CN116484728A - 基于bim技术的建筑照明一体化模拟实施方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法及系统,涉及建筑照明一体化模拟技术领域,通过设置信息收集模块收集教学楼中每间教室的立体信息以及教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线,设置不等式计算模块计算教室灯数量与教室灯光强的不等式关系,设置照明最优化模块构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量,设置模型验证模块在BIM软件中对教学楼进行建模,并在模型中的教室内建立对应数量的对应类型的教室灯模型,再对教室灯的覆盖范围进行验证;解决不同的教室,更换教室灯的时间不同,为教室灯的维修和更换带来不便的问题。
Description
技术领域
本发明属于建筑照明一体化模拟技术领域,具体是基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法及系统。
背景技术
传统建筑照明系统通常由照明设计人员根据教室空间和用途等要素设计,以满足照度和光色等要求。但是,随着时间的推移和灯具老化,灯光照度和光色等参数可能会发生变化,从而影响教室的照明质量和使用效果。为了保持良好的教学环境,学校管理人员需要及时检修和更换照明设备,但由于每个教室的使用频率和更换时间不同,这会给维修和更换带来一定的困难;
在传统的建筑照明设计中,一般是在建筑竣工后,根据使用情况和需求进行照明设备的选配和调整。然而,这种方式存在着一定的缺陷,即需要在竣工后对照明进行重复的设计和施工,浪费时间和人力资源;通过引入BIM技术,能够在设计和建造的初期就对照明进行模拟和调整,提高照明设计的效率和准确性;因此,亟需一种基于BIM技术的,用于解决每个教室的使用频率和更换时间不同问题的方法;
为此,本发明提出BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法及系统。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法及系统,该基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法及系统解决不同的教室,更换教室灯的时间不同,为教室灯的维修和更换带来不便的问题。
为实现上述目的,本发明提出基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,包括以下步骤:
步骤一:收集教学楼中每间教室的立体信息;
步骤二:收集教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线;
步骤三:基于每间教室的立体信息,计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系;
步骤四:基于不等式关系,构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量;
步骤五:在BIM软件中对教学楼进行建模,并在建模的模型中的每个教室内建立对应数量的对应类型的教室灯模型,再对教室灯的覆盖范围进行验证;
步骤六:根据每个教室内各个位置的实时太阳光的光强,计算每间教室内的教室灯日平均使用时间;
步骤七:基于每间教室的开启平均时长Br,计算出综合考虑整体教室灯寿命以及每间教室的第一优化函数的教室灯分配方案;
其中,所述每间教室的立体信息包括每间教室的长度、宽度以及高度;将教室编号标记为r,将第r间教室的高度标记为Hr,将第i间教室的长度标记为Lr,将第r间教室的宽度标记为Wr;
所述收集教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线的方式为:
收集同一品牌的不同光强的教室灯的使用寿命列表以及价格列表,并建立第一平面直角坐标系以及第二平面直角坐标系;
在第一平面直角坐标系中以教室灯光强为x轴坐标,以使用寿命为y轴坐标,将使用寿命列表中的每个教室灯以坐标点的形式标注;
在第二平面直角坐标系中以教室灯光强为x轴坐标,以价格为y轴坐标,将价格列表中的每个教室灯以坐标点的形式标注;
分别将第一平面直角坐标系和第二平面直角坐标系中的坐标点集合输入至机器学习模型中,获得拟合的寿命曲线和价格曲线;将寿命曲线标记为f(ir),将价格曲线标记为g(ir);其中,i为教室灯作为光源的光强;
计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系的方式为:
将教室r中的教室灯的光强标记为ir;将教室r中的最少教室灯数量标记为nr;预设最低影响光强Im,最低影响光强是指教室灯发出的光经过光强衰减后,所能保证学生阅读书本的最低强度值;
利用光强衰减公式其中I为待测位置光强,I0为光源光强,d为待测位置与光源的距离;计算出最大辐射斜线距离dr,其中,最大辐射斜线距离dr的计算公式为
计算最大辐射水平距离sr,其中最大辐射水平距离sr的计算公式为
计算出教室r的最少教室灯数量nr,其中最少教室灯数量nr的计算方式
构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量的方式为:
根据实际需求预设大于0的比例系数a1和a2,定义第一优化函数N(ir),其中N(ir)的函数形式为N(ir)=a1*f(ir)+a2*nr*g(ir);
将代入第一优化函数N(ir),获得/>
使用求导计算方式计算出使得第一优化函数N(ir)最大的光强ir值,并使用公式计算出第r个教室中教室灯的数量nr;
则该最大的光强ir值即为教室r内的最合适的教室灯类型;
对教室灯的覆盖范围进行验证的方式为:
利用BIM软件按每间教室的立体信息进行等比例模拟建模,在建模后的每间教室中的天花板位置模拟出对应光强的教室灯,利用BIM软件的光线追踪功能预测每个教室灯的所散发的光线的传播和亮度分布,验证教室r中各个位置的光强是否大于最低影响光强Im,若存在若干位置的光强小于最低影响光强Im,则将光强衰减公式中的Im替换为1.1*Im,重新计算最大的光强ir值,并使用BIM软件进行重新模拟,判断是否依然存在若干位置小于最低影响光强Im,则循环上述过程,直至不存在任何位置的光强小于最低影响光强Im;
对教学楼进行建模还包括对每间教室的窗户大小以及位置、教学楼的朝向与阳光照射角度的建模;
所述对教学楼的朝向与阳光照射角度的建模的方式为:
预先收集过去一年的历史数据中,教学楼所在位置每天日升到日落的太阳光照数据;所述光照数据包括太阳光照的实时角度以及实时光强;
再根据教学楼的教学楼的朝向以及每间窗户的大小以及位置,使用BIM软件模拟出每天太阳光照在各个教室内的太阳光分布情况,从而获得每个教室内各个位置的实时太阳光的光强;
计算每间教室内的教室灯日平均使用时间的方式为:
预先根据实际经验设置上课时间范围;统计每间教室每天在上课时间范围内,存在至少一处区域的太阳光的光强小于最低影响光强Im的时长,将第r间教室内第t天的该时长标记为Brt;
计算出第r间教室的每天教室灯的开启平均时长Br,所述开启平均时长Br的计算公式为其中T为总天数;
计算出综合考虑整体教室灯寿命以及教室灯总价格的教室灯分配方案的方式为:
将所有教室灯的光强ir的变量集合标记为I,将任意一组两个教室的编号分别标记为r1和r2;
定义第二优化函数K(I),其中第二优化函数K(I)的函数形式为:
其中,b1和b2分别为根据需求设置的比例系数;
使用多维变量求导计算方式计算出使得第二优化函数K(I)最大的光强集合I的解集合,所述解集合中包含每个教室r中教室灯的光强的解ir,并使用公式计算出第r个教室中教室灯的数量nr。
进一步提出基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施系统,包括信息收集模块、不等式计算模块、照明最优化模块以及模型验证模块;其中,各个模块之间通过电气和/或无线网络方式连接;
其中,所述信息收集模块主要用于收集教学楼中每间教室的立体信息以及教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线,并将教室的立体信息发送至不等式计算模块,并和教室灯的寿命曲线以及价格曲线发送至照明最优化模块;
其中,所述不等式计算模块主要用于基于每间教室的立体信息,计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系,并将不等式关系发送至照明最优化模块;
其中,所述照明最优化模块主要用于基于不等式关系,构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量,并将教室灯类型和安装的数量发送至模型验证模块;
其中,所述模型验证模块主要用于在BIM软件中对教学楼进行建模,并在建模的模型中的每个教室内建立对应数量的对应类型的教室灯模型,再对教室灯的覆盖范围进行验证。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明通过预先收集教室灯的使用寿命列表以及价格列表,并使用机器学习技术获得教室灯光照强度与寿命以及价格的关系函数,再基于教学楼中每间教室的立体信息,利用光衰减公式,计算出教室灯的光源的光强与教室灯数量的关系,从而获得每间教室中对教室灯的光强的优化函数,基于优化函数即可计算出每间教室中最合适安装的教室灯的光强,再进一步的,还可以通过更新优化函数,解决不同的教室,更换教室灯的时间不同,为教室灯的维修和更换带来不便的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1中的建筑照明一体化模拟实施方法的流程图;
图2为本发明实施例2中的建筑照明一体化模拟实施方法的流程图;
图3为本发明实施例3中的建筑照明一体化模拟实施系统的模块连接关系图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,本实施例所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,包括以下步骤:
步骤一:收集教学楼中每间教室的立体信息;
步骤二:收集教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线;
步骤三:基于每间教室的立体信息,计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系;
步骤四:基于不等式关系,构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量;
步骤五:在BIM软件中对教学楼进行建模,并在建模的模型中的每个教室内建立对应数量的对应类型的教室灯模型,再对教室灯的覆盖范围进行验证;
可以理解的是,一般教学楼的建筑布局为长方体形状,而每间教室的布局也是长方体形状;其中,所述每间教室的立体信息包括每间教室的长度、宽度以及高度;将教室编号标记为r,将第r间教室的高度标记为Hr,将第i间教室的长度标记为Lr,将第r间教室的宽度标记为Wr;
所述收集教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线的方式为:
收集同一品牌的不同光强的教室灯的使用寿命列表以及价格列表,并建立第一平面直角坐标系以及第二平面直角坐标系;
在第一平面直角坐标系中以教室灯光强为x轴坐标,以使用寿命为y轴坐标,将使用寿命列表中的每个教室灯以坐标点的形式标注;
在第二平面直角坐标系中以教室灯光强为x轴坐标,以价格为y轴坐标,将价格列表中的每个教室灯以坐标点的形式标注;
分别将第一平面直角坐标系和第二平面直角坐标系中的坐标点集合输入至机器学习模型中,获得拟合的寿命曲线和价格曲线;将寿命曲线标记为f(ir),将价格曲线标记为g(ir);其中,i为教室灯作为光源的光强;可以理解的是,寿命曲线表达的是教室灯光强与寿命的曲线关系,价格曲线表达的是教室灯光强与价格的曲线关系;所述的机器学习模型可以是线性回归、多项式回归或支持向量机等模型;
计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系的方式为:
将教室r中的教室灯的光强标记为ir;将教室r中的最少教室灯数量标记为nr;预设最低影响光强Im,最低影响光强是指教室灯发出的光经过光强衰减后,所能保证学生阅读书本的最低强度值,可以根据实际的经验测试获得;
利用光强衰减公式其中I为待测位置光强,I0为光源光强,d为待测位置与光源的距离;计算出最大辐射斜线距离dr,其中,最大辐射斜线距离dr的计算公式为
计算最大辐射水平距离sr,其中最大辐射水平距离sr的计算公式为
计算出教室r的最少教室灯数量nr,其中最少教室灯数量nr的计算方式
构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量的方式为:
根据实际需求预设大于0的比例系数a1和a2,定义第一优化函数N(ir),其中N(ir)的函数形式为N(ir)=a1*f(ir)+a2*nr*g(ir);
将代入第一优化函数N(ir),获得/>
使用求导计算方式计算出使得第一优化函数N(ir)最大的光强ir值,并使用公式计算出第r个教室中教室灯的数量nr;
则该最大的光强ir值即为教室r内的最合适的教室灯类型;
对教室灯的覆盖范围进行验证的方式为:
利用BIM软件按每间教室的立体信息进行等比例模拟建模,在建模后的每间教室中的天花板位置模拟出对应光强的教室灯,利用BIM软件的光线追踪功能预测每个教室灯的所散发的光线的传播和亮度分布,验证教室r中各个位置的光强是否大于最低影响光强Im,若存在若干位置的光强小于最低影响光强Im,则将光强衰减公式中的Im替换为1.1*Im,重新计算最大的光强ir值,并使用BIM软件进行重新模拟,判断是否依然存在若干位置小于最低影响光强Im,则循环上述过程,直至不存在任何位置的光强小于最低影响光强Im。
实施例2
如图2所示,本实施例是对实施例1的进一步改进,为了解决不同教室的教室灯寿命有所区别,从而导致不同的教室,更换教室灯的时间不同,为教室灯的维修和更换带来不便的问题;
在一个优选的实施例中,在实施例1的步骤五中的使用BIM软件对教学楼进行建模的过程中,还包括对每间教室的窗户大小以及位置、教学楼的朝向与阳光照射角度的建模;
所述对教学楼的朝向与阳光照射角度的建模的方式为:
预先收集过去一年的历史数据中,教学楼所在位置每天日升到日落的太阳光照数据;所述光照数据包括太阳光照的实时角度以及实时光强;
再根据教学楼的教学楼的朝向以及每间窗户的大小以及位置,使用BIM软件模拟出每天太阳光照在各个教室内的太阳光分布情况,从而获得每个教室内各个位置的实时太阳光的光强;
步骤六:根据每个教室内各个位置的实时太阳光的光强,计算每间教室内的教室灯日平均使用时间;
在一个优选的实施例中,计算每间教室内的教室灯日平均使用时间的方式为:
预先根据实际经验设置上课时间范围;统计每间教室每天在上课时间范围内,存在至少一处区域的太阳光的光强小于最低影响光强Im的时长,将第r间教室内第t天的该时长标记为Brt;可以理解的是,在第t天的Brt的时长内,教室r内需要开启教室灯,才能不影响学生阅读书本;
计算出第r间教室的每天教室灯的开启平均时长Br,所述开启平均时长Br的计算公式为其中T为总天数;
步骤七:基于每间教室的开启平均时长Br,计算出综合考虑整体教室灯寿命以及每间教室的第一优化函数的教室灯分配方案;
在一个优选的实施例中,计算出综合考虑整体教室灯寿命以及教室灯总价格的教室灯分配方案的方式为:
将所有教室灯的光强ir的变量集合标记为I,将任意一组两个教室的编号分别标记为r1和r2;
定义第二优化函数K(I),其中第二优化函数K(I)的函数形式为:
其中,b1和b2分别为根据需求设置的比例系数;
使用多维变量求导计算方式计算出使得第二优化函数K(I)最大的光强集合I的解集合,所述解集合中包含每个教室r中教室灯的光强的解ir,并使用公式计算出第r个教室中教室灯的数量nr。
实施例3
如图3所示,本实施例所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施系统,包括信息收集模块、不等式计算模块、照明最优化模块以及模型验证模块;其中,各个模块之间通过电气和/或无线网络方式连接;
其中,所述信息收集模块主要用于收集教学楼中每间教室的立体信息以及教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线,并将教室的立体信息发送至不等式计算模块,并和教室灯的寿命曲线以及价格曲线发送至照明最优化模块;
其中,所述不等式计算模块主要用于基于每间教室的立体信息,计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系,并将不等式关系发送至照明最优化模块;
其中,所述照明最优化模块主要用于基于不等式关系,构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量,并将教室灯类型和安装的数量发送至模型验证模块;
其中,所述模型验证模块主要用于在BIM软件中对教学楼进行建模,并在建模的模型中的每个教室内建立对应数量的对应类型的教室灯模型,再对教室灯的覆盖范围进行验证。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (9)
1.基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:收集教学楼中每间教室的立体信息;
步骤二:收集教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线;
步骤三:基于每间教室的立体信息,计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系;
步骤四:基于不等式关系,构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量;
步骤五:在BIM软件中对教学楼进行建模,并在建模的模型中的每个教室内建立对应数量的对应类型的教室灯模型,再对教室灯的覆盖范围进行验证;
步骤六:根据每个教室内各个位置的实时太阳光的光强,计算每间教室内的教室灯日平均使用时间;
步骤七:基于每间教室的开启平均时长,计算出综合考虑整体教室灯寿命以及每间教室的第一优化函数的教室灯分配方案。
2.根据权利要求1所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,所述每间教室的立体信息包括每间教室的长度、宽度以及高度;将教室编号标记为r,将第r间教室的高度标记为Hr,将第i间教室的长度标记为Lr,将第r间教室的宽度标记为Wr。
3.根据权利要求1所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,所述收集教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线的方式为:
收集同一品牌的不同光强的教室灯的使用寿命列表以及价格列表,并建立第一平面直角坐标系以及第二平面直角坐标系;
在第一平面直角坐标系中以教室灯光强为x轴坐标,以使用寿命为y轴坐标,将使用寿命列表中的每个教室灯以坐标点的形式标注;
在第二平面直角坐标系中以教室灯光强为x轴坐标,以价格为y轴坐标,将价格列表中的每个教室灯以坐标点的形式标注;
分别将第一平面直角坐标系和第二平面直角坐标系中的坐标点集合输入至机器学习模型中,获得拟合的寿命曲线和价格曲线;将寿命曲线标记为f(ir),将价格曲线标记为g(ir);其中,i为教室r中教室灯作为光源的光强。
4.根据权利要求1所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系的方式为:
将教室r中的教室灯的光强标记为ir;将教室r中的最少教室灯数量标记为nr;预设最低影响光强Im,最低影响光强是指教室灯发出的光经过光强衰减后,所能保证学生阅读书本的最低强度值;
利用光强衰减公式其中I为待测位置光强,I0为光源光强,d为待测位置与光源的距离;计算出最大辐射斜线距离dr,其中,最大辐射斜线距离dr的计算公式为/>
计算最大辐射水平距离sr,其中最大辐射水平距离sr的计算公式为
计算出教室r的最少教室灯数量nr,其中最少教室灯数量nr的计算方式
5.根据权利要求1所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量的方式为:
根据实际需求预设大于0的比例系数a1和a2,定义第一优化函数N(ir),其中N(ir)的函数形式为N(ir)=a1*f(ir)+a2*nr*g(ir);
将代入第一优化函数N(ir),获得/>
使用求导计算方式计算出使得第一优化函数N(ir)最大的光强ir值,并使用公式计算出第r个教室中教室灯的数量nr;
则该最大的光强ir值即为教室r内的最合适的教室灯类型。
6.根据权利要求1所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,对教室灯的覆盖范围进行验证的方式为:
利用BIM软件按每间教室的立体信息进行等比例模拟建模,并对每间教室的窗户大小以及位置、教学楼的朝向与阳光照射角度的建模;
在建模后的每间教室中的天花板位置模拟出对应光强的教室灯,利用BIM软件的光线追踪功能预测每个教室灯的所散发的光线的传播和亮度分布,验证教室r中各个位置的光强是否大于最低影响光强Im,若存在若干位置的光强小于最低影响光强Im,则将光强衰减公式中的Im替换为1.1*Im,重新计算最大的光强ir值,并使用BIM软件进行重新模拟,判断是否依然存在若干位置小于最低影响光强Im,则循环上述过程,直至不存在任何位置的光强小于最低影响光强Im。
7.根据权利要求6所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,对每间教室的窗户大小以及位置、教学楼的朝向与阳光照射角度的建模的方式为:
预先收集过去一年的历史数据中,教学楼所在位置每天日升到日落的太阳光照数据;所述光照数据包括太阳光照的实时角度以及实时光强;
再根据教学楼的教学楼的朝向以及每间窗户的大小以及位置,使用BIM软件模拟出每天太阳光照在各个教室内的太阳光分布情况,从而获得每个教室内各个位置的实时太阳光的光强;
计算每间教室内的教室灯日平均使用时间的方式为:
预先根据实际经验设置上课时间范围;统计每间教室每天在上课时间范围内,存在至少一处区域的太阳光的光强小于最低影响光强Im的时长,将第r间教室内第t天的该时长标记为Brt;
计算出第r间教室的每天教室灯的开启平均时长Br,所述开启平均时长Br的计算公式为其中T为总天数。
8.根据权利要求1所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法,其特征在于,计算出综合考虑整体教室灯寿命以及教室灯总价格的教室灯分配方案的方式为:
将所有教室灯的光强ir的变量集合标记为I,将任意一组两个教室的编号分别标记为r1和r2;
定义第二优化函数K(I),其中第二优化函数K(I)的函数形式为:
其中,b1和b2分别为根据需求设置的比例系数;
使用多维变量求导计算方式计算出使得第二优化函数K(I)最大的光强集合I的解集合,所述解集合中包含每个教室r中教室灯的光强的解ir,并使用公式计算出第r个教室中教室灯的数量nr。
9.基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施系统,其基于权利要求1-8任意一项所述的基于BIM技术的建筑照明一体化模拟实施方法实现,其特征在于,包括信息收集模块、不等式计算模块、照明最优化模块以及模型验证模块;其中,各个模块之间通过电气和/或无线网络方式连接;
其中,所述信息收集模块用于收集教学楼中每间教室的立体信息以及教学用的教室灯的寿命曲线以及价格曲线,并将教室的立体信息发送至不等式计算模块,并和教室灯的寿命曲线以及价格曲线发送至照明最优化模块;
其中,所述不等式计算模块用于基于每间教室的立体信息,计算出教室内教室灯数量与教室灯光强的不等式关系,并将不等式关系发送至照明最优化模块;
其中,所述照明最优化模块用于基于不等式关系,构造第一优化函数计算出最优的适合安装的教室灯类型,并基于教室灯类型计算出安装的数量,并将教室灯类型和安装的数量发送至模型验证模块;
其中,所述模型验证模块用于在BIM软件中对教学楼进行建模,并在建模的模型中的每个教室内建立对应数量的对应类型的教室灯模型,再对教室灯的覆盖范围进行验证。
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