CN112067306A - 船用发动机健康状态在线监测评估方法、设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了船用发动机健康状态在线监测评估方法、设备及系统，方法包括：获取所述船用发动机的振动参数、瞬时转速以及热力参数；分别对获取的振动参数、瞬时转速以及热力参数进行处理，得到振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态；根据所述振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态评估所述船用发动机的健康状态，并在所述船用发动机发生故障前进行早期预警。本发明结合多维数据正确有效的进行船用发动机的健康状态在线监测评估。实现船用发动机的实时在线监测、故障早期预警、历史数据累积挖掘和故障趋势预测等功能，预防重大事故发生，提高船用发动机的可维护性和运行经济性，为视情维修奠定技术基础。

Description

船用发动机健康状态在线监测评估方法、设备及系统

技术领域

本发明涉及船用发动机健康评估技术领域，特别涉及一种船用发动机健康状态在线监测评估方法、设备、系统及存储介质。

背景技术

柴油机具有热效率高、经济性好的特点，广泛应用于船舶、工程机械和机车。随着柴油机强载度的不断提高，其发生故障的可能性增大，一旦发生故障，往往会造成整个动力系统的瘫痪，直接或间接造成的经济损失巨大。柴油机作为船舶推进系统的“动力心脏”，其运行状态的好坏不仅与燃油消耗率等性能息息相关，更直接影响到船舶的安全性和可靠性。据日本船级社不完全统计分析：目前船用发动机的故障率大约是每小时发生0.4×10^-3次，船用发动机一旦出现故障，将危及船员生命安全，并带来巨大的经济损失，所以对船用发动机进行状态监测十分必要。

健康状态评估的概念来源于柴油机监测与诊断。早期柴油机的维修方式基本上都是“事后维修”，即发生故障后再进行维修，这种维修方式往往会造成不必要的经济损失；随后开始推行“定期维修”，但定期维修又会产生“维修不足”与“维修过剩”间的矛盾；“状态维修”是一种新的柴油机维修方式，其通过实时监测工作状态，根据柴油机的技术状态制定合理的维修计划，提高了柴油机可靠性、安全性和有效性。但是目前的实时监测方法均无法正确有效的实现船用发动机健康状态的在线评估。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种船用发动机健康状态在线监测评估方法、设备、系统及存储介质，可结合多维数据正确有效的进行船用发动机的健康状态在线监测评估。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种船用发动机健康状态在线监测评估方法，包括如下步骤：

获取所述船用发动机的振动参数、瞬时转速以及热力参数；

分别对获取的振动参数、瞬时转速以及热力参数进行处理，得到振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态；

根据所述振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态实时在线评估所述船用发动机的健康状态，预测船用发动机的健康发展趋势，并在所述船用发动机发生故障前进行早期预警。

优选的，所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中，所述振动特征参数至少包括缸盖振动功率谱密度特征参数、活塞环振动时域和频域特征参数、增压器转子平衡性监测时域特征参数。

优选的，所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中，所述分别对获取的振动参数、瞬时转速以及热力参数进行处理，得到振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态的步骤包括：

采用层次分析法对所述热力参数进行处理，以得到热力参数状态；

采用模糊C算法和支持向量机算法对所述振动参数、瞬时转速进行分类处理，得到振动特征参数和瞬时转速波动参数。

优选的，所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中，所述故障信号包括严重故障信号、中度故障信号和轻微故障信号。

第二方面，本发明提供了一种船用发动机健康状态在线监测评估设备，包括处理器和存储器；

所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中的步骤。

第三方面，本发明提供了一种船用发动机健康状态在线监测评估系统，包括如上所述的船用发动机健康状态在线监测评估设备，还包括：

振动测量单元，用于测量船用发动机的振动参数；

热力测量单元，用于获取船用发动机的热力参数；

转速测量单元，用于测量船用发动机的瞬时转速；

工控机，用于接收所述振动参数、热力参数以及瞬时转速，并将所述振动参数、热力参数以及瞬时转速发送给所述船用发动机健康状态在线监测评估设备。

优选的，所述的船用发动机健康状态在线监测评估系统中，所述振动测量单元包括布置于船用发动机的各个气缸的缸盖表面的缸盖振动传感器、布置于各个气缸的机身表面的机身振动传感器、布置于增压器轴承表面的增压器振动传感器以及振动信号采集卡，其中，各个所述缸盖振动传感器、各个所述机身振动传感器以及所述增压器振动传感器均与所述振动信号采集卡电连接，所述振动信号采集卡用于测量各个所述缸盖振动传感器、各个所述机身振动传感器以及所述增压器振动传感器的振动信号后，将振动信号发送给工控机，所述工控机对振动信号进行处理分析。

优选的，所述的船用发动机健康状态在线监测评估系统中，所述转速测量单元包括上止点传感器、曲轴转角传感器和瞬时转速信号采集卡，所述上止点传感器安装于船用发动机的凸轮轴端或者所述船用发动机的飞轮端，所述曲轴转角传感器安装于所述船用发动机的飞轮端，所述上止点传感器和曲轴转角传感器分别用于获取上止点信号和曲轴转角信号，所述上止点传感器和所述曲轴转角传感器均与所述瞬时转速信号采集卡电连接，所述瞬时转速信号采集卡用于接收所述上止点信号和曲轴转角信号，并计算出所述上止点信号和曲轴转角信号的触发计数后，将所述触发计数发送给所述工控机，所述工控机还用于根据所述上止点信号和曲轴转角信号计算出瞬时转速。

优选的，所述的船用发动机健康状态在线监测评估系统中，所述热力参数测量单元以CAN、以太网或串行通信的方式从机旁控制系统中获取所需的热力参数，并将所述热力参数发送给工控机，所述工控机还用于热力参数的处理与分析。

优选的，所述的船用发动机健康状态在线监测评估系统还包括移动终端，所述移动终端用于与所述工控机无线通讯连接。

第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中的步骤。

相较于现有技术，本发明提供的船用发动机健康状态在线监测评估方法、设备、系统及存储介质，提取多维传感器信息，实现对船用发动机健康状态的在线监测评估和数据管理。可储存积累运行数据，实现船用发动机的实时在线监测、故障早期预警、历史数据累积挖掘和故障趋势预测等功能，预防重大事故发生，提高船用发动机的可维护性和运行经济性，为视情维修奠定技术基础。

附图说明

图1为本发明提供的船用发动机健康状态在线监测评估方法的一较佳实施例的流程图；

图2为本发明船用发动机健康状态在线监测评估程序的较佳实施例的运行环境示意图；

图3为本发明提供的船用发动机健康状态在线监测评估系统的一较佳实施例的结构框图；

图4为本发明提供的船用发动机健康状态在线监测评估系统在船用发动机上的一较佳实施例的安装布置图。

具体实施方式

本发明提供一种船用发动机健康状态在线监测评估方法、设备、系统及存储介质，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明实施例提供的船用发动机健康状态在线监测评估方法，包括如下步骤：

S100、获取所述船用发动机的振动参数、瞬时转速以及热力参数；

S200、分别对获取的振动参数、瞬时转速以及热力参数进行处理，得到振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态；

S300、根据所述振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态实时在线评估所述船用发动机的健康状态，预测船用发动机的健康发展趋势，并在所述船用发动机发生故障前进行早期报警。

具体来说，本发明利用现代智能信息处理技术，提取多维传感器信息，实现对船用发动机健康状态的在线监测评估和数据管理。可储存积累运行数据，实现船用发动机的实时在线监测、故障早期预警、历史数据累积挖掘和故障趋势预测等功能，预防重大事故发生，提高船用发动机的可维护性和运行经济性，为视情维修奠定技术基础。

进一步来说，本发明通过监测柴油机温度和压力等热力参数、瞬时转速以及振动参数，实现对故障进行报警，综合分析热力参数报警、瞬时转速波动异常和振动参数频域能量的分布异常对柴油机的健康状况进行评估。具体实施时，可采用LabVIEW编程语言，完成传感器信号的数据处理，分别得出热力参数状态，瞬时转速波动状态以及振动特征参数。具体的，所述振动特征参数至少包括缸盖振动功率谱密度特征参数、活塞环振动时域和频域特征参数，增压器转子平衡性监测时域特征参数等参数。本发明中信号的获取、采集和信号分析和处理其采用自上向下、逐步细化的方法，将复杂的监测系统分解和细化为若干个子模块，再细化为一系列的具体步骤，进而实现对数据的处理和判断。

进一步的实施例中，所述步骤S200具体包括：

采用层次分析法对所述热力参数进行处理，以得到热力参数状态；

采用模糊C和支持向量机等算法对所述振动参数、瞬时转速进行分类处理，以得到振动特征参数和瞬时转速波动参数。

具体来说，将监测到的柴油机的热力参数导入离线分析诊断系统中的数据库后，对于温度、压力等热力参数，根据采集到参数与测点表对应的阈值进行比较，假如数据异常则会将异常的数据按照故障记录表的格式进行存储，同时会报警发出故障信号，其中，所述故障信号包括严重故障信号、中度故障信号和轻微故障信号。热力参数状态采用层次分析法(AHP，The Analytic Hierarchy Process)获取，具体的，将可能引起船用发动机严重故障的参数设置为评价柴油机健康状态的最大的权重，并进行停车保护，比如高温水高温故障信号、进机滑油压力低故障信号、超速停车信号和紧急停车信号等；将排温过高/过低、增压器转速不稳、增压空气压力过低等可能是由于发动机零部件损坏或做功不均导致的故障设置为中度权重，将其他温度、压力和转速等报警在评估船用发动机健康状态时设置为最低权重。然后将报警的故障程度(严重故障、中度故障、轻微故障)编辑成规则的前件部分，查询规则表找出能够对应的规则，根据规则里面故障发生的权重和可信度进行冲突的消解，大权重的故障具备优先处理权重，同时将满足规则对应的结论显示，提示可能发生的故障，方便工作人员逐级进行故障的排除。

对于振动参数的处理，本发明实施例采用模糊C算法(FCM)对振动数据特征进行聚类分析。具体的，本发明通过提取故障特征向量，组合样本数据并导入隶属度矩阵来计算聚类中心，求解出所有组类的中心，以确定各种样本数据所属的组类，最终达到对样本数据自动进行分类的目的。当分类完成后，采用支持向量机算法提取气缸缸盖、机身在0％、25％、50％、75％和100％等五种负荷下时，选取功率谱能量和高频带功率比两个频域分析函数提取振动信号的特征值，作为支持向量。对于增压器处的振动信号，选取其峰值作为支持向量。时域信号在一定程度上也可反映出故障特征，因此提时域信号中进气阀和排气阀关闭部分、燃烧部分RMS值(均方根)作为补充参数，利用时域与频域特征参数的结合，保证了诊断的精准度。

本发明可适用于不同型号、缸数和燃料的船用发动机，在输入机型及其参数后可进行数据的存储和挖掘，为船舶智能机舱的实现提供基础。

如图2所示，基于上述船用发动机健康状态在线监测评估方法，本发明还相应提供了一种船用发动机健康状态在线监测评估设备，所述船用发动机健康状态在线监测评估设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该船用发动机健康状态在线监测评估设备包括处理器10、存储器20及显示器30。图2仅示出了船用发动机健康状态在线监测评估设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。

所述存储器20在一些实施例中可以是所述船用发动机健康状态在线监测评估设备的内部存储单元，例如船用发动机健康状态在线监测评估设备的硬盘或内存。所述存储器20在另一些实施例中也可以是所述船用发动机健康状态在线监测评估设备的外部存储设备，例如所述船用发动机健康状态在线监测评估设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器20还可以既包括船用发动机健康状态在线监测评估设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器20用于存储安装于所述船用发动机健康状态在线监测评估设备的应用软件及各类数据，例如所述安装船用发动机健康状态在线监测评估设备的程序代码等。所述存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有船用发动机健康状态在线监测评估程序40，该船用发动机健康状态在线监测评估程序40可被处理器10所执行，从而实现本申请各实施例的船用发动机健康状态在线监测评估方法。

所述处理器10在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述船用发动机健康状态在线监测评估方法等。

所述显示器30在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。所述显示器30用于显示在所述船用发动机健康状态在线监测评估设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。所述船用发动机健康状态在线监测评估设备的部件10-30通过系统总线相互通信。

在一实施例中，当处理器10执行所述存储器20中船用发动机健康状态在线监测评估程序40时实现如上述实施例所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中的步骤，由于上文已对船用发动机健康状态在线监测评估方法进行详细描述，在此不再赘述。

基于上述船用发动机健康状态在线监测评估设备，本发明还相应的提供一种船用发动机健康状态在线监测评估系统，请参阅图3，所述系统包括如上述实施例所述的船用发动机健康状态在线监测评估设备1，还包括：

振动测量单元2，用于测量船用发动机的振动参数；

热力测量单元3，用于获取船用发动机的热力参数；

转速测量单元4，用于测量船用发动机的瞬时转速；

工控机5，用于接收所述振动参数、热力参数以及瞬时转速，并将所述振动参数、热力参数以及瞬时转速发送给所述船用发动机健康状态在线监测评估设备。

具体的，在本实施例中，所述船用发动机健康状态在线监测评估设备1由一台服务器和显示器组成，其硬盘容量配置为2T，以满足长时间存储监测数据的需求；其装载离线分析软件，根据不同柴油机机型，建立相应的操作界面和相同的数据储存格式，方便所有数据的整合；服务器负责数据分析、数据导入、数据库的管理；利用其强大运算功能，结合聚类算法挖掘大量数据中的各种特征信息，预测柴油机故障严重情况与故障位置；其中大数据分析由数据分析、模型库和知识库等构成，在离线分析软件已有知识库和模型库基础上，对数据库里存储的数据进行分析，得到数据分析结果，一方面将结果导入知识库作为知识储备，另一方面通过数据分析结果对模型库进行修正和丰富，三者之间形成动态的循环关系不断地优化数据分析的模型，通过模型库和模型库管理系统的配合使用，能够扩展数据分析模型对不断涌现出的大数据的分析处理能力。

进一步的，如图4所示，所述振动测量单元2包括布置于船用发动机的各个气缸的缸盖表面的缸盖振动传感器21、布置于各个气缸的机身表面的机身振动传感器22、布置于增压器轴承表面的增压器振动传感器23以及振动信号采集卡24，其中，各个所述缸盖振动传感器21、各个所述机身振动传感器22以及所述增压器振动传感器23均与所述振动信号采集卡24电连接。具体的，所述缸盖振动传感器21、机架振动传感器22和增压器轴承振动传感器23均为加速度振动传感器，所有布置的振动传感器均需通过螺杆与被测部位连接。缸盖振动传感器21获取各缸缸盖振动信号，监测和评估排气阀的漏气程度；机身振动传感器22获取机身各缸部位振动信号，监测和评估主机活塞环磨损状态；增压器振动传感器23获取增压器转子振动信号，监测和评估增压器转子平衡状态。所述振动信号采集卡24设置在所述缸盖振动传感器21、机架振动传感器22和增压器轴承振动传感器23与所述工控机5的连接处，用于测量各个所述缸盖振动传感器、各个所述机身振动传感器以及所述增压器振动传感器的振动信号后，将振动信号发送给工控机，并将采集的振动信号输出至所述工控机5。

在具体实施时，所述缸盖振动传感器21在船用发动机每缸缸盖上进行布置，机身振动传感器22在机身上对应各缸主推力侧和辅推力侧的位置各布置一个，增压器振动传感器23在增压器外壳上布置一个。

进一步的，所述转速测量单元4包括上止点传感器41、曲轴转角传感器42和瞬时转速信号采集卡43，所述上止点传感器41安装于船用发动机的凸轮轴端或者所述船用发动机的飞轮端所述曲轴转角传感器42安装于所述船用发动机的飞轮端，所述上止点传感器41和曲轴转角传感器42分别用于获取上止点信号和曲轴转角信号，所述上止点传感器41和所述曲轴转角传感器42均与所述瞬时转速信号采集卡43电连接，所述瞬时转速信号采集卡43用于接收所述上止点信号和曲轴转角信号，并计算出所述上止点信号和曲轴转角信号的触发计数后，将所述触发计数发送给所述工控机5，所述工控机5还用于根据所述上止点信号和曲轴转角信号计算出瞬时转速。具体的，所述上止点传感器41采用霍尔式传感器，曲柄转角传感器42采用磁电式传感器，上止点传感器和曲柄转角传感器均通过支架安装在飞轮外边缘齿轮径向方向，与齿顶圆间距为0.5～1.2mm。

所述热力测量单元3以CAN通信的方式从机旁控制系统中获取热力参数并以CAN通信的方式传输至工控机5。

优选的，所述船用发动机健康状态在线监测评估系统还包括移动终端6，所述移动终端6用于与所述工控机5无线通讯连接。所述移动终端中安装有APP软件，所述APP软件基于Eclipse与其插件开发，通过http网络协议实现移动终端与工控机5的无线通信，并可设置不同的权限允许不同级别的轮机人员查看数据，方便工作人员进行远程监控。

综上所述，本发明相较于现有技术具有以下优点：

一、本发明综合利用现代智能信息处理技术，提取多维传感器信息，实现对船用发动机健康状态的在线监测评估和数据管理。可储存积累运行数据，实现船用发动机的实时在线监测、故障早期预警、历史数据累积挖掘和故障趋势预测等功能，预防重大事故发生，提高船用发动机的可维护性和运行经济性，为视情维修奠定技术基础。

二、本发明适用于不同型号、缸数和燃料的船用发动机，在输入机型及其参数后可进行数据的存储和挖掘，为船舶智能机舱的实现提供基础。

三、通过传感器信息的融合、数据的积累、数据的挖掘和智能算法的应用，可实现船用发动机的故障早期预警与故障趋势预测。

四、实现船舶柴油机监测技术由常规监测向健康管理的升级，有效预测柴油机的健康状态并对故障设备进行隔离，将柴油机健康状态信息直接反馈到管理人员的手机上，有助于提高船舶柴油机的管理水平。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种船用发动机健康状态在线监测评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取所述船用发动机的振动参数、瞬时转速以及热力参数；

分别对获取的振动参数、瞬时转速以及热力参数进行处理，得到振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态；

根据所述振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态实时在线评估所述船用发动机的健康状态，预测船用发动机的健康发展趋势，并在所述船用发动机发生故障前进行早期预警。

2.根据权利要求1所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法，其特征在于，所述振动特征参数至少包括缸盖振动功率谱密度特征参数、活塞环振动时域和频域特征参数、增压器转子平衡性监测时域特征参数。

3.根据权利要求2所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法，其特征在于，所述分别对获取的振动参数、瞬时转速以及热力参数进行处理，得到振动特征参数、瞬时转速波动状态以及热力参数状态的步骤包括：

采用层次分析法对所述热力参数进行处理，以得到热力参数状态；

采用模糊C算法和支持向量机算法对所述振动参数、瞬时转速进行分类处理，以得到振动特征参数和瞬时转速波动参数。

4.根据权利要求1所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法，其特征在于，所述故障信号包括严重故障信号、中度故障信号和轻微故障信号。

5.一种船用发动机健康状态在线监测评估设备，其特征在于，包括处理器和存储器；

所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-4任意一项所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中的步骤。

6.一种船用发动机健康状态在线监测评估系统，其特征在于，包括如权利要求5所述的船用发动机健康状态在线监测评估设备，还包括：

振动测量单元，用于测量船用发动机的振动参数；

热力测量单元，用于获取船用发动机的热力参数；

转速测量单元，用于测量船用发动机的瞬时转速；

工控机，用于接收所述振动参数、热力参数以及瞬时转速，并将所述振动参数、热力参数以及瞬时转速发送给所述船用发动机健康状态在线监测评估设备。

7.根据权利要求6所述的船用发动机健康状态在线监测评估系统，其特征在于，所述振动测量单元包括布置于船用发动机的各个气缸的缸盖表面的缸盖振动传感器、布置于各个气缸的机身表面的机身振动传感器、布置于增压器轴承表面的增压器振动传感器以及振动信号采集卡，其中，各个所述缸盖振动传感器、各个所述机身振动传感器以及所述增压器振动传感器均与所述振动信号采集卡电连接，所述振动信号采集卡用于测量各个所述缸盖振动传感器、各个所述机身振动传感器以及所述增压器振动传感器的振动信号后，将振动信号发送给工控机，所述工控机对振动信号进行处理分析。

8.根据权利要求6所述的船用发动机健康状态在线监测评估系统，其特征在于，所述转速测量单元包括上止点传感器、曲轴转角传感器和瞬时转速信号采集卡，所述上止点传感器安装于船用发动机的凸轮轴端或者所述船用发动机的飞轮端，所述曲轴转角传感器安装于所述船用发动机的飞轮端，所述上止点传感器和曲轴转角传感器分别用于获取上止点信号和曲轴转角信号，所述上止点传感器和所述曲轴转角传感器均与所述瞬时转速信号采集卡电连接，所述瞬时转速信号采集卡用于接收所述上止点信号和曲轴转角信号，并计算出所述上止点信号和曲轴转角信号的触发计数后，将所述触发计数发送给所述工控机，所述工控机还用于根据所述上止点信号和曲轴转角信号计算出瞬时转速。

9.根据权利要求6所述的船用发动机健康状态在线监测评估系统，其特征在于，还包括移动终端，所述移动终端用于与所述工控机无线通讯连接。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-4任意一项所述的船用发动机健康状态在线监测评估方法中的步骤。

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