CN108629602B - 一种基于区块链技术的食品质量安全管理系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链技术的食品质量安全管理系统与方法，该系统包括存储层、服务层、接口层、功能层、管理层及用户层；该方法包括食品质量智能管理、食品质量安全控制。本发明利用区块链技术具有去中心化、信息透明、不可篡改等特性，结合物联网传感器技术实现数据自动化采集，通过大数据技术实现对数据信息的挖掘与分析，建立分布式、高效、可靠的食品安全溯源系统；另外，本发明系统通过建立支持创建智能合约，实现了信息的自动化处理，以数学方法建立节点间信任关系，不需第三方担保可在企业间直接交易，大幅提高了企业效率及降低成本。

Description

一种基于区块链技术的食品质量安全管理系统与方法

技术领域

本发明属于食品质量安全管理领域，具体技术涉及种基于区块链技术的食品质量安全管理系统与方法。

背景技术

目前我国通过建立相关的食品质量安全管理机构、指导企业建立现代化质量管控系统、溯源系统等信息化手段实现对食品质量安全的监督与控制。然而，由于高价值信息被少数机构掌控，选择性的公开、屏蔽或篡改信息等行为造成的信息不对称，以及缺乏高效的食品质量安全管控系统。近十多年来，陆续曝光的奶粉、大米、肉制品、食用油、蔬菜等食品或农产品中出现的三聚氰胺、黄曲霉毒素、苏丹红、瘦肉精、重金属、农药、非法化学品等危害因子，导致众多人群出现中毒事件，甚至危及生命。随着食品产业链不断精细化和多元化发展，常规的质量管理溯源系统的效率下降，成本增加，同时，由于缺乏针对危害因子的质量安全溯源系统，危害源头难以快速准确的发现。之外，传统技术的食品安全溯源系统还存在如下问题：1)少数中心数据库机构掌握多数价值信息，易形成高成本、低效率的运营现状；信息提供者可以选择性屏蔽甚至篡改对自己不利的信息，而消费者仅通过肉眼难以辨别；2)食品产业链环节日益细化，涉及众多的环节、要素和参与者，沟通成本巨大；3)食品的质量安全控制一般通过对成品的危害成分进行抽样检测，存在采样、检测周期长，危害问题发现不及时，导致不合格产品流入市场，食品安全隐患大等问题。因此，通过建立高效的溯源技术保障食品质量安全已成为重要的研究课题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于区块链技术的食品质量安全管理系统与方法，本发明利用区块链技术具有去中心化、信息透明、不可篡改等特性，结合物联网传感器技术实现数据自动化采集，通过大数据技术实现对数据信息的挖掘与分析，建立分布式、高效、可靠的食品安全溯源系统。本发明系统通过建立支持创建智能合约，实现信息的自动化处理，以数学方法建立节点间信任关系，不需第三方担保可在企业间直接交易，极大提高企业效率及降低成本。

本发明通过下述技术方案实现。

基于区块链技术的食品质量安全管理系统，其特征在于，包括存储层、服务层、接口层、功能层、管理层及用户层；

所述存储层基于联盟区块链技术架构，以节点集群形式呈现，用于将进入系统的数据分布式存储于数据库中；

所述服务层包括账户体系管理模块、分布式账本、算法支持模块及服务管理模块；其中，所述账户体系管理模块用于实现与账户相关服务功能，为用户注册与权限管理提供功能支持；所述分布式账本用于共识算法、智能合约、P2P构建的功能实现和支撑区块链的业务功能；所述算法支持模块用于根据生产工艺参数与食品质量的关系、食品法律法规、食品质量标准、食品安全风险评估相关标准、专家知识库生成相应的算法支持库；所述服务管理模块用于配置系统可支持的服务管理，以提升系统扩展性；

所述接口层用于实现系统底层服务封装成规范化api接口以供功能层应用；

所述功能层包括数据采集模块、营销管理模块、数据分析模块、追溯验证查询模块、物品流转模块、溯源赋码模块、膳食营养推荐模块、区块链模块；其中，所述数据采集模块用于采集食品全产业链关键点的信息数据，经服务层共识验证生效，建立可靠的食品全产业链关键点的信息数据库并分布式存储于存储层；所述营销管理模块用于辅助包括经、销、存和用户管理功能的企业日常营销管理；所述数据分析模块用于基于共识生效的食品全产业链关键点的信息数据，依据智能合约、算法支持库进行食品质量分析、智能调整工艺参数、产品质量分级，智能化处理生产商的赔偿、整改、异议，用于基于存储层中的数据进行数据挖掘与分析、风险预测及风险等级评估；所述追溯验证查询模块用于支持扫描二维码溯源食品全产业链关键点的信息数据并反馈给用户；所述物品流转模块用于实现物品流通、食品全产业链关键点间数据的整合及响应用户溯源请求；所述区块链模块用于设计与管理智能合约，管理共识算法，动态增加与销毁新入住企业的节点，分配不同身份用户的权限等级，自动为用户预警并触发溯源功能，锁定隐患源并对隐患源进行纠偏处置；所述溯源赋码模块用于根据自定义赋码规则实现溯源码的编码；所述营养膳食推荐模块用于依据算法库支持模块生成的算法支持库和存储层储存的用户健康数据信息，为用户提供膳食推荐；

所述管理层包括用户管理平台、运营管理平台；其中，所述用户管理平台用于用户账户、角色、权限的可视化管理；所述运营管理平台用于对包括底层设备资源的使用情况、状态及各区域销售情况的监测与管理；

所述用户层用于为生产加工企业、零售商、监测机构、物流业、监管部门与普通消费者等用户提供功能接口。

作为优选技术方案，所述数据库包括CouchDB、MYSQL。

作为优选技术方案，所述食品全产业链关键点包括加工、物流、消费环节。

作为优选技术方案，所述食品全产业链关键点在大米中包括种植、收获、干燥、仓储、加工、物流、消费环节。

作为优选技术方案，所述溯源码的编码使用QR方法将每一个预包装食品的溯源信息与二维码形成唯一对应的关联关系；所述预包装食品的溯源信息通过产业链层级化表示，第一层为产业链主节点(IDi)，第二层为第一层的分支(IDij)，第三层为第二层的分支(IDijk)，依次类推；其中，每个层次的溯源信息为该层次所有节点的溯源信息累加，所有层次的溯源信息累加得到产业链的总信息，生成二维码信息，即：

二维码信息＝∑IDi；其中IDi＝IDi+∑IDij,IDij＝IDij+∑IDijk,…,IDijk...n＝IDijk...n+∑IDijk...nm；i＝1,2,3,…；j＝1,2,3,…；k＝1,2,3,…；…；n＝1,2,3,…；m＝1,2,3,…。

作为优选技术方案，所述食品全产业链关键点的信息数据包括生产工艺参数、现场质检数据、质检过程的证据、第三方质检结果。

基于区块链技术的食品质量安全管理方法，其特征在于包括食品质量智能管理、食品质量安全控制；

所述食品质量智能管理包括如下步骤：

1)生产智能控制：算法支持模块依据生产工艺参数与食品质量的关系、食品法律法规、食品质量标准建立算法支持库；区块链模块依据食品质量标准与法律法规建立参与方为生产线上、下游工序的生产智能控制智能合约；数据采集模块实时采集生产工艺参数和现场质检数据发送至服务层，实时生产工艺参数和现场质检数据经服务层共识生效后存储至存储层并传入数据分析模块中；数据分析模块基于实时生产工艺参数和现场质检数据，依据已构建的算法支持库、智能合约，进行食品质量分析、智能调整工艺参数和产品质量分级；

2)质检需求管理：送检用户通过用户层提出质检请求，将质检需求和质检样品发送至物品流通模块；物品流通模块接收并将质检需求和质检样品发送至检测机构；检测机构的根据质检需求触发检测设备启动传感器对质检样品进行质检或分配质检员对质检样品进行质检，并获得第三方质检结果；数据采集模块采集第三方质检结果传至服务层进行共识验证生效，共识验证生效的检测结果被分布式存储于区块链中各个节点数据库；

3)质检过程管理：区块链模块依据质检标准、质检员库、质检价格、质检需求建立参与方为送检用户、检测机构的智能合约；数据采集模块自动采集质检过程的证据，存入至储存层各分布式区块链节点数据库中；

4)质检结果处置：区块链模块依据食品质量标准与法律法规建立参与方为生产商、政府监管机构、消费者的智能合约；数据分析模块基于步骤(2)共识生效的质检结果，根据智能合约的规则对质检结果进行判定，智能化处理生产商的赔偿、整改、异议；生产商进行生产整改后，再次自发提出质检请求，依次执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，直至步骤(4)中对质检结果的判定为合格；

所述食品质量安全控制具体包括如下步骤：

a)识别隐患：数据采集模块实时采集食品全产业链关键点的信息数据并发送至服务层，食品全产业链关键点的信息数据经服务层共识生效后存储至存储层并传入数据分析模块中；数据分析模块依据算法支持模块生成的算法支持库，初步识别隐患；

b)风险评估、预警：数据分析模块基于步骤(2)质检需求管理中共识生效后存储至存储层中的食品全产业链关键点的信息数据，进行数据挖掘与分析、风险预测及风险等级评估；

c)溯源、纠偏：区块链模块基于食品安全风险评估相关标准、专家知识库构建智能合约，自动为用户触发溯源功能，锁定隐患源，并基于算法支持模块生成的算法支持库，对隐患源进行纠偏处置；数据采集模块采集纠偏后的隐患源的实时数据，依次进行步骤(b)、(c)，实现闭环在线风险评估与危害管控。

作为优选技术方案，于所述步骤(2)中质检请求包括企业送检、政府管理机构抽检、消费者投诉、生产商自证清白自发提出的质检请求。

本发明的有益效果在于：

本发明系统在食品质量安全管理溯源系统中引入区块链技术，使没有信任基础的用户间建立信任，以低成本、高效率的解决食品安全领域存在的信任问题。

本发明系统提高了食品生产过程的可追踪性，不仅使食品质量安全得到有效控制，而且也可以扩展到供应链管理、生产管理等多种业务功能，为企业生产管理和市场开拓提供方便快捷的工具和可靠的数据支撑，提高企业生产效率，降低管理成本，提升企业的竞争优势。

本发明系统通过大数据及人工智能技术实现风险评估、隐患预警，面向政府、企业、消费者实现数据开放共享和食品安全的社会共治，有利于建立平台公信力，提升消费者信任度，辅助企业进行质量管理。与现有其他技术对比，本发明有如下优势：

附图说明

图1为本发明基于区块链技术的食品质量安全管理系统的架构图；

图2为大米产业链层级化示意图；

图3生产过程关于重金属镉、汞的智能合约示意图；

图4为利用本发明系统进行食品质量智能管理的流程图；

图5为利用本发明系统进行食品质量安全控制的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明，需要指出的是以下实施方式仅是以例举的形式对本发明所做的解释性说明，但本发明的保护范围并不仅限于此，所有本领域的技术人员以本发明的精神对本发明所做的等效的替换均落入本发明的保护范围。

实施例1

以本发明基于区块链技术的食品质量安全管理系统与方法应用在大米食品中为例。

基于区块链技术的食品质量安全管理系统，请参阅图1，包括存储层、服务层、接口层、功能层、管理层及用户层；

存储层基于联盟区块链技术架构，以节点集群形式呈现，用于将进入系统的数据分布式存储于数据库中；

服务层包括账户体系管理模块、分布式账本、算法支持模块及服务管理模块；其中，账户体系管理模块用于实现与账户相关服务功能，为用户注册与权限管理提供功能支持；分布式账本用于共识算法、智能合约、P2P构建的功能实现和支撑区块链的业务功能；算法支持模块用于根据生产工艺参数与大米质量的关系、食品法律法规、大米质量标准、大米安全风险评估相关标准、专家知识库生成相应的算法支持库；服务管理模块用于配置系统可支持的服务管理，以提升系统扩展性；

接口层用于实现系统底层服务封装成规范化api接口以供功能层应用；

功能层包括数据采集模块、营销管理模块、数据分析模块、追溯验证查询模块、物品流转模块、溯源赋码模块、膳食营养推荐模块、区块链模块；其中，数据采集模块用于采集大米全产业链关键点的信息数据，经服务层共识验证生效，建立可靠的大米全产业链关键点的信息数据库并分布式存储于存储层，其中大米全产业链关键点包括种植、收获、干燥、仓储、加工、物流、消费；营销管理模块用于辅助包括经、销、存和用户管理功能的企业日常营销管理；数据分析模块用于基于共识生效的大米全产业链关键点的信息数据，依据智能合约、算法支持库进行大米质量分析、智能调整工艺参数、产品质量分级，智能化处理生产商的赔偿、整改、异议，用于基于存储层中的数据进行数据挖掘与分析、风险预测及风险等级评估；追溯验证查询模块用于支持扫描二维码溯源大米全产业链关键点的信息数据并反馈给用户；物品流转模块用于实现物品流通、大米全产业链关键点间数据的整合及响应用户溯源请求；区块链模块用于设计与管理智能合约，管理共识算法，动态增加与销毁新入住企业的节点，分配不同身份用户的权限等级，自动为用户预警并触发溯源功能，锁定隐患源并对隐患源进行纠偏处置；溯源赋码模块用于根据自定义赋码规则实现溯源码的编码；营养膳食推荐模块用于依据算法库支持模块生成的算法支持库和存储层储存的用户健康数据信息，为用户提供膳食推荐；

管理层包括用户管理平台、运营管理平台；其中，用户管理平台用于用户账户、角色、权限的可视化管理；运营管理平台用于对包括底层设备资源的使用情况、状态及各区域销售情况的监测与管理；

用户层用于为生产加工企业、零售商、监测机构、物流业、监管部门与普通消费者等用户提供功能接口；

溯源码的编码使用QR方法将每一个预包装大米的溯源信息与二维码形成唯一对应的关联关系；请参阅图2，预包装大米的溯源信息通过产业链层级化表示，第一层为产业链主节点(IDi)，第二层为第一层的分支(IDij)，如原料(ID1)的分支节点包括种子(ID11)、种植(ID12)等，第三层为第二层的分支(IDijk)，如种植(ID12)的分支节点包括灌溉(ID121)，农药(ID122)，依次类推；其中，每个层次的溯源信息为该层次所有节点的溯源信息累加，所有层次的溯源信息累加得到产业链的总信息，生成二维码信息，即：

二维码信息＝∑IDi；其中IDi＝IDi+∑IDij,IDij＝IDij+∑IDijk,…,IDijk...n＝IDijk...n+∑IDijk...nm；i＝1,2,3,…；j＝1,2,3,…；k＝1,2,3,…；…；n＝1,2,3,…；m＝1,2,3,…。

实施例2

以本发明基于区块链技术的食品质量安全管理方法应用在大米食品中为例。

基于区块链技术的食品质量安全管理方法，包括食品质量智能管理、食品质量安全控制；

请参阅图4，食品质量智能管理包括如下步骤：

1)生产智能控制：算法支持模块依据生产工艺参数与食品质量的关系、食品法律法规、食品质量标准建立算法支持库；区块链模块依据食品质量标准与法律法规建立参与方为生产线上、下游工序的生产智能控制智能合约(如图3所示出的生产过程关于重金属镉、汞的智能合约)；数据采集模块实时采集生产工艺参数和现场质检数据发送至服务层，实时生产工艺参数和现场质检数据经服务层共识生效后存储至存储层并传入数据分析模块中；数据分析模块基于实时生产工艺参数和现场质检数据，依据已构建的算法支持库、智能合约，进行食品质量分析、智能调整工艺参数和产品质量分级；

2)质检需求管理：送检用户通过用户层提出质检请求，将质检需求和质检样品发送至物品流通模块；物品流通模块接收并将质检需求和质检样品发送至检测机构；检测机构的根据质检需求触发检测设备启动传感器对质检样品进行质检或分配质检员对质检样品进行质检，并获得第三方质检结果；数据采集模块采集第三方质检结果传至服务层进行共识验证生效，共识验证生效的检测结果被分布式存储于区块链中各个节点数据库；

3)质检过程管理：区块链模块依据质检标准、质检员库、质检价格、质检需求建立参与方为送检用户、检测机构的智能合约；数据采集模块自动采集质检过程的证据，存入至储存层各分布式区块链节点数据库中；

4)质检结果处置：区块链模块依据食品质量标准与法律法规建立参与方为生产商、政府监管机构、消费者的智能合约；数据分析模块基于步骤(2)共识生效的质检结果，根据智能合约的规则对质检结果进行判定，智能化处理生产商的赔偿、整改、异议；生产商进行生产整改后，再次自发提出质检请求，依次执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，直至步骤(4)中对质检结果的判定为合格；

请参阅图5，食品质量安全控制具体包括如下步骤：

a)识别隐患：数据采集模块实时采集食品全产业链关键点的信息数据并发送至服务层，食品全产业链关键点的信息数据经服务层共识生效后存储至存储层并传入数据分析模块中；数据分析模块依据算法支持模块生成的算法支持库，初步识别隐患；

b)风险评估、预警：数据分析模块基于步骤(2)中共识生效后存储至存储层中的食品全产业链关键点的信息数据，进行数据挖掘与分析、风险预测及风险等级评估；

c)溯源、纠偏：区块链模块基于食品安全风险评估相关标准、专家知识库构建智能合约，自动为用户触发溯源功能，锁定隐患源，并基于算法支持模块生成的算法支持库，对隐患源进行纠偏处置；数据采集模块采集纠偏后的隐患源的实时数据，依次进行步骤(b)、(c)，实现闭环在线风险评估与危害管控。

Claims (7)

1.基于区块链技术的食品质量安全管理系统，其特征在于，包括存储层、服务层、接口层、功能层、管理层及用户层；

所述存储层基于联盟区块链技术架构，以节点集群形式呈现，用于将进入系统的数据分布式存储于数据库中；

所述服务层包括账户体系管理模块、分布式账本、算法支持模块及服务管理模块；其中，所述账户体系管理模块用于实现与账户相关服务功能，为用户注册与权限管理提供功能支持；所述分布式账本用于共识算法、智能合约、P2P构建的功能实现和支撑区块链的业务功能；所述算法支持模块用于根据生产工艺参数与食品质量的关系、食品法律法规、食品质量标准、食品安全风险评估相关标准、专家知识库生成相应的算法支持库；所述服务管理模块用于配置系统可支持的服务管理，以提升系统扩展性；

所述接口层用于实现系统底层服务封装成规范化api接口以供功能层应用；

所述功能层包括数据采集模块、营销管理模块、数据分析模块、追溯验证查询模块、物品流转模块、溯源赋码模块、膳食营养推荐模块、区块链模块；其中，所述数据采集模块用于采集食品全产业链关键点的信息数据，经服务层共识验证生效，建立可靠的食品全产业链关键点的信息数据库并分布式存储于存储层；所述营销管理模块用于辅助包括经、销、存和用户管理功能的企业日常营销管理；所述数据分析模块用于基于共识生效的食品全产业链关键点的信息数据，依据智能合约、算法支持库进行食品质量分析、智能调整工艺参数、产品质量分级，智能化处理生产商的赔偿、整改、异议，用于基于存储层中的数据进行数据挖掘与分析、风险预测及风险等级评估；所述追溯验证查询模块用于支持扫描二维码溯源食品全产业链关键点的信息数据并反馈给用户；所述物品流转模块用于实现物品流通、食品全产业链关键点间数据的整合及响应用户溯源请求；所述区块链模块用于设计与管理智能合约，管理共识算法，动态增加与销毁新入住企业的节点，分配不同身份用户的权限等级，自动为用户预警并触发溯源功能，锁定隐患源并对隐患源进行纠偏处置；所述溯源赋码模块用于根据自定义赋码规则实现溯源码的编码；所述营养膳食推荐模块用于依据算法库支持模块生成的算法支持库和存储层储存的用户健康数据信息，为用户提供膳食推荐；其中，所述溯源码的编码使用QR方法将每一个预包装食品的溯源信息与二维码形成唯一对应的关联关系；所述预包装食品的溯源信息通过产业链层级化表示，第一层为产业链主节点IDi，第二层为第一层的分支IDij，第三层为第二层的分支IDijk，依次类推；其中，每个层次的溯源信息为该层次所有节点的溯源信息累加，所有层次的溯源信息累加得到产业链的总信息，生成二维码信息，即：

二维码信息＝∑IDi；其中IDi＝IDi+∑IDij,IDij＝IDij+∑IDijk,…,IDijk...n＝IDijk...n+∑IDijk...nm；i＝1,2,3,…；j＝1,2,3,…；k＝1,2,3,…；…；n＝1,2,3,…；m＝1,2,3,…；

所述管理层包括用户管理平台、运营管理平台；其中，所述用户管理平台用于用户账户、角色、权限的可视化管理；所述运营管理平台用于对包括底层设备资源的使用情况、状态及各区域销售情况的监测与管理；

所述用户层用于为生产加工企业、零售商、监测机构、物流业、监管部门与普通消费者提供功能接口。

2.如权利要求1所述的基于区块链技术的食品质量安全管理系统，其特征在于所述数据库包括CouchDB、MYSQL。

3.如权利要求1所述的基于区块链技术的食品质量安全管理系统，其特征在于所述食品全产业链关键点包括加工、物流、消费环节。

4.如权利要求3所述的基于区块链技术的食品质量安全管理系统，其特征在于所述食品全产业链关键点在大米中包括种植、收获、干燥、仓储、加工、物流、消费环节。

5.如权利要求1所述的基于区块链技术的食品质量安全管理系统，其特征在于所述食品全产业链关键点的信息数据包括生产工艺参数、现场质检数据、质检过程的证据、第三方质检结果。

6.基于区块链技术的食品质量安全管理方法，其特征在于包括食品质量智能管理、食品质量安全控制；

所述食品质量智能管理包括如下步骤：

1)生产智能控制：算法支持模块依据生产工艺参数与食品质量的关系、食品法律法规、食品质量标准建立算法支持库；区块链模块依据食品质量标准与食品法律法规建立参与方为生产线上、下游工序的生产智能控制智能合约；数据采集模块实时采集生产工艺参数和现场质检数据发送至服务层，实时生产工艺参数和现场质检数据经服务层共识生效后存储至存储层并传入数据分析模块中；数据分析模块基于实时生产工艺参数和现场质检数据，依据已构建的算法支持库、智能合约，进行食品质量分析、智能调整工艺参数和产品质量分级；

2)质检需求管理：送检用户通过用户层提出质检请求，将质检需求和质检样品发送至物品流通模块；物品流通模块接收并将质检需求和质检样品发送至检测机构；检测机构的根据质检需求触发检测设备启动传感器对质检样品进行质检或分配质检员对质检样品进行质检，并获得第三方质检结果；数据采集模块采集第三方质检结果传至服务层进行共识验证生效，共识验证生效的检测结果被分布式存储于区块链中各个节点数据库；

3)质检过程管理：区块链模块依据质检标准、质检员库、质检价格、质检需求建立参与方为送检用户、检测机构的智能合约；数据采集模块自动采集质检过程的证据，存入至储存层各分布式区块链节点数据库中；

4)质检结果处置：区块链模块依据食品质量标准与法律法规建立参与方为生产商、政府监管机构、消费者的智能合约；数据分析模块基于步骤(2)共识生效的质检结果，根据智能合约的规则对质检结果进行判定，智能化处理生产商的赔偿、整改、异议；生产商进行生产整改后，再次自发提出质检请求，依次执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，直至步骤(4)中对质检结果的判定为合格；

所述食品质量安全控制具体包括如下步骤：

a)识别隐患：数据采集模块实时采集食品全产业链关键点的信息数据并发送至服务层，食品全产业链关键点的信息数据经服务层共识生效后存储至存储层并传入数据分析模块中；数据分析模块依据算法支持模块生成的算法支持库，初步识别隐患；

b)预测、风险评估：数据分析模块基于步骤(2)中共识生效后存储至存储层中的食品全产业链关键点的信息数据，进行数据挖掘与分析、风险预测及风险等级评估；

c)溯源、纠偏：区块链模块基于食品安全风险评估相关标准、专家知识库构建智能合约，自动为用户预警并触发溯源功能，锁定隐患源，并基于算法支持模块生成的算法支持库，对隐患源进行纠偏处置；数据采集模块采集纠偏后的隐患源的实时数据，依次进行步骤(b)、(c)，实现闭环在线风险评估与危害管控。

7.如权利要求6所述的基于区块链技术的食品质量安全管理方法，其特征在于所述步骤(2)中质检请求包括企业送检、政府管理机构抽检、消费者投诉、生产商自证清白自发提出质检。

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