器利用不同介質(zhì)中電容變化原理，對水位進(jìn)行監(jiān)測。采用擬合差分邊緣計(jì)算技術(shù)，可有效避免因介質(zhì)不同導(dǎo)致水位失準(zhǔn)的情況發(fā)生，且由鋰電池供電，無需充電，安裝簡便，最低可使用5年，且支持多種環(huán)境應(yīng)用。通過液位監(jiān)測標(biāo)簽可收集實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，結(jié)合隧道現(xiàn)場需求，可采用LORA/2.4G/NB-loT/4G等多樣化通信方式。在通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋過程中，可借助運(yùn)營商N(yùn)B/GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)無法接收運(yùn)營商信號時(shí)，可利用自建LORA基站進(jìn)行一對多組網(wǎng)通信，可將1000m范圍內(nèi)的信號傳輸給監(jiān)測主站，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息傳遞、告警等功能。同時(shí)，利用云計(jì)算分析物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)信息，對監(jiān)測點(diǎn)液位變動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)判，為隧道積水監(jiān)控提供全面的數(shù)據(jù)支持[3]。

（三）主要功能

該系統(tǒng)的整體功能如圖2所示。主要包括基礎(chǔ)管理、監(jiān)測及邊緣計(jì)算、業(yè)務(wù)管理等內(nèi)容。整體功能如下。

1.傳感設(shè)備管理。主要作用是管理設(shè)置在井下的傳感器，重點(diǎn)管理設(shè)備名稱、位置等信息;

2.GIS地圖。在GIS地圖中可實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測點(diǎn)位置信息、狀態(tài)信息、告警等，還可通過文本形式獲得水位信息、告警狀態(tài)以及歷史記錄等相關(guān)信息;

3.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與管理。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面，該系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備名稱、位置以及告警信息等進(jìn)行報(bào)表查詢，并通過圖文方式呈現(xiàn)出來?？蓪?shí)時(shí)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、查詢。在數(shù)據(jù)管理中，可將井下水位超過告警模型時(shí)的預(yù)警情況記錄下來，并由系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送信息給值班人員;

4.微信小程序。在小程序中用戶可查看GIS地圖，接收定位與告警信息，享受導(dǎo)航定位服務(wù)等，系統(tǒng)管理人員可實(shí)時(shí)了解井下水位變化情況，便于及時(shí)處理異常問題，避免積水和安全事故發(fā)生[4]。

（四）軟件開發(fā)

邊緣計(jì)算控制器程序啟動(dòng)會(huì)等待監(jiān)測點(diǎn)信號，邊緣計(jì)算控制器的控制指令分為啟動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、關(guān)閉三種。在監(jiān)測點(diǎn)信號獲取后，進(jìn)行模型分析，并根據(jù)結(jié)果判斷是否發(fā)送啟動(dòng)指令后，系統(tǒng)會(huì)向水泵發(fā)布命令，并將A/D轉(zhuǎn)換后的電流互感器信息上傳;在接收數(shù)據(jù)采集指令后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)上傳水位傳感器信息;在接收關(guān)閉指令后，可向水泵發(fā)出控制命令。將P0口與撥碼開關(guān)相連，撥碼開關(guān)數(shù)據(jù)即變送器地址。監(jiān)控軟件依靠人機(jī)界面使值班人員能夠迅速準(zhǔn)確的把握隧道中各水位監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和水泵動(dòng)作信息，對隧道水患預(yù)防運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行靈活控制與調(diào)節(jié)，軟件開發(fā)可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1.水位監(jiān)測功能。系統(tǒng)可對隧道中積水深度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦水位超過某個(gè)指標(biāo)，便會(huì)發(fā)出警報(bào)，并同時(shí)發(fā)出水泵啟動(dòng)信號[5];

2.日常采集功能。在日常運(yùn)行中，通過周期采集與水位變化情況分析，將相關(guān)水位信息進(jìn)行采集和展示，并實(shí)時(shí)與客戶端聯(lián)動(dòng)，用戶可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，如電子地圖、表格界面等。在表格界面中包括數(shù)據(jù)類、報(bào)警類、故障類等多種形式，可將每日水位情況進(jìn)行排列，單機(jī)表格中任意一點(diǎn)，可彈出測點(diǎn)數(shù)據(jù)窗口，對其詳細(xì)查詢和設(shè)置，便可直觀形象的看到報(bào)警與故障情況，還可通過圖表形式將水位信息表格內(nèi)容展現(xiàn)出來;

（五）硬件支撐

該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心，由RS485接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、看門狗以及電流互感器等內(nèi)容構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂破骼盟粋鞲衅餍盘栠M(jìn)行水位監(jiān)測，通過指令設(shè)定水泵控制器參數(shù)。一旦隧道中水位變動(dòng)大于設(shè)定值，邊緣計(jì)算控制器可向控制器發(fā)出啟動(dòng)指令。利用A/D轉(zhuǎn)換電路將水泵三相電源、電流值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，傳遞到單片機(jī)內(nèi)，完成水泵狀態(tài)檢測目標(biāo)。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，水泵控制器通過電流互感器檢測水泵運(yùn)行電流，對水泵狀態(tài)進(jìn)行判斷。當(dāng)水泵發(fā)生故障時(shí)，對其發(fā)布停止工作的指令，并向監(jiān)控站發(fā)送故障信號。

該系統(tǒng)中水位傳感器選用非接觸式電容式，將其設(shè)置在隧道內(nèi)水位最低點(diǎn)。該設(shè)備兩側(cè)由完全封閉的筒體構(gòu)成，內(nèi)部設(shè)置有非接觸式電容傳感器和控制電路，可根據(jù)非接觸式電容傳感器的電容變化值分別獲取預(yù)警水位、報(bào)警水位、高/低水位，如圖4所示[6]。

傳感器一側(cè)利用螺塞設(shè)置在固定裝置上，當(dāng)隧道內(nèi)水位發(fā)生改變時(shí)，因不同水位接觸的電容量有所區(qū)別，導(dǎo)致傳感器開閉回路數(shù)量不盡相同。以水位傳感器開關(guān)回路數(shù)值為參考，對水位高度進(jìn)行判斷。該傳感器的技術(shù)原理在于水的導(dǎo)電性，傳感器整體設(shè)計(jì)按照工業(yè)類產(chǎn)品，在-20—70℃環(huán)境下運(yùn)行，與隧道內(nèi)溫度情況相適宜。該設(shè)備選用ABS材料，抗腐蝕性較強(qiáng)，且螺塞、絕緣套以及本體等部件相互配合，形成柱形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量佳、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等特點(diǎn)。

（六）程序?qū)崿F(xiàn)

1.感應(yīng)式水位采集器。為滿足高可靠性、低成本、長壽命的要求，采用基于感應(yīng)原理的傳感器作為基礎(chǔ)單元。該采集器主要采用電容變化原理實(shí)現(xiàn)水位檢測，無機(jī)械結(jié)構(gòu)、無需與水直接接觸，采用全密閉方式安裝。此種開關(guān)優(yōu)勢在于密封良好，電氣與外部絕緣，不會(huì)受到液體侵蝕。在水位點(diǎn)測量中，將多個(gè)感應(yīng)式水位采集器安裝在不同水位監(jiān)測點(diǎn)上，更可形成互為備份和校驗(yàn)的水位傳感器矩陣，更加可靠穩(wěn)定了解隧道中積水情況。

2.邊緣計(jì)算控制器。該設(shè)備可對水位傳感器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將其變?yōu)楸O(jiān)測點(diǎn)水位值后，依靠本地計(jì)算進(jìn)行水泵控制，再利用內(nèi)部邏輯計(jì)算，得出水泵當(dāng)前狀態(tài)。一旦發(fā)生異常情況，及時(shí)發(fā)布告警信息，避免出現(xiàn)較大安全事故;在監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有關(guān)人員將邊緣計(jì)算控制器、水位傳感器結(jié)合起來，形成一個(gè)工作單元，并與系統(tǒng)后臺之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了水位監(jiān)測的可靠性。在實(shí)際控制中，邊緣計(jì)算控制器的主要作用是監(jiān)控水位傳感器工作狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)支持內(nèi)部邏輯運(yùn)算，可對水泵進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常后，能夠在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)信息，防止出現(xiàn)二次風(fēng)險(xiǎn)[7]。數(shù)據(jù)傳輸采用了LORA自組網(wǎng)和4G混合組網(wǎng)技術(shù)，相關(guān)方式具有成本低、技術(shù)成熟，在使用過程中不產(chǎn)生其他費(fèi)用。此外，混合組網(wǎng)技術(shù)也能夠?qū)νㄐ胚M(jìn)行全覆蓋，可做到根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，對不同的傳輸方式進(jìn)行選擇，極大提高了在線監(jiān)測和主動(dòng)排水系統(tǒng)的性能，為電纜隧道積水監(jiān)控提供了技術(shù)保障。

三、在線監(jiān)測與主動(dòng)排水系統(tǒng)在線安裝問題與解決措施

（一）安裝問題

該系統(tǒng)安裝之前，應(yīng)在測量水位的隧道合適位置采用膨脹螺栓將固定卡口固定，再將感應(yīng)式水位采集器固定在卡口上，感應(yīng)式水位采集器位置以水位標(biāo)示線對準(zhǔn)水位線為準(zhǔn)。感應(yīng)式水位采集器是根據(jù)不同介質(zhì)中電容發(fā)生改變的原理進(jìn)行水位監(jiān)測，由鋰電池供電，裝置安裝便利，使用壽命長，且能夠采用LORA自組網(wǎng)技術(shù)將自身采集的信號向外傳送，可在水下5m內(nèi)正常運(yùn)行。本系統(tǒng)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，感應(yīng)式水位采集器與邊緣計(jì)算控制器無需有線連接且可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行一對一、一對多多種部署方式，在現(xiàn)場安裝時(shí)如何完成設(shè)備自動(dòng)組網(wǎng)，需要一個(gè)簡單有效的方法。

（二）解決措施

針對上述問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對碼按鈕，在現(xiàn)場安裝完成后，可通過對碼按鈕按下開始現(xiàn)場自組網(wǎng)檢測，如邊緣計(jì)算控制器檢測到附近的感應(yīng)式水位采集器信號，將會(huì)進(jìn)行展示并等待確認(rèn)，確認(rèn)后，即完成自組網(wǎng)。

在感應(yīng)式水位采集器安裝完畢后，對于水位低于正常測量值的情況，自動(dòng)進(jìn)入低功耗非警戒狀態(tài)下運(yùn)行，減少設(shè)備損耗。例如，當(dāng)實(shí)際水位沒有達(dá)到正常水位值，或者雖然有所提升但仍未達(dá)到設(shè)置值時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入低功耗非警戒狀態(tài);如若遇到連續(xù)降雨天氣，當(dāng)隧道水位達(dá)到最高警戒值時(shí)，感應(yīng)式水位采集器自動(dòng)進(jìn)入偵測模式，發(fā)出報(bào)警，直至水位低于警戒值，如若隧道水位仍然處于警戒值，則一直處于偵測模式，直至水位恢復(fù)到警戒線下方位置。

（三）系統(tǒng)試運(yùn)行

該系統(tǒng)采用4G技術(shù)與LORA組網(wǎng)相結(jié)合的方式，后者擁有終端模塊成本低，且無其他日常費(fèi)用等優(yōu)勢?，F(xiàn)場設(shè)備與后臺系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)可利用4G/NB-IOT通信，十分成熟可靠，覆蓋面積較大，可根據(jù)實(shí)際傳輸需求靈活調(diào)整。在該系統(tǒng)運(yùn)行中，水位采集器可將所處位置的水位值實(shí)時(shí)傳遞給控制器中，由控制器將組內(nèi)全部水位值打包后，集中傳遞到后臺系統(tǒng)，并將電源狀態(tài)、水泵狀態(tài)等信息一同上傳。后臺在接收到無線指令后，可完成水位信息展示、告警、水泵工況監(jiān)測等。

該系統(tǒng)在廈門供電公司電纜中心安裝上線以來，運(yùn)行狀態(tài)良好，實(shí)際解決了電纜隧道長期困擾的水患監(jiān)測難題。取得的成效包括以下：

1.完成對現(xiàn)有的排水設(shè)施供電情況、水泵故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測、解決了現(xiàn)場因電源故障、水泵故障帶來的水患二次災(zāi)害;

2.實(shí)現(xiàn)了對于現(xiàn)場水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測、超限水位的告警，為水患災(zāi)害的及時(shí)響應(yīng)提供了有效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，大大降低了一線作業(yè)人員的巡檢壓力，提升了電纜中心對于水患災(zāi)害的預(yù)防和處置能力;

結(jié)論：綜上所述，當(dāng)前城市電纜地下建設(shè)范圍逐漸擴(kuò)大，電纜隧道的積水問題很容易引發(fā)安全事故，威脅人員生命安全。對此，在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)支持下設(shè)計(jì)的水位在線監(jiān)測與主動(dòng)排水系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，當(dāng)水位超過限定值時(shí)能夠自動(dòng)排水，在必要的情況下人工輔助排水，使電纜隧道中長期積水問題得到妥善解決，充分保障了電纜安全與用戶用電需求，大力推動(dòng)電纜建設(shè)工作順利高效開展。

參考文獻(xiàn)：

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