JP6706169B2 - 生産スケジュール作成システムおよび生産スケジュール作成方法 - Google Patents

生産スケジュール作成システムおよび生産スケジュール作成方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、生産スケジュール作成システムおよび生産スケジュール作成方法に関する。
製品を生産するための工程や資源に関する種々のデータを格納部に格納しておき、製品の納期等を入力することで、資源への工程の割付を含む生産スケジュールを自動的に生成する生産スケジュール作成システムがある。生産スケジュール作成システムによって作成される生産スケジュールは、人が見て理解し易く、効率的であることが望ましい。
特開2004−126709号公報
本発明が解決しようとする課題は、理解が容易であり、かつより効率的な生産スケジュールを作成可能な生産スケジュール作成システムおよび生産スケジュール作成方法を提供することである。
実施形態に係る生産スケジュール作成システムは、複数の工程および複数の資源に関する情報を格納する格納部と、前記複数の工程から1つの前記工程を選択する工程選択と、前記複数の資源から当該工程で使用される前記資源を選択する資源選択と、を前記複数の工程のそれぞれに対して繰り返し行うことで、生産スケジュールを作成するスケジュール作成部と、を備えた生産スケジュール作成システムであって、前記格納部は、前記生産スケジュールが前記複数の工程選択および前記複数の資源選択を行う際の生産ルールをさらに格納し、前記スケジュール作成部は、前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の一部において、前記生産ルールに従って選択を行い、前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の他の一部において、前記生産ルールを無視して選択を行う。
実施形態に係る生産スケジュール作成システムの構成を表すブロック図である。 モデル取得部により取得されるモデルの一例を表す模式図である。 スケジュール作成部による生産スケジュールの作成方法を表すフローチャートである。 (a)ルールデータベースに記憶されている工程選択ルールの一例を示す表である。(b)ルールデータベースに記憶されている資源選択ルールの一例を示す表である。 生産スケジュールを作成する際の工程および資源の探索木の一例を表す模式図である。 (a)焼きなまし法を用いる際の解のコーディングの一例を表す模式図である。(b)焼きなまし法を用いる際のマッピングの一例を表す模式図である。 焼きなまし法のフローチャートである。 全ての工程選択および全ての資源選択を、生産ルールに従って行った場合に得られる生産スケジュールの一例である。 生産ルールを用いず、全ての工程選択および全ての資源選択を最適化した場合に得られる生産スケジュールの一例である。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、実施形態に係る生産スケジュール作成システム100の構成を表すブロック図である。
図1に表すように、生産スケジュール作成システム100は、入力部10、情報取得部12、スケジュール作成部14、表示部16、および格納部20を備える。
格納部20には、オーダデータベース21、部品データベース22、工程フローデータベース23、資源データベース24、およびルールデータベース25が格納されている。
オーダデータベース21には、例えば、オーダ番号、品種、数量、および納期などの情報が記憶されている。
部品データベース22には、各オーダ品の生産に用いられる部品の情報が記憶されている。部品データベース22には、例えば、各部品の名称や型番などの情報が記憶されている。
工程フローデータベース23には、例えば、各部品を生産するための工程の順序や、各工程に必要な資源、各工程の工数などの情報が記憶されている。
資源データベース24には、例えば、製造装置、各製造装置の稼働可能な時間帯、各製造装置の生産能力、要員などの情報が記憶されている。
ルールデータベース25には、オーダ品を生産する際の工程および資源のスケジューリングに関する生産ルールが記憶されている。その他、ルールデータベース25には、スケジュール作成部14によって作成された生産スケジュールを評価するための評価関数が記憶されている。
入力部10は、キーボードやマウスなどである。生産スケジュール作成システム100の使用者は、入力部10を用いて、生産スケジュール作成の対象となるオーダを入力し、生産スケジュールの作成を指示する。
入力部10から生産スケジュール作成の指示が入力されると、情報取得部12は、格納部20のオーダデータベース21および部品データベース22にアクセスし、オーダ品に関する情報と、当該オーダ品の生産に必要な部品の情報を取得する。続けて、情報取得部12は、工程フローデータベース23および資源データベース24にアクセスし、それらの部品を生産するための工程フローや資源などの情報を取得する。
図2は、情報取得部12により取得される工程フローモデルの一例を表す模式図である。
例えば、情報取得部12は、図2に表すような工程フローモデルを工程フローデータベース23から取得する。
工程フローモデルは、例えばAON(Activity On Node)ネットワークを構成するノードおよびアークで表されている。ここでは、部品を生産するための各工程における作業がノードに相当し、工程間の作業順序の繋がりがアークに相当する。また、各ノードには、作業に用いられる資源が割り当てられている。
図2に表す例では、工程フローモデルが、3つのノードN1〜N3および2つのアークA1とA2を含む。ノードN1〜N3は、それぞれ、工程A〜Cに対応するとともに、資源1〜3が割り当てられている。また、図2に表す工程フローモデルでは、工程AおよびBの開始以降に工程Cが行われることが表されている。
アークは、さらに最小待ち時間や最大待ち時間などの情報を含む。例えば、工程Aが完了してから工程Bが開始されるまでの最低限の待ち時間が、最小待ち時間として設定されている。または、工程Aが完了してから工程Bが開始されるまでの最大の待ち時間が、最大待ち時間として設定されている。あるいは、工程Aが完了する前に工程Bが開始されるように待ち時間が設定されていてもよい。
情報取得部12によって工程フローモデルやその他の必要な情報が取得されると、スケジュール作成部14は、ルールデータベース25に記憶された生産ルールを参照しつつ、情報取得部12によって取得された情報に基づいて、生産スケジュールを作成する。
ここで、スケジュール作成部14が、ルールデータベース25に記憶された生産ルールに従って生産スケジュールを作成する場合の流れについて、図3および図4を用いて説明する。
図3は、スケジュール作成部14による生産スケジュールの作成方法を表すフローチャートである。
図4は、ルールデータベース25に記憶されている生産ルールの一例である。
より具体的には、図4(a)に示す表には、生産ルールのうち工程選択ルールの一例が記載され、図4(b)に示す表には、生産ルールのうち資源選択ルールの一例が記載されている。
まず、ステップS1において、スケジュール作成部14は、モデルに含まれる工程(ノード)を1つ選択する。このとき、スケジュール作成部14は、図4(a)に示された工程選択ルールに従って、工程を選択する。
続いて、ステップS2において、スケジュール作成部14は、選択された工程に割り当てる資源を決定する。このとき、スケジュール作成部14は、図4(b)に示された資源選択ルールに従って、資源を選択する。
このとき、ステップS2では、工程に割り当てる資源の数や資源の種類等が選択される。例えば、工程に割り当てることが可能な製造装置が複数台ある場合は、その数を選択する。また、同様の工程を実行でき、互いに代替可能な複数の製造装置がある場合、いずれの製造装置を使用するかが選択される。
次に、ステップS3において、あらかじめ使用者によって設定された割付ルールに基づいて、選択された工程の開始時刻および終了時刻が決定される。割付ルールは、例えば、フォワードスケジューリング方式またはバックワードスケジューリング方式である。フォワードスケジューリング方式は、生産の開始日時を起点とし、各工程を未来へ向って並べ、スケジューリングしていく方式である。バックワードスケジューリング方式は、これとは反対に、オーダ品の納期を起点とし、部品の生産状況、要員、資源の能力などを元にして、日を遡ってスケジューリングしていく方式である。
次のステップS4では、工程フローモデルに含まれる全ての工程に対して、資源が選択され、開始時刻および終了時刻が決定されたか、判断される。資源の選択、開始時刻および終了時刻の決定がなされていない工程が存在する場合、スケジュール作成部14は、ステップS1〜S3を再度行い、工程選択および資源選択と、開始時刻および終了時刻の決定を繰り返す。
以上のステップS1〜S4により、スケジュール作成部14によって、ルールデータベース25に記憶された生産ルールに沿った生産スケジュールが作成される。
次に、スケジュール作成部14によって、工程選択および資源選択の一部がルールデータベース25の生産ルールから逸脱して行われる場合について説明する。この点について、図5を用いて説明する。
図5は、生産スケジュールを作成する際の工程および資源の探索木の一例を表す模式図である。
図5において、上から1段目および3段目は、選択可能な工程の候補を表し、上から2段目および4段目は、選択可能な資源の候補を表している。また、図5において、実線は、生産ルールに従った場合の選択結果を表している。破線は、生産ルールを無視した場合に選択可能な候補を表している。一点鎖線は、生産ルールを無視した選択結果の一例を表している。
すなわち、図5に表す探索木において、図4に示す生産ルールに従って工程選択および資源選択を行った場合、図5に表すbのルートを辿ることになる。一方、1つ目の工程選択において図4に示す生産ルールを無視し、それ以降は生産ルールに従って工程選択および資源選択を行った場合、ルートc、d、またはeのいずれかを辿ることとなる。また、1つ目の工程選択は生産ルールに従い、その後の資源選択において生産ルールを無視し、以降の工程選択および資源選択において生産ルールに従うと、ルートaを辿ることになる。
スケジュール作成部14は、図4に示す生産ルールに従った生産スケジュールを作成する一方で、このように、工程選択および資源選択の一部で生産ルールを無視した場合の生産スケジュールも作成する。これは、選択の一部において生産ルールを無視することで、システムの使用者にとって、より望ましい生産スケジュールを得られる可能性が在るためである。
スケジュール作成部14が、生産ルールに従って得られた生産スケジュールと、選択の一部において生産ルールを無視して得られた生産スケジュールと、の比較を行うことができるように、ルールデータベース25には、評価関数が記憶されている。評価関数に用いられる要素としては、例えば、生産の開始から完了までの時間(メイクスパン)や、使用される資源の偏りの少なさ、納期までの期間などが挙げられる。
また、スケジュール作成部14によって作成された生産スケジュールが、実際に実行可能かどうかを判断するために、ルールデータベース25には、生産スケジュールが実現可能なものであるための条件が記憶されている。このような条件としては、例えば、製造途中の中間製品や部品の置き場などが挙げられる。
スケジュール作成部14は、作成されたスケジュールが実現可能かどうかを判定し、実現可能と判定されたもののみを抽出してもよい。あるいは、システムの使用者が修正を加えることを前提として、スケジュール作成部14は、実現可能かどうかを判定せずに、作成されたスケジュールをそのまま抽出してもよい。
N個の工程選択およびN個の資源選択に対して、V回のルール無視が行われるように設定されている場合、生産スケジュール作成システムは、理想的には、2N個からV個を選び出す全ての場合分けについて生産スケジュールを作成し、それらの生産スケジュールの中から、最も評価値の高いものを抽出する。
しかしながら、現実的には、このような方法を採用すると計算時間が膨大なものとなる。このため、本実施形態では、スケジュール作成部14は、2N個からV個を選択する際に、V個の少なくとも一部が互いに異なるいくつかの生産スケジュールを作成し、それらの生産スケジュールを比較し、最も評価値が高いものを抽出する。
このとき、より評価値の高い生産スケジュールを作成するために、スケジュール作成部14は、メタヒューリスティクス、探索法、または厳密解法などの手法を用いることが望ましい。
メタヒューリスティクスとしては、焼きなまし法(Simulated Annealing)や、遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithm)、タブーサーチ(Tabu Search)などを用いることができる。探索法としては、モンテカルロ木探索(MonteCarlo Tree Search)を用いることができる。厳密解法としては、混合整数線形計画法(Mixed Integer Programming)を用いることができる。
なお、本実施形態に係る生産スケジュール作成システムでは、メイクスパンや資源の負荷の偏り、納期までの期間などの評価項目において、システムの使用者にとって望ましいほど、評価関数によって得られる値が大きくなるように設定されている。従って、上述の説明では、スケジュール作成部14が評価値の高い生産スケジュールを抽出するものとして記載している。
しかし、この例に限らず、例えば、システムの使用者にとって望ましい生産スケジュールであるほど、評価関数によって得られる値が小さくなるように評価関数を設定してもよい。すなわち、評価関数によって得られる値と作成される生産スケジュールに対する評価との関係性については任意であり、評価関数は、当該評価関数によって得られる値を用いて生産スケジュールを評価することが可能であれば、その具体的な内容は適宜変更可能である。
ここで、スケジュール作成部14が、焼きなまし法を用いて複数の生産スケジュールを作成する場合について、図6を参照して説明する。
図6(a)は、焼きなまし法を用いる際の解のコーディングの一例を表す模式図であり、図6(b)は、焼きなまし法を用いる際のマッピングの一例を表す模式図である。
上述したように、N個の工程のスケジューリングを行う際には、工程および資源をそれぞれN回選択する。図6に表す解コーディングでは、これを、0以上1未満の実数を値として有する2Nの長さの配列として表している。
この解コーディングにおいて、i番目の要素の値は、i番目の工程選択または資源選択に写像される。なお、要素の値が0の場合は、生産ルールに従った選択肢に写像される。また、生産ルールを無視した場合の選択肢の数によって、0〜1の間の数字が均等に分割されており、0より大きく1未満の場合は、対応する数値の選択肢に写像される。
具体的には、図6(a)に表す解コーディングの配列のうち、1番目および4〜6番目の要素には、0が振られている。このため、これらの工程選択および資源選択においては、生産ルールに従った選択が行われる。
一方で、配列の2番目には、0.23が振られている。ここで、一例として、2番目の要素に対応する資源選択において、図6(b)の右側の探索木に表すように、生産ルールを無視する選択が4通り存在するとする。このとき、図6(b)の左側に表すように、0〜1の間の数値が4等分され、数値に対応する選択肢が選択される。図6(b)に表す例では、図6(b)の探索木において、1番の資源が選択される。
3番目の要素においても、同様に、生産ルールを無視した場合に4通りの工程選択が存在する場合、0.88の値に対応する4番目の選択肢が選択される。
2N個の配列のうち、どの要素に0より大きい値を設定するか(どのように探索するか)については種々の方法を採用することが可能である。一例として、本実施形態に係る生産スケジュール作成システムにおいては、各要素に対して所定の確率で、インデックスおよび乱数を付与する。具体的には、2N個の各要素に対して確率γで、インデックスを1〜2Nの一様乱数で選択し、実数値を0〜1の一様乱数で決定する。
上述した解のコーディング方法、評価、および探索法を用いて、焼きなまし法により、選択の一部において生産ルールを無視した生産スケジュールの作成を行う。
図7は、焼きなまし法のフローチャートである。
ステップS11において、初期温度T(0)、クーリング回数C、定常状態遷移回数D、およびクーリング係数αが設定される。
ステップS12において、現在の解のコーディングi=x(t)をもとに、近傍jの作成を行い、マッピングロジックを用いて解の作成を行う。それぞれの解のコスト関数をJ(i)、J(j)とする。
ステップS13では、受理判定が行われ、ステップS14では、状態遷移が行われる。
初回は100%受理の判定がなされる。2回目以降は、以下の確率に従い受理の判定が行われる。
J(j)≦J(i)の場合:x(t+1)=i
J(j)>J(i)の場合:exp((J(i)-J(j))/T(t))の確率でx(t+1)=i。それ以外は、x(t+1)=jとする。
ステップS15では、クーリング判定が行われる。現在の温度での受理判定回数がD回以下である場合、ステップS16に進み、D回より大きい場合は、ステップS12に進む。
ステップS16では、クーリングが行われ、温度T(t+1)=αT(t)に設定される。
ステップS17では、クーリング回数が判定される。クーリング回数がC回に達したらプログラムが終了する。
このように、焼きなまし法を用いて、よりコストが小さい生産スケジュールが得られるように状態を遷移(ルールを無視する選択を変化)させていくことで、より効率的な生産スケジュールを得ることができる。
以上で説明した方法により、スケジュール作成部14では、図4に示す生産ルールに従った生産スケジュールと、選択の一部において生産ルールを無視した生産スケジュールと、が作成される。
スケジュール作成部14で生産スケジュールが作成されると、表示部16は、それらの生産スケジュールを可視化して表示する。例えば、表示部16は、システムの使用者が理解し易いように、生産スケジュールをガントチャート等で表示する。
このとき、表示部16は、選択の一部において生産ルールを無視した生産スケジュールと、生産ルールに従った生産スケジュールと、の相違点を使用者が把握しやすいように、生産スケジュールを表示する。表示部16は、例えば、生産ルールを無視して選択された工程に対応する箇所を、他の生産ルールに従って選択した工程と区別できるように、生産スケジュールを表示する。
また、使用者は、表示部16によってスケジュール作成部14によって作成された生産スケジュールを確認するとともに、必要であれば、入力部10を用いて生産スケジュールに修正を加えることができる。
ここで、本実施形態による効果について説明する。
従来、生産スケジュールの作成においては、図4に示すような生産ルールを設定し、この生産ルールに従って図3に表すフローを実行していた。生産ルールに従って作成された生産スケジュールは、工程間の空きが小さいため、リードタイムが短く、工程間における中間製品の置き場も少なくて済む点で優れているが、メイクスパンについては、長くなる傾向にある。
一方で、従来、メイクスパンが短くなるように各工程を最適化して並べた生産スケジュールを作成することも行われている。ただし、このような手法によって作成された生産スケジュールは、メイクスパンが短いものの、その実現に困難を伴うことが多かった。
これらの点について、図8および図9を用いて具体的に説明する。
図8は、全ての工程選択および全ての資源選択を、生産ルールに従って行った場合に得られる生産スケジュールの一例である。
図9は、生産ルールを用いず、全ての工程選択および全ての資源選択を最適化した場合に得られる生産スケジュールの一例である。
図8および図9において、縦軸は生産される部品を表し、横軸は時間を表している。また、図8および図9において、各部品の横には、当該部品を生産するための工程が並べられている。
なお、図8および図9は、同じモデルに基づいて得られた生産スケジュールであり、どちらも工程がバックワードスケジューリング方式で並べられている。
図8に表すように、生産ルールに従って作成された生産スケジュールは、各部品の工程がまとまり、工程間の空きが小さくなっている。このため、リードタイムが短く、工程間における中間製品の置き場も少なくて済む。図8に表す例では、メイクスパンは、約5年である。
図9に表すように、生産ルールを無視し、全ての工程選択および全ての資源選択を最適化した場合、メイクスパンは約4年になり、大きく短縮されている。しかしながら、各部品の工程間の空きが大きく、生産スケジュール自体も理解が困難なものとなっている。
生産スケジュールをシステムによって作成する場合、生産スケジュールに影響を与えうる全ての要因をシステムに入力し、その上で生産スケジュールを作成することが理想的ではあるが、これは現実的ではない。このため、一般的には、システムによって作成された生産スケジュールを使用者が確認し、必要に応じて修正が加えられる。従って、システムによって作成された生産スケジュールを人が理解できない場合、修正を加えることもできず、生産スケジュールの実現が困難となる。
そこで、本実施形態に係る生産スケジュール作成システムでは、スケジュール作成部14が、生産スケジュールを作成する際に、複数の工程選択および複数の資源選択の一部において、生産ルールに従って選択を行い、複数の工程選択および複数の資源選択の他の一部において、生産ルールを無視して選択を行う。
このように、スケジュール作成部14が、複数の工程選択および複数の資源選択の一部において生産ルールを無視することで、生産スケジュールの理解し易さを大きく損なわずに、メイクスパンの短縮や資源の負荷の平準化が可能となり、より効率的な生産スケジュールを作成することが可能となる。
なお、複数の工程選択および複数の資源選択の一部において生産ルールを無視した結果、全ての選択を生産ルールに従って行った場合に比べて、メイクスパン等で劣る生産スケジュールが作成される可能性も在る。
このため、スケジュール作成部14は、全工程選択および全資源選択のうち、生産ルールを無視した選択の少なくとも一部が互いに異なる複数の生産スケジュールを作成することが望ましい。複数の生産スケジュールを作成することで、全ての選択を生産ルールに従って作成される生産スケジュールに比べて、効率的な生産スケジュールを得られる可能性を高めることができる。
このとき、より短い時間(より少ない計算量)でより効率的な生産スケジュールを作成するためには、複数の工程選択および複数の資源選択のうち生産ルールを無視する選択を、例えば、メタヒューリスティクスを用いて探索することが望ましい。
また、本実施形態に係る生産スケジュール作成システムにおいて、表示部16は、スケジュール作成部14によって作成された生産スケジュールを表示する際に、工程選択および資源選択において、生産ルールを無視した選択を、生産ルールに従って選択した工程と区別して表示する。こうすることで、システムの使用者がルールを無視した箇所を容易に把握することができ、作業効率を向上させることが可能となる。
なお、上述した例では、工程選択および資源選択を行う際に、全工程選択および全資源選択に対して生産ルールを無視する可能性が設定されていた。本実施形態に係る生産スケジュール作成システムでは、これに限らず、工程選択および資源選択の一部のみについて、生産ルールを無視する可能性を設定することも可能である。
このような一例として、フォワードスケジューリング方式において、最初に選択する工程についてのみ生産ルールを無視することを許可する場合が考えられる。この場合、生産スケジュールの最初に配される工程を変化させていった場合に、どのようにメイクスパンや資源の負荷の偏りが変化するかを調べることができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
10 入力部、 12 情報取得部、 14 スケジュール作成部、 16 表示部、 20 格納部、 21 オーダデータベース、 22 部品データベース、 23 工程フローデータベース、 24 資源データベース、 25 ルールデータベース、 100 生産スケジュール作成システム

Claims (6)

  1. 複数の工程および複数の資源に関する情報を格納する格納部と、
    前記複数の工程から1つの前記工程を選択する工程選択と、前記複数の資源から当該工程で使用される前記資源を選択する資源選択と、を前記複数の工程のそれぞれに対して繰り返し行うことで、生産スケジュールを作成するスケジュール作成部と、
    を備えた生産スケジュール作成システムであって、
    前記格納部は、前記生産スケジュールが前記複数の工程選択および前記複数の資源選択を行う際の生産ルールをさらに格納し、
    前記スケジュール作成部は、
    前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の一部において、前記生産ルールに従って選択を行い、
    前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の他の一部において、前記生産ルールを無視して選択を行う、
    生産スケジュール作成システム。
  2. 前記スケジュール作成部は、前記複数の工程選択および前記複数の資源選択のうち、前記生産ルールを無視した選択の少なくとも一部が互いに異なる複数の前記生産スケジュールを作成する請求項1記載の生産スケジュール作成システム。
  3. 前記格納部は、前記スケジュール作成部によって作成された生産スケジュールを評価する評価関数をさらに格納し、
    前記スケジュール作成部は、作成された前記複数の生産スケジュールのそれぞれを前記評価関数を用いて評価し、前記評価結果を用いて複数の前記生産スケジュールから1つの前記生産スケジュールを抽出する請求項2記載の生産スケジュール作成システム。
  4. 前記スケジュール作成部により作成された前記生産スケジュールを可視化して表示する表示部をさらに備え、
    前記表示部は、前記生産ルールを無視した前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の前記他の一部を、前記生産ルールに従った前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の前記一部と、区別して表示する請求項1〜3のいずれか1つに記載の生産スケジュール作成システム。
  5. 前記スケジュール作成部は、前記複数の工程選択および前記複数の資源選択のうち、前記生産ルールを無視する選択を、メタヒューリスティクスを用いて探索する請求項記載の生産スケジュール作成システム。
  6. 生産スケジュール作成システムのスケジュール作成部が、複数の工程から1つの前記工程を選択する工程選択と、複数の資源から当該工程で使用される前記資源を選択する資源選択と、を前記複数の工程のそれぞれに対して繰り返し行うことで、生産スケジュールを作成する生産スケジュール作成方法であって、
    前記スケジュール作成部は、前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の一部において、生産ルールに従って選択を行い、前記複数の工程選択および前記複数の資源選択の他の一部において、前記生産ルールを無視して選択を行う生産スケジュール作成方法。

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