CN106143536A - 列车接近报警触发装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列车接近报警触发装置,该装置采用正交多普勒雷达探测技术,在不需要上道安装探测设备的情况下,譬如可将该装置安装在列车轨道防护栏外侧,距离列车轨道30米范围之内,均能够实现列车接近探测及列车接近方向探测,为列车接近报警装置提供触发信号。该装置包括雷达传感器模块、多普勒信号放大调理模块、电源管理模块、双备份物理隔离无线收发模块(射频处理模块1和2)、MCU模块、最小系统、串行通信模块、外部看门狗模块等。该装置的显著特点是采用多普勒雷达探测技术,具备低功耗控制模式,采用双备份物料隔离无线收发模块可靠上传探测信息,并能够支持太阳能的供电方案,为列车接近报警提供可靠稳定触发信号,而且安装便捷.适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种为列车接近报警系统提供预警信号,且适用于列车接近方向及速度探测领域,尤其是一种采用正交多普勒雷达探测技术发明的列车接近报警触发装置及方法。
背景技术
近年来,随着我国经济的快速发展,铁路成为了我国的主要交通工具也是我国的经济大动脉,伴随着我国铁路第三次大提速与高铁、动车组等高速列车的运行,铁路运行列车的速度最低为120km/h,最高速度接近了300km/h,为保证铁路的安全畅通,铁路车辆、工务和电务等部门必须经常对铁路的设施进行维修。
传统火车来车检测经常采用如下两种方案:
方案一、在施工地点上段与下段设置防护区,分别安排多名人员分段蹲点守候,当火车路过时候以通讯设备如对讲机、移动电话等无线通讯设备进行提醒,为了让施工段人员有足够时间撤离铁轨,防护区设置比较长,人员需求量大。此方法的优点是准确度高,可靠性强。缺点是人力资源浪费,受环境因素影响很大,如通信信号盲点、设备电源不足等。
方案二、采用安装于轨道上面的磁头进行感应,存在如下问题:磁头安装,必须上火车轨道作业,安装人员有安全风险,且必须在施工天窗期内安装,非常麻烦;火车轨道检修时,需要在检修天窗之前将该磁头拆除,检修完成后,再安装回去,维护非常麻烦;磁头笨重,需要占用仓库和维修车辆,非常不适合流动作业。
此外,我国电气化接触网施工属于站后工程施工,经常在行车密度大,速度快的既有线路施工,为保障施工进度,就需要在行车间隙作业,这就对施工安全的防护提出了一个新的问题,随着铁路的提速,对安全防护的距离也要求越来越远。在运输任务十分繁重的情况下,这种维修和施工不可能中断繁忙的运输来进行,因此过去工作人员在线作业时,为了保证现场施工人员安全,都是预先设置一个比较长的防护区,必须要求多名防护员在离施工地方每隔2km左右两侧进行观测进行火车通过提醒,如图1所示,这种做法浪费了人力资源,有时可能由于防护区间较长,以及气候等自然条件和人为因素的影响,防护员往往不能及时通知现场施工人员,容易对施工人员的人身安全构成威胁。随着铁路运营向高速时代的转化,且贯彻执行“安全第一、预防为主”的安全生产方针,营业线路施工安全显得更为重要和迫切,原有的防护设备、人员技能、管理制度、管控手段不能完全适应安全运营管理的需要,必将逐步被新设备、新技术、新安保配套工程设施所代替。因此对于可靠的火车临近报警系统的研制是十分有必要的。
综上所述,为了避免上述情形,保护施工人员的人身安全,一种新的列车接近报警触发装置及方法的发明是势在必行的。
发明内容
本发明的目的是解决如下技术问题:探测静态目标的距离;同时探测动态目标的距离、速度和方向。而现有的火车临近报警方案或者是人力资源浪费,受环境因素影响很大,如通信信号盲点、设备电源不足;对施工人员的人身安全构成威胁;或者是维护非常麻烦,非常不适合流动作业。
针对上述技术问题,本发明提出了一种采用正交多普勒雷达探测技术发明的列车接近报警触发装置及方法,针对以上国内发展现状分析,在物联网技术高速发展的背景下,能够在不需要上道作业安装设备的条件下,譬如安装于线路防护栏外侧,实现列车接近报警检测。这种报警装置体积小,便于携带,随用随安,有较高实用性和经济性。
为了解决上述技术问题,本发明提供的技术方案是:
一种列车接近报警触发装置,其采用正交多普勒雷达探测技术,其包括:雷达传感器模块、多普勒信号放大调理模块、电源管理模块、双备份物理隔离无线收发模块、MCU模块、最小系统、串行通信模块以及外部看门狗模块。
所述雷达传感器模块:发射微波信号的同时接受反射波信号,并将两者相混,产生多普勒信号,并将信号输出给多普勒信号放大调理模块。
所述多普勒信号放大调理模块:对雷达传感器模块输出的多普勒信号进行放大调理后,提供给MCU模块进行算法分析;所述电源管理模块:实现低功耗控制。
所述双备份物理隔离无线收发模块:包括射频处理模块1和射频处理模块2,其采用完全独立的通信频段、调制方式、通信速率、占用带宽,实现通信链路互相备份。所述射频处理模块1:采用GFSK调制方式,采用470MHz通信频点,在发射功率增加至27dBm时,能够在3公里范围内稳定通信;所述射频处理模块2:采用扩频调制技术,包括LoRa扩频调制方式和GFSK调制方式。
所述MCU模块:实现整个装置的应用逻辑及处理算法,按需控制整个装置的有序运行,达到实际应用的功能和性能;MCU模块按需触发双备份物理隔离无线收发模块,并通过双备份物理隔离无线收发模块将判定结果发射出去,从而到达列车接近报警的目的;所述最小系统:提供整个装置运行的最小系统,包括晶振、滤波电路、程序烧写接口。
所述串行通信模块:提供整个装置对外可扩展通信接口;所述外部看门狗模块:提供整个装置有序运转的监护、异常状态下的自动修复。
一种列车接近报警触发方法,其采用正交多普勒雷达探测技术,其包括如下步骤:
发射雷达信号、同时接受反射波信号,并将两者相混,产生多普勒信号,放大所述多普勒信号并做进一步的处理;
对处理后的多普勒频率信号进行采样,经过算法分析后计算出所测目标的需求参数;
将实时计算出的需求参数与预先内部集成的列车经过多普勒雷达探测技术的数学模型以及特征参数进行对比分析,判定所测目标的状态信息;
将判定结果发射给接收装置,从而到达列车接近报警的目的。
所述进一步的处理是指多普勒信号经过放大调理且经过低通滤波,再通过优化的门限算法把它从噪声和干扰信号中提取出与运动物体相对于雷达设备的运动速度成比例多普勒频率信号。
发射的雷达信号经过特殊模式编码算法,锯齿波调制或三角波调制,经锯齿波调制的发射和接收信号的时间相关曲线,计算得出所测静态目标的参数;采用三角波调制,计算得出所测运动目标的参数。
所测运动目标的参数采用双通道雷达传感器检测的两路幅值相同,相位相差90°的信号进行计算得到。
与背景技术相比,本发明获得的有益效果:
本发明设计的采用正交多普勒雷达探测技术的列车接近报警触发装置,可以安装在铁路线路防护栏外侧,能够在30米范围之内可靠有效探测列车经过的方向和速度;
本发明设计的采用正交多普勒雷达探测技术的列车接近报警触发装置,具备列车接近报警信号无线上传功能;
本发明设计的采用正交多普勒雷达探测技术的列车接近报警触发装置,具备列车接近报警信号无线上传链路物理隔离备份功能,最有效可靠地保障信号传输的稳定性和可靠性;
本发明设计的采用正交多普勒雷达探测技术,采用优化算法,实现远距离列车接近检测功能的同时,具备列车接近方向和速率判断功能;
本发明设计的采用正交多普勒雷达探测技术的列车接近报警触发装置,具备设备低功耗控制策略及休眠机制,保障设备能够采用太阳能电池板供电;
本发明设计的采用正交多普勒雷达探测技术的列车接近报警触发装置能够对外部设备提供通信接口和控制信号,实用性更广。
附图说明:
通过以下对本发明的实施例结合其附图的描述,可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中,附图为:
图1是:现有技术的人工防护方式示意图。
图2是:雷达检测设计方案示意图。
图3是:本发明列车接近报警装置应用示意图。
图4是:本发明列车接近报警触发装置硬件结构示意图。
图5是:平面微带传感器模块工作原理示意图。
图6是:任务处理路程示意图。
图7是:双备份物料隔离无线收发任务处理流程示意图。
图8是:平面微带雷达原理构成示意图。
图9是:放大调理后的多普勒信号和干扰信号示意图。
图10是:经锯齿波调制的雷达发射和接收信号的时间相关曲线。
图11是:经三角波调制的雷达发射和接收信号的时间相关曲线。
图12是:探测运动目标的方向示意图。
具体实施方式:
下面结合附图中的实例对本发明作进一步的描述。
雷达是利用无线电磁波来确定目的的距离、位置及运动状态的设备,其基本工作原理是向被测目标发射一束高频电磁波,电磁波在空间均匀的媒质中直线向前传播,一旦遇到目标,便发射回来。其中有一部分发射回来的电磁波被雷达的接收系统所接收,通过测量接收信号的到达时间、强弱变化、频率变化等参数来确定目标的方位、距离、和运行状态。雷达报警器的探测目标是运动中的列车,目标是发现列车。因此实际上就是一个远程的传感器,它主要是利用运动物体对无线电波的多普勒效应来检测列车状态的。在连续波雷达中,就是利用运动目标反射的电磁波频率f,与雷达发射的电磁波频率f0不同这一频率,来发现目标并确定它的各种参量的。上述这种接收频率与发射频率不同的现象,成为多普勒效应,频率之差(f-f0)称为多普勒频率。它与运动物体相对于雷达设备的运动速度成比例。其数量关系,由下式决定:
式中:fd多普勒频率,即接收与发射信号频率之差;f0雷达的发射频率;v列车运动速度;α雷达与目标的连线与目标运动方向之夹角c0电磁波速度,即是光速(3*108米/秒)。通过测量多普勒频率fd,可以算出目标的运动速度或判定目标性质。雷达报警器就是通过测量多普勒频率来判定有无列车驶来。
如图2所示:由振荡器振荡发出一个发射信号,其中一路经发射天线发射出去,一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中,其中Q通道的信号在混频之前还需先经90°的移相;接收天线接收到的回波信号,先经低噪声放大处理后,再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频;混频后得到的信号再经中频滤波放大处理,最终得到I、Q两路中频信号。I、Q两路中频输出信号中均携带有探测目标的速度信息。分析I、Q其中一路信号,均包含有一个多普勒频率或信号差频fd。由以上公式(1)可大致得到多普勒频率fd与径向运动速度v的对应关系(此时令α=0)。例如:44Hz(fd)=1km/h(v),8.8kHz(fd)=200km/h(v)。
基于上述原理,如图3、4所示:本发明涉及一种采用正交多普勒雷达探测技术发明的列车接近报警触发装置,包括雷达传感器模块、多普勒信号放大调理模块、电源管理模块、双备份物理隔离无线收发模块(射频处理模块1和2)、MCU模块、最小系统、串行通信模块、外部看门狗模块、接收装置等。
所述雷达传感器模块:主要发射微波信号的同时接受反射波信号,并将两者相混,产生一个新的低频信号,并将信号输出给多普勒信号放大调理模块;
所述多普勒信号放大调理模块:微波传感器模块输出的多普勒信号十分微弱,通过多普勒信号放大调理模块调理后,提供给MCU模块进行算法分析;
所述电源管理模块:该装置电源供电策略管理模块,核心功能是实现整个装置的低功耗控制;
所述双备份物理隔离无线收发模块(射频处理模块1和2):射频处理模块1和射频处理模块2采用完全独立的通信频段、调制方式、通信速率、占用带宽等,实现通信链路互相备份;
所述MCU模块:实现整个装置的应用逻辑及处理算法,按需控制整个装置稳定可靠且有序运行,达到实际应用的功能和性能;
所述最小系统:提供整个装置运行的最小系统,包括晶振、滤波电路、程序烧写接口等;
所述串行通信模块:提供整个装置对外可扩展通信接口;
所述外部看门狗模块:提供整个装置有序运转的监护,异常状态下能够自动修复。
雷达传感器模块及多普勒信号放大调理模块实现原理:多普勒雷达在发射微波信号的同时接受反射波信号,并将两者相混,产生一个新的低频信号,称多普勒信号,其频率称为多普勒频率,是发射频率和反射频率之差。实现方法如图5、6所示。
多普勒频率=|发射频率-反射频率|=|1/λt-1/λr|=|ft-fr|
由此可见,当雷达检测到多普勒信号则判定有移动目标存在。
微波传感器模块输出的多普勒信号十分微弱,需要放大数千倍才能做进一步的处理。此外,放大的同时还必须使信号通过一个低频带通滤波器,目的是去掉高频和甚低频干扰,实现方法如图8所示。
如图9所示给出多普勒信号、带内干扰信号、高频干扰信号、低频干扰信号通过带通滤波器前后的情况。可以看到,高、低频干扰信号受带通滤波器的阻隔不能通过,但放大多普勒信号的同时,频率落在带内的干扰信号也被放大通过。为了分离有用的多普勒信号,决策控制部分通常会加入自适应门限控制算法来切除漏过带通滤波器的干扰信号,这种算法是通过分析信号幅度的大小来区分多普勒信号和干扰信号的。显然,当多普勒信号的幅度不敌干扰信号时,就无法探测到运动目标了。
探测静止物体的距离,即静态物体到传感器之间的距离,调制信号采用锯齿波即可。这是因为,此时的干扰大多为多普勒信号,而在抗干扰性能方面,锯齿波调制要优于三角波调制。差频信号中的距离信息,是通过由时间延迟引起的差频信号来反映的。图10是带有锯齿形调制方案的雷达发射和接收信号的时间相关曲线。
发射频率曲线与接收频率曲线的唯一区别是时间延迟。如图10所示,在某一时刻t0时的瞬时接收信号,其频率低于瞬时发射频率(对于升坡曲线而言),原因是传感器在同一时刻发射频率已经升高。如果在混频器中混合发射信号和接收信号,就会生成一个恒定的差频信号fd,其中包含所需的距离信息。而且,此频率越高,目标的距离越远。
下列公式(2)和(3)说明了静止目标距离R与差频fd的关系:
或
fd差频
Δf振荡器发射频率的变化范围,即调频宽度
T锯齿波重复周期
f调频速度,f=1/T
R目标的距离
c0光速
对中频差频信号进行相应的分析处理得到fd的值,则可由公式(2)或(3)得到此时目标距传感器的距离信息。
探测运动目标的速度和距离信息时,调制信号采用三角波。由于同时存在时间延迟效应和多普勒频移效应,因此选用一个三角函数(具有升坡曲线和降坡曲线)来满足此时问题的复杂性。
差频信号中的距离信息,是由多普勒效应和时间延迟效应叠加来反映的。下图11显示了在被目标物体反射后,用三角波调制微波信号的发射和接收情况。如图8所示,实线为发射信号,虚线为接收信号。延时效应将导致两个信号在X轴(时间轴)上,产生一个Δt的差值,Δt即为回波信号相较于发射信号的时间延迟。由Δt进而会产生一个差频信号fdelay,fdelay即为某一时刻回波信号频率与发射信号频率的差值,原因是传感器在同一时刻的发射频率已经发生变化。
由公式(2)可得
多普勒效应将导致接收信号在Y轴(频率轴)上,产生一个多普勒频移fDopp。
由公式(1)可得
为简化公式,令角度α=0,即目标相对于雷达传感器作径向运动,则公式(6)可简化为
由图8可以看出,在升坡阶段,时间延迟效应与多普勒效应相互抵消;在降坡阶段,这两种效应叠加。由此可计算出在三角调制信号的升坡阶段传感器输出信号fdiff_up,及降坡阶段的输出信号fdiff_down:
fdiff_up=|fDopp-fdelay| (A)
fdiff_down=fDopp+fdelay (B)
(A)+(B)可得:
fdiff_up+fdiff_down=2·fDopp (C)
将公式(C)带入公式(6)可得速度公式:
(B)-(A)可得:
|fdiff_up-fdiff_down|=2·fdelay (D)
将公式(D)代入公式(4)可得距离公式:
分析传感器的输出信号,得到fdiff_up和fdiff_down的信息,再由公式(7)和公式(8),即可得到运动目标的速度和距离信息。
辨别运动目标的方向,即探测运动目标相对于雷达传感器作何种方向的运动:靠近或远离。双通道雷达传感器均可实现此功能。
理论上I、Q应为两路幅值相同,相位相差90°的信号,但由于实际测量导致的误差,其幅值可有6dB的误差,而相位差也允许在60°~120°的范围内变化。分析I和Q两路信号,如果目标相对雷达传感器做靠近或远离的运动,则可在示波器上时域图上观察到其中一路信号相对于另一路超前或滞后90°。
如图12所示,当目标做靠近传感器的径向运动时,I信号滞后于Q信号90°;当目标做远离传感器的径向运动时,I信号超前于Q信号90°。即最简单的辨别运动目标方向的方法为,计算示波器时域图中零交点的数目,并且辨别I、Q哪路信号在前。
如图7所示,双备份物理隔离无线收发模块(射频处理模块1和2)实现:
该装置设计两路物料隔离无线收发模块,射频处理模块1和射频处理模块2。其中:
射频处理模块1:采用GFSK调制方式,采用470MHz通信频点,在发射功率增加至27dBm时,能够在3公里范围内稳定通信。
射频处理模块2:采用扩频调制技术。扩展频谱(扩频):用来传输信息的信道带宽远大于信息本身带宽的一种传输方式。
根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式,即仙农公式:C=W×Log2(1+S/N)式中:C-信息的传输速率S--有用信号功率W--频带宽度N-噪声功率由式中可以看出:为了提高信息的传输速率C,可以从两种途径实现,既加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说,当信号的传输速率C一定时,信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的,即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求,当带宽增加到一定程度,允许信嗓比进一步降低,有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处,这就是扩频通信的基本思想和理论依据。
扩频调制技术在其他领域应用了很多年,在等同的数据速率条件下,商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8-10dB的灵敏度。该设备处理模块集成了Semtech最新研制的LoRa扩频调制方式和传统的GFSK调制方式。为用户提供了一种简单的系统既能实现远距离,又能实现长电池寿命并且增加系统容量。
采用LoRaTM模式可以实现-148dbm的高灵敏度,并加上集成的+20dbm的功率输出,采用较低通信速率的情况下,远距离通信更加稳定可靠。
综上所述,本发明列车接近报警触发装置在工作时,雷达传感器模块间隔发出固定频率微波信号,该信号采用特殊FMCW模式编码算法,如锯齿波调制或三角波调制,使得无论微波信号遇到静止物体或运动物体,都能产生稳定可靠的反射波信号并被传感器接收,将两者相混差频产生一个新的低频信号,即为多普勒频移信号,微弱的多普勒频移信号经过放大数千倍并通过低通滤波器过滤处理后,再通过优化的门限算法把它从噪声和干扰信号中提取出与运动物体相对于雷达设备的运动速度成比例多普勒频率信号。MCU模块通过对多普勒频率信号进行采样,经过算法分析后计算出静止目标的距离,以及移动目标的距离、速度和方向。MCU模块内部集成列车经过多普勒雷达的数学模型以及特征参数,将实时计算出的静止目标的距离,以及移动目标的距离、速度和方向等参数与内部集成的列车经过多普勒雷达的数学模型以及特征参数进行对比分析,判定有无列车驶来,以及列车速度、距离和接近方向等状态信息。MCU模块根据判定结果,按需触发双备份物理隔离无线收发模块,并将判定结果通过双备份物理隔离无线收发模块稳定可靠地发射给接收装置,从而到达列车接近报警的目的。本发明设计的采用正交多普勒雷达探测技术的列车接近报警触发装置,可以安装在铁路线路防护栏外侧,能够在30米范围之内可靠有效探测列车经过的方向和速度;具备列车接近报警信号无线上传功能;具备列车接近报警信号无线上传链路物理隔离备份功能,最有效可靠地保障信号传输的稳定性和可靠性;采用优化算法,实现远距离列车接近检测功能的同时,具备列车接近方向和速率判断功能;具备设备低功耗控制策略及休眠机制,保障设备能够采用太阳能电池板供电;能够对外部设备提供通信接口和控制信号,实用性更广。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明的目的,而并非用作对本发明的限定,只要在本发明的实质范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种列车接近报警触发装置,其特征在于,其采用正交多普勒雷达探测技术,其包括:雷达传感器模块、多普勒信号放大调理模块、电源管理模块、双备份物理隔离无线收发模块、MCU模块、最小系统、串行通信模块以及外部看门狗模块。
2.根据权利要求1所述的列车接近报警触发装置,其特征在于,所述雷达传感器模块:发射微波信号的同时接受反射波信号,并将两者相混,产生多普勒信号,并将信号输出给多普勒信号放大调理模块。
3.根据权利要求1所述的列车接近报警触发装置,其特征在于,所述多普勒信号放大调理模块:对雷达传感器模块输出的多普勒信号进行放大调理后,提供给MCU模块进行算法分析;所述电源管理模块:进行低功耗控制。
4.根据权利要求1所述的列车接近报警触发装置,其特征在于,所述双备份物理隔离无线收发模块:包括射频处理模块1和射频处理模块2,其采用独立的通信频段、调制方式、通信速率、占用带宽,实现通信链路互相备份:所述射频处理模块1:采用GFSK调制方式,采用470MHz通信频点;所述射频处理模块2:采用扩频调制技术,包括LoRa扩频调制方式或GFSK调制方式。
5.根据权利要求1所述的列车接近报警触发装置,其特征在于,所述MCU模块:实现整个装置的应用逻辑及处理算法;MCU模块按需触发双备份物理隔离无线收发模块,并通过双备份物理隔离无线收发模块将判定结果发射出去;所述最小系统:提供整个装置运行的最小系统,包括晶振、滤波电路、程序烧写接口。
6.根据权利要求1所述的列车接近报警触发装置,其特征在于,所述串行通信模块:提供整个装置对外可扩展通信接口;所述外部看门狗模块:提供整个装置有序运转的监护、异常状态下的自动修复。
7.一种列车接近报警触发方法,其特征在于,其采用正交多普勒雷达探测技术,其包括如下步骤:
发射雷达信号、同时接受反射波信号,并将两者相混,产生多普勒信号,放大所述多普勒信号并做进一步的处理;
对处理后的多普勒频率信号进行采样,经过算法分析后计算出所测目标的需求参数;
将实时计算出的需求参数与预先内部集成的列车经过多普勒雷达探测技术的数学模型以及特征参数进行对比分析,判定所测静态或运动目标的状态信息;
将判定结果发射给接收装置,从而到达列车接近报警的目的。
8.根据权利要求7所述的列车接近报警触发方法,其特征在于,所述进一步的处理是指多普勒信号经过放大调理且经过低通滤波,再通过优化的门限算法从噪声和干扰信号中提取出与运动物体相对于雷达设备的运动速度成比例的多普勒频率信号。
9.根据权利要求7所述的列车接近报警触发方法,其特征在于,发射的雷达信号经过编码算法、锯齿波调制或三角波调制;经锯齿波调制的发射和接收信号的时间相关曲线,计算得出所测静态目标的参数;采用三角波调制,计算得出所测运动目标的参数。
10.根据权利要求9所述的列车接近报警触发方法,其特征在于,所测运动目标的参数采用双通道雷达传感器检测的两路幅值基本相同,相位相差90°的信号进行计算得到。
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Legal Events
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DD01 | Delivery of document by public notice |
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PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20161123 |