以可靠性為中心的基于狀態(tài)維修的分析及其應(yīng)用研究陳圣斌

PAGEPAGE1224第二其次十八屆（2012）全國直升機年會論文以可靠牢靠性為中心的基于狀態(tài)維修的分析及其應(yīng)用研究討論陳圣斌曾曼成郝宗敏張仁強（中航工業(yè)直升機設(shè)計研究討論所，江西景德鎮(zhèn)，333001）摘要:本文是根據(jù)依據(jù)國外資料編撰的研究討論報告,文中論述了基于狀態(tài)維修的基本原理及實現(xiàn)基于狀態(tài)維修的必要條件；說明了明白基于狀態(tài)維修的分析程序,給出了支撐基于狀態(tài)維修HUMS和信息系統(tǒng)一般要求。最后,以實例介紹了基于狀態(tài)維修在直升機上的應(yīng)用。本文旨在拋磚引玉,期待期盼業(yè)界同仁共同關(guān)心直升機基于狀態(tài)維修的改革和發(fā)展進展.關(guān)鍵詞：直升機維修;基于狀態(tài)維修;以可靠牢靠性為中心的維修分析；P—F時間間隔.引言隨著航空技術(shù)的發(fā)展進展,航空維修方法也在不斷的改進和革新。圖1給出了航空領(lǐng)域維修方法從MSG直到目前嵌入于現(xiàn)代美國陸軍航空兵的CBM+計劃的整個轉(zhuǎn)移過程。經(jīng)過幾十年的發(fā)展進展,航空維修方法已由早期的以定時為主的維修方式發(fā)展進展為以MSG或RCM表征的定時維修、視情維修、狀態(tài)監(jiān)控三種維修方式，通過上面的維修方法的變革與傳統(tǒng)的這種定時維修方式相比,它使固定翼飛機(如波音747）的定時維修的部件，由數(shù)10件減少削減到3～5件;使機載成附件幾乎都改成了狀態(tài)監(jiān)控維修方式,這大大地減少削減了維修費用和提高了飛機的使用可用度.然而,就直升機而言，盡管也按照依據(jù)以可靠牢靠性為中心的維修分析程序,進行了維修方式的改革,但打開直升機的主要維護建議或維修大綱，包括歐美直升機在內(nèi)，其動部件(主尾旋翼系統(tǒng)、發(fā)動機和動力傳動裝置）仍是以定時維修的方式規(guī)劃其維修工作.正如圖2所示1),直升機的直接維修費用為整個壽命周期費用的30％，直升機成了“買得起,用不起”的飛行工具.圖圖1基于狀態(tài)維修的發(fā)展沿革圖2直升機壽命周期費用分配美陸軍航空兵在本世紀初，提出了截短后勤尾巴的行動計劃2）,其中有一項是對目前的維修作進一步的重大改革，使直升機目前的維修改革為基于狀態(tài)的維修。于是美國陸軍開發(fā)了以可靠牢靠性為中心的基于狀態(tài)維修的程序方法。值得提出的是，上世紀后20年歐美國家在直升機上廣泛應(yīng)用的健康和使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)以及直升機上目前的健康和使用的可視化信息系統(tǒng)的日趨完善，這為基于狀態(tài)維修方法的實現(xiàn)提供供應(yīng)了技術(shù)支撐.本文根據(jù)依據(jù)相關(guān)資料3）4）5），首先闡述了以可靠牢靠性為中心、基于狀態(tài)維修的分析程序（RCM、CBM);然后，說明了明白以HUMS和信息化技術(shù)為支撐以實現(xiàn)基于狀態(tài)維修的技術(shù)特征和要求，最后，以相應(yīng)實例介紹了基于狀態(tài)維修在直升機上的應(yīng)用.1基于狀態(tài)維修的定義基于狀態(tài)維修的方法所謂的基于狀態(tài)維修的方法,即是根據(jù)依據(jù)一個部件/產(chǎn)品的損傷或狀態(tài)的實時監(jiān)控，而采取實行主動維修措施（如更換、功能檢查等）.與RCM不同之處，RCM所關(guān)注的是部件總體（型號）的通用的維修要求，而CBM所關(guān)心的是各個部件的狀態(tài)，并根據(jù)依據(jù)部件狀態(tài)實時監(jiān)控，進行主動維修4)。圖3不同環(huán)境條件下的部件/產(chǎn)品壽命(TBOˊ＞TBO＞TBOˊˊ）圖4基于狀態(tài)維修原理圖3不同環(huán)境條件下的部件/產(chǎn)品壽命(TBOˊ＞TBO＞TBOˊˊ）圖4基于狀態(tài)維修原理（狀態(tài)監(jiān)控原理：P—F曲線）然而,使用中的實際狀態(tài)、載荷及環(huán)境應(yīng)力、疲勞疲憊損傷與確定壽命的狀態(tài)有很大不同，如試驗中的環(huán)境條件是嚴酷的高低凹凸溫循環(huán)作用。如圖3所示，由于這種差異性，這為按實際使用狀態(tài)進行維修或延長使用壽命提供供應(yīng)了空間?；跔顟B(tài)維修的原理（P-F曲線)基于狀態(tài)維修，它是根據(jù)依據(jù)實際的損傷狀態(tài)，而不是按計劃的、例行的或重復(fù)的時間進行維修的方法，圖4中所示的P-F曲線表征了基于狀態(tài)維修的原理。圖中P點是能夠檢測到的潛在故障點，而F點是發(fā)生功能故障點。只有滿足滿意下列條件下，才能在技術(shù)上實現(xiàn)基于狀態(tài)的維修。必須有一個能夠檢測潛在故障狀態(tài)的傳感器或指示器；這種檢測器在小于P-F間隔時間里，能夠監(jiān)控損傷的擴展；在功能故障發(fā)生之前的這一P-F時間間隔必須足夠的長以避免避開功能故障的影響；表征相應(yīng)故障的P—F的時間間隔是完全一致全都的。顯然，由上可以看出，如果P點不能清楚清楚而無歧義地檢測出來，那么，P—F的時間間隔便無法確定，基于狀態(tài)維修的方法是不可不行實現(xiàn)的；如果損傷狀態(tài)不能確定,那么，損傷的擴展點也無法確定，這樣基于狀態(tài)的維修也是不可不行實現(xiàn)的。簡而言之，必須提供供應(yīng)一個足夠長的P-F時間間隔，以便對其工作的簡要過程作出反應(yīng)，并對實施的維修措施作出有效的規(guī)劃。由上面的基于狀態(tài)維修的定義不難看出基于狀態(tài)維修的實現(xiàn)應(yīng)具有以下必要條件：必須確定潛在故障和功能故障點及它們的時間間隔；且P—F時間間隔應(yīng)足夠的長。(在后面的CBM分析程序中，這一P—F時間間隔定義為大于最大的任務(wù)時間）；必須有一個能檢測潛在故障點及損傷擴展的傳感器或指示器.2以可靠牢靠性為中心的基于狀態(tài)維修的分析程序3）這種以可靠牢靠性為中心的基于狀態(tài)維修的分析程序包括以下基本內(nèi)容：以可靠牢靠性為中心的維修分析；基于狀態(tài)的維修分析；與HUMS相結(jié)合的基于狀態(tài)維修.其中以可靠牢靠性為中心的維修分析是基于狀態(tài)維修的基礎(chǔ),這正如美國陸軍在RCM、CBM的行動計劃中指出的那樣,沒有RCM的分析，CBM便像沒有方向舵的航船。顯然，RCM分析對CBM起著領(lǐng)引的作用。通過以可靠牢靠性為中心的維修分析，給出部件/產(chǎn)品的哪些故障應(yīng)采取實行基于狀態(tài)的維修,然后，又按CBM分析程序作進一步分析，確定基于狀態(tài)維修的部件/產(chǎn)品要予以監(jiān)控的狀態(tài)和P-F的時間間隔。本節(jié)詳細簡略地闡述了RCM和CBM的分析程序，RCM和CBM的分析程序如圖5所示。以可靠牢靠性為中心的維修（RCM）分析程序以可靠牢靠性為中心的維修分析程序，是廣為人知的。正如圖5左半部分所示，按這一分析程序，可以得到維修環(huán)境下的4種結(jié)果：基于狀態(tài)維修（CBM）定時維修（TDM）無維修處理方式(NOM）運行到發(fā)生故障（RTF）從分析程序可以看出，這4種結(jié)果是根據(jù)依據(jù)故障的后果（或故障影響），故障的感知(故障是明顯的或隱蔽的)和P—F時間間隔（大于或小于最大任務(wù)時間)來確定的。其中P—F時間間隔必須知道,按基于狀態(tài)維修的定義，只有檢測到潛在故障點及功能故障，且具有足夠長的P—F時間間隔才能實現(xiàn)基于狀態(tài)的維修。按美國陸軍的CBM分析程序，這一P-F時間間隔應(yīng)大于最大任務(wù)時間。如圖5所示，4種類型的維修都取決于與P-F時間間隔相關(guān)的任務(wù)時間。如明顯的致命性故障的P-F時間間隔大于最大任務(wù)時間時可采取實行CBM的維修方式,然后按CBM分析程序確定必須監(jiān)控的狀態(tài)及P—F時間間隔，以及在維修管理系統(tǒng)中，這種維修方式與HUMS的綜合實現(xiàn)?；跔顟B(tài)維修（CBM）分析程序經(jīng)RCM分析確定為基于狀態(tài)維修方式的部件/產(chǎn)品，便要進行基于狀態(tài)維修分析。這一分析是一不斷發(fā)展進展的漸進過程，其目的是使能夠使用的分析工具得到優(yōu)化.當(dāng)需要全尺寸的部件試驗作為分析的一部分時，顯然是很費錢的,因此，當(dāng)數(shù)學(xué)建?；虿糠终垡蛟囼?zāi)軌蛱峁┕?yīng)足夠的信息以開發(fā)和綜合CBM的解決方法，在經(jīng)濟上是更可取的.圖5右上部分給出了開發(fā)CBM解決方法的漸進式途徑或程序。必須指出的是，每一步之后便要研究討論可用的信息,以確定是否足以產(chǎn)生CBM的解決方法?；跔顟B(tài)維修分析程序給出的予以監(jiān)控狀態(tài)及利用監(jiān)控的結(jié)果，采用采納主動維修解決方法如圖5右下部分所示。與HUMS相結(jié)合的基于狀態(tài)維修的方法上個世紀后半葉，歐美國家開發(fā)的直升機健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS)是一種采用采納全套傳感器和計算機構(gòu)建的監(jiān)控直升機結(jié)構(gòu)和動部件狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)。如果把基于狀態(tài)維修分析所得到的CBM解決方法嵌入到HUMS的功能系統(tǒng)之中，便構(gòu)建了與HUMS相結(jié)合的CBM解決方法——機載維修系統(tǒng),即通過HUMS系統(tǒng)監(jiān)控動部件和結(jié)構(gòu)件的狀態(tài)(如損傷、裂紋和裂紋擴展等），在部件/產(chǎn)品即將發(fā)生功能故障而尚未發(fā)生之前，便對其采取實行相應(yīng)的維修措施,實現(xiàn)實時主動的維修。這種與HUMS相結(jié)合的CBM的解決方法如圖5右下部所示：這種以CBM分析所獲取獵取的CBM解決方法與HUMS結(jié)合構(gòu)建的綜合維修系統(tǒng)，它能使HUMS實現(xiàn)對動部件和結(jié)構(gòu)件的健康和使用狀態(tài)精確的監(jiān)控.這種基于狀態(tài)維修分析對HUMS的作用和意義，正如美國陸軍CBM行動計劃所述：這種無CBM分析而主觀嵌入的健康與使用管理系統(tǒng)是一種無堅實基礎(chǔ)的嵌入方法；這種綜合的健康數(shù)據(jù)分析,沒有對故障模式機理的精確掌控,其結(jié)果有可能是無效的結(jié)果或無結(jié)果的資源浪費。信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)是支持基于狀態(tài)維修環(huán)境的核心或關(guān)鍵，它不僅支撐著基于狀態(tài)維修的實現(xiàn)，而且它對于通過全壽命周期管理保障計劃，以較低的費用實現(xiàn)較好的使用完好性是非常格外重要的.這種信息系統(tǒng)在美國陸軍的RCM、CBM的行動計劃中，被視為重大的轉(zhuǎn)化，它使被監(jiān)控的部件/產(chǎn)品通過這種信息系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的可視化。這種信息系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)化包括5個方面的內(nèi)容：部件/產(chǎn)品的唯一識別（UID）構(gòu)型為中心的維修信息管理系統(tǒng)（MMIS）序列化的項目管理（SIM)履歷本基于任務(wù)的維修信息管理部件/產(chǎn)品的唯一識別正如前所述,CBM計劃的關(guān)鍵就是要掌控各個部件的狀態(tài)，為了達到透徹地了解部件狀態(tài)必須有許多很多重要的因素設(shè)置在這樣的信息系統(tǒng)中。首先，基層級的信息系統(tǒng),對各個部件要有可視性，這是通過貫徹美國國防部UID的策略來實現(xiàn)的，這一策略就是使管理人員對每一部件/產(chǎn)品用2維的可判讀的機械編號進行唯一的標識。這樣，每一個部件在美國國防部的后勤保障環(huán)境中被確認為全球唯一的,作為后勤的下一步，這樣的信息系統(tǒng)，必須利用這樣的編號標識作必要的變化以支持這種新的基于狀態(tài)維修的方法。構(gòu)型為中心的維修信息管理系統(tǒng)對于信息系統(tǒng)的下一個重要轉(zhuǎn)化，即是建立以構(gòu)型為中心的維修信息管理系統(tǒng),通過這樣的系統(tǒng)，管理人員便可對機群保持的構(gòu)型狀態(tài)或它們的每一重要裝置實現(xiàn)可視化管理，圖6是這種維修信息管理按保持狀態(tài)構(gòu)建的構(gòu)型記錄的一般方法,限于篇幅,圖6參見文獻［3]。每一重要部件可以進一步細化以實現(xiàn)分部件的可視性，從而獲取獵取它們的詳細簡略狀態(tài)和特征.序列化的項目管理監(jiān)控部件可視性另一個重要部分，即是要給出予以跟蹤管理的特征。這種功能在美國防部DOD4151。19器材維修的序列化項目管理文件中有明確的規(guī)定，其目的是通過給出相應(yīng)的特征以便在整個國防部實現(xiàn)對這種重要器材的管理。這些特征包括飛行小時、循環(huán)次數(shù)；還包括儲存壽命,保證期、大修次數(shù)，振動記錄等.由于這些特征都會影響部件狀態(tài)，因此信息系統(tǒng)必須通過UID收集和給出每一部件的這些特征.圖5圖5以可靠性為中心的基于狀態(tài)維修分析程序履歷本履歷本是實現(xiàn)被監(jiān)控部件可視性的最重大的轉(zhuǎn)化。它要將現(xiàn)存的紙質(zhì)履歷本轉(zhuǎn)化為電子資料說明書，以便管理人員利用這種電子化的履歷本，在使用保障及維修環(huán)境下,對所有全部部件具有可視性。這一電子化的履歷本，它必須給出每一部件在其整個壽命期內(nèi)要予以跟蹤的特征。這樣，當(dāng)部件在修理廠進行維修或大修時所消耗的資源,便能分配安排到由它的UID給定的項目上，并且記錄相應(yīng)的消耗.采用采納這樣的電子化的履歷本，確保按實際數(shù)量，而不是傳統(tǒng)的批量需求進行采購選購和儲存,從而避免避開使用中出現(xiàn)消滅伊拉克前線堆積積累如山的沒有使用過的備件.基于任務(wù)的維修信息管理陸軍維修信息系統(tǒng)是重大的轉(zhuǎn)化，它是向著基于維修任務(wù)的方式發(fā)展進展,這種基于維修任務(wù)的信息管理的方式是民用航空和汽車行業(yè)使用的方法模型，例如，當(dāng)你的汽車要做相應(yīng)的維修工作時，從汽車供應(yīng)商服務(wù)中心所收到的清單說明便一目了然了,它給出了維修工作的范圍和工作量，完成維修所用的技術(shù)數(shù)據(jù)，完成這一維修工作所需時間及備件需求量以及其他的附加檢查和保養(yǎng)工作。這種基于維修的信息管理方式，它對機群的檢查和維修造成重大的改變轉(zhuǎn)變，不論是計劃或非計劃的維修工作,它就是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，這就需要機群維修信息的輸入，以確定影響機群使用完好性的主宰因素。如果沒有維修任務(wù)數(shù)據(jù)的收集、分析和評估，便不能完成計劃維修的優(yōu)化；同樣,如果要使CBM是非計劃維修轉(zhuǎn)化為預(yù)測猜測的主動的維修工具，那么，沒有掌控維修任務(wù)的相應(yīng)信息,便不能量化基于狀態(tài)維修的效果。在美國的RCM、CBM的行動計劃中指出：必須以基于狀態(tài)維修的分析為理論基礎(chǔ),以HUMS為CBM的技術(shù)支撐,實現(xiàn)上述維修信息管理的重大轉(zhuǎn)化,才能實現(xiàn)基于狀態(tài)維修方法的改革.應(yīng)用實例美國業(yè)已開發(fā)了一種先進的滑油管路中碎片監(jiān)控裝置——金屬粒探測器（Metalscan）,它是監(jiān)控和預(yù)測猜測直升機發(fā)動機和傳動裝置軸承和齒輪結(jié)構(gòu)損傷實現(xiàn)基于狀態(tài)維修的很有效的狀態(tài)指示器或傳感器。這種金屬粒探測器對發(fā)動機和傳動裝置軸承的碎片及齒輪的剝脫損傷能提供供應(yīng)早期預(yù)測猜測，對損傷擴展到功能故障的嚴重性及擴展速度能提供供應(yīng)量化指示,因此，這種傳感器技術(shù)能估算潛在故障點（P)到功能故障點（F)的時間。限于篇幅，這里不詳細簡略引述這種狀態(tài)指示器或傳感器的工作原理，詳見參考文獻[4］.這種先進的金屬粒探測器與傳統(tǒng)的滑油金屬探測器的比較如表1所示:表1兩種探測器的檢測功能比較檢測功能金屬屑探測器金屬粒探測器金屬粒探測器（Metalscan)優(yōu)點磁性微粒探測能能微粒的測量不能能能量化跟蹤損傷微粒大小及損傷擴展——是一種不會漏掉任何微粒的傳感器微粒大?。ㄐ∷槠?—大微粒）不能能能識別出不同大小的碎片—-在發(fā)生碎裂情況不會產(chǎn)生虛警微粒大?。ń饘俳q—-細小微粒）不能能能識別正常磨損的碎片——在正常工作時，不會產(chǎn)生虛警非鐵金屬的檢測不能能能識別軸承保持架的損傷-—是一要求盡快著陸的重要傳感器碎片檢測效能低高具有高于一個數(shù)量級的檢測能力—-具有更快、可靠牢靠的檢測能力圖7由金屬粒探測器組成的發(fā)動機傳動裝置監(jiān)控系統(tǒng)圖7由金屬粒探測器組成的發(fā)動機傳動裝置監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)論和建議結(jié)論通過上面的分析和討論商量，可以得出：這種以可靠牢靠性為中心基于狀態(tài)維修分析為理論基礎(chǔ)，以HUMS和信息系統(tǒng)為技術(shù)支撐的基于狀態(tài)維修的方法，其最直接的獲益是使相應(yīng)的部件/產(chǎn)品由過去的基于時間的被動的定時維修轉(zhuǎn)化為基于狀態(tài)的主動、預(yù)測猜測性維修。這大大地延長了部件/產(chǎn)品的使用壽命。對于減少削減直接維修費用,提高使用可用度起重要作用.這種基于狀態(tài)維修的改革,將使直升機的許多很多結(jié)構(gòu)部件、動部件（如主尾旋翼槳葉、自動傾斜器、起落架支柱、發(fā)動機如傳動裝置等）由過去的定時維修轉(zhuǎn)化為基于狀態(tài)維修；以基于狀態(tài)維修為核心，由信息系統(tǒng)為紐帶構(gòu)建的新的使用維修保障系統(tǒng)，將使部件/產(chǎn)品在整個供應(yīng)鏈中實現(xiàn)可視性管理,這將消除堆積積累如山的備件儲備，這對于截短后勤保障的尾巴起著重要作用；由CBM改革而引發(fā)的信息系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化，這將能實現(xiàn)維修信息管理、序列化的項目管理、履歷本的管理、部件/產(chǎn)品狀態(tài)管理、機群管理的可視性，這對于減輕維修負擔(dān)、監(jiān)控直升機的健康和狀態(tài)、掌握和監(jiān)控整個機群的使用等起著重要作用。4。2建議在長期的工作實踐中發(fā)現(xiàn),盡管在型號研制工作中,作了大量的可靠牢靠性、維修性、保障性的分析和設(shè)計工作，但總感到這些工作的結(jié)果,對于減少削減維修負擔(dān)、減少削減維修費用、減少削減保障資源沒有顯示出明顯的成效,其主要的原因緣由之一,就是傳統(tǒng)的維修方式阻礙了可靠牢靠性、維修性、保障性分析和設(shè)計工作效能的發(fā)揮。盡管部件/產(chǎn)品的可靠牢靠性很高，但仍以設(shè)計定壽的規(guī)定的時間，而不是以它們的使用狀態(tài)（可靠牢靠性）進行維修，這種穿新鞋走老路的方法無疑使所做的可靠牢靠性分析設(shè)計工作的成效顯現(xiàn)不出來。美國陸軍航空兵部隊似乎也是發(fā)現(xiàn)了這些問題，（如動部件幾乎都是定時維修,伊拉克戰(zhàn)場堆積積累如山的、沒有用過的備件等),于是，本世紀一開始開頭便提出基于狀態(tài)維修改革的行動計劃。為了使國內(nèi)直升機領(lǐng)域也能盡快實現(xiàn)基于狀態(tài)維修的變革，這里建議成立以可靠牢靠性為中心的基于狀態(tài)維修課題組開展相應(yīng)的研究討論工作,包括：美國陸軍基于狀態(tài)維修計劃的背景及內(nèi)容的詳細簡略研究討論(如基于狀態(tài)維修的程序、信息系統(tǒng)，以P—F時間間隔大于最大任務(wù)時間作為確定部件/產(chǎn)品基于狀態(tài)維修的條件之一.)基于狀態(tài)維修相關(guān)文件，標準的研究討論（如美國陸軍CBM+路線圖、器材維修序列化項目管理、數(shù)字化航空后勤保障計劃、以構(gòu)型為中心的維修信息管理系統(tǒng)等.）直升機結(jié)構(gòu)件、動部件基于狀態(tài)維修改革的研究討論（如實照實施基于狀態(tài)維修改革的結(jié)構(gòu)件、動部件選擇原則及程序；數(shù)據(jù)收集（如結(jié)構(gòu)損傷類型、程度、位置、嚴酷度、損傷原因緣由等）；基于狀態(tài)維修的分析程序；通過建模分析、計算損傷對結(jié)構(gòu)部件、動部件壽命、可靠牢靠性的影響從而確定是否需要監(jiān)控狀態(tài)、試驗驗證等。）國內(nèi)現(xiàn)役直升機結(jié)構(gòu)件、動部件使用狀態(tài)的研究討論（包括使用壽命及可靠牢靠性(MTTF或MTBF）)結(jié)束語本文是以國外資料編撰的綜述報告，文中實有不詳和不對之處，抱著拋磚引玉的目的，期待期盼業(yè)界同行作進一步研究討論，促進國內(nèi)直升機維修方法的改革和發(fā)展進展。參考文獻G.Ponchlin，A。Lefedvre,P.LMaisomeuve，M.Glade，J.P.Derain.TheMaximumMaintenanceMasteryatEurocopter［C].33rdEuropeanRotorcraftForum13-09。2007LTCKimberlyA。Enderle,sustainingtheMultifunctionalAviationBrigade，ShorteningtheLogisticeTail［J］ARMYAVIATIONNoverber30，2004F。ChrisSauterAsystemApprochtoConditionBasedMaintenance［C]AmericanHelicapterSocietySpecialises’MeetingonConditonBasedMaintenanceFebruary12—132008DukaKitaljevich,RichardDupuis，KarenCassidy。OilDebrisMonitoringforHelicopterDrivetrainConditonBasedMaintenance[C］。AmericanHelicopterSocietySpecialist’sMeetingonconditionBusedMaintenanceFebruary12-132008EdwinD。Martin，Tonym。Page,Use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