CN113820379B - 监测水体生化需氧量的浮标装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种监测水体生化需氧量的浮标装置，包括壳体、设在壳体上的通讯系统、浮力调节系统、控制系统和电源管理系统，通讯系统与地面监控中心通信；浮力调节系统控制壳体升降；控制系统与通讯系统和浮力调节系统电连接；电源管理系统包括给控制系统供电的电池、给电池充电的MFC型BOD传感器和给MFC型BOD传感器阴极供氧的供气机构，MFC型BOD传感器阳极与水体接触、以检测水体BOD浓度。本浮标装置通过MFC型BOD传感器给电池充电，使电池具有足够电量为整体装置供电，解决了现有浮标设备电能供应限制问题，增加了浮标装置的寿命，使浮标装置有实时定深检测水体中BOD浓度的功能，通过供气机构为MFC型BOD传感器阴极提供足够的氧气，保证MFC型BOD传感器能正常运行。

Description

监测水体生化需氧量的浮标装置

技术领域

本发明涉及水体污染与治理技术领域，尤其涉及一种监测水体生化需氧量的浮标装置。

背景技术

水文环境的实时、有效监测是生态文明建设至关重要的一环，自持式剖面浮标是水体探测中应用最早的观测平台之一，可用于观测与气候变化相关的水体信息，具有易投弃、体积小、重量轻、制造成本低的特点。然而，由于目前浮标设备在使用过程中无法进行能量补充，可携带的电池容量有限，电池容量成为了限制自持式浮标设备寿命的重要因素。

生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)是表示水中需氧污染物质含量的一个综合指标，是重要的水质污染参数，长期以来作为一项环境监测指标被广泛使用。但是传统BOD监测耗时耗力，且不适用于实际水体环境的原位监测和在线监测；而微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种可监测BOD的生物传感器，具有快速实时、自我保持的优点，且本质上作为电池，无需外加电源即可自动输出电信号，是实际水体环境监测的理想选择。

《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91-2002)中明确规定，定深采集的水样经后续测试分析后能在很大程度上客观的反映地表水的污染状况，对水环境评价具有重要价值。然而在BOD监测领域，在现有的研究(Peixoto et al.,2011)应用MFC测试潜水模式下水体的有机物浓度中，仅仅停留在贴近水面的深度，且无自供电功能，在研究(Pasternak etal.,2017)应用MFC测试水面下水体有机物浓度中，增加了自供电功能，但也仅仅限于贴近水面的深度。因为空气阴极MFC构型产电效率高，故上述两种研究中都选择了空气阴极的构型，但是由于设备在潜水状态下时，MFC的阴极没有充足的氧气来保证装置的正常运行，从而无法进行定深BOD监测。

因此，如何解决现有利用MFC监测水体生化需氧量的设备在潜水状态下时MFC的阴极没有充足的氧气来保证装置的正常运行而无法进行定深BOD监测的问题，是目前业界亟待解决的重要课题。

发明内容

本发明提供一种监测水体生化需氧量的浮标装置，用以解决现有利用MFC监测水体生化需氧量的设备在潜水状态下时MFC的阴极没有充足的氧气来保证装置的正常运行而无法进行定深BOD监测的缺陷，解决了现有剖面浮标设备的电能供应限制问题，大大增加了浮标装置的寿命，同时使得浮标装置具有了实时定深检测水体中BOD浓度的功能，让偏远地区实时定深监测水体BOD浓度成为可能；并且通过在浮标装置中设置的供气机构，减少了在近水面处浮沉的能力损耗，同时为MFC型BOD传感器的阴极提供了足够的氧气，保证MFC型BOD传感器能够正常运行。

本发明提供一种监测水体生化需氧量的浮标装置，包括：

壳体；

通讯系统，设置在所述壳体上，所述通讯系统用于与地面监控中心通信；

浮力调节系统，设置在所述壳体上，所述浮力调节系统用于控制所述壳体升降；

控制系统，设置在所述壳体上，所述控制系统与所述通讯系统和所述浮力调节系统电连接；

电源管理系统，设置在所述壳体上，所述电源管理系统包括用于给所述控制系统供电的电池、用于给所述电池充电的MFC型BOD传感器和用于给所述MFC型BOD传感器的阴极供氧的供气机构，所述MFC型BOD传感器的阳极与水体相接触、以能够检测水体的BOD浓度。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，所述供气机构包括：

气管，用于连通外界大气与所述MFC型BOD传感器的阴极；

气压阀，设置在所述气管上、用于控制所述气管的通断，所述气压阀与所述控制系统电连接。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，所述浮力调节系统包括设置在所述壳体上的外气囊，所述外气囊通过第一气管与外界大气连通，所述第一气管上设置有用于控制所述第一气管通断的第一气压阀，所述第一气压阀与所述控制系统电连接，且所述外气囊能够与所述气管相连通。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，所述电源管理系统还包括用于处理所述MFC型BOD传感器发出的电能的电能处理器，所述电能处理器与所述MFC型BOD传感器和所述电池电连接。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，所述电源管理系统还包括备用电池，所述备用电池与所述控制系统电连接。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，所述MFC型BOD传感器包括多个固定在所述壳体底部的单室MFC，所述单室MFC包括陶瓷圆柱体、包裹在所述陶瓷圆柱体外壁上的MFC阳极和位于所述陶瓷圆柱体内的MFC阴极，所述MFC阳极与所述电能处理器的负极电连接，所述MFC阴极与所述电能处理器的正极电连接。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，所述浮力调节系统还包括液压系统，所述液压系统包括：

液压缸，设置在所述壳体内；

浮力油囊，设置在所述壳体外，所述浮力油囊与所述液压缸通过油管相连通；

驱动模块，用于驱动所述液压缸动作，所述驱动模块与所述控制系统电连接。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，还包括设置在所述壳体上部的CTD传感器，所述CTD传感器与所述控制系统电连接。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，所述通讯系统包括位于所述壳体内的通讯模块和位于所述壳体顶端的天线，所述天线与所述通讯模块电连接，所述通讯模块与所述控制系统电连接。

根据本发明提供的一种监测水体生化需氧量的浮标装置，多个所述单室MFC通过非金属板固定在所述壳体的底部，所述单室MFC的MFC阳极低于所述非金属板。

本发明提供的监测水体生化需氧量的浮标装置，本浮标装置通过MFC型BOD传感器降解水体中的有机物产生的电能为电池充电，使电池为整体装置供电，解决了现有剖面浮标设备的电能供应限制问题，大大增加了浮标装置的寿命，同时使得浮标装置具有了实时定深检测水体中BOD浓度的功能，让偏远地区实时定深监测水体BOD浓度成为可能；并且通过在浮标装置中设置的供气机构，减少了在近水面处浮沉的能力损耗，同时为MFC型BOD传感器的阴极提供了足够的氧气，保证MFC型BOD传感器能够正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的监测水体生化需氧量的浮标装置的结构图；

图2是本发明提供的丙烯酸板的俯视图。

附图标记：

1：壳体； 101：防护罩； 102：检修门；

2：通讯模块； 201：天线； 3：驱动模块；

301：液压缸； 4：控制系统； 401：CTD传感器；

501：MFC型BOD传感器； 502：备用电池； 503：电能处理器；

504：MFC阴极； 505：MFC阳极； 601：外气囊；

602：第一气管； 603：第二气管； 604：第三气管；

605：浮力油囊； 606：丙烯酸板； 607：壳体内腔；

608：通孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

下面结合图1-图2描述本发明的监测水体生化需氧量的浮标装置，包括壳体1、通讯系统、浮力调节系统、控制系统4和电源管理系统，通讯系统、浮力调节系统、控制系统4和电源管理系统均设置在壳体1上，其中，浮力调节系统用于控制壳体1升降(即上浮和下潜)，以能够调控壳体1的位置，即调控该浮标装置在水体内的位置，便于浮标装置对不同深度的水体进行测量；通讯系统用于与地面监控中心通讯，以便将浮标装置测量的数据、浮标状态信息和定位信息等传输给地面监控中心，并接收地面监控中心发出的控制指令；控制系统4与通讯系统和浮力调节系统电连接、以用于控制通讯系统和浮力调节系统；电源管理系统用于给控制系统4供电，即以能够给该浮标装置的用电设备供电，保证浮标装置的正常运行。

其中，电源管理系统包括电池、MFC型BOD传感器501和供气机构，具体地，该电池可以为锂电池，MFC型BOD传感器501用于给电池充电，电池用于给控制系统4供电，通过电池为整个装置供电，提高了本浮标装置的电能供应的稳定性。供气机构与MFC型BOD传感器501的阴极相连通、以用于给MFC型BOD传感器501的阴极供氧，以保证MFC型BOD传感器501的阴极具有足够的氧气来产电，从而保证MFC型BOD传感器501的正常运行。MFC型BOD传感器501的阳极与水体相接触，以用于检测水体的BOD浓度，并保证MFC型BOD传感器501的正常运行。

这里，电源管理系统还包括电能处理器503，电能处理器503与MFC型BOD传感器501和电池电连接，电能处理器503用于处理MFC型BOD传感器501发出的电能，以对MFC型BOD传感器501发出的电能进行比较、处理，输出稳定的电能、以给电池充电，使得电池电量得到持续的供给，增加电池的使用时间。电能处理器503包括配有最大功率点跟踪功能的可变电阻器、超级电容器以及磁滞板。电能处理器503可以为现有设备，只需能够将MFC型BOD传感器501发出的电能转换成适合电池使用的电能即可。电能处理器503可以与通讯系统或控制系统4通信连接，以将MFC型BOD传感器检测的水体BOD浓度数据传输给通讯系统或控制系统4。

由此可见，本浮标装置通过MFC型BOD传感器501降解水体中的有机物产生的电能为电池充电，从而用于整体装置的运行，解决了现有剖面浮标设备的电能供应限制问题，大大增加了浮标装置的寿命，同时使得浮标装置具有了实时定深检测水体中BOD浓度的功能，让偏远地区实时定深监测水体BOD浓度成为可能；并且通过在浮标装置中设置的供气机构，减少了在近水面处浮沉的能力损耗，同时为MFC型BOD传感器501的阴极提供了足够的氧气，保证MFC型BOD传感器501能够正常运行。

本发明的可选实施例中，供气机构包括气管和气压阀，气管用于连接外界大气和MFC型BOD传感器501的阴极，以使外界空气能够进入到MFC型BOD传感器501的阴极处，以为MFC型BOD传感器501的阴极供氧。气压阀设置在气管上，以用于控制气管的通断，从而控制空气的进出，控制系统4与气压阀电连接、以通过控制气压阀的状态实现空气的转移，从而为MFC型BOD传感器501的阴极供氧。并且在气管和MFC型BOD传感器501的阴极之间还设置有气压泵，通过气压泵便于将空气导入到MFC型BOD传感器501的阴极处。

在可选的实施例中，浮力调节系统包括设置在壳体1上的外气囊601，外气囊601通过第一气管602与外界大气相连通，第一气管602上设置有第一气压阀、以用于控制第一气管602的通断，并且第一气压阀与控制系统4电连接。这样，通过控制第一气压阀的状态实现对外气囊601的充放气，以能够控制壳体1的升降，从而调节本浮标装置的位置。并且在第一气管602和外气囊601之间还设置有第一气压泵，通过第一气压泵便于对外气囊601充放气。

并且，外气囊601能够与气管相连通，以通过外气囊601能够给MFC型BOD传感器501的阴极供氧。

在进一步的实施例中，供气机构还可以包括设置在壳体1内的壳体内腔607，壳体内腔607能够与外气囊601和MFC型BOD传感器501的阴极相连通，其中，气管包括第二气管603和第三气管604，第二气管603用于连通壳体内腔607和外气囊601，第三气管604用于连通壳体内腔607和MFC型BOD传感器501的阴极；并且，气压阀包括第二气压阀和第三气压阀，第二气压阀设置在第二气管603上、以用于控制第二气管603的通断，第三气压阀设置在第三气管604上、以用于控制第三气管604的通断；气压泵包括第二气压泵和第三气压泵，第二气压泵设置在壳体内腔607和第二气管603之间，第三气压泵设置在MFC型BOD传感器501的阴极与第三气管604之间。当本浮标装置在水面上处于收发信息状态时，控制系统4控制第一气压阀、第二气压阀和第三气压阀开启，并控制第一气压泵、第二气压泵和第三气压泵启动将浮标装置内的气体排出并吸入新的空气，使得MFC型BOD传感器501的阴极有足够的氧气供应。

在本发明的可选实施例中，电源管理系统还可以包括备用电池502，备用电池502与控制系统4电连接，当水体中BOD浓度过低导致MFC型BOD传感器501产生的电能不足以供整个装置使用时，备用电池502能够给本浮标装置的用电设备供电，以实现对整体装置不间断供电的效果。

可选的实施例中，MFC型BOD传感器501包括多个单室MFC，多个单室MFC固定在壳体1底部，以便于单室MFC的阳极与水体接触。其中，单室MFC包括陶瓷圆柱体、包裹在陶瓷圆柱体外壁上的MFC阳极505和位于陶瓷圆柱体内的MFC阴极504，MFC阳极505与电能处理器503的负极电连接，MFC阴极504与电能处理器503的正极电连接，以能够将产生的电能传输到电能处理器503内。

具体地，陶瓷圆柱体长200mm、内径为60mm、外径为66mm，MFC阳极505由碳纤维面纱组成，碳纤维面纱被切割成表面积为1500cm²的长方形后折叠并包裹在陶瓷圆柱体外壁上，使用镍铬丝的一端缠绕固定碳纤维面纱后，另一端与电能处理器503的负极连接；MFC阴极504可以为矩形阴极片，并且矩形阴极片通过镍铬丝与电能处理器503的正极连接，矩形阴极片折叠并放置在陶瓷圆柱体内，矩形阴极片是由四氟乙烯和活性炭粉末的混合物涂覆的碳纤维面纱组成。

在本实施例中，MFC型BOD传感器501包括六个单室MFC，六个单室MFC通过非金属板固定在壳体1的底端，具体地，非金属板可以为丙烯酸板606，并且丙烯酸板606的厚度可以为3mm，丙烯酸板606与壳体1的底端固定连接，在丙烯酸板606上设置有六个用于固定单室MFC的通孔608，并且在通孔608与单室MFC之间还设置有O型橡胶环，以避免水通过通孔608与单室MFC之间的缝隙进入到壳体1内部，保证了装置的密封性。

需要说明的是，MFC阳极505低于非金属板设置，即MFC阳极505位于丙烯酸板606的下方，以能够与水体接触。

本发明的可选实施例中，浮力调节系统还包括液压系统，液压系统包括设置在壳体1内的液压缸301、设置在壳体1外的浮力油囊605和用于驱动液压缸301动作的驱动模块3，浮力油囊605与液压缸301通过油管相连通，驱动模块3与控制系统4电连接，控制系统4通过控制驱动模块3驱动液压缸301动作来实现液压油在液压缸301和浮力油囊605之间的转移，调控壳体1的升降，从而调控本浮标装置的位置。具体地，驱动模块3可以包括电机组件，通过电机组件驱动液压缸301动作，来实现液压油的转移。此外，浮力调节系统还包括设置在油管上的液压阀，控制系统4与液压阀电连接，通过控制液压阀的状态和液压缸301的动作实现液压油从浮力油囊605向液压缸301的转移或从液压缸301向浮力油囊605的转移。

另外，本浮标装置还包括设置在壳体1上部的CTD传感器401，以用于测量水体的水质参数，比如水体的温度、电导率、压力等。CTD传感器401与控制系统4电连接，以便于将测得的数据传输给控制系统4，再由控制系统4通过通讯系统传输至地面监控中心。

在可选的实施例中，通讯系统包括位于壳体1内的通讯模块2和位于壳体1顶端的天线201，天线201与通讯模块2电连接，以便于接收和发送信号，通讯模块2与控制系统4电连接，以便于将接收的信号传输给控制系统4或将控制系统4内存储的数据传输给地面监控中心。

并且，控制系统4由控制算法和控制电路组成，控制系统4通过通讯系统接收到远程控制指令，选择装置运动的模式。通过CTD传感器401测量的温度、压力、电导率和浮标控制指令，使浮标装置达到预定状态，在运动中将所搭载CTD传感器401测量的数据、浮标状态信息、定位信息和MFC型BOD传感器501测得的BOD浓度进行存储，并通过通信系统发送至地面监控中心。

当本浮标装置位于在水面上处于收发信息状态时，控制系统4控制第一气压阀、第二气压阀和第三气压阀打开，并通过三个气压泵将装置内的气体排出并再次吸入新的空气，使得MFC阴极504有足够的氧气供应。同时通讯系统通过卫星双向通讯将CTD传感器401测量的数据、浮标状态信息、定位信息发送至地面监控中心，并接收地面监控中心发出的下一步控制指令；当开始执行控制指令状态时，通过CTD传感器401测量的温度、压力、电导率和浮标控制指令，计算当时装置的浮力，控制系统4控制液压系统进行排油或回油动作、外气囊601进行排气或回气动作，使浮标装置达到预定位置。在上浮或下潜的过程中，到达控制指令所设定的预定位置后，通过搭载的CTD传感器401、MFC型BOD传感器501对水体进行测量，并将测量的数据传输给控制系统4进行存储。同时MFC型BOD传感器501通过降解水体有机物所产生的电能经过电能处理器503后为电池充电，以使电池为整个装置稳定地供电；当在水体BOD浓度过低导致电量不足时则可以暂时使用备用电池502供电，实现对于整体装置不间断的电能供给以及实时定深监测水体BOD浓度的效果。

在可选的实施例中，壳体1右侧设置有一扇自上而下宽度为200mm的检修门102、以方便检修壳体1内的设备、仪器。此外，壳体1外部设置有防护罩101、防护罩101罩在外气囊601外，以用于保护外气囊601。壳体1可以为镂空的圆柱形结构，壳体1采用硼硅玻璃材质，具有热膨胀率低、不易破碎、抗压强度大、性价比高、永不腐蚀、无污染和不导电的优点；防护罩101的材质可以为聚乙烯材质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种监测水体生化需氧量的浮标装置，其特征在于，包括：

壳体；

通讯系统，设置在所述壳体上，所述通讯系统用于与地面监控中心通信；

浮力调节系统，设置在所述壳体上，所述浮力调节系统用于控制所述壳体升降；

控制系统，设置在所述壳体上，所述控制系统与所述通讯系统和所述浮力调节系统电连接；

电源管理系统，设置在所述壳体上，所述电源管理系统包括用于给所述控制系统供电的电池、用于给所述电池充电的MFC型BOD传感器和用于给所述MFC型BOD传感器的阴极供氧的供气机构，所述MFC型BOD传感器的阳极与水体相接触、以能够检测水体的BOD浓度；

其中，所述浮力调节系统包括：

外气囊，设置在所述壳体上，所述外气囊通过第一气管与外界大气相连通，所述第一气管上设置有第一气压阀、以用于控制所述第一气管的通断，且所述第一气压阀与所述控制系统电连接，所述控制系统通过控制所述第一气压阀的状态对所述外气囊充放气、以能够控制所述壳体的升降；

液压系统，包括设置在所述壳体内的液压缸、设置在所述壳体外的浮力油囊和用于驱动所述液压缸动作的驱动模块，所述浮力油囊与所述液压缸通过油管连通，所述驱动模块与所述控制系统电连接，所述控制系统能够通过控制所述驱动模块驱动所述液压缸动作来实现液压油在所述液压缸和所述浮力油囊之间的转移、以调控所述壳体的升降；

所述供气机构包括：

气管，用于连通外界大气与所述MFC型BOD传感器的阴极；所述气管与所述MFC型BOD传感器的阴极之间设置有气压泵；

气压阀，设置在所述气管上、用于控制所述气管的通断，所述气压阀与所述控制系统电连接；

壳体内腔，设置在所述壳体内，所述壳体内腔能够与所述外气囊和所述MFC型BOD传感器的阴极连通；

所述气管包括第二气管和第三气管，所述第二气管用于连通所述壳体内腔和所述外气囊，所述第三气管用于连通所述壳体内腔和所述MFC型BOD传感器的阴极；所述气压阀包括第二气压阀和第三气压阀，所述第二气压阀设置在第二气管上、以用于控制所述第二气管的通断，所述第三气压阀设置在所述第三气管上、以用于控制所述第三气管的通断；所述气压泵包括第二气压泵和第三气压泵，所述第二气压泵设置在所述壳体内腔和所述第二气管之间，所述第三气压泵设置在所述MFC型BOD传感器的阴极与所述第三气管之间。

2.根据权利要求1所述的监测水体生化需氧量的浮标装置，其特征在于，所述电源管理系统还包括用于处理所述MFC型BOD传感器发出的电能的电能处理器，所述电能处理器与所述MFC型BOD传感器和所述电池电连接。

3.根据权利要求1所述的监测水体生化需氧量的浮标装置，其特征在于，所述电源管理系统还包括备用电池，所述备用电池与所述控制系统电连接。

4.根据权利要求2所述的监测水体生化需氧量的浮标装置，其特征在于，所述MFC型BOD传感器包括多个固定在所述壳体底部的单室MFC，所述单室MFC包括陶瓷圆柱体、包裹在所述陶瓷圆柱体外壁上的MFC阳极和位于所述陶瓷圆柱体内的MFC阴极，所述MFC阳极与所述电能处理器的负极电连接，所述MFC阴极与所述电能处理器的正极电连接。

5.根据权利要求1所述的监测水体生化需氧量的浮标装置，其特征在于，还包括设置在所述壳体上部的CTD传感器，所述CTD传感器与所述控制系统电连接。

6.根据权利要求1所述的监测水体生化需氧量的浮标装置，其特征在于，所述通讯系统包括位于所述壳体内的通讯模块和位于所述壳体顶端的天线，所述天线与所述通讯模块电连接，所述通讯模块与所述控制系统电连接。

7.根据权利要求4所述的监测水体生化需氧量的浮标装置，其特征在于，多个所述单室MFC通过非金属板固定在所述壳体的底部，所述单室MFC的MFC阳极低于所述非金属板。

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