劉志鋼 胡 華 黃遠(yuǎn)春 陳穎雪

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，201620，上海∥第一作者，教授)

在城市客運(yùn)公共交通系統(tǒng)中，城市軌道交通的重要功能定位是高運(yùn)量骨干運(yùn)輸網(wǎng)，因此，其突發(fā)事件不但會導(dǎo)致沿?fù)Q乘站傳遞的大客流突變、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平驟降等系統(tǒng)內(nèi)部問題，而且可能導(dǎo)致城市局部區(qū)域內(nèi)道路交通系統(tǒng)服務(wù)水平的劇烈波動(dòng)甚至人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和不良社會影響等嚴(yán)重后果。為此，在城市軌道交通突發(fā)事件下，如何快速、準(zhǔn)確地實(shí)施故障處置與救援并維持事件持續(xù)期間的運(yùn)營安全，以盡可能地將突發(fā)事件損失降低到最低限度，已成為城市軌道交通運(yùn)營安全與應(yīng)急管理領(lǐng)域亟待解決的重大研究課題。

在城市軌道交通突發(fā)事件下，行車調(diào)度指揮作為整個(gè)應(yīng)急處置系統(tǒng)的“大腦中樞”，其應(yīng)急調(diào)度決策的準(zhǔn)確性、高效性直接關(guān)系到系統(tǒng)應(yīng)急處置的時(shí)效性及事件影響期間運(yùn)營的安全性。在國內(nèi)外，由于軌道交通應(yīng)急調(diào)度決策失誤導(dǎo)致了多起重大安全事故:2003年2月18日韓國大邱地鐵縱火事故導(dǎo)致198人死亡、146人受傷，造成的財(cái)產(chǎn)損失高達(dá)47億韓元;2009年12月22日上海軌道交通1號線列車相撞事故，導(dǎo)致周邊道路交通全面癱瘓，105輛大巴連運(yùn)6 h才疏散滯積乘客;2011年9月27日上海軌道交通10號線列車追尾事故導(dǎo)致260余人受傷［1］。這一系列的重大事故在世界各國都引起了強(qiáng)烈的社會反響。城市軌道交通的應(yīng)急調(diào)度指揮已引起全社會的廣泛關(guān)注和普遍重視。城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度理論及決策支持系統(tǒng)研發(fā)已成為亟待解決的重大課題。

1 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度的現(xiàn)狀

城市軌道交通具有專業(yè)多、系統(tǒng)多、管理層次多等特點(diǎn)，在運(yùn)營組織中特別強(qiáng)調(diào)各部門各單位的協(xié)同性和聯(lián)動(dòng)性，使各專業(yè)、各子系統(tǒng)和管理層達(dá)到準(zhǔn)確、高效的協(xié)同，并提高服務(wù)質(zhì)量和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)效率。這是城市軌道交通運(yùn)營組織的總體目標(biāo)。在此總體目標(biāo)的指導(dǎo)下，集中控制和統(tǒng)一指揮成為城市軌道交通運(yùn)營組織的必要原則，而行車調(diào)度員則是該原則的主要執(zhí)行者。行車調(diào)度工作主要體現(xiàn)在“中樞神經(jīng)”的作用上，即體現(xiàn)其監(jiān)督、控制、協(xié)調(diào)、指揮等功能。行車調(diào)度水平直接關(guān)系到城市軌道交通運(yùn)營的效率與安全［2］。其工作的特殊性主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的作業(yè)特性，以及必須通過通信工具來發(fā)布命令的方式上。從運(yùn)營生產(chǎn)的角度，城市軌道交通行車調(diào)度員的主要職責(zé)包含了2個(gè)方面的內(nèi)容:在常態(tài)情況下，確保列車按運(yùn)行計(jì)劃有序運(yùn)行;在異常態(tài)情況下(突發(fā)事件發(fā)生時(shí))，協(xié)調(diào)指揮處理突發(fā)事件，確保行車安全，并盡快恢復(fù)運(yùn)營。

1.1 常態(tài)情況下行車調(diào)度職責(zé)及流程方法

在正常運(yùn)營中，行車調(diào)度的主要職責(zé)是監(jiān)督列車運(yùn)行情況，按列車運(yùn)行圖的要求指揮行車;并根據(jù)客流變化及時(shí)調(diào)整運(yùn)力安排，合理使用生產(chǎn)資源，實(shí)行晝夜指揮、協(xié)調(diào)、監(jiān)督與控制，保障運(yùn)營安全與質(zhì)量，確保運(yùn)營生產(chǎn)的順利實(shí)施。圍繞“指揮列車按圖行車”的核心目標(biāo)，以上海軌道交通為例，常態(tài)情況下行車調(diào)度的作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 常態(tài)情況下行車調(diào)度員行車指揮作業(yè)流程

由圖1可見，在常態(tài)情況下，行車調(diào)度員以CATS(中央自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng))的工作站、大顯示屏、CCTV(閉路電視)等監(jiān)控設(shè)備為基礎(chǔ)，監(jiān)督線路、列車、信號等子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài);在及早發(fā)現(xiàn)或通過CATS工作站提醒獲得關(guān)于列車運(yùn)行偏離計(jì)劃運(yùn)行圖的情況(如早、晚點(diǎn))后，行車調(diào)度員需要根據(jù)基本的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)做出運(yùn)行調(diào)整決策(如調(diào)整列車停站時(shí)間、扣車、催發(fā)車、加開備車、載客通過等);然后通過行車調(diào)度電話、行車無線控制臺/對講機(jī)等通信工具，向車站行車值班員和駕駛員發(fā)布相關(guān)調(diào)度命令，以盡快恢復(fù)列車按圖行車。

1.2 異常態(tài)情況下行車調(diào)度職責(zé)及流程方法

在異常態(tài)情況下，行車調(diào)度員的主要職責(zé)是負(fù)責(zé)運(yùn)營事故以及其他運(yùn)營突發(fā)事件的處置、搶險(xiǎn)指揮與協(xié)調(diào)工作，以確保行車安全、減少突發(fā)事件的影響與損失、迅速恢復(fù)列車正常運(yùn)行為目標(biāo)，及時(shí)采取一切有效措施控制事件的發(fā)展態(tài)勢。圍繞“指揮列車安全行車”的核心目標(biāo)，以上海軌道交通為例，異常態(tài)情況下行車調(diào)度的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 異常態(tài)情況下行車調(diào)度員行車指揮作業(yè)流程

由圖2可見，在異常態(tài)情況下，由于遠(yuǎn)程監(jiān)控的作業(yè)特性，行車調(diào)度員無法依靠CATS監(jiān)控設(shè)備獲得十分全面的事件信息，必須借助行車調(diào)度電話等通信工具與行車值班員、駕駛員等現(xiàn)場人員進(jìn)行溝通，獲得詳盡的事故故障信息;然后在對大量信息進(jìn)行融合判斷的基礎(chǔ)上，依靠其儲備的應(yīng)急處置知識和經(jīng)驗(yàn)作出應(yīng)急調(diào)度決策，并通過行車調(diào)度電話發(fā)布相關(guān)調(diào)度命令。

1.3 存在問題分析

由圖1和圖2的對比可見，目前行車調(diào)度員的壓力主要來自于如何確保突發(fā)事件下應(yīng)急指揮調(diào)度決策的正確性和高效性。應(yīng)急調(diào)度決策是以行車調(diào)度員、行車值班員、駕駛員等運(yùn)營管理人員對大量人工或自動(dòng)化信息的采集和交互反饋為基礎(chǔ)的。由于受“人”、“設(shè)備”、“社會自然環(huán)境”等復(fù)雜因素的影響，城市軌道交通突發(fā)事件類型多種多樣，對應(yīng)著應(yīng)急調(diào)度決策的差異化信息需求以及大量繁瑣的應(yīng)急處置預(yù)案。這樣的應(yīng)急調(diào)度決策過程對行車調(diào)度員而言是一個(gè)非常復(fù)雜而困難的過程，且重復(fù)勞動(dòng)較多。目前的人工應(yīng)急調(diào)度指揮模式中存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)行車調(diào)度人員方面:根據(jù)國內(nèi)外行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，行車調(diào)度員的培養(yǎng)需要一個(gè)較長的周期。突發(fā)事件下的人工應(yīng)急調(diào)度對行車調(diào)度員的專業(yè)應(yīng)變能力(應(yīng)急處置知識或經(jīng)驗(yàn))、生理(如疲勞、注意力集中度、分配能力)及心理素質(zhì)(情緒的緊張性)都有著較高要求，對行車調(diào)度員的培養(yǎng)周期和培養(yǎng)質(zhì)量也相應(yīng)提出了更高要求。但是，目前我國大城市行車調(diào)度員的質(zhì)量和數(shù)量都不能滿足快速發(fā)展的軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營管理的需求，人員技術(shù)“攤薄”是運(yùn)營方面臨的重大問題之一。目前，人工應(yīng)急調(diào)度在不借助自動(dòng)調(diào)度決策支持系統(tǒng)的情況下，主要憑借過去的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策操作，使調(diào)度員個(gè)人勞動(dòng)強(qiáng)度和精神壓力過大，易受人為及外部環(huán)境的影響，會導(dǎo)致應(yīng)急處置決策效率低下、不夠合理，甚至盲目。

2)信息的交換量及交換方式:在突發(fā)事件下，行車調(diào)度員為了獲得應(yīng)急處置決策所需要的信息，需要進(jìn)行多層次、多流向、多信息點(diǎn)的信息交換。這種信息交換頻繁且復(fù)雜，在交換時(shí)間和方式上都有嚴(yán)格的要求。應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)的效率及安全，在很大程度上取決于信息傳遞和反饋的及時(shí)性、可靠性。目前，我國大城市的行車調(diào)度人員主要依靠行車調(diào)度電話、對講機(jī)等通信工具發(fā)布調(diào)度命令或獲取現(xiàn)場信息。在突發(fā)事件下，這種電話交互方式一方面導(dǎo)致行車調(diào)度工作強(qiáng)度大，另一方面容易造成通信阻塞、信息遺漏或誤判(錯(cuò)報(bào)或錯(cuò)記)等風(fēng)險(xiǎn)，也容易導(dǎo)致應(yīng)急調(diào)度決策的不可靠或失誤。

因此，目前的純?nèi)斯?yīng)急調(diào)度指揮模式已難以滿足突發(fā)事件下對軌道交通高運(yùn)營安全和應(yīng)急處置效率的要求，迫切需要面向行業(yè)重大現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)與開發(fā)一套自動(dòng)應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)來輔助調(diào)度人員在突發(fā)事件下儲存與管理海量事故故障信息和快速做出處置決策。

2 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

為滿足突發(fā)事件下行車調(diào)度的輔助決策支持需求，城市軌道交通自動(dòng)化應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:基于特征數(shù)據(jù)的事故故障類型劃分及風(fēng)險(xiǎn)等級判別功能;基于歷史統(tǒng)計(jì)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)的事故故障預(yù)警功能;應(yīng)急調(diào)度預(yù)案信息化存儲和管理功能;應(yīng)急調(diào)度信息可視化采集與發(fā)布功能。相關(guān)的研究內(nèi)容可以歸納為系統(tǒng)后臺技術(shù)、系統(tǒng)邏輯與物理架構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)度信息發(fā)布終端產(chǎn)品等3個(gè)方面。

1)城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)后臺技術(shù)。城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度指揮后臺系統(tǒng)的主要功能應(yīng)包括事故故障的類型劃分、風(fēng)險(xiǎn)判別及事故故障預(yù)警。目前，對運(yùn)營安全事故的類型劃分及危險(xiǎn)源的分析集中于重大事故方面［3－4］，大部分研究停留在理論分析階段，企業(yè)對實(shí)際運(yùn)營事故日志的記錄、統(tǒng)計(jì)與分析研究尚處于初級階段。對于事故風(fēng)險(xiǎn)等級的研究，一般采用初步危險(xiǎn)分析(PHA)、事故樹分析(FTA)、事件樹分析(ETA)、因果分析圖法、運(yùn)行危險(xiǎn)分析，以及潛通電路分析(SCA)、動(dòng)態(tài)事件樹法、動(dòng)態(tài)故障樹法、Petri網(wǎng)法等分析方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級，或從車輛可靠性測試、維修與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、司機(jī)操作安全評估、火災(zāi)評估、地下結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等方面進(jìn)行安全評估研究［5－9］。針對事故預(yù)警技術(shù)，在美國、日本以及歐洲一些發(fā)達(dá)國家，城市軌道交通發(fā)展較早，信息化程度也很高，大多數(shù)已經(jīng)建成集行車指揮、安全監(jiān)控、資源調(diào)配為一體的綜合運(yùn)營管理系統(tǒng)，并進(jìn)一步朝著人性化、智能化、多功能化的方向發(fā)展。其成果對于我國的城市軌道交通運(yùn)營管理及事故預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)具有很好的參考價(jià)值。國內(nèi)對于事故預(yù)警的研究多停留在理論分析階段，真正能夠結(jié)合軌道交通運(yùn)營數(shù)據(jù)輸出預(yù)警和防范功能的系統(tǒng)并不多［10］。

2)城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)邏輯物理構(gòu)架設(shè)計(jì)與開發(fā)。國外軌道交通發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)充分認(rèn)識到應(yīng)急管理的重要性，并已經(jīng)形成了良好的應(yīng)急救援管理體制和較為成熟的應(yīng)急管理輔助系統(tǒng)。國內(nèi)軌道交通運(yùn)營企業(yè)也逐漸認(rèn)識到了突發(fā)事件管理的重要性，開展了建立專職部門、制定應(yīng)急處置規(guī)范、開發(fā)應(yīng)急管理系統(tǒng)等一系列積極有效的工作。文獻(xiàn)［11］對國外鐵路應(yīng)急管理體系進(jìn)行了研究，指出在國外鐵路領(lǐng)域，應(yīng)急救援指揮已成為維持鐵路管理能夠正常運(yùn)行的重要支撐體系之一;文獻(xiàn)［12］提出建設(shè)軌道交通綜合運(yùn)營協(xié)調(diào)中心(COCC)和應(yīng)急處置中心(ETC)，負(fù)責(zé)各種運(yùn)營狀態(tài)下的運(yùn)營指揮協(xié)調(diào);文獻(xiàn)［13］介紹了城市軌道交通應(yīng)急指揮體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)急處置工作流程，提出了城市軌道交通應(yīng)急處置輔助決策系統(tǒng)框架。由分析可見，現(xiàn)有的軌道交通應(yīng)急處置輔助支持系統(tǒng)無論是理論還是系統(tǒng)開發(fā)均存在涉及面廣、涉及崗位不明確等問題，針對某一關(guān)鍵崗位，如針對行車調(diào)度的突發(fā)事件應(yīng)急處置輔助支持系統(tǒng)的研究和開發(fā)極少。

3)調(diào)度信息發(fā)布終端設(shè)備研發(fā)。國外的乘客信息系統(tǒng)(PIS)可以將已知的延誤時(shí)間、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間和發(fā)車時(shí)間等信息提供給列車長和乘客，同時(shí)這些數(shù)據(jù)還可以通過移動(dòng)終端設(shè)備、掌上電腦、手機(jī)等進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。在國內(nèi)，文獻(xiàn)［14］提出城市軌道交通應(yīng)非常注重乘客信息系統(tǒng)的建設(shè)［14］。文獻(xiàn)［15］指出，PIS中子系統(tǒng)負(fù)責(zé)的主要業(yè)務(wù)有:控制中心負(fù)責(zé)信息源的采集、接收、處理、分發(fā)工作;網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)提供的控制中心負(fù)責(zé)與各個(gè)車站、隧道AP(無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn))、列車的網(wǎng)絡(luò)連通;車站子系統(tǒng)接收到中心下發(fā)到車站的多媒體信息后，由車站服務(wù)器進(jìn)行處理并發(fā)送到各個(gè)終端控制器［15］?？梢姡壳俺鞘熊壍澜煌ㄐ畔l(fā)布的終端產(chǎn)品研發(fā)主要面向乘客，調(diào)度員為實(shí)現(xiàn)運(yùn)營調(diào)整而面向行車值班員和司機(jī)發(fā)布的指令主要通過對講機(jī)，缺乏可視設(shè)備。

綜上所述，目前國內(nèi)外針對軌道交通突發(fā)事件下的應(yīng)急調(diào)度指揮輔助決策系統(tǒng)的理論研究與終端產(chǎn)品研發(fā)雖已有成果，但呈現(xiàn)出分散化、局部化的特征，亟需整合與完善。

3 城市軌道交通自動(dòng)化應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)框架體系設(shè)計(jì)

城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)的框架體系設(shè)計(jì)如圖3所示。通過該設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)事故故障類型及風(fēng)險(xiǎn)等級自動(dòng)判別、事故故障預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度預(yù)案信息化管理等功能。

圖3 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)框架體系設(shè)計(jì)

3.1 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度后臺技術(shù)研究

城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度后臺系統(tǒng)的研究是以上海城市軌道交通事故故障日志資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘理論的關(guān)聯(lián)規(guī)則算法和聚類分析算法，研究城市軌道交通事故故障類別劃分及風(fēng)險(xiǎn)等級智能判定方法;基于對各類事故故障的發(fā)生頻次及概率統(tǒng)計(jì)，分析辨識高頻次、高風(fēng)險(xiǎn)等級事故故障，建立高頻高危故障數(shù)據(jù)庫;針對高頻高危數(shù)據(jù)庫，研究不同類型等級的城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度預(yù)案信息化管理技術(shù)和面向調(diào)度管理人員的城市軌道交通事故故障預(yù)警技術(shù)，從事前防控和事后處置2個(gè)層面提高城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度的安全和效率。城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度后臺系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。

圖4 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度后臺系統(tǒng)構(gòu)架

3.2 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

以上述后臺理論技術(shù)體系為指導(dǎo)，運(yùn)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)技術(shù)研發(fā)包含事故故障自學(xué)習(xí)管理、事故故障時(shí)空影響范圍預(yù)估、事故故障預(yù)警、事故故障分類處置、無紙化人工調(diào)度等集成功能的城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度指揮軟件平臺，其子系統(tǒng)及功能構(gòu)架如圖5所示。

由圖5可見，城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)該具備故障信息自學(xué)習(xí)功能。自學(xué)習(xí)是指系統(tǒng)在不斷重復(fù)的工作中對自身能力的增強(qiáng)或改進(jìn)，使得系統(tǒng)在下一次執(zhí)行同樣的或類似的任務(wù)時(shí)，比現(xiàn)在做得更好或效率更高［16］。上海軌道交通進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營階段后，對城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度事故故障信息管理系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力提出了巨大需求。一方面，行車調(diào)度員的培養(yǎng)需要一個(gè)較長的周期，目前行車調(diào)度員的質(zhì)量和數(shù)量都不能滿足快速發(fā)展的城市軌道交通系統(tǒng)的需求;另一方面，各條線路因建設(shè)施工和系統(tǒng)設(shè)備等方面的差異，導(dǎo)致在歷史事故故障、主要或重大事故故障及潛在風(fēng)險(xiǎn)源等方面存在信息差異。因此，傳統(tǒng)單一、靜態(tài)的事故故障信息管理系統(tǒng)已無法滿足對應(yīng)急調(diào)度安全和效率的需求，需要管理系統(tǒng)通過日常操作案例來獲取老調(diào)度人員的豐富經(jīng)驗(yàn)、各線事故故障特有屬性等知識和規(guī)則，使系統(tǒng)具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，從而很好地滿足大量新調(diào)度人員自主學(xué)習(xí)和各線個(gè)性化事故故障管理的需求。

圖5 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.3 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度硬件體系架構(gòu)及終端產(chǎn)品研發(fā)

針對城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，分網(wǎng)絡(luò)層、線路層和車站層設(shè)計(jì)城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度硬件體系原型構(gòu)架。在此基礎(chǔ)上研發(fā)具有調(diào)度命令管理、故障處置提示與監(jiān)控、電子簽名及打印功能的智能調(diào)度手持終端。城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度硬件框架體系如圖6所示。

圖6 城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度硬件框架體系

4 結(jié)語

城市軌道交通系統(tǒng)由于線路運(yùn)行相對獨(dú)立，并且運(yùn)行過程與人和環(huán)境交互，對機(jī)電自動(dòng)化設(shè)施及設(shè)備高度依賴，因此其運(yùn)營過程具備高可靠性的同時(shí)又存在遭遇突發(fā)事件的脆弱性。在突發(fā)事件下，行車調(diào)度指揮作為整個(gè)應(yīng)急處置系統(tǒng)的“大腦中樞”，其應(yīng)急調(diào)度決策的準(zhǔn)確性及高效性直接關(guān)系到系統(tǒng)應(yīng)急處置的時(shí)效性及突發(fā)事件影響期間的運(yùn)營安全性。為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度決策的準(zhǔn)確化、高效化、無紙化，目前的應(yīng)急調(diào)度指揮模式由“人工”向“自動(dòng)化”的轉(zhuǎn)變不可避免。本文從理論與實(shí)踐的層面總結(jié)與分析城市軌道交通應(yīng)急調(diào)度現(xiàn)狀流程、問題及發(fā)展需求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)城市軌道交通自動(dòng)化應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)的軟、硬件框架結(jié)構(gòu)，為下一步系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)提供理論思路與方法依據(jù)。

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