ANSYS自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)

1.系統(tǒng)方案

ANSYS高精度自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)提供了基于物理的三維場(chǎng)景建模、基于語義的道路事件建模、基于物理光學(xué)屬性的攝像頭和激光雷達(dá)的仿真、基于物理電磁學(xué)屬性的毫米波雷達(dá)的仿真，從而實(shí)現(xiàn)多傳感器、多交通對(duì)象、多場(chǎng)景、多環(huán)境的實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真。其主要功能如下：

1)開放式交通場(chǎng)景編輯模塊，自定義設(shè)定道路和交通場(chǎng)景，可以自定義設(shè)定道路兩旁的建筑物，綠化帶等等；

2)可以根據(jù)用戶需求，自定義設(shè)定道路場(chǎng)景上的交通流，可以自定義設(shè)定道路上來往的車輛，行人和交通指示燈；

3)可以根據(jù)客戶需求，自行設(shè)定主動(dòng)駕駛（或算法控制車輛）的車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)；

4)支持高精度的三維場(chǎng)景仿真和基于環(huán)境光的模擬；

5)支持高精度的物理屬性的傳感器仿真，包括毫米波雷達(dá)的仿真、攝像頭的仿真和激光雷達(dá)的仿真；

6)此外，考慮到能更加逼真地反映“人—車—路"在環(huán)仿真測(cè)試，該平臺(tái)還提供了開放的接口，可以與實(shí)物傳感器、VR設(shè)備、控制器、各類測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫的聯(lián)入，從而更好的滿足不同級(jí)別、不同目標(biāo)的測(cè)試仿真要求。

2.   系統(tǒng)構(gòu)成

下面分別介紹本平臺(tái)各模塊的構(gòu)成。

2.1.自定義道路環(huán)境

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)提供了一套自定義道路場(chǎng)景的設(shè)計(jì)工具，具備直道、彎道、曲線等設(shè)計(jì)能力，支持道路寬度、長(zhǎng)度、半徑、方向、車道數(shù)量、車道方向、車道限速、車道類型等的編輯。

同時(shí)，該設(shè)計(jì)工具支持高架等不同高度道路以及不同坡度傾角、道路交叉口、匝道、并道等的定義。還支持車道線的自定義化建模，包括單線、雙線、實(shí)線、虛線、車道線紋理、顏色等一系列車道線類型。同時(shí)，軟件集成豐富的環(huán)境模型庫(kù)，如樹木、建筑物、交通標(biāo)識(shí)、路燈、電線桿、綠化帶、動(dòng)物，施工路段障礙物和設(shè)施、交通行人等對(duì)象模型，可根據(jù)用戶需求對(duì)道路場(chǎng)景進(jìn)行快速建模。

除了自定義場(chǎng)景外，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還支持導(dǎo)入OpenStreetMap等3D高精地圖，自動(dòng)生成與地圖匹配的道路模型。

2.2.自定義交通場(chǎng)景

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還提供了快捷的基于語義的道路交通流設(shè)計(jì)，包括車道行駛規(guī)則、車輛及行人行為、交通指示牌行為，以及某一時(shí)刻各交通對(duì)象交通行為的精確數(shù)據(jù)輸出。此外，交通對(duì)象的行為也可以人為定義，包含如車輛駕駛行為、突然變道、突然加速、行人亂闖紅燈和人行道等一系列場(chǎng)景的仿真，同時(shí)軟件內(nèi)部車輛和行人之間可自定義交互與否，即可仿真自動(dòng)避讓行人和忽視行人發(fā)生碰撞等行為。軟件內(nèi)嵌腳本語言定義，同時(shí)也支持如Python，C++等語言的接口控制來定義交通行為。如下圖所示，為通過語義級(jí)的腳本語言來定義車輛和行人等交通對(duì)象的行為。

2.3.構(gòu)建車輛動(dòng)力學(xué)模型

除了上述的道路場(chǎng)景以及交通流的搭建能力之外，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)同樣提供了基于總成特性的車輛動(dòng)力學(xué)模型，并提供了以下性能參數(shù)的配置：

• 底盤參數(shù)，如長(zhǎng)寬高、軸間距、重量等；

• 性能參數(shù)，如大時(shí)速、引擎轉(zhuǎn)速等；

• 轉(zhuǎn)向參數(shù)；

• 輪轂參數(shù)；

• ……

同時(shí)，軟件還提供了各類特性參數(shù)的預(yù)定義實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便用戶對(duì)所定義車輛的特性進(jìn)行快速的測(cè)試驗(yàn)證。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有：

• 加速特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

• 剎車特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

• 轉(zhuǎn)彎特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

• 方向盤特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

• 側(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

• 障礙物和轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

• ……

ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還支持外部車輛動(dòng)力學(xué)模型的導(dǎo)入和集成，如CarSim車輛動(dòng)力學(xué)模型，以及用戶自研的車輛動(dòng)力學(xué)模型。

2.4.基于物理真實(shí)的三維場(chǎng)景建模

在無人車輛的物理仿真中，除了前述關(guān)于道路場(chǎng)景，交通流以及車輛動(dòng)力學(xué)模型的建模能力外，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)的大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于提供基于物理真實(shí)的三維場(chǎng)景建模和ray-tracing的圖形算法。使得上述的場(chǎng)景的構(gòu)建與物理真實(shí)達(dá)到一個(gè)高匹配度，以此對(duì)無人車中傳感器的感知和后期控制算法的驗(yàn)證提供了很好的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，以減少場(chǎng)景搭建的缺陷所帶來的傳感器和感知算法的決策錯(cuò)誤。

在整個(gè)基于物理真實(shí)的建模平臺(tái)搭建中，ANSYS 自動(dòng)駕駛仿真驗(yàn)證平臺(tái)會(huì)通過對(duì)以下物理真實(shí)參數(shù)的定義和基于ray-tracing的圖形算法來保證仿真的準(zhǔn)確性和真實(shí)性：

• 環(huán)境光源的定義，包括：

• 天空的照度值；

• 基于經(jīng)緯度的太陽(yáng)光的照度和位置定義；

• 環(huán)境場(chǎng)景中各種點(diǎn)光源以及面光源的定義（光譜+IES+XMP）；

• 車輛照明系統(tǒng)的光源定義（光譜+IES+XMP）；

• 環(huán)境場(chǎng)景中包括道路，建筑，車身等一系列材料表面光學(xué)屬性的定義。

其中各個(gè)光源的定義通過導(dǎo)入相關(guān)定義文件，如下圖所示：

如前述所講，材料表面光學(xué)屬性通過ANSYS開發(fā)的一套OMS材料物理光學(xué)屬性BRDF測(cè)量?jī)x硬件設(shè)備，對(duì)用戶所需仿真的場(chǎng)景材料庫(kù)進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)所得材料表面光學(xué)屬性BSDF函數(shù)附在前述場(chǎng)景建模的所屬材質(zhì)表面，從而在ray-tracing的圖形算法下仿真得到一整套完整的考慮外部環(huán)境光以及物體表面光學(xué)屬性的物理真實(shí)的三維場(chǎng)景建模。同時(shí)ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還提供豐富的材料庫(kù)供客戶場(chǎng)景建模使用。

2.5.基于物理真實(shí)的多傳感器模型融合和系統(tǒng)級(jí)仿真

在無人車輛中，除了前述ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)能提供的基于物理真實(shí)的場(chǎng)景建模能力外，同樣集成了包含攝像頭，激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的感知系統(tǒng)模型仿真。可以實(shí)現(xiàn)物理級(jí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，即在基于物理真實(shí)的道路場(chǎng)景以及交通流定義完成，添加環(huán)境光源以及材料表面光學(xué)屬性后，通過搭建智能駕駛模擬器來實(shí)現(xiàn)感知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證，研究環(huán)境以及交通流對(duì)感知系統(tǒng)的影響。同時(shí)，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)還支持如C++/ANSYSSCADE/SIMULINK等外部接口的控制算法來對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證，包括SIL, HIL等多級(jí)別仿真驗(yàn)證。

1)      基于物理的攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真

在基于物理的攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真階段，ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)通過定義攝像頭的如下物理參數(shù)得到RAW圖像用以對(duì)攝像頭供應(yīng)商進(jìn)行驗(yàn)證或者硬件在環(huán)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。攝像頭系統(tǒng)級(jí)仿真參數(shù)模型參照EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)建模，主要包含：

• 鏡頭模型

• 鏡頭材料；

• 焦距；

• 孔徑光闌；

• 鏡片透過率函數(shù)；

• 畸變等；

• 成像儀模型

• 分辨率；

• 尺寸；

• 曝光時(shí)間；

• 噪聲系數(shù)；

• 量子效率；

• 增益等；

• 處理器模型

• 攝像頭位置

• 風(fēng)擋參數(shù)

• 入射角；

• 折射率；

• 厚度；

• 透過率函數(shù)等。

基于以上物理參數(shù)的建模以及對(duì)場(chǎng)景環(huán)境光源的考慮和材料表面光學(xué)屬性的影響，在系統(tǒng)級(jí)仿真中攝像頭輸出與真實(shí)匹配度高度一致的RAW圖像。如下圖所示ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)的攝像頭實(shí)時(shí)輸出提供給感知算法的車道線識(shí)別。

2)      基于物理的激光雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)仿真

類似于攝像頭的系統(tǒng)級(jí)仿真，激光雷達(dá)的系統(tǒng)級(jí)仿真通過準(zhǔn)確定義的激光雷達(dá)參數(shù)，通過發(fā)射和接收生成的點(diǎn)云圖對(duì)用戶構(gòu)建的場(chǎng)景和交通流進(jìn)行感知探測(cè)并驗(yàn)證相關(guān)感知算法。支持多種激光雷達(dá)模式（掃描式，旋轉(zhuǎn)式）。

激光雷達(dá)的建模參數(shù)包括：

• 掃描式

• 大和小探測(cè)距離；

• 橫向視場(chǎng)角；

• 縱向視場(chǎng)角；

• 分辨率等；

• 旋轉(zhuǎn)式

• 大和小探測(cè)距離；

• 旋轉(zhuǎn)速率；

• 大線數(shù)等；

如下圖所示為ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)的激光雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)深度圖與攝像頭輸出RAW圖像相匹配。

3)     基于物理的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)仿真

毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)級(jí)別仿真通過ANSYS*的ROM降階技術(shù)，以HFSS軟件為模擬工具，可以通過內(nèi)嵌接口工具與ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)結(jié)合實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)與攝像頭和激光雷達(dá)的同步實(shí)時(shí)仿真，得到雷達(dá)回波的成像結(jié)果并進(jìn)行分析。

2.6.實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真系統(tǒng)

如前述通過對(duì)環(huán)境、場(chǎng)景、交通流的建模構(gòu)造出無人車輛的運(yùn)行場(chǎng)景和軌跡，同時(shí)耦合如攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的感知系統(tǒng)的仿真，通過開放的API接口，可以方便的進(jìn)行外部自動(dòng)駕駛算法的集成。從而形成實(shí)時(shí)閉環(huán)的駕駛系統(tǒng)仿真。

2.7.基于物理的智能頭燈照明仿真系統(tǒng)

隨著智能駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的逐漸普及和行業(yè)發(fā)展，車輛智能化頭燈照明系統(tǒng)也逐漸成為當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用熱點(diǎn)。ANSYS自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)Headlamp模塊通過ANSYS*的物理級(jí)仿真引擎，為客戶提供真實(shí)的車輛頭燈路面光型分布測(cè)試和動(dòng)態(tài)駕駛與智能頭燈仿真測(cè)試。

除了前述在三維環(huán)境建模中通過ANSYS OMS設(shè)備進(jìn)行材料表面光學(xué)屬性的采集與賦值外，為了保證接近真實(shí)的物理仿真光型，Headlamp模塊同樣對(duì)光源進(jìn)行仿真模擬，包括車燈光源，自然光光源，路燈光源等。定義方式包含如：

• 光源光強(qiáng)分布IES文件；

• 光源光譜spectrum文件；

• 光源強(qiáng)度等；

如下圖所示分別為不同光源的光譜分布和車燈光源的IES定義文件。

基于環(huán)境和光源的物理仿真，可以實(shí)現(xiàn)車輛前照燈遠(yuǎn)光，近光，側(cè)燈的切換以及光強(qiáng)的實(shí)時(shí)切換控制，同時(shí)豐富的光度學(xué)分析工具，包含色度學(xué)，光度學(xué)，等照度線，等照度區(qū)域等信息便于分析光分布情況。支持的25米目標(biāo)墻光分布信息用于分析驗(yàn)證頭燈光分布是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

除了靜態(tài)光型分布驗(yàn)證，ANSYS Headlamp開放的如C++，SCADE，Simulink的光型數(shù)據(jù)接口支持客戶自定義化的智能頭燈開發(fā)與驗(yàn)證，同時(shí)豐富的動(dòng)態(tài)駕駛模擬和場(chǎng)景仿真也可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)駕駛頭燈驗(yàn)證，如AFS，ADB，矩陣頭燈，像素頭燈等智慧頭燈的仿真與測(cè)試驗(yàn)證，基于IIHS動(dòng)態(tài)頭燈測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的夜間測(cè)試驗(yàn)證。

ANSYS VRXPERIENCE 駕駛仿真軟件由SCANeR™提供技術(shù)支持

要滿足自動(dòng)駕駛車輛的嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)，需要測(cè)試數(shù)百萬種情境下的世界、交通和天氣的所有復(fù)雜交互。物理測(cè)試需要數(shù)十億英里的真實(shí)環(huán)境駕駛，這需要數(shù)十年開發(fā)時(shí)間和巨額成本。

ANSYS VRXPERIENCE 駕駛仿真軟件由經(jīng) AVSimulation驗(yàn)證的 SCANeRTM 提供技術(shù)支持。這是一款開放式的可擴(kuò)展模塊化仿真解決方案，用于構(gòu)建真實(shí)度*的虛擬環(huán)境。ANSYS VRXPERIENCE 駕始仿真軟件由 SCANeR 提供技術(shù)支持，可根據(jù)各種目標(biāo)和性能要求進(jìn)行測(cè)試。它集成了高清 (HD) 地圖生成的道路狀況與資料庫(kù)、交通狀況、天氣情況及車輛動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容。

任何自定義車輛模型都可以通過 FMI、C/C++、ANSYS Twin Builder 或 Simulink 進(jìn)行連接。

SCANeR 支持的 VRXPERIENCE 駕駛仿真軟件還集成了所有駕駛員硬件模擬器界面，幫助打造出很有真實(shí)感的駕駛體驗(yàn)。

SCANeR是一個(gè)全面的交通場(chǎng)景仿真軟件套件，專門用于汽車和運(yùn)輸仿真，解決ADAS，自動(dòng)駕駛車輛，HMI和前燈使用案例的測(cè)試和駕駛問題。

SCANeR提供構(gòu)建超逼真虛擬世界所需的所有工具和模型：道路環(huán)境，車輛動(dòng)力學(xué)，交通，傳感器，真實(shí)或虛擬駕駛員（自動(dòng)駕駛），車前燈，天氣狀況和場(chǎng)景腳本。

它不是一個(gè)“黑匣子"工具，而是一個(gè)真正的科研實(shí)驗(yàn)的模塊化仿真平臺(tái)，靈活，可擴(kuò)展和開放，滿足研究人員和工程師的需求。它的多功能性使得整個(gè)設(shè)置成為可能：驅(qū)動(dòng)模擬器Simulator，模型在環(huán)MIL，軟件在環(huán)SIL，硬件在環(huán)HIL。

ANSYS VRX平臺(tái)是一個(gè)全面的交通場(chǎng)景仿真軟件套件，專門用于汽車和運(yùn)輸仿真，解決ADAS，自動(dòng)駕駛車輛，HMI和前燈使用案例的測(cè)試和駕駛問題。

ANSYS VRX平臺(tái)提供構(gòu)建超逼真虛擬世界所需的所有工具和模型：道路環(huán)境，車輛動(dòng)力學(xué)，交通，傳感器，真實(shí)或虛擬駕駛員（自動(dòng)駕駛），車前燈，天氣狀況和場(chǎng)景腳本。

它不是一個(gè)“黑匣子"工具，而是一個(gè)真正的科研實(shí)驗(yàn)的模塊化仿真平臺(tái)，靈活，可擴(kuò)展和開放，滿足研究人員和工程師的需求。它的多功能性使得整個(gè)設(shè)置成為可能：驅(qū)動(dòng)模擬器Simulator，模型在環(huán)MIL，軟件在環(huán)SIL，硬件在環(huán)HIL。

歐洲2.0旨在滿足場(chǎng)景密度要求，同時(shí)通過利用SCANeR™的新磁貼系統(tǒng)管理，可以創(chuàng)建有效的場(chǎng)景控制。由于其大尺寸和地形多樣性，歐洲2.0提供了許多機(jī)會(huì)。使用歐洲2.0，您將能夠使用各種實(shí)驗(yàn)（ADAS的開發(fā)，管理事件的研究等），以便在許多移動(dòng)車輛上快速和長(zhǎng)時(shí)間駕駛：公路，高速公路，山脈（雪，曲線和銀行） ，城市，休息區(qū)等

由于SCANeR™即將推出的新“化"功能，客戶可以自動(dòng)將標(biāo)志和道路標(biāo)記更改為其他國(guó)家/地區(qū)（DE / US / MX）。

使用SCANeR™studio的Terrain模式可以輕松導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)。

據(jù)外媒報(bào)出，ansys宣布與avsimulation合作，將avsimulation的仿真技術(shù)與ansys的沉浸式自動(dòng)駕駛仿真解決方案相結(jié)合，加快自動(dòng)駕駛汽車進(jìn)入市場(chǎng)的步伐。

為了達(dá)到嚴(yán)格的自動(dòng)駕駛安全標(biāo)準(zhǔn)，需要在數(shù)百萬種場(chǎng)景中，測(cè)試自動(dòng)駕駛汽車與周圍環(huán)境、交通和天氣之間的復(fù)雜互動(dòng)。該測(cè)試需要對(duì)原型車進(jìn)行數(shù)十億英里詳盡的物理道路測(cè)試，花費(fèi)數(shù)十年的開發(fā)時(shí)間和成本。

ansysvrxperience有助于減少物理原型測(cè)試，節(jié)省時(shí)間。它是ansys的沉浸式解決方案之一，結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)功能與物理仿真。使工程師能在日常駕駛條件下，測(cè)試、驗(yàn)證以及體驗(yàn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和車輛性能，一天之內(nèi)就能完成數(shù)百萬英里虛擬測(cè)試。vrxperience包括hmi測(cè)試、物理傳感器仿真（包括雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波）、嵌入式軟件控制集成以及前照燈仿真，并與仿真數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)安全分析連接。

avsimulationscaner studio嵌入vrxperience，作為其駕駛模擬器模。avsimulationscanerstudio是一個(gè)開放的、可擴(kuò)展的模塊化仿真解決方案。它能創(chuàng)建真實(shí)的虛擬世界，使用戶在高性能集群或者公共云中，例如微軟azure，模擬成千上萬種多變的駕駛場(chǎng)景。scaner?融合了高清地圖和資產(chǎn)庫(kù)生成的道路、交通狀況、天氣條件、以及汽車動(dòng)力學(xué)等。

雷諾集成cae & plm工程副總裁olivier colmard表示，“虛擬樣機(jī)和大規(guī)模仿真是確保自動(dòng)駕駛汽車安全的關(guān)鍵。雷諾車隊(duì)利用avsimulation及其scaner studio技術(shù)，可以在百萬種駕駛場(chǎng)景中設(shè)計(jì)、模擬和測(cè)試自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，驗(yàn)證汽車安全性。此次合作有助于以減少物理測(cè)試，縮短上市時(shí)間，確保安全。"

ansys系統(tǒng)事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理eric bantegnie表示，“vrxperience與scaner駕駛模擬器結(jié)合，將使原始設(shè)備制造商、*級(jí)和第二級(jí)客戶能夠快速追蹤三級(jí)到五級(jí)自動(dòng)駕駛汽車的創(chuàng)建、集成和認(rèn)證。此次合作有助于汽車制造商降低開發(fā)成本，加快自動(dòng)駕駛汽車交付進(jìn)度。"

AVSimulation與ANSYS之間的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系通過虛擬測(cè)試加速了自動(dòng)駕駛汽車的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，可在一周內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬英里的數(shù)字道路測(cè)試。

此次合作將AVSimulation的革命性仿真技術(shù)與ANSYS的沉浸式自動(dòng)駕駛模擬解決方案相結(jié)合，大大加速了自動(dòng)駕駛汽車向汽車制造商推向市場(chǎng)的道路。

作為其駕駛模擬器模塊嵌入在VRXPERIENCE中，AVSimulation經(jīng)過驗(yàn)證的SCANeR™Studio產(chǎn)品是一個(gè)開放且可擴(kuò)展的模塊化仿真解決方案，可創(chuàng)建超逼真的虛擬世界，使用戶能夠模擬數(shù)千種高性能集群或多種可變性的駕駛場(chǎng)景。公共云，例如Microsoft Azure。SCANeR™融合了高清地圖和資產(chǎn)圖書館生成的道路，交通狀況，天氣狀況，車輛動(dòng)力學(xué)等。

“通過這種合作伙伴關(guān)系，AVSimulation和ANSYS提供了驚人的廣度和深度的技術(shù)，使汽車制造商能夠大幅降低開發(fā)成本，加快向客戶交付自動(dòng)車輛"，ANSYS系統(tǒng)業(yè)務(wù)部副總裁兼總經(jīng)理Eric Bantegnie說。

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