閆麗++沈明霞+劉龍申 陸明洲
摘要:作為評價(jià)動物福利條件最直接的證據(jù),也是動物行為學(xué)研究的核心內(nèi)容,行為是對豬的運(yùn)動功能、高級中樞神經(jīng)功能和精神狀態(tài)的評估,能夠全面反映機(jī)體的整體狀態(tài),通過行為能夠了解動物的適應(yīng)性、生存所需要的條件及情感需求。選取母豬為主要研究對象,歸納分析母豬在發(fā)情、分娩、哺乳和疾病各階段所表現(xiàn)的活動形式、身體姿勢、外表上可辨認(rèn)的變化以及發(fā)聲等行為特性,并針對這些行為,對目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)使用的包括電子測量、視頻、音頻等計(jì)算機(jī)自動監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行綜述,進(jìn)一步提出對現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的改進(jìn)建議,以期精準(zhǔn)掌握豬的行為習(xí)性,創(chuàng)造適于豬生長的飼養(yǎng)環(huán)境,從而提高豬的生產(chǎn)性能。
關(guān)鍵詞:母豬行為;母性行為;異常行為;自動監(jiān)測;監(jiān)測技術(shù)
中圖分類號: S126;TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號:1002-1302(2016)02-0022-04
目前,養(yǎng)殖戶利用現(xiàn)代技術(shù)測量如通風(fēng)率、溫度、濕度和有害氣體等畜舍參數(shù)已十分普遍[1-4],但對畜舍中動物行為的監(jiān)測與識別卻仍沒有滿意的技術(shù)。2013年比利時(shí)的 Berckmans 教授首次提出精準(zhǔn)動物養(yǎng)殖(Precision Livestock Farming)的概念,即提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、自動的監(jiān)控和觀察,使養(yǎng)殖戶能夠監(jiān)測和控制動物的健康和福利狀態(tài)[5]。2013年我國人均消耗豬肉40.65 kg[6],豬作為人類食物的重要來源,其健康關(guān)系著食品安全、人類健康、環(huán)境污染和貿(mào)易壁壘等一系列問題。豬和人類一樣有感知、痛苦、恐懼等情感需求,作為表達(dá)感覺的肢體語言,行為表達(dá)著豬的喜怒哀樂、各種生理需求及欲望。豬經(jīng)過不斷馴化,常見的行為模式從野豬的二十幾種減少到家豬十余種,包括采食、排泄、群居、爭斗、性、母性、活動與睡眠、探究、異常和后效行為等[7]。精確了解豬的行為可有效提高豬肉生產(chǎn)的質(zhì)量,其中對母豬行為的精準(zhǔn)監(jiān)測尤為重要。本研究首先針對母豬各階段的行為特性進(jìn)行歸納與分析,針對其行為,對目前國內(nèi)外已經(jīng)使用的計(jì)算機(jī)自動監(jiān)測識別技術(shù)進(jìn)行綜述。目的是能夠精準(zhǔn)掌握豬的行為習(xí)性,創(chuàng)造適于豬習(xí)性的飼養(yǎng)環(huán)境,提高豬的生產(chǎn)性能,從而獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。
1豬的行為分類
對于豬的行為研究源自于行為觀察,從文明狩獵階段起,人們通過觀察野豬的活動規(guī)律來提高獲取獵獲的概率;隨著野豬家養(yǎng),人們開始有目的地觀察和掌握豬的生活周期和行為規(guī)律。豬的行為由活動形式、發(fā)聲和身體姿勢,以及外表上可辨認(rèn)的變化組成。作為最主要的生產(chǎn)力,母豬擔(dān)負(fù)繁育仔豬的職能,母豬的行為及健康受到養(yǎng)殖戶和行為專家的重視,其中針對母豬的發(fā)情行為、分娩行為、母性行為開展了一系列研究,監(jiān)測方法也由最初的人工觀察,向智能的電子測量、視頻監(jiān)測和聲音監(jiān)測發(fā)展。[LM]
1.1發(fā)情行為
豬的正常繁殖,首先取決于母豬能否正常發(fā)情,然后才能使其配種受孕。及時(shí)、正確地鑒別出母豬發(fā)情并適期配種是提高母豬受胎率的技術(shù)關(guān)鍵。當(dāng)母豬發(fā)情時(shí),由于生理的一系列變化產(chǎn)生獨(dú)特的行為表現(xiàn):(1)精神興奮不安,對周圍環(huán)境動靜反應(yīng)敏感;(2)活動量增加;(3)少食或不食;(4)發(fā)出哼哼聲。因此,監(jiān)測發(fā)情的方法包括監(jiān)測運(yùn)動量變化、公豬試情法以及對飲食情況的監(jiān)測,而判定母豬的最佳配種時(shí)機(jī)則常采用背壓法。
1.1.1監(jiān)測運(yùn)動量的變化發(fā)情期母豬的活動量顯著增加,其中睡臥減少,站立和走動次數(shù)明顯增多,常常伴有爬欄、跳圈等現(xiàn)象。人們常采用電子測量設(shè)備來計(jì)算運(yùn)動量,其中最早使用的計(jì)量工具是計(jì)步器。計(jì)步器通過一個平衡錘的上下振動使觸點(diǎn)出現(xiàn)通斷動作的振動傳感器來計(jì)數(shù)。利用豬運(yùn)動時(shí)身體重心上下移動的原理,計(jì)步器可以檢測行走步數(shù)和靜躺時(shí)間。計(jì)步器已應(yīng)用于歐洲的奶牛場,每頭牛都配有計(jì)步器,用于記錄牛運(yùn)動的強(qiáng)度和運(yùn)動量,了解奶牛的健康狀況。1941年Altmann將計(jì)步器佩戴在母豬軀干上,用于檢測母豬發(fā)情,試驗(yàn)表明在發(fā)情期的1~3 d里,其活動量是平常的2倍[8]。
近年來,人們多利用紅外線、加速度計(jì)、RFID技術(shù)來提高對母豬發(fā)情檢測的識別率。針對生活在限位欄的母豬,在豬肩部上方50 cm(距離地面1.6 m)處安裝紅外探測器,母豬站立即進(jìn)入紅外探測器的感應(yīng)范圍(0.65 m×1 m),站立狀態(tài)下發(fā)生的運(yùn)動行為會引起位置變化,基于紅外探測器的熱電原理,探測器檢測到母豬身體發(fā)出的熱輻射的溫度不同,最終引起探測器輸出信號——電壓值的變化,F(xiàn)reson等將平均電壓值記為母豬的日運(yùn)動量,監(jiān)測發(fā)情的正確率達(dá)到 80.5%[9]。對于檢測站立或者躺臥、靠近或是遠(yuǎn)離等行為趨勢的識別,紅外探測器具有安裝簡單、可靠性高、對被測動物無干擾的優(yōu)點(diǎn),但對于運(yùn)動行為的強(qiáng)度卻無法細(xì)致區(qū)分。
加速度傳感器是測量加速力的電子設(shè)備,運(yùn)動過程中會產(chǎn)生規(guī)律性的振動,單軸加速度計(jì)可以檢測振動的過零點(diǎn),從而計(jì)算出所走的步數(shù)或跑步的步數(shù),用于制造MEMS計(jì)步器。Bressers利用一個含單軸加速度傳感器的頸圈來記錄母豬的行為,以平均幅值及超過限定閾值的信號數(shù)量作為參數(shù)計(jì)算運(yùn)動量[10],研究表明,母豬發(fā)情期間的加速度變化量顯著增加,當(dāng)加速度閾值設(shè)定為10 m/s2,統(tǒng)計(jì)運(yùn)動量比發(fā)情前一天高10倍[11]。對比紅外探測器和單軸加速度傳感器在母豬發(fā)情檢測的正確識別率分別為72%和53%[12]。
為了更好地區(qū)分運(yùn)動強(qiáng)度、識別母豬的姿態(tài),2007年Cornou等首次將3軸加速度傳感器(分別指向水平方向的x、y軸和豎直方向z軸)應(yīng)用于母豬運(yùn)動量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算中,根據(jù)運(yùn)動的強(qiáng)度將母豬行為分為運(yùn)動和靜止2類,其中側(cè)躺和臥躺組成了靜止休息類,而運(yùn)動類則包括高強(qiáng)度運(yùn)動如采食、走動行為和中等強(qiáng)度的站立、趴臥行為。利用x、y、z軸及其合成加速度4個數(shù)值來區(qū)分這2類行為,準(zhǔn)確率分別為96%和100%[13]。應(yīng)用RFID射頻技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對豬群中單個個體的識別,Naas利用RFID讀卡器和動物耳標(biāo),實(shí)現(xiàn)對群養(yǎng)母豬發(fā)情個體的自動標(biāo)識和檢測[14]。
1.1.2公豬試情法采用公豬試情是養(yǎng)豬場內(nèi)最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的人工查情方法。母豬在試情公豬前出現(xiàn)尋找、靠近公豬、鼻-鼻接觸、靜立反射(back pressure test或呆立反應(yīng))等特征是確立母豬是否發(fā)情的行為表現(xiàn)。但人工查情方法工作量繁重,判定結(jié)果易受主觀因素干擾,因此國外養(yǎng)殖場多采用2種方式來計(jì)算母豬特征行為出現(xiàn)的頻率和時(shí)長,以此自動監(jiān)測母豬探視公豬欄的感知行為。方式一,利用“接觸窗”,觀察母豬與公豬發(fā)生鼻-鼻接觸等親近行為。Houwers等在“接觸窗”內(nèi)安裝感應(yīng)裝置用于統(tǒng)計(jì)母豬的訪問頻率,數(shù)據(jù)顯示在發(fā)情期母豬的訪問頻率不斷增加最終達(dá)到峰值[15];Korthals觀測了7 397頭母豬的日常滯留時(shí)長,試驗(yàn)數(shù)據(jù)服從92 s/d的Poisson分布,其閾值為10 min/d,發(fā)情檢測的識別度為 76.4%[16];Blair等設(shè)置滯留時(shí)長閾值為4.43 min/d,識別率達(dá)到100%[17]。方式二,建立1個通往公豬欄的專用通道作為特定檢測區(qū)域,在通道中安裝感應(yīng)器或視頻監(jiān)控裝置,計(jì)算行為感知指數(shù)。行為感知指數(shù)(boar visiting index,BVI)由頻率f和時(shí)長d組成,則有:
[JZ(]BVI=rf×f+rd×d。[JZ)][JY](1)
式中:rf、rd為頻率和時(shí)長的相關(guān)系數(shù)。Ostersen等將RFID 讀寫器安裝在接觸窗口內(nèi),記錄通過接觸窗口親近公豬的母豬耳標(biāo)值及親近行為開始、結(jié)束時(shí)間,用于計(jì)算BVI[18]。Bressers 等分別用時(shí)長d和BVI為特征的識別率為93%和96%[19]。
1.1.3監(jiān)測飲食母豬在發(fā)情期血液中雌激素水平增加導(dǎo)致食物攝入量減少,出現(xiàn)食欲不振的現(xiàn)象,因此監(jiān)測食物的攝取量變化是識別母豬發(fā)情的方法之一??赏ㄟ^監(jiān)測電子飼喂系統(tǒng)或觀察母豬采食時(shí)間的運(yùn)動量變化來了解母豬的食物攝取量的變化。母豬電子飼喂系統(tǒng)(electronic sow feeders,ESF)利用控制中心的科學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對多臺飼喂器終端精確投飼管理。ESF通過RFID對進(jìn)食的豬進(jìn)行自動識別,記錄進(jìn)食量和進(jìn)食時(shí)長并自動測量母豬的日增質(zhì)量情況,通過ESF可發(fā)現(xiàn)處于發(fā)情期而采食異常的豬。Cornou等通過ESF觀察母豬交配后第18天至第22天的采食情況,發(fā)情預(yù)測的準(zhǔn)確率為79%[20]。而劉龍申利用三軸加速度合成值觀察母豬的日常運(yùn)動量,運(yùn)動量曲線具有周期性且呈現(xiàn)2個波峰,分別對應(yīng)著每日的采食時(shí)間[21]。發(fā)情期母豬的運(yùn)動頻率明顯增加,而飲食時(shí)間的運(yùn)動量減少,也說明母豬發(fā)情期食欲不振。
1.2母性行為
母性行為包括分娩、哺乳以及產(chǎn)前的筑窩和產(chǎn)后舔凈仔畜等一系列行為。良好的母性行為對子代的成活和生長非常重要。當(dāng)今種豬育種目標(biāo)主要是提高生長率、瘦肉率及增加產(chǎn)仔數(shù)等經(jīng)濟(jì)性狀,但過于注重經(jīng)濟(jì)性狀的選擇,會導(dǎo)致母豬產(chǎn)仔數(shù)與仔豬死亡率同步上升的負(fù)效應(yīng)。特別是在大型現(xiàn)代化養(yǎng)殖企業(yè)中,在非人為干涉條件下母豬能否很好地哺育后代特別重要,此時(shí),母豬母性能力對仔豬在哺乳期的存活率和日增質(zhì)量具有非常重要的影響。
1.2.1分娩行為相比歐洲國家新生仔豬的的死亡率僅為9%,而我國高達(dá)17%~30%[22-23],因而對母豬分娩行為的自動監(jiān)測廣受關(guān)注,準(zhǔn)確預(yù)測分娩時(shí)間、監(jiān)控分娩行為,及時(shí)發(fā)現(xiàn)新生仔豬,有助于仔豬接生、避免因疏忽造成仔豬死亡。母豬分娩前常伴有銜草筑窩、躁動不安、食欲減退等行為。Oliviero等利用地毯式壓力傳感器監(jiān)測母豬筑窩所表現(xiàn)的刨地、拱地等行為,利用光電傳感器計(jì)算筑窩行為導(dǎo)致的運(yùn)動增量,以此作為參數(shù)來綜合預(yù)測分娩時(shí)間[24];Cornou等采用三軸加速度傳感器結(jié)合多線程卡爾曼濾波方法進(jìn)行行為分類,通過動態(tài)線性模型預(yù)測分娩時(shí)間,準(zhǔn)確率達(dá)到89%[25]。劉龍申等同樣采用三軸加速度傳感器,利用K-均值聚類識別產(chǎn)前的筑窩行為,建立二值Logistic回歸的分娩預(yù)測模型,平均預(yù)測誤差為2.17 h[26]。同時(shí),對于新生仔豬的自動監(jiān)測可用于計(jì)算母豬的實(shí)際分娩時(shí)間。Labrecque等在分娩限位欄內(nèi)仔豬活動區(qū)域設(shè)置熱紅外傳感器,監(jiān)測新生仔豬的出現(xiàn),并及時(shí)通知飼養(yǎng)員[27]。劉龍申等提出結(jié)合顏色和面積等圖像特征的運(yùn)動目標(biāo)監(jiān)測方法,實(shí)現(xiàn)對第1頭新生仔豬的圖像識別算法,識別率達(dá)到100%[28]。
1.2.2哺乳行為哺乳期母仔之間彼此交流和認(rèn)知主要通過聲音來進(jìn)行,仔豬在出生后2 h通過母豬發(fā)聲的振幅和頻率來辨別自己的母親。仔豬出生的最初幾周,母豬多表現(xiàn)為主動授乳的側(cè)臥姿,并發(fā)出“呼叫看護(hù)聲”來吸引仔豬,直到最后一頭仔豬到達(dá)乳頭,母豬叫聲才轉(zhuǎn)換成“哼哼呼?!狈湃槁暎源朔绞絹斫⒆胸i的采食模式;放乳聲是由1個低頻范圍內(nèi)不同頻率的無調(diào)的、嘈雜的聲音組成[29],聲音的發(fā)出與母乳的排出之間存在固定的聯(lián)系,哺乳母豬最初以1次/s平緩的頻率哼叫,隨后頻率急劇加快至 3次/s,持續(xù)15~25 s之后頻率逐漸下降直到哼叫消失,此時(shí)哺乳過程結(jié)束[30]。
1.3異常行為
動物行為可在某種程度上緩解環(huán)境變化給個體造成的心理及生理的壓力。當(dāng)環(huán)境改變超出一定限度,動物無法適應(yīng)這一環(huán)境時(shí),其行為常常會表現(xiàn)出異常。因此,異常行為的表達(dá)是環(huán)境“不適癥”在行為學(xué)上的體現(xiàn)。
1.3.1行為規(guī)癖隨著養(yǎng)殖規(guī)?;?,為了減少擠壓仔豬的致死概率,后備母豬和分娩母豬生活在限位欄中,然而,限制環(huán)境里的母豬經(jīng)常面臨環(huán)境刺激貧瘠的情況,自然行為表達(dá)被嚴(yán)重抑制,出現(xiàn)了行為規(guī)癖等心理問題。例如,分娩前的蹄刨地、嘴拱地等表現(xiàn),限飼造成的啃欄、啃槽以及無食咀嚼等異常行為。行為規(guī)癖的出現(xiàn)常伴隨著心理挫折和心理應(yīng)激過程,與母豬試圖逃出所處環(huán)境而不能成功所帶來的心理厭惡有關(guān)[31]。Bao等利用瞳孔對光反射技術(shù)觀察母豬在慢性應(yīng)激下瞳孔的壓力反應(yīng),并將瞳孔收縮時(shí)間(PLRT)作為衡量母豬心里沮喪狀態(tài)的指標(biāo)[32]。
同時(shí),行為規(guī)癖也會引起下丘腦后側(cè)面積及觀察擴(kuò)散的減少、殺傷細(xì)胞的細(xì)胞毒性減少,導(dǎo)致免疫力低下,從而引起其他生理疾病。疾病是在一定病因下,身體自穩(wěn)調(diào)節(jié)紊亂而發(fā)生異常生命活動的過程,從而誘發(fā)一系列代謝、功能、結(jié)構(gòu)的變化,表現(xiàn)為癥狀、體征和行為的異常。
1.3.2疾病診斷異常行為可用于進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)預(yù)警或者及時(shí)發(fā)現(xiàn)動物疾病。適宜的環(huán)境是豬健康的基本保障,Shao等利用紅外攝像頭監(jiān)測群養(yǎng)仔豬的圖像,使用最小歐幾里德距離計(jì)算豬群緊密程度評定豬舍溫度的舒適度,從而進(jìn)行溫度調(diào)控。若因環(huán)境異?;蜃陨砻庖吡Φ拖?,豬一旦生病,即長期處于病情應(yīng)激狀態(tài),胃腸道功能會發(fā)生變化,出現(xiàn)食量下降甚至不食的現(xiàn)象[33]。Kruse等研究了哺乳期母豬的飲水情況,發(fā)現(xiàn)在健康和患病期豬的飲水次數(shù)及飲水量存在顯著差異,用于識別患病母豬;而其消化系統(tǒng)的消化酶分泌不足也會導(dǎo)致腹瀉問題[34]。朱偉興等利用安裝于豬舍排泄區(qū)的嵌入式監(jiān)控設(shè)備對群養(yǎng)豬的排泄行為進(jìn)行24 h監(jiān)控,對每天排泄次數(shù)異常的豬認(rèn)為是疑似病豬,病豬檢測正確率為 78.38%[35-36]。與呼吸道有關(guān)的疾病是豬的常見、多發(fā)疾病,常伴有呼吸困難、咳嗽等癥狀。紀(jì)濱等利用Matlab對視頻中豬的脊腹線波動進(jìn)行分析來判斷豬呼吸急促癥狀,脊腹線的識別精度高于85%,且其波動頻率與豬的人工呼吸急促癥狀估分值呈線性正相關(guān)[37];Ferrari等通過臨床檢查篩選染病豬并采集其咳嗽聲,發(fā)現(xiàn)染病豬咳嗽音頻的標(biāo)準(zhǔn)化壓力均方差、峰值頻率均值、咳嗽持續(xù)時(shí)間及咳嗽頻率都異于健康豬[38]。對于豬的此類疾病及時(shí)發(fā)現(xiàn)、盡早隔離,可有效避免群體傳染和大量死亡,減少疫病傳播產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。
總之,對豬尤其是母豬行為的觀察方法已由人工觀察向電子測量、視頻監(jiān)測和聲音監(jiān)測方向發(fā)展,其中數(shù)字圖像處理技術(shù)通過對豬姿態(tài)、輪廓數(shù)據(jù)的計(jì)算,輔以運(yùn)動的行為參數(shù),用于判定豬形體姿態(tài)和行為趨勢,該方法實(shí)時(shí)、客觀,但易受到養(yǎng)殖場光照條件、視角及遮擋影響。為了更加精細(xì)、定量地研究豬的特定行為及其體征,引入低成本、高性能的電子測量設(shè)備,監(jiān)測行為的運(yùn)動趨勢來區(qū)分站立、躺臥,靠近或者遠(yuǎn)離,通過運(yùn)動強(qiáng)度的強(qiáng)弱區(qū)分靜止、小幅度運(yùn)動和大幅度運(yùn)動,以此計(jì)算運(yùn)動量,應(yīng)用于判定母豬的發(fā)情及分娩行為。如今,電子監(jiān)測節(jié)點(diǎn)大致分為接觸式和非接觸式2種,接觸式節(jié)點(diǎn)以較合理的方式固定到豬軀體上,獲得更加精準(zhǔn)的運(yùn)動數(shù)據(jù),行為種類的劃分也更加細(xì)致。然而,在高溫、高濕、高碰撞的養(yǎng)殖環(huán)境下,此類節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、電池續(xù)航尚需改進(jìn)。聲音作為行為的重要特征之一,其識別有助于輔助圖像識別法和電子測量法進(jìn)一步明確豬的生理狀況,同時(shí),聲音作為家畜種群內(nèi)交流的“語言”,母豬的哺乳叫聲有助于構(gòu)建仔豬的采食模式。由于聲音分析對音頻質(zhì)量要求高,因此,降低圈養(yǎng)母豬叫聲間的相互干擾及環(huán)境噪聲的影響將是后續(xù)研究中需要解決的問題。
2展望
[JP3]綜上,對于豬行為的研究,國內(nèi)外動物學(xué)家和信息處理專家已經(jīng)取得了相關(guān)的研究成果,但仍存在以下尚待解決的問題。
2.1電子測量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)問題
目前實(shí)際使用的行為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)受佩戴方式、碰撞打斗等因素干擾,數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏移、抖動及噪聲,需進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)據(jù)校正和去噪算法實(shí)現(xiàn)對行為數(shù)據(jù)的預(yù)處理;且接觸式節(jié)點(diǎn)需固定在豬身體上,不便對芯片及電池進(jìn)行維護(hù)操作,因此,必須研制工業(yè)級、輕型、低功耗的傳感器芯片以及微型、高容量的電池,確保電子測量節(jié)點(diǎn)長時(shí)間、穩(wěn)定的使用。
2.2環(huán)境因素對視頻、音頻監(jiān)測的影響
僅從畜牧信息的無損監(jiān)測角度而言,圖像處理技術(shù)和聲音分析技術(shù)以無接觸方式記錄豬的行為信息,對豬活動無任何影響。但是機(jī)器視覺技術(shù)受養(yǎng)殖場光照、攝像機(jī)視距等條件影響較大,且圖像中柵欄阻擋的去除,粘連圖像的分割,豬個體識別與跟蹤,及視頻圖像的壓縮、感知、傳輸?shù)葐栴}是后續(xù)研究的重點(diǎn)。聲音分析對音頻質(zhì)量提出較高的要求,去除碰撞柵欄、食槽的環(huán)境噪聲影響,有效降低群養(yǎng)母豬聲音的相互干擾,并研究母豬某類發(fā)聲的共性特征,是研究人員尚需解決的難題。
3結(jié)語
本研究著重闡述了母豬發(fā)情、分娩、哺乳各階段的行為特性及其異常行為表現(xiàn),結(jié)合其行為特點(diǎn),歸納和分析了現(xiàn)有的智能監(jiān)測方法,進(jìn)一步提出對現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的改進(jìn)建議,為養(yǎng)殖人員掌握豬的行為習(xí)性,發(fā)現(xiàn)異常表現(xiàn)提供更加便捷的工具,以提高豬的生產(chǎn)性能。
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