CN112923980A - 一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，包括能源模块、监测模块和传输模块；所述能源模块包括水力发电机和蓄电池，所述能源模块为所述监测模块和所述传输模块进供电；所述监测模块包括监测传感器，所述监测模块用于监测围岩（21）的实际状态；所述传输模块用于将所述监测模块的监测数据进行传输。本发明还提供了一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置的测试方法。本发明通过水力发电机实现了长距离隧洞监测装置的持续稳定供电，通过将监测数据编译成离线二维码，并使用水下机器人拍摄识别和解码二维码中的历史监测数据，解决了长距离大埋深引水隧洞监测装置供电困难和监测数据难以传输的问题。

Description

一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置及其测试方法，具体为一种长期无线监测深埋长引水隧洞衬砌和围岩的应力值、应变值、渗透压力值等的系统装置和测试方法，属于水利工程技术领域。

背景技术

随着我国水利水电事业的蓬勃发展，大批的引水隧洞相继兴建，建成的各种水工隧洞总里程约有10000km，建设中的水工隧洞总里程约有1000km，已规划尚未开工的水工隧洞总里程超过2000km，随着地下工程施工技术的迅猛发展，引水隧洞也朝着长距离、大断面方向发展。辽宁大伙房输水隧洞全长达85km，引汉济渭秦岭输水隧洞全长达82km，锦屏二级水电站引水隧洞开挖直径达12.4～13.0m，最大埋深约2500m，长度约17km，运行期洞内流速约5m/s。此类超长引水隧洞面临着高地应力、高外水压力等复杂地质条件，需在正常运行过程中密切关注水工建筑物及围岩的实际状态，以保证工程安全，因此，做好超长引水隧洞的安全监测尤其重要。

目前引水隧洞中常用的监测与检测方法有电测法和水下机器人巡视法等。然而，基于电测法的传统安全监测系统组网方式在大埋深长距离的引水隧洞中面临着信号传输衰减，高水头下绝缘保护难度大，工程成本高等难题。传统岩土工程安全监测仪器的类型主要为差阻式和振弦式两类传感器，这两类传感器均为电信号式仪器，传统布置方法不适用于高埋深长距离引水隧洞的安全监测。

一般传感器通过电缆供电及传输数据，若在已建成隧洞中长距离开挖衬砌来埋设电缆，会对衬砌损害较大，影响其安全运行；而将电缆直接置于洞内时，高埋深、长距离和高水头环境对电缆绝缘性能要求高，工程成本大。引水隧洞内水流裹挟的砂石颗粒极易对电缆的绝缘材料造成损伤，影响电缆绝缘性能。长距离电缆需要将多根电缆连接在一起，多个接头使电缆故障风险加大，若电缆只要有一处断路，整条电缆就会失效，并且在隧洞充水运行期无法及时修复。高埋深隧洞距离地表遥远，通过山体上地面开挖竖井至监测点埋设电缆成本过高，并且施工困难。所以，在高埋深长距离水工隧洞中监测传感器不适于使用电缆长期供电和传输数据。而传感器通过蓄电池供电时，蓄电池容量有限，无法满足引水隧洞长期运行时供电的要求。

一般传感器无线传输是通过电磁波、超声波等无线信号进行传播，然而在水工隧洞运行期洞内充满水流的介质下，无线信号衰减强烈，容易受到干扰，不适用于高埋深长距离引水隧洞的数据传输。

一般传感器埋入隧洞衬砌或围岩内，通过采用混凝土回填等措施对传感器进行密封保护，导致后续传感器难以取出，一旦传感器出现故障只能被废弃，极大地浪费了监测资源；并且业主有新的监测需求，无法在原有传感器装置基础上升级改造，只能重新开挖衬砌进行埋设，对隧洞结构造成重复扰动，不利于隧洞健康运行。

目前引水隧洞在正常运行期的常用检测手段为使用水下机器人巡视，但是其搭载的摄像头等仪器，仅能获取衬砌表面图像，无法获取衬砌和围岩的应力、渗压等信息。

综上所述，目前，在高埋深、长距离和高水头环境下，已建成运行的引水隧洞中急需开发一种安全、经济、有效、灵活的监测装置及测试方法来感知水工建筑物和围岩实际状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供了一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置及其测试方法，解决了现有技术中传感器难以持续稳定供电、监测数据难以有效传输的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，包括能源模块、监测模块和传输模块；

所述能源模块包括水力发电机和蓄电池，所述能源模块为所述监测模块和所述传输模块进供电；

所述监测模块包括监测传感器，所述监测模块用于监测围岩的实际状态；

所述传输模块包括芯片、存储器、光敏开关、防水显示器和水下机器人，所述传输模块用于将所述监测模块的监测数据进行传输。

一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，包括设置于隧洞边墙上的贯穿衬砌并延伸进入围岩的钻孔，所述钻孔的孔口密封连接有套筒，所述套筒的孔口一体连接有与所述隧洞边墙的内壁相接触的卡边，所述套筒内壁上设置有内螺纹，管状防水装置的一端设置有与所述内螺纹相适配的外螺纹，所述管状防水装置内部放置有蓄电池、芯片和存储器；所述蓄电池与安装于所述钻孔下方的所述隧洞边墙上的水力发电机电连接，所述芯片与所述存储器通讯连接，所述芯片分别与安装于所述钻孔上方的所述隧洞边墙上的防水显示器和光敏开关电连接，所述防水显示器与所述光敏开关电连接；所述存储器与所述监测传感器电连接，所述监测传感器布设于监测点；所述芯片包括离线二维码生成模块；水下机器人上设置有用于照射所述光敏开关的光源以及用于读取所述防水显示器上的离线二维码的采集模块；所述蓄电池为所述芯片、存储器、光敏开关和监测传感器供电。

所述水力发电机、光敏开关和防水显示器上均设置有固定螺栓，所述隧洞边墙上或者所述卡边上设置有与所述固定螺栓相适配的螺栓孔。

所述钻孔的孔口与套筒之间通过环氧树脂胶密封连接。

所述管状防水装置的外螺纹与所述套筒的内螺纹之间设置有止水胶带。

所述监测传感器包括应力传感器、渗压传感器、应变传感器和温度传感器。

所述水下机器人的采集模块包括摄像头或者照相机。

一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置的测试方法，包括以下步骤：

S01，在实际需要监测的位置进行钻孔，并在孔口通过环氧树脂胶固定一个套筒；所述套筒内部刻有内螺纹；

S02，在钻孔内埋入监测传感器；

S03，将所述蓄电池，芯片和存储器密封在所述管状防水装置内，所述管状防水装置端部设置有外螺纹，所述管状防水装置与所述套筒通过螺纹和止水带连接；即将管状防水装置装入钻孔内；

S04，将所述防水显示器、光敏开关和水力发电机通过固定螺栓固定在隧洞边墙上或者卡边上；

S05，隧洞充水后，水力发电机发电，为蓄电池持续供电，所述蓄电池为所述芯片、存储器、光敏开关和防水显示器供电；

S06，所述芯片根据预设的监测数据采集频率对所述监测模块下达监测数据采集指令，所述监测模块将采集的监测数据汇集存入所述存储器，所述存储器以数据采集时间为标记，将相同时间点采集的监测数据存储为一个数据单元；每采集一个数据单元后，与先前采集的数据单元合并组成数据集合，当数据集合容量达到一张离线二维码容量时，由所述离线二维码生成模块生成一张离线二维码；以此类推，后面采集的监测数据自动编入下一个数据集合；

S07，离线二维码生成后，依次存入所述存储器中；

S08，所述水下机器人在需要提取监测数据时行驶到测点处，所述光敏开关在受到水下机器人上的光源照射下打开，启动所述防水显示器，运行所述芯片，所述芯片调取所述存储器中的离线二维码并依次通过防水显示器显示；

S09，所述芯片同时启动离线二维码生成模块，将近期未生成一张离线二维码的监测数据生成一张离线二维码并存入所述存储器，并在最后通过防水显示器显示；

S10，所述离线二维码全部显示完毕后，所述防水显示器关闭，所述光敏开关关闭。

所述钻孔的孔径为10～12cm。

本发明的有益效果：

1.本监测装置和测试方法能够设置在已建成的高埋深、长距离水工隧道中，克服了难以通过电缆供电和蓄电池容量有限的困难，可以在任意位置埋设布置，所占空间小，并可以进行长期监测。

2.本监测装置和测试方法能够根据业主所需的监测数据类型，如应力数据、渗压数据、应变数据、温度等，选装相应合适的传感器，如应力传感器、渗压传感器、应变传感器、温度传感器等，具有灵活、扩展性强的优点。

3.本监测装置和测试方法克服了引水隧洞正常充水运行期的数据传输问题，通过水下机器人拍照识别离线二维码就可以实现监测数据无线传输功能，不受洞内流水介质的影响。

4.本监测装置和测试方法智能化程度高，无需人工观测读数和手动记录。

5.本监测装置可以多点布置，形成组网监测系统，避免少数点故障影响整体监测系统的运行，容错率大大提高。

6.本监测装置通过模块化设计，可以在投入运行后根据业主新的要求进行功能升级，在原有基础上对模块进行升级改造，包括但不限于提高存储器容量、加设其他传感器等操作，避免了对水工隧洞建筑结构的二次伤害。

7.本发明通过水力发电机实现了长距离隧洞监测装置的持续稳定供电，通过将监测数据编译成离线二维码，并使用水下机器人拍摄识别和解码二维码中的历史监测数据，解决了长距离大埋深引水隧洞监测装置供电困难和监测数据难以传输的问题。

附图说明

图1是本发明中监测装置的结构示意图；

图2是本发明中套筒的结构示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明中监测装置的监测数据传输示意图；

其中，水力发电机1；蓄电池2；应力传感器3；渗压传感器4；应变传感器5；存储器6；芯片7；光敏开关8；防水显示器9；水下机器人10；套筒11；内螺纹12；螺栓孔13；环氧树脂胶14；固定螺栓15；外螺纹16；管状防水装置17；衬砌20；围岩21。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置及其测试方法作进一步详细说明。

如图1所示，一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，包括能源模块、监测模块和传输模块。

所述能源模块包括水力发电机1和蓄电池2，水力发电机1为微型水力发电机。

水力发电机1置于隧洞边墙内壁上，避免安装在隧洞拱底时被砂石冲击破坏，通过固定螺栓15固定，通过导线与蓄电池2连接，水力发电机1在引水隧洞内水流冲击下进行发电，将水流动能转化为电能，并将电能储存进蓄电池2，蓄电池能够为监测模块和传输模块稳定供电。

所述监测模块包括应力传感器3、渗压传感器4、应变传感器5和温度传感器，可以根据需要监测不同类型数据，选装各种类型传感器，每种传感器可根据需要设置多个，可以监测到引水隧洞衬砌20和围岩21的应力值、渗压值等监测数据，传感器可以根据需要设置每天收集一次或多次数据，并将监测数据依次存储到传输模块中的存储器6内。不同类型传感器具有不同的安装和使用方法，如应力传感器3，与存储器6相连，需要布置在围岩21内与岩体紧密接触，当钻孔到达所需围岩21深度时，将应力传感器测力端插入围岩21，与围岩21固定形成整体，即可测得该点处围岩21的应力数据，数据通过数据线传输到存储器6保存。如渗压传感器4，与存储器6相连，其测压端需要不被土壤包裹淤堵，当钻孔达到所需测点深度时，将渗压传感器4放入孔内测点，并回填砂石，土壤会被砂石阻挡在外部，保证渗压传感器测压端周围不被土壤包裹淤堵，通过砂石间隙内孔隙水压测得该测点渗压数据，数据通过数据线传输到存储器6保存。监测模块内传感器种类和数量可以根据需要进行选装，不同种类传感器的安装具有不同的安装方式。

所述芯片7控制整体装置运行(整体装置包括监测传感器、存储器6、光敏开关8和防水显示器9)和离线二维码生成模块生成离线二维码。所述芯片7与存储器6、光敏开关8相连，芯片7可根据业主需要或《SL764-2018水工隧洞安全监测技术规范》中给出的监测数据采集频率对监测模块下达数据采集指令，监测模块中各类监测传感器采集数据后统计汇集存入存储器6；所述存储器6连接监测模块，存储器6存储监测数据以数据采集时间为标记存储为一个数据单元，所述数据单元包括采集时间、各类监测数据(如应力值、渗压值等，取决于传感器类型)，每采集一次数据单元后就与先前数据单元合并组成一个数据集合，当一个数据集合容量达到一张离线二维码容量时由离线二维码生成模块生成一张二维码，新采集数据单元自动编入下一个数据集合；所述离线二维码根据水工隧洞运行期充水时能见度及水下机器人可识别程度设置尺寸大小，最大不超过防水显示器9一屏可显示尺寸，离线二维码生成后依次存入存储器6中；所述光敏开关8连接防水显示器9，所述防水显示器9置于隧洞边墙内壁，通过固定螺栓15固定在隧洞边墙衬砌内壁上，避免安装在隧洞拱底时被砂石冲击破坏；光敏开关8在引水隧洞充水运行期无光源照射情况下处于关闭状态，防水显示器9关闭，减少能源消耗；光敏开关8在受到光源照射下打开，启动防水显示器9，运行芯片7，芯片7调取存储器6中的离线二维码依次通过防水显示器9显示，并且芯片7同时启动离线二维码生成模块，将近期未生成一张离线二维码的数据集合生成一张离线二维码，此离线二维码存入存储器6并在最后通过防水显示器9显示，所有离线二维码依次显示5秒供水下机器人10拍摄识别，离线二维码全部显示完毕后防水显示器9关闭，光敏开关8关闭；所述水下机器人10可以在需要提取监测数据时行驶到测点处，通过光源照射光敏开关启动防水显示器9，拍摄离线二维码并识别解码成历史监测数据；为了提高水下机器人提取监测数据的效率，可设置芯片7仅通过防水显示器9显示两次水下机器人10作业间隔期间的离线二维码，同时为了防止水下机器人10拍摄离线二维码可能出现的失误，确保监测数据的价值能够得到充分利用，所有历史离线二维码存储在存储器6内，可在隧洞放空检修期人工提取存储器6。

如图2所示，本实施例在实际需要监测的位置进行钻孔，并在孔口通过环氧树脂胶14等物质胶结固定一个套筒11，套筒11内部刻有内螺纹12，套筒11优选为金属套筒，金属套筒的材质优选为铜或不锈钢。

所述能源模块、监测模块、传输模块总体安装在监测点衬砌20钻孔内及孔口附近衬砌边墙内壁上。

所述钻孔在需要监测的测点位置，由钻机钻孔，孔径约10cm，孔深由所需测点位置决定。

如图3所示，所述蓄电池2，芯片7和存储器6密封在管状防水装置17内，管状防水装置7内的元器件通过数据线与外部元器件连接；所述管状防水装置11直径约10cm，与套筒11匹配，具有防水和保护功能，管状防水装置11端部外表面刻有外螺纹16，管状防水装置17放入钻孔内，与套筒11通过螺纹和止水带连接，保证隧洞内水不涌入钻孔内。

套筒11能够为钻孔提供结构支护，保护隧洞整体安全；套筒11与管状防水装置17的组合方便安装、拆卸、维修，当本实施例的监测装置内元器件有部分损坏，可以在水工隧洞放空检修期拆卸管状防水装置17，对损坏元器件进行维修或更换，避免传统监测传感器埋入衬砌20或围岩21内被混凝土密封后无法维修的问题，提高了本实施例的使用寿命。

如图4所示，一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置的测试方法，包括以下步骤：

1.在需要监测位置进行钻孔，孔口通过胶结固定一个套筒11，套筒内部刻有内螺纹12。

2.在钻孔内埋入所需传感器，例如应力传感器3，渗压传感器4等。

3.将管状防水装置17装入钻孔内，管状防水装置17与套筒11通过螺纹和止水胶带连接，保证隧洞内水不涌入钻孔内。

4.将防水显示器9、光敏开关8、水力发电机1通过固定螺栓15固定在隧洞边墙内壁上，防止水流冲走元器件，并防止水中砂石冲击和破坏。

5.隧洞充水后，水力发电机1发电，为蓄电池2持续供电。

6.需要提取监测数据时，放入水下机器人10，行驶到监测点处开始使用光源照射光敏开关8，启动防水显示器9和芯片7内的离线二维码生成模块，拍摄防水显示器9上的离线二维码，识别并解码成历史监测数据。

7.监测装置内元器件损坏或升级时，在水工隧洞放空检修期拆卸管状防水装置17，对待处理元器件进行维修或更换。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“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，因此不能理解为对本发明的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，其特征在于，包括能源模块、监测模块和传输模块；

所述能源模块包括水力发电机(1)和蓄电池(2)，所述能源模块为所述监测模块和所述传输模块进供电；

所述监测模块包括监测传感器，所述监测模块用于监测围岩(21)的实际状态；

所述传输模块包括芯片(7)、存储器(6)、光敏开关(8)、防水显示器(9)和水下机器人(10)，所述传输模块用于将所述监测模块的监测数据进行传输。

2.根据权利要求1所述的一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，其特征在于，包括设置于隧洞边墙上的贯穿衬砌(20)并延伸进入围岩(21)的钻孔，所述钻孔的孔口密封连接有套筒(11)，所述套筒(11)的孔口一体连接有与所述隧洞边墙的内壁相接触的卡边，所述套筒(11)内壁上设置有内螺纹(12)，管状防水装置(17)的一端设置有与所述内螺纹(12)相适配的外螺纹(16)，所述管状防水装置(17)内部放置有蓄电池(2)、芯片(7)和存储器(6)；所述蓄电池(2)与安装于所述钻孔下方的所述隧洞边墙上的水力发电机(1)电连接，所述芯片(7)与所述存储器(6)通讯连接，所述芯片(7)分别与安装于所述钻孔上方的所述隧洞边墙上的防水显示器(9)和光敏开关(8)电连接，所述防水显示器(9)与所述光敏开关(8)电连接；所述存储器(6)与所述监测传感器电连接，所述监测传感器布设于监测点；所述芯片(7)包括离线二维码生成模块；水下机器人(10)上设置有用于照射所述光敏开关(8)的光源以及用于读取所述防水显示器(9)上的离线二维码的采集模块；所述蓄电池(2)为所述芯片(7)、存储器(6)、光敏开关(8)和监测传感器供电。

3.根据权利要求2所述的一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，其特征在于，所述水力发电机(1)、光敏开关(8)和防水显示器(9)上均设置有固定螺栓(15)，所述隧洞边墙上或者所述卡边上设置有与所述固定螺栓(15)相适配的螺栓孔(13)。

4.根据权利要求1所述的一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，其特征在于，所述钻孔的孔口与套筒(11)之间通过环氧树脂胶(14)密封连接。

5.根据权利要求1所述的一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，其特征在于，所述管状防水装置(17)的外螺纹(16)与所述套筒(11)的内螺纹(12)之间设置有止水胶带。

6.根据权利要求1或2所述的一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，其特征在于，所述监测传感器包括应力传感器(3)、渗压传感器(4)、应变传感器(5)和温度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置，其特征在于，所述水下机器人(10)的采集模块包括摄像头或者照相机。

8.一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，在实际需要监测的位置进行钻孔，并在孔口通过环氧树脂胶(14)固定一个套筒(11)；所述套筒(11)内部刻有内螺纹(12)；

S02，在钻孔内埋入监测传感器；

S03，将蓄电池(2)，芯片(7)和存储器(6)密封在管状防水装置(17)内，所述管状防水装置(17)端部设置有外螺纹(16)，所述管状防水装置(17)与所述套筒(11)通过螺纹和止水带连接；即将管状防水装置(17)装入钻孔内；

S04，将防水显示器(9)、光敏开关(8)和水力发电机(1)通过固定螺栓(15)固定在隧洞边墙上或者卡边上；

S05，隧洞充水后，水力发电机(1)发电，为蓄电池(2)持续供电，所述蓄电池(2)为所述芯片(7)、存储器(6)、光敏开关(8)和防水显示器(9)供电；

S06，所述芯片(7)根据预设的监测数据采集频率对所述监测模块下达监测数据采集指令，所述监测模块将采集的监测数据汇集存入所述存储器(6)，所述存储器(6)以数据采集时间为标记，将相同时间点采集的监测数据存储为一个数据单元；每采集一个数据单元后，与先前采集的数据单元合并组成数据集合，当数据集合容量达到一张离线二维码容量时，由所述离线二维码生成模块生成一张离线二维码；以此类推，后面采集的监测数据自动编入下一个数据集合；

S07，离线二维码生成后，依次存入所述存储器(6)中；

S08，所述水下机器人(10)在需要提取监测数据时行驶到测点处，所述光敏开关(8)在受到水下机器人(10)上的光源照射下打开，启动所述防水显示器(9)，运行所述芯片(7)，所述芯片(7)调取所述存储器(6)中的离线二维码并依次通过防水显示器(9)显示；

S09，所述芯片(7)同时启动离线二维码生成模块，将近期未生成一张离线二维码的监测数据生成一张离线二维码并存入所述存储器(6)，并在最后通过防水显示器(9)显示；

S10，所述离线二维码全部显示完毕后，所述防水显示器(9)关闭，所述光敏开关(8)关闭。

9.根据权利要求8所述的一种深埋长引水隧洞的无线长期监测装置的测试方法，其特征在于，所述钻孔的孔径为10～12cm。

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