李 力 李盛樂

（中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），湖北武漢 430071)

0 引言

地震科學(xué)數(shù)據(jù)記錄了觀測點的地球物理學(xué)特征，其中蘊含著豐富的地下介質(zhì)狀態(tài)信息，處理過程中會不斷提升科學(xué)家對地震孕育、發(fā)生過程與震后影響的認識。新的研究成果通過觀測數(shù)據(jù)得到驗證，又進一步促進了地震觀測技術(shù)的發(fā)展。地震科學(xué)數(shù)據(jù)既是這一循序漸進的地震科學(xué)研究過程的基石和最核心的一環(huán)，也是最重要的成果。建設(shè)高效便捷的地震科學(xué)數(shù)據(jù)交換共享系統(tǒng)是打通這一循環(huán)的關(guān)鍵，是地震科學(xué)創(chuàng)新和業(yè)務(wù)工作快速向前發(fā)展的重要支撐。

為了促進地震行業(yè)向信息化、專業(yè)化和多學(xué)科融合的方向快速發(fā)展，中國地震局對數(shù)字觀測臺網(wǎng)建立以來多年累積的大量觀測記錄和研究成果進行整合，制定了地震科學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)的管理和服務(wù)規(guī)范[1-2]，并陸續(xù)建成了一批各有側(cè)重的地震數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)[3-5]。測震學(xué)是成立最早也是最重要的地震學(xué)科分支之一。在我國，觀測歷史可以追溯到20世紀初，期間經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，建立了眾多全國性和區(qū)域性的監(jiān)測臺網(wǎng)，2008年以來全面實現(xiàn)了數(shù)字化，持續(xù)產(chǎn)出大量觀測記錄。目前僅國家地震臺網(wǎng)1000多個地震觀測臺日產(chǎn)出測震波形數(shù)據(jù)就達到30GB以上。

測震學(xué)觀測在最近數(shù)十年中飛速發(fā)展，特別是觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化以來，數(shù)據(jù)存儲和傳輸規(guī)范也隨之不斷改進，自身形成一套完備的體系。在測震科學(xué)數(shù)據(jù)存量增加的同時也促進了地震學(xué)研究的不斷發(fā)展，從地下介質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)研究到震源物理技術(shù)的成熟使測震學(xué)日常業(yè)務(wù)產(chǎn)出數(shù)據(jù)日漸豐富。但由于不同時期的技術(shù)規(guī)范改進和研究成果的百家爭鳴，以及引入不同時期原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)存在差異，服務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)形式不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)存儲分散、獲取方式多樣且不貼近應(yīng)用、獲取周期過長等問題，急需一種客戶端輕量、內(nèi)容全面豐富、獲取形式簡便人性化、立等可取的測震學(xué)數(shù)據(jù)快速獲取服務(wù)。本文首先概述了地震科學(xué)數(shù)據(jù)，以地震科學(xué)研究和日常業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點，綜合考慮現(xiàn)有系統(tǒng)優(yōu)點和不足之處，在開源Web技術(shù)框架和模式的基礎(chǔ)上緊跟最新的系統(tǒng)設(shè)計思想，設(shè)計并實現(xiàn)了能夠全面整合不同來源測震學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品并滿足實際應(yīng)用需求的測震學(xué)數(shù)據(jù)快速獲取服務(wù)系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)概述

地震科學(xué)數(shù)據(jù)在地震行業(yè)各個業(yè)務(wù)部門日常運行和各個研究機構(gòu)科學(xué)研究過程中產(chǎn)出，按照所屬分支學(xué)科可以大致分為測震學(xué)數(shù)據(jù)、地殼和大地形變數(shù)據(jù)、地電地磁數(shù)據(jù)、地下流體數(shù)據(jù)、空間衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和氣溫氣壓等輔助觀測；按照數(shù)據(jù)產(chǎn)出階段和時間可以分為原始記錄數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、服務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

原始記錄數(shù)據(jù)由遍布全國的多學(xué)科固定觀測傳感器網(wǎng)絡(luò)和流動觀測傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生。為了記錄空間、大氣和地下介質(zhì)的連續(xù)狀態(tài)，根據(jù)地球物理學(xué)性質(zhì)的變化時間頻度和空間尺度，原始數(shù)據(jù)采用不同的觀測周期和記錄采樣率，最終的形式為多分量的時間采樣序列。測震學(xué)原始數(shù)據(jù)由國家地震臺網(wǎng)和區(qū)域地震臺網(wǎng)部署在全國各個臺站的地震計產(chǎn)生。經(jīng)過地震儀轉(zhuǎn)換地面運動為連續(xù)電信號，之后經(jīng)數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)換為離散信號后形成三分量時間采樣記錄，最終經(jīng)過區(qū)域臺網(wǎng)匯聚到各個區(qū)域中心和中國地震臺網(wǎng)中心。有別于形變、電磁、地下流體和空間觀測數(shù)據(jù)，測震學(xué)數(shù)據(jù)記錄地震能量傳播過程中引起的觀測點地面運動狀態(tài)，目前對地震記錄的典型寬頻帶記錄頻帶為40赫茲至120秒，采樣頻率為100赫茲，多年觀測累積的數(shù)據(jù)量達數(shù)百TB，使用時需要配套相應(yīng)的臺站信息和儀器響應(yīng)信息。

預(yù)處理數(shù)據(jù)是專業(yè)的科研和業(yè)務(wù)部門對原始數(shù)據(jù)運用成熟技術(shù)手段進行核對、去除人工干擾和錯誤記錄、壓制噪聲、進行信息提取等預(yù)處理后得到的多種常用的初步專業(yè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。用戶常用的預(yù)處理數(shù)據(jù)包括地震編目、震相觀測報告和打包的事件波形數(shù)據(jù)。國家和各省市區(qū)域地震臺網(wǎng)中心對地震儀運行狀態(tài)進行監(jiān)控，對原始波形記錄中缺失的記錄進行補零，并從中拾取震相信息形成震相報告、定位地震、產(chǎn)出速報和正式地震目錄并向外提供推送服務(wù)。由于地震事件波形是研究震源信息的常用數(shù)據(jù)，省市監(jiān)測中心也會整理各臺站記錄到的事件波形數(shù)據(jù)與配套的臺站和儀器信息一起打包壓縮為Seed格式進行存儲。

服務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)是最終面向科研機構(gòu)、政府部門、社會大眾公開的地震科學(xué)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，由地震局屬應(yīng)急響應(yīng)中心、監(jiān)測預(yù)報部門和研究所等科研單位產(chǎn)出，重大地震會以專題形式提供產(chǎn)品集，可以直接用于地震預(yù)報研究、防震減災(zāi)部署、指導(dǎo)災(zāi)后應(yīng)急救援和進一步的科學(xué)研究工作。常見的服務(wù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)有震源機制解參數(shù)、震源破裂過程、地震動預(yù)測、余震時空分布及統(tǒng)計特征、發(fā)展構(gòu)造展布、地震趨勢研究結(jié)果，這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)均是使用原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)進行研究的最終成果。

2 業(yè)務(wù)需求

對用戶而言，獲取測震學(xué)原始觀測波形記錄數(shù)據(jù)的用途可能多種多樣，并非只有記錄到地震事件波形的波形數(shù)據(jù)段才有研究價值，例如臺站性能分析和噪聲成像技術(shù)就需要大量的無事件波形數(shù)據(jù)作為輸入，因而原始波形數(shù)據(jù)獲取服務(wù)應(yīng)當(dāng)具有相當(dāng)?shù)撵`活性，對界面設(shè)計和可視化的需求反而并不迫切。為了滿足應(yīng)用需求的多樣性，測震原始波形數(shù)據(jù)在空間覆蓋上要避免空缺，在時間上要保持連續(xù)性，并且提供完備的臺站信息和儀器信息元數(shù)據(jù)。測震學(xué)原始波形記錄的體量龐大，從系統(tǒng)資源的角度大量存儲原始波形數(shù)據(jù)并不經(jīng)濟，與原始產(chǎn)出和服務(wù)提供單位的更新同步也會存在較大問題。因而整合國際國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心提供的原始波形數(shù)據(jù)服務(wù)接口，既能節(jié)約存儲資源，減輕系統(tǒng)壓力，又可以使數(shù)據(jù)保持更新狀態(tài)，是較為合理的選擇。在此基礎(chǔ)上提供一種統(tǒng)一設(shè)計語言的可視化用戶接口，就可以解決各種數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范的差異問題，Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器模式）則可以進一步省略用戶終端的安裝和切換操作。以往的測震學(xué)原始波形數(shù)據(jù)服務(wù)往往周期較長，并且以實體存儲介質(zhì)作為傳輸載體，從用戶提出需求到最終獲得數(shù)據(jù)可能需要數(shù)天甚至數(shù)周。這樣的服務(wù)周期無法滿足大震后地震學(xué)研究工作的需求。因而，針對行業(yè)內(nèi)的需求，原始測震波形記錄服務(wù)做到簡便易用、參數(shù)全面、立等可取是一項十分有意義的突破。

地震目錄、觀測報告和事件波形等需要人工處理的測震學(xué)科學(xué)數(shù)據(jù)，包含了十分明確的地震科學(xué)信息，是進行速度結(jié)構(gòu)、震源物理學(xué)、地震預(yù)報等地震科技研究工作最常用的數(shù)據(jù)。但由于數(shù)據(jù)本身的嚴謹性，產(chǎn)出單位需要認真細致地處理和仔細地核對，最終權(quán)威的發(fā)布版本可能會滯后于地震事件數(shù)周時間，因此低時效性是目前面臨的最大的困難。然而這一部分數(shù)據(jù)的體量并不大，為了便于查看和使用，科研和日常業(yè)務(wù)運行都使用文本和壓縮格式，服務(wù)系統(tǒng)有足夠的資源進行數(shù)據(jù)的定期更新、壓縮存儲和打包分發(fā)，因而提供快速的打包下載服務(wù)是較為恰當(dāng)?shù)男问?。有了測震學(xué)原始波形數(shù)據(jù)服務(wù)，使用地震目錄進行簡單的地震事件波形在線截取服務(wù)成為可能，提供一種具有高時效性的地震事件波形獲取服務(wù)能夠極大地改善震源物理參數(shù)的產(chǎn)出速度，提高災(zāi)后救援等減災(zāi)業(yè)務(wù)工作的開展效率。

震源機制和破裂過程等測震學(xué)產(chǎn)出的最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)，服務(wù)對象不再限于地震行業(yè)工作者和科研院校，受眾面擴大到政府機構(gòu)和社會大眾，既要保持數(shù)據(jù)的科學(xué)嚴謹，也要考慮非專業(yè)人員的接受程度。面向地震從業(yè)者和科研人員，提供的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)是專業(yè)的和集約的，便于使用和分析，同時需要對研究結(jié)果進行制圖和展示，最終產(chǎn)出大量直觀的可視化圖件和表格，以Web頁面等輕量級的形式為廣大用戶提供查閱。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用Browser/Server模式，使用瀏覽器作為測震學(xué)數(shù)據(jù)快速獲取系統(tǒng)的用戶接口，通過HTML語言和CSS樣式進行前端訪問界面的設(shè)計和數(shù)據(jù)的展示，JavaScript作為前端語言，J2EE作為后端服務(wù)器基礎(chǔ)體系，SSH（Spring、Struts、Hibernat）則作為MVC（模型-視圖-控制）三層分離式框架。但又有別于傳統(tǒng)的體系架構(gòu)設(shè)計。本系統(tǒng)綜合考慮自身資源和業(yè)務(wù)特征，緊跟數(shù)據(jù)資源化、透明化和異構(gòu)集成的趨勢[6-8]，對前后端進行了高度解耦，使得系統(tǒng)服務(wù)器有能力為PC和手機等不同平臺終端提供服務(wù)。從客戶端角度，包括頁面在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)資源處于同等地位，用戶根據(jù)自身需要向不同的服務(wù)端請求數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用JavaScript這一瀏覽器端腳本語言作為前端的核心，進行資源的整合，并控制所有頁面行為和顯示效果。Ajax技術(shù)能夠在不刷新頁面的情況下實現(xiàn)與后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，使用Json作為前后端數(shù)據(jù)交換格式，并局部刷新頁面，在本系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)與服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)交換的角色。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

頁面加載服務(wù)器存儲HTML、CSS和JavaS-cript圖片等頁面資源，靜態(tài)化處理和存儲頁面資源可以簡化服務(wù)器處理流程，加快用戶請求的響應(yīng)速度?？紤]到測震數(shù)據(jù)與地質(zhì)構(gòu)造的空間分布具有非常強的相關(guān)性，系統(tǒng)選擇百度地圖API作為空間信息服務(wù)接口，為用戶提供海量數(shù)據(jù)的點線繪制、空間范圍選取、距離測量、數(shù)據(jù)展示功能，交互性良好，基本實現(xiàn)了地震業(yè)務(wù)中常用的GIS功能。

數(shù)據(jù)庫查詢服務(wù)器提供了速報和正式地震目錄、配套的觀測報告、震源機制解、重大地震信息等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲和查詢服務(wù)。前端頁面通過Ajax發(fā)送的數(shù)據(jù)請求使用輕量級的Json作為統(tǒng)一格式進行返回。

中國地震臺網(wǎng)中心在云平臺之上搭建了國際先進的彈性FDSN Web服務(wù)[8]，能夠根據(jù)負載變化啟動和釋放虛擬主機，其接口是符合FDSN國際標準的RESTful Web 服務(wù)接口規(guī)范[9]，返回的臺站數(shù)據(jù)為FDSN StationXML格式[10]，波形數(shù)據(jù)為Miniseed格式[11]，事件目錄為QuakeML格式[12]。測震學(xué)數(shù)據(jù)快速獲取系統(tǒng)在該服務(wù)的基礎(chǔ)上對接口進行了封裝，并使用專門的解析服務(wù)器對臺站、目錄數(shù)據(jù)和原始測震波形數(shù)據(jù)進行解析，再通過Json格式傳輸至前臺，調(diào)用百度地圖API對目錄數(shù)據(jù)、臺站數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)進行可視化，并提供交互式的下載和預(yù)覽參數(shù)設(shè)置。由于FDSN Web服務(wù)采用統(tǒng)一接口，本系統(tǒng)僅改變資源地址指向就可以從IRIS等其他數(shù)據(jù)中心獲取臺站、波形和目錄數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

FTP服務(wù)器對請求靈活性要求不高或文件分散但整體性很強的數(shù)據(jù)進行打包存儲并提供一鍵打包下載，內(nèi)容涵蓋觀測報告、地震目錄、綜合圖集以及公開的電子圖書等大量數(shù)據(jù)資源。

SSH框架用于測震學(xué)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的持久化存儲、業(yè)務(wù)控制和視圖渲染工作。由于本系統(tǒng)實現(xiàn)了高度的前后端解耦，SSH主要是負責(zé)用戶端數(shù)據(jù)請求的響應(yīng)和數(shù)據(jù)庫的增刪改查，實際的渲染工作主要由前端的框架控制，這樣設(shè)計可以充分利用現(xiàn)在普遍過剩的計算機資源，同時簡化服務(wù)器端的業(yè)務(wù)邏輯和負載壓力。

4 功能與實現(xiàn)

專業(yè)用戶往往對原始波形數(shù)據(jù)和震相觀測報告等數(shù)據(jù)的全面性有較高的要求，希望系統(tǒng)能提供所有開放數(shù)據(jù)的任意時間段和任意臺站的數(shù)據(jù)，應(yīng)用用戶則希望數(shù)據(jù)的展現(xiàn)簡單易懂。本系統(tǒng)一方面需要滿足這些基本需求；另一方面為地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享工作提供一種新的工作思路，即以用戶業(yè)務(wù)為出發(fā)點進行針對化設(shè)計，實現(xiàn)與業(yè)務(wù)無縫對接的快速獲取服務(wù)。針對現(xiàn)有系統(tǒng)對地震科學(xué)研究和日常業(yè)務(wù)工作場景考慮不全面的問題，本系統(tǒng)綜合資源整合、操作便捷性、后期易處理等多方面因素，對測震學(xué)數(shù)據(jù)獲取服務(wù)進行了專門功能和操作界面設(shè)計，極大地簡化和省略了繁雜的數(shù)據(jù)申請審核流程，實現(xiàn)快速獲取的目的。

傳統(tǒng)的測震學(xué)原始波形數(shù)據(jù)的獲取流程通常是用戶提供相關(guān)的數(shù)據(jù)申請表格，數(shù)據(jù)服務(wù)人員將包含申請人所需臺站和時間段的大量連續(xù)波形整理后，通過物理存儲介質(zhì)以離線的方式交換給申請人。這存在幾個明顯的缺陷：一是從發(fā)起需求到用戶獲得數(shù)據(jù)，周期從數(shù)天到數(shù)周不等，嚴重影響申請人的研究和業(yè)務(wù)工作開展。二是用戶往往需要數(shù)分鐘的數(shù)據(jù)段，但是由于連續(xù)波形數(shù)據(jù)通常以天為單位截取和存儲，假設(shè)用戶從全國所有臺站截取10分鐘的原始波形數(shù)據(jù)，則至少需要拷貝30GB以上數(shù)據(jù)，但實際有用的數(shù)據(jù)不到300M，存在嚴重的數(shù)據(jù)冗余和資源浪費，用戶后期還需要對數(shù)據(jù)進行截取處理。三是在真正獲取并查看數(shù)據(jù)之前，數(shù)據(jù)的質(zhì)量與完備情況對用戶來說基本是不可知的。系統(tǒng)基于百度地圖API和FDSN服務(wù)實現(xiàn)了立等可取和按需截取的測震學(xué)連續(xù)波形下載和查看服務(wù)，精心的設(shè)計使得參數(shù)全面可選的同時，保持了界面的簡潔、直觀，從業(yè)人員簡單熟悉即可操作下載，幾乎無需任何培訓(xùn)。系統(tǒng)提供的原始波形數(shù)據(jù)依賴FDSN數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源提供的連續(xù)波形數(shù)據(jù)和目錄數(shù)據(jù)均可以做到立等可取。以CENC源為例，現(xiàn)階段提供1009個國家地震臺2013年至2015年的所有數(shù)據(jù)，簡單設(shè)置相關(guān)參數(shù)后即可開始獲取這部分數(shù)據(jù)，速度僅受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制。目前本系統(tǒng)在申請時效、參數(shù)靈活性和交互界面這些其他平臺較少或者幾乎沒有考慮的方面做到了最佳。原始波形數(shù)據(jù)目前只針對地震系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)網(wǎng)用戶提供訪問權(quán)限，功能方面也還有更多的潛力有待挖掘。

以2014年11月25日康定Ms5.9級地震為例，以主震發(fā)震時刻為起始時間截取相鄰部分臺站10分鐘的波形進行預(yù)覽。點擊預(yù)覽目錄，可以發(fā)現(xiàn)10分鐘之內(nèi)除主震外還發(fā)生了8次余震，震級均小于ML2.0級，從預(yù)覽波形可以看出余震波形增幅較小且被掩蓋在主震波形之中。通過預(yù)覽，用戶可對所要獲取的數(shù)據(jù)有一個簡單而又直觀的認識。

地震目錄、觀測報告和事件波形由監(jiān)測中心日常業(yè)務(wù)產(chǎn)出，是地震分析預(yù)報、地震精確定位、速度結(jié)構(gòu)反演等科研和行業(yè)日常業(yè)務(wù)中使用頻率最高的數(shù)據(jù)。經(jīng)過人工處理校對，信息豐富，數(shù)量眾多，整體性強，但體積卻不大。系統(tǒng)通過在前端頁面中集成FTP下載服務(wù)的方式提供按月、按年的壓縮格式數(shù)據(jù)下載。目前，系統(tǒng)可提供整理后的1900年至今的7級以上全球地震目錄，1973年至今的6級以上全球地震目錄，公元前780年至今的5級以上全國地震目錄，1965年至今的2級以上全國地震目錄，以及1985年至今的震相報告按年打包下載服務(wù)。此外，本系統(tǒng)還在連續(xù)波形下載的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了自定義事件波形下載服務(wù)，通過解析地震目錄自動化設(shè)置參數(shù)實現(xiàn)，目前提供2013年至2015年4級以上事件波形下載服務(wù)，是界面最直觀、操作次數(shù)最少、參數(shù)最具靈活性的單事件波形下載服務(wù)。多事件波形的獲取服務(wù)在系統(tǒng)中以用戶上載申請列表，系統(tǒng)截取并通過郵件系統(tǒng)返回FTP鏈接的方式提供。

地震行業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)需要同時面向科研人員、行業(yè)用戶、政府機構(gòu)和社會大眾，結(jié)果的制圖和在線展示是提升用戶體驗的基本要求。系統(tǒng)提供了種類繁多的地震信息圖表集在線搜索、查詢和下載服務(wù)，收集整理全球和全國目前最全的震源機制解目錄，提供權(quán)威的災(zāi)害信息圖書，供用戶參考和使用。震源機制解數(shù)據(jù)分為全球和全國數(shù)據(jù)，全球數(shù)據(jù)為globalCMT產(chǎn)出的1976年至今的全球震源機制解。全國震源機制解數(shù)據(jù)集包含應(yīng)急震源機制解、中國震例震源機制解以及收集整理的中國震源機制解三類。這些數(shù)據(jù)提供在線制圖和錯動動畫展示，同時也提供打包下載。其他產(chǎn)品數(shù)據(jù)則主要以大震為單元提供產(chǎn)品圖集在線瀏覽，內(nèi)容涵蓋地震構(gòu)造圖、波形圖、斷層錯動模型、震源機制解圖、地震動預(yù)測、人口熱力圖、地震救援現(xiàn)場、震中全球分布、余震分布以及地震波傳播的全球模型。

5 結(jié)語

本研究分析了地震測震學(xué)數(shù)據(jù)特征及其在地震行業(yè)科研和日常監(jiān)測預(yù)報業(yè)務(wù)中的應(yīng)用場景，整合各類數(shù)據(jù)資源，采用Browser/Server模式和資源化的思想對測震學(xué)數(shù)據(jù)快速獲取系統(tǒng)架構(gòu)進行設(shè)計,服務(wù)內(nèi)容和界面設(shè)計高度貼合用戶使用習(xí)慣，實現(xiàn)了操作便捷、快速獲取的目的，讓用戶精力從數(shù)據(jù)準備轉(zhuǎn)向更有實際價值的研究和業(yè)務(wù)工作。測震學(xué)數(shù)據(jù)快速獲取服務(wù)系統(tǒng)作為面向地震行業(yè)的學(xué)科獲取系統(tǒng)之一，將在用戶實際使用和反饋過程中不斷改進完善。今后重點研究和發(fā)展方向是對細分應(yīng)用數(shù)據(jù)快速獲取服務(wù)的探索和新嘗試。

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