CN114648566A - 一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,包括选取真实树木,扫描真实树木获取树木点云数据,并根据树木的枝干点云数据信息重构树木的枝、干实体;获得以树木枝干—街道为体系的数值模拟网格;在网格上,耦合求解气流在街道内流动的质量、动量、湍流方程及污染物对流扩散方程,特别是根据树木树叶点云数据的分布求解树冠阻力源数学模型;最终得到真实树木影响下的污染物运移行为及污染物的空间分布。本发明由真实树木三维点云数据入手,解决树木枝干的提取与建模、树冠阻力源的准确映射等难点;建立真实树木—风—污染物扩散一体化数值模型,更加真实地预测树木影响下街道内的污染物的运移及分布。
Description
技术领域
本发明涉及树木对街道污染物运移影响技术领域,具体为一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法。
背景技术
街道两旁室内室外的气流特性及污染物分布影响着街道内工作、生活和居住人群的身体健康。树木作为街道中的重要绿色植物,对于调节街道内温度、净化空气起到重要的作用。
目前,树木影响下街道空气和污染物运移相关力学行为的研究集中于风洞试验、数值模拟及实地测量,其中数值模拟技术具有耗费资源少、获取信息量多等优点,越来越多的被用于预测树木影响下街道内污染物运移扩散行为。理论上来说,树木影响下街谷内污染物扩散是一个较为复杂的动力学行为,仅就单个树木而言,包括了树冠中树叶对气流的阻尼效应以及树木枝干对气流的剪切和阻碍效应,这些又导致污染物在城市街谷中的运移扩散存在着特殊性。此外,从树木的特征上来说,受树木遗传特性影响,树叶分布的非均匀性、非连续性以及树冠形状等因素也将导致城市街谷内气流流动和污染物扩散的差异化。这也就是说,数值模拟过程中,准确描述树木对气流的阻尼、阻碍效应是预测城市街道内污染物运移扩散的基础和关键。
现有专利CN201610589358.1,公开了一种街道峡谷机动车尾气污染物浓度估算系统,该系统可以由城市道路车流量、峡谷几何结构等数据,通过CFD数值模拟方法得到街道峡谷污染物扩散、分布情况,可操作性强;另外,本发明使得对城市各区域空气污染程度的监测变得更加机动灵活,方便绘制本地区空气污染浓度分布图,利于确定本区域内的重污染区、分析本区域内空气污染的原因,为制定本区域尾气污染治理措施提供科学合理的依据。但该技术主要研究的是道路车流量对街道峡谷污染物扩散的影响,并没有深入研究街道上的树木对街道峡谷污染物扩散的影响。
目前,树木影响下城市街谷风环境及污染物浓度的数值模拟研究,从树木表征方面来说主要存在如下难点:
真实树木外形有着明显特点且主要取决于树木的遗传特性,且树叶分布呈现着非均匀性和非连续性,现有数值模拟研究中树冠形态多假设为规则的圆或长方体;
且树冠中树叶存在着非连续性和非均匀性分布,而对整个树冠区域(多为长方体)加载均匀的植被层阻力源项无法反应这一特征;
最后,树木实体的枝干阻碍污染物的传播扩散,现有技术忽略了树木实体枝干对污染物的阻碍效应。
综上,现有技术在针对树木影响下的街道污染物运移模拟时,要么不考虑树木枝干实体对气流存在着阻滞和剪切效应,要么不考虑真实树木外形,缺乏模拟过程中对真实树木完整的进行准确刻画和表征。因此,需要一种研究城市街道内真实树木对污染物运移及污染物分布影响的模拟方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,由真实树木三维点云数据入手,解决树木枝干的提取与建模、树冠阻力源的准确映射等难点,进而得到真实树木对城市街谷污染物运移的影响,从健康角度为污染天气下的行人被动控制提供借鉴和指导。
本发明提供了一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,包括以下步骤:
扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据;
对所述树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶点云数据,根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据;
建立城市街道三维网格;
将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格,得到树木枝干—街道体系网格;
建立城市街道内的气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程;
根据枝叶点云数据,在所述树木枝干—街道体系网格内建立标记关系,并在标记的网格点上建立树叶对气流流动的阻力源辅助方程;
建立在真实树木影响下的污染物运移的对流扩散方程;
在所述树木枝干—街道体系网格中耦合求解所述气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程、所述树叶对气流流动的阻力源辅助方程、所述污染物运移的对流扩散方程,得到在真实树木影响下的污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。
优选的,所述扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据包括利用三维激光扫描仪分别以竖直模式和水平模式多站扫描真实树木得到树木三维点云数据。
优选的,在对所述树木三维点云数据进行分离之前,对树木三维点云数据进行处理,包括:
选取所述树木三维点云数据中的同名点云数据进行多站数据的匹配、拼接,并利用滤波器去除噪声点得到处理后的树木三维点云数据。
优选的,对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据包括:
依据处理后的所述树木三维点云数据中的局部点云的轴方向点云分布密度和主方向相似度对真实树木的结构进行区分,实现对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据;
所述根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据包括:
依据迪杰斯特拉算法计算得到所述枝干点云数据中所有点到根节点的最短路径,根据路径信息对所述枝干点云数据中的树木的枝、干点云数据进行水平集划分;
将每一水平集的点云拟合投影到相应的最优切平面,对该最优切平面上的所有投影点进行圆拟合,得到的拟合圆心为骨架点;
建立所述骨架点拓扑结构并生成骨架线;
以骨架线为轴心绘制广义圆柱体完成单个树木枝条的重建工作,生成树木的枝、干实体数据的STL文件。
优选的,所述建立城市街道三维网格包括:
建立街道物理模型,利用Gambit网格划分工具在该街道物理模型上进行网格划分;
通过设置网格划分的参数实现在该街道物理模型内生成六面体结构化的城市街道三维网格,所述参数包括网格数量、网格类型。
优选的,所述将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格,得到树木枝干—街道体系网格,包括:
将所述树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格中,得到树木枝干—街道物理模型;
采用OpenFOAM开源流体力学代码中的snappyHexMesh功能读取所述树木枝干—街道物理模型,对该树木枝干—街道物理模型通过设置网格划分的参数进行网格分裂,删除位于树木枝干内的网格,再根据树木枝干表面几何信息对齐网格点;
经多次循环迭代,控制该树木枝干—街道物理模型中的网格质量,增加边界层,得到树木枝干—街道体系网格。
优选的,所述根据枝叶点云数据,在树木枝干—街道体系网格内建立标记关系,包括:
读取所述枝叶点云数据并遍历该枝叶点云数据中的所有点,得到每个点云数据的三维位置信息;
遍历所述树木枝干—街道体系网格中的所有网格点,得到每个网格点的位置信息;
将所述枝叶点云数据的三维位置信息与所述网格点的位置信息进行一一映射;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算气流在流动过程中的动量守恒方程过程时,在动量守恒方程右侧加入植被层阻力源项表征树叶对气流的阻尼效应;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算湍动能方程时,在湍动能方程右侧加入由湍动能引起的源项表征对气流湍流的影响;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算湍动能耗散率方程时,在湍动能耗散率方程右侧加入由湍动能耗散率引起的源项表征对气流湍流的影响。
优选的,所述气流在流动过程中的质量守恒方程为:
所述气流在流动过程中的动量守恒方程为:
上述(1)、(2)式分别采用张量表示法;
式中,下标i和j为求和约定标记;
u为速度;
p为压力;
δij为分子粘度引起的应力张量;
μ为运动粘度;
Su为植被层阻力源项,其表达式为:
Su=-pCdLAD|u|uj (3)
式中Cd为阻力系数;
u为速度;
ui为第i方向的速度分量;
当气流在气流流动过程中雷诺数超过了2300,则气流的流动类型为湍流,采用标准k-ε方程对湍流进行数值模拟,其中湍动能方程为:
式中k为湍动能;
μt为运动粘度;
Gk为湍动能产生项;
σk为与湍动能相关的普朗特数;
ε为湍动能耗散率;
Sk表示由湍动能引起的源项,其表达式为:
Sk=pCdLAD(βp|u|3-βd|u|k) (5)
式中βp为无量纲常数;
βd为阻力引起的平均动能转化为湍流动能的分率;
湍动能耗散率方程为:
式中ε为湍动能耗散率;
Cε1和Cε2为无量纲常数;
σε为与湍动能耗散率相关的普朗特数;
Sε表示由湍动能耗散率引起的源项,其表达式为:
式中ε为湍动能耗散率;
Cε4和Cε5为无量纲常数。
优选的,所述污染物运移的对流扩散方程为:
式中C为污染物浓度;
D为分子扩散系数;
Dt为湍流扩散系数;
S为污染物源项;
Ssink代表污染物被清除的源项;
Sresuspension代表污染物再悬浮引起的源项。
优选的,根据气流的流动类型,依据有限体积方法,基于方程(1)-(8),进行耦合求解,获得真实树木影响下污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
本发明由真实树木三维点云数据入手,解决树木枝干的提取与建模、树冠阻力源的准确映射等难点;进而得到真实树木对城市街谷污染物运移的影响,从健康角度为污染天气下的行人被动控制提供借鉴和指导。
针对树木影响下的街道污染物运移模拟过程,建立真实树木—风—污染物扩散一体化数值模型,更加真实地预测污染物的运移及分布。
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为本发明提出的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法的原理流程图;
图2为本发明实施例中樟树的三维点云数据及提取得到的樟树的实体枝、干结构图;
图3为本发明实施例中樟树顶部部分树冠在树木枝干—街道体系网格中的三维映射表征图及二维映射表征图。
具体实施方式
下面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、完整的描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例
如图1-2所示,一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,包括:
步骤1:扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据,具体包括以下步骤:
步骤1.1:选取真实树木,采用RIEGLVZ-400型地面三维激光扫描仪分别以竖直模式和水平模式多站扫描真实树木得到树木三维点云数据;
步骤1.2:在对树木三维点云数据进行分离之前,对树木三维点云数据进行处理,包括:对树木三维点云数据进行处理包括采用RIEGL配套软件手动选取树木三维点云数据中的同名点云数据进行多站数据的匹配、拼接,并利用滤波器去除噪声点得到处理后的树木三维点云数据。
本实施例中选取樟树进行三维激光扫描得到樟树的三维点云数据,如图2(a)中所示。
步骤2:对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶点云数据,根据枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据,具体包括:
步骤2.1:依据处理后的树木三维点云数据中的局部点云的轴方向点云分布密度和主方向相似度对真实树木的结构进行区分,实现对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据。
步骤2.2:依据迪杰斯特拉算法计算得到枝干点云数据中所有点到根节点的最短路径,根据路径信息对枝干点云数据中的树木的枝、干点云数据进行水平集划分;将每一水平集的点云拟合投影到相应的最优切平面,对该最优切平面上的所有投影点进行圆拟合,得到的拟合圆心为骨架点;建立骨架点拓扑结构并生成骨架线;以骨架线为轴心绘制广义圆柱体完成单个树木枝条的重建工作,生成树木的枝、干实体数据的STL文件。
依据上述处理步骤,本实施例中对樟树的枝干进行提取得到如图2(b)所示樟树的实体枝、干结构。
步骤3:建立城市街道三维网格,具体包括:
建立街道物理模型,利用Gambit网格划分工具在该街道物理模型上进行网格划分,通过设置网格划分的参数实现在该街道物理模型内生成六面体结构化的城市街道三维网格,参数包括网格数量、网格类型。
步骤4:将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格,得到树木枝干—街道体系网格,具体包括:
将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格中,得到树木枝干—街道物理模型;
采用OpenFOAM开源流体力学代码中的snappyHexMesh功能读取树木枝干—街道物理模型,对该树木枝干—街道物理模型通过设置网格划分的参数进行网格分裂,删除位于树木枝干内的网格,再根据树木枝干表面几何信息对齐网格点;
经多次循环迭代,控制该树木枝干—街道物理模型中的网格质量,增加边界层,得到树木枝干—街道体系网格。
图2(b)中的樟树的实体枝、干结构可以实现树木枝干—街道体系网格的网格划分。
本发明基于的OpenFOAM开源流体力学代码为开展过多项数学模型的开发。在树冠阻力源映射数值模型方面,本实施例中,图3(a)为樟树顶部部分树冠在树木枝干—街道体系网格中的三维映射表征,图3(b)为樟树顶部部分树冠在树木枝干—街道体系网格中的二维映射表征。
申请人基于樟树树冠顶部的部分点云数据,实现了在长方体树木枝干—街道体系网格内的空间信息一一映射。这也意味着,只要在映射的网格上求解动量方程时考虑阻力源项,就能够实现树冠精细特征对空气的阻尼效应表征。
步骤5:建立城市街道内的气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程。
步骤6:根据枝叶点云数据,在树木枝干—街道体系网格内建立标记关系,并在标记的网格点上建立树叶对气流流动的阻力源辅助方程,具体包括:
步骤6.1:读取枝叶点云数据并遍历该枝叶点云数据中的所有点,得到每个点云数据的三维位置信息;
步骤6.2:遍历树木枝干—街道体系网格中的所有网格点,得到每个网格点的位置信息;
步骤6.3:将枝叶点云数据的三维位置信息与网格点的位置信息进行一一映射;
步骤6.4:对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算气流在流动过程中的动量守恒方程过程时,在动量守恒方程右侧加入植被层阻力源项表征树叶对气流的阻尼效应;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算湍动能方程时,在湍动能方程右侧加入由湍动能引起的源项表征对气流湍流的影响;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算湍动能耗散率方程时,在湍动能耗散率方程右侧加入由湍动能耗散率引起的源项表征对气流湍流的影响。
根据步骤6可得到步骤5中:
气流在流动过程中的质量守恒方程为:
气流在流ε动过程中的动量守恒方程为:
上述(1)-(2)式分别采用张量表示法;
式中,下标i和j为求和约定标记;
u为速度;
p为压力;
δij为分子粘度引起的应力张量;
μ为运动粘度;
Su为植被层阻力源项,其表达式为:
Su=-pCdLAD|u|ui (3)
式中Cd为阻力系数;
u为速度;
ui为第i方向的速度分量;
当气流在气流流动过程中雷诺数超过了2300,则气流的流动类型为湍流,采用标准k-ε方程对湍流进行数值模拟,其中湍动能方程为:
式中k为湍动能;μt为运动粘度;
Gk为湍动能产生项;
σk为与湍动能相关的普朗特数;
ε为湍动能耗散率;
Sk表示由湍动能引起的源项,其表达式为:
Sk=pCdLAD(βp|u|3-βd|u|k) (5)
式中βp为无量纲常数;
βd为阻力引起的平均动能转化为湍流动能的分率;
湍动能耗散率方程为:
式中ε为湍动能耗散率;
Cε1和Cε2为无量纲常数;σε为与湍动能耗散率相关的普朗特数;
Sε表示由湍动能耗散率引起的源项,其表达式为:
式中ε为湍动能耗散率;
Cε4和Cε5为无量纲常数。
步骤7:建立在真实树木影响下的污染物运移的对流扩散方程,
污染物运移的对流扩散方程的表达式为:
式中C为污染物浓度;
D为分子扩散系数;
Dt为湍流扩散系数;
S为污染物源项;
Ssink代表污染物被清除的源项;
Sresuspension代表污染物再悬浮引起的源项。
步骤8:在树木枝干—街道体系网格中耦合求解气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程、树叶对气流流动的阻力源辅助方程、污染物运移的对流扩散方程,得到在真实树木影响下的污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。具体根据气流的流动类型,依据有限体积方法,基于方程(1)-(8),进行耦合求解,获得真实树木影响下污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。
最后说明的是:以上公开的仅为本发明的一个具体实施例,但是,本发明实施例并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据;
对所述树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶点云数据,根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据;
建立城市街道三维网格;
将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格,得到树木枝干—街道体系网格;
建立城市街道内的气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程;
根据枝叶点云数据,在所述树木枝干—街道体系网格内建立标记关系,并在标记的网格点上建立树叶对气流流动的阻力源辅助方程;
建立在真实树木影响下的污染物运移的对流扩散方程;
在所述树木枝干—街道体系网格中耦合求解所述气流在流动过程中的质量守恒方程和动量守恒方程、所述树叶对气流流动的阻力源辅助方程、所述污染物运移的对流扩散方程,得到在真实树木影响下的污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。
2.根据权利要求1所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:所述扫描城市街道的真实树木获取树木三维点云数据包括利用三维激光扫描仪分别以竖直模式和水平模式多站扫描真实树木得到树木三维点云数据。
3.根据权利要求2所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:在对所述树木三维点云数据进行分离之前,对树木三维点云数据进行处理,包括:
选取所述树木三维点云数据中的同名点云数据进行多站数据的匹配、拼接,并利用滤波器去除噪声点得到处理后的树木三维点云数据。
4.根据权利要求3所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据包括:
依据处理后的所述树木三维点云数据中的局部点云的轴方向点云分布密度和主方向相似度对真实树木的结构进行区分,实现对处理后的树木三维点云数据进行分离得到枝干点云数据及枝叶的点云数据;
所述根据所述枝干点云数据重构树木的枝、干实体数据包括:
依据迪杰斯特拉算法计算得到所述枝干点云数据中所有点到根节点的最短路径,根据路径信息对所述枝干点云数据中的树木的枝、干点云数据进行水平集划分;
将每一水平集的点云拟合投影到相应的最优切平面,对该最优切平面上的所有投影点进行圆拟合,得到的拟合圆心为骨架点;
建立所述骨架点拓扑结构并生成骨架线;
以骨架线为轴心绘制广义圆柱体完成单个树木枝条的重建工作,生成树木的枝、干实体数据的STL文件。
5.根据权利要求4所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:所述建立城市街道三维网格包括:
建立街道物理模型,利用Gambit网格划分工具在该街道物理模型上进行网格划分;
通过设置网格划分的参数实现在该街道物理模型内生成六面体结构化的城市街道三维网格,所述参数包括网格数量、网格类型。
6.根据权利要求5所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:所述将树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格,得到树木枝干—街道体系网格,包括:
将所述树木的枝、干实体数据结合到城市街道三维网格中,得到树木枝干—街道物理模型;
采用OpenFOAM开源流体力学代码中的snappyHexMesh功能读取所述树木枝干—街道物理模型,对该树木枝干—街道物理模型通过设置网格划分的参数进行网格分裂,删除位于树木枝干内的网格,再根据树木枝干表面几何信息对齐网格点;
经多次循环迭代,控制该树木枝干—街道物理模型中的网格质量,增加边界层,得到树木枝干—街道体系网格。
7.根据权利要求6所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:所述根据枝叶点云数据,在树木枝干—街道体系网格内建立标记关系,包括:
读取所述枝叶点云数据并遍历该枝叶点云数据中的所有点,得到每个点云数据的三维位置信息;
遍历所述树木枝干—街道体系网格中的所有网格点,得到每个网格点的位置信息;
将所述枝叶点云数据的三维位置信息与所述网格点的位置信息进行一一映射;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算气流在流动过程中的动量守恒方程过程时,在动量守恒方程右侧加入植被层阻力源项表征树叶对气流的阻尼效应;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算湍动能方程时,在湍动能方程右侧加入由湍动能引起的源项表征对气流湍流的影响;
对于映射到的网格上的枝叶点云数据,在计算湍动能耗散率方程时,在湍动能耗散率方程右侧加入由湍动能耗散率引起的源项表征对气流湍流的影响。
8.根据权利要求7所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:所述气流在流动过程中的质量守恒方程为:
所述气流在流动过程中的动量守恒方程为:
上述(1)、(2)式分别采用张量表示法;
式中,下标i和j为求和约定标记;
u为速度;
p为压力;
δij为分子粘度引起的应力张量;
μ为运动粘度;
Su为植被层阻力源项,其表达式为:
Su=-pCdLAD|u|ui (3)
式中Cd为阻力系数;
u为速度;
ui为第i方向的速度分量;
当气流在气流流动过程中雷诺数超过了2300,则气流的流动类型为湍流,采用标准k-ε方程对湍流进行数值模拟,其中湍动能方程为:
式中k为湍动能;
μt为运动粘度;
Gk为湍动能产生项;
σk为与湍动能相关的普朗特数;
ε为湍动能耗散率;
Sk表示由湍动能引起的源项,其表达式为:
Sk=pCdLAD(βp|u|3-βd|u|k) (5)
式中βp为无量纲常数;
βd为阻力引起的平均动能转化为湍流动能的分率;
湍动能耗散率方程为:
式中ε为湍动能耗散率;
Cε1和Cε2为无量纲常数;
σε为与湍动能耗散率相关的普朗特数;
Sε表示由湍动能耗散率引起的源项,其表达式为:
式中ε为湍动能耗散率;
Cε4和Cε5为无量纲常数。
10.根据权利要求9所述的一种真实树木对街道污染物运移影响的模拟方法,其特征在于:根据气流的流动类型,依据有限体积方法,基于方程(1)-(8),进行耦合求解,获得真实树木影响下污染物的运移过程及污染物在街道内的空间分布。
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罗昔联: "《树冠特征对城市街谷内流场及污染物扩散 影响的数值模拟研究》" * |
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