發(fā)布時間：2019-10-18 點擊：

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涂層機專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫前洲興華機械2019年10月18日訊  推進紡織智能制造作為我國在紡織工業(yè)“十三五”期間的6項重點任務(wù)之一，需要在先進紡織裝備、紡織信息化技術(shù)和大規(guī)模個性化定制模式等方面展開突破性工作，幫助紡織行業(yè)實現(xiàn)在全球貿(mào)易新格局、消費市場新空間、產(chǎn)業(yè)模式新變革、區(qū)域結(jié)構(gòu)新局面下的轉(zhuǎn)型升級。

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東華大學(xué)機械工程學(xué)院 張潔 呂佑龍

上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院  汪俊亮 王海超

隨著傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和其他具備感知能力的智能設(shè)備在生產(chǎn)車間的大量、廣泛使用，制造業(yè)數(shù)據(jù)具備了海量體量、高實時性、高多樣性和高潛在價值等大數(shù)據(jù)特點。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基石，利用大數(shù)據(jù)的驅(qū)動力實現(xiàn)智能制造目標(biāo)，已經(jīng)是新一代工業(yè)革命的大勢所趨。

1)德國工業(yè)4.0計劃將大數(shù)據(jù)技術(shù)與移動計算、社會化媒體、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，作為推動下一次工業(yè)革命的核心動力；

2)美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項口希望通過智能機器間的連接并最終人機連接，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，重構(gòu)全球工業(yè)，激發(fā)生產(chǎn)力；

3)《中國制造2025》規(guī)劃指出，要以信息化與工業(yè)化深度融合為主線，重點促進以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)等的融合創(chuàng)新，發(fā)展壯大新興業(yè)態(tài)，打造新的產(chǎn)業(yè)增長點。

具體來說，大數(shù)據(jù)蘊含的巨大價值主要體現(xiàn)在可以幫助實現(xiàn)更透明、更精益、更高效、更智能的生產(chǎn)過程:

1)大數(shù)據(jù)的透明化作用包括了物理和信息2個層面，其中物理層面主要體現(xiàn)在通過數(shù)據(jù)實時采集手段實現(xiàn)對工廠生產(chǎn)過程的全面掌握，信息層面主要體現(xiàn)在通過大數(shù)據(jù)分析手段實現(xiàn)工廠運行規(guī)律的挖掘和運用；

2)大數(shù)據(jù)的精益化作用體現(xiàn)在對生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)全面監(jiān)控與管理的基礎(chǔ)上，利用大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析算法，對生產(chǎn)過程中的物料、工藝、人員、設(shè)備、計劃等要素進行更加精確的管控;

3)大數(shù)據(jù)的智能化作用體現(xiàn)在從設(shè)備自動化出發(fā)，利用互通互聯(lián)、數(shù)據(jù)集成、信息分析、知識歸納和智能應(yīng)用過程，實現(xiàn)面向多個維度性能優(yōu)化需求的制造過程智能決策，提升工廠制造水平；

4)大數(shù)據(jù)的高效化作用體現(xiàn)在將智能決策方法應(yīng)用在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、工藝自動規(guī)劃、制造過程監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量管控、售后維護服務(wù)等多個應(yīng)用場景，幫助提高工廠性能的持續(xù)提升，帶來可觀成本效益。

在以上背景下，本文討論如何利用大數(shù)據(jù)技術(shù)推動紡織行業(yè)的透明化、精益化、智能化、高效化生產(chǎn)過程，形成以大數(shù)據(jù)為核心的紡織智能制造體系架構(gòu)，對紡織行的智能化轉(zhuǎn)型升級具有一定借鑒價值。

1紡織智能制造需求

參照工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型( RAMI 4.0)和中國智能制造標(biāo)準(zhǔn)化參考模型，紡織智能制造體系應(yīng)該是考慮了產(chǎn)品全生命周期、多個階段價值鏈和多層次系統(tǒng)架構(gòu)的多維度建設(shè)工作:1)需要包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、物流輸送、市場銷售和售后服務(wù)等紡織產(chǎn)品全生命周期的各個環(huán)節(jié);2)需要實現(xiàn)資源配置、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合和新興業(yè)態(tài)的紡織制造價值不斷提升;3)需要完成設(shè)備層、控制層、管理層、企業(yè)層、網(wǎng)絡(luò)層等系統(tǒng)層次化架構(gòu)的全面構(gòu)建與實現(xiàn)。

在滿足以上智能制造建設(shè)需求的過程中，信息物理融合系統(tǒng)(簡稱CPS)起著十分重要的作用。在利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面互聯(lián)紡織制造過程各加工工序設(shè)備的基礎(chǔ)上，CPS系統(tǒng)在將紡織原料轉(zhuǎn)換為智能產(chǎn)品的過程中，通過接人服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)產(chǎn)品智能設(shè)計、設(shè)備智能維護、質(zhì)量智能控制、生產(chǎn)智能調(diào)度、物流智能規(guī)劃等一系列智能服務(wù)功能，幫助紡織產(chǎn)品制造過程從自動化逐步提升為智能化和服務(wù)化。

此外，隨著大量紡織工藝設(shè)備、眾多供應(yīng)鏈成員、不同信息系統(tǒng)的互通互聯(lián)，紡織行業(yè)數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)進一步爆發(fā)趨勢。通過集成市場、設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、管理和銷售等的海量數(shù)據(jù)，紡織行業(yè)將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)的融合與協(xié)同優(yōu)化;通過分析挖掘這些數(shù)據(jù)中所蘊含的特征信息、規(guī)律知識和應(yīng)用智能，紡織行業(yè)的整體智能化水平將得到顯著提升;通過將這些大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到精準(zhǔn)營銷模式、眾創(chuàng)設(shè)計平臺、自動工藝規(guī)劃、自適應(yīng)生產(chǎn)調(diào)整和自主設(shè)備維護等環(huán)節(jié)，為紡織制造業(yè)帶來新的業(yè)務(wù)增長與附加價值。

綜上所述，需要以CPS系統(tǒng)為核心環(huán)節(jié)、大數(shù)據(jù)為驅(qū)動基礎(chǔ)，從產(chǎn)品全生命周期、制造價值鏈和層次化架構(gòu)3個維度，打造大數(shù)據(jù)驅(qū)動的紡織智能制造平臺架構(gòu)體系。

2紡織智能制造平臺體系架構(gòu)

參考工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型與中國智能制造標(biāo)準(zhǔn)化參考模型，本文提出以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)、信息物理融合平臺為核心、3大集成為手段的紡織智能制造平臺體系架構(gòu)，如圖1所示(圖中，ERP系統(tǒng)是企業(yè)資源計劃系統(tǒng)的簡稱，PDM系統(tǒng)是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的簡稱)。其中，橫向集成實現(xiàn)紡織生產(chǎn)車間及紡織供應(yīng)鏈的協(xié)同優(yōu)化;縱向集成實現(xiàn)制造過程的互聯(lián)化、數(shù)據(jù)化、信息化、知識化和智能化;端到端集成實現(xiàn)企業(yè)不同部門之間協(xié)同管理。

圖1 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的紡織智能制造體系架構(gòu)

2.1橫向集成

紡織行業(yè)智能制造的橫向集成指面向紡織產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，實現(xiàn)物料、信息的全面集成，其可分為企業(yè)間橫向集成與企業(yè)內(nèi)橫向集成2部分，如圖2所示(圖中MES是制造執(zhí)行系統(tǒng)的簡稱)。企業(yè)間的橫向集成旨在打通產(chǎn)業(yè)鏈的信息壁壘，加速生產(chǎn)、采購、物流過程，提高產(chǎn)業(yè)協(xié)同水平，使大規(guī)模定制成為可能。針對紡織產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)上游的纖維制造、紡紗，中游的織物織造、染整，下游的服飾制造與流通全流程的信息與物料集成。企業(yè)內(nèi)部的橫向集成指在生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程、業(yè)務(wù)經(jīng)營和信息系統(tǒng)上實現(xiàn)資源、業(yè)務(wù)和信息的全面集成。

圖2 紡織產(chǎn)業(yè)橫向集成工作

大數(shù)據(jù)催生了橫向集成的新需求，在企業(yè)間的橫向集成中，各企業(yè)之間采用的信息系統(tǒng)各不相同，如何構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)是急需解決的關(guān)鍵問題。在企業(yè)內(nèi)部，構(gòu)建在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場總線基礎(chǔ)之上的全流程數(shù)據(jù)的全局存儲、組織、查詢與分析應(yīng)用，是實現(xiàn)橫向集成中的關(guān)鍵。

2.2縱向集成

紡織過程中的縱向集成包括制造服務(wù)封裝，制造服務(wù)平臺與制造服務(wù)配置3個層次的縱向集成架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 織造車間縱向集成

制造服務(wù)封裝指對制造資源、制造服務(wù)、制造能力進行封裝，實現(xiàn)資源、能力、服務(wù)的虛擬化封裝。制造服務(wù)平臺對流程中涉及的計劃、工藝、質(zhì)量、物料和設(shè)備多個維度進行集成〕以織造過程為例，從織造車間的生產(chǎn)計劃與調(diào)度、織造工藝執(zhí)行與管理、織造生產(chǎn)過程質(zhì)量管理、織造生產(chǎn)物流管理、織造車間設(shè)備管理5個方面實現(xiàn)集成。制造服務(wù)配置指在制造服務(wù)平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同共享，智能生產(chǎn)線構(gòu)建服務(wù)、生產(chǎn)工藝實時優(yōu)化決策與生產(chǎn)進程監(jiān)控等多項配置功能。

2.3端到端集成

在紡織產(chǎn)品的智能制造中，客戶將參與到產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)中來，全產(chǎn)業(yè)鏈進行了更緊密的整合。在紡織車間的端到端集成基于高效的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將供應(yīng)商、銷售商、客戶、織物的應(yīng)用環(huán)境與生產(chǎn)環(huán)境進行集成，快速、高效地完成織物設(shè)計、織物織造與染整、售后服務(wù)、信息反饋和織物回收，這使得紡織產(chǎn)品的大規(guī)模定制成為可能。成衣制造的端到端集成如圖4所示。

針對端到端集成目標(biāo)，需要在大數(shù)據(jù)平臺中組織面向不同業(yè)務(wù)場景的數(shù)據(jù)倉庫，運用智能決策方法滿足業(yè)務(wù)需求。首先要針對供應(yīng)商、銷售商、客戶等每一端形成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)報文，實現(xiàn)信息流通的標(biāo)準(zhǔn)化。此外，針對端到端集成帶來的按需大規(guī)模定制生產(chǎn)模式，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，設(shè)計面向設(shè)備管理、生產(chǎn)調(diào)度、工藝管理、產(chǎn)品質(zhì)量等業(yè)務(wù)的決策算法，滿足新模式帶來的高效率與高柔性要求。

圖4  成衣制造端到端集成

3紡織智能制造業(yè)務(wù)場景

基于3個集成工作，紡織智能制造體系需要實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)場景下的應(yīng)用，提升產(chǎn)品全生產(chǎn)周期中的智能化水平，如圖5所示(圖中，CAM是計算機輔助制造的簡稱，C APP是計算機輔助工藝過程設(shè)計的簡稱，CAD是計算機輔助設(shè)計的簡稱，SDM是安全設(shè)備管理器的簡稱)。

圖5 基于大數(shù)據(jù)的紡織智能制造業(yè)務(wù)場景

具體來看，存在織物研發(fā)/設(shè)計、紡織品生產(chǎn)組織、紡織品銷售與售后服務(wù)3大類業(yè)務(wù)場景。

3.1織物研發(fā)/設(shè)計

本場景處于紡織工業(yè)的前端，包括織物研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)中的產(chǎn)品設(shè)計智能化，紡織機械產(chǎn)品的協(xié)同工藝設(shè)計等。

3.1.1產(chǎn)品設(shè)計智能化

產(chǎn)品設(shè)計智能化通過客戶數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析、供應(yīng)鏈協(xié)同和工廠互聯(lián)化，實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)可視化和大規(guī)模定制化的生產(chǎn)口標(biāo)，如圖6所示。

圖6 成衣產(chǎn)品設(shè)計智能化

需要采集的數(shù)據(jù)包括時間維度、地域維度和紡織產(chǎn)品種類維度的市場消費數(shù)據(jù)，以及客戶的形體數(shù)據(jù)。然后基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等方法的大數(shù)據(jù)分析，預(yù)測消費市場在時間維度和地域維度上的發(fā)展趨勢及其對各類紡織產(chǎn)品的需求度，從而準(zhǔn)確把握各地紡織品消費市場的動向。大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過互聯(lián)工廠平臺與全國各地供應(yīng)商和經(jīng)銷商共享，再分別針對整體和個體的用戶形體數(shù)據(jù)，對紡織產(chǎn)品進行研發(fā)定制，最后將成衣產(chǎn)品準(zhǔn)確供應(yīng)至全國各地。

3.1.2紡織機械的協(xié)同工藝設(shè)計

紡織機械的協(xié)同工藝設(shè)計(如圖7所示)，在ERP,MES,CAD,CAPP,CRM(客戶關(guān)系管理)等數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)輔助軟件的基礎(chǔ)上，通過多元信息融合方法與制造特征識別方法實現(xiàn)紡織機械產(chǎn)品MBD模型的位置、工藝約束關(guān)系分析和特征相似度分析，建立紡織機械產(chǎn)品制造工藝專家知識庫，最終實現(xiàn)包含工藝設(shè)計、工藝表達、工藝生成和工藝發(fā)布的全流程三維數(shù)字化工藝建模，并搭建基于模型的工藝管理、工藝更改、工藝會簽、工藝審簽等協(xié)同工藝管控體系。

圖7 紡織機械的協(xié)同工藝設(shè)計

3.2紡織品生產(chǎn)組織

本場景處于紡織工業(yè)的中游，主要包括紡織品生產(chǎn)組織環(huán)節(jié)的車間智能監(jiān)控、先進生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品質(zhì)量控制、制造資源優(yōu)化等。

3.2.1紡織生產(chǎn)車間智能監(jiān)控

紡織生產(chǎn)車間智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)感知網(wǎng)絡(luò)和可視化監(jiān)控系統(tǒng)2部分，如圖8所示。

圖8 紡織生產(chǎn)車間智能監(jiān)控

數(shù)據(jù)感知網(wǎng)絡(luò)是通過二維碼、無線射頻識別裝置(RFID)、藍(lán)牙、無線通訊等技術(shù)，對車間層面的實驗、設(shè)計、加工、存儲、裝配、質(zhì)檢和物流等環(huán)節(jié)進行產(chǎn)品和設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇梢暬O(jiān)控中心。采集的數(shù)據(jù)最終通過BI等數(shù)據(jù)可視化工具，將數(shù)據(jù)以圖表形式呈現(xiàn)在車間可視化看板、工位可視化終端和其他移動終端上。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)在各類終端上的可視化呈現(xiàn)可實現(xiàn)對整個產(chǎn)品制造過程的全方位監(jiān)控。同時，生產(chǎn)線上裝備的運行數(shù)據(jù)可用于支持設(shè)備故障診斷、設(shè)備維護規(guī)劃和生產(chǎn)線協(xié)同管理等設(shè)備運維服務(wù)。產(chǎn)品制造過程和生產(chǎn)線的監(jiān)控與管理通過對生產(chǎn)過程的智能感知、過程監(jiān)控、故障診斷、運維服務(wù)，提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)穩(wěn)定性，提高紡織工藝水平與生產(chǎn)線生產(chǎn)效率。

3.2.2紡織車間先進生產(chǎn)調(diào)度

圖9示出紡織車間先進生產(chǎn)計劃與調(diào)度系統(tǒng)。

圖9 紡織車間先進生產(chǎn)計劃與調(diào)度

由圖9可知，先進生產(chǎn)調(diào)度通過生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集與分析平臺，建立融合訂單數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、原料數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、訂單數(shù)據(jù)、執(zhí)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)、調(diào)度信息、檢測數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、配套數(shù)據(jù)等的紡織品多維狀態(tài)模型，考慮單工序生產(chǎn)過程中的各類影響因素，構(gòu)建面向紡織生產(chǎn)過程的工序間多維藕合模型?！吃谙到y(tǒng)實時監(jiān)控的基礎(chǔ)上，對工序完工時間和紡織品性能進行預(yù)測和異常評估。

最后對數(shù)據(jù)融合模型中的逆調(diào)度因子進行識別，結(jié)合逆調(diào)度規(guī)則，制定自適應(yīng)逆調(diào)度策略，優(yōu)化計劃與調(diào)度方案，提高企業(yè)對客戶需求的快速反應(yīng)能力。

3.2.3織物產(chǎn)品質(zhì)量控制

產(chǎn)品質(zhì)量控制首先建立紡織生產(chǎn)過程的信息物理融合系統(tǒng)，并搭建大數(shù)據(jù)分析模塊作為物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的媒介。大數(shù)據(jù)分析模塊以開放數(shù)據(jù)庫互連(ODBC)、傳輸控制/網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)義TCP/IP,Web Service等為數(shù)據(jù)協(xié)議，包含數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)計分析、挖掘預(yù)測、持續(xù)查詢、分布式計算引擎、流計算引擎等功能，對從物理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，用于支持信息系統(tǒng)層面的多維統(tǒng)計控制、質(zhì)量異常偵測、質(zhì)量智能評估和質(zhì)量改進優(yōu)化等。

3.2.4制造資源能效優(yōu)化

制造資源能效優(yōu)化針對紡織制造系統(tǒng)中的設(shè)備，如以化纖成套設(shè)備、紡紗設(shè)備、印染設(shè)備等為對象，以其效率評估數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)進行大數(shù)據(jù)分析，為紡織品生產(chǎn)過程的人、機、料、法、環(huán)等定制制造資源運行效率的精準(zhǔn)評估量化規(guī)則，對制造資源運行效率進行實時預(yù)測，實現(xiàn)制造系統(tǒng)的異常自動偵測和統(tǒng)計過程監(jiān)控，以此為依據(jù)制定紡織制造系統(tǒng)的主動維護計劃，完成制造系統(tǒng)的效率自優(yōu)化。

3.3紡織品銷售與售后服務(wù)

本場景處于紡織工業(yè)的末端，主要是售后服務(wù)和紡織品銷售環(huán)節(jié)的智能物流。

紡織智能制造體系中的智能物流以供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)、物料需求計劃數(shù)據(jù)、生產(chǎn)現(xiàn)場物料配送數(shù)據(jù)和生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，其主要內(nèi)容包括物流資源關(guān)聯(lián)、物流系統(tǒng)性能監(jiān)控、生產(chǎn)執(zhí)行跟蹤與控制、物流管理優(yōu)化、關(guān)鍵物料安全庫存預(yù)警和物流資源綜合評估。

首先建立物料信息、生產(chǎn)計劃、物流計劃、庫存信息、采購信息、物料消耗、工具信息等物流資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系。物流系統(tǒng)性能監(jiān)控以訂單優(yōu)先級、庫存捕獲策略、采購優(yōu)先級等為調(diào)控手段進行物料管理，結(jié)合計劃排程、派工單、采購單進行物料監(jiān)控。生產(chǎn)執(zhí)行跟蹤的口的是對物料消耗、零部件庫存、物料準(zhǔn)時送達利用率等物流信息進行預(yù)測、評價與控制。物流管理優(yōu)化模型采用負(fù)反饋控制理論、智能并行算法、優(yōu)化規(guī)則庫等調(diào)整物流數(shù)據(jù)。此外需要制定關(guān)鍵物料安全庫存預(yù)警等級，并形成物流資源綜合評估報表。

4結(jié)束語

隨著以計算機、物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)在制造行業(yè)的不斷深人應(yīng)用，制造業(yè)正在經(jīng)歷以信息化與自動化深度融合為標(biāo)志的新一代產(chǎn)業(yè)革命。大數(shù)據(jù)蘊含的巨大價值幫助實現(xiàn)智能過程的透明化、精益化、智能化與高效化，發(fā)揮了極為關(guān)鍵的作用。

本文分析了紡織行業(yè)在“十三五”期間面臨的智能制造建設(shè)任務(wù)，探討了信息物理融合技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)在紡織智能制造中的核心地位與驅(qū)動作用，提出了包括一個基礎(chǔ)、一個核心和三大集成的紡織智能制造平臺體系架構(gòu)，闡述了橫向集成、縱向集成與端到端集成3項智能制造工作，并對應(yīng)用場景中的紡織智能制造工作進行了詳細(xì)闡述。本文的大數(shù)據(jù)驅(qū)動的紡織智能制造體系架構(gòu)，對紡織行業(yè)合理應(yīng)用與集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、信息物理融合技術(shù)具有重要借鑒價值，為紡織制造工廠從自動化轉(zhuǎn)型升級到智能化發(fā)展，提供重要的參考。

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