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      信息科學(xué)中本體理論的發(fā)展綜述

      2014-10-20 08:36:26袁國銘樊波成天華
      微型電腦應(yīng)用 2014年7期
      關(guān)鍵詞:本體工具定義

      袁國銘,樊波,成天華

      0 引言

      本體(Ontology)的概念最初起源于哲學(xué)領(lǐng)域,可以追溯到公元前古希臘哲學(xué)家亞里士多德(384-322b.c.)。它在哲學(xué)中的定義為:“對(duì)世界上客觀存在物的系統(tǒng)描述,即存在論”,是客觀存在的一個(gè)系統(tǒng)的解釋或說明,關(guān)心的是客觀現(xiàn)實(shí)的抽象本質(zhì)。

      Ontology這個(gè)哲學(xué)范疇,被人工智能界賦予了新的定義,從而被引入信息科學(xué)中,然而信息科學(xué)界對(duì) Ontology的理解也是逐步發(fā)展才走向成熟的。1991年Neches等人最早給出Ontology在信息科學(xué)中的定義:“給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語和關(guān)系,以及利用這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成的規(guī)定這些詞匯外延規(guī)則”。后來在信息系統(tǒng)、知識(shí)系統(tǒng)等領(lǐng)域,隨著越來越多的人研究 Ontology,產(chǎn)生了不同的定義;1993年Gruber定義Ontology為“概念模型的明確的規(guī)范說明”。1997年Borst進(jìn)一步完善為“共享概念模型的形式化規(guī)范說明”。Studer等人對(duì)上述兩個(gè)定義進(jìn)行了深入研究,認(rèn)為:“Ontology是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”,這也是目前對(duì)Ontology概念的統(tǒng)一看法[1-2]。

      Studer等人的Ontology定義包含4層含義:概念模型(Conceptualization)、明確(Explicit)、形式化(Formal)和共享(Share)?!案拍钅P汀笔侵竿ㄟ^抽象出客觀世界中一些現(xiàn)象(Phenomenon)的相關(guān)概念而得到的模型,其表示的含義獨(dú)立于具體的環(huán)境狀態(tài);“明確”是指所使用的概念及使用這些概念的約束都有明確的定義;“形式化”是指Ontology是計(jì)算機(jī)可讀的,也就是計(jì)算機(jī)可處理的;“共享”是指 Ontology中體現(xiàn)的是共同認(rèn)可的知識(shí),反映的是相關(guān)領(lǐng)域中公認(rèn)的概念集,它所針對(duì)的是團(tuán)體而非個(gè)體。Ontology的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí),提供對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的共同理解,確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯,并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術(shù)語)和詞匯之間相互關(guān)系的明確定義。

      盡管定義有很多不同的方式,但是從內(nèi)涵上來看,不同研究者對(duì)于 Ontology的認(rèn)識(shí)是統(tǒng)一的,都把它當(dāng)作是領(lǐng)域(領(lǐng)域的范圍可以是特定應(yīng)用中,也可以是更廣的范圍)內(nèi)部不同主體(人、機(jī)器、軟件系統(tǒng)等)之間進(jìn)行交流(對(duì)話、互操作、共享等)的一種語義基礎(chǔ),即由 Ontology提供一種共識(shí),如圖1所示:

      圖1 本體層次

      本體處于處于一種公共基本平臺(tái)層次。而且 Ontology提供的這種共識(shí)更主要的是為機(jī)器服務(wù),機(jī)器并不能像人類一樣理解自然語言中蘊(yùn)含的語義,目前的計(jì)算機(jī)也只能把文本看成字符串進(jìn)行處理。因此,在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域討論Ontology,就要討論如何表達(dá)共識(shí),也就是概念的形式化問題。本體作為一種知識(shí)共享模式,為特定領(lǐng)域的人和應(yīng)用系統(tǒng)的交流提供了極大的便利,也正因?yàn)槿绱?,本體的研究和應(yīng)用迅速延伸到知識(shí)工程、自然語言處理、信息檢索系統(tǒng)、智能信息集成和知識(shí)管理、信息交換和軟件工程等領(lǐng)域。而如何對(duì)這些不同領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)進(jìn)行抽取和描述并構(gòu)建出合適的領(lǐng)域本體已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

      領(lǐng)域本體(Domain-specific ontology)是對(duì)學(xué)科概念的一種描述,包括學(xué)科中的概念、概念的屬性、概念間的層次和非層次關(guān)系、屬性和關(guān)系的約束以及存在的公理等。由于知識(shí)具有顯著的領(lǐng)域特性,所以領(lǐng)域本體能夠更為合理而有效的進(jìn)行知識(shí)的表示。領(lǐng)域本體一般用來表示某一特定領(lǐng)域范圍內(nèi)的專業(yè)知識(shí),在各個(gè)領(lǐng)域的本體目前發(fā)展迅速[3-5]。

      1 本體的描述語言

      本體的有效工作需要使用高級(jí)本體語言來表達(dá)和描述本體信息,本體描述語言需要滿足以下3條標(biāo)準(zhǔn):

      (1) 對(duì)人類用戶應(yīng)有較高的直覺,考慮到基于框架OO建模范例的成功,本體應(yīng)該類似于框架建模。

      (2) 應(yīng)該有包含已定制的、推理特性的、定義良好的形式化語義,以確保其完整性、正確性和有效性。

      (3) 應(yīng)與現(xiàn)有的Web語言有著適當(dāng)?shù)逆溄?,以確保其互用性。

      自上世紀(jì)90年代以來,許多科研工作者在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究,產(chǎn)生了許多種類的本體描述語言,如RDF(s)、OWL、OIL、Ontolingua、XOL等等。我們把它們簡(jiǎn)單的歸類如下:

      (1) 基于Web的本體語言(也叫做本體標(biāo)記語言)有:RDF(S)、OWL、SHOE、OIL等等。其中RDF(S)、OWL、OIL之間有著密切的聯(lián)系,是W3C的本體語言棧中的不同層次,也都是基于XML的。而SHOE是基于HTML的,它是HTML的一個(gè)擴(kuò)展。

      (2) 基于AI(Artificial Intelligence)的本體實(shí)現(xiàn)語言有:KIF、Ontolingua、CycL、Loom、OCML、Flogic。KIF己經(jīng)是美國國家標(biāo)準(zhǔn),但是它并沒有被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng),而是作為一種交換格式更多的應(yīng)用于企業(yè)之間的交互。

      常用的13種本體論語言的比較如表1所示:

      表1 本體論語言的比較

      通過對(duì)這13種語言在概念(Concepts)、多元關(guān)系(n-aryrelations)、函數(shù)(Functions)、過程(Procedures)、實(shí)例(Instances)、公理(Axioms)、產(chǎn)生式規(guī)則(Production Rules)和形式語義(Formal Semantics)的橫向比較,得到相對(duì)結(jié)論:(1)Loom是定義最完備、功能最齊全的本體表示語言。(2) CycL,Ontolingua和OWL也能較好的表示本體語言。

      2 本體的編寫工具

      在過去的20年里,已經(jīng)出現(xiàn)了上百種本體構(gòu)建工具,從最早的Ontolingua,Onto Saurus,Web Onto,到Protégé,Web ODE,Oil Ed,Onto Edit,以及KAON等,本體構(gòu)建工具也日趨成熟。這些工具提供了友好的圖形化界面和一致性檢查機(jī)制。借助這些工具,用戶可以把精力集中在本體內(nèi)容的組織上,而不必了解本體描述語言的細(xì)節(jié),而且避免了很多錯(cuò)誤的發(fā)生,方便了本體的構(gòu)建。但是,這些工具提供的僅僅是本體編輯功能,支持的仍然是手工構(gòu)建本體的方式。即使使用這些本體編輯工具,用戶依然需要逐個(gè)地輸入和編輯每個(gè)概念的名字、約束、屬性等內(nèi)容?,F(xiàn)有的大部分系統(tǒng),例如Cyc和Mikrokosmos等,都是靠手工輸入大量的知識(shí),然后才能基于這些知識(shí)進(jìn)行推理或獲取新的知識(shí)。由于手工方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,使得本體的構(gòu)建成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因此,如何利用知識(shí)獲取技術(shù)來降低本體構(gòu)建的開銷是一個(gè)很有意義的研究方向。目前,國外在該方向的研究很活躍,把相關(guān)的技術(shù)稱為本體學(xué)習(xí)(Ontology learning)技術(shù),其目標(biāo)是利用機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)等技術(shù)自動(dòng)或半自動(dòng)地從已有的數(shù)據(jù)資源中獲取期望的本體。由于實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)的知識(shí)獲取技術(shù)還不現(xiàn)實(shí),所以,整個(gè)本體學(xué)習(xí)過程是在用戶指導(dǎo)下進(jìn)行的一個(gè)半自動(dòng)的過程。

      本節(jié)將特別介紹WebOnto,OntoEdit,Hozo和Protégé這四個(gè)各具特色的本體開發(fā)工具。

      2.1 本體編輯工具的介紹

      (1) WebOnto

      WebOnto是由英國Open大學(xué)的知識(shí)媒體研究所開發(fā),可通過Internet訪問基于Web的完全圖形化工具[32]。它支持本體的寫作瀏覽、生成和編輯,還提供直接接口以便通過大量的媒介顯示出本體表示。不同的用戶都可以生成本體注釋并用不同的顏色對(duì)當(dāng)前本體進(jìn)行修改等一系列操作。

      WebOnto的主要目標(biāo)是簡(jiǎn)單易用且便于擴(kuò)展到大的本體應(yīng)用中,還是本體討論工具Tadzebao的補(bǔ)充,對(duì)本體進(jìn)行建模的語言是VITAL項(xiàng)目開發(fā)的操作概念建模語言。還有很多可用的功能是保存結(jié)構(gòu)圖以及瀏覽類、關(guān)系和規(guī)則等等。

      (2) OntoEdit

      OntoEdit是德國Karlsruhe大學(xué)AIFB學(xué)院的知識(shí)管理團(tuán)隊(duì)開發(fā)的本體論工程環(huán)境,該環(huán)境支持使用圖形化方式來開發(fā)和維護(hù)本體[33]。OntoEdit將本體開發(fā)方法論(骨架法)與合作開發(fā)和推理的能力相結(jié)合,關(guān)注本體開發(fā)的3個(gè)步驟:收集需求階段、提煉階段、評(píng)估階段。OntoEdit工具已是德國Onto Prise公司的商業(yè)化產(chǎn)品。OntoEdit建立在有力的內(nèi)部本體模型上,此模型能用支持內(nèi)部文件處理的XML序列化。環(huán)境架構(gòu)中包含的圖形化視圖支持對(duì)本體論工程開發(fā)生命周期的不同階段進(jìn)行建模,還支持Frame-Logic、XML、RDF(S)和OIL等,并允許用戶編輯不同抽象級(jí)別的層次化的概念或者類,允許對(duì)關(guān)系的屬性進(jìn)行集成和細(xì)化。

      (3) HOZO

      HOZO本體構(gòu)建工具是日本大阪大學(xué)ISIR(The Institute of Scientific and Industrial Research)研究所Mizoguchi研究室開發(fā)的[34]。

      HOZO是基于Java開發(fā)的本體編輯工具,其主要由四部分組成:Ontology Editor、Ontology Manager、Ontology Server和Onto-Studio。Ontology Editor是一個(gè)本體編輯圖形界面,通過該界面可以對(duì)本體進(jìn)行構(gòu)建、修改等。Ontology Manager可以幫助用戶管理本體,通過圖形化的方式將本體A與本體B之間的區(qū)別表示出來,方便本體映射。Ontology Server用于管理本體的存儲(chǔ)和使用,也可以利用本體中定義的公理對(duì)本體的一致性進(jìn)行檢查。Onto-studio是基于AFM(Activity-First Method)的本體構(gòu)建,它可以幫助用戶從文檔中自動(dòng)構(gòu)建本體。

      HOZO本體編輯工具與其它本體構(gòu)建工具的顯著區(qū)別在于HOZO引入角色概念。角色概念最早由John Sowa提出,并引入“firstness”和“secondness”概念,其中前者是指一些獨(dú)立的概念,即不需要依賴于其它概念即可存在,同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生歧義:如樹、人、鐵等;后者必須依賴于其它概念才能存在:如丈夫、妻子、學(xué)生等。Mizoguchi借助于這一思想,將第二種概念定義為角色概念,即將本體中概念一共分為3類:基本概念、角色概念及關(guān)系概念?;靖拍钍菃为?dú)的概念,是不需要其它概念就可定義的概念,對(duì)應(yīng)于firstness;角色概念是一個(gè)事物在特定語境中所扮演的角色,它需要由其它概念來定義,對(duì)應(yīng)于secondness;關(guān)系概念用于描述基本概念的屬性之間的關(guān)系及角色概念之間的關(guān)系。

      (4)Protégé

      Protégé是由美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息中心(Stanford Medical Informatics,SMI)的Musen領(lǐng)導(dǎo)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一個(gè)開放源碼的本體編輯器,它是用Java編寫的,可以免費(fèi)下載[35]。Protégé界面風(fēng)格與普通Windows應(yīng)用程序風(fēng)格一致,用戶可以較容易學(xué)習(xí)使用。Protégé支持多重繼承,并能夠?qū)π聰?shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢查,同時(shí)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性,主要表現(xiàn)在如下幾點(diǎn):

      ① Protégé是一個(gè)可擴(kuò)展的知識(shí)模型,用戶可以重新定義系統(tǒng)使用的表示原語。

      ② 文件輸出格式可以定制。可以將Protégé的內(nèi)部表示轉(zhuǎn)換成多種形式的文本表示格式,包括XML、RDF(S)、OIL、DAML、DAML+OIL、OWL等系列語言。

      ③ 用戶接口可以定制。提供可擴(kuò)展的API接口,用戶可以更換Protégé的用戶接口的顯示和數(shù)據(jù)獲取模塊來適應(yīng)新的語言。

      ④ 有可以與其它應(yīng)用結(jié)合的可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)。用戶可以將其與外部語義模塊(例如針對(duì)新語言的推理引擎)直接相連。

      ⑤ 后臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ),能夠使用JDBC和JDBC-ODBC橋連接和訪問數(shù)據(jù)庫。Protégé開放源代碼,提供了本體建設(shè)的基本功能,使用簡(jiǎn)單方便,擁有友好詳盡的幫助文檔,模塊劃分清晰,提供完全的API接口,它成為國內(nèi)外眾多本體研究機(jī)構(gòu)的開發(fā)工具[6-8]。

      2.2 各種編輯工具的比較

      目前,本體編輯工具種類繁多,它們的共同點(diǎn)是:設(shè)計(jì)界面采用GUI形式,方便用戶使用,使用戶不必要學(xué)習(xí)繁瑣的本體編輯語言仍然可以構(gòu)建所需要的本體??梢钥闯觯陨厦枋龅谋倔w編輯工具都有各自特點(diǎn),針對(duì)以上特點(diǎn)本體編輯工具仍有以下發(fā)展趨勢(shì):

      (1) 目前本體編輯工具均為手工構(gòu)建本體,不支持自動(dòng)構(gòu)建,而隨著本體的發(fā)展,手工構(gòu)建本體將會(huì)是一項(xiàng)龐大的任務(wù)。因此,需要對(duì)現(xiàn)有的工具進(jìn)行改進(jìn),使其能夠自動(dòng)對(duì)現(xiàn)有本體進(jìn)行更新。

      (2) 目前國內(nèi)還沒有發(fā)布通用的本體編輯工具,以便更好的支持以中文為主的本體,因此,需要自行開發(fā)一個(gè)能較好支持中文的本體構(gòu)建工具。

      (3) 當(dāng)前WEB和本體庫中有很多本體可以直接利用,但如何將這些本體應(yīng)用于當(dāng)前本體編輯工具仍是需要解決的問題。

      3 本體研究的國際化組織及其項(xiàng)目

      如表2所示:

      表2 本體標(biāo)準(zhǔn)化組織與項(xiàng)目

      國際上大型本體標(biāo)準(zhǔn)化組織包括:美國國家標(biāo)準(zhǔn)化組織(ANSI)、電器與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)、德國GMD公司IPSI研究所、美國斯坦福研究所人工智能中心、ISO Texas A& M Univ、斯坦福大學(xué),荷蘭阿姆斯特丹大學(xué),貝爾實(shí)驗(yàn)室,AIFB研究所和ISO-STEP等,它們組織了專門的研究項(xiàng)目支持本體標(biāo)準(zhǔn)化的研究。

      領(lǐng)域本體的構(gòu)建研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)之一,已經(jīng)公布的本體庫包括:

      氨基酸本體:關(guān)于氨基酸及其性質(zhì)的小型本體(其中,概念、屬性和關(guān)系均備有中英文名稱、同義詞及縮寫)。

      基本形式化本體(Basic Formal Ontology):一部設(shè)計(jì)旨在為科學(xué)技術(shù)研究工作提供支持的形式化上層本體。

      BioPAX:一部旨在促進(jìn)生物學(xué)途徑(細(xì)胞過程)數(shù)據(jù)之交換和互操作性的本體。

      細(xì)胞周期本體(Cell-Cycle Ontology,CCO):一部用于表達(dá)細(xì)胞周期的應(yīng)用本體。

      CContology:一部旨在支持在線客戶抱怨管理的電子商務(wù)本體。

      CIDOC概念參考模型(CIDOC Conceptual Reference Model):一部關(guān)于文化遺產(chǎn)的本體。

      COSMO:屬于一部基礎(chǔ)本體(當(dāng)前版本為OWL),其設(shè)計(jì)旨在收錄所有那些從邏輯上明確說明任何領(lǐng)域?qū)嶓w的含義之時(shí)所需的原初型概念(primitive concepts)。其旨在作為一部基礎(chǔ)的本體,可以用于完成其他本體或數(shù)據(jù)庫之中不同表達(dá)之間的轉(zhuǎn)換。起初,它只是OpenCyc和SUMO本體之中基本構(gòu)成要素的合并產(chǎn)物。目前,已經(jīng)采用其他的本體構(gòu)成要素(類型、關(guān)系) 對(duì)其加以了補(bǔ)充,從而便于收錄朗文詞典定義詞匯表之中所有單詞的表達(dá)形式。

      Cyc:一部關(guān)于論域之形式化表達(dá)的基礎(chǔ)本體。

      疾病本體(Disease Ontology):在設(shè)計(jì)上旨在促進(jìn)各種疾病及相關(guān)健康狀況向特定醫(yī)學(xué)代碼的映射。

      DOLCE:即語言學(xué)與認(rèn)知工程描述型本體(Descriptive Ontology for Linguistic and Cognitive Engineering)。

      都柏林核心:一部關(guān)于文檔和出版方面的簡(jiǎn)單本體。

      基礎(chǔ)性核心語言學(xué)本體(Foundational, Core and Linguistic Ontologies)。

      人類解剖學(xué)方面的解剖學(xué)基礎(chǔ)模型(Foundational Model of Anatomy,F(xiàn)MA)。

      有關(guān)內(nèi)科學(xué)與外科學(xué)醫(yī)學(xué)術(shù)語的GALEN本體(OWL-DL格式)。

      基因組學(xué)領(lǐng)域的基因本體(Gene Ontology,GO)

      通用上層模型(Generalized Upper Model):一部用于在客戶系統(tǒng)與自然語言技術(shù)之間發(fā)揮中介作用的,帶有語言學(xué)動(dòng)機(jī)的本體。

      Gellish英語詞典:是一部包括有詞典和分類法的本體;其中,收錄有一部上層本體和一部下層本體(lower ontology),側(cè)重于工程、技術(shù)以及采購方面的工業(yè)及商業(yè)應(yīng)用。參見SourceForge的開源項(xiàng)目。

      GOLD:即語言描述通用本體(General Ontology for Linguistic Description)。

      IDEAS工作組:澳大利亞、加拿大、英國以及美國的國防部所正在共同構(gòu)建的一部關(guān)于企業(yè)架構(gòu)(enterprise architecture)的形式化本體。

      LinkbaseLinkbase.[2009-03-05](英文):在基本形式化本體(Basic Formal Ontology)的基礎(chǔ)之上,對(duì)于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一種形式化表達(dá)。

      勞森模式語言(Lawson Pattern Language,LPL)。

      開放生物醫(yī)學(xué)本體鑄造廠(OBO Foundry):生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一套具有互操作性的參考本體。

      生物醫(yī)學(xué)調(diào)查本體(Ontology for Biomedical Investigations):用于描述生物學(xué)及臨床調(diào)查研究活動(dòng)的一部開放的集成化本體。

      植物本體(Plant Ontology):關(guān)于植物結(jié)構(gòu)以及生長/發(fā)育階段等方面的本體。

      POPE(Purdue Ontology for Pharmaceutical Engineering,普渡大學(xué)制藥工程本體)

      喬治敦大學(xué)有關(guān)蛋白質(zhì)信息資源的蛋白質(zhì)本體PRO。

      程序抽象分類法(Program abstraction taxonomy)。

      蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域的蛋白質(zhì)本體(Protein Ontology)。

      系統(tǒng)生物學(xué)本體(Systems Biology Ontology):描述的是生物學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)模型。

      推薦上層合并本體:一部形式化上層本體

      SWEET(Semantic Web for Earth and Environmental Terminology,地球與環(huán)境術(shù)語集語義網(wǎng))。

      思想財(cái)富本體。

      醫(yī)學(xué)教育標(biāo)引主題(Topics for Indexing Medical Education)。

      WordNet:一個(gè)詞匯參考系統(tǒng)(Lexical reference system)。

      中國的農(nóng)業(yè)本體庫、航天航空本體庫、中醫(yī)藥本體庫、石油勘探開發(fā)本體庫等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都建成或在建本學(xué)科領(lǐng)域本體庫[9-10]。

      4 總結(jié)

      本體理論作為一種被廣泛接受的信息學(xué)科基礎(chǔ)理論,它就像基因一樣是不同門類知識(shí)的基礎(chǔ)理論,可以廣泛應(yīng)用于任何知識(shí)系統(tǒng),相信在不就的將來,本體理論不僅僅用于理學(xué)、工學(xué)等應(yīng)用學(xué)科,還能應(yīng)用到社科人文學(xué)科領(lǐng)域并大放異彩。

      [1]本體論,http://baike.baidu.com/link?url=7f4oPT2oUaMuh Qs3nxgYPFP-8FWypi0--o9hAHMC7GrazKKYet1ddm TBrZRrLTau.

      [2]Gruber, T.R.(1993)."A translation approach to port able ontologies".[J]In: Knowledge Acquisition.5(2):199-220, 1993.

      [3]張宇翔.知識(shí)工程中的本體綜述.[J]計(jì)算機(jī)工程,2005.31(7):l12-114.

      [4]袁國銘,李洪奇,樊波.關(guān)于知識(shí)工程的發(fā)展綜述[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化.2011,30(1):138-143.

      [5]孫雨生,詹萌.國內(nèi)外本體論技術(shù)研究與進(jìn)展[J].情報(bào)雜志.2005,(12).

      [6]OntoEdit[DB/OL]:http://www.ontoknowledge.org/tools/o ntoedit.shtml.

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