CN115180003A - 一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元和冗余系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元和冗余系统，该电子执行单元包括正常编码电路、主备切换电路和故障控制电路，以及至少一路开关组合；基于该电子执行单元，本发明提供了两种冗余系统，每种冗余系统都包括I系模块、II系模块、I系发送器和II系发送器，两种冗余系统虽然细节上有差别，但都能形成正常编码回路和故障安全编码回路。本发明两种冗余系统工作时两系模块均上电，主系模块根据联锁控制下发的命令，由正常编码回路输出编码条件；两系均故障后，由两系故障安全编码电路串联输出编码条件，解决了现有技术中两系故障后没有导向安全编码的问题。

Description

一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元 和冗余系统

技术领域

本发明涉及铁路信号自动控制技术领域，尤其涉及一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元和冗余系统。

背景技术

电码化电子执行单元是一种铁路信号自动控制系统中，将列车控制系统的移频编码信号传输给列车的电子控制装置。铁路信号故障导向安全定义是“结合在产品设计内的一种观念，即发生失效事件时产品导向或维持在安全状态”，具体到编码电路，其在发生失效事件时的安全状态是通过轨道向列车发送红码或红黄码（F1/F3）等安全编码信息。

电子执行单元系统结构分为单系和两系并联冗余系统，电子执行单元系统大部分是单系运行，单系设备具备故障导向安全功能，只是实现的方法不同，两系并联冗余系统是近几年才开始应用和实施。

单系电子执行单元故障导向安全编码方案：国际企业列车控制轨道移频信号的发码基本上是采用继电器编码或通信编码。国内普速铁路列车控制移频信号大部分采用继电器编码，电码化电子执行单元应用较少，而且基本上是单系运行，单系故障后，切断正常编码输出电路使移频发送器从正常编码转向安全编码。故障的电子执行单元需人工更换后，才能继续正常控制车列运行工作。高速铁路采用联锁系统或列车控制系统，通过通信总线传输给列车信号发送器及冗余系统，编码功能、信号发送和轨道电路功能一体化（没有采用电码化电子执行单元），两系相互冗余，双系故障时停止发码。

两系电码化电子执行单元（简称，模块）正常编码方案：冗余系统生产企业目前主要是国内企业，有铁道科学研究院、卡斯可信号公司、铁路通信信号公司和本公司兰州大成科技等企业，本公司已经实现两系电码化电子执行单元正常编码，参考图1，但在方案中两系故障后，虽然切断输出使发送器不编码，但存在没有导向安全编码的问题。也未见其它公司模块两系故障的安全编码方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元和冗余系统，以解决两系故障后没有导向安全编码的问题。

为解决上述问题，本发明所述的一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元，该电子执行单元包括：正常编码电路、主备切换电路和故障控制电路，以及至少一路开关组合；每路开关组合包括正常编码开关、主备控制开关和故障安全编码开关，并且在每路开关组合中，所述正常编码开关与所述主备控制开关串联，串线前端和串线后端均为可连接端，所述故障安全编码开关的两端均为可连接端；所述正常编码电路用于：在本系正常且为主系时，根据联锁控制命令断开或闭合本系所有所述正常编码开关；所述主备切换电路用于：在本系为主系时闭合本系所有所述主备控制开关，在本系为备系时断开本系所有所述主备控制开关；所述故障控制电路用于：在本系正常时断开本系所有所述故障安全编码开关，在本系故障时闭合本系所有所述故障安全编码开关。

优选的，还包括与所述正常编码电路、主备切换电路和故障控制电路均相连的CPU，并且该CPU与联锁控制相连。

本发明还提供了一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统，该冗余系统包括I系模块、II系模块、I系发送器、II系发送器，所述I系模块和所述II系模块均为权利要求1所述的电子执行单元，并且每个所述电子执行单元中包含A、B两路开关组合；本系的A、B两路串线分别通过相应的可连接端与所述I系发送器、所述II系发送器相连，分别形成A、B两路正常编码回路；本系的A路故障安全编码开关通过相应的可连接端与他系的B路故障安全编码开关串联，然后与本系的发送器相连，形成A路故障安全编码回路；本系的B路故障安全编码开关通过相应的可连接端与他系的A路故障安全编码开关串联，然后与他系的发送器相连，形成B路故障安全编码电路。

优选的，所述本系的A、B两路串线分别通过相应的可连接端与所述I系发送器、所述II系发送器相连，包括：本系的A路串线的可连接端直接与本系的发送器相连，本系的B路串线的可连接端经由他系的A路串线的可连接端与他系的发送器相连。

此外，本发明还提供了另一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统，该冗余系统包括I系模块、II系模块、I系发送器、II系发送器，所述I系模块和所述II系模块均为权利要求1所述的电子执行单元，并且每个所述电子执行单元中至少包含A路开关组合，所述I系发送器和II系发送器并联使用；I系、II系模块的A路串线通过相应的可连接端并联后，与并联的发送器相连；I系、II系模块的A路故障安全编码开关通过相应的可连接端串联后，也与并联的发送器相连。

基于本发明特定的电子执行单元，本发明提出了两种冗余系统，这两种冗余系统均具有以下优点：

1、两系模块均故障时，由两系故障安全编码电路串联共同导向安全编码，使移频发送器继续工作；只要有一系模块正常，由主系模块与移频发送器连接完成正常编码功能及故障导向安全编码功能；其中一系故障，不会影响系统正常编码功能，无需立刻进行人工更换模块，不影响车列正常运行工作，适用于无人值守站应用；而且，在两系模块均故障且两系移频发送器其中一系也故障时，也能导向安全编码；仅模块故障时，移频发送器报警继电器FBJ不会落下，明显区分是模块故障还是移频发送器故障，便于现场人员准确判断设备状态及维护。

2、本发明方案不局限于安全编码为红码、红黄码的电路，也适用于其他安全编码信息电路或实际需求某种频率或非频率信息使用上述方案实现。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为现有技术中两系电码化电子执行单元正常编码方案。

图2为本发明实施例提供的用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统的一种电路结构图。

图3为本发明实施例提供的用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统的另一种电路结构图。

具体实施方式

实施例1 电子执行单元

参考图2，本发明实施例提供一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元，以I系模块10为例，该电子执行单元包括：正常编码电路12-1、主备切换电路15-1和故障控制电路14-1，以及至少一路开关组合。为便于阐述，本实施例的以下内容以I系模块10、具有A、B两路开关组合为例，进行说明。

在实际应用中，上述电子执行单元还包括与正常编码电路12-1、主备切换电路15-1和故障控制电路14-1均相连的CPU11；CPU11可以是单处理器，也可以是两个处理器二取二电路组合，主要用于对这三个电路进行控制。CPU11与联锁控制16相连，联锁控制16用于下发编码命令。

本申请中，同系中的各路开关组合相互独立，每路开关组合包括正常编码开关、主备控制开关和故障安全编码开关。这些开关为电子开关或继电器接点等实现开关功能的器件，不限制类型，其开闭由各自的控制电路控制实现。

在每路开关组合中，正常编码开关与主备控制开关串联，串线前端和串线后端均为可连接端，故障安全编码开关的两端均为可连接端。其中，可连接端的含义是指：视需求确定是否要与其它可连接端或者其它器件进行连接，有需求就连接，没需求就空置。比如，图2中，A路故障安全编码开关14-2的前端A1和后端D1均为可连接端；B路故障安全编码开关14-3的前端与B路串线前端N1汇合，后端G1为可连接端。

此外，考虑到在实际应用中，电子执行单元是以一个整体对外进行连接和功能实现的，因此，在某种特定应用场景下，如果存在同一电子执行单元内、有两个可连接端需要连接，则可以在出厂时就将这两个可连接端在电子执行单元内部预先连接好，这样可以减少在进行冗余系统组装的时候的连线工作，比如在图2中，就可以把A1和E1在电子执行单元内部预先连接好。

上述正常编码电路12-1用于：在本系正常且为主系时，CPU11收到联锁控制16下发的编码命令后，控制A路、B路正常编码开关（12-2、12-3）断开或闭合。

上述主备切换电路15-1用于：在本系为主系时，闭合A路、B路主备控制开关（15-2、15-3），在本系为备系时，断开A路、B路主备控制开关（15-2、15-3）。在本系故障且为主系时，将本系从主系转为备系，在他系故障且本系正常时，将本系从备系转为主系。可以理解的是，在两系并联冗余系统中，用于实现I系模块10、II系模块20成为主系、备系的切换功能：两系模块正常时，最终一个为主系，一个为备系（正常备系）；一系正常一系故障时，两系CPU控制主备切换，最终一个为主系，一个为备系（故障备系）；两系均故障时，两系CPU控制主备切换，最终两系均为备系（故障备系）。其中，未上电状态归属于“故障”状态。

上述故障控制电路14-1用于：在本系正常时，断开A路、B路故障安全编码开关（14-2、14-3），在本系故障时，闭合A路、B路故障安全编码开关（14-2、14-3）。

基于实施例1公开的电子执行单元，本发明提供了两种冗余系统，每种冗余系统都包括I系模块、II系模块、I系发送器和II系发送器，两种冗余系统虽然细节上有差别，但宏观的工作原理一样：系统工作时两系模块均上电，主系模块根据联锁控制下发的命令，由I系模块（或II系模块）正常编码回路输出编码条件；两系均故障后，由两系故障安全编码回路串联输出编码条件，进而解决现有技术中两系故障后没有导向安全编码的问题。以下内容通过实施例2和实施例3分别对这两种冗余系统进行说明。

实施例2 冗余系统I

仍然参考图2，本申请一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统包括I系模块10、II系模块20、I系发送器、II系发送器；I系模块和II系模块均为上述实施例1公开的电子执行单元（具体为包含A、B两路开关组合的电子执行单元）。

I系发送器和II系发送器均为移频发送器，也称编码发送器，由模块输出编码条件，使发送器工作并生成F1（红码紧急停车码）或F3（红黄码目标停车码）频率编码信息，不同调制频率代表不同速度定义，经过发送器功率放大后传输到钢轨形成的电流信号，列车通过设在钢轨上方的传感器接收频率信号控制列车运行。

本实施例中，发送器采用1+1或N+1冗余模式，图示为1+1冗余模式，I系发送器和II系发送器为一主用一备用，单系模块有两路编码开关分别与I系、II系发送器连接，双系模块有四路编码开关与I系、II系发送器交叉并联连接。

同系模块中，A、B两路串线分别通过相应的可连接端与I系发送器、II系发送器相连，分别形成A、B两路正常编码回路。具体地，以I系模块10为例（II系模块20同理），I系的A路串线的可连接端E1、C1直接与I系发送器相连，形成A路正常编码回路，I系的B路串线的可连接端H1、N1经由II系的A路串线的可连接端E2、C2与II系发送器相连，形成B路正常编码回路。

在不同系模块之间，本系的A路故障安全编码开关通过相应的可连接端与他系的B路故障安全编码开关串联，然后与本系的发送器相连，形成A路故障安全编码回路；本系的B路故障安全编码开关通过相应的可连接端与他系的A路故障安全编码开关串联，然后与他系的发送器相连，形成B路故障安全编码电路。

具体地，仍然以I系模块10为例（II系模块20同理），I系的A路故障安全编码开关14-2和II系的B路故障安全编码开关24-3通过可连接端D1、G2串联，然后串线前端A1经由E1与I系发送器的24V+相连，串线后端B2经由II系B路串线的可连接端N2、I系A路串线的可连接端C1与I系发送器的F1/F3相连，形成A路故障安全编码回路。I系的B路故障安全编码开关14-3和II系的A路故障安全编码开关24-2通过可连接端G1、D2串联，然后串线前端B1经由N1、C2与II系发送器的F1/F3相连，串线后端A2经由E2与II系发送器的24V+相连，形成B路故障安全编码回路。

从上述内容可以看出，图2所述冗余系统构成了四组编码回路，具体为：

（1）I系发送器的24V+连接E1、15-2、12-2、C1，回到本系发送器的F1/F3，此回路为I系模块10的A路正常编码回路（I系A路正常编码回路，I系发送器工作）；II系发送器的24V+连接E2、H1、15-3、12-3、N1、C2，回到本系发送器的F1/F3，此回路为I系模块10的B路正常编码回路（I系B路正常编码回路，II系发送器工作）。

（2）同理，II系发送器的24V+连接E2、25-2、22-2、C2，回到本系发送器的F1/F3，此回路为II系模块20的A路正常编码回路（II系A路正常编码回路，II系发送器工作）；I系发送器的24V+连接E1、H2、25-3、22-3、N2、C1，回到本系发送器的F1/F3，此回路为II系模块20的B路正常编码回路（II系B 路正常编码回路，I系发送器工作）。

（3）I系发送器的24V+连接E1、A1、14-2、D1、G2、24-3、B2、N2、C1，回到本系发送器的F1/F3，此回路为与I系发送器构成的故障安全编码回路（图中粗虚线回路），I系发送器工作。

（4）II系发送器的24V+连接E2、A2、24-2、D2、G1、14-3、B1、N1、C2，回到本系发送器的F1/F3，此回路为与II系发送器构成的故障安全编码回路（图中细虚线回路），II系发送器工作。

基于上述内容，以下内容对实施例1冗余系统的工作原理进行分情况介绍。

（1）两系模块上电开机前及两系发送器正常时

两系模块关机未上电（故障状态），I系正常编码开关12-2、12-3断开，主备控制开关15-2、15-3断开，II系正常编码开关22-2、22-3断开，主备控制开关25-2、25-3断开；I系、II系的故障安全编码开关14-2、14-3、24-2、24-3闭合，故障安全编码开关14-2、24-3与I系发送器构成的故障安全编码回路接通，24V+经过E1、A1、14-2、D1、G2、24-3、B2、N2、C1回到F1/F3，在I系发送器上电且正常的情况下，通过该回路进行安全编码。同理，故障安全编码开关24-2、14-3与II系发送器构成的故障安全编码回路接通，24V+经过E2、A2、24-2、D2、G1、14-3、B1、N1、C2回到F1/F3，在II系发送器上电且正常的情况下，通过该回路进行安全编码。

（2）单系模块单独上电或I系正常II系故障及两系发送器正常时

以I系模块单独上电或I系正常II系故障为例，II系模块20未上电或故障，正常编码开关22-2、22-3断开，主备控制开关25-2、25-3断开，故障安全编码开关24-2、24-3闭合；此时，两个虚线回路因为14-2、14-3断开，回路断开，不能通过此回路进行安全编码。

I系模块10为主系，故障安全编码开关14-2、14-3断开，主备控制开关15-2、15-3闭合，正常编码开关12-2、12-3根据联锁命令断开或闭合。正常编码开关12-2闭合后，I系A路正常编码回路接通，I系发送器进行正常安全编码；同时，正常编码开关12-3闭合后，I系B路正常编码回路接通，II系发送器进行正常安全编码。

（3）两系模块同时或先后上电及两系发送器正常时

由两系模块的主备切换电路控制其中一系为主系、另一系为备系，形成主备工作模式，以I系模块10为主系，II系模块20为备系举例：I系模块10为主系，故障安全编码开关14-2、14-3断开，主备控制开关15-2、15-3闭合，正常编码开关12-2、12-3根据联锁命令断开或闭合；II系模块20为备系，正常编码开关22-2、22-3断开、主备控制开关25-2、25-3断开、故障安全编码开关24-2、24-3断开。此时，两个虚线回路因为14-2、14-3、24-2、24-3断开，回路断开，不能通过此回路进行安全编码。

I系发送器的24+连接至E1、15-2、12-2，根据联锁命令闭合12-2后，I系A路正常编码回路接通，I系发送器进行正常安全编码。同时，II系发送器的24+连接至E2、H1、15-3、12-3，根据联锁命令闭合12-3后，I系B路正常编码回路接通，II系发送器进行正常安全编码。

（4）主系转为故障、备系也转为故障及两系发送器正常时

两系模块均故障，I系主备控制开关15-2、15-3断开，II系主备控制开关25-2、25-3断开，I系故障安全编码开关14-2、14-3闭合、II系故障安全编码24-2、24-3闭合；与I系发送器构成的故障安全编码回路接通，24V+经过E1、A1、14-2、D1、G2、24-3、B2、N2、C1回到F1/F3，在I系发送器上电且正常的情况下，通过该回路进行安全编码。同理，与II系发送器构成的故障安全编码回路接通，24V+经过E2、A2、24-2、D2、G1、14-3、B1、N1、C2回到F1/F3，II系发送器上电且正常的情况下，通过该回路进行安全编码。

（5）两系发送器其中一系故障时

由于上述（1）-（4）四种情况下的每一种情况下都有两条回路接通，两条接通回路分别对应I系发送器、II系发送器工作，因此，其中一系发送器故障时也能导向安全编码，尤其是在两系模块均故障且两系移频发送器其中一系发送器也故障时，也能导向安全编码。

实施例3 冗余系统II

参考图3，本申请另一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统包括I系模块10、II系模块20、I系发送器、II系发送器；I系模块和II系模块均为上述实施例1公开的电子执行单元（具体为至少包含A路开关组合的电子执行单元），并且在本实施例中，I系发送器、II系发送器并联使用，I系模块10、II系模块20与两个发送器之间编码只有一个连接端口，即图3的C1、E1与发送器F1/F3、24+连接。

I系、II系模块的A路串线通过相应的可连接端并联后，与并联的发送器相连；I系、II系模块的A路故障安全编码开关通过相应的可连接端串联后，也与并联的发送器相连。B路故障安全编码电路悬空，不使用。

这里需要说明的是，虽然图3中电子执行单元包含A、B两路开关组合，但是，从后文介绍可以看出，其中一路开关组合（B路）是闲置的。因此，在实际制造过程中，如果确定长期使用本实施例冗余系统应用场景，可以在预制电子执行单元的时候只设置一路开关组合，避免资源闲置、白费成本。

以下内容对实施例3冗余系统的工作原理进行分情况介绍。

（1）两系模块上电开机前及两系发送器正常时

两系模块关机未上电（故障状态），I系正常编码开关12-2断开，主备控制开关15-2断开，II系正常编码开关22-2断开，主备控制开关25-2断开；I系、II系的故障安全编码开关14-2、24-2闭合，故障安全编码开关14-2、24-2与并联的I、II系发送器构成的故障安全编码回路接通，24V+经过E1、A1、14-2、D1、D2、24-2、A2、C2、C1回到F1/F3，在I或II系发送器上电且正常的情况下，通过该回路进行安全编码。

（2）单系模块单独上电或I系正常II系故障及两系发送器正常时

以I系模块单独上电或I系正常II系故障为例，II系模块20未上电或故障，正常编码开关22-2断开，主备控制开关25-2断开，故障安全编码开关24-2闭合；此时，虚线回路因为14-2断开，回路断开，不能通过此回路进行安全编码。

I系模块10为主系，故障安全编码开关14-2断开，主备控制开关15-2闭合，正常编码开关12-2根据联锁命令断开或闭合。正常编码开关12-2闭合后，I系A路正常编码回路接通，发送器进行正常安全编码。

（3）两系模块同时或先后上电及两系发送器正常时

由两系模块的主备切换电路控制其中一系为主系、另一系为备系，形成主备工作模式，以I系模块10为主系，II系模块20为备系举例：I系模块10为主系，故障安全编码开关14-2断开，主备控制开关15-2闭合，正常编码开关12-2根据联锁命令断开或闭合；II系模块20为备系，正常编码开关22-2断开、主备控制开关25-2断开、故障安全编码开关24-2断开。此时，虚线回路因为14-2、24-2、断开，回路断开，不能通过此回路进行安全编码。

并联后的I、II系发送器的24+连接至E1、15-2、12-2，根据联锁命令闭合12-2后，I系A路正常编码回路接通，发送器进行正常安全编码。同时，II系模块的C2、E2连接至C1、E1，再与发送器连接，因为II系模块为备系，正常编码开关22-2、主备控制开关25-2断开，II系A路正常编码回路断开，不能通过此回路进行安全编码。

（4）主系转为故障、备系也转为故障及两系发送器正常时

两系模块均故障，I系主备控制开关15-2断开，II系主备控制开关25-2断开，I系故障安全编码开关14-2闭合、II系故障安全编码24-2闭合；与并联的I、II系发送器构成的故障安全编码回路接通，24V+经过E1、A1、14-2、D1、D2、24-3、A2、C2、C1回到F1/F3，在I或II系发送器上电且正常的情况下，通过该回路进行安全编码。

（5）两系发送器其中一系故障时

由于上述（1）-（4）四种情况下的每一种情况下都有回路与发送器接通，接通回路对应并联的I、II系发送器工作，因此，其中一系发送器故障时也能导向安全编码，尤其是在两系模块均故障且两系发送器其中一系发送器也故障时，也能导向安全编码。

本申请以上内容，通过实施例2和实施例3，分别对冗余系统I和冗余系统II的结构和原理进行了说明。下表对这两种冗余系统的区别点以及适用情况进行说明，具体使用哪种冗余系统，本领域普通技术人员可参考这些内容和结合实际情况进行选定。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的电子执行单元，其特征在于，该电子执行单元包括：

正常编码电路、主备切换电路和故障控制电路，以及至少一路开关组合；每路开关组合包括正常编码开关、主备控制开关和故障安全编码开关，并且在每路开关组合中，所述正常编码开关与所述主备控制开关串联，串线前端和串线后端均为可连接端，所述故障安全编码开关的两端均为可连接端；

所述正常编码电路用于：在本系正常且为主系时，根据联锁控制命令断开或闭合本系所有所述正常编码开关；

所述主备切换电路用于：在本系为主系时闭合本系所有所述主备控制开关，在本系为备系时断开本系所有所述主备控制开关；

所述故障控制电路用于：在本系正常时断开本系所有所述故障安全编码开关，在本系故障时闭合本系所有所述故障安全编码开关。

2.如权利要求1所述的电子执行单元，其特征在于，还包括与所述正常编码电路、主备切换电路和故障控制电路均相连的CPU，并且该CPU与联锁控制相连。

3.一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统，其特征在于，该冗余系统包括I系模块、II系模块、I系发送器、II系发送器，所述I系模块和所述II系模块均为权利要求1所述的电子执行单元，并且每个所述电子执行单元中包含A、B两路开关组合；

本系的A、B两路串线分别通过相应的可连接端与所述I系发送器、所述II系发送器相连，分别形成A、B两路正常编码回路；本系的A路故障安全编码开关通过相应的可连接端与他系的B路故障安全编码开关串联，然后与本系的发送器相连，形成A路故障安全编码回路；本系的B路故障安全编码开关通过相应的可连接端与他系的A路故障安全编码开关串联，然后与他系的发送器相连，形成B路故障安全编码电路。

4.如权利要求3所述的冗余系统，其特征在于，所述本系的A、B两路串线分别通过相应的可连接端与所述I系发送器、所述II系发送器相连，包括：本系的A路串线的可连接端直接与本系的发送器相连，本系的B路串线的可连接端经由他系的A路串线的可连接端与他系的发送器相连。

5.一种用于铁路信号电码化故障导向安全编码的冗余系统，其特征在于，该冗余系统包括I系模块、II系模块、I系发送器、II系发送器，所述I系模块和所述II系模块均为权利要求1所述的电子执行单元，并且每个所述电子执行单元中至少包含A路开关组合，所述I系发送器和II系发送器并联使用；

I系、II系模块的A路串线通过相应的可连接端并联后，与并联的发送器相连；I系、II系模块的A路故障安全编码开关通过相应的可连接端串联后，也与并联的发送器相连。

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