畢振波 ，潘洪軍 ，楊 花 ，亓常松

（1.浙江海洋大學(xué)數(shù)理與信息學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省海洋大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用重點實驗室，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大學(xué)東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316004）

中國有1.8萬多km的海岸線，300多萬km2的領(lǐng)海和管理海域面積，自古以來，這些海域下埋葬了大量的沉船、文化遺址和古建筑等文物。由于受利益驅(qū)動，當(dāng)前水下文物的安全正遭受著盜撈、盜掘等重大的安全威脅。為保護這些歷史文明，國家從法律和政策等方面出臺了法律和相關(guān)的規(guī)范[1-2]，對其進行了保護，但由于海洋面積廣大、環(huán)境復(fù)雜，一些不法分子仍然鋌而走險對這些文物進行非法的盜撈。為有效防范這些非法行為，根據(jù)當(dāng)前的國家經(jīng)濟和科技發(fā)展水平，本文認(rèn)為國家應(yīng)該從技術(shù)角度加強對文物進行保護，例如構(gòu)建立體化安全監(jiān)控系統(tǒng)進行主動保護，尤其對于一些高價值的水下文化遺址，這樣的技術(shù)手段非常的必要?；谶@樣的目的，本文以水下文物立體化安全監(jiān)控為目標(biāo)，從水上和水下兩方面深入對水下文物立體化安全監(jiān)控技術(shù)體系進行研究。

1 水下文物立體化安全監(jiān)控

1.1 概述

水下文物立體化安全監(jiān)控是以水面和水下安全監(jiān)控為一體的一種綜合性技術(shù)保護方法。水面監(jiān)控采用雷達和視頻監(jiān)控等方式，主要用于防止可疑的船舶，能有效避免單一監(jiān)控手段的不足；水下監(jiān)控采用聲納探測的方式，主要防止蛙人盜撈。借助這些監(jiān)控方式，通過遠距離海上數(shù)據(jù)傳輸、岸基監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲與分析、智能報警可實現(xiàn)海上和陸地一體化的水下文物安全監(jiān)控。

1.2 相關(guān)研究

當(dāng)前，許多國家對水下文物保護有關(guān)的安全監(jiān)控技術(shù)進行了研究及應(yīng)用[3-5]。意大利依靠GIS系統(tǒng)，通過水上水下監(jiān)測信息導(dǎo)入處理，能實現(xiàn)對相關(guān)海域的靠近船舶進行報警和查處[4]。在相關(guān)領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理技術(shù)常被用于對水面船舶進行安全監(jiān)控[5-6]，主要包括內(nèi)河和港口交通運輸中的碰撞檢測和船舶流量控制；聲學(xué)技術(shù)常被用作探測或防御水下蛙人等小目標(biāo)威脅的重要手段[7]，例如美國海軍依靠“冥府守門狗360”對水下威脅進行探測識別和跟蹤[8]；北約水下技術(shù)研究中心2006年組織的港口防御系統(tǒng)（NATO-HOP06）海上實驗[9]、英國的奇奈蒂克公司的CER-BERUS蛙人探測聲納系統(tǒng)、俄羅斯和烏克蘭的ΜΟΚ-А水聲系統(tǒng)、挪威考達公司的Echoscope系列三維成像聲納和Kongsberg公司的SM2000綜合反蛙人系統(tǒng)、以色列DSIT Solution公司的“水盾”港口水下安全聲納系統(tǒng)、法國泰利斯公司的“海衛(wèi)士”反蛙人系統(tǒng)等[3-4]。它們對水面以下的文物安全監(jiān)控保護具有重要的參考作用。在國內(nèi)，范伊然等[10]以福建漳州“半洋礁號”遺址監(jiān)控為例，對不同的安全監(jiān)控系統(tǒng)進行了綜述；阮永好[11]基于3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對水下文化遺產(chǎn)采用視頻監(jiān)控技術(shù)方案進行了研究；王緒軍[3]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)并以半洋礁沉船保護為例，設(shè)計了一種無人值守的水下文物安全監(jiān)控方案，該方案主要由目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)、岸站接收系統(tǒng)和海上執(zhí)法等3部分構(gòu)成，核心涉及了浮標(biāo)、船只警戒、蛙人探測、報警通信和電源供應(yīng)等。對比國內(nèi)外水下文物安全監(jiān)控技術(shù)研究及發(fā)展，國外已走向應(yīng)用，國內(nèi)正開始起步，主要集中在安全監(jiān)控技術(shù)理念探討和特定監(jiān)控技術(shù)（如聲吶或視頻監(jiān)控）應(yīng)用展望等方面。對于已采用的技術(shù)，水聲技術(shù)在國外采用的較多，其它監(jiān)控方式，如雷達和視頻監(jiān)控還很難見到相關(guān)研究或例子。但由于海洋環(huán)境復(fù)雜，單一監(jiān)控方式容易出現(xiàn)漏報警、誤報警和增加執(zhí)法成本等缺點，因此，多種監(jiān)控方式綜合一起監(jiān)控是重要的發(fā)展方向。本文針對水上和水下安全監(jiān)控，提出雷達監(jiān)控、視頻監(jiān)控和聲吶監(jiān)控相結(jié)合的綜合性立體化安全監(jiān)控方案，通過立體化安全監(jiān)控系統(tǒng)的基本框架構(gòu)建，并對其關(guān)鍵技術(shù)進行研究，從而為下一步構(gòu)建立體化的無人值守安全監(jiān)控系統(tǒng)及示范應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 水下文物立體化安全監(jiān)控框架

對于水下文物立體化安全監(jiān)控的可行性，從2014年起的近兩年里，我們重點針對舟山群島海域，從水下古文物現(xiàn)狀調(diào)查、國內(nèi)外水下古文物探測與保護技術(shù)現(xiàn)狀、舟山群島海域水下古文物探測與監(jiān)控技術(shù)方案論證、電子監(jiān)控系統(tǒng)與協(xié)同執(zhí)法問題研究等方面進行了深入研究，結(jié)合區(qū)域及海洋環(huán)境特點、我們認(rèn)為無論從政策、經(jīng)濟及技術(shù)層面，還是未來應(yīng)用推廣，實施水下文物立體化安全監(jiān)控不僅可行，而且有助于服務(wù)作者所在地區(qū)的國家海洋電子產(chǎn)業(yè)基地和一帶一路建設(shè)，并促進地方乃至國家軍民融合發(fā)展。

2.1 系統(tǒng)組成

考慮實際，水下文物立體化安全監(jiān)控系統(tǒng)（圖1）包括目標(biāo)監(jiān)控子系統(tǒng)、岸站接收/控制子系統(tǒng)和海上執(zhí)法等模塊。目標(biāo)監(jiān)控包括雷達監(jiān)控、視頻監(jiān)控和聲吶探測等3個分系統(tǒng)，它們是特定海域水下文物現(xiàn)場水面上和水面下監(jiān)控的核心，通過數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)同化等技術(shù)逐步實現(xiàn)立體化監(jiān)控；岸站接收分系統(tǒng)包括接收裝置、監(jiān)視控制模塊、查詢模塊和報警裝置等4部分，這里主要通過對不同來源的監(jiān)控信號進行數(shù)據(jù)融合、分析處理等實現(xiàn)報警，并能進行監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)查詢；海上執(zhí)法力量（文保部門、邊防、海警、海監(jiān)等）主要實現(xiàn)對報警發(fā)現(xiàn)的蛙人或疑似船舶進行海上執(zhí)法。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System functional structure diagram

2.1.1 雷達探測系統(tǒng)

雷達一般固定在監(jiān)控區(qū)附近小島（例如舟山群島海域）或人工島上，系統(tǒng)主要由雷達站、中心指揮系統(tǒng)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及連接設(shè)備組成。根據(jù)監(jiān)控區(qū)域大小，雷達站可以采用一臺或多臺雷達，通過雷達主動掃描對監(jiān)控區(qū)的船舶位置和航行狀況進行探測。前端計算機通過視頻采集卡與雷達連接后，通過實時獲取雷達視頻信號，經(jīng)過圖像存儲壓縮，通過有線、或3G或4G[12-13]、或衛(wèi)星寬帶通信方式傳輸?shù)街行南到y(tǒng)進行分析處理。中心指揮系統(tǒng)是子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和通信控制中心，以ECDIS為基礎(chǔ)平臺，將雷達監(jiān)控圖像疊加在電子海圖上對目標(biāo)回波進行定位。報警是在電子海圖上劃定警戒線，只要有船舶越過警戒線就觸發(fā)報警事件。

2.1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由海上監(jiān)控點和可實時查看現(xiàn)場情況的后臺組成。整體上包括人工島（浮體）、無線視頻服務(wù)器、云臺和海上電源等組成部分，攝像機采用無線紅外防水類型，根據(jù)監(jiān)控方位，分布式布設(shè)多個攝像機，以視頻攝錄為數(shù)據(jù)采集手段。后臺管理系統(tǒng)包括中心服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器及其配套軟件，中心服務(wù)器負責(zé)管理所有前端監(jiān)控點的網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器，并維護同它們的網(wǎng)絡(luò)連接，對請求訪問用戶進行授權(quán)管理，對云臺進行轉(zhuǎn)動控制和設(shè)備的參數(shù)配置。轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器主要負責(zé)視頻的轉(zhuǎn)發(fā)與控制。前后臺通過配置固定的IP，中心服務(wù)器可通過衛(wèi)星寬帶、3G網(wǎng)絡(luò)或有線方式與轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器實現(xiàn)Internet數(shù)據(jù)通信。

2.1.3 聲吶探測系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于防御對水下文物覬覦的盜獵者（主要是蛙人）。針對水下蛙人，監(jiān)測用探頭通常被固定于人工島底部或?qū)Ｓ么暗牡撞炕騻?cè)邊，但容易取下或重新放置。系統(tǒng)的基本組成包括傳感器、聲速剖面儀和顯示器等。通過它們將探測到目標(biāo)的位置、聲速和聲線圖等信息，經(jīng)信號處理對目標(biāo)進行分類識別，然后在顯示器上給出目標(biāo)類別。報警通信系統(tǒng)能夠?qū)崟r將可疑目標(biāo)信息經(jīng)集成的無線通信模塊發(fā)送給地面監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過地面遠程觀通系統(tǒng)進行核實。對于疑似概率高的可疑對象，則通知執(zhí)法部門進行海上現(xiàn)場執(zhí)法。

2.1.4 岸站接收分系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過把各監(jiān)測子系統(tǒng)傳送過來的信號進行融合，通過綜合分析后實現(xiàn)報警決斷，然后再啟動報警系統(tǒng)通知海上執(zhí)法力量進行海上執(zhí)法。該系統(tǒng)另外一個重要的功能就是通過GIS技術(shù)，將監(jiān)控數(shù)據(jù)與電子海圖數(shù)據(jù)進行疊加，通過動態(tài)目標(biāo)繪制技術(shù)和專業(yè)的電子海圖/地圖渲染技術(shù)，實現(xiàn)多個動態(tài)可疑移動目標(biāo)的監(jiān)控，并支持電子海圖/地圖可視化顯示及縮放、查詢和地理信息要素標(biāo)繪，從而方便各種控制操作。

2.2 系統(tǒng)邏輯框架

根據(jù)前期調(diào)研及項目組充分論證，水下文物立體化安全監(jiān)控框架構(gòu)建如圖2所示。其基本思路是以各類監(jiān)控子系統(tǒng)實時信息采集為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)同化為重點，從而保證體系內(nèi)基于平臺的應(yīng)用和業(yè)務(wù)類的應(yīng)用的信息來源的一致性、完整性和科學(xué)性。在圖2所示的架構(gòu)中，從下往上分別是前端數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)設(shè)施及傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表示層。此外，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系由各類技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）和法律法規(guī)及管理制度等組成，它是系統(tǒng)有效實施的外在基礎(chǔ)；綜合保障體系是主要由各種安全（系統(tǒng)安全防護和信息安全防護）和管理措施（組織管理和服務(wù)保障等）構(gòu)成，它們是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。

2.2.1 信息獲取層

主要負責(zé)雷達、視頻監(jiān)控和聲吶等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，完成解析和簡單數(shù)據(jù)處理操作，并將數(shù)據(jù)提交到后臺數(shù)據(jù)中心。該層是水下文物保護安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，是后臺大數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)分析、深層處理、各類應(yīng)用和應(yīng)對處置決策的基礎(chǔ)。

2.2.2 基礎(chǔ)設(shè)施層

該層是系統(tǒng)信息處理的基礎(chǔ)，負責(zé)整個體系內(nèi)、外部系之間的信息的存儲、處理分析和交換。包括數(shù)據(jù)存儲及處理的服務(wù)器、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備及電力供應(yīng)等，并配有虛擬化工具、并行及分布式的軟件工具，用于監(jiān)控大數(shù)據(jù)的管理。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

該層是監(jiān)控海域水下文物立體化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐層，是綜合信息資源（雷達監(jiān)控數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)和聲納監(jiān)控數(shù)據(jù)）的匯聚地。通過各監(jiān)控子系統(tǒng)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲管理、大數(shù)據(jù)分析和連接，為上層應(yīng)用提供符合需求的數(shù)據(jù)信息服務(wù)。

2.2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要包括水下目標(biāo)探測類業(yè)務(wù)系統(tǒng)（蛙人探測類）和水上目標(biāo)探測類業(yè)務(wù)系統(tǒng)（雷達探測類和視頻監(jiān)控類），分別針對特定的監(jiān)控設(shè)備采集的信息進行業(yè)務(wù)處理，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的核心功能，例如視頻監(jiān)控中對可疑目標(biāo)的數(shù)字圖像處理及跟蹤識別。

2.2.5 表示層

該層旨在充分利用水下文物立體化監(jiān)控保護服務(wù)平臺的能力，建立專業(yè)指揮與通信、事件應(yīng)急處置、綜合研判與處置及其他模型和決策模型，通過用戶門戶（指用戶端系統(tǒng)）全面掌控水下文物立體化監(jiān)測保護的特定海域綜合情況，從而實現(xiàn)關(guān)鍵性文物保護決策及精確執(zhí)法。

3 水下文物立體化安全監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)框架，經(jīng)分析，系統(tǒng)實現(xiàn)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要如下。

圖2 水下文物立體化監(jiān)測保護技術(shù)體系架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of stereoscopic monitoring and protection technology for underwater cultural relics

3.1 雷達與視頻監(jiān)控聯(lián)動的智能聯(lián)動

雷達主要用來獲取水面上船舶的相關(guān)位置信息，視頻監(jiān)控用來獲取現(xiàn)場監(jiān)控視頻，供監(jiān)控人員進一步人工方式確認(rèn)、事后查證和數(shù)字圖像方式自動化識別處理。為實現(xiàn)海面上可疑船舶的有效監(jiān)控，首先雷達和視頻監(jiān)控應(yīng)能實現(xiàn)聯(lián)動。根據(jù)雷達監(jiān)控報警信息，能適時精確控制視頻監(jiān)控云臺攝像機鏡頭的轉(zhuǎn)動，使云臺、攝像機、鏡頭能根據(jù)船舶的經(jīng)緯度信息和航速、航向信息準(zhǔn)確對準(zhǔn)行進中的疑似船舶進行監(jiān)控跟蹤[14]。為準(zhǔn)確定位，需要一個基于聯(lián)動追蹤算法的智能控制單元。獲取被跟蹤監(jiān)控船舶的動態(tài)信息（主要包括船舶的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息和航速、航向信息等）和攝像機經(jīng)緯度位置信息，通過雷達與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動追蹤算法組件，反饋給智能控制單元，并由其來驅(qū)動云臺與鏡頭準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對被監(jiān)控船舶的實時監(jiān)控。此外，當(dāng)船舶駛離監(jiān)控攝像機的監(jiān)控范圍時，追蹤算法應(yīng)能根據(jù)可疑船舶的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，主動選取下一個合適的攝像機進行接力式跟蹤監(jiān)控。

3.2 數(shù)據(jù)融合

圖2架構(gòu)中所指的數(shù)據(jù)融合，本質(zhì)上是一種多傳感器信息融合，是利用計算機技術(shù)對按時序采集的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)運用特定準(zhǔn)則下加以自動化分析、綜合以完成監(jiān)控報警而進行的信息處理過程，是對基于多個傳感器測量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合判斷過程。運用多傳感器信息融合技術(shù)在解決水面可疑船舶探測、跟蹤和目標(biāo)識別等方面，能夠增強系統(tǒng)智能監(jiān)控的準(zhǔn)確性，提高整個系統(tǒng)的可靠性和健壯性，增強數(shù)據(jù)的可信度，提高精度。目前，多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法主要分為隨機和人工智能方法。水下文物立體化監(jiān)控過程涉及多個階段，數(shù)據(jù)融合涉及三個核心方面需解決：一是數(shù)據(jù)融合的層次，即要在哪幾個層次（數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合）上完成多源信息處理，每一個層次對應(yīng)級別的信息抽象；二是數(shù)據(jù)融合的實際過程，即運用何種方法，例如加權(quán)平均融合、卡爾曼濾波法、Bayes估計、統(tǒng)計決策理論、概率論方法、模糊邏輯推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、D-S證據(jù)理論等，解決探測、互聯(lián)、相關(guān)、估計以及信息組合；三是數(shù)據(jù)融合的結(jié)果，即目標(biāo)的狀態(tài)和身份估計[15-16]。

3.3 遠距離數(shù)據(jù)傳輸

海上環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)往往不能像陸地上那樣方便地進行數(shù)據(jù)通訊。雖然在近海或近岸，海況環(huán)境不是太復(fù)雜的情況下也可以采用有線方式，但是水下古文物通常遠離海岸，互聯(lián)網(wǎng)無法實現(xiàn)覆蓋。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無線方式常被人們采用。選擇廉價而又可靠的遠距離大數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是該問題的核心。有別于高成本的3G通訊，低成本的海洋寬帶衛(wèi)星雙向數(shù)據(jù)通信，能夠建立海陸互聯(lián)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)圖1中目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)和岸站接收控制系統(tǒng)間的互通?；谛l(wèi)星寬帶通訊技術(shù)研究，重點需要解決衛(wèi)星信號動態(tài)跟蹤技術(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)接入技術(shù)，從而實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、雷達和聲納數(shù)據(jù)的實時傳輸。

3.4 長期穩(wěn)定供電

對海域目標(biāo)進行安全監(jiān)控需要為設(shè)備提供穩(wěn)定能源。眾所周知，海洋水下文物的保護，傳統(tǒng)的電力供應(yīng)方式具有較大的困難。因此，需要打破傳統(tǒng)上利用常規(guī)能源作為電力的思路（通過拉線、埋設(shè)電纜進行海域供電，不僅布線施工困難，成本高，而且不適用于復(fù)雜環(huán)境條件的遠海水下文物監(jiān)控），采用一種新穎的思路，設(shè)計一種利用海洋能進行發(fā)電的動力裝置為各個監(jiān)控設(shè)備供電，具有十分重要的意義。設(shè)計的難點在于如何使得監(jiān)控設(shè)備和海洋能發(fā)電設(shè)備支撐浮子一體化，對潮流能發(fā)電設(shè)備，低流速潮流能能量捕獲葉片優(yōu)化設(shè)計和功率控制，以使得供電穩(wěn)定、輕巧方便、抗海浪沖擊和抗潮濕。

3.5 監(jiān)控大數(shù)據(jù)存儲與分析

水下古文物監(jiān)控中數(shù)據(jù)主要包括三大類：動態(tài)數(shù)據(jù)（視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、船舶動態(tài)信息、雷達目標(biāo)數(shù)據(jù)、回波數(shù)據(jù)及其融合、聲吶監(jiān)控數(shù)據(jù)等）、靜態(tài)數(shù)據(jù)（部門信息、單位信息和權(quán)限分配）和歷史數(shù)據(jù)（主要是歷史采集數(shù)據(jù)，主要包括視頻數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)和聲吶數(shù)據(jù)等）。水下古文物監(jiān)測數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大，為方便檢索、智能處理和分析，需要在特定的數(shù)據(jù)庫存儲架構(gòu)下構(gòu)建數(shù)據(jù)中心進行保存。在該架構(gòu)下，首先要滿足三大種類的數(shù)據(jù)存儲和分析，其次架構(gòu)要有一定的適應(yīng)性，不僅要滿足數(shù)據(jù)中心的擴展，還要便于數(shù)據(jù)庫擴展，即當(dāng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器無法滿足要求時，應(yīng)能將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器擴展為包括中心數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫等類型。

4 結(jié)束語

綜上，水下文物立體化安全監(jiān)控系統(tǒng)整合了雷達監(jiān)控、視頻監(jiān)控和聲吶監(jiān)控等多種手段，是立法保護之外的優(yōu)秀保護方案。根據(jù)本研究，我們認(rèn)為采用單一的技術(shù)方法會有各種各樣的弊端，不能有效和全方位實現(xiàn)水下文物保護。隨著國家社會經(jīng)濟的發(fā)展，信息技術(shù)、通訊技術(shù)和自動化技術(shù)的進步，通過多種技術(shù)進行保護，不僅可以優(yōu)勢互補，而且十分必要，它的成功實施可為國家有效地保護文化遺產(chǎn)提供技術(shù)支持和示范。

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