LKJ型列车运行监控装置记录原理分析.docx
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LKJ型列车运行监控装置记录原理分析
LKJ-2000型列车运行监控装置记录原理分析
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党
摘要
本论文对LKJ-2000列车运行控制记录装置原理分析进行了阐述,以便于更深刻的理解其作用过程,掌握其使用方法。
LKJ2000型列车运行监控记录装置是在LKJ-93型监控装置广泛应用的基础上,借鉴国内外ATP及ATC先进技术而研究开发的新一代列车超速防护设备,监控纪录系统是一个计算机集成控制系统,它可将对阔车机车调车进路的开放、调车作业单、调车限制条件等信息通过无线信道传递到调车机车上,实现调车信号、调车进路及作业单等信息在机车上的实时显示,并结合LKJ2000型列车运行监控纪录装置纪录调车作业安全防护信息和作业数据。
它不仅能有效地防止调车作业中冒进调车信号、冲撞存留车辆、撞土挡和车列超速造成的事故,而且还可以通过系统纪录的历史数据,分析事故原因,为安全管理提供依据。
关键词:
列车运行控制,无线调度;记录装置;机车信号装置
引言
当一列列火车穿梭在祖国的大江南北,当你坐在温暖舒适的车厢里驰骋在神州大地,当你切实地感觉到铁路大提速的利益时,你有否想过,是什么保证了列车的快速和安全呢?
这离不开机车的三项设备。
如果我们把列车比喻为一条巨龙的话,那么三项设备就是它的眼睛、耳朵和大脑。
机车的眼睛就是机车信号。
它的作用是自动反映前方地面信号,指示司机运行,保障行车安全。
机车的眼睛是怎么看信号呢?
机车装有感应器线圈,地·面设有轨道电路。
当机车靠近地面的信号机时,感应器线圈接收到地面信号,再通过机车上的译码器、滤波器、放大器等设备的处理,就把前方的信号准确地接收到了机车上。
其实信号的传递方式有好多种,如:
电气接触式、光电式、红外线式、电磁感应式等,我国目前基本上都采用电磁感应式。
为了适应更高科技的要求,我国近年来机车信号技术发展主要集中在微机通用式机车信号方面。
机车有了这个特殊的眼睛,我们就再也不怕在雨雾天气和弯路地带行车啦!
在机车上还设有无线调度,这就是机车的耳朵。
它加强了车、车站和调 度之间的联系,使司机随时都可以掌握线路情况。
在我国主要采用单双工兼容制无线列调,所谓的单双工兼容是指可以同时使用同频单工或异频双工通话。
即机车上的话机同时具有150(或457)MHz(单工)和160(或467)MHZ(双工)的接收频道。
机车上有了这个耳朵,大大减少了事故的发生,特别是实行车——机联控以来,更有效地保证了行车安全,加速了机车的周转运用,为全路提速打下了扎实的基础。
1无线调度
单双工兼容制列车无线调度系统的主要设备为:
TW-12型或TW-42型电台(包括站台和车台)、车长便携台、调度总机、有线分机、洞口汲洞内中继器等。
系统采用有线--无线相结合的方式,沿铁路线构成带状通信区域。
调度总机通过四线制有线电路连接各车站有线分机,再利用有线分机控制站台和车台建立通信,这样可构成调度员、车站值班员、机车司机的“大三角”通信,调度员和机车司机间为双工通信。
在调度员不使用站台时,站台、车台、便携台若是山区多隧道的弱电场区段,需利用洞口、洞内中继器,可构成车站值班员、机车司机、车长的“小三角”通信,其通信方式平原地区为同频单工,弱电场区段为异频单工。
双工制的优点是使用方便;通信质量高;有利于实现弱电场传输和中继传输。
同频单工制的优点是组网灵活方便;容易实现小区域内的多角通信。
单双工兼容制将双工制、单工制的优点融为一体,比同频单工制更能满足干线列车调度系统的使用要求。
单双工兼空制列车无线调度系统通信方式归纳为表1—1。
表中①车站值班员与机车司机的双工通信方式只有TW-12型电台具备。
表中②的异频单工通信方式,实际上是将车站台作为中继转信台来实现的。
作为中继传信台的站台值班员拿起能听到双方通话,必要时也能插入通话。
表1—1单双工兼容制列车无线调度通信方式
通信对象
通信方式
平原地区
山区多隧道地区
调度员——司机
双工
双工
车站值班员——司机
双工①或同频单工
双工①或异频单工
车站值班员——车长
同频单工
异频单工
车站值班员——邻站值班员
同频单工
同频单工
司机——司机
同频单工
异频单工②
司机——车长
同频单工
异频单工②
车长——车长
同频单工
异频单工②
此外,TW-12电台还设有紧急状态通信方式,站台、车台控制盒上的“隧道”按键兼作“紧急”按键,按下“隧道”或“隧道”及其它有关按键可切断站台的原有单、双工通信状态,进入异频单工紧急通信方式,用于通报危急险情,一般情况下不轻易使用。
调度员呼叫司机可采用全呼或选站呼方式,所谓全呼就是调度员启动全部站台,所有站台均发出5s呼叫司机信号,5s后调度员用话音呼叫欲与通话的司机,被呼司机一摘下手持送话器应答,就占用与之相距最近的站台,构成与调度员的双工通话,其它站台在呼叫信号停发9s后自动转换为守候状态。
所谓选站呼就是调度员选呼与司机相距最近的一个站台,利用该站台发出5s呼叫司机信号,5s后与全呼过程相同、可见全呼要占用调度区段内的全部站台一段时间(约14s),同时对调度区段内的所有不通话司机形成一次干扰,相比之下,选站呼比较合理。
调度员发“通告”是一种特殊的通信方式,此时调度员也是启动调度区段内的全部站台,发5s呼叫司机信号,以后每隔4s重发0.5s呼叫信号,让全部站台保持发射状态,调度员向管内全部司机发出调度命令,司机不必摘机就能听到通告,直至通告结束,在接收通告期间,机车台的任何操作均无效。
其它通信方式的建立也是采用“群呼”与话音呼唤相结合的呼叫方式。
双公制信道频率的选择必须遵守以下规定:
移动通信的的频道间隔为24KHZ,信道频率尾数应为00,25,,50,75。
双工收发频率间隔:
150MHZ频段不于小5。
7MHZ,450MHZ,频段不小于10MHZ,900MHZ频段不小于45MHZ。
上行(移动台对基站台)频率发低收高:
下行(基站台对移动台)步率发高收低。
为了克服同频率复用造成的干扰,应保证做到在通信范围内任一点同一频率的有用信号与无用信号之比必须大于8DB,据此通过理论计算和实验证明,同频复用距离站台作用距离的4-6倍时,才不会造成同频干扰,如站台作用距离为8km,信道频率为f1,为了克服同频干扰,f1复用距离为48km左右,如图4-1-2所示,从图中看出,同频复用两站台之间还有32km的场强空白区,至少应插入两个其它信道频f2、f3工作的电台,至少应插入两个用其它信道频率交替配置,f1、f2、f3、f1……实现场强连续覆盖,同时克服了同频发射造成的干扰,移动的机车台在不同的区间接收频率分别为:
f1、f2、f3而发射频率只有一个为f,供所有的站台接收,总共需要四个信道频率称为一个四频组。
四频组内的4个信道频率应按照无三阶互调的原则来选择。
TW-12型电台是工作在15MHZ频段的单双工兼容调频电台TW-42型电台是工作在450MHZ频段的单双工兼容调频电台,在电气化铁路上表,450MHZ频段化,150MHZ频段抗干扰性好,TW-42型电台根据上述规定选择了4个四频组,四频组的转换通过电台内的开关手动控制。
上述四频组中若是异频单工通信,站台发f2收f4,车台收f2发f4,若是同频单工通信,站台,车台发,收均为f4。
车台随着机车的运行,接收频率不断改变,这就要求车台有追踪接收的功能,否则司机与调度员的通信话就会中断,图4-1-3为车台追踪接收示意图,机车由A站向B站运行,当机车运行在AC区间时,若机车司机与调度员在通话,车台会发出导音频T1(151、4HZ)站台A接收到T1信号通过有线分机调解,送出控制信号使站台A维持常发f1双工工作状态,当机车运行到C点之外(CB区间)站台A发射的f1场强已低于车台信号型静躁电路开始调用追踪子程序,并开始追踪2-4UV低放电路被锁闭,车台微机控制系统根据锁闭信号开始调用追踪程序,并开始追踪计时,经过1.2s后,若检查低放仍为锁闭状态,说明车台已在站台A的f1频率作用距离之外,车台停发导音频了,启动发射导频T2(162、2HZ)并扫描接收f2时间1.2s,若在1.2时间内收到f2频率信号,并能使低放电路解锁并维持0.5s以上,说明已进入站以进入站台B的作用距离内,且f2的信号已超过静躁开启门限,能可靠接收,此时车台长发导间频T2,以锁定站台B常发f2而处于双工工作状态,调度员人话音从站台B发出,保持了通话的连续性,实现了追踪接收,站台A因T停发而自动关断发射机,在追踪接收过程中从f1的中断到f2的可靠接收,至少需间隔1.7s但对通话不会产生明显影响,不注意甚至不会感觉到通话的中断。
若B站台发射频率为f3,车台经1.2S扫描没有接收到f2后就停止发射导音频T,改发导间频T3(173、8HZ)并自动转为接收f3频率,经过0.5s可靠收入,确认B站台发射频率队f3重新建立通话,此时通话中断时间最长为:
2.9s。
1.5为了实现追踪接收,车台必须具备以下两个功能;
一旦车台接收的信号低于静躁开启门限1.2s后,车台具备对f1f2f3三个频率的自动扫描接收功能,以寻找符合接收条件新信道频率,双工扫描时每个频率的扫描接收时间均为1.2s。
在双工工作时,站台发射机的启动和维持工作是由车台发射的导音频控制,对应于站如的三个发射频率,车台应能发射三个导音T1=151.4HZ,T2=162.2HZ,T3=173.8hz,导音频被站台接收后,低于话音低率300HZ,可用滤波器消除,不会干扰通话的正常进行。
由于车台是单、双工兼容,既要接收单工呼叫信号,又要接收双工呼叫信号,所以车台处于值班守状态时,要执行等待扫描程序,各频率的扫描接收时间见表1-1-2。
等待扫描时间
表1-1-2
信道
F1
F2
F4
F3
F1
F4
F2
F3
F4
时间(s)
从表1-1-2中可看出同频单工信道f1的扫描间隔时间为1.8秒,双工信道f1、f2、f3扫描间隔时间最长为3.0s而站如呼叫信号发出时间为5s,所以不论那个信道,只要发出呼叫,在5s内车台都可以扫描接收到。
在列车无线调度系统中,调度员具有通话优先权,也就是调度员能中断车站值班员司机、车长之间的通话,建立自
已与司机间的通话,反映在通信方式上就是双工优先功能,这就要求车台在建立单工通信后,仍能对双工信道进行扫描接收监视,扫描时间每个双工信道频率均有1.2s,只要接收机一接收到调度呼尽忠尽职,车台的“双工”灯亮“调度”灯闪亮7s,扬声器中能听到调度员呼叫,若是被呼司机按下“调度”按键,就切断了原有单工通信,与调度员建立双工通信,若不是被呼司机,不必按下“调度”按键,7s后,调度灯“灭”保持原单工通话状态。
电台采用群呼与话音呼叫相结合的呼叫方式。
站台、车台之间的呼叫接通过程如下,某一主呼用户(站台或车台)呼叫某一值班电台(车台或站台)时,主呼用户取下控制盒上的送受话器或手持送话器,按下控制盒上相应频率的呼叫按钮,发出相应频率的调制的呼叫信号,当松开按钮后,主呼电台处于接收状态,呼叫信号发出后,在主呼电台有效通信距离范围内的所有值班电台均可到收呼叫信号,其中接收频率与呼叫信号,直至呼叫信号结束,接着被呼叫开的全部值班电台自动转为发送状态,向外发回铃信号(TW-43型电台不发回铃信号)告知主呼电台,已有值班电台被呼叫开,发送回铃信号结束后被呼叫开的值班电台又自动转为接收状态,等待接收主呼电台的话音呼叫,由于主呼叫电台发送完呼叫信号后即处于接收状态,所以主呼叫用户可听到回铃信号,知道已有值班电台被呼叫开,但是这个被呼叫开的值班电台是不是所欲通话的电台主呼用户口无法判断,此时主呼用户在因铃信号结束呼唤所需通话电台,呼唤完毕,松开发话按钮,主呼电台又转为接收状态,所以被呼叫开的值班电台均能听到主呼电台的呼叫话音,被呼者摘下送受器按下发话按钮,(单工方式时)与主呼用户通话,不是被呼电台,只要不摘下送受话器,5-9s后自动恢复,到值班状态,扬声器中不会听到通话电台的话音。
呼叫信令用以下不同性质用户的呼叫,控制信令用以实现电台的跟踪,控发、转接功能、呼叫信令和控制信令保证了通信迅速建立和可靠传输。
T-W-12型和TW-42型电台的呼叫和控制信令都是模拟信令,采用了频或亚音频。
除去上述两种类型信令外,TW-12型和TW-42型电台的回铃信号频率为415HZ,发送时间这0.5s,而所有呼叫信号的发送时间均有5s。
有了上述基础知识后,就可以进一步加深对单双工兼容制列车无线调度系统的理解,调度员通过站台A与机车1司机建立双工通信,机车2司机与B站值班员,机车3司机建立同频单工通信,C站值班员利用洞口维器1和洞内中继11与隧道内机车4司机建立异频单工通信,机车5司机与机车4司车可将C站作为中继转信台,利用C站站台中继转信实现异频单工通信,与车长的通信方式,读者可自行分析,在明确系统通信方式的同时,一定要注意图中单、双工信道频率的使用。
2监控装置
3.1LKJ-93A型列车运行监控记录装置
装置的原理
早期国内机车安装了三大件,即无线列调、机车信号与自动停车装置,其中自动停车装置的使用,对于防止事故的发生起了较在的作用。
但其局限性较多,如信号故障时容易失灵、缺少速度分析,不能记录等。
随着能微机技术的推广和应用,列车自停装置有了一个较大的革命,出现了列车运行监控记录装置,俗称“黑匣子”,如LKJ-93A型列车运行监控记录装置。
与原有的自停装置(ZTL)相比,监控装置引入了速度与距离的概念,并把线路及运行的有关参数如坡道、信号机间距离、计长/辆数、客/货等引入到装置内,使装置能较准确地计算列车所处的位置和距前方信号机的距离。
在综合分析信号、距离、线路参数、列车制动情况的基础上,装置实时地计算出允许运行的速度(限制速度),这既保证列车能充分发挥运行效率,又能防止列车超速及保证红灯前停车。
此外,装置的记录功能还为列车运行的情况提供可靠的复示手段,有利于机务的管理现代化和乘务员操作技能的提高。
LKJ-93A型机车运行监控记录装置是目前国内使用的产口哨之一,能有效地防止“两冒一超”,适用各种内燃、电力机车等各种制式。
车载设备
监控主机一台,完成监控记录功能。
显示器两台,用来输入数据、显示数据、语音提示,两操纵台各有一台。
副台按钮两个,供副司机解锁用,两操纵台各一只。
列车管压力传感器一个。
速度传感器。
地面设备
转储器一个,从机车上取数据用。
微机及地面软件一套,分析打印运行数据,统计、处理、绘制操纵曲线,再现列车运行过程。
基本工作原理
LKJ-93A型机车运行监控记录装置的工作原理是:
首先在地面微机计算机上运用地面开发软件把区间线路参数诸如公里标、信号上码点位置、车站位置、线路坡度、线路线速、线路分支等数据输入、修改、编译成二进制目标码,然后用编程器把二进制的形式参数写入EPROM型存诸器中,完成对地面参数的固化工作。
在列车运行时,LKJ-93A装置的计算机部件来测定机车速度、机车信号状态及机车设备状态,并调出存储器中预先存好的线路参数,计算出列车距前高精度面信号机距离,再考虑当时地面信号、机车设备状态,计算出列车的限制速度,监控列车的运行。
及时以显示字符和简明扼要的语音提示通知乘务人员采取措施。
当确认列车应进入停车状态而乘务人员没有采取相应措施时,立即启动紧急制动阀,将列车停住,防止可能发生的事故。
工作特点
车载模式不受地面设备约束。
同时具有监控、记录、ZTL功能,监控、记录由两个独立的CPU完成,互不影响。
具有故障倒向安全措施。
绝缘节自动校正距离。
轮径自动磨损修正。
空转/滑行误差过滤,防止误排风。
断电10s保护。
自检功能(10s)。
语音提示。
测距功能。
自带日历时钟(关机不受影响)
3.2LKJ-2000型列车运行监控记录装置
随着铁路列车运行速度的不断提高及运行密度的进一步加大,客、货运输对行车安全装备在功能、可靠性及安全性等方面的要求越来越高,现有的安全监控设备在一定程度上已不能满足铁路运输的需要。
因此在铁道部科教司、运输局的领导下,由河南思维自动化设备、株洲电力机车研究所及北方交通大学联合研制了新型列车超速防护设备——LKJ-2000型列车运行监控记录装置。
该装置是在JK-2H、LKJ-93型列车运行监控记录装置的成功应用基础上,借鉴国外先进的ATP及ATC技术,采用了先进的32位微处理器技术、数字信号处理技术,集中全路速度监控装置的主技术力量研制而成的。
装置不仅可以有效防止“两冒一超”等事故的发生、记录列车运行及乘务员操作等状况,并且采用双机热备冗余工作方式,工作性能更加可靠;装置采用大屏幕显示器,以图形、曲线、文字等方式显示前方线路状况、运行情况等信息,功能更为强大。
装置的应用范围
LKJ-2000型监控记录装置适合各型电力机车和内燃机车;适应自动和半自动闭塞方式,并能适应各种信号制式,包括移频(含18信息移频)、交流计数、UM-71、极频等。
装置既适合运行于不同速度等级的线路的各型旅客列车(包括动车组)及货物列车,也适合于调车机车。
装置的软件具有通用性,不同的用户可通过面向用哀恸的软件参数调整来满足不同的运行情况。
LKJ-2000的主要特点
装置的基本工作方式是将运行全程线路的参数事先存储于主机中,作为监控工作的依据,并能够与地面信息交换,采用车载或车载数据与地面信息相结合的控制模式。
系统采用双机主从热备冗余方式(模块及冗余),在工作机出现故障的情况下,自动切换到热备机工作,当任意一个单元或通道出现故障的情况下,自动启用备用的单元或通道,大大提高了工作可靠性。
采用先进的32位微处理MC68332作为系统CPU,具有较高的执行速度、控制精度、较高的稳定性和很强的数据处理能力。
采用控制局域网(CAN)作为系统内部通信方式进行数据交换、CAN总线器件本身带CRC校验功能,具有高强的检错与容错难力,使传输可靠性进一步提高。
监控功能的制动模式限速曲线采用实时计算,并考虑客/货车,制动机种类、线路坡度等因素对制动距离的影响,使制动距离尽量接近实际。
对故障导向的安全措施作了较多的考虑。
对速度信息故障、机车信号信息故障、过绝缘节校正故障、通信故障等都有具体的处理。
采用10英寸TFT高亮度液晶显示屏(也可选用数码显示器)作为显示界面,以图形的方式预示前方的桥隧、坡度、曲线、车站、道岔、线路限速、优化操纵曲线的情况,使装置与司机之间更好地交换信息。
具备大容量的IC卡读写功能,能够解决对乘务员的参数输入,临时限速的控制,大交路大轮乘文件的转储困难等问题。
具备列车事故状态记录器(黑匣子),可以详细记录事故前30min的内容,结构合理,不易损坏。
在系统内比LKJ-93型多安装了机车闸缸压力传感器,可以记录和检查机车小闸使用情况。
采用6U标准插件及机箱结构,具有灵活、维修方便等特点。
系统电磁兼容性满足IEC61000标准三级要求,抗干扰能力强,工作可靠性强。
LKJ-2000弄监控记录装置的主要功能
.1监控功能
防止列车越过关闭的地面信号机。
防止列车超过线路(或道岔)允许速度及机车、车辆允许的构造速度。
防止机车以高于规定的限制速度进行调车作业。
列车停车情况下,防止列车溜逸。
可按列车运行揭示要求控制列车不超过临时限速。
.2记录功能
开/关机时相关参数记录。
乘务员输入参数(或IC卡输入)记录。
运行参数记录。
事故状态记录。
插件故障记录。
.3显示功能(以数字或图形方式显示)
显示列车运行的实际速度及限制速度(或目标速度)。
显示距前方信号机距离及前方信号机种类。
显示运行线路状况。
显示机车优化操纵曲线。
其他运行参数的显示。
.4地面分析功能
将车载记录的列车运行数据经过翻译、整理,以直观的全程记录、运行曲线、各种报表等形式再现列车运行全过程,为机务的现代化管理及事故分析提供强有力的工具。
LKJ-2000型监控记录装置的技术特点
.1系统主处理器
系统CPU采用MOTOROLA公司生产的先进的32位微处理器MC68332,其特点为:
其内部数据处理能力达32位(外部数据总线宽度为16位),具有16M字节的寻址空间,无需扩充地址总线即可满足寻址要求。
最高可达25MHz的工作频率,加上其流水线工作方式,使得其处理速度远远高于普通的微处理器,复杂的制动计算因而变得快速而准确。
其内置异步和同步通信接口、内部RMA以及内部片选逻辑功能大大简化了外围电路的设计,特别是它的内部定时处理器单元(TPU)可以脱离CPU独立工作,以相当高的分辨率专门处理16路输入/输出通道,一方面大大减轻了CPU的负担,中一方面提高了速度、距离及转速等参数的测量精度。
MC68332的高速通道的分辨率为0.2us(是8097的10倍)。
MC68332微处理器内部故障检测功能及故障处理功能也提高了装置工作的可靠性及安全性。
.2系统冗余方式
为了提高工作可靠性,系统采用双机主从热备冗余方式,系统主机由A、B两组完全独立的控制单元组成。
双机中两个单元互为热备,两个单元同时工作,一个处于主机工作状态,另一个处于备机工作状态,一旦主机单元任何一块插件或插件上的某一通道发生故障时,备机单元的相应插件或相应通道将马上投入工作(电源插件和监控记录插件除外)。
当主机单元的监控记录插件或电源插件发生故障时,备机单元将马上转为主机工作状态,故障单元将自动退出主机工作状态。
监控记录插件的1B灯点亮,表示其正处于主机工作状态。
双机中每组单元都有完整的信号输入及控制输出接口模块。
每组单元中110V等级数字量输入/输出模块、50V等级数字量输入模块及模拟量输入/输出模块均是不带CPU的插件。
这些插件与主机CPU是通过VME总线方式连接,而地面信息处理、通信、显示器等单元部件,本身都具有独立的CPU来处理单元的信息,这些单元与主机CPU之间通过CAN串行总线来交换信息。
系统内部CAN串行通信网络也采用A、B组冗余方式工作。
A、B两组总线同时进行发送和接收,复位时系统以CANA为主,当CANA出现故障时自动切换至以CANB为主。
为了保证记录的数据的完整性和唯一性,备机不进行主动记录,备机记录的数据来源于主机。
.3系统通信网络
采用控制器局域网(CAN)作为系统内部通信网络,所有带CPU的模块通过双路CAN总线进行数据交换(不带CPU的模块通过VME并进总线交换数据)。
CAN标准总线以其独特的物理层规范和数据链路层协议使通信可以在相当的传输速率下进行(最高通信速率为1Mbit/s),并达到相当远的传输距离(最长传输距离可达10km)。
特别是其多组数据传输方式使得系统内数据交换更为有效。
CAN总线高强的检错及容错能力加上其短帧数据结构使数据传输可靠性进一步提高。
因此,系统内各模块之间可以进行大量、快速的数据传输,从而提高了控制与显示的实时性以及数据记录的准确性。
.4系统的控制模式
装置采用车载计算机预先存储地面线路数据的控制方式(即车载控制模式),在运行时根据列车所处位置按顺序调取的车载存储线路数据,按前方信号显示状态并根据列车速度计算列车走行距离来产生控制模式曲线。
当列车速度超过控制模式曲线范围时,装置对列车实施卸载、常用制动及紧急制动控制,防止列车越过关闭的信号机。
装置实施常用制动后,在列车速度低于规定的安全速度时,允许司机缓解,对于紧急制动控制,必须停车后才可缓解,特殊情况下的处理方式满足铁路《技规》要求,为确保列车在关闭信号机关前可靠停车,限制速度的计算采用实时计算方法,以满足控制精度要求,模式曲折的计算
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