CN102164480A - 适应动物的光照方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种光照方法，包括步骤：发射（101）适合于为人类活动提供光照的光；检测指示动物（6）的存在性的动物指示信号（7）；响应于检测的所述动物（6）的存在性而临时改变（105）所述光的至少一个属性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光照方法以及用于控制光照系统以执行该光照方法的控制设备。本发明还涉及一种计算机程序模块。
背景技术
在当今现代社会，人工室外照明日益用在例如夜晚期间的较差的自然照明条件下，以用于各种不同的目的，例如用于增加公共安全、改善交通情形中的安全性或者使得室外工作能够在夜晚进行。
尽管给人类提供益处，但是大量的人工室外照明可能对动物，尤其是对野生动物具有有害影响。
特别地，黄昏和/或夜间活动的动物已经表现出对人工照明有负面反应。Rich和Longcore编辑的著作“The ecological consequences of artificial night lighting”（Island出版社，2006年，第1-13页）中给出了各种影响的综述。
受人工照明影响的物种的一个特定实例是不同物种的蝙蝠。大多数蝙蝠物种被认为濒临灭绝，反映在国内和国际的红色名单上。因此，蝙蝠受从全球到国家水平的一系列条约和法律的保护，例如受也称为“波恩公约”的国际蝙蝠协定的保护。
已知蝙蝠忌强烈的照明。当其栖息所之外的光照水平太高时，它们不会出现，它们将避开“良好”照明的区域并且不会经过形成风景中的连续光带的若干行室外照明灯，这样这些照明灯可能阻挡从生活区到捕猎区的路线，从而严重地限制蝙蝠的可用栖息所。
其他物种也预计在夜晚受到过量的人工室外照明的影响。
然而，由于开始所提及的人工照明的正面方面的原因，并不预计急剧降低夜晚期间的室外人工照明是可行的。
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他缺陷，本发明的总体目的是提供一种改进的用于控制光输出设备输出的光的属性的方法和设备，尤其是允许响应于动物的存在性而控制输出光的属性的方法和设备。
依照本发明的第一方面，这些和其他目的是通过一种光照方法来实现的，该光照方法包括步骤：发射适合于为人类活动提供光照的光；检测指示动物的存在性的动物指示信号；响应于检测的动物的存在性而临时改变光的至少一个属性。
“适合于为人类活动提供光照的光”应当被理解成感知为为各种人类居住环境给出充分光照的光，所述环境例如低速城市道路（比如住宅区街道）、乡村和城市中心的步行街、自行车道、停车场所、校园、公园和花园中的紧急通道和道路等等。例如，光可以表现出符合用于道路照明的S等级的照明水平，这意味着光照水平可以有利地位于10 lx（等级S2）与3 lx（S5）之间。实际上，经常使用中间等级S4（5 lx）。此外，用户测试表明，许多人偏好白色光而不是淡黄色光。
“动物指示信号”可以是指示动物的存在性的任何种类的信号。特别地，该信号可以是电磁信号，例如无线电信号，或者光学信号，可以通过地面传输的冲击波信号，或者压力信号，例如声学信号。
此外，“动物指示信号”可以响应于发射的信号而获得，或者可以在没有任何信号的在先发射的情况下获得。
此外，临时变化的发射光的一个/多个属性可以是光的一个或若干个任何适当的属性，例如光的强度、光的频率分布、光的空间分布、光的调制（幅度调制和/或闪烁频率）、光的偏振或者其任意组合。
本发明基于以下认识：现代“人类”社会的有效光照的愿望与对于不同动物自然行为的有限影响之间的有益折衷可以通过检测动物的存在性并且对此响应而临时改变发射光的至少一个属性而实现。
检测的动物指示信号可以是动物产生的信号，其可以是有利的，因为由此允许使用被动检测器。动物产生各种不同类型的信号，包括电磁信号（例如IR辐射）和声学信号。已知许多动物发射可听声音或超声形式的特性声学信号。产生超声的动物的实例是诸如海豚和鲸鱼之类的海生生物、昆虫、啮齿动物、青蛙、鸟和蝙蝠。
通过检测动物产生的声学信号，可以改进动物的检测。例如，可以改进诸如鸟或蝙蝠之类的小型动物的检测以及诸如物体（例如树或灌木）之后的“看不见”的动物的检测。
特别地，可以有利地检测超声信号，由此可以大大地促进至少一些物种的动物的确定。而且，“噪声”量在超声域中通常比在可听频率范围中更低，这有利于辨别动物指示信号。
依照一个实施例，检测动物指示信号的步骤可以包括步骤：获取信号；将该信号与指示动物的存在性的预定特性组进行比较；以及在该信号与所述预定特性组之间匹配的情况下，将该信号分类为动物指示信号。
所述预定特性组可以包括可用于将信号标识为动物指示信号的任何特性。
在一个简单的示例性实施例中，一个特性可以是获取的信号的一个或若干个属性的平均值的变动。如果当前获取的信号具有一个或若干个与其平均值相差超过预定值的属性，那么“匹配”可能出现。这样的属性可以包括例如信号频率、重复频率、强度、持续时间、方差等等。
例如，上述或其他属性中的一个或若干个随着时间的变动可以形成动物或动物群的特性模式。
在另一个示例性实施例中，所述特性组可以指示特定动物物种组的存在性；并且分类步骤可以包括将信号分类为指示属于该特定动物物种组的动物的存在性的动物指示信号。
依照一个具体的实例，蝙蝠的趋近或存在性可以通过标识特性超声回波定位来检测。超声回波定位信号典型地包括周期性频率扫描，例如每两秒一次一秒长扫描，其可以范围从100kHz到25kHz。Raghuram和Marimutu，“Donald Redfield Griffin, the discovery of echolocation”, Resonance, 2005年2月, 第20-32页中给出了这样的特性信号的典型实例。
依照另一个实例，鸟的趋近可以通过感测其翅膀的拍打产生的特性超声信号而检测。
而且，可以直接地或者在调节获取的信号之后，将获取的信号与所述预定组中的特性进行比较。例如，可以将获取的信号从时域转换到频域，和/或可以对信号频率进行向下转换以便有利于其分析。
为了提高由于动物的存在性而改变光照属性的人类接受性，所述方法可以进一步包括步骤：显示关于检测的动物物种/物种组的信息。这样的信息可以例如包括图像、一般信息、声音表示等等。
当然，显示的信息不必完全与实际存在的动物对应。例如，该信息可以涉及物种群、可替换的物种或者相关类型的“普通”动物。
响应于动物的存在性或趋近的检测而改变照射光的直接方式可以是简单地改变光的强度。光的强度可以临时降低以便不驱除正在趋近的动物并且从而减少它们的自然栖居地。
可替换地，光的强度可以临时增加以便防止动物进入可能对它们危险的环境，例如交通繁忙的高速公路或者机场跑道。
然而，当可以确定关于动物物种的信息时，可以改变光的其他属性以便实现人类对于有效光照的愿望与光对特定动物物种的影响之间的更有利的折衷。
例如，可以基于关于特定动物物种的光感受器的光谱灵敏度的知识改变光的色点。例如，已知的是，对于至少一些蝙蝠物种而言，光感受器的光谱灵敏度对于短波感受器具有范围从350nm到520nm的最大值并且对于中间波长感受器具有范围从509nm到565nm的最大值。同样已知的是，蝙蝠活动的昼夜节律由相同的光感受器控制（Joshi, J. Comp. Physiol. A (1985) 156:189-198, Winter et al. Nature, vol. 425, 9 October 2003, page 612-614; Wang et al., Mol. Biol. Evol. 21(2):295-302, 2004）。
显然，类似的数据也可用于其他动物物种。
而且，临时改变光的至少一个属性的步骤可以根据受照射区域内的人类活动的期望水平仅在预定的时间段内执行。
通过这种方式，人类安全性与人工光照对动物的影响之间的折衷可以偏斜，使得响应于检测的动物的存在性而改变光仅发生在已知受照射区域内的人类活动相对较低时的时间段内。
可替换地或者与上面详细说明的措施相结合，可以分析检测的信号以便确定人类活动量（行人、骑自行车的人、机动车辆等等）并且出于（人类）安全性原因防止响应于检测的动物的存在性而改变光。
依照本发明的第二方面，上述和其他目的是通过一种可连接到至少一个发光设备和至少一个检测器的控制设备来实现的，该控制设备包括：存储器，其用于存储指示动物的存在性的预定特性组；以及处理电路，其被配置成：获取检测器检测的信号；将该信号与所述预定特性组进行比较；在该信号与所述预定特性组匹配的情况下，将该信号分类为动物指示信号；并且控制发光设备以便响应于动物指示信号而临时改变由其发射的光的至少一个属性。
“处理电路”可以以一个或若干个电子部件的形式提供，例如一个或若干个微处理器。
本发明当前第二方面的另外的变型和效果大体上类似于上面结合本发明的第一方面描述的变型和效果。
此外，依照本发明的控制设备可以有利地包含于光照系统中，该光照系统还包括：发光设备，其用于发射适合于为人类活动提供光照的光；以及检测器，其用于检测指示动物的存在性的动物指示信号。
在该照明系统中，控制设备连接到检测器以便获取由检测器检测的信号并且连接到发光设备以便控制该发光设备以响应于检测器检测的动物指示信号而临时改变由其发射的光的至少一个属性。
依照一个实施例，检测器可以是超声检测器，用于检测由动物发射的超声信号。特别地，该检测器可以是用于检测由动物产生的超声信号的被动超声检测器。
所述光照系统可以进一步包括显示单元，该显示单元连接到控制系统并且作为响应显示由控制系统向其提供的信息。这样的信息可以例如是标识检测的动物物种的信息。
所述光照系统可以是集成的系统，或者可以以通过通信手段互连的分开的设备形式而提供，所述通信手段例如导线或无线链接或者这些的组合。
而且，所述光照系统可以包括多个可单独控制的发光设备以及相应的多个检测器。由此，可以响应于确定的动物的存在性而控制各发光设备。
如果例如该照明系统包括形成有效地阻挡蝙蝠的飞行路线的相对较高光照水平的连续带的一行发光设备，那么改变该行中仅仅一定数量的发光设备发射的光的一个或若干个属性就可能足够了，从而创建蝙蝠可以通过其继续它们的行程的通路（“门”），从而减轻分割（切割）它们的栖息地的负面影响。
此外，本发明提供了一种计算机程序模块，其被配置成当运行在包含于依照本发明的控制设备中的处理电路上时执行依照本发明的方法的步骤。
附图说明
现在，将参照附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，附图示出了本发明的当前优选的实施例，在附图中：
图1示意性地示出了用于本发明各个实施例的示例性应用；
图2为示意性地示出第一示例性光照系统的框图；
图3为示意性地示出检测超声信号的第二示例性光照系统的框图；
图4为示意性地示出依照本发明的方法的实施例的流程图；
图5a-d示意性地示出了用于将信号分类为动物指示信号的示例性特性；
图6为示意性地示出蝙蝠的光谱灵敏度函数的示图；以及
图7a-b分别用光谱功率分布和颜色空间中的位置示意性地示出了色点的变化。
具体实施方式
在下面的描述中，主要参照一种光照系统描述了本发明，该光照系统被配置成响应于检测的指示蝙蝠的存在性的超声信号而改变光照条件。
应当指出的是，这绝没有限制本发明的范围，本发明同样可应用到被配置成响应于检测的其他动物的存在性而改变光照条件的光照系统，所述存在性可以通过感测任何其他类型的信号而被检测，该信号例如为冲击波、可听范围内的声学信号、电磁信号或者其组合。
图1示意性地示出了街灯1a-d形式的多个光照系统。每个街灯包括超声检测器2a-d、发光设备3a-d和控制设备（未示出）。
在正常的情况下（在未检测到动物的存在性时），包含在街灯中的发光设备3a-d发射具有适合于光照的属性（强度、色点）的光以便增加沿着街灯1a-d所在的街道4的公共安全。
然而，当蝙蝠6趋近街灯之一（比如1b）时，蝙蝠6发射的超声信号7被街灯1b的检测器2b检测到。当确定蝙蝠6的存在性时，街灯1b的控制设备控制发光设备3b改变由其发射的光的至少一个属性以便降低蝙蝠6感知的光强度，如下面参照图6a-b更详细地描述的。由此，可以防止蝙蝠6受光干扰并且避开。
在最后的蝙蝠经过调节的街灯1b之后的预定时间段后，控制设备控制包含于其中的发光设备3b回过来发射适于光照的光。
现在，将参照图2中的框图描述依照本发明示例性实施例的光照系统的概要。
在图2中，示出了一种光照系统10，其包括控制设备11、检测器12和发光设备13。控制设备11包括存储器14和微处理器15形式的处理电路，该处理电路连接到检测器12和发光设备13。如图2所示，微处理器15可以获取来自不同于检测器12的其他源的附加信号。这样的源可以例如为一个或若干个附加的检测器、包含各种不同的动物特性组的数据库或者通信网络。而且，控制设备11此外还可以包括用于允许下载新软件的接口等等。
参照图3，现在将描述检测超声信号的光照系统20的更具体的实例。
在图3中，超声信号7由超声传感器21感测，并且感测的信号被转换成具有感测频率fs的感测电信号Ss。在（可选的）信号放大器22中放大之后，使用混频器23向下转换信号Ss的频率fs，频率发生器24也连接到混频器23。来自混频器23的输出是中间频率信号SIF。该模拟中间频率信号SIF由模数转换器25转换成数字信号，所述模数转换器的输出连接到微处理器26的输入。
在微处理器26中，将数字化中间频率信号与也连接到微处理器26的存储器27中存储的特性组进行比较。
微处理器26经由驱动电路28a-d连接到多个可单独控制的光源29a-d。基于数字化信号与存储器27中存储的动物特性之间的比较的结果，微处理器26控制光源29a-d以改变由其发射的光的一个或若干个属性。
超声传感器21可以例如为典型的基于压电的超声传感器，其可以至少在40kHz与80kHz之间的范围内是灵敏的。此外，可以在超声传感器21上安装声音反射抛物面或锥形“声音反射器”以便最优化其空间灵敏度特性。
所述光源可以例如为不同颜色的发光二极管（LED），或者可以是其他种类的可控光源，包括例如低压钠灯、荧光灯。
现在，将参照图4中的流程图描述基本上与结合图1描述的示例性应用对应的依照本发明的方法的实施例。
尽管主要参照图3中的示例性光照系统描述了该方法，但是应当指出的是，依照本发明的该方法绝不限于图3中所示光照系统的特定实施例，而是同样可应用到本发明光照系统的其他实施例。
在第一步骤101中，发射适合于为人类活动提供光照的光。这样的光用于诸如低速城市道路（比如住宅区街道）、乡村和城市中心的步行街、自行车道、停车场所、校园、公园和花园中的紧急通道和道路之类的环境，照明水平优选地可以符合用于道路照明的S等级，其意味着光照水平可以有利地位于10 lx（等级S2）与3 lx（S5）之间。实际上，经常使用中间等级S4（5 lx）。此外，用户测试表明，许多人偏好白色光而不是淡黄色光。
依照一个实施例，用于光照的白色光可以使用图3中的多个可单独控制的光源29a-d来有利地实现，这些光源可以例如以高功率冷白色LED（比如29a-b）以及红橙色LED（比如29c-d）的形式提供。
假设白色LED 29a-b和红橙色LED 29c-d功率相等，例如1W，并且白色LED 29a-b以全功率驱动，红橙色LED 29c-d以半功率驱动，那么获得图7a中的曲线图71所示的光谱功率分布。该光谱功率分布71对应于色点(x0, y0) = (0.452, 0.368)，其在图7b中的颜色空间表示75中示出。此外，对于这些光照设置获得了2450K的相关色温和值为77的显色Ra。
对于本领域技术人员显然的是，冷白色和红橙色LED的上述组合仅仅是可用于实现适合于为人类活动照明的光的短波长和长波长光源的适当组合的一个实例。也可以使用短波长和长波长光源的许多其他组合。适当的短波长光源的实例可以包括高压钠光源、荧光光源等等，并且长波长光源的实例可以包括琥珀色或红色LED、低压钠光源、黄色到红色荧光光源（例如使用像MGM（掺杂Mn的镁氟锗Mg4GeO5.5F:Mn）或YOX（掺杂Eu的氧化钇Y2O3:Eu）那样的磷光体）。
回到图4中的流程图，所述方法继续到步骤102，其中使用检测器获取信号6，该检测器可以包括感测特定动物产生的超声信号的超声传感器21（图3）。
在如上面结合图3所描述的信号6的获取和可选的调节之后，在步骤103中将信号与至少一个动物特性进行比较。在图3所示光照系统的实施例中，比较发生在微处理器26中。
图5a-d中示出了对于当获取的信号来源于所谓的蝙蝠回波定位时的特定情况下这样的动物特性的实例。这些特定实例取自Raghuram和Marimutu, “Donald Redfield Griffin, the discovery of echolocation”, Resonance, 2005年2月, 第20-32页。
图5a的曲线图中示出了第一特性，其中曲线51示出了蝙蝠7产生的超声脉冲串之一的持续时间tb。
图5b的曲线图中示出了第二特性，其中曲线52示出了蝙蝠7产生的超声脉冲串之一的频率与时间的函数。
图5c的曲线图中示出了第三特性，其中曲线53示出了蝙蝠7产生的超声脉冲串（ultrasonic burst）之一的幅度与频率的函数。
最后，图5d的曲线图中示出了第四特性，其中曲线段54a-c示出了蝙蝠7产生的连续超声脉冲串之间的时间段ti。
在图4所示方法的步骤103中执行的比较之后，该方法继续到步骤104，其中确定动物是否存在。
通过将获取的信号6与上述特性中的任何一个或若干个进行比较并且确定获取的信号具有充分靠近存储的特性的相应属性，可以将获取的信号6分类为动物指示信号。在这种情况下，当发现获取的信号与图5a-d所示特性中的一个或若干个之间匹配时，甚至可以将获取的信号6分类为指示蝙蝠7的存在。
“充分靠近”的含义可以取决于应用和希望的确定度。这种折衷对于本领域技术人员而言是公知的。
如果在步骤104中确定没有蝙蝠存在，那么所述方法回到步骤101并且继续发射用于光照的光。
另一方面，如果确定有动物存在，例如蝙蝠7，那么所述方法继续到步骤105以改变发射光的至少一个属性。
继续上面结合步骤101描述的示例性实施例，其中光由冷白色LED 29a-b（图3）和红橙色LED 29c-d（图3）的组合发射，可以通过关断冷白色LED 29a-b并且以全功率驱动红橙色LED 29c-d来改变发射光的属性。
得到的改变的光将具有图7a中的曲线72以及如图7b中所示的修改的色点(x1, y1) = (0.670, 0.330)给出的光谱功率分布。
如果光源29a-d被配置成当处于曲线71和色点(x0, y0)所示的状态时产生5 lx的光照水平，那么关断冷白色LED 29a-b并且以全功率驱动红橙色LED 29c-d将释放大约3 lx，其对于为人类活动照明仍然可接受。
然而，对于蝙蝠7而言，感知的强度降低要急剧得多，因为已知蝙蝠的光感受器（photoreceptors）的光谱灵敏度对于短波长感受器具有范围从350nm到520nm的最大值并且对于中间波长感受器具有范围从509nm到565nm的最大值。同样已知的是，蝙蝠活动的昼夜节律由相同的光感受器控制（Joshi, J. Comp. Physiol. A (1985) 156:189-198, Winter et al. Nature, vol. 425, 9 October 2003, page 612-614; Wang et al., Mol. Biol. Evol. 21(2):295-302, 2004）。
如图6中的曲线61所示，对数光谱灵敏度在380nm与大约560nm之间大约为-10。在580处，对数光谱灵敏度为-10.7。从大约600nm往前，对数灵敏度小于-11。这意味着对于蝙蝠眼睛而言，具有大约580nm的波长的光源亮度是在380nm与560nm之间发射的光源的1/5。在600nm以上，差别甚至为10倍或更大。
因此，如上面所描述以及图7a-b中所示出的光照属性的改变将以8倍或更多降低蝙蝠7感知的光强度。
由此，蝙蝠7可以通过光照系统20发射的光继续其飞行。同时，如图4中从步骤105延伸到步骤101的线所示，光仅仅临时地从用于人类活动近乎最佳的光照变化到稍微调暗且颜色经过调节的光照以允许检测的蝙蝠通过。
本领域技术人员应当认识到，本发明绝不限于优选的实施例。例如，依照本发明各个实施例的光照系统可以具有检测器、发光设备和控制设备的任意组合。例如，一个控制设备可以基于来自单个检测器的输入控制若干发光设备，或者一个控制设备可以基于来自关联的检测器的信号控制多个发光设备中的每一个。而且，可以使用动物产生的其他信号，例如指示动物运动的信号，不管该运动是步行、游泳还是飞行。此外，所述检测可以检测通过生物发光产生的信号。
在相互不同的从属权利要求中陈述特定技术措施这一纯粹事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对本发明范围的限制。
Claims (15)
1. 一种光照方法，包括步骤：
发射（101）适合于为人类活动提供光照的光；
检测指示动物（6）的存在性的动物指示信号（7）；
响应于检测的所述动物（6）的存在性而临时改变（105）所述光的至少一个属性。
2. 依照权利要求1的方法，其中所述动物指示信号（7）为由所述动物（6）产生的声学信号。
3. 依照权利要求2的方法，其中所述声学信号（7）为超声信号。
4. 依照前面的权利要求中任何一项的方法，其中所述检测动物指示信号的步骤包括步骤：
获取（102）信号（7）；
将所述信号（7）与指示动物（6）的存在性的预定特性组进行比较（103）；以及
在所述信号（7）与所述预定特性组之间匹配的情况下，将所述信号（7）分类为动物指示信号。
5. 依照权利要求4的方法，其中所述特性组指示特定动物物种组的存在性；并且所述分类步骤包括将所述信号（7）分类为指示属于所述动物物种组的动物的存在性的动物指示信号。
6. 依照权利要求5的方法，进一步包括步骤：
显示关于所述动物物种组的信息。
7. 依照前面的权利要求中任何一项的方法，其中所述临时改变的步骤（105）包括临时地改变所述光的色点，使得所述动物（6）感知的光强度降低。
8. 依照前面的权利要求中任何一项的方法，其中所述临时改变（105）所述光的所述至少一个属性的步骤，为根据受照射区域内的人类活动的期望水平而仅在预定的时间段内执行。
9. 一种控制设备（11），可连接到至少一个发光设备（3a-d；13；29a-d）和至少一个检测器（2a-d；12；21），所述控制设备（11）包括：
存储器（14；27），其用于存储指示动物（6）的存在性的预定特性组；以及
处理电路（15；26），其被配置成：
获取由所述检测器（2a-d；12；21）检测的信号；
将所述信号与所述预定特性组进行比较；
在所述信号与所述预定特性组匹配的情况下，将所述信号分类为动物指示信号；并且
控制所述发光设备（3a-d；13；29a-d）以便响应于所述动物指示信号而临时改变由其发射的光的至少一个属性。
10. 依照权利要求9的控制设备（11），其中所述特性组指示特定动物物种组的存在性；并且所述处理电路（15；26）被配置成将所述信号（7）分类为指示属于所述动物物种组的动物（6）的存在性的动物指示信号。
11. 依照权利要求9或10的控制设备（11），其中所述处理电路（15；26）被配置成临时地改变所述光的色点，使得所述动物（6）感知的光强度降低。
12. 依照任何一项权利要求9-11的控制设备（11），其中所述处理电路（15；26）被配置成根据受照射区域内的人类活动的期望水平仅在预定的时间段内临时地改变所述光的所述至少一个属性。
13. 一种光照系统（1a-d；10；20），包括：
发光设备（3a-d；13；29a-d），其用于发射适合于为人类活动提供光照的光；
检测器（2a-d；12；21），其用于检测指示动物（6）的存在性的动物指示信号（7），以及
依照权利要求9-12中任何一项的控制设备（11），其连接到所述发光设备（3a-d；13；29a-d）和所述检测器（2a-d；12；21）以便控制所述发光设备（3a-d；13；29a-d）以响应于所述检测器（2a-d；12；21）检测的动物指示信号而临时改变由其发射的光的至少一个属性。
14. 依照权利要求13的光照系统，其中所述检测器是超声检测器（2a-d；21），用于检测由所述动物（6）产生的超声信号。
15. 一种计算机程序模块，其被配置成当运行在包含于依照权利要求9-12中任何一项的控制设备（11）中的处理电路上时执行依照权利要求1-8中任何一项的方法的步骤。
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