CN110083058B - 基于时序qar参数的重着陆分类方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时序QAR参数的重着陆分类方法，属于数据分析领域。该方法为根据重着陆的定义，当着陆阶段VRTG参数的峰值超过一定阈值时，认为发生一次重着陆事件；通过VRTG曲线研究发现，根据VRTG峰值出现的时刻，将重着陆分为三种基本类型：峰值出现在首次接地瞬间、峰值出现在接地之后的几秒、峰值同时出现在接地瞬间和接地之后；将接地瞬间定义为飞机的后起落架首次由AIR状态切换为GROUND状态的时刻，起落架状态参数的采样频率是4Hz，接地瞬间精确到0.25秒。本发明实现方式简单：只需要计算VRTG峰值的出现时刻就能够判断出类别，很容易实现自动分类。结果表明，对重着陆进行分类之后，再针对每一类去研究重着陆的产生原因，将能极大地简化研究复杂度。

Description

基于时序QAR参数的重着陆分类方法

技术领域

本发明属于数据分析领域，涉及基于时序QAR参数的重着陆分类方法。

背景技术

飞行事故统计标记，着陆是民机飞行中最危险的阶段，事故及不安全事件的发生率明显 高于其他飞行阶段。重着陆是其中一类发生频繁的不安全事件，2006-2011年我国民航发生重 着陆不安全事件125起，约占着陆阶段不安全事件总数的20％。重着陆一般定义为飞机着陆时 垂直加速度超过规定极限值或者垂直方向上的速度超过规定值。重着陆是一类风险事件，会 使飞机的机翼、起落架、发动机结构损伤甚至断裂，给航空公司带来巨大经济损失，情况严 重时会引发灾难性事故后果，对旅客生命造成威胁。

飞行参数记录仪(QAR)是一种存储飞行参数的机载设备，现已广泛安装于各型飞机， 它可以记录飞机整个飞行阶段的位置、运动、操纵和告警等多项参数，现已被广泛应用于飞 机飞行品质监控、安全状态监控、飞行过程可视化仿真重现、机务维修、事故调查等方面。 QAR数据中汇集了大量飞机的动态飞行参数信息，反映了飞机的实时飞行状态，通过QAR数 据分析为飞行安全监控提供了行之有效的手段。

近年来，国内外学者已经开展了一些基于QAR的重着陆相关研究，例如：汪磊等人基于 QAR数据，利用风险评估模型对飞机的重着陆风险进行评估，然而，基于风险评估的模型很 难给出重着陆发生的原因，也不容易解释为什么某些航段的重着陆风险高于其他航段。另外 一些研究则是通过神经网络、支持向量机、逻辑回归等机器学习方法对重着陆进行预测，然 而这些方法的预测准确率普遍很低，只能达到约60～70％。

通过深入分析，我们发现当前重着陆研究之所以没有取得很好的效果，是因为它们没有 对重着陆的具体情况加以区分，从而增加了研究的难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于时序QAR参数的重着陆分类方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于时序QAR参数的重着陆分类方法，该方法为：根据重着陆的定义，当着陆阶段VRTG 参数的峰值超过一定阈值时，认为发生一次重着陆事件；通过VRTG曲线研究发现，根据 VRTG峰值出现的时刻，将重着陆分为三种基本类型：峰值出现在首次接地瞬间、峰值出现 在接地之后的几秒、峰值同时出现在接地瞬间和接地之后；将接地瞬间定义为飞机的后起落 架首次由AIR状态切换为GROUND状态的时刻，起落架状态参数的采样频率是4Hz，接地瞬间精确到0.25秒；同时，针对第一类重着陆，即峰值出现在首次接地瞬间，允许峰值出现的时刻与接地时刻之间存在一定的偏差，前后不超过1秒。

进一步，所述第一类重着陆的航段发生原因与其IVV和无线电高度曲线的变化规律密切 相关，且根据IVV和无线电高度变化不同进一步细分为三个子类别，将这三个子类别分别编 号为：I-1、I-2、I-3，分析这三个子类别对应的典型航段的QAR参数个体与群体对比曲线；

首先分析第一种情况，即I-1型重着陆，观察其无线电高度曲线，看到在接地前，其无 线电高度一直远高于群体曲线，且在50英尺至接地这段时间，其高度几乎是直线下降的；反 映到IVV曲线上，就是其50英尺至接地期间的IVV值远高于群体平均值，导致50英尺至接 地的时间很短，即4.75s，接地前瞬间的IVV很大，最后不得不靠地面提供的反向作用力来 阻止飞机下降，在接地时刻IVV有一个明显的跳变，即从－450ft/min跳变到约0ft/min，地 面提供的这种反向作用力也导致较大的VRTG载荷，即1.695g；再结合PITCH曲线的变化， 分析出IVV出现这种情况的原因，在50英尺高度处，飞机的俯仰角是在减小的，且进入50 英尺高度之后还持续减小，而飞机在50英尺高度时本身IVV已经比较大，即－700ft/min， 在这种情况下，飞行员没有及时拉起机头，反而让其继续下沉，其直接后果就是IVV进一步 增大，虽然飞行员后面提升俯仰角，但已经来不及，飞机迅速接地发生重着陆；观察飞机进 入50英尺高度以前的PITCH曲线，看到飞机的俯仰姿态整体是偏大的，即俯仰角约3.5°， 群体曲线的平均值约2.5°，若继续快速抬升机头可能导致接地时擦尾，同时说明，在进入50 英尺高度前控制好飞机的姿态和下降率对安全着陆至关重要；

接下来分析第二种情况，即I-2型重着陆，观察其无线电高度曲线，看到在50英尺高度 至接地这段时间，其高度不是逐渐从50英尺降低到接地，而是在中途降低到一个局部最小高 度之后，出现了“反弹”，高度抬升，然后再迅速下降接地；若取无线电高度曲线与平均曲线 的交点为分割点，将50英尺至接地这段时间分为两段，则看到前半段飞机的无线电高度低于 平均水平，后半段高于平均水平；无线电高度曲线出现这种变化特点与飞行员对IVV的控制 方式密切相关，分析50英尺至接地这段时间的IVV曲线，看到在进入50英尺高度之后，IVV 迅速下降，即明显小于平均值，然而由于IVV下降过快，导致IVV减小到接近0ft/min时飞 机仍然还没有接地，出现无线电高度下降到局部最小再“反弹”的情况；若飞机长时间不能接 地，则有冲出跑道的风险，为避免这种情况发生，飞行员迅速推杆提升IVV，IVV曲线又迅 速增加，导致接地时IVV较大，发生重着陆；若以航段IVV曲线和平均曲线的交点为分割点， 则50英尺至接地这段时间同样分为两段，前半段航段IVV曲线在平均曲线之上，后半段在 平均曲线之下；再来看PITCH曲线，看到在进入50英尺高度之后，机头抬升速度明显超过 了平均水平，PITCH最大值达到了将近7°，然后PITCH迅速减小到3.5°左右，接着又迅速抬 升，并以5°左右的姿态接地，PITCH与IVV曲线的变化趋势比较一致，说明PITCH对IVV 的控制关系；同时，I-2型重着陆通常伴随着较长的50英尺至接地时间，这是I-2型重着陆的 典型特征；

最后分析第三种情况，即I-3型重着陆，看到在50英尺至接地这段时间，这种重着陆的 曲线与I-1和I-2型相比最接近平均曲线；首先分析无线电高度曲线，在进入50英尺高度之 后，曲线基本与平均曲线保持一致，直到接地前几秒曲线才偏离平均曲线；再分析IVV曲线， 进入50英尺高度之后，IVV跟平均曲线比较吻合，但是在接地前几秒的时候，IVV没有保持 已有的减小趋势，而是出现“反弹”，导致接地前IVV较大，发生重着陆；若以IVV开始出现 “反弹”的时间作为分割点，则50英尺至接地这段时间分为两段，前半段航段IVV与平均曲 线差异较小，后半段则航段IVV显著大于平均值；最后分析PITCH曲线，看到进入50英尺高度之后，机头抬升较为迅速，当俯仰角上升到约6°之后，开始出现下降，从而导致IVV中途出现“反弹”；俯仰角降到8°之后，又开始上升，最终以6°左右的姿态接地；若飞行员在飞机的俯仰角达到6°的时候能够保持这种姿态至接地，则很有可能不会导致重着陆事件的发生； I-3型的重着陆原因为飞行员中途“放弃”导致；此外，由于I-3型重着陆的QAR参数曲线与平 均曲线最为接近，其50英尺至接地的时间也更接近平均时间，在6～8秒之间。

本发明的有益效果在于：

(1)实现方式简单：只需要计算VRTG峰值的出现时刻就能够判断出类别，很容易实现自动分类。

(2)能极大地简化分析复杂度：经过大量研究我们发现，根据上述方法完成大类分类之 后，在每个类别中进一步深入分析重着陆成因将明显变得更加容易。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为重着陆基本类型；(a)为VRTG峰值出现在首次接地瞬间；(b)为VRTG峰值出现在接地之后；(c)为VRTG峰值同时出现在接地瞬间和接地之后；

图2为不同类型重着陆航段的VRTG峰值箱线图；

图3为不同类型重着陆航段的50英尺至接地时间箱线图；

图4为第一类重着陆的三个子类别曲线图；(a)为重着陆类型：I-1；(b)为重着陆类型：I-2；(c)为重着陆类型：I-3；

图5为重着陆二级分类目录树。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

为了能让机器自动对重着陆成因进行推理，首先需要对重着陆的情况进行分类。根据重 着陆的定义，当着陆阶段VRTG参数的峰值超过一定阈值(本项目将阈值设为1.5g)时，认 为发生一次重着陆事件。通过VRTG曲线研究发现，根据VRTG峰值出现的时刻，可以将重 着陆分为三种基本类型：峰值出现在首次接地瞬间、峰值出现在接地之后的几秒、峰值同时 出现在接地瞬间和接地之后，分别如图1(a)、(b)、(c)所示。这里，将接地瞬间定义为飞机的 后起落架首次由AIR状态切换为GROUND状态的时刻，由于起落架状态参数的采样频率是 4Hz，因此该时间可以精确到0.25秒。同时，针对第一类重着陆(峰值出现在首次接地瞬间)， 允许峰值出现的时刻与接地时刻之间存在一定的偏差(前后不超过1秒)，这是因为采集参数 的传感器本身可能存在一定的误差。

本发明所用的QAR数据共包含41个重着陆航段，经过上述分类之后，第一类重着陆航 段29个，第二类重着陆航段10个，第三类重着陆航段2个。针对不同类型的重着陆，首先想到的问题是：是否某些类型的重着陆，其平均VRTG峰值(可理解为事件的严重性)要高 于其他类型？为了验证这一猜想，给出不同类型重着陆航段VRTG峰值的箱线图，如图3所 示。从图3中可以看到，三种类型重着陆的箱线图中位数几乎相等，而第一类重着陆的数据 离散程度最高，且所有VRTG峰值超过1.6g的航段均来自第一类，因此其平均值(绿色三角 形)也高于其他两类。第二类与第一类相比，其数据分布要集中得多，分布在1.5～1.575g之间，且其均值与中位数更接近。第三类由于样本点只有2个，因此其箱线图的统计意义不明显。由于第一类和第二类重着陆VRTG峰值的均值和中位数差别并不明显，因此并不能直接得出第一类重着陆比第二类更严重的结论。

图2为不同类型重着陆航段的VRTG峰值箱线图。

观察图1可以发现，若VRTG峰值出现在接地瞬间(图(a)和(c))，则往往伴随着更短的 50英尺至接地时间(75s和375s)，反之，若接地瞬间VRTG载荷较小，则50英尺至接地时间往往也更长(8.25s)。为了验证这一发现，分别给出三类重着陆的50英尺至接地时间的箱线图，如图3所示。

从图3中可以看到，第一类和第三类重着陆的箱线图要明显低于第二类箱线图，由于第 三类只有两个样本，因此这里着重对比第一类和第二类。虽然第一类的数据比第二类更分散， 且最大值比第二类更高，但是其平均数、中位数、最小值、1/4和3/4分位数都明显低于第二 类，说明第一类重着陆确实伴随着更短的50英尺至接地时间。

为什么第一类重着陆航段中会出现一些50英尺至接地时间很长(甚至超过了很多非重着 陆航段)的情况呢？通过对29个第一类重着陆航段的深入分析，发现第一类重着陆航段的发 生原因与其IVV和无线电高度曲线的变化规律密切相关，且根据IVV和无线电高度变化不同 可进一步细分为三个子类别，将这三个子类别分别编号为：I-1、I-2、I-3，图4给出了这三个 子类别对应的典型航段的QAR参数个体与群体对比曲线，从左往右分别对应无线电高度、IVV 和俯仰角度(PITCH)曲线，引入PITCH曲线有助于分析IVV的变化原因。(a)为重着陆 类型：I-1；(b)为重着陆类型：I-2；(c)为重着陆类型：I-3。

图4较好地总结了第一类重着陆的三种典型情况。首先分析第一种情况，即I-1型重着 陆，观察其无线电高度曲线，可以看到在接地前，其无线电高度一直远高于群体曲线，且在 50英尺至接地这段时间，其高度几乎是直线下降的。因此，反映到IVV曲线上，就是其50 英尺至接地期间的IVV值远高于群体平均值，导致50英尺至接地的时间很短(75s)，接地前瞬间的IVV很大，最后不得不靠地面提供的反向作用力来阻止飞机下降，所以可以从图4中看到在接地时刻IVV有一个明显的跳变(从－450ft/min跳变到约0ft/min)，地面提供的这 种反向作用力也导致了较大的VRTG载荷(1.695g)。再结合PITCH曲线的变化，可以大致分析出IVV出现这种情况的原因，可以看到，在50英尺高度处，飞机的俯仰角是在减小的，且进入50英尺高度之后还持续减小，而飞机在50英尺高度时本身IVV已经比较大(约－700ft/min)，在这种情况下，飞行员没有及时拉起机头，反而让其继续下沉，其直接后果就是IVV 进一步增大，虽然飞行员后面提升了俯仰角，但已经来不及，飞机迅速接地发生重着陆。观 察飞机进入50英尺高度以前的PITCH曲线，可以看到飞机的俯仰姿态整体是偏大的(俯仰 角约3.5°，群体曲线的平均值约2.5°)，若继续快速抬升机头可能导致接地时擦尾，这也解释 了为什么飞行员在接近50英尺高度时还要降低俯仰角。同时这也说明，在进入50英尺高度 前控制好飞机的姿态和下降率对安全着陆至关重要。

接下来分析第二种情况，即I-2型重着陆，观察其无线电高度曲线，可以看到在50英尺 高度至接地这段时间，其高度不是逐渐从50英尺降低到接地，而是在中途降低到一个局部最 小高度之后，出现了“反弹”，高度抬升，然后再迅速下降接地。若取无线电高度曲线(红色) 与平均曲线(蓝色)的交点为分割点，将50英尺至接地这段时间分为两段，则可以看到前半 段飞机的无线电高度低于平均水平，后半段高于平均水平。无线电高度曲线出现这种变化特 点与飞行员对IVV的控制方式密切相关，分析50英尺至接地这段时间的IVV曲线，可以看 到在进入50英尺高度之后，IVV迅速下降(明显小于平均值)，然而由于IVV下降过快，导 致IVV减小到接近0ft/min时飞机仍然还没有接地，因此出现无线电高度下降到局部最小再 “反弹”的情况。若飞机长时间不能接地，则有冲出跑道的风险，为了避免这种情况发生，飞 行员迅速推杆提升IVV，因此可以看到IVV曲线又迅速增加，导致接地时IVV较大，发生重 着陆。若以航段IVV曲线和平均曲线的交点为分割点，则50英尺至接地这段时间同样可以 分为两段，前半段航段IVV曲线在平均曲线之上，后半段在平均曲线之下。再来看PITCH 曲线，可以看到在进入50英尺高度之后，机头抬升速度明显超过了平均水平，PITCH最大值 达到了将近7°，然后PITCH迅速减小到3.5°左右，接着又迅速抬升，并以5°左右的姿态接地， PITCH与IVV曲线的变化趋势比较一致，较好地说明了PITCH对IVV的控制关系。同时可 以看到，I-2型重着陆通常伴随着较长的50英尺至接地时间，这是I-2型重着陆的典型特征。

最后分析第三种情况，即I-3型重着陆，可以看到在50英尺至接地这段时间，这种重 着陆的曲线与I-1和I-2型相比最接近平均曲线。首先分析无线电高度曲线，可以看到在进入 50英尺高度之后，曲线基本与平均曲线保持一致，直到接地前几秒曲线才偏离(高于)平均 曲线。再分析IVV曲线，可以看到进入50英尺高度之后，IVV跟平均曲线比较吻合，但是在接地前几秒的时候，IVV没有保持已有的减小趋势，而是出现了“反弹”，导致接地前IVV较大，发生重着陆。若以IVV开始出现“反弹”的时间作为分割点，则50英尺至接地这段时 间可以分为两段，前半段航段IVV与平均曲线差异较小，后半段则航段IVV显著大于平均值。最后分析PITCH曲线，可以看到进入50英尺高度之后，机头抬升较为迅速，当俯仰角上升 到约6°之后，开始出现下降，从而导致IVV中途出现“反弹”。俯仰角降到8°之后，又开始上 升，最终以6°左右的姿态接地。可以想象，若飞行员在飞机的俯仰角达到6°的时候能够保持 这种姿态至接地，则很有可能不会导致重着陆事件的发生。因此，I-3型的重着陆原因可以大致归纳为飞行员中途“放弃”导致。此外，由于I-3型重着陆的QAR参数曲线与平均曲线最为接近，因此其50英尺至接地的时间也更接近平均时间，一般在6～8秒之间。

通过上述分析不难发现，虽然第一类重着陆都是在接地瞬间出现最大载荷，但不同的子 类型，即I-1、I-2和I-3型具有完全不同的特点，这也解释了为什么图3中第一类重着陆航段 会出现一些50英尺至接地时间很长的情况。表1总结了I-1、I-2和I-3型重着陆的特点，这 些特点不仅能够很好地辅助飞行员发现重着陆的原因，其更大的好处在于，可以通过一定的 特征提取算法从曲线中提取出这些特征，再借助聚类算法，从而能实现重着陆原因的自动推 理。

表1第一类重着陆不同子类型特点

综上，针对第一类重着陆，即VRTG峰值发生在接地瞬间的重着陆情况，进行了比较详 细的分析，并进一步总结出三种重着陆的发生原因。针对第二和第三类重着陆，由于目前样 本较少，还有待后期进一步深入。

对目前已有的重着陆分类结果进行整理，将其总结为一个二级分类目录树，如图5所示， 其中灰色带锁标志的部分表示还有需要对更多重着陆样本进一步深入研究，以得到其对应的 子类型。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.基于时序QAR参数的重着陆分类方法，其特征在于：该方法为：根据重着陆的定义，当着陆阶段VRTG参数的峰值超过一定阈值时，认为发生一次重着陆事件；通过VRTG曲线研究发现，根据VRTG峰值出现的时刻，将重着陆分为三种基本类型：峰值出现在首次接地瞬间、峰值出现在接地之后的几秒、峰值同时出现在接地瞬间和接地之后；将接地瞬间定义为飞机的后起落架首次由AIR状态切换为GROUND状态的时刻，起落架状态参数的采样频率是4Hz，接地瞬间精确到0.25秒；同时，针对第一类重着陆，即峰值出现在首次接地瞬间，允许峰值出现的时刻与接地时刻之间存在一定的偏差，前后不超过1秒；

所述第一类重着陆的航段发生原因与其IVV和无线电高度曲线的变化规律密切相关，且根据IVV和无线电高度变化不同进一步细分为三个子类别，将这三个子类别分别编号为：I-1、I-2、I-3，分析这三个子类别对应的典型航段的QAR参数个体与群体对比曲线；

首先分析第一种情况，即I-1型重着陆，观察其无线电高度曲线，看到在接地前，其无线电高度一直远高于群体曲线，且在50英尺至接地这段时间，其高度几乎是直线下降的；反映到IVV曲线上，就是其50英尺至接地期间的IVV值远高于群体平均值，导致50英尺至接地的时间很短，即4.75s，接地前瞬间的IVV很大，最后不得不靠地面提供的反向作用力来阻止飞机下降，在接地时刻IVV有一个明显的跳变，即从－450ft/min跳变到约0ft/min，地面提供的这种反向作用力也导致较大的VRTG载荷，即1.695g；再结合PITCH曲线的变化，分析出IVV出现这种情况的原因，在50英尺高度处，飞机的俯仰角是在减小的，且进入50英尺高度之后还持续减小，而飞机在50英尺高度时本身IVV已经比较大，即－700ft/min，在这种情况下，飞行员没有及时拉起机头，反而让其继续下沉，其直接后果就是IVV进一步增大，虽然飞行员后面提升俯仰角，但已经来不及，飞机迅速接地发生重着陆；观察飞机进入50英尺高度以前的PITCH曲线，看到飞机的俯仰姿态整体是偏大的，即俯仰角约3.5°，群体曲线的平均值约2.5°，若继续快速抬升机头可能导致接地时擦尾，同时说明，在进入50英尺高度前控制好飞机的姿态和下降率对安全着陆至关重要；

接下来分析第二种情况，即I-2型重着陆，观察其无线电高度曲线，看到在50英尺高度至接地这段时间，其高度不是逐渐从50英尺降低到接地，而是在中途降低到一个局部最小高度之后，出现了“反弹”，高度抬升，然后再迅速下降接地；若取无线电高度曲线与平均曲线的交点为分割点，将50英尺至接地这段时间分为两段，则看到前半段飞机的无线电高度低于平均水平，后半段高于平均水平；无线电高度曲线出现这种变化特点与飞行员对IVV的控制方式密切相关，分析50英尺至接地这段时间的IVV曲线，看到在进入50英尺高度之后，IVV迅速下降，即明显小于平均值，然而由于IVV下降过快，导致IVV减小到接近0ft/min时飞机仍然还没有接地，出现无线电高度下降到局部最小再“反弹”的情况；若飞机长时间不能接地，则有冲出跑道的风险，为避免这种情况发生，飞行员迅速推杆提升IVV，IVV曲线又迅速增加，导致接地时IVV较大，发生重着陆；若以航段IVV曲线和平均曲线的交点为分割点，则50英尺至接地这段时间同样分为两段，前半段航段IVV曲线在平均曲线之上，后半段在平均曲线之下；再来看PITCH曲线，看到在进入50英尺高度之后，机头抬升速度明显超过了平均水平，PITCH最大值达到了将近7°，然后PITCH迅速减小到3.5°左右，接着又迅速抬升，并以5°左右的姿态接地，PITCH与IVV曲线的变化趋势比较一致，说明PITCH对IVV的控制关系；同时，I-2型重着陆通常伴随着较长的50英尺至接地时间，这是I-2型重着陆的典型特征；

最后分析第三种情况，即I-3型重着陆，看到在50英尺至接地这段时间，这种重着陆的曲线与I-1和I-2型相比最接近平均曲线；首先分析无线电高度曲线，在进入50英尺高度之后，曲线基本与平均曲线保持一致，直到接地前几秒曲线才偏离平均曲线；再分析IVV曲线，进入50英尺高度之后，IVV跟平均曲线比较吻合，但是在接地前几秒的时候，IVV没有保持已有的减小趋势，而是出现“反弹”，导致接地前IVV较大，发生重着陆；若以IVV开始出现“反弹”的时间作为分割点，则50英尺至接地这段时间分为两段，前半段航段IVV与平均曲线差异较小，后半段则航段IVV显著大于平均值；最后分析PITCH曲线，看到进入50英尺高度之后，机头抬升较为迅速，当俯仰角上升到约6°之后，开始出现下降，从而导致IVV中途出现“反弹”；俯仰角降到8°之后，又开始上升，最终以6°左右的姿态接地；若飞行员在飞机的俯仰角达到6°的时候能够保持这种姿态至接地，则很有可能不会导致重着陆事件的发生；I-3型的重着陆原因为飞行员中途“放弃”导致；此外，由于I-3型重着陆的QAR参数曲线与平均曲线最为接近，其50英尺至接地的时间也更接近平均时间，在6～8秒之间。

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