EP1270814B1 - Gleisbaumaschine und Verfahren zur Erfassung einer Gleislage - Google Patents

Gleisbaumaschine und Verfahren zur Erfassung einer Gleislage Download PDF

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EP1270814B1
EP1270814B1 EP02450117A EP02450117A EP1270814B1 EP 1270814 B1 EP1270814 B1 EP 1270814B1 EP 02450117 A EP02450117 A EP 02450117A EP 02450117 A EP02450117 A EP 02450117A EP 1270814 B1 EP1270814 B1 EP 1270814B1
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EP
European Patent Office
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track
machine
tracing unit
antenna
machine frame
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EP02450117A
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English (en)
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EP1270814A2 (de
EP1270814A3 (de
Inventor
Josef Theurer
Herbert Wörgötter
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Franz Plasser Bahnbaumaschinen Industrie GmbH
Original Assignee
Franz Plasser Bahnbaumaschinen Industrie GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B35/00—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes
    • E01B35/02—Applications of measuring apparatus or devices for track-building purposes for spacing, for cross levelling; for laying-out curves
    • E01B35/04—Wheeled apparatus

Definitions

  • the invention relates to a track construction machine with a machine frame which can be moved on a track by rail carriages and a track scanning unit that is adjustably connected to it and can be moved by flange wheels on the track, and to a method for detecting a track position.
  • EP 1 028 325 A2 describes a method for measuring a track with the aid of two measuring vehicles which can be moved independently of one another on the track and which are set up at the end points of a track section to be measured.
  • the object of the present invention is now to provide a machine or a method of the generic type, with which the position of a track is quickly and reliably accurately detected.
  • this object is achieved with a machine of the type mentioned above in that the machine frame is connected to an antenna having an antenna center having satellite receiver, and that a measuring device for detecting the relative position of the antenna center with respect to the track scanning unit with respect to the parameters: track bank , Transverse displacement perpendicular to the machine longitudinal direction and vertical distance and a computing unit for computational displacement of the antenna center with respect to a reference point of the track scanning unit is provided.
  • a track construction machine 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a machine frame 2 which is supported on track 4 by rail carriages 3 and provided with driving or work cabins 5 and with a drive unit 6.
  • the machine 1 is equipped with a mobile independently of this on the track 4 satellite vehicle 7 and formed by means of which for measuring an actual position of the track 4 in a direction shown by an arrow 8 working direction. (This is already known, for example, from EP 1 028 325 A2, which is why it will not be discussed further here.)
  • This track scanning unit 9 is essentially designed as a track-movable measuring axis 11, which is pivotally connected to the machine frame 2 and connected to this by means of (not shown for reasons of space) drives height adjustable by means of which the measuring axis 11 at the beginning of operation of the machine 1 on the rails 12 of the track 4 is lowered or Schemeins.
  • a satellite receiver 13 is mounted on the machine frame 2 having an antenna 14 with an antenna center 15 and for receiving extraterrestrial position (or GPS) signals transmitted via satellites.
  • a laser receiver 28 is used in conjunction with a laser transmitter 29 for generating a measuring line 30th
  • a measuring device 16 is further provided, which is provided for detecting the relative position of the antenna center 15 with respect to the track scanning unit 9.
  • This measuring device 16 is formed as - connected to the machine frame 2 on the underside 27 - laser scanner 17 with a running in the cross-machine direction scanning plane 18 having an origin 19.
  • the origin 19 forms an optical center 24 of the measuring device 16 which is positioned above the track scanning unit 9 with respect to the machine longitudinal direction.
  • On the measuring axis 11 of the scanning unit 9 located vertically underneath is a for scanning arranged by the laser scanner 17 scanning target 20, which is formed as centrally located between the flange rollers 10 and extending in the cross-machine direction ruler 21. This has a center also between the flange rollers 10 arranged reference point 22, which has the shape of a protruding from the ruler 21 in the vertical direction pin 23.
  • the detection of the position of the antenna center 15 relative to the track scanning unit 9 takes place with reference to the following parameters: track bank ⁇ , transverse displacement d normal to the machine longitudinal direction and vertical distance a.
  • track bank ⁇ transverse displacement d normal to the machine longitudinal direction and vertical distance a.
  • the position of the antenna center 15 of the satellite receiver 13 located on the machine frame 2 of the machine 1 relative to the reference point 22 of the track scanning unit 9 which can be rolled onto the track 4 and connected to the machine 1 is determined, by means of which the coordinate position of the antenna center 15 is determined the position signals (GPS signals) - automatically the absolute track position coordinates are registered in the track scanning unit 9.
  • Fig. 3 shows the measurement of the inclination of the machine frame 2 relative to the measuring axis 11.
  • the machine frame 2 due to the suspension of the rail bogies 3 have a different bank than the measuring axis 11, which corresponds to the track bank ⁇ .
  • This different bank is determined by the laser scanner 17 by an XY coordinate system is spanned, which has its zero point at the origin 19 of the scanning plane 18 of the laser scanner 17.
  • the coordinates x1, y1 and x2, y2 of the two in the cross-machine direction outer, striking the ruler 21st Laser beams or their target points can now be calculated in the coordinate system. From this, the frame inclination ⁇ is determined (also mathematically).
  • this angle a only indicates the relative angle between the machine frame 2 and the measuring axis 11, it is necessary to determine the absolute frame inclination (relative to the horizontal).
  • the bank angle ⁇ corresponding to the bank of the measuring axis 11 is measured by a mounted on this inclinometer 26. From this value ⁇ , the frame pitch ⁇ is now subtracted to obtain the absolute frame pitch.
  • the laser scanner 17, whose angular resolution is about 0.05 °, provides for each step a measure of the angle and the distance to the scanned ruler 21.
  • the reference point 22 forming, projecting in the center of the ruler 21 pin 23 through the Laserscanner 17 clearly identified or its horizontal and vertical position can be determined relative to the origin 19.
  • both the horizontal and the vertical distance between the machine frame 2 and measuring axis 11 can be determined from this.
  • that scan is selected which has the minimum distance in the center region.
  • This scan is characterized by the distance a and the angle ⁇ in an XY coordinate system in which the machine frame forms the X-axis and the zero point lies in the origin 19 of the laser scanner 17.
  • the reference point 22 is now determined in terms of coordinates based on these values a and ö.
  • the whole coordinate system Since the said coordinate system is initially rotated by the frame inclination from the horizontal, the whole coordinate system still has to be rotated around the frame inclination to the horizontal in order to calculate the vertical height and the horizontal distance to the zero point.
  • the vertical distance and the horizontal distance between the GPS antenna 14 and the point of contact of the track scanning unit 9 with the rail 12 are then computationally determined.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gleisbaumaschine mit einem durch Schienenfahrwerke auf einem Gleis verfahrbaren Maschinenrahmen und einer mit diesem verstellbar verbundenen und durch Spurkranzrollen am Gleis verfahrbaren Gleisabtasteinheit, sowie ein Verfahren zur Erfassung einer Gleislage.
  • Aus der EP 0 806 523 A1 ist bereits eine derartige Gleisbaumaschine bzw. ein Verfahren zur Erfassung einer Soll-Gleislage bekannt. Mit einem Lasersender wird die Lage des die Gleislage abtastenden Gleishebeaggregates in Bezug auf den Maschinenrahmen der Maschine gemessen, dessen eigene Lage wiederum anhand geodätisch vermessener, die absolute Gleislage definierender Fixpunkte bestimmt worden ist.
  • Gemäß DE 41 02 871 C2 ist es ebenfalls bekannt, bei einer Gleisbaumaschine die Verschiebung einer auf dem Gleis abrollenden Meßachse bzw. Gleisabtasteinheit relativ zum Maschinenrahmen der über Schienenfahrwerke auf dem Gleis gelagerten Maschine zu messen.
  • In EP 1 028 325 A2 ist ein Verfahren zum Aufmessen eines Gleises mit Hilfe von zwei unabhängig voneinander auf dem Gleis verfahrbaren Meßfahrzeugen beschrieben, die an den Endpunkten eines zu vermessenden Gleisabschnittes aufgestellt werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun in der Schaffung einer Maschine bzw. eines Verfahrens der gattungsgemäßen Art, mit dem die Lage eines Gleises rasch und zuverlässig genau erfaßbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Maschinenrahmen mit einem eine Antenne mit einem Antennenzentrum aufweisenden Satellitenempfänger verbunden ist, und daß eine Meßvorrichtung zur Erfassung der relativen Lage des Antennenzentrums in bezug auf die Gleisabtasteinheit bezüglich der Parameter: Gleisquerneigung, normal zur Maschinenlängsrichtung verlaufende Querverschiebung und Vertikaldistanz sowie eine Recheneinheit zur rechnerischen Verlagerung des Antennenzentrums in Bezug auf einen Referenzpunkt der Gleisabtasteinheit vorgesehen ist.
  • Mit diesen erfindungsgemäßen Merkmalen ist es nun möglich, trotz einer für einen optimalen Empfang vorrangigen Anordnung des Satellitenempfängers auf der Maschine eine exakte Parallelführung des Antennenzentrums in Bezug auf die Gleisachse sicherzustellen.
  • Weitere Vorteile und Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Zeichnung.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gleisbaumaschine mit einer Gleisabtasteinheit,
    • Fig. 2 eine schematisierte Schnittansicht der Maschine in Gleislängsrichtung gemäß Schnittlinie II in Fig. 1, und
    • Fig. 3, 4 und 5 jeweils diagrammatische Darstellungen von verschiedenen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Eine in Fig. 1 und 2 ersichtliche Gleisbaumaschine 1 weist einen Maschinenrahmen 2 auf, der über Schienenfahrwerke 3 auf einem Gleis 4 abgestützt und mit Fahr- bzw. Arbeitskabinen 5 sowie mit einer Antriebseinheit 6 versehen ist. Die Maschine 1 ist mit einem unabhängig von dieser auf dem Gleis 4 verfahrbaren Satellitenfahrzeug 7 ausgestattet und mit dessen Hilfe zum Aufmessen einer Ist-Lage des Gleises 4 in einer durch einen Pfeil 8 dargestellten Arbeitsrichtung ausgebildet. (Dies ist bereits z.B. aus EP 1 028 325 A2 bekannt, weshalb hier nicht mehr näher darauf eingegangen wird.)
  • Bezüglich der Arbeitsrichtung vor dem vorderen Schienenfahrwerk 3 der Maschine 1 befindet sich eine Gleisabtasteinheit 9, die über Spurkranzrollen 10 auf dem Gleis 4 gelagert ist. Diese Gleisabtasteinheit 9 ist im wesentlichen als gleisverfahrbare Meßachse 11 ausgebildet, die am Maschinenrahmen 2 verschwenkbar angelenkt und mit diesem anhand von (aus Platzgründen nicht dargestellten) Antrieben höhenverstellbar verbunden ist, mittels derer die Meßachse 11 zu Einsatzbeginn der Maschine 1 auf die Schienen 12 des Gleises 4 abgesenkt bzw. eingegleist wird. Direkt oberhalb der Gleisabtasteinheit 9 ist ein Satellitenempfänger 13 am Maschinenrahmen 2 befestigt, der eine Antenne 14 mit einem Antennenzentrum 15 aufweist und zum Empfang von über Satelliten ausgestrahlten, extraterrestrischen Positionssignalen (oder GPS-Signalen) dient. Ein Laserempfänger 28 dient in Verbindung mit einem Lasersender 29 zur Erzeugung einer Meßlinie 30.
  • Auf der Maschine 1 ist weiters eine Meßvorrichtung 16 vorgesehen, die zur Erfassung der relativen Lage des Antennenzentrums 15 in Bezug auf die Gleisabtasteinheit 9 vorgesehen ist. Diese Meßvorrichtung 16 ist als - mit dem Maschinenrahmen 2 an dessen Unterseite 27 verbundener - Laserscanner 17 mit einer in Maschinenquerrichtung verlaufenden Abtastebene 18 ausgebildet, der einen Ursprung 19 aufweist. Der Ursprung 19 bildet ein optisches Zentrum 24 der Meßvorrichtung 16, die bezüglich der Maschinenlängsrichtung oberhalb der Gleisabtasteinheit 9 positioniert ist. Auf der senkrecht darunter befindlichen Meßachse 11 der Abtasteinheit 9 ist ein zur Abtastung durch den Laserscanner 17 vorgesehenes Abtastziel 20 angeordnet, das als mittig zwischen den Spurkranzrollen 10 befindliches und in Maschinenquerrichtung verlaufendes Lineal 21 ausgebildet ist. Dieses weist einen ebenfalls mittig zwischen den Spurkranzrollen 10 angeordneten Referenzpunkt 22 auf, der die Form eines vom Lineal 21 in vertikaler Richtung abstehenden Stiftes 23 hat.
  • Wie nun auch anhand der Figuren 3, 4 und 5 näher erläutert wird, erfolgt die Erfassung der Lage des Antennenzentrums 15 relativ zur Gleisabtasteinheit 9 unter Bezugnahme auf die folgenden Parameter: Gleisquerneigung β, normal zur Maschinenlängsrichtung verlaufende Querverschiebung d und Vertikaldistanz a. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung einer Gleislage durch Abtasten des Gleises 4 erfolgt - unter Einbeziehung der genannten Parameter - eine rechnerische Verlagerung des Antennenzentrums 15 in Bezug auf den Referenzpunkt 22 der Gleisabtasteinheit 9 durch eine auf der Maschine 1 vorgesehene Recheneinheit 25. In anderen Worten, es wird die Position des auf dem Maschinenrahmen 2 der Maschine 1 befindlichen Antennenzentrums 15 des Satellitenempfängers 13 relativ zum Referenzpunkt 22 der auf dem Gleis 4 abrollbaren und mit der Maschine 1 verbundenen Gleisabtasteinheit 9 ermittelt, womit - über die Bestimmung der Koordinatenposition des Antennenzentrums 15 mit Hilfe der Positionssignale (GPS-Signale) - automatisch auch die absoluten Gleislagekoordinaten im Bereich der Gleisabtasteinheit 9 registriert werden.
  • Fig. 3 zeigt das Messen der Neigung des Maschinenrahmens 2 relativ zur Meßachse 11. In der Regel wird der Maschinenrahmen 2 auf Grund der Federung der Schienenfahrwerke 3 eine andere Querneigung haben als die Meßachse 11, die ja der Gleisquerneigung β entspricht. Diese unterschiedliche Querneigung wird mit dem Laserscanner 17 ermittelt, indem ein XY-Koordinatensystem aufgespannt wird, das seinen Nullpunkt im Ursprung 19 der Abtastebene 18 des Laserscanners 17 hat. Die Koordinaten x1,y1 und x2,y2 der beiden in Maschinenquerrichtung äußeren, auf das Lineal 21 auftreffenden Laserstrahlen bzw. deren Zielpunkte können nun in dem Koordinatensystem berechnet werden. Daraus wird (ebenfalls rechnerisch) die Rahmenneigung α eruiert. Da dieses Winkelmaß a nur den relativen Winkel zwischen Maschinenrahmen 2 und Meßachse 11 angibt, ist es erforderlich, die absolute Rahmenneigung (bezogen auf die Horizontale) zu ermitteln. Dazu wird die der Gleisquerneigung β entsprechende Querneigung der Meßachse 11 durch ein auf dieser angebrachtes Inklinometer 26 gemessen. Von diesem Wert β wird nun die Rahmenneigung α subtrahiert, um die absolute Rahmenneigung zu erhalten.
  • Anhand der Fig. 4 wird das Berechnen des Abstandes und der Höhe zwischen der Meßachse 11 und dem Maschinenrahmen 2 erläutert. Der Laserscanner 17, dessen Winkelauflösung ca. 0,05° beträgt, liefert zu jedem Schritt ein Maß für den Winkel und den Abstand zum abgetasteten Lineal 21. Damit kann der den Referenzpunkt 22 bildende, in der Mitte des Lineals 21 abstehende Stift 23 durch den Laserscanner 17 eindeutig identifiziert bzw. kann dessen horizontale und vertikale Lage relativ zum Ursprung 19 bestimmt werden. In der Folge kann daraus sowohl der horizontale als auch der vertikale Abstand zwischen Maschinenrahmen 2 und Meßachse 11 ermittelt werden. Um den Referenzpunkt 22 zu finden, wird aus den Distanzmessungen des Laserscanners 17 jener Scan gewählt, der die minimale Distanz im Mittenbereich aufweist. Dieser Scan ist gekennzeichnet durch den Abstand a und den Winkel δ in einem XY-Koordinatensystem, in dem der Maschinenrahmen die X-Achse bildet und der Nullpunkt im Ursprung 19 des Laserscanners 17 liegt. Damit wird nun der Referenzpunkt 22 anhand dieser Werte a und ö koordinatenmäßig festgelegt.
  • Da das genannte Koordinatensystem vorerst um die Rahmenneigung aus der Horizontalen gedreht ist, muß - zur Berechnung der vertikalen Höhe und des horizontalen Abstandes zum Nullpunkt - das ganze Koordinatensystem noch rechnerisch um die Rahmenneigung in die Horizontale gedreht werden.
  • Aus der schematischen Darstellung in Fig. 5 sind die wesentlichen Parameter des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ersichtlich. Bei Inbetriebnahme der Maschine 1 bzw. vor Einsatzbeginn werden folgende Konstanten ermittelt:
    • h =
    vertikaler Abstand des Antennenzentrums 15 des Satellitenempfängers 13 über dem Ursprung 19 des Laserscanners 17,
    d =
    horizontaler Abstand zwischen der Antenne 14 bzw. dem Antennenzentrum 15 und dem Ursprung 19 des Laserscanners 17,
    b =
    Abstand zwischen der Innenkante der Schiene 12 und dem Referenzpunkt 22 auf dem Lineal 21, und
    c =
    vertikaler Abstand des Lineals 21 bzw. des Referenzpunktes 22 über der Schienenoberkante der Schiene 12.
  • Die anhand der Fig. 3 und 4 beschriebenen Messungen und Berechnungen ergeben folgende Werte:
    • α =
    (relative) Querneigung des Maschinenrahmens 2,
    β =
    Querneigung des Gleises 4, die der Querneigung der Meßachse 11 entspricht,
    δ =
    Winkel, bei dem der Laserscanner 17 den Stift 23 bzw. Referenzpunkt 22 erkennt, und
    a =
    vom Laserscanner 17 gemessene Distanz zwischen Ursprung 19 des Scanners und dem Referenzpunkt 22 auf dem Lineal 21.
  • Aus der Gesamtheit dieser Daten wird sodann rechnerisch der vertikale Abstand und die horizontale Distanz zwischen der GPS-Antenne 14 und dem Berührungspunkt der Gleisabtasteinheit 9 mit der Schiene 12 bestimmt.

Claims (8)

  1. Gleisbaumaschine (1) mit einem durch Schienenfahrwerke (3) auf einem Gleis (4) verfahrbaren Maschinenrahmen (2) und einer mit diesem verstellbar verbundenen und durch Spurkranzrollen (10) am Gleis (4) verfahrbaren Gleisabtasteinheit (9), dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinenrahmen (2) mit einem eine Antenne (14) mit einem Antennenzentrum (15) aufweisenden Satellitenempfänger (13) verbunden ist, und daß eine Meßvorrichtung (16) zur Erfassung der relativen Lage des Antennenzentrums (15) in bezug auf die Gleisabtasteinheit (9) bezüglich der Parameter: Gleisquerneigung (β), normal zur Maschinenlängsrichtung verlaufende Querverschiebung (d) und Vertikaldistanz (a) sowie eine Recheneinheit (25) zur rechnerischen Verlagerung des Antennenzentrums (15) in Bezug auf einen Referenzpunkt (22) der Gleisabtasteinheit (9) vorgesehen ist.
  2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (16) als mit dem Maschinenrahmen (2) verbundener Laserscanner (17) mit einer in Maschinenquerrichtung verlaufenden, einen Ursprung (19) aufweisenden Abtastebene (18) ausgebildet ist.
  3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Gleisabtasteinheit (9) mittig zwischen den Spurkranzrollen (10) ein in Maschinenquerrichtung verlaufendes, zur Abtastung durch den Laserscanner (17) vorgesehenes Abtastziel (20) mit dem ebenfalls mittig zwischen den Spurkranzrollen (10) positionierten Referenzpunkt (22) angeordnet ist.
  4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastziel (20) als Lineal (21) und der Referenzpunkt (22) als vom Lineal (21) abstehender Stift (23) ausgebildet ist.
  5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Zentrum (24) der Meßvorrichtung (16) bezüglich der Maschinenlängsrichtung oberhalb der Gleisabtasteinheit (9) an einer Unterseite (27) des Maschinenrahmens (2) angeordnet ist.
  6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleisabtasteinheit (9) als mit einem Laserempfänger (28) zur Erzeugung einer Meßlinie (30) verbundene Meßachse (11) ausgebildet ist, die bezüglich der Arbeitsrichtung der Maschine (1) vor dem vorderen Schienenfahrwerk (3) verschwenkbar am Maschinenrahmen (2) angelenkt ist.
  7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (14) des Satellitenempfängers (13) oberhalb der Gleisabtasteinheit (9) mit dem Maschinenrahmen (2) verbunden ist.
  8. Verfahren zur Erfassung einer Gleislage durch Abtasten eines Gleises (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Position eines auf einer Maschine (1) befindlichen Antennenzentrums (15) eines zum Empfang von extraterrestrischen Positionssignalen vorgesehenen Satellitenempfängers (13) relativ zu einem Referenzpunkt (22) einer auf dem Gleis (4) abrollbaren, mit der Maschine (1) verbundenen Gleisabtasteinheit (9) ermittelt wird und somit über die Bestimmung der Koordinatenposition des Antennenzentrums (15) mit Hilfe der Positionssignale automatisch auch die absoluten Gleislagekoordinaten im Bereich der Gleisabtasteinheit (9) registriert werden.
EP02450117A 2001-06-21 2002-05-15 Gleisbaumaschine und Verfahren zur Erfassung einer Gleislage Expired - Lifetime EP1270814B1 (de)

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EP1270814A2 EP1270814A2 (de) 2003-01-02
EP1270814A3 EP1270814A3 (de) 2004-01-02
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