sviluppo di un sistema di misura per la valutazione del comfort a bordo di veicoli per il trasporto...

Sviluppo di un sistema di misura per la valutazione del comfort a bordo di veicoli per il

trasporto pubblico

David Vetturi*, Andrea Magalini*, Matteo Lancini*, Ileana Bodini*

* Università degli Studi di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale

Abstract Il problema di stimare il comfort percepito dai passeggeri di un autobus è reso sempre più attuale dalla presenza di numerosi moderatori del traffico sulle strade urbane, che rendono difficoltosa la marcia dei veicoli pesanti Questo lavoro ha lo scopo di valutare, attraverso misure di vibrazione, gli effetti che i dispositivi di moderazione del traffico hanno sui passeggeri di un mezzo di trasporto pubblico. E’ stato implementato un sistema di misura in grado di funzionare in modo autonomo per lunghi periodi e capace di associare ciascuna misura con la relativa informazione geografica, ricavata tramite un sistema GPS (Global Positioning System), permettendo di ottenere direttamente una mappa dell’indice di comfort, grazie all’utilizzo del GIS (Geographic Information System). Il sistema di misura presentato in questo lavoro è costruito con componenti hardware di largo impiego: un PC palmare, un ricevitore GPS commerciale, tre servo-accelerometri monoassiali. E’ stato infine sviluppato un software specializzato.

1. Introduzione

Recenti sviluppi normativi [1] e studi [2] concernenti l’esposizione dell’uomo alle vibrazioni rendono sempre più attuale il problema di valutare in modo adeguato il comfort vibrazionale anche sui veicoli utilizzati nell’ambito del trasporto pubblico. In particolare, da un lato il parco automezzi destinato al trasporto pubblico attualmente in circolazione non è adeguato alle effettive esigenze, anche in termini di comfort [3,4], degli utenti, dall’altro le strade in ambito urbano su cui gli autobus circolano sono state interessate in questi ultimi anni da un elevato numero di interventi di moderazione del traffico (traffic calming), come rotatorie, passaggi pedonali rialzati, pavimentazioni differenziate, ecc. [5,6], che hanno reso difficoltosa la marcia per i veicoli destinati al trasporto pubblico. Risulta dunque evidente che l’attenzione di chi si

occupa sia della progettazione dei veicoli sia delle infrastrutture deve essere rivolta all’interazione

fra veicolo ed infrastruttura. Gli aspetti della ricerca effettuata risultano dunque di interesse per questi due diversi ambiti. Il lavoro illustra le attività di interesse

disciplinare (misure meccaniche) nell’ambito di una ricerca svolta, in collaborazione con il gruppo di Trasporti del Dipartimento di Ingegneria Civile (DICATA) dell’Università di Brescia e la Provincia di Brescia – settore trasporti. La ricerca ha lo scopo di valutare l’influenza

degli interventi di traffic calming, sul comfort percepito dai passeggeri (utenti) dei mezzi di trasporto urbani ed extraurbani, nonché quello di consentire un monitoraggio periodico dell’intera rete dei trasporti [7, 8]. Lo sviluppo del sistema di acquisizione,

elaborazione e memorizzazione delle grandezze meccaniche esaminate è stato effettuato in un primo tempo, limitatamente alla fase di messa a punto della procedura di misura, utilizzando un PC portatile dotato di scheda di acquisizione. Esaurita la fase di implementazione del prototipo basato sul PC portatile si è proposto di implementare la medesima procedura su una diversa piattaforma hardware basata su PC palmare (PDA).

2. Sistema di elaborazione e di misura

L’applicazione particolare descritta in questo lavoro richiede sessioni di acquisizione su lungo periodo in modo automatico senza dover ricorrere a personale specializzato. Per tale motivo si è progettato e sviluppato un sistema di misura, elaborazione e archiviazione dei dati completamente autonomo, che possa funzionare in maniera continua per lunghi periodi. Il sistema di misura è in grado di associare alle

misure di vibrazione effettuate (livello di comfort percepito) un’informazione di localizzazione geografica GPS (Global Positioning System) al fine di generare, in fase di post-elaborazione, una mappa dell’indice di comfort direttamente all’interno di un sistema informativo geografico GIS (Geographic Information System). La catena di misura di riferimento risulta, pertanto,

Sviluppo di un sistema di misura per la valutazione del comfort a bordo di veicoli per il trasporto pubblico

Congresso Nazionale di Misure Meccaniche e Termiche Folgaria - 2007

ramificata in due sezioni: da una parte le informazioni relative al comfort a bordo, cioè vibrazionali, dall’altra informazioni di localizzazione geografica, cioè coordinate assolute. Per quanto riguarda le vibrazioni, si è fatto ricorso a tre servo-accelerometri monoassiali1, alimentati tramite batteria, montati ortogonalmente su di un blocco prismatico poi fissato sul pianale del veicolo in oggetto (Fig. 1), nonché ad una scheda di acquisizione2

collegata ad un PC portatile deputato al salvataggio in continua dei segnali degli accelerometri.

Fig. 1: Configurazione montaggio accelerometri

Per quanto concerne invece le informazioni di posizione si è fatto ricorso ad un’antenna GPS commerciale3, collegata direttamente al medesimo PC portatile tramite l’interfaccia standard BlueTooth. Per la fase di sviluppo della catena di misura e

del software di elaborazione dei dati si è preferito utilizzare un sistema di acquisizione basato su PC portatile in luogo del PDA (PC palmare) proposto per la versione finale, non consentendo quest’ultimo il salvataggio dell’intera storia temporale (time history) dei segnali degli accelerometri su lunghi periodi, dato indispensabile per la fase di messa a punto del sistema prima della sua versione definitiva. In fase di esercizio la catena di misura risulta pressoché equivalente, fatto salvo la sostituzione della scheda di acquisizione con una dalle prestazioni simili, ma adatta alle capacità del palmare4. L’acquisizione del segnale accelerometrico

avviene in continua, ad una frequenza di 10kHz, sfruttando un buffer di 10000 campioni. Una

volta acquisiti, i dati relativi ad un secondo di acquisizione, cioè ad un singolo riempimento del

buffer, vengono processati individualmente per

1 servo-Beam KISTLER 8330 2 NI DAQCard 6062E 3 HAMLET BTSol 4 NI CF-6004

limitare l’accumulo alle sole informazioni sintetiche rilevanti. In primo luogo si fa ricorso ad un filtro digitale con banda passante da 0.5Hz a 300Hz, disegnato secondo i filtri di ponderazione tipicamente usati per misurare vibrazioni sull’uomo [9, 10] quindi viene calcolato il modulo del vettore accelerazione, ottenuto come somma vettoriale delle tre componenti misurate; infine per ciascuno di questi canali viene calcolato il valore RMS quale indicatore del livello di vibrazioni presenti. Sfruttando il tempo necessario a riempire il

buffer della scheda di acquisizione si interroga tramite protocollo bluetooth l’antenna GPS, la quale comunica ogni secondo una stringa standard NMEA RMC, dalla quale vengono ricavate le informazioni di posizione secondo la proiezione standard WGS84, nonché la velocità a terra. Sia le informazioni ottenute dal GPS, sia i livelli

di vibrazione, calcolati come descritto, vengono salvati, in modo da ottenere, relativamente al medesimo istante, dati vibrazionali e di posizione. Per quanto riguarda le informazioni vibrazionali, viene anche calcolata la media mobile dei livelli, in modo da ottenere indicazioni meno disturbate da eventi accidentali. Tutti i dati raccolti in questo modo, al termine

delle campagne di acquisizione, vengono trasferiti in un database geografico, in maniera da poter essere consultate sia sulla base di tempi e valori assunti, sia sulla base di posizione e vicinanza a punti particolari. Una sintesi dell’elaborazione cui sono soggetti i dati è visibile in Fig. 2.

Fig. 2: Sintesi dell’elaborazione automatica dei dati

2.1. Considerazioni sull’incertezza di misura

Per valutare l’impatto delle scelte effettuate e della strumentazione a disposizione è stata valutata in prima istanza l’incertezza di misura associata all’utilizzo del sistema proposto, secondo quanto proposto dalla GUM [11], utilizzando i dati reperibili dal certificato di taratura degli strumenti. In questa analisi non si è considerata l’incertezza legata all’informazione di posizionamento (GPS), in quanto trascurabile rispetto alle dimensioni dell’impianto viario e del veicolo stesso. Sono altresì stati trascurati i



contributi statici o quasi statici (bias, drift in temperatura) in quanto esclusi grazie all’applicazione del filtro di ponderazione. In Tab. 1 è possibile notare come l’incertezza

valutata sia adeguata agli scopi del lavoro proposto, e dipende principalmente, sia dalla scheda di acquisizione scelta che dalla non linearità in ampiezza dell’accelerometro. Sono ovviamente da condurre ulteriori analisi sul dispositivo nella sua versione in esercizio, in modo da integrare contributi, prevedibilmente presenti, legati al montaggio ed alla schermatura dello stesso. Accelerometro

sensibilità 1.31E+02 mV/(m/s²) ci u(yi) UPC

Non linearità in ampiezza 3.00E-02 m/s² 1.00E+00 3.00E-02 50.1%

Densità del rumore 4.00E-04 m/s² 1.00E+00 4.00E-04 0.0%

Non linearità tra 0 e 500 Hz 6.00E+00 mV/(m/s²) 1.74E-03 1.04E-02 6.1%

Scheda DAQ

risoluzione 12 bit ci u(yi) UPC

Accuratezza complessiva 3.68E+00 mV 7.62E-03 2.80E-02 43.8%

u(y) 0.04 m/s²

U(y) k=3 0.13 m/s²

Tab. 1: Valutazione dell’incertezza della catena di

misura accelerometrica

2.2. Database geografico

Fondamentale, ai fini della ricerca in oggetto, è poter fornire agli esperti del settore dei trasporti e delle infrastrutture viarie uno strumento

flessibile e completo per l’analisi delle informazioni acquisite. I dati di ogni singola acquisizione vengono

dunque circostanziati, aggiungendo informazioni quali il tipo di veicolo, il conducente, la tratta percorsa, e quindi importati in un database relazionale5 consultabile sia tramite interrogazioni (query) tradizionali che tramite un sistema informativo geografico (GIS)6. Tramite il database relazionale è possibile

ottenere informazioni statistiche quali la ricerca di una eventuale correlazione tra vibrazioni e velocità od una “classifica di comfort” del parco mezzi; inoltre sono state predefinite una serie di query di selezione per filtrare i dati a seconda dei vari parametri rilevanti: è immediato, ad esempio, scegliere di visualizzare solo le acquisizioni

5 MS Access, consultato tramite ODBC 6 MapInfo Professional

associabili ad un autista, o solo quelle avvenute durante l’orario di maggior traffico. Tali query di selezione diventano importanti in

quanto sono consultabili tramite sistemi GIS; è quindi possibile visualizzare in maniera trasparente mappe tematiche utili agli esperti per verificare eventuali anomalie ed identificare cause e contromisure per i problemi di comfort rilevati. Le mappe tematiche, di cui più avanti sono

riportati alcuni esempi, sono ottenute applicando all’intera cartografia urbana (o provinciale) una griglia di lato pari ad 1 m, quindi, ad ogni elemento della griglia, è associata la media del valore del parametro in esame (indicato genericamente con Z), pesata sull’inverso del quadrato distanza tra il centro della griglia (x) ed il punto in cui è localizzato il dato singolo (xi), secondo il metodo comunemente usato dell’Inverse Distance Weighting:

( )

ii

iii

w

wz

xZ∑

∑ ⋅

=)(r Eq. 1

con

>−

≤−= −

−

Rsexx

RxxseRw p

i

ip

iix-x

rrrr

rr

Eq. 2

Nel caso studiato si sono scelti i seguenti valori per i parametri p ed R: p = 2; R = 1 m. Questa tecnica, ovviamente opportunamente

parametrizzata a seconda del dato in esame, consente di ottenere indici sintetici fortemente connessi al punto in esame partendo da un numero anche elevato di valori presenti nel database dei rilevamenti.

3. Risultati

Fig. 3: Autobus destinato al Trasporto Pubblico Locale



La campagna di misura preliminare è stata condotta sia utilizzando autoveicoli privati che, una volta messo a punto il prototipo, veicoli destinati al trasporto pubblico locale. In questo lavoro vengono presentati gli aspetti

procedurali relativi alla catena di misura, i metodi di elaborazione delle informazioni in linea e le procedure di post-elaborazione per l’inserimento delle misure effettuate in ambiente GIS. Gli aspetti riguardanti le analisi dei risultati, con

considerazioni relative al veicolo, alle infrastrutture e alla loro interazione saranno oggetto di altri lavori.

3.1. Analisi della Time History

La catena di misura, come abbiamo visto, permette di valutare sia le condizioni di marcia del veicolo in termini di velocità e posizione (dati provenienti dal sensore GPS) sia le condizioni di comfort percepito in termini di accelerazioni avvertite dagli utenti a bordo del veicolo.

Accelerazione X

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

tempo [s]

Acc

[m/s

^2]

X

RMS X

Accelerazione Z

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

tempo [s]

Acc

[m/s

^2]

Z

RMS Z

Fig. 4: Accelerazione istantanea ed RMS

Come descritto precedentemente l’informazione di accelerazione viene ponderata e sintetizzata in un unico valore espresso in termini di RMS su una base temporale di un secondo. A titolo esemplificativo in Fig. 4 sono riportati i valori di accelerazione longitudinale (X) e verticale (Z) durante una manovra di frenata, sia in termini di accelerazione istantanea (tratto sottile) che di valore RMS su diverse finestre temporali della durata di un secondo.

Nei grafici che seguono sono riportate alcune acquisizioni effettuate in ambito urbano sul medesimo tronco stradale a cui sono riferiti i grafici precedenti, considerando però una scala temporale più ampia. La Fig. 5 riporta il profilo di velocità registrato in circa 6 minuti di tragitto. Si può osservare come, a causa delle condizioni di traffico e della presenza di incroci semaforizzati, la marcia del veicolo avvenga in modo piuttosto irregolare.

Velocità Veicolo

0

10

20

30

40

50

60

70

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

Tempo [s]ve

loci

tà [k

m/h

]

Velocità

Fig. 5: Velocità del veicolo

Analizzando poi i valori di accelerazione RMS nel medesimo tratto di strada, dal Grafico 3 possono essere considerate singolarmente le diverse manovre effettuate e può essere valutato quanto e come ciascuna di esse influisca sul discomfort percepito dall’utente. In riferimento a tale grafico, X rappresenta la direzione del senso di marcia, Y è la direzione ortogonale ad X che, con quest’ultima definisce un piano orizzontale, Z è la direzione verticale. I versi positivi rispettano le convenzioni di un sistema di riferimento ortogonale destrorso. Per quantificare il discomfort è stato utilizzato il vettore risultante delle accelerazioni nelle tre direzioni sopra definite, identificato come “Vettore” nella Fig. 6.

RMS Accelerazione

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

Tempo [s]

Acc

eler

azio

ne [1

0m/s

^2]

X

Y

Z

Vettore

Fig. 6: Valori RMS dell’accelerazione valutati a

bordo del veicolo

In particolare, nelle condizioni evidenziate dal tratto “A” il veicolo si trova fermo e il livello di accelerazione rilevato è basso, causato solamente

A B C D

E



dai disturbi di natura meccanica legati alla trasmissione e al motore. Nel tratto “B” viene affrontata ad una velocità di

circa 30 km/h una curva e il valore di discomfort evidenziato dal vettore accelerazione (linea spessa del grafico) è causato principalmente dall’accelerazione in direzione Y (accelerazione trasversale). Nel tratto “C”, come pure nel tratto “E” si ha un

analogo livello di discomfort causato questa volta da una brusca frenata (accelerazione longitudinale in direzione X) con il veicolo che quasi si ferma. Nel tratto “D” si ha invece un elevato livello di

accelerazione verticale (direzione Z) legata alla presenza di un dosso rialzato.

3.2. Analisi su base geografica

Le informazioni acquisite nel dominio del tempo, sebbene di facile lettura ed interpretazione in termini generali, non possono essere direttamente associate a particolari elementi infrastrutturali (incroci, curve o rotatorie, dossi, fondo stradale sconnesso) in quanto manca un riferimento di natura geografica. L’inserimento delle medesime informazioni in una base dati GIS permette al contrario di effettuare valutazioni di ordine diverso ed in particolare di valutare le interazioni fra veicolo e infrastruttura. In Fig. 7 sono indicate le mappe tematiche create

secondo la procedura precedentemente illustrata, sia indicanti la velocità del veicolo, sia i valori RMS del livello di accelerazione percepito a bordo del veicolo.

Fig. 7: Velocità veicolo (a) e accelerazione RMS (b,c,d) riportate in ambiente GIS

Mediante questa visualizzazione risulta di facile individuazione la localizzazione di elementi infrastrutturali di particolare impatto sul livello di comfort del veicolo.

4. Analisi e ottimizzazione del sistema di elaborazione dati

Nonostante sia stato usato per i primi test un sistema basato su PC portatile, non è possibile utilizzare un simile strumento in condizioni di esercizio continuo; in primo luogo per ragioni logistiche (ingombro, danneggiamenti, furti, ecc.), ma anche per motivazioni tecniche direttamente legate all’ambiente in cui si opera (un mezzo di trasporto pubblico), cioè un ambiente soggetto a vibrazioni in grado di danneggiare sia il sistema di memorizzazione dei dati (hard disk) sia il PC stesso. Le caratteristiche richieste ad un tale sistema di

misura sono le seguenti: un ingombro ridotto, in grado di minimizzare l’intralcio per i passeggeri, una fonte di alimentazione indipendente dal veicolo, in modo da evitare problemi legati all’instabilità di quella reperibile a bordo, una installazione rapida ed a costo limitato; e, soprattutto, una scarsa sensibilità alle vibrazioni del sistema di acquisizione stesso, che deve necessariamente poter operare per lunghi periodi a bordo del veicolo in esame senza che le condizioni di lavoro ne alterino le prestazioni o lo rendano inservibile.

(a)

(b)

(c)

(d)



Per questi motivi si è optato per lo sviluppo di un sistema basato su sistemi hardware di larga diffusione, quali un PC palmare (PDA), ed un ricevitore GPS commerciale, cercando di soddisfare comunque le esigenze complessive del sistema che risultano talvolta contrastanti, cioè la necessità di monitorare fenomeni con elevata dinamica (misura di vibrazioni su più assi) e l’esigenza di archiviare le informazioni richieste dalla normativa [9] in modo sintetico in modo da limitare lo spazio di memoria richiesto per le osservazioni di lunga durata. Criticità nel passaggio dalla configurazione di

test (basata su PC portatile) a quella di esercizio (basata su PDA) sono rappresentate dalla limitata capacità di memorizzazione ed elaborazione del PC palmare. Se da un lato infatti la configurazione hardware del PDA offre un sistema maneggevole e con semplici accorgimenti meccanici insensibile alle vibrazioni, dall’altro pone concreti limiti alla velocità con cui poter visualizzare, salvare ed elaborare le informazioni. Inoltre, le caratteristiche dinamiche della scheda di acquisizione disponibile per il palmare sono fondamentali e restrittive, e costituiscono il punto da cui partire per ridefinire il sistema di analisi e di acquisizione. La scheda scelta, una delle poche

commercialmente disponibili su bus Compact Flash (CF), lo standard di comunicazione hardware disponibile attualmente su PDA, ha una risoluzione adeguata agli obiettivi della ricerca (14bit, su ± 5V di range) ed una frequenza di campionamento massima di 132 kHz. Secondo informazioni del costruttore, però, tale valore scende a 18 kHz nel caso di acquisizioni continue, ed addirittura al di sotto di 1 kHz nel caso in cui le acquisizioni siano, oltre che continue, anche visualizzate sul display. Alla luce di queste osservazioni, è stato

necessario in primo luogo ridurre il più possibile le informazioni visualizzate all’utente e si è scelto di presentare solo informazioni sintetiche e numeriche, quali la validità o meno del dato GPS, i quattro livelli di vibrazione misurati, la velocità al suolo, ed un eventuale allarme dalla diagnostica. In secondo luogo è stato necessario considerare attentamente i tempi richiesti per ogni operazione, in modo da ottenere, con un certo margine di sicurezza, il completamento di acquisizione, elaborazione e salvataggio prima del riempimento del buffer offerto dalla scheda (circa 3000 campioni per canale). Data la caratteristica memoria volatile dei palmari è stato inoltre indispensabile prevedere il salvataggio dei dati su di una scheda di memoria Secure Digital (SD), anch’essa quasi trasparente alle vibrazioni, a

differenza degli hard disk, ma con velocità di lettura e scrittura limitate: si passa infatti dagli 800 kb/sec della scrittura su file in memoria interna al palmare, ai 30kb/sec della scheda di memoria. Una stima dei tempi di cui si è dovuto tener conto è presentata in Tab. 2.

Operazione Tempo medio richiesto (ms) pre ottimiz. post ottimiz.

Limite fisico

Acquisizione (lettura) 950 500 Scheda Acquisizione Diagnostica sui dati 70 50 Processore

Filtro di ponderazione 100 100 Processore Calcolo livelli RMS 100 70 Processore

Lettura Posizione GPS 50 50 Protocollo Bluetooth Salvataggio Dati 800 150 Scheda di Memoria

TOTALE 2070 920

Tab. 2: Tempi critici elaborazione PDA

Ogni operazione è stata opportunamente ottimizzata in modo da ridurre i tempi necessari al processore per eseguirla, anche riducendo la frequenza di campionamento ed introducendo tecniche opportune di file streaming. Il sistema risultante è quindi fortemente specializzato ed adatto ad effettuare misure di vibrazioni georeferenziate di lunga durata e senza operatore. Oltre a pensare ed ottimizzare un sistema di

elaborazione e salvataggio è stato considerato anche che, in questo tipo di campagne, eventi accidentali possono facilmente interferire con la misura a causa dell’ambiente in cui questa viene condotta: è stato quindi necessario prevedere sistemi di controllo opportuni che, data l’assenza di personale specializzato durante la misura, identifichino in automatico eventuali disturbi e ne consentano l’esclusione in fase di post-elaborazione. Tali sistemi sono basati su un’analisi delle time history acquisite prima della ponderazione. Tale operazione deve essere necessariamente di rapida effettuazione, per questo si è scelto di ricercare eventuali superamenti del fondo scala, nonché livelli di soglia sia sul valore RMS che sul valore massimo dell’accelerazione lungo i tre assi. Eventuali superamenti di tali limiti vengono automaticamente segnalati in fase di salvataggio, consentendo quindi in fase di post-elaborazione di scartare o rivedere con maggiore dettaglio i dati marcati come non validi. Un’alternativa al sistema PDA, attualmente in

corso di valutazione, è il ricorso alla tecnologia PC/104, uno standard per embedded computer specificamente pensato per acquisizioni a bordo di macchine in ambienti estremi. In commercio esistono vari elementi modulari PC104 basati sull’idea del Single Board Computer, ovvero di una scheda madre minimale a processore incorporato, in grado di interfacciarsi a varie periferiche tramite bus standard a 16 bit. La soluzione pare, a questo livello di valutazione, adeguata e promettente, soprattutto per quanto riguarda le prestazioni dinamiche, ma richiede



ulteriori analisi, data la necessità di assemblare e programmare specificatamente un eventuale dispositivo progettato secondo questo modello.

5. Conclusioni

E’ stato presentato un sistema di acquisizione ed elaborazione dati e una procedura di post-processing delle informazioni che permette di valutare il livello di qualità, in termini di comfort legato alle vibrazioni e alle accelerazioni della cassa del veicolo degli automezzi destinati al trasporto pubblico locale. Il sistema è stato utilizzato, in sede di sviluppo e

di collaudo, sia su autovetture che su veicoli destinati al trasporto pubblico. Inoltre, in fase di post-processing, si è monitorato l’impatto delle infrastrutture e degli elementi di moderazione del traffico sul comfort complessivo percepito dagli utenti. Il sistema sviluppato sarà ora impiegato per

raccogliere informazioni su alcuni itinerari ritenuti di interesse come caso di studio e successivamente si procederà all’analisi, su base geografica, delle informazioni raccolte. Parallelamente sono state presentate proposte di

miglioramento ulteriore del sistema di misura adottato utilizzando altre piattaforme di sviluppo diverse dal PC portatile quale un sistema basato su PC palmare (PDA) o PC/104.

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