专利名称：用于确定被测量的系统分析方法
技术领域：
本发明涉及用于设计技术系统的方法和装置以及相应的计算机程序产品。
在描述技术系统、例如发电站设备时，考虑诸如压力、质量流量等等各种参数。这些参数遵从一定的物理定律、例如质量或者能量守恒，这些定律可以通过方程组来表达。方程组的解是技术系统的状态量。从这些状态量中又可以为技术系统的运行计算相关的诊断量、例如发电站设备的效率。此外，技术系统的具体状态可以通过测量得出。所述测量的被测量可以直接再现状态量的值；但是也可以测量从状态量中导出的被测量。例如可以测量技术系统的温度，而该系统的状态量是焓和压力。为了从被测量中确定状态量，人们通常进行测量，并且寻找状态量，该状态量解出所述方程组，并且其导出的被测量尽可能地接近于通过测量确定的测量值。为此有标准化的方法(参见例如VDI规程2048)。
可能出现下列问题，即由于方程组中极少量的方程或者极少量的测量点，单个状态量或者单个诊断量保持不确定。另外，由于测量误差，状态量或者诊断量具有大的不可靠性。因此必须决定，通过哪些测量可以提高某些状态量的准确度，或者才可以确定某些状态量。为此，通常动用有经验的工程师的建议，并且这些工程师的建议可以通过仿真程序进行检验。然而，为此需要费时的分析。
因此本发明的任务在于，给出一种用于设计技术系统的方法，其中系统地测定，单个被测量的测量如何影响该技术系统的参数。
该任务根据独立权利要求的特征来解决。本发明的改进方案在从属权利要求中阐明。
本发明的方法用于设计技术系统，该技术系统通过包括状态量和取决于所述状态量的诊断量的参数来描述特征。在这种情况下，“设计”尤其被理解为分析和/或者改变该技术系统、尤其是分析和/或者改变在该技术系统中进行的测量。在此，该技术系统通过方程组来描述，其中所述状态量是所述方程组的解。包括第一被测量的测量场(Messpark)被引入该技术系统的设计中，其中在该技术系统中以预定的准确度测量所述第一被测量。另外，在该技术系统中可以以预定的准确度测量取决于所述状态量的第二被测量。
在本发明的方法中，确定第一被测量的第一灵敏度值和/或第二被测量的第二灵敏度值，其中为了确定所述第一灵敏度值而测定所述第一被测量的测量准确度的变化在多大程度上影响至少一个所选择的参数，并且为了确定所述第二灵敏度值而测定所述第二被测量的测量在多大程度上影响至少一个所选择的参数。之后，依赖于所述第一和/或第二灵敏度值这样改变所述测量�。沟靡桓龌蛘叨喔龅谝槐徊饬康淖既范缺桓谋洌�/或从所述测量场中去掉一个或者多个第一被测量，和/或将一个或者多个第二被测量添加到所述测量场中。所改变的测量场被用于设计所述技术系统。
在一个优选的实施形式中，如果一个第一被测量的第一灵敏度值位于预定的值域中，那么优选地提高该被测量的准确度，和/或如果一个第一被测量的第一灵敏度值位于预定的值域中，那么从所述测量场中去掉该被测量，和/或如果一个第二被测量的第二灵敏度值位于预定的值域中，那么将该被测量添加到所述测量场中。从而，通过选择不同的值域，设计方法可以以简单的方式适应特定用户的不同要求。
在一个优选的实施形式中，通过方程组H(x)＝(H1(x)，....，Hm(x))＝0来描述所述技术系统，其中X＝(x1，...，xn)是一个矢量，所述矢量包括作为分量的状态量xi。在此应该注意，下面所使用的所有索引i，j，k或者1表示自然数。
为了执行本发明的方法，在一个优选的实施形式中尤其计算下列矩阵-矩阵N，该矩阵展开H的雅可比矩阵的零空间，-矩阵W，使得WT·W是第-被测量yi＝bi(x)的协方差矩阵的逆，其中所述协方差矩阵作为输入项具有协方差σij2＝E((yi-E(yi))(yj-E(yj)))，其中E(y)是y的期望值；-矩阵M，该矩阵是A＝W·Db·N的伪逆矩阵，其中Db是所述第一被测量yi＝bi(x)的雅可比矩阵。
概念“零空间”、“雅可比矩阵”以及“逆”或者“伪逆矩阵”是从矩阵计算理论中已知的定义(参见例如Gene H.Golub，CharlesF.van Loan“Matrix Computations”，3rdEdition，Baltimore，London；The Johns Hopkins UniversityPress；1996)。
在本发明的另一优选的实施形式中，在技术系统中计算出的第一灵敏度值分别是一个所选择的参数的准确度变化与一个第一被测量的准确度变化的关系，其中所选择的参数是所选择的状态量，该状态量可以通过所述第一被测量来确定。在这种情况下，该方法的特征在于-至少一个所选择的参数是所选择的状态量，该状态量可以通过所述第一被测量来确定；-一个或者多个所述第一灵敏度值Φyjxi分别表示所选择的状态量x1的准确度变化Δσ112/x1＝ΔE((x1-E(x1))2)/x1与一个第一被测量yj的准确度变化Δσjj2/yj＝ΔE((yj-E(yj))2)/yj的关系；-所述第一灵敏度值通过下列公式来确定Φyjxi=σjj2σii2·rij2,‾]]>其中x1j是矩阵N·M·W的第1行和第j列中的元素。
在另一实施形式中，所述第一灵敏度值分别表示一个所选择的诊断量的准确度变化与一个第一被测量的准确度变化的关系，其中所选择的诊断量可以通过所述第一被测量来确定。在这种情况下，该方法的特征在于-至少一个所选择的参数是所选择的诊断量，该所选择的诊断量可以通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵Dd，该矩阵是诊断量di＝di(x)的雅可比矩阵；-一个或者多个所述第一灵敏度值Φyjdn分别表示所选择的诊断量dn的准确度变化Δσnn2/dn＝ΔE((dn-E(dn))2)/dn与一个第一被测量yj的准确度变化Δσjj2/yj＝ΔE((yj-E(yj))2)/yj的关系；-所述第一灵敏度值通过下列公式来确定Φyjdn=σjj2σnn2·snj2,‾]]>其中Snj是Dd·N·M·W的第n行和第j列中的元素。
在另一优选的实施形式中，一个或者多个第二灵敏度值分别表示在添加一个第二被测量时所选择的状态量的方差，其中所选择的状态量可以通过所述第一被测量来确定。在这种情况下，该方法的特征在于-至少一个所选择的参数是所选择的状态量，该状态量可以通过所述第一被测量来确定；-一个或者多个所述第二灵敏度值分别表示在将一个具有方差σk的第二被测量添加到所述测量场中时所选择的状态量x1的方差σk-＞x12，所述第二被测量的值是状态量xk；-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→xi2=miT·mi-(mkT·mi)2σk2+mkT·mk,‾]]>其中mi是矩阵MT·N的第i列。
在本发明的另一实施形式中，一个或者多个所述第二灵敏度值分别表示在添加一个第二被测量时所选择的诊断量的方差，其中所选择的诊断量可以通过第一被测量来确定。在这种情况下，该方法的特征在于-至少一个所选择的参数是所选择的诊断量，该诊断量可以通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵Dd，该矩阵是诊断量di＝di(x)的雅可比矩阵；-一个或者多个所述第二灵敏度值分别表示在将一个具有方差σk的第二被测量添加到所述测量场中时所选择的诊断量dn的方差σk-＞dn2，所述第二被测量的值是状态量xk；-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→dn2=qnT·qn-(mkT·qn)2σk2+mkT·mk,‾]]>其中mi是矩阵MT·NT的第i列，而qn是矩阵MT·NT·DdT的第n列。
从现在起，可能出现下列情况，即所选择的所述技术系统的参数是不能通过所述第一被测量来确定的状态量。在这种情况下，首先确定一个第二被测量，其值是状态量并且能够将其添加到所述测量场中，以便可以唯一地确定所选择的参数。考虑到这种情况的方法的特征在于
-至少一个所选择的参数是所选择的状态量，该状态量不能通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵P，该矩阵是到A的零空间上的正交投影；-确定一个第二被测量，其值是状态量xk并且能够将其添加到所述测量场中，以便可以唯一地确定所选择的状态量；-一个所述第二灵敏度值表示在将所确定的具有方差σk的第二被测量xk添加到所述测量场中时所选择的状态量的方差σk→x12。
-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→xi2=σk2·||p||2||pk||2+||mi-||p||||pk||mk||2,‾]]>其中p＝Pn1，n1是矩阵NT的第1列，mi是矩阵MT·NT的第i列，以及pk是矩阵P·NT的第k列。
另外，也可能出现下列情况，即所选择的参数是不能通过所述第一被测量来确定的诊断量。在这种情况下，首先确定一个第二被测量，其值是状态量并且能够将其添加到所述测量场中，以便可以唯一地确定所选择的诊断量。考虑到这种情况的方法的特征在于-至少一个所选择的参数是所选择的诊断量，该诊断量不能通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵Dd，该矩阵是所述诊断量di＝di(x)的雅可比矩阵；-确定矩阵P，该矩阵是到A的零空间上的正交投影；-确定一个第二被测量，其值是状态量xk并且能够将其添加到所述测量场中，以便可以唯一地确定所选择的诊断量；-一个所述第二灵敏度值表示在将所确定的具有方差σk的第二被测量xk添加到所述测量场中时所选择的诊断量dn的方差σk→dn2；-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→dn2=σk2·||p||2||pk||2+||MT·cn-||p||||pk||mk||2,‾]]>其中p＝Pcn，cn是矩阵NT·DdT的第n列，mk是矩阵MT·NT的第k列，以及pk是矩阵P·NT的第k列。
在最后提到的两种实施形式中，优选地如此进行所述第二被测量的确定，使得在所述矩阵P·NT中寻找所述列，以致p线性地取决于由所述列表示的矢量，其中所述列的索引说明，应将哪个第二测量值添加到所述测量场中。
在本发明的特别优选的改进方案中，在添加第二被测量时将所选择的参数的方差确定为第二灵敏度值的实施形式中，将所述第二被测量的值的1％假设为应添加的第二被测量的标准偏差。
在此应注意，可以在数学上证明前面所使用的所有公式的正确性。
除了上述方法之外，本发明还涉及用于执行本发明方法的装置。另外，本发明还包括具有存储介质的计算机程序产品，在所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序可以在计算机上运行，并且利用该计算机程序可以执行本发明方法。
下面借助附图对本发明的实施例进行说明和解释。
图1示出了一个技术系统的示意结构，该技术系统借助于本发明方法被分析。
图2示出了用于执行本发明方法的处理器单元。
图1中所示的技术系统涉及发电站的、具有两个串联的加热面1和2的加热系统，其中气流G和水流W以分别相反的方向流经这些加热面。
通过下列状态量来描述该技术系统的特征mW，ein-水流入所述加热系统时的质量流量；mW，aus-水从所述加热系统流出时的质量流量；hW，ein-水流入所述加热系统时的比焓；hW，Mitte-在两个加热面1和2之间的水的比焓；hW，aus-水从所述加热系统流出时的比焓；mG-加热系统中气体的质量流量；hG，ein-气体流入所述加热系统时的比焓；hG，Mitte-在两个加热面1和2之间的气体的比焓；hG，aus-气体从所述加热系统流出时的比焓。
状态量是方程组H(x)＝0的变量，该方程组包括下列物理平衡方程式加热系统中水的质量平衡mW，ein-mW，aus＝0；
在第一加热面上的焓平衡mG·(hG，ein-hG，Mitte)-mW，aus·(hW，aus-hW，Mitte)＝0；在第二加热面上的焓平衡mG·(hG，Mitte-hG，aus)-mW，ein·(hW，Mitte-hW，ein)＝0考察该技术系统的下列额定工作点，其中所述状态量的下列值是上述方程组的一个解
除了上述状态量之外，还通过诊断值来描述该技术系统的特征，所述诊断值在目前情况下表示流过的气体的相对热传输。热传输W可以通过下列公式来描述W=hG,ein-hG,aushG,ein]]>在该技术系统中，以分别为相应额定值的1％的标准偏差来测量下列第一被测量水流入所述加热系统时的焓流量mW，ein·hW，ein；水流入所述加热系统时的质量流量mW，ein；水从所述加热系统流出时的焓流量mW，aus·hW，aus；气体的质量流量mG；气体流入所述加热系统时的焓流量mG·hG，ein。
利用上述相对热传输W的公式并利用额定值得出W＝0.4。
由于所使用的标准偏差为1％，相对热传输的测量导致具有0.0098的标准偏差的测量值0.4。
在本发明方法的第一变型方案中，将诊断值W的准确度变化与该第一测量值的准确度变化的关系分别确定为该第一测量值的灵敏度值。
得出下列值水流入所述加热系统时的焓流量的灵敏度值0.167。
水流入所述加热系统时的质量流量的灵敏度值0.0。
水从所述加热系统流出时的焓流量的灵敏度值0.667。
气体的质量流量的灵敏度值0.0；气体流入所述加热系统时的焓流量的灵敏度值0.167。
可以看出，水从所述加热系统流出时的焓流量的灵敏度值具有最大值。这意味着，水从所述加热系统流出时的焓流量的测量准确度的变化对相对热传输的测量准确度具有最大的影响。因此，提高水从所述加热系统流出时的焓流量的测量准确度将最大效果地导致诊断值的准确度的提高。与此相对，质量流量的测量具有灵敏度值0，因此对诊断值W的准确度没有影响。
在本发明方法的另一实施形式中，在假设在该技术系统中将一个状态量作为具有为额定值的1％的标准偏差的第二被测量添加到第一被测量中的情况下，计算作为灵敏度值的相对热传输的方差。下面说明在添加单个状态量时的标准偏差(方差根)添加mW，ein时0.0098；添加mW，aus时0.0098；添加hW，ein时0.0095；添加hW，aus时0.0086；添加mG时0.0098；添加hG，ein时0.0095；添加hG，aus时0.0062；不考虑添加hW，Mitte和hG，Mitte，因为通过被测量不能唯一地确定这些状态量。可以看出，hG，aus的测量的引入得到相对热传输的最小标准偏差。因此，hG，aus的测量被添加到第一测量的测量场中。
在本发明的另一实施形式中，从现在起考虑不能通过该系统技术的第一被测量唯一地确定的状态量。在此涉及状态量hW，Mitte和hG，Mitte。从现在起在第一步骤中确定，必须添加哪个被测量，以便唯一地确定状态量hW，Mitte和hG，Mitte。为此，执行按照权利要求11所述的计算。
得出hW，Mitte的测量或者hG，Mitte的测量已经分别确定两个状态量hW，Mitte和hG，Mitte。在针对hW，Mitte或者hG，Mitte的测量假设1％的标准偏差的情况下得出-在测量hW，Mitte时，hW，Mitte的标准偏差为3.0，而hG，Mitte的标准偏差为17.34；-在测量hG，Mitte时，hW，Mitte的标准偏差为9.06，而hG，Mitte的标准偏差为8.0。
从中可以看出，为了准确地确定hW，Mitte，优选地也测量hW，Mitte，反之，为了准确地确定hG，Mitte，优选地也将hG，Mitte作为测量添加到测量场中。
上述方法能够实现系统地并快速地寻找新的测量点，通过该测量点可以提高所选择的状态量或者诊断量的准确度。因此，为了决定应将哪个被测量添加到测量场中或者应优选地提高哪个测量准确度，不再必须动用工程师的经验。
图2中示出了用于执行本发明方法的处理器单元PRZE。该处理器单元PRZE包括处理器CPU、存储器MEM和输入/输出接口IOS，所述输入/输出接口通过接口IFC按不同的方式被使用输出通过图形接口在监视器MON上可视和/或在打印机PRT上被输出。输入通过鼠标MAS或者键盘TAST进行。该处理器单元PRZE还具有数据总线BUS，该数据总线保证一个存储器MEM、所述处理器CPU和所述输入/输出接口IOS的连接。此外，附加的部件、例如附加存储器、数据存储器(硬盘)或者扫描仪也可以连接到该数据总线BUS上。
权利要求
1.用于设计技术系统的方法，所述技术系统通过包括状态量和取决于所述状态量的诊断量的参数来描述特征-在所述方法中，通过方程组来描述所述技术系统，其中所述状态量是所述方程组的解；-在所述方法中，分析包括第一被测量的测量�。渲性谒黾际跸低持幸栽ざǖ淖既范壤床饬克龅谝槐徊饬浚⑶宜龅谝槐徊饬咳【鲇谒鲎刺浚�-在所述方法中，可在所述技术系统中以预定的准确度来测量取决于所述状态量的第二被测量。-在所述方法中，确定所述第一被测量的第一灵敏度值和/或所述第二被测量的第二灵敏度值；-其中为了确定所述第一灵敏度值，测定所述第一被测量的测量准确度的变化在多大程度上影响至少一个所选择的参数，并且为了确定所述第二灵敏度值，测定所述第二被测量的测量在多大程度上影响至少一个所选择的参数；-在所述方法中，依赖于所述第一和/或第二灵敏度值这样改变所述测量�。沟靡桓龌蛘叨喔龅谝槐徊饬康淖既范缺桓谋洌�/或从所述测量场中去掉一个或者多个第一被测量，和/或将一个或者多个第二被测量添加到所述测量场中；-在所述方法中，所改变的测量场被用于设计所述技术系统。
2.按照权利要求1所述的方法，其中当一个第一被测量的第一灵敏度值位于预定的值域中时，提高该被测量的准确度，和/或当一个第一被测量的第一灵敏度值位于预定的值域中时，从所述测量场中去掉该被测量，和/或当一个第二被测量的第二灵敏度值位于预定的值域中时，将该被测量添加到所述测量场中。
3.按照权利要求1或者2所述的方法，其中，通过方程组H(x)＝(H1(x)，....，Hm(x))＝0来描述所述技术系统，其中x＝(x1，...，xn)是一个矢量，所述矢量包括作为分量的所述状态量xi。
4.按照权利要求3所述的方法，其中计算下列矩阵-矩阵N，所述矩阵N展开H的雅可比矩阵的零空间，-矩阵W，使得WT·W是所述第一被测量yi＝bi(x)的协方差矩阵的逆，其中所述协方差矩阵作为输入项具有协方差σij2＝E((yi-E(yi))(yj-E(yj)))，其中E(y)是y的期望值；-矩阵M，所述矩阵M是A＝W·Db·N的伪逆矩阵，其中Db是所述第一被测量yi＝bi(x)的雅可比矩阵。
5.按照权利要求4所述的方法，其中-至少一个所选择的参数是所选择的状态量，所述状态量可以通过所述第一被测量来确定；-一个或者多个第一灵敏度值Φyjxl分别表示所选择的状态量xl的准确度变化Δσll2/xl＝ΔE((xl-E(xl))2)/xl与一个第一被测量yj的准确度变化Δσjj2/yj＝ΔE((yj-E(yj))2)/yj的关系；-所述第一灵敏度值通过下列公式来确定Φyjxl=σjj2σll2·rij2,]]>其中rlj是矩阵N·M·W的第1行和第j列中的元素。
6.按照权利要求4或者5所述的方法，其中-至少一个所选择的参数是所选择的诊断量，所述诊断量可以通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵Dd，所述矩阵Dd是诊断量di＝di(x)的雅可比矩阵；-一个或者多个第一灵敏度值Φyj dn分别表示所选择的诊断量dn的准确度变化Δσnn2/dn＝ΔE((dn-E(dn))2)/dn与一个第一被测量yj的准确度变化Δσjj2/yj＝ΔE((yj-E(yj))2)/yj的关系；-所述第一灵敏度值通过下列公式来确定Φyjdn=σjj2σnn2·Snj2,]]>其中Snj是Dd·N·M·W的第n行和第j列中的元素。
7.按照权利要求4至6之一所述的方法，其中-至少一个所选择的参数是所选择的状态量，所述状态量可以通过所述第一被测量来确定；-一个或者多个第二灵敏度值分别表示在将一个具有方差σk的第二被测量添加到所述测量场中时所选择的状态量xl的方差σk-＞xl2，所述第二被测量的值是状态量xk；-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→xl2=mlT·ml-(mkT·ml)2σk2+mkT·mk,]]>其中mi是矩阵MT·N的第i列。
8.按照权利要求4至7之一所述方法，其中-至少一个所选择的参数是所选择的诊断量，所述诊断量可以通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵Dd，所述矩阵Dd是诊断量di＝di(x)的雅可比矩阵；-一个或者多个第二灵敏度值分别表示在将一个具有方差σk的第二被测量添加到所述测量场中时所选择的诊断量dn的方差σk-＞dn2，所述第二被测量的值是状态量xk；-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→dn2=qnT·qn-(mkT·qn)2σk2+mkT·mk,]]>其中mi是矩阵MT·NT的第i列，而qn是矩阵MT·NT·DdT的第n列。
9.按照权利要求4至8之一所述的方法，其中-至少一个所选择的参数是所选择的状态量，所述状态量不能通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵P，所述矩阵P是到A的零空间上的正交投影；-确定一个第二被测量，其值是状态量xk并且能够将其添加到所述测量场中，以便可以唯一地确定所选择的状态量；-一个第二灵敏度值表示在将所确定的具有方差σk的第二被测量xk添加到所述测量场中时所选择的状态量的方差σk-＞xl2；-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→xl2=σk2·||p||2||pk||2+||ml-||p||||pk||mk||2,]]>其中p＝Pn1，n1是矩阵NT的第1列，mi是矩阵MT·NT的第i列，而pk是矩阵P·NT的第k列。
10.按照权利要求4至9之一所述的方法，其中-至少一个所选择的参数是所选择的诊断量，所述诊断量不能通过所述第一被测量来确定；-确定矩阵Dd，所述矩阵Dd是所述诊断量di＝di(x)的雅可比矩阵；-确定矩阵P，所述矩阵P是到A的零空间上的正交投影；-确定一个第二被测量，其值是状态量xk并且能够将其添加到所述测量场中，以便可以唯一地确定所选择的诊断量；-一个第二灵敏度值表示在将所确定的具有方差σk的第二被测量xk添加到所述测量场中时所选择的诊断量dn的方差σk-＞dn2；-所述第二灵敏度值通过下列公式来确定σk→dn2=σk2·||p||2||pk||2+||MT·cn-||p||||pk||mk||2,]]>其中p＝PCn，Cn是矩阵NT·DdT的第n列，mk是矩阵MT·NT的第k列，以及pk是矩阵P·NT的第k列。
11.按照权利要求9或者10所述的方法，其中，在所述矩阵P·NT中寻找所述列，以致P线性地取决于所述列，其中所述列的索引k说明，应将所述第二测量值xk添加到所述测量场中，以便可以唯一地确定所选择的参数。
12.按照权利要求7至11之一所述的方法，其中，所述第二被测量的标准偏差σk是所述第二被测量的值的1％。
13.用于分析技术系统的装置，其被这样设立，使得可以执行按照前述权利要求之一所述的方法。
14.计算机程序产品，其具有存储介质，在所述存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序可以在计算机上运行，并且利用所述计算机程序可以执行按照权利要求1至12之一所述的方法。
全文摘要
本发明涉及用于分析技术系统的方法和装置以及计算机程序。用于设计技术系统的方法，所述技术系统通过状态量和诊断量来描述特征。在所述设计中引入包括第一被测量的测量�。龅谝槐徊饬恳栽ざǖ淖既范冉胁饬�。另外，可以以预定的准确度测量第二被测量。在该方法中，确定被测量的灵敏度值，其中为了确定第一灵敏度值，测定所述第一被测量的测量准确度的变化在多大程度上影响至少一个参数，并且为了确定第二灵敏度值，测定所述第二被测量的测量在多大程度上影响至少一个参数。于是如此改变所述测量�。沟帽徊饬康淖既范缺桓谋洌�/或从所述测量场中去掉所述第一被测量，和/或将第二被测量添加到所述测量场中。
文档编号G01D1/16GK1717636SQ200380104343
公开日2006年1月4日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月29日
发明者R·阿尔特彼得, G·赫韦尔, I·韦伯 申请人:西门子公司
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