CN102116735B - 一种汽车排放物遥感检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车排放物遥感检测系统及方法，该系统其包括辐射源、辐射探测单元和处理单元，所述处理单元包括：用于根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度的模块；用于根据CO₂的百分比浓度，分别计算每种尾气成分的百分比浓度的模块。实施本发明的汽车排放物遥感检测系统及方法无需通过求解化学计量燃烧方程以计算CO₂的浓度；无需假设燃料或尾气中的氢碳含量；使用探测器测量的信号读数，生成正确的CO₂浓度；在测量过程中，无需假设车辆理想配比地操作(例如，以最优的空燃比)；在遥感测量的实时，对每一车辆，根据尾气烟羽计算CO₂浓度。

Description

一种汽车排放物遥感检测系统及方法

技术领域

本发明涉及遥感检测系统及方法，更具体地说，涉及一种汽车排放物遥感检测系统及方法。

背景技术

现有技术中存在一些计算CO₂百分比浓度的方法，例如Stedman等在美国专利NO.5498872中所公开的方法，以及Jack等在美国专利NO.5831267中所公开的方法。他们的方法相类似，因为他们都是基于化学计量燃烧方程和维持元素的原子平衡。他们化学计量燃烧的假设是有缺陷的，因为当车辆未在化学计量的条件下操作时，其计算方法将出现错误。

Stedman等和Jack等均假设尾气中CO₂百分比浓度是已知的且为常数，在他们的方法中％CO₂通过解化学计量燃烧方程获得。Stedman假设氢和碳在燃料和尾气中的比值均为2∶1。Jack假设氢和碳的比值在燃料中位1.85∶1，在废气中的比值为2.33∶1。

在美国专利NO.5831267，Jack等提及另一种计算尾气的含量的方法，其使用遥感检测到得大量的车辆所获得的平均的典型的二氧化碳浓度。尽管该方法使用大量的车辆样本，其所产生的缺陷在于对所有的测试车辆，不管车辆的大小和引擎容量，仅仅得出单一的、平均的CO₂值。该缺陷导致两个不利因素：(1)未考虑测试车辆的任何性质或参数，将该相同的CO₂百分比浓度值用于所有的测试主体，存在内在错误。(2)未考虑在遥感测试的过程中，车辆的空燃比，相反，其对于所有车辆仅考虑化学计量(例如，最有效的空燃比混合物)。这些方法假设引擎中的燃烧总是化学计量，例如总是最有效的空燃比。另外，该方法还基于假设引擎总是以最有效的空燃比执行，其实并非如此。这些假设和错误将导致测量错误。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的汽车排放物遥感检测尾气成分浓度存在测量错误等缺陷，提供一种汽车排放物遥感检测系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种汽车排放物遥感检测系统，其包括：

辐射源，用于发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽，其中，所述多个预定波长带宽分别与CO₂和CO相关；

辐射探测单元，用于检测穿过汽车烟羽的所述多个预定波长带宽的光束；

处理单元，其与所述辐射探测单元连接，以分析和处理由辐射探测单元收集的数据，以根据与CO尾气成分相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算CO尾气成分与CO₂的信号读数比例值；

所述处理单元包括：

用于根据CO与CO2的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度的模块。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中，所述用于根据CO与CO2的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度的模块通过％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度；其中-25≤c≤25，-25≤d≤25，-25≤e≤25。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中，用于根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度的模块包括：

用于针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的CO/CO₂的信号读数比例值，线性拟合CO和CO₂线性对应关系的单元；

用于根据CO和CO₂线性对应关系，非线性拟合CO₂％与(％CO/％CO₂)之间的二次多项式对应关系％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e的单元；

用于根据所述二次多项式对应关系和CO/CO₂的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度的单元。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中，所述CO和CO₂线性对应关系为CO₂＝a×(CO)+b；其中-25≤a≤25，-25≤b≤25。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中，辐射源还用于发射与HC和NO_X相关的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽；所述处理单元还分别根据与HC和NO_X相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算HC和NO_X尾气成分分别与CO₂的信号读数比例值；所述处理单元还包括用于根据CO₂的百分比浓度，分别计算HC和NO_X尾气成分的百分比浓度的模块。

根据本发明的另一个方面，提供一种汽车排放物遥感检测方法，其包括以下步骤：

S1：发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽，其中，所述多个预定波长带宽分别与CO₂和CO相关；

S2：检测穿过汽车烟羽的所述多个预定波长带宽的光束；

S3：分析和处理由辐射探测单元收集的数据，以根据与CO尾气成分相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算CO尾气成分与CO₂的信号读数比例值；

S4：根据CO与CO2的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中，在步骤S4中根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度；其中-25≤c≤25，-25≤d≤25，-25≤e≤25。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中，所述步骤S4包括以下步骤：

S41：针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的CO/CO₂的信号读数比例值，线性拟合CO和CO₂线性对应关系；

S42：根据CO和CO₂线性对应关系，非线性拟合CO₂％与(％CO/％CO₂)之间的二次多项式对应关系％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e；

S43：根据所述二次多项式对应关系和CO/CO₂的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中，所述CO和CO₂线性对应关系为CO₂＝a×(CO)+b；其中-25≤a≤25，-25≤b≤25。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中，所述步骤S1还包括发射与HC和NO_X相关的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽；所述步骤S3还包括分别根据与HC和NO_X相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算HC和NO_X尾气成分分别与CO₂的信号读数比例值；

所述汽车排放物遥感检测方法还包括S5：根据CO₂百分比浓度，分别计算HC和NO_X尾气成分百分比浓度。

在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中，在所述步骤S5中，将CO₂百分比浓度与一种尾气成分和CO₂信号读数比例值相乘，计算该种尾气成分的百分比浓度。

实施本发明的汽车排放物遥感检测系统及方法，具有以下有益效果：无需通过求解化学计量燃烧方程(stoichiometric combustion equation)以计算CO₂的浓度；无需假设燃料或尾气中的氢碳含量；使用探测器测量的信号读数，生成正确的CO₂浓度；在测量过程中，无需假设车辆理想配比地操作(例如，以最优的空燃比)；在遥感测量的实时，对每一车辆，根据尾气烟羽计算CO₂浓度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1示出现有技术的汽车排放物遥感检测设备；

图2示出依据本发明的汽车排放物遥感检测系统的一实施例；

图3是本发明汽车排放物遥感检测方法的流程图；

图4是图3中步骤S4的具体流程图。

具体实施方式

符号表示：％CO₂表示CO₂的百分百浓度，％CO表示CO的百分百浓度。

在本发明的技术方案中，遥感技术利用CO₂和别的尾气成分(CO、HC和NO_X)在尾气中的分布和稀释度是类似的和成比例的，根据该概念，将别的尾气成分与CO₂的信号读数比例值乘以尾气烟羽中CO₂的百分比浓度，可得到尾气中别的尾气成分(CO、HC和NO_X)的浓度。其中，浓度读数的单位为百分比浓度(％)或百萬分比浓度(ppm)。遥感器测量排放气体和生成信号读数比例值：CO/CO₂、HC/CO₂、和NO_X/CO₂，为了获得CO₂、CO、HC和NO_X的浓度值，需要将以上信号读数比例值转换成％或ppm浓度读数。

图1示出现有技术的汽车排放物遥感检测设备，其中辐射源2发射出光束1，该光束1经过汽车4的尾气烟羽3，并通过镜面5反射到反射转盘6上。光束1依次由反射转盘7反射到反射镜组8的其中一个上；由此经过各自的滤波器9聚焦并反射到各自的探测器10上。

如图2所示是依据本发明的汽车排放物遥感检测系统的一实施例，该实施例的系统包括辐射源21，其用于发射出具有一组预定波长带宽的光束22，该组预定波长带宽分别与CO₂、CO、HC和NO_X相关；该光束22经过汽车24的尾气烟羽23。该系统进一步包括可修改辐射探测单元25、可选择的用于捕捉或记录汽车24的图像的图像捕捉单元28、可选择的用于探测汽车24的速度和加速度的速度和加速度探测器29、以及处理单元30，其中，处理单元30分别与速度和加速度探测器29、图像捕捉单元28和辐射探测单元25连接，以分析和处理分别通过单元25、28、29收集到的数据，以分别根据与一种尾气成分相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算该种尾气成分与CO₂的信号读数比例值。可修改辐射探测单元25用于接收穿过尾气烟羽23的该组预定波长带宽的光束22，其中，在到达设置在内部的一个或多个可拆卸和可扩展的探测元件27前，光束22可通过透镜26进行汇聚并加强。

可选的，处理单元30可分别与嵌入式的供电单元(图中未示)和/或嵌入式的无线通信单元(图中未示)连接。

辐射源21发射出电磁辐射，用于汽车尾气排放的吸收光谱检测。优选的，辐射源21可包括市场上随意可获得的产品，如红外线(IR)、近红外线(NIR)、中红外线(MIR)辐射源，这些可使用了波长范围为220nm～2500nm的钨/卤灯泡，波长范围为750～20000nm的镍铬合金线，波长范围为1200～60000nm的碳硅棒或波长范围为400～20000nm的能斯脱灯丝，以产生光束22。可选的，也可以采用其它形式的辐射源，例如：紫外光(UV)源、波长范围为160～380nm的H2和D2灯或相应的组合，以产生光束22，其中紫外光(UV)源采用波长范围为250～600nm的氙气灯。还有一些市场上相似的未列出的发光源也可以运用到本发明的实施例中，只要可产生一组预定波长带宽的光束22并发射后穿过汽车24的尾气烟羽23。

为了不仅能检测汽油、而且可更精确地检测柴油机排气或颗粒物质，可选的，根据柴油机引擎汽车的颗粒物质的大小，发光源可包括波长范围为515～540nm的绿光或绿色激光源。优选的，可集成二氧化碳CO₂通道，以便将颗粒物质与CO₂的比值用来计算并关联传统工业烟尘量或不透明度百分比，烟尘量是烟尘(碳粒子排放、微粒等)的度量之一，其可用％不透明度或光吸收(m-1)的k系数、克烈治废气单位HSU、滤纸式烟度单位FSN和mg/m3表示。根据本发明，颗粒物质也可以在可见光范围内检测。这实现了各种不同波长的颗粒物质的检测，因此可相应地确定不同大小的颗粒物质的数量。

进一步地，可在系统内集成一个或多个反射器，其安装方式使得来自辐射源的射束被导向到可修改辐射探测单元25及其上的一个或多个探测元件27。该反射器可包括反射镜、棱镜、衍射光栅、光束分裂器或类似元件。该反射器可与辐射探测单元25集成在一起。这种方式下，每个反射器的作用是在一个或多个探测元件27之间分裂辐射光束、将辐射光束聚焦到一个或多个探测元件27上和/或将辐射光束导向到其它额外的探测元件上，以探测特定的气体成分。

反射器也可包括横向迁移反射镜，从而将光束22沿与辐射源21和反射器之间的通道横向(或垂直)设置的通道反射回去。这种方式下，反射器通常是与辐射探测单元间隔开设置的。这种迁移反射镜的主要目的是改变光束22的方向，使其导向到辐射探测单元25。根据辐射源21、辐射探测单元25和反射器的空间关系，可采用许多不同的迁移反射镜。

本发明汽车排放物遥感检测系统的创新点在于，处理单元包括：用于根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度的模块；及用于根据CO₂的百分比浓度，分别计算每种尾气成分的百分比浓度的模块。其中，该二次多项式方程是针对一特定的燃料类型(汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等等)，基于CO和CO₂之间预定的关系得出。通过该二次多项式方程，基于在排放物检测的实时所获得的CO/CO₂的信号读数比例值，计算每一车辆的CO₂百分百浓度。其针对每一燃料类型所获得的CO-CO₂相关函数是无需假设燃料或尾气的氢碳含量的。对于各种不同的燃料，例如汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等，c、d、e的取值范围如下：-25≤c≤25，-25≤d≤25，-25≤e≤25。

在一优选实施例中，用于根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度的模块包括：

用于针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的CO/CO₂的信号读数比例值，线性拟合CO和CO₂线性对应关系的单元；其中，由于具有现代内燃引擎操作的车辆，其在不同的空燃比条件下所获得CO和CO₂的关系为一高度连续且大体为线性关系。将该特点应用在以不同燃料进行操作的引擎上(汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等等)时，且当引擎操作在最有效的空燃比时，该引擎中所排放的CO₂的含量最高。例如，对于汽油，其最有效的空燃比通常为14.7份的空气比1份的汽油，该比例为化学计量空燃比。相应地，当达到最有效的空燃比，该引擎也操作在最佳效率及CO水平最低。可以理解的，当引擎操作在非最有效的空燃比时，且空燃比值增加(例如，与理想的混合浓度相比，其具有更高的燃料含量)，CO和CO₂之间的关系将反向，此时也大体呈线性关系。当CO排放增加，CO₂排放将降低，这种关系即为通常的线性反函数。

如果将内燃引擎在不同的操作条件(例如，使用底盘测功仪和气体分析设备所测试获得的排放数据)下所获得的CO和CO₂的排放数据，标注在卡笛尔坐标平面，该相反关系可以用一线性关系表示，其中，CO的读数可以用于预测CO₂的读数，反之亦然。这将需要一数据映射过程去生成CO-CO₂的线性关系函数。现有技术中，具有多种方法可以推断出CO-CO₂的关系。

标准的方法是逐秒测量大量具有内燃引擎的车辆的排放数据，在测量过程中使用实验室排放测试数据，其可逐秒生成浓度含量单位为％或ppm的排放数据。当测试大量的车辆样本后，将获得宽范围操作条件和空燃比下，大量的CO和CO₂的排放相关数据，从而可推断出CO和CO₂之间的线性相关函数。在具体设计过程中，对于同种燃料，其将在不同大小和引擎容量的车辆上执行，以获得足够的样本数据。

值得注意的，该方法是用于计算出CO-CO₂的相关函数。其不是得到一单一的或一组固定的、平均的CO₂的值，以根据信号读数，计算排放气体的百分比浓度。

接着，通过将CO的浓度比CO2的浓度，而获得CO/CO2的相关函数。该分析方法将产生CO连续范围内的一倾斜的或相关的CO比CO2的关系函数，由此，可根据CO的含量，计算CO2的含量。再通过最小二乘回归分析，对CO和CO2进行线性拟合，从而得出排放CO和CO2线性对应关系，其可以是CO2＝a×(CO)+b。对于各种不同的燃料，例如汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等，a、b的取值范围如下：-25≤a≤25，-25≤b≤25。

用于根据CO和CO2线性对应关系，非线性拟合CO2％与(％CO/％CO2)之间的二次多项式对应关系％CO2＝c×(％CO/％CO2)2+d×(％CO/％CO2)+e的单元；其中，由于遥感设备所检测出的尾气成分数据是信号读数比例值：CO/CO2、HC/CO2、和NOX/CO2，因此需要将以上简单的线性对应关系转换成非线性二次多项式。在测量过程中，获得大量的CO/CO2的信号读数比例值，根据CO和CO2线性对应关系计算出％CO/％CO2和％CO2，再通过非线性回归分析，获得二次多项式对应关系％CO2＝c×(％CO/％CO2)2+d×(％CO/％CO2)+e。

用于根据所述二次多项式对应关系和CO/CO₂的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度的单元。

如图3和4所示，在具体测量时，该汽车排放物遥感检测方法，包括以下步骤：

S1：发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽，其中，所述多个预定波长带宽分别与CO₂、CO、HC和NO_X相关；

S2：检测穿过汽车烟羽的所述一组预定波长带宽的光束；

S4：分析和处理由辐射探测单元收集的数据，以分别根据与一种尾气成分相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算该种尾气成分与CO₂的信号读数比例值；

S5：根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度；对于各种不同的燃料，例如汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等，c、d、e的取值范围如下：-25≤c≤25，-25≤d≤255，-25≤e≤255；

S6：根据CO₂百分比浓度，分别计算每种尾气成分百分比浓度，其中，将CO₂百分比浓度与一种尾气成分和CO₂信号读数比例值相乘，计算该种尾气成分的百分比浓度。

具体地，步骤S4包括以下步骤：

S41：针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的CO/CO₂的信号读数比例值，线性拟合CO和CO₂线性对应关系；

S42：根据CO和CO₂线性对应关系，非线性拟合CO₂％与(％CO/％CO₂)之间的二次多项式对应关系％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e；

S43：根据所述二次多项式对应关系和CO/CO₂的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度。

该方法独立于燃料的氢-碳比例值，因此无需假设燃料和尾气的H:C含量，及别的相应的假设，以计算CO₂的浓度。该方法可用于各种空燃比，而不会出现由于假设车辆操作在最有效的空燃比下而带来的错误。所以，其生成的遥感路面排放检测数据比各种依靠理论假设所获得数据更精确，其能更好地表示现代车辆的排放条件。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (7)

1.一种汽车排放物遥感检测系统，包括：

辐射源，用于发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽，其中，所述多个预定波长带宽分别与CO₂和CO相关；

辐射探测单元，用于检测穿过汽车尾气烟羽的所述多个预定波长带宽的光束；

处理单元，其与所述辐射探测单元连接，以分析和处理由辐射探测单元收集的数据，以根据与CO尾气成分相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算CO尾气成分与CO₂的信号读数比例值；

其特征在于：

所述处理单元包括：

用于根据CO与CO₂的信号读数比例值计算CO₂百分比浓度的模块；

所述用于根据CO与CO₂的信号读数比例值计算CO₂百分比浓度的模块通过％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度；其中-25≤c≤25，-25≤d≤25，-25≤e≤25；

用于根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度的模块包括：

用于针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的CO/CO₂的信号读数比例值，线性拟合CO和CO₂线性对应关系的单元；

用于根据CO和CO₂线性对应关系，非线性拟合％CO₂与(％CO/％CO₂)之间的二次多项式对应关系％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e的单元；

用于根据所述二次多项式对应关系和CO/CO₂的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度的单元。

2.根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述CO和CO₂线性对应关系为CO₂＝a×(CO)+b；其中-25≤a≤25，-25≤b≤25。

3.根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，辐射源还用于发射与HC和NO_X相关的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽；所述处理单元还分别根据与HC和NO_X相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算HC和NO_X尾气成分分别与CO₂的信号读数比例值；所述处理单元还包括用于根据CO₂的百分比浓度，分别计算HC和NO_X尾气成分的百分比浓度的模块。

4.一种汽车排放物遥感检测方法，包括以下步骤：

S1：发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽，其中，所述多个预定波长带宽分别与CO₂和CO相关；

S2：检测穿过汽车尾气烟羽的所述多个预定波长带宽的光束；

S3：分析和处理由辐射探测单元收集的检测穿过汽车尾气烟羽的所述多个预定波长带宽的光束所得到的数据，以根据与CO尾气成分相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算CO尾气成分与CO₂的信号读数比例值；其特征在于：

还包括以下步骤：

S4：根据CO与CO₂的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度；

在步骤S4中根据％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e，计算CO₂百分比浓度；其中-25≤c≤25，-25≤d≤25，-25≤e≤25；

所述步骤S4包括以下步骤：

S41：针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的CO/CO₂的信号读数比例值，线性拟合CO和CO₂线性对应关系；

S42：根据CO和CO₂线性对应关系，非线性拟合％CO₂与(％CO/％CO₂)之间的二次多项式对应关系％CO₂＝c×(％CO/％CO₂)²+d×(％CO/％CO₂)+e；

S43：根据所述二次多项式对应关系和CO/CO₂的信号读数比例值，计算CO₂百分比浓度。

5.根据权利要求4所述的汽车排放物遥感检测方法，其特征在于，所述CO和CO₂线性对应关系为CO₂＝a×(CO)+b；其中-25≤a≤25，-25≤b≤25。

6.根据权利要求4所述的汽车排放物遥感检测方法，其特征在于，所述步骤S1还包括发射与HC和NO_X相关的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽；所述步骤S3还包括分别根据与HC和NO_X相关的预定波长和与CO₂相关的预定波长，计算HC和NO_X尾气成分分别与CO₂的信号读数比例值；

所述汽车排放物遥感检测方法还包括步骤S5：根据CO₂百分比浓度，分别计算HC和NO_X尾气成分百分比浓度。

7.根据权利要求6所述的汽车排放物遥感检测方法，其特征在于，在所述步骤S5中，将CO₂百分比浓度与一种尾气成分和CO₂信号读数比例值相乘，计算该种尾气成分的百分比浓度。

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