DE3306155A1 - Einrichtung zur gewichtsabhaengigen klassifizierung von fahrzeugen - Google Patents

Einrichtung zur gewichtsabhaengigen klassifizierung von fahrzeugen

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Description

HONEYWELL INC. 21. Februar 1983
Honeywell Plaza A4108514DE
Minneapolis, Minn. HR/de USA
Einrichtung zur gewichtsabhängigen Klassifizierung von Fahrzeugen.
Man hat bereits auf verschiedene Weise versucht, sich bewegende Landfahrzeuge hinsichtlich ihres Gewichts zu klassifizieren, indem man die durch die Fahrzeuge ausgelösten seismischen Erschütterungen analysiert und ausgewertet hat. Auch von den Fahrzeugen abgestrahlte akustische Signale, insbesondere Fahr- und Motorgeräusche hat man dazu ausgenutzt, um leichte von schweren Fahrzeugen zu unterscheiden. Das Problem der gewichtsabhängigen Klassifizierung von Fahrzeugen ergibt sich beispielsweise bei der überwachung von Straßen und Brücken, die nur für Fahrzeuge bis zu einer vorgegebenen Gewichtsklasse zugelassen sind, sowie bei der Unterscheidung zwischen leichten und schwere z. B. gepanzerten Geländefahrzeugen. Die Unterscheidung zwischen schweren und leichten Fahrzeugen ist an sich ein binäres Problem welches die Vorgabe eines bestimmten Grenzwertes voraussetzt. Beispielsweise hat man seismische Signale oberhalb eines bestimmten Schwellwertes schweren Fahrzeugen zugeordnet. Dabei werden nach einer groben Spektralanalyse der seismischen Signale die Energieinhalte der einzelnen Spektralbereiche integriert, um für jeden Spektralbereich einen mittleren Energieinhalt zu berechnen. Falls der Energieinhalt in einem der Spektralbereiche größer als ein vorgegebener Schwellwert ist, wird das Fahrzeug als schwer eingeordnet; anderenfalls wird es als leichtes Fahrzeug angesehen. Insbesondere bei der Klassifizierung von Geländefahrzeugen ergeben sich jedoch Schwierigkeiten dadurch, daß die Fahrzeuge in unterschiedlichem Abstand am seismischen Fühler vorbeifahren. Dies führt dazu, daß schwere
Fahrzeuge in größerer Entfernung fälschlich als leichte Fahrzeuge und leichte Fahrzeuge in unmittelbarer Nähe des Fühlers fälschlich als schwere Fahrzeuge eingeordnet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur gewichtsabhängigen Klassifizierung von Fahrzeugen derart auszugestalten, daß solche durch die Entfernung des Fahrzeugweges vom Fühler bedingte Fehleinordnungen vermieden werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die in Anspruch 1 und 2 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung erfolgt also die gewichtsabhängige Klassifizierung der Fahrzeuge entsprechend dem Verhältnis des aus der seismischen Rayleigh-Welle abgeleiteten Signals und dem akustisch erzeugten seismischen Signal. Die Rayleigh-Welle wird durch direkten mechanischen Kontakt zwischen Fahrzeug und Boden erzeugt. Sie ist vom Fahrzeuggewicht abhängig und ein echtes seismisches Signal. Das akustisch erzeugte oder angekoppelte seismische Signal hingegen entsteht auch dann, wenn zwischen der Geräuschquelle und dem Boden keine unmittelbare Berührung besteht. Bei einem Fahrzeug entstehen seismische Signale auf Grund der ständigen Energieeinstrahlung in den Boden an der Grenzfläche zwischen Luft und Boden. Sobald das Verhältnis der Energie der Rayleigh-Welle zu der akustisch übertragenen seismischen Energie einen bestimmten,empirisch leicht festlegbaren Schwellwert überschreitet, wird das Fahrzeug als schweres Fahrzeug eingeordnet. Anstelle des Verhältnisses der Energie der Rayleigh-Welle zur akustisch angekoppelten seismischen Energie kann auch das Verhältnis der Rayleigh-Welle zur gesamten seismischen Energie, d. h. zur Summe von akustisch angekoppelter und Rayleigh-Welle ausgewertet werden.
Zur Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnunger Bezug genommen. Dabei zeigt
Fig. 1 schematisch die Entstehung der Rayleigh-Welle SR und der akustisch angekoppelten seismischen Signale S sowie des akustischen Signals A während
der Fahrt eines Landfahrzeuges;
Fig. 2 ein typisches seismisches Spektrum eines Fahrzeugs;
Fig. 3 ein typisches akustisches Spektrum eines fahrenden Fahrzeuges;
Fig. 4 das Blockschaltbild einer Klassifizierungseinrichtung gemäß der Erfindung; und
Fig. 5 als Blockschaltbild eine Ausführungsform eines adaptiven Transversalfilters zum Einsatz in Verbindung mit der Einrichtung gemäß Fig. 4.
In Fig. 1 ist im oberen Teil Fig. 1A das auf dem Boden B stehende bzw. sich auf dem Boden bewegende Fahrzeug F zusammen mit den erzeugten akustischen Signalen dargestellt, während im unteren Teil gemäß Fig. 1B ein vereinfachtes mathematisches Modell dieser Anordnung wiedergegeben ist.
Vom Fahrzeug F werden einerseits Luftschallsignale A abgestrahlt und zum anderen Körperschall oder seismische Signale auf den Boden B übertragen. Letztere pflanzen sich im Boden als Rayleigh-Welle Sn in Richtung zu einem seismischen Detektor 10, beispielsweise einem Geophon fort. Außerdem erzeugen die akustischen oder Luftschallsignale A bei ihrem Auftreffen auf den Boden B weitere seismische Signale S., welche als akustisch gekoppelte seismische Signale bezeichnet werden im Unterschied zum reinen Körperschallsignal Sn der Rayleigh-Welle. Die Amplitude der über die Rayleigh-Welle übertragenen Signale hängt, da sie durch unmittelbaren mechanischen Kontakt zwischen Fahrzeug und Bodenoberfläche übertragen werden, vom Fahrzeuggewicht ab. Bei der Rayleigh-Welle handelt es sich bekanntlich um eine Oberflächenwelle, die üblicherweise bis zu einer Tiefe von etwa einer Wellenlänge unter die Bodenoberfläche eindringt. Die Rayleigh-Welle pflanzt sich mit etwa einem Drittel bis der Hälfte der Schallgeschwindigkeit in Luft fort.
Das Fahrzeug erzeugt ferner ein akustisches Signal A,
mit
welches wie durch Pfeile angedeutet, ebenfalls der Erdoberfläche gekoppelt ist und nach dem Eindringen in den Boden B ein akustisch gekoppeltes seismisches Signal liefert. Dieses akustisch gekoppelte seismische Signal entsteht unabhängig davon, ob zwischen Geräuschquelle und Boden ein unmittelbarer mechanischer Kontakt besteht oder nicht. Beispielsweise reicht das Motorengeräusch von Fahrzeugen aus, um ein starkes akustisch gekoppeltes seismisches Signal zu erzeugen. Dieses Signal entsteht infolge der ständigen Energieeinstrahlung in den Boden an der Erdoberfläche, d. h. es ergibt sich auf Grund der Bodenerschütterungen infolge der auftroffenden Schallwellen. Die akustisch gekoppelte seismische Welle breitet sich etwa mit der gleichen Geschwindigkeit aus wie Luftschall.
In Fig. 1B ist ein mathematisches Modell der in Fig. 1A dargestellten Anordnung wiedergegeben. Die Erzeugung des akustisch gekoppelten seismischen Signals S aus dem akustischen Signal A ist durch ein lineares zeitinvariantes dynamisches System mit der übertragungsfunktion H(Z) angedeutet. Die akustisch gekoppelte seismische Welle S wird zur Rayleign-Welle SR addiert und ergibt das seismische Gesamtsignal S = S + SD.
Fig. 2 zeigt das seismische Gesair.tsignal S in Abhängigkeit von der Frequenz und Fig. 3 das entsprechende akustische Signal A für ein bestimmtes Fahrzeug, wobei diese beiden Signale von unmittelbar nebeneinander angeordneten Wandlern aufgenommen sind. Sowohl das seismische Gesamtsignal S als auch das akustische Signal A zeigen starke Signalspitzen bei 29 Hz und bei 58 Hz, woraus zu schließen ist, daß das seismische Gesamtsignal S eine starke akustisch gekoppelte seismische Komponente SA enthält.
Bei schweren Fahrzeugen ist das aus der Rayleigh-Welle stammende seismische Signal SR wesentlich stärker als das akustisch gekoppelte seismische Signal S., während bei leichten Fahrzeugen
das seismische Gesamtsignal S im wesentlichen auf das akustisch gekoppelte seismische Signal SA zurückzuführen ist. Grund hier*- für ist die Tatsache, daß das Rayleigh-Signal unmittelbar vom Fahrzeuggewicht abhängig ist. Folglich liefert das Verhältnis der Energie der seismischen Rayleigh-Welle zur akustisch gekoppelten Energie oder zur seismischen Gesamtenergie eine zuverlässige Größe zur gewichtsabhängigen Klassifizierung von Fahrzeugen. Bei einem Vergleich der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Spektren fällt neben der Übereinstimmung der Lage der Spitzen bei 29 und 58 Hz auf, daß das akustische Signal A zusätzlich eine ausgeprägte Spitze bei etwa 87 Hz (3. Oberwelle von 29 Hz) sowie weitere energiereiche Spektralbereiche unterhalb von 29 Hz aufweist, die im seismischen Gesamtsignal S nicht hervortreten. Man kann also feststellen, daß sich ein Fahrzeug als schwer klassifizieren läßt, wenn das Verhältnis der Energie der seismischen Rayleigh-Welle SR bezogen auf die Energie der akustisch gekoppelten seismischen Welle S einen geeignet gewählten Schwellwert überschreitet. Unterhalb dieses Schwellwerts wird das Fahrzeug als leicht bezeichnet. Durch Vorgabe von mehr als zwei Schwellwerten kann man, falls erforderlich, mehrere Gewichtsklassen bilden, beispielsweise leicht, mittelschwer und schwer.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Einrichtung sind ein Geophon und ein Mikrophon 14 dicht nebeneinander angeordnet, wobei das Geophon 12 das seismische Gesamtsignal S und das Mikrophon 14 das akustische Signal Λ empfängt. Geeignete Wandler für seismische und akustische Signale sind bekannt. Beide Wandler 12 und 14 sprechen nur auf das seismische bzw. akustische Gesamtsignal an. Insbesondere kann das Geophon 12 nicht zwischen aus der Ravleigh-WelIe stammenden seismischen Signalen Sn und akustisch gekoppelten seismischen Signalen S unterscheiden. Die Größe dieser beiden Anteile ist folglich unbekannt. Gleiches gilt für die übertragungsfunktion H(Z), welche die Umwandlung akustischer Signale in seismische Signale kennzeichnet. Um das Verhältnis der von der Rayleigh-Welle stammenden seismischen Signale zum akustisch gekoppelten seismischen Signal zu ermitteln,
werden das seismische Gesamtsignal und das akustische Gesamtsignal korreliert.
An den Ausgang des Geophons 12 ist ein Tiefpaßfilter 24 mit einer Grenzfrequenz von 50 bis 100 Hz angeschlossen, dem ein A/D-Umsetzer 18 nachgeschaltet ist. Das digitale Ausgangssignal des Umsetzers 18 entsprechend dem seismischen Gesamtsignal S gelangt an einen adaptiven Signaltrenner 16, der das seismische Signal mit dem akustischen Signal korreliert, um auf diese Weise das seismische Gesamtsignal S in seine beiden Komponenten, nämlich das Rayleigh-Signal SR und das akustisch gekoppelte seismische Signal SA zu trennen.
Das Mikrophon 14 ist über ein Tiefpaßfilter 26 mit einer Grenzfrequenz von etwa 300 Hz an einen A/D-Umsetzer 22 angeschlossen, welcher das Eingangssignal mit einer dem Nyquist-Theorem entsprechenden Häufigkeit abtastet. Vom Ausgang des Umsetzers gelangt das digitalisierte akustische Gesamtsignal A ebenfalls an einen Eingang der adaptiven Signaltrennschaltung 16, die vorzugsweise nach dem Widrow-Hoff-Algorithmus arbeitet, wie er in dem Aufsatz "Adaptive Noise Cancellation: Principles and Applications", abgedruckt in Proceedings IEEE, Band 63, Dez. 1975, Seiten 1692 - 1716 veröffentlicht ist. Die Trennschaltung
Quadrate
16 liefert nach dem Prinzip der kleinsten mittleferiVsTgnale, welche der Rayleigh-Welle S0 bzw. den akustisch gekoppelten seismischen Wellen SA entsprechen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Trennschaltung einen Summierer 28, ein adaptives Transversalfilter 32 sowie eine Rückkopplungsleitung 34 zwischen Summierer 28 und Transversalfilter 32. Wie später noch im einzelnen anhand von Fig. erläutert wird, konvergiert das Ausgangssignal des Transversalfilters im eingeschwungenen Zustand im Sinne der mittleren Quadrate in Richtung auf jene Komponente des seismischen Gesamtsignals S, die am stärksten mit dem akustischen Signal A korreliert ist. Dies sind die akustisch gekoppelten seismischen Signale S .
Das Transversalfilter 32 verzögert das vom Mikrophon 14 gelieferte digitale akustische Signal in zunehmendem Maße und erzeugt eine Reihe von N-Werten des akustischen Signals. Eine Reihe veränderlicher Gewichtungsfaktoren werden aus diesen Rückführsignalen abgeleitet und den genannten Werten zugeführt derart, daß das Fehler- oder Rückführsignal, welches adaptiv die veränderlichen Faktoren auf den neuesten Stand bringt, minimiert wird. Der Widrow-Hoff-Algorithmus ist eine wirksame Methode zum Korrelieren dieser Signale. Ist X. der Vektor der verzögerten Abtastwerte des akustischen Signals im Schritt j der Annäherung und ist der veränderbare Gewichtungsfaktor in den Schritten j und j + 1 gegeben durch w(j) und w (j + 1), so ist der rekursive Algorithmus w (j + 1) = w(j) + 2|iEj Xj, wobei μ ein die Geschwindigkeit der Konvergenz bezeichnender Parameter ist. Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Fig. 5 ergibt, hat das Transversalfilter 32 die Aufgabe, diejenige Komponente des seismischen Gesamtsignals S herauszufinden, die am stärksten mit dem akustischen Signal A korreliert ist. Sobald sich das Eingangssignal, welches dem Summierer 28 vom Transversalfilter 32 zugeführt wird, dem akustisch gekoppelten seismischen Signal SÄ nähert, nimmt das Ausgangssignal einen Minimalwert an und nähert sich dem Rayleigh-Signal Sn.
Das Ausgangssignal Sn des Summierers 28 wird in der Quadrierschaltung 37 quadriert und anschließend im Addierer 36 integriert. In der gleichen Weise wird auch das Signal S zunächst in einem Quadrierer 39 quadriert und anschließend in einem Addierer 38 integriert. Der Verhältnisschaltkreis 42 vergleicht die Summe im Addierer 36 mit derjenigen im Addierer 38 und liefert sein Ausgangssiynal an einen Schwellwertdetektor 44. Überschreitet das Verhältnis von SD zu S- einen vorgegebenen Schwellwert, so wird das Fahrzeug als schwer, andernfalls als leicht klassifiziert
Zur Erläuterung der Arbeitsweise des adaptiven Transversalfilters 32 soll Fig. 5 dienen. Dabei ist zu beachten, daß alle Taktgeberschaltungen sowohl in Fig. 4 als auch in Fig. 5 der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden. Während die Signaltrenn-
schaltung 16, die Indikatoren 36 und 38, der Verhältnisstromkreis 42 und der Schwellwertdetektor 44 im Schaltbild nach Fig. 4 als diskrete Bausteine dargestellt sind, sei erwähnt, daß all diese Funktionen von einem Digitalrechner ausgeführt werden können. Ein Profil der Amplitude des akustischen Signals A bei N-1 aufeinanderfolgenden diskreten Zeitpunkten wird in Registern 4O1 bis 40 . gespeichert. Üblicherweise verwendet man hierzu 10 bis 20 Register 40.
Das Transversalfilter 32 enthält wie Fig. 5 zeigt, eine Reihe von Registern 40 zum digitalen Speichern der N-1 aufeinanderfolgenden Werte des akustischen Signals A. Eine Gruppe digitaler Multiplizierer 41 versieht die N-Werte des akustischen Signals mit veränderlichen Gewichtungsfaktoren, welche in einer Gruppe von Speicherregistern 43.. bis 4 3., erzeugt werden. Der betreffende Wert des in jedem der Register 43 gespeicherten Gewichtungsfaktors hängt von dem im zugehörigen Register 40 gespeicherten gegenwärtigen Wert des akustischen Signals A ab, auch vom rückgeführten Fehlersignal, welches über einen der Multiplizierer 45 vom Summierer 28 zurückgeführt wird, wobei der Summierer 45 konstanten μ in beide Signale, d. h. das Rückführsignal und das Signal entsprechend dem gegenwärtigen Wert des akustischen Signals A einführt, sowie vom vorangehenden Wert des Gewichtungsfaktors im Register 43· Eine Gruppe von Addierern 46. bis 46N kombinieren die durch das Rückführsignal modifizierten aufeinanderfolgenden Werte des akustischen Signals mit dem im Register 43 zuvor gespeicherten Wert. Der Ausgang jedes Multiplizierers 41 ist mit einem Summierer 47 verbunden, dessen Ausgangssignal den Wert S, anstrebt, sobald das Fehlersignal sich dem Wert S nähert.
Im Betrieb werden die Register 43 anfänglich auf irgendeinen Zufallswert gesetzt. Durch aufeinanderfolgendes Anwenden des Widrow-Hoff-Algorithmus ergeben sich solange Veränderungen im Ausgangssignal des Summierers 47 bis das am Summierer 28 stehende Produkt einen gleichbleibenden Wert erreicht. Dieser Wert führt zu einem Minimum des Rückführsignals. Da S = S + S wird dieser
Zustand erreicht, sobald das Ausgangssignal des Summierers 4 7 den Wert S und das Rückführsignal den Wert SD annimmt. Üblichei
A ix
weise erreicht das Ausgangssignal des Summierers 4 7 nach 150 bis 200 Zyklen einen gleichbleibenden Wert, der sich dem akustisch gekoppelten seismischen Signal SÄ nähert, während das Rückführsignal etwa dem der Rayleigh-Welle entsprechenden seismischen Signal Sx, entspricht.
Als Taktgeberfrequenz hat sich eine Frequenz von 1 kHz bewährt. Liegen große Änderungen der Signale S und A vor, so wird ein großer Wert von u bevorzugt, während bei kleinen Signaländerungen u ebenfalls klein gewählt wird. Sobald der genannte gleichbleibende Wert erreicht ist, wird die zuvor in Verbindung mit Fig. 4 beschriebene Schaltung durch ein geeignetes Taktsignal aktiviert, um das Verhältnis der mittleren Quadratwerte von Sn und S7. zu bilden. Der Ausgang des Verhältnisschaltkreises steht mit dem Schwellwertdetektor 44 in Verbindung, welcher anzeigt, ob das Fahrzeug als schwer oder leicht klassifiziert wird Bei sich bewegendem Fahrzeug setzt sich die Rayleigh-Welle aus über das Fahrwerk auf den Boden übertragenden Schwingungen und Erschütterungen des Fahrzeugs (Körperschall) sowie aus Druckänderungen infolge der Fahrzeugbewegung zusammen.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur gewichtsabhangigen Klassifizierung von Landfahrzeugen, insbesondere sich bewegenden Landfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß aus Fahrzeuggeräuschen abgeleitete elektrische Signale (A) mit aus vom Fahrzeug ausgehenden seismischen Wellen abgeleiteten elektrischen Signalen (S) korreliert werden; daß hieraus der Anteil (SÄ) der durch akustische Kopplung der akustischen Signale (A) mit dem Boden erzeugten seismischen Signalen und andererseits der Anteil (Sn) der
durch unmittelbaren mechanischen Kontakt des Fahrzeugs mit dem Boden erzeugten, als Rayleigh-Welle übertragenen seismischen Signale am seismischen Gesamtsignal (S) ermittelt wird;
und daß eine dem Verhältnis der aus der Rayleigh-Welle abgeleiteten seismischen Signale (S0) zu den akustisch gekoppelten seismischen Signalen (SÄ) entsprechende elektrische Größe zwecks Klassifizierung mit wenigstens einem Schwellwert verglichen wird.
2. Verfahren zur gewichtsabhängigen Klassifizierung von Landfahrzeugen, insbesondere sich bewegenden Landfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß aus Fahrzeuggeräuschen abgeleitete elektrische Signale (A) mit aus vom Fahrzeug ausgehenden seismischen Wellen abgeleiteten elektrischen Signalen (S) korreliert werden; daß hieraus der Anteil (S_,) der durch unmittelbaren mechanischen Kontakt des Fahrzeugs mit dem Boden erzeugten, als Rayleigh-Welle übertragenen seismischen Signale am seismischen Gesamtsignal (S) ermittelt wird; und daß eine dem Verhältnis der aus der Rayleigh-Welle abgeleiteten seismischen Signale (S ) zum seismischen Gesamtsignal (S) entsprechende elektrische Größe zwecks Klassifizierung mit wenigstens einem Schwellwert verglichen wird.
3. Einrichtung zum gewichtsabhängigen Klassifizieren von Fahrzeugen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
a) Aufnehmer (12,14) für vom Fahrzeug (F) ausgehende seismische Signale (S) und akustische Wellen (A);
b) eine mit den Empfangssignalen (S,A) beaufschlagte Schaltungsanordnung (16) zum Trennen der durch akustische Kopplung der akustischen Wellen mit dem Boden hervorgerufenen seismischen Signale (S2.) von den durch direkten Bodenkontakt des Fahrzeugs (F) hervorgerufenen, durch die Rayleigh-Welle übertragenen seismischen Signalen (Sn);
c) eine das Verhältnis der beiden seismischen Signalkomponenten (S ,S-,) bildende und mit einem Schwellwert vergleichende Schaltungsanordnung (36-39, 44).
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet , daß die Ausgänge der beiden Aufnehmer (12,14) über je ein Tiefpaßfilter (24,26) mit je einem A/D-Umsetzer (18,22) in Verbindung stehen, an deren Ausgänge die beiden Eingänge der Trennschaltung (16) angeschlossen sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Trennschaltung (16) einen Summierer (28) sowie ein adaptives Transversalfilter (32) aufweist, wobei
d) dem Summierer das seismische Signal (S) als erstes Signal und das Ausgangssignal des Transversalfilters (32) als zweites Eingangssignal zugeführt sind;
e) das Transversalfilter als Eingangssignal das akustische Signal (A) erhält;
f) das seismische Rayleigh-Signal (SR) am Ausgang des Summierers (28) und das akustisch gekoppelte seismische Signal (S ) am Ausgang des Transversalfilters steht; und
g) der Ausgang des Summierers (28) über eine Rückführleitung (34) mit dem Steuereingang des Transversalfilters (32) verbunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen die Ausgänge von Summierer (28) und Transversalfilter (32) einerseits und einen das Verhältnis der beiden seismischen Signalkomponenten (S7.,S) bildenden Vergleicher (42) andererseits je ein Quadrierer (37,39) und ein Integrator (36,38) eingeschaltet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß zur Signalverarbeitung der Empfangssignale (S,A) und zur Ermittlung einer gewichtsabhängigen elektrischen Größe sowie deren Vergleich mit einem Schwellwert ein Mikroprozessor dient.
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