CN113494903A - 利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法及其监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法及其监测系统，是将倾角仪安装在海洋平台上面，使用采集仪收集倾角仪测量到的海洋平台的倾斜角度，并将该倾斜角度的变化通过数据传输设备传输至监控中心，通过控制与计算装置按照相对总沉降量的计算公式计算和处理后，得到海洋平台的相对总沉降量。将一个或一个以上的倾角仪与采集仪连接，采集仪与数据传输设备连接并将采集的海洋平台倾斜数据利用局域网或internet网传输至中心控制平台监控中心的控制与计算装置中，传输方式能够是无线或者是有线传输方式。通过倾角仪进行了海洋平台倾斜角度的精确测量，通过简单数据处理可以定量知晓海洋平台的相对沉降情况。

Description

利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法及其监测系统

技术领域

本发明涉及海洋平台沉降量的检测方法和设备，特别是利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法及其监测系统。

背景技术

海洋平台是用于海洋石油开采工程的重要支撑构件，做为海洋平台的桩腿是海洋平台的重要支撑结构，桩腿一般都是在海底打桩后建立的，平台上面布置和安装了各种机械和开采设备。由于平台的载荷较大，且受到海底泥沙淤积，洋流影响等原因，导致建有海洋平台的海床稳定性较差。海洋平台的支撑结构长时间高负荷使用，其桩腿就会继续陷入海底，导致支撑桩腿出现相对沉降。特别是平台对角的支撑结构沉降量失衡后，会严重影响到海洋平台的安全性。为此，需要实时监测海洋平台支撑桩腿的高度变化，避免重大海洋作业事故的发生。

目前海洋平台结构安全性检查和判断主要是通过人工检查，即每隔一段时间就需要对平台结构的安全性、适用性、稳定性等方面进行检测，从而判断海洋平台是否可以继续使用，或是进行加固改造，或是直接报废拆除。

传统上对平台结构的评估通过人工目测检查或借助于便携式仪器测量得到的倾斜信息进行检测。但是人工结构检查方法在实际应用中有较大的局限性，主要表现在：需要大量人力、物力并有诸多检查盲点；主观性强，难于量化；可能影响海洋平台的正常工作，时效性差等缺陷。由于传统检查方法的上述诸多缺点和限制，其往往不足以对海洋平台结构安全状态做出及时有效的报警，从而无法有效地防患于未然。

由于海上诸多的不确定性因素,海洋结构物难免存在安全隐患。其中，由于平台结构、桩基和海床三者间的复杂关系,海洋平台发生沉降的可能性较大。为了减小此种危害的发生，在海洋平台发生微小沉降之前，就能够有效发现并提前预警，而后需采取必要手段来保证海洋平台的安全。对于海洋平台结构物的沉降观测，最直接的方法是通过对比固定参照物进行测量，但由于海洋平台远离陆地,难以设立固定的参照基准,因而给沉降检测带来了技术上的困难。

为了解决上述海洋平台的沉降检测问题，申请号为201820878926.4的发明专利提出一种海洋结构物沉降测量装置，利用红外感应装置，将其安装在海洋结构物的四个支撑结构上。在互为对角位置的支撑结构上分别安装红外发射器与红外感受器，并保持两个红外装置处于同一水平位置以便互相配合传递红外信号。在红外信号失去连接时，通过旋转红外发射器的角度，来找寻位置角度一直固定的红外接收端。以红外发射器的角度确定对角结构物的相对下沉高度。该种方法可以有效地判断海上结构物发生的相对沉降，达到了对海洋结构物安全隐患的排查。但是并未直接反应海洋结构物的沉降量且系统脆弱，一旦存在红外发射器和红外感受器在海洋平台支撑结构、即桩腿的对角位置的横向变位，倾斜角度就难以认定。

为此，海洋平台相对沉降的监测方法和设施仍需改进。

发明内容

本发明的目的是提供利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法及其监测系统，利用倾角仪实现海洋平台相对沉降量测量的精准化并能做出快速反映，保证海洋平台的安全性，避免由于沉降导致的海洋平台重大安全事故的发生，保证安全生产。

本发明的技术解决方案是：

利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法，是：将倾角仪安装在海洋平台上面，使用采集仪收集倾角仪测量到的海洋平台的倾斜角度，并将该倾斜角度的变化通过数据传输设备传输至监控中心，通过控制与计算装置按照相对总沉降量的计算公式计算和处理后，得到海洋平台的相对总沉降量。

所述相对总沉降量的计算公式是：

相对总沉降量H：

h_X＝L_Xsin(θ_X)

h_Y＝L_Ysin(θ_Y)

H＝h_X+h_Y

式中：

h_x是海洋平台X方向测得沉降后的沉降量，该沉降量在沉降三角形中做为对边；

h_y是海洋平台Y方向测得沉降后的沉降量，该沉降量在沉降三角形中做为对边；

θ_X是海洋平台X方向测得沉降三角形中的倾斜角度；

θ_Y是海洋平台Y方向测得沉降三角形中的倾斜角度；

L_X是海洋平台X方向测得沉降三角形的邻边边长；

L_Y是海洋平台Y方向测得沉降三角形的邻边边长；

海洋平台的边长分别作为X方向和Y方向测得沉降三角形中的斜边边长。

使用所述利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，将一个或一个以上的倾角仪安装在海洋平台上面，一个或一个以上的倾角仪与采集仪连接，采集仪与数据传输设备连接并将采集的海洋平台倾斜数据利用局域网或internet网传输至中心控制平台监控中心的控制与计算装置中，传输方式能够是无线或者是有线传输方式。

所述控制与计算装置能够安装在中心控制平台的监控中心以及卫星平台中。

所述倾角仪是单轴倾角仪或双轴倾角仪。

所述倾角仪的安装数量由海洋平台的现场安装条件决定，若海洋平台中央具备1平方米以上的空间位置并且安装倾角仪后不影响其他作业设备的使用，就能够只安装一个双轴倾角仪或两个单轴倾角仪；若海洋平台中央空间位置小于1平方米或者安装倾角仪后会影响其他作业设备的使用，就需要安装一个以上的单轴倾角仪或双轴倾角仪并将一个以上的单轴倾角仪或双轴倾角仪分别安装在海洋平台的不同侧边，如安装双轴的倾角仪，只用一个方向的测量值。

当在所述海洋平台中央安装两个单轴倾角仪时，将两个单轴倾角仪的测量倾角相互垂直后安装在海洋平台的中央位置。

当所述倾角仪、采集仪、控制与计算装置和数据传输设备使用有线方式连接时，通过电缆与电源连接。

所述采集仪、控制与计算装置和数据传输设备能够集成安装在海洋平台上面或者分别安装在海洋平台上面，倾角仪能够与采集仪通过电缆串联或并联连接。

与现有技术相比，本发明的显著使用效果是：本发明采用倾角仪监测海洋平台的倾斜角度，通过倾斜角度计算海洋平台的相对总沉降量，倾角仪可以布置在海洋平台的中间，也可以布置在海洋平台的边上。由于海洋平台支撑结构主要是由四条桩腿组成，而且海洋平台主体结构的刚度较大，因此若出现较小相对沉降时，可以认为平台为一个纯刚体，不会出现弯曲，因此倾角仪测量到的倾斜角度，在平台上处处相等。

本发明利用倾角仪牢固地固定在平台的中间部位或边上，固定后不会发生位移，保证了测量倾角的准确性。本发明利用了现代先进的采集仪、控制与计算装置和数据传输设备，又结合利用了网络，能够做到实时监测、实时报警。一般情况下，由于沉降量远小于海洋平台的边长，因此可以认为相对总沉降量是沉降三角形中倾斜角度的对边，安装着倾角仪测量到的平台边长是沉降三角形的斜边，倾角仪测量到的海洋平台X方向或Y方向的边长是沉降三角形的邻边边长。

本发明能够利用倾角仪连续测量海洋平台倾斜角度，根据监测的倾斜角度和海洋平台结构特性，从而计算出海洋平台相对总沉降量，其特性是：

1、通过倾角仪进行了海洋平台倾斜角度的精确测量，通过简单数据处理可以定量知晓海洋平台的相对沉降情况。

2、该监测方法可以保证海洋平台发生沉降时的正常运行，鲁棒性较好。

当相对沉降情况超过报警值时，控制与计算装置和监控中心的服务器会发出报警声并利用网络发送报警信息通知相关责任人，为海洋平台使用过程中的稳定性和安全性提供了保障。能够避免由于沉降导致的海洋平台重大安全事故的发生，保证安全生产，具有显著的使用效果和应用价值。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的工作原理示意图。

图2是倾角仪安装在海洋平台中间部位的安装示意图。

图3是双轴倾角仪的测量功能示意图。

图4是倾角仪安装在海洋平台边上的安装示意图。

图5是单轴倾角仪X水平方向的测量示意图。

图6是单轴倾角仪Y水平方向的测量示意图。

图7是倾角仪对发生沉降的海洋平台的测量示意图。

具体实施方式

附图仅为参考与说明之用，并非用以限制本发明的保护范围。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1到图7，利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法，是：将倾角仪安装在海洋平台上面，使用采集仪收集倾角仪测量到的海洋平台的倾斜角度，并将该倾斜角度的变化通过数据传输设备传输至监控中心，通过控制与计算装置按照相对总沉降量的计算公式计算和处理后，得到海洋平台的相对总沉降量。

所述相对总沉降量的计算公式是：

相对总沉降量H：

h_X＝L_Xsin(θ_X)

h_Y＝L_Ysin(θ_Y)

H＝h_X+h_Y

式中：

h_x是海洋平台X方向测得沉降后的沉降量，该沉降量在沉降三角形中做为对边；

h_y是海洋平台Y方向测得沉降后的沉降量，该沉降量在沉降三角形中做为对边；

θ_X是海洋平台X方向测得沉降三角形中的倾斜角度；

θ_Y是海洋平台Y方向测得沉降三角形中的倾斜角度；

L_X是海洋平台X方向测得沉降三角形的邻边边长；

L_Y是海洋平台Y方向测得沉降三角形的邻边边长；

海洋平台的边长分别作为X方向和Y方向测得沉降三角形中的斜边边长。

一般情况下，由于沉降量远小于海洋平台的边长，因此可以认为相对总沉降量H是h_x和h_y之和，并且h_x和h_y分别是沉降三角形中θ_X和θ_Y对应的一条直角边，斜边分别是X方向和Y方向海洋平台的边长，邻边分别是与θ_X和θ_Y相邻的L_X边和L_Y边。可以利用测量到的倾斜角度，根据上述公式，计算出海洋平台的相对总沉降量。

见图7，根据测量得到的平台水平两个方向的倾角θ_X和θ_Y，可以计算出海洋平台4条桩腿处的相对总沉降量H，其中以最高的桩腿为基准点，其他桩腿的相对沉降分量可以根据上述方法计算出来。

使用所述利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，将一个或一个以上的倾角仪安装在海洋平台上面，一个或一个以上的倾角仪与采集仪连接，采集仪与数据传输设备连接并将采集的海洋平台倾斜数据利用局域网或internet网传输至中心控制平台监控中心的控制与计算装置中，传输方式能够是无线或者是有线传输方式。采集仪能够与1个或者多个倾角仪连接，采集仪在控制与计算装置的控制下，将采集到的倾斜角度数据存储在控制与计算装置中，通过数据传输设备和网络，将倾斜角度数据传输到中心控制平台的监控中心，传输方式能够使用无线或者有线的方式。

所述控制与计算装置能够安装在中心控制平台的监控中心以及卫星平台中。

当监测到海洋平台的倾斜角度数据或者计算出来的相对沉降数据超过预设的报警值时，控制与计算装置或者监控中心都可以发出报警信号。控制与计算装置可以根据预设报警值进行判断直接报警，也可以通过数据传输设备将数据传输到监控中心，由监控中心的服务器进行判断报警。

采集仪的使用型号可以是北京昆仑海岸的KLM-4128-QL232,采样频率可以根据实际需要进行设置，如1天采集1次、1小时采集1次、1分钟采集1次、1秒钟采集1次等。

倾角仪是单轴倾角仪或双轴倾角仪。

倾角仪的使用型号可以是江苏英斯泊的AIOT-CCP-DS-CGQ-QJ MEMS倾角仪，无锡北微的BWS-2000倾角仪，或者上海辉格的SST-300倾角仪等。

控制与计算装置能够是计算机或单片机。

数据传输设备能够是华为生产的AR2204-27GE企业级路由器，中兴生产的ZXR102800-4智能多业务路由器或者TP-Link生产的TL-ER7520G企业级千兆路由器等。

所述倾角仪的安装数量由海洋平台的现场安装条件决定，若海洋平台中央具备1平方米以上的空间位置并且安装倾角仪后不影响其他作业设备的使用，就能够只安装一个双轴倾角仪或两个单轴倾角仪；若海洋平台中央空间位置小于1平方米或者安装倾角仪后会影响其他作业设备的使用，就需要安装一个以上的单轴倾角仪或双轴倾角仪并将一个以上的单轴倾角仪或双轴倾角仪分别安装在海洋平台的不同侧边。

当所述海洋平台中央安装两个单轴倾角仪时，将两个单轴倾角仪的测量倾角相互垂直后安装在海洋平台的中央位置。使用两个单轴倾角仪也能够达到一个双轴倾角仪所能实现的功能。如果海洋平台中间位置空间较小，则在海洋平台相互垂直的不同侧边上安装一个以上的倾角仪，倾角仪可以是单轴的，也可以是双轴的，如安装双轴的倾角仪，只用一个方向的测量值。

在海洋平台中间布置倾角仪的方式如图2所示，4个桩腿的编号分别为1号、2号、3号和4号，此时，如果只安装一个倾角仪，则必须是双轴倾角仪，是可以测量与海洋平台X和Y两个水平方向垂直竖向的倾角仪，如图3所示，测量的倾斜角度分别为θ_X和θ_Y。

通过在海洋平台中间布置一个双轴倾角仪或两个单轴倾角仪和在海洋平台边上布置多个单轴倾角仪，都可以测量出与海洋平台X和Y两个水平方向垂直竖向的倾斜角度θ_X和θ_Y，见图7和图4所示。

安装在所述海洋平台边上的倾角仪能够是单轴倾角仪或者是双轴倾角仪。

安装在所述海洋平台边上的单轴倾角仪，按照倾角仪测量的倾斜角度垂直交错的方式固定。倾角仪根据安装方位的不同，能够测量出海洋平台两个相互垂直的X方向竖向的倾斜角度θ_X和Y方向竖向的倾斜角度θ_Y。

当所述倾角仪、采集仪、控制与计算装置和数据传输设备使用有线方式连接时，通过电缆与电源连接。可以利用平台上的电源为监测系统提供电源；倾角仪、采集仪、控制与计算装置和数据传输设备使用无线连接方式时，可利用电池、风电、太阳能光伏板等设备为监测系统的设备供电。

倾角仪需要牢固地安装或固定在海洋平台上，使得倾角仪能够与海洋平台同时倾斜或者沉降，具体的安装或固定方式可以是焊接的方式、捆绑的方式、磁性表座的方式、螺栓连接的方式或者是结构胶粘结的方式等。

所述采集仪、控制与计算装置和数据传输设备能够集成安装在海洋平台上面或者分别安装在海洋平台上面，倾角仪能够与采集仪通过电缆串联或并联连接。如果将采集仪、控制与计算装置和数据传输设备集成连接安装在一起，集成安装后的设备将具有数据采集功能、系统控制功能、数据存储功能、数据传输功能等，能够方便管理和维护。

本监测系统的整体架构是通过倾角仪拾取海洋平台的倾斜数据，再通过采集仪将倾角仪测量的模拟倾斜数据信号转换成数字信号，安装在卫星平台的控制与计算装置中能够存储并计算出相对总沉降量，再通过数据传输设备，将相对总沉降量的数字倾角数据传输到监控中心。也可以将安装在卫星平台中的倾角仪通过采集仪将测量的模拟倾斜数据信号转换成数字信号并通过数据传输设备传送到监控中心，在监控中心确定一台服务器做为控制与计算装置来控制和计算海洋平台的相对总沉降量。可使用海洋平台上的电源为倾角仪、采集仪、控制与计算装置、数据传输设备供电。控制与计算装置可以是计算机或单片机。每个海洋平台可以安装1个或者多个倾角仪。每个采集仪可以连接1个或者多个倾角仪。倾角仪可以安装在海洋平台的中央或中央附近位置，也可以安装在海洋平台的边上。

单轴倾角仪需要根据测量海洋平台倾斜角度的要求，将其分别安装在海洋平台不同的侧边上，使得倾角仪的测量倾角相互垂直，确定安装位置或者直接调整安装位置使其测量倾角不同，能够测量到海洋平台水平两个方向的倾角，即θ_X和θ_Y。本监测系统的每个设备之间可以通过有线的方式或者无线的方式进行数据通讯。

下面以图7为例，说明本发明利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法：

图7中的海洋平台桩腿有四个，4个桩腿的编号分别为1号、2号、3号和4号。此时，如果只安装一个双轴倾角仪，假设图7中的2号桩腿未出现沉降，而1号、3号和4号桩腿都出现沉降，且3号桩腿相对于2号桩腿的沉降量为h_X，4号桩腿相对于3号桩腿的沉降量为h_Y，则该平台的最大相对沉降量在4号桩腿处，即为相对总沉降量H。

相对总沉降量H：

h_X＝L_Xsin(θ_X)

h_Y＝L_Ysin(θ_Y)

H＝h_X+h_Y

上式中：h_X是4号桩腿相对于3号桩腿的沉降量；h_X是3号桩腿相对于2号桩腿的沉降量，h_X与h_Y相加即为相对总沉降量H。

本发明中的倾角仪：每个海洋平台上可以根据需要安装1个或者多个倾角仪，倾角仪的安装位置也可以根据现场情况而定，倾角仪可以通过有线或者无线的方式与采集仪连接。当倾角仪通过有线方式与采集仪连接时，可以通过采集仪直接给倾角仪供电；当倾角仪采用无线的方式与采集仪连接时，可以利用电池、风电互补、太阳能等方式给倾角仪供电。

本发明中的采集仪：一个采集仪有多个采集通道，可以连接多个倾角仪，如果某个海洋平台安装了大量倾角仪，则可以采用多个采集仪适配倾角仪。采集仪的作用一般是根据用户需求，将倾角仪的模拟电压或电流信号，按照一定的采样频率，转换成数字信号，以便于网络的传输和存储，如对于长期座落稳定的海洋平台，可以1天采集1次；对于存在长周期变换的平台，可以1小时或者1分钟采集1次；对于平台晃动频繁的情况，可以1秒钟采集1次，也可以根据实际需要，设定更高或者更低的采样频率。

控制与计算装置：由于采集仪只会按照一定的要求进行数据采集，采集到的数据需要进行管理和存储，这时候就需要用到控制与计算装置，控制采集仪的工作状态，对采集的数据进行预处理或者数据过滤，将采集到的数据进行保存。也可以在控制与计算装置上进行报警判断，如果发现数据超限，则可以直接向管理人员发出报警。

本发明中的数据传输设备是路由器或者交换机：为了将海洋平台的沉降监测数据传输到监控中心，需要在海洋平台和监控中心之间，建立数据传输通道，可以利用海洋平台上预留的网络或者Internet网络，4G网络、5G网络等，通过路由器或者交换机等，将采集到的数据传输到监控中心。

监控中心：海洋平台的管理人员和控制与计算装置一般都在监控中心，因此需要将采集到的数据传输到监控中心，以便于管理人员的查看和管理，在监控中心可以设置一台服务器做为控制与计算装置，专门显示和处理传输过来的监测数据。当出现报警时，服务器能够及时发出报警，提醒管理人员及时处理和报告。

本发明中的电源：能够给海洋平台现场所有监测设备进行供电，可以利用平台上的电源，也可以利用电池、风光互补、太阳能等电源。

上面叙述的实施例仅仅为典型实施例，但本发明不仅限于这些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的精神和启示下做出修改。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的创造精神和创造理念之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，保护范围不仅限于上文的说明。

Claims (9)

1.利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法，是：将倾角仪安装在海洋平台上面，使用采集仪收集倾角仪测量到的海洋平台的倾斜角度，并将该倾斜角度的变化通过数据传输设备传输至监控中心，通过控制与计算装置按照相对总沉降量的计算公式计算和处理后，得到海洋平台的相对总沉降量。

2.如权利要求1所述的利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法，其特征是，所述相对总沉降量的计算公式是：

相对总沉降量H：

h_X＝L_X sin(θ_X)

h_Y＝L_Y sin(θ_Y)

H＝h_X+h_Y

式中：

h_x是海洋平台X方向测得沉降后的沉降量，该沉降量在沉降三角形中做为对边；

h_y是海洋平台Y方向测得沉降后的沉降量，该沉降量在沉降三角形中做为对边；

θ_X是海洋平台X方向测得沉降三角形中的倾斜角度；

θ_Y是海洋平台Y方向测得沉降三角形中的倾斜角度；

L_X是海洋平台X方向测得沉降三角形的邻边边长；

L_Y是海洋平台Y方向测得沉降三角形的邻边边长；

海洋平台的边长分别作为X方向和Y方向测得沉降三角形中的斜边边长。

3.使用权利要求1所述利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，其特征是，将一个或一个以上的倾角仪安装在海洋平台上面，一个或一个以上的倾角仪与采集仪连接，采集仪与数据传输设备连接并将采集的海洋平台倾斜数据利用局域网或internet网传输至中心控制平台监控中心的控制与计算装置中，传输方式能够是无线或者是有线传输方式。

4.如权利要求3所述的利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，其特征是，所述控制与计算装置能够安装在中心控制平台的监控中心以及卫星平台中。

5.如权利要求3所述的利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，其特征是，所述倾角仪是单轴倾角仪或双轴倾角仪。

6.如权利要求5所述的利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，其特征是，所述倾角仪的安装数量由海洋平台的现场安装条件决定，若海洋平台中央具备1平方米以上的空间位置并且安装倾角仪后不影响其他作业设备的使用，就能够只安装一个双轴倾角仪或两个单轴倾角仪；若海洋平台中央空间位置小于1平方米或者安装倾角仪后会影响其他作业设备的使用，就需要安装一个以上的单轴倾角仪或双轴倾角仪并将一个以上的单轴倾角仪或双轴倾角仪分别安装在海洋平台的不同侧边，如安装双轴的倾角仪，只用一个方向的测量值。

7.如权利要求6所述的利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，其特征是，当在所述海洋平台中央安装两个单轴倾角仪时，将两个单轴倾角仪的测量倾角相互垂直后安装在海洋平台的中央位置。

8.如权利要求3所述的利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，其特征是，当所述倾角仪、采集仪、控制与计算装置和数据传输设备使用有线方式连接时，通过电缆与电源连接。

9.如权利要求3所述的利用倾角仪监测海洋平台相对沉降的方法的监测系统，其特征是，所述采集仪、控制与计算装置和数据传输设备能够集成安装在海洋平台上面或者分别安装在海洋平台上面，倾角仪能够与采集仪通过电缆串联或并联连接。

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