CN112202845A - 一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统、分析方法以及其配电系统 - Google Patents

一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统、分析方法以及其配电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统数据处理技术领域，更具体地，涉及一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统与分析方法以及其配电系统。该面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，包括负荷分析子系统、信息筛选分析处理子系统、指令下发子系统，负荷分析子系统与信息筛选分析处理子系统双向连接，负荷分析子系统输出端与指令下发子系统输入端连接，信息筛选分析处理子系统输出端与指令下发子系统输入端连接。本发明为了克服现有技术缺少对数据处理时产生的计算负荷进行建模分析，难以实现负载均衡、达到最小业务分发成本的不足，提供一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，以对数据处理时产生的计算负荷进行分析实现系统负荷均衡以达到提升配电网业务处理的实时性、经济性。

Description

一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统、分析方法以 及其配电系统
技术领域
本发明涉及电力系统数据处理技术领域，更具体地，涉及一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统与分析方法，以及一种具有面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的配电系统。
背景技术
随着我国配用电物联网的发展，配电网中分布式能源、柔性负荷与电动汽车的广泛接入，对配电网信息获取、处理及储存等方面提出更高的发展需求，造成电力系统数据处理水平达到新的高度而传统数据处理方式难以满足需求，信息处理的可靠性、实时性面临着严峻考验。配用电业务的实现过程中缺少对数据处理时产生的计算负荷进行建模分析，难以实现以实现负载均衡、最小业务分发成本为目标的内容分发网络(ContentDistribution network，CDN)；配用电业务随配用电物联网技术的深化，现有技术难以满足对营配业务的流程细化、实时性及可靠性等的需求。
中国专利公开号为CN109118732A公开了一种基于边缘信息的传感器感知事件判断与报警系统及方法，其主要是利用边缘计算网关对系统的事件进行判断与告警，但其无法对整个系统的负荷进行分析与处理，无法优化信息系统的处理效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺少对数据处理时产生的计算负荷进行建模分析，难以实现负载均衡、达到最小业务分发成本的不足，提供一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，该系统可以对数据处理时产生的计算负荷进行分析然后实现整个系统负荷均衡以达到提升配电网业务处理的实时性、经济性目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，包括负荷分析子系统、信息筛选分析处理子系统、指令下发子系统，所述负荷分析子系统与所述信息筛选分析处理子系统双向连接，所述负荷分析子系统输出端与所述指令下发子系统输入端连接，所述信息筛选分析处理子系统输出端与所述指令下发子系统输入端连接。
本发明信息筛选分析处理子系统用于采集数据并对数据信息筛选分析，然后进行分类处理；负荷分析子系统用于对信息筛选分析处理子系统中的各个模块进行负荷分析，然后根据负荷均衡决定边缘计算网关工作的业务模块，结合信息筛选分析处理子系统的数据分析结果，将指令传输到指令下发子系统；指令下发子系统负责将指令下发执行。这样就可以实现负载均衡、达到最小业务分发成本实现系统边缘计算网关各模块的负荷最小方案，使边缘计算网关负荷进一步得到优化，减少业务实现时间，提高系统数据处理的实时性及可靠性；减少系统资源的冗余，提高经济性。
优选地，所述信息筛选分析处理子系统包括数据采集模块、信息预处理模块、设备状态评估模块、智能告警模块、故障诊断模块、潮流分析模块；所述信息预处理模块一端与所述数据采集模块连接，另一端与所述设备状态评估模块、所述智能告警模块分别连接；所述故障诊断模块一端分别和所述设备状态评估模块、所述智能告警模块连接，另一端和所述指令下发子系统连接；所述潮流分析模块一端分别和所述设备状态评估模块、所述智能告警模块连接，另一端和所述指令下发子系统连接。
优选地，所述负荷分析子系统包括统计计算延时模块和统计传输延时模块，所述统计计算延时模块输入端和所述统计传输延时模块输入端分别与所述数据采集模块输出端、所述信息预处理模块输出端、所述设备状态评估模块输出端、所述智能告警模块输出端、所述故障诊断模块输出端、所述潮流分析模块输出端均连接。
优选地，所述负荷分析子系统还包括内容分发模块，所述内容分发模块输入端分别与所述统计计算延时模块输出端和所述统计传输延时模块输出端连接，所述内容分发模块输出端分别与所述指令下发子系统输入端、所述数据采集模块输入端、所述信息预处理模块输入端、所述设备状态评估模块输入端、所述智能告警模块输入端、所述故障诊断模块输入端、所述潮流分析模块输入端均连接。
本发明还提供一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷分析方法，包括以下步骤：
a、所述统计计算延时模块统计边缘计算网关各模块计算延时；
b、所述统计传输延时模块统计边缘计算网关各模块传输延时；
c、内容分发模块汇总步骤a和步骤b的延时数据并分析得出边缘计算网关最小负荷方案。
进一步地，所述步骤a包括：
a1、确定边缘计算网关管控节点及其数据量；
a2、确定处理单位数据所需的处理频率；
a3、所述统计计算延时模块统计边缘计算网关各模块计算延时。
进一步地，所述步骤a3的计算公式为：
Figure BDA0002675903990000031
wi＝Di×vi
其中∑ifi≤F，fimin≤fi≤fimax
式中
Figure BDA0002675903990000032
表示业务i的计算延时，wi表示业务i的负荷，fi表示业务i的处理频率，Di表示涉及的节点数据量，vi表示每单位数据量所占用的处理频率,F表示边缘计算网关所能提供的最大计算频率，fimax,fimin分别表示边缘计算网关分配给单个业务模块的处理频率的最大值与最小值。
进一步地，所述步骤b的计算公式为：
Figure BDA0002675903990000033
Figure BDA0002675903990000034
Figure BDA0002675903990000035
式中
Figure BDA0002675903990000036
表示业务i与业务j之间的数据传输延时，k1,k2表示边缘计算网关，
Figure BDA0002675903990000037
表示数据传输速率，uij表示业务i与业务j之间传输的数据量，
Figure BDA0002675903990000038
表示边缘计算网关k1的带宽，
Figure BDA0002675903990000039
表示边缘计算网关k1的传输功率，
Figure BDA00026759039900000310
表示边缘计算网关k1的信道增益，α表示边缘计算网关k1的信道损失因子，σ2表示边缘计算网关k1的背景噪声。
进一步地，所述步骤c包括：
c1：分析计算边缘计算网关各模块产生的负荷；
c2：根据计算网关各模块的负荷，根据负荷大小均衡决定边缘计算网关各模块工作的业务模块使边缘计算网关以最小负荷进行工作；
所述步骤c2中缘计算网关各模块需要满足负荷均衡需求计算公式如下：
Figure BDA0002675903990000041
Figure BDA0002675903990000042
Figure BDA0002675903990000043
表示边缘计算网k1的负荷，
Figure BDA0002675903990000044
表示边缘计算网k2的负荷，
Figure BDA0002675903990000045
表示边缘计算网kn的负荷，i→k1表示边缘计算网k1实现的业务i，j→k2表示边缘计算网k2实现的业务j，
Figure BDA0002675903990000046
表示数据传输方向由边缘计算网k1到边缘计算网k2。
本发明还提供一种具有面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的配电系统，包括上述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，电源、数据处理器、执行终端，所述电源分别与所述面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统、所述数据处理器、所述执行终端连接，所述面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统输入端与所述数据处理器输出端连接，所述面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统输出端与所述执行终端输入端连接。
具有面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的配电系统相比常规的配电系统，可以利用边缘计算网关负荷系统对配电模块的负荷进行分析计算，最终实现负荷均衡，因为配电网的多种业务呈现出以数据信息处理为主的特性，而配电网业务软件化对边缘计算网关处理海量配电网信息具有重要意义，所以边缘计算网关处理多种内置的软件模型以实现多种配电网的多种业务功能，可以减少配电网的信息拥堵，使传输延时最小化，满足系统对信息处理的实时性及可靠性的需求，提升配电网业务处理的实时性、经济性、高效性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
可以对数据处理时产生的计算负荷进行分析，可以实现负载均衡、达到最小业务分发成本实现系统边缘计算网关各模块的负荷最小方案，使边缘计算网关负荷进一步得到优化，减少业务实现时间，提高系统数据处理的实时性及可靠性；减少系统资源的冗余，提高经济性，减少配电网的信息拥堵，使传输延时最小化，满足系统对信息处理的实时性及可靠性的需求，提升配电网业务处理的实时性、经济性、高效性。
附图说明
图1为本发明一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的结构示意图；
图2为本发明一种具有面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的配电系统结构示意图；
图3为本发明一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷分析方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1所示为本发明一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的实施例，包括负荷分析子系统、信息筛选分析处理子系统、指令下发子系统，负荷分析子系统与信息筛选分析处理子系统双向连接，负荷分析子系统输出端与指令下发子系统输入端连接，信息筛选分析处理子系统输出端与指令下发子系统输入端连接。
作为本发明的一个实施方式，信息筛选分析处理子系统包括数据采集模块、信息预处理模块、设备状态评估模块、智能告警模块、故障诊断模块、潮流分析模块；信息预处理模块输入端与数据采集模块输出端连接，信息预处理模块输出端与设备状态评估模块输入端、智能告警模块输入端分别连接；故障诊断模块输入端分别和设备状态评估模块输出端、智能告警模块输出端连接，故障诊断模块输出端和指令下发子系统输入端连接；潮流分析模块输入端分别和设备状态评估模块输出端、智能告警模块输出端连接，潮流分析模块输出端和指令下发子系统连接。
数据采集模块用于收集各采集设备的传送信息；数据预处理模块进行数据筛选、报文解析、数模转化等基本的数据处理，将数据转化为系统能够进一步处理的形式；设备状态评估模块获取数据预处理模块处理结果，进行设备工作、故障或空闲状态的判断；智能告警模块获取数据预处理模块处理结果，进行数据预测及事件响应等计算；故障诊断模块获取智能告警模块、设备状态评估模块等的处理结果，进行系统故障判断、定位及排除计算；潮流分析模块获取智能告警模块、设备状态评估模块等的处理结果，进行系统潮流分布等计算；指令下发子系统获取故障诊断模块、潮流分析模块等的处理结果，将边缘计算网关的决策指令下发给执行终端。
作为本发明的一个实施方式，负荷分析子系统包括统计计算延时模块和统计传输延时模块，统计计算延时模块输入端和统计传输延时模块输入端分别与数据采集模块输出端、信息预处理模块输出端、设备状态评估模块输出端、智能告警模块输出端、故障诊断模块输出端、潮流分析模块输出端均连接。
作为本发明的一个实施方式，负荷分析子系统还包括内容分发模块，内容分发模块输入端分别与统计计算延时模块输出端和统计传输延时模块输出端连接，内容分发模块输出端分别与指令下发子系统输入端、数据采集模块输入端、信息预处理模块输入端、设备状态评估模块输入端、智能告警模块输入端、故障诊断模块输入端、潮流分析模块输入端均连接。
负荷分析子系统获取边缘计算网关中各模块的处理信息，计算边缘计算网关负荷大小。具体地，负荷分析子系统通过统计计算延时模块统计边缘计算网关各模块产生的计算延时，统计传输延时模块通过统计边缘计算网关各模块数据在通信链路中传输时产生的传输延时，再将结果传输给内容分发模块进行数据汇总，这样就能得到各模块的负荷情况，内容分发模块为系统边缘计算网关选择工作的业务模块，从而达到系统边缘计算网关各模块的负荷平衡。实现业务模块的最优配置，减少系统资源的冗余，提高数据处理效率。
实施例2
如图3所示为本发明一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷分析方法的实施例，包括以下步骤：
a1、确定边缘计算网关管控节点及其数据量；
a2、确定处理单位数据所需的处理频率；
a3、统计计算延时模块统计边缘计算网关各模块计算延时；
Figure BDA0002675903990000071
wi＝Di×vi
其中∑ifi≤F，fimin≤fi≤fimax
式中
Figure BDA0002675903990000072
表示业务i的计算延时，wi表示业务i的负荷，fi表示业务i的处理频率，Di表示涉及的节点数据量，vi表示每单位数据量所占用的处理频率,F表示边缘计算网关所能提供的最大计算频率，fimax,fimin分别表示边缘计算网关分配给单个业务模块的处理频率的最大值与最小值。
各边缘计算网关业务模块产生的计算延时大小
Figure BDA0002675903990000073
与所处理的业务类型负荷wi及边缘计算网关所分配给该业务的处理频率fi有关；而其中业务类型负荷wi与边缘计算网关处理该业务时涉及的节点数据量Di及每单位数据量所占用的处理频率vi有关。对于边缘计算网关分配给业务i处理频率fi满足以下约束条件，边缘计算网关所有业务处理频率之和不超过边缘计算网关所能提供的最大计算频率，而且边缘计算网关分配给每个业务模块的处理频率也存在上下限。
b、统计传输延时模块统计边缘计算网关各模块传输延时；
Figure BDA0002675903990000074
Figure BDA0002675903990000075
Figure BDA0002675903990000076
式中
Figure BDA0002675903990000081
表示业务i与业务j之间的数据传输延时，k1,k2表示边缘计算网关，
Figure BDA0002675903990000082
表示数据传输速率，uij表示业务i与业务j之间传输的数据量，
Figure BDA0002675903990000083
表示边缘计算网关k1的带宽，
Figure BDA0002675903990000084
表示边缘计算网关k1的传输功率，
Figure BDA0002675903990000085
表示边缘计算网关k1的信道增益，α表示边缘计算网关k1的信道损失因子，σ2表示边缘计算网关k1的背景噪声。
在配电网业务数据产生至边缘计算网关完成业务处理的过程中，数据在通信链路中传输产生传输延时。而系统中边缘计算网关中各模块分别处理不同的业务模块，各业务模块的处理结果存在调用关系。
c1：分析计算边缘计算网关各模块产生的负荷；
c2：内容分发模块汇总步骤a和步骤b的延时数据并分析，根据计算网关各模块的负荷，根据负荷大小均衡决定边缘计算网关各模块工作的业务模块使边缘计算网关以最小负荷进行工作；
Figure BDA0002675903990000086
Figure BDA0002675903990000087
Figure BDA0002675903990000088
表示边缘计算网k1的负荷，
Figure BDA0002675903990000089
表示边缘计算网k2的负荷，
Figure BDA00026759039900000810
表示边缘计算网kn的负荷，i→k1表示边缘计算网k1实现的业务i，j→k2表示边缘计算网k2实现的业务j，
Figure BDA00026759039900000811
表示数据传输方向由边缘计算网k1到边缘计算网k2。
面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统中负荷分析子系统中的统计计算延时模块和统计传输延时模块统计计算边缘计算网关各模块实现对管控节点的业务处理时产生的负荷大小后，将各分析结果传输至内容分发模块，内容分发模块根据边缘计算网关各模块负荷均衡决定边缘计算网关各模块工作的业务模块，各边缘计算网关满足负荷均衡需求。
操作原理：边缘计算网关实现系统各业务处理，即实现系统采集数据的多种处理过程，每一过程边缘计算网关产生的负荷与管控的节点数据量Di有关，确定不同业务每单位数据量占用的边缘计算网关处理频率vi后即可确定每个业务模块对边缘计算网关产生的负荷wi。确定边缘计算网关分配给各业务模块的处理频率fi，然后确定业务处理产生的计算延时，计算边缘计算网关间传输数据时产生的传输延时，以同一台边缘计算网关接收数据产生的传输延时及其处理延时之和作为该边缘计算网关的负荷。利用各负荷分析子系统统计计算延时模块、统计传输延时模块、内容分发模块构建系统内容分发网络，对业务模块处理业务时产生的负荷大小进行分析并分配边缘计算网关执行的工作业务模块，确定系统业务延时最小的边缘计算网关业务模块工作方案，即实现系统边缘计算网关各模块的负荷最小方案。
实施例3
如图2所示为本发明一种具有面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的配电系统的实施例，包括上述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，电源、数据处理器、执行终端，电源分别与面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统、数据处理器、执行终端连接，面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统输入端与数据处理器输出端连接，面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统输出端与执行终端输入端连接。
本发明在常规的配电系统的基础上增加边缘计算网关负荷系统，对数据处理器的数据进行进一步的分类，筛选，分析再处理结合对各模块的负荷分析，得到一个负荷均衡的最优方案结合数据传输给执行终端加以执行输出，实现了对整个配电系统的优化，提高了数据处理效率，减轻了系统的负担。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，其特征在于，包括负荷分析子系统、信息筛选分析处理子系统、指令下发子系统，所述负荷分析子系统与所述信息筛选分析处理子系统双向连接，所述负荷分析子系统输出端与所述指令下发子系统输入端连接，所述信息筛选分析处理子系统输出端与所述指令下发子系统输入端连接。
2.根据权利要求1所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，其特征在于，所述信息筛选分析处理子系统包括数据采集模块、信息预处理模块、设备状态评估模块、智能告警模块、故障诊断模块、潮流分析模块；所述信息预处理模块输入端与所述数据采集模块输出端连接，所述信息预处理模块输出端与所述设备状态评估模块输入端、所述智能告警模块输入端分别连接；所述故障诊断模块输入端分别和所述设备状态评估模块输出端、所述智能告警模块输出端连接，所述故障诊断模块输出端和所述指令下发子系统输入端连接；所述潮流分析模块输入端分别和所述设备状态评估模块输出端、所述智能告警模块输出端连接，所述潮流分析模块输出端和所述指令下发子系统连接。
3.根据权利要求1所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，其特征在于，所述负荷分析子系统包括统计计算延时模块和统计传输延时模块，所述统计计算延时模块输入端和所述统计传输延时模块输入端分别与所述数据采集模块输出端、所述信息预处理模块输出端、所述设备状态评估模块输出端、所述智能告警模块输出端、所述故障诊断模块输出端、所述潮流分析模块输出端均连接。
4.根据权利要求1所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，其特征在于，所述负荷分析子系统还包括内容分发模块，所述内容分发模块输入端分别与所述统计计算延时模块输出端和所述统计传输延时模块输出端连接，所述内容分发模块输出端分别与所述指令下发子系统输入端、所述数据采集模块输入端、所述信息预处理模块输入端、所述设备状态评估模块输入端、所述智能告警模块输入端、所述故障诊断模块输入端、所述潮流分析模块输入端均连接。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、所述统计计算延时模块统计边缘计算网关各模块计算延时；
b、所述统计传输延时模块统计边缘计算网关各模块传输延时；
c、内容分发模块汇总步骤a和步骤b的延时数据并分析得出边缘计算网关最小负荷方案。
6.根据权利要求5所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷分析方法，其特征在于，所述步骤a包括：
a1、确定边缘计算网关管控节点及其数据量；
a2、确定处理单位数据所需的处理频率；
a3、所述统计计算延时模块统计边缘计算网关各模块计算延时。
7.根据权利要求6所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷分析方法，其特征在于，所述步骤a3的计算公式为：
Figure FDA0002675903980000021
wi＝Di×vi
其中∑ifi≤F，fimin≤fi≤fimax
式中
Figure FDA0002675903980000022
表示业务i的计算延时，wi表示业务i的负荷，fi表示业务i的处理频率，Di表示涉及的节点数据量，vi表示每单位数据量所占用的处理频率,F表示边缘计算网关所能提供的最大计算频率，fimax,fimin分别表示边缘计算网关分配给单个业务模块的处理频率的最大值与最小值。
8.根据权利要求5所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷分析方法，其特征在于，所述步骤b的计算公式为：
Figure FDA0002675903980000023
Figure FDA0002675903980000024
Figure FDA0002675903980000025
式中
Figure FDA0002675903980000026
表示业务i与业务j之间的数据传输延时，k1,k2表示边缘计算网关，
Figure FDA0002675903980000031
表示数据传输速率，uij表示业务i与业务j之间传输的数据量，
Figure FDA0002675903980000032
表示边缘计算网关k1的带宽，
Figure FDA0002675903980000033
表示边缘计算网关k1的传输功率，
Figure FDA0002675903980000034
表示边缘计算网关k1的信道增益，α表示边缘计算网关k1的信道损失因子，σ2表示边缘计算网关k1的背景噪声。
9.根据权利要求5所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷分析方法，其特征在于，所述步骤c包括：
c1：分析计算边缘计算网关各模块产生的负荷；
c2：根据计算网关各模块的负荷，根据负荷大小均衡决定边缘计算网关各模块工作的业务模块使边缘计算网关以最小负荷进行工作；
所述步骤c2中缘计算网关各模块需要满足负荷均衡需求计算公式如下：
Figure FDA0002675903980000035
Figure FDA0002675903980000036
Figure FDA0002675903980000037
表示边缘计算网k1的负荷，
Figure FDA0002675903980000038
表示边缘计算网k2的负荷，
Figure FDA0002675903980000039
表示边缘计算网kn的负荷，i→k1表示边缘计算网k1实现的业务i，j→k2表示边缘计算网k2实现的业务j，
Figure FDA00026759039800000310
表示数据传输方向由边缘计算网k1到边缘计算网k2。
10.一种具有面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统的配电系统，其特征在于，包括权利1至4任一项所述的面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统，电源、数据处理器、执行终端，所述电源分别与所述面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统、所述数据处理器、所述执行终端连接，所述面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统输入端与所述数据处理器输出端连接，所述面向配用电业务的边缘计算网关负荷系统输出端与所述执行终端输入端连接。
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