曾敬 伍革新 黃志芳
摘 ?要: 由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)缺少移動(dòng)客戶端,導(dǎo)致預(yù)約效果差。為滿足高效預(yù)約效果,設(shè)計(jì)基于UML的實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)。在應(yīng)用表達(dá)層中利用后臺(tái)SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)B/S結(jié)構(gòu)模式,設(shè)計(jì)手機(jī)客戶端,保證客戶端能夠脫機(jī)預(yù)約。依據(jù)業(yè)務(wù)流程,通過(guò)自動(dòng)預(yù)約控制電路達(dá)到不同人員預(yù)約的目的。采用P89C669型號(hào)單片機(jī)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信服務(wù)器,為數(shù)據(jù)層提供更大存儲(chǔ)空間。數(shù)據(jù)層采用根節(jié)點(diǎn)與邊之比為1[∶]1方式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中控制。利用UML建立的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)預(yù)約順序,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)安全存儲(chǔ)功能,通過(guò)單片機(jī)串口向GSM發(fā)送AT指令進(jìn)行短信息接收與發(fā)送,依據(jù)自動(dòng)預(yù)約流程完成自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)最高預(yù)約效果可達(dá)到97%,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng); 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì); 脫機(jī)預(yù)約; 服務(wù)器設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)集中控制; AT指令發(fā)送
中圖分類號(hào): TN02?34; TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào): 1004?373X(2020)07?0173?05
Design of UML?based multi?mode automatic reservation system for laboratory
ZENG Jing1, WU Gexin2, HUANG Zhifang3
(1. Hubei Engineering University, Xiaogan 432000, China;
2. School of Information Management, Central China Normal University, Wuhan 432100, China;
3. Institute of Education, Hubei University, Wuhan 432100, China)
Abstract: According to the performance analysis of the traditional laboratory reservation system, the lack of mobile client leads to poor booking effect. In order to meet the high efficiency booking effect, a multi?mode automatic booking system based on UML is designed for laboratory. In the application expression layer, the B/S structure mode of the background SQL Server 2000 database is used to design the mobile client to ensure that the client can make an offline reservation. According to the business process, the automatic reservation control circuit is used to achieve the purpose of different personnel reservation. The Ethernet communication server is designed with P89C669 MCU, which provides more storage space for data layer. In data layer, the ratio of root node to edge is 1[∶]1, which realizes data centralized control. The UML is adopted to establish the order of experiment and training reservation, and design the database security storage function. The AT instructions are sent to GSM through the serial port of single chip computer to receive and send short messages. According to the automatic reservation process, the design of the automatic reservation system is completed. The experimental results show that the maximum reservation effect of the system can reach 97%. It has a practical application value.
Keywords: automatic reservation system; mobile client design; offline reservation; server design; data centralized control; AT instruction issue
0 ?引 ?言
實(shí)驗(yàn)室是高校實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與校內(nèi)模擬學(xué)習(xí)的重任。在20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)了第一代實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng),隨著校園網(wǎng)不斷完善,引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)正在蓬勃發(fā)展[1]。實(shí)驗(yàn)室不僅能最大限度地減少工作人員的工作量,還能提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用效率,然而學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)室預(yù)約提出了更高要求。目前,各大高校除了具備常規(guī)實(shí)驗(yàn)室外,還建設(shè)了一系列實(shí)訓(xùn)中心,該中心除了進(jìn)行常規(guī)教學(xué)外,還存在閑置設(shè)備,因?qū)W生個(gè)體化差異,部分學(xué)生無(wú)法得到合理實(shí)驗(yàn)時(shí)間。依據(jù)很多高校對(duì)開放型實(shí)驗(yàn)室的要求,原本只針對(duì)教師開放的實(shí)驗(yàn)室,現(xiàn)在對(duì)學(xué)生也進(jìn)行預(yù)約開放,為了充分利用實(shí)驗(yàn)室資源,本文提出了基于UML的實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)[2]。
以UML建模語(yǔ)言為基礎(chǔ),融入軟件工程新思想,其作用域不再局限于實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)分析,還可依據(jù)學(xué)生需求從硬件到軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì),使實(shí)驗(yàn)室設(shè)備得到充分利用。
1 ?系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)
以往實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)流程復(fù)雜、效率較低,學(xué)生每完成一次實(shí)驗(yàn)室預(yù)約流程需經(jīng)過(guò)如下步驟:學(xué)生預(yù)約→管理人員查看所有預(yù)約信息→做出預(yù)約安排→管理人員對(duì)預(yù)約情況回復(fù)→學(xué)生查詢預(yù)約結(jié)果[3]。通常實(shí)驗(yàn)室工作人員只會(huì)在固定時(shí)間對(duì)查詢情況進(jìn)行總結(jié),而學(xué)生接收到預(yù)約結(jié)果信息也需要2~3天[4]。因此,為了提高預(yù)約效率,在系統(tǒng)平臺(tái)中添加手機(jī)客戶端,有利于提高實(shí)驗(yàn)室預(yù)約服務(wù)水平。
實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)中學(xué)生、教師和實(shí)驗(yàn)室管理人員之間的關(guān)系如圖1所示。
依據(jù)上述關(guān)系,設(shè)計(jì)由客戶端、內(nèi)部局域網(wǎng)、服務(wù)器構(gòu)成的系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)是面向服務(wù)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的,實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
如圖2所示,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由應(yīng)用表達(dá)層、業(yè)務(wù)流程層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層組成的。
1) 應(yīng)用表達(dá)層
應(yīng)用表達(dá)層是用戶接口部分,可與業(yè)務(wù)流程層進(jìn)行信息交互。利用后臺(tái)SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)B/S結(jié)構(gòu)模式,通過(guò)不同客戶端調(diào)用服務(wù),經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)邏輯編排可實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制[5]。該層次為系統(tǒng)提供了最終界面,保證系統(tǒng)能夠接收用戶請(qǐng)求。
通過(guò)自定義協(xié)議、公共協(xié)議設(shè)計(jì)手機(jī)客戶端,除了瀏覽器和服務(wù)器外,還需設(shè)計(jì)一個(gè)純客戶端[6]。客戶端與服務(wù)器相對(duì)應(yīng),為客戶提供本地服務(wù)程序,通常安裝在用戶移動(dòng)設(shè)備上,需要與服務(wù)端相互配合運(yùn)行[7?9]。手機(jī)客戶端可通過(guò)在客戶機(jī)上寫一些程序,保證服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),客戶端依然能夠正常工作,實(shí)現(xiàn)脫機(jī)預(yù)約。
2) 業(yè)務(wù)流程層
業(yè)務(wù)流程層是應(yīng)用表達(dá)層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的中心層次,負(fù)責(zé)系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理,系統(tǒng)中所有邏輯關(guān)系都體現(xiàn)在該層次中[10]。業(yè)務(wù)邏輯主要包括兩部分:用戶權(quán)限管理,用戶按照所授權(quán)限預(yù)設(shè)業(yè)務(wù)流程處理相關(guān)業(yè)務(wù)[11]。該層次由管理員模塊、教師模塊和學(xué)生模塊組成,如圖3所示。
依據(jù)圖3可知,教師模塊和學(xué)生模塊都只是針對(duì)個(gè)人需求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室預(yù)約,而管理員模塊是匯總這兩個(gè)模塊全部信息進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間安排[12]。因此,在該情況下,設(shè)計(jì)自動(dòng)預(yù)約控制電路如圖4所示。
開關(guān)(1)在電路中連接服務(wù)層單片機(jī)接口,當(dāng)電平較低時(shí),整個(gè)電路處于工作狀態(tài),集電極輸出高電平觸發(fā)可控硅[N2],使[R1]得電閉合,與繼電器[R2]形成閉合電路,達(dá)到教師預(yù)約目的[13]。
開關(guān)(2)連接服務(wù)器單片機(jī)另一接口,當(dāng)電平較低時(shí),同樣觸發(fā)可控硅[N2],使繼電器[R2]線圈得電,此時(shí)需斷開電源,達(dá)到學(xué)生預(yù)約目的。
開關(guān)(3)無(wú)需預(yù)約時(shí)間,隨時(shí)使用,達(dá)到實(shí)驗(yàn)室工作人員管理的目的。
3) 服務(wù)層
服務(wù)層在操作系統(tǒng)服務(wù)基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,為業(yè)務(wù)邏輯層提供標(biāo)準(zhǔn)化訪問(wèn)接口。通過(guò)分析設(shè)計(jì)目標(biāo)特有性能,采用嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器,采取如圖5所示架構(gòu)。
采用某公司生產(chǎn)的P89C669的芯片8位單片機(jī),自帶96 KB的FLASH,執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51器件2倍,網(wǎng)卡芯片選擇RTL8019AS局域網(wǎng)處理芯片,能夠滿足數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)要求,保證MCU具有足夠數(shù)據(jù)堆棧運(yùn)行到嵌入式系統(tǒng)程序之中。網(wǎng)絡(luò)芯片1負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信,是系統(tǒng)上聯(lián)接口;網(wǎng)絡(luò)芯片2負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信,是系統(tǒng)下聯(lián)接口;SRAM靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器用來(lái)擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù),為數(shù)據(jù)層提供存儲(chǔ)空間。
4) 數(shù)據(jù)層
采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理,通過(guò)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù),為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)統(tǒng)一接口。采用層次結(jié)構(gòu)模型建立的數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)質(zhì)上是一種有根節(jié)點(diǎn)的定向有序樹,實(shí)驗(yàn)室管理人員為根節(jié)點(diǎn),教師和學(xué)生為枝節(jié)點(diǎn),根節(jié)點(diǎn)與枝節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系為邊,即根節(jié)點(diǎn)與邊之比為1[∶]1,一個(gè)根節(jié)點(diǎn)可具有多個(gè)邊,表示一個(gè)管理人員可同時(shí)處理教師和學(xué)生預(yù)約信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中控制,保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性和可維護(hù)性,確保數(shù)據(jù)安全與可靠。
依據(jù)實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)中學(xué)生、教師和實(shí)驗(yàn)室管理人員之間的關(guān)系,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng),該系統(tǒng)包括應(yīng)用表達(dá)層、業(yè)務(wù)流程層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。其中,應(yīng)用表達(dá)層設(shè)計(jì)手機(jī)客戶端,保證服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),客戶端依然能夠正常工作,實(shí)現(xiàn)脫機(jī)預(yù)約;業(yè)務(wù)流程層由管理員模塊、教師模塊和學(xué)生模塊組成,通過(guò)自動(dòng)預(yù)約控制電路,達(dá)到不同人員預(yù)約的目的;服務(wù)層為業(yè)務(wù)邏輯層提供標(biāo)準(zhǔn)化訪問(wèn)接口,采用嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器,為數(shù)據(jù)層提供更大存儲(chǔ)空間;數(shù)據(jù)層采用根節(jié)點(diǎn)與邊之比為1[∶]1方式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中控制,確保數(shù)據(jù)安全與可靠,由此完成系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)。
2 ?基于UML系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用UML建模,在設(shè)計(jì)階段分別針對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理人員、教師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所承擔(dān)的不同角色進(jìn)行需求分析,利用UML建模工具,以漸進(jìn)式迭代過(guò)程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)。
2.1 ?動(dòng)態(tài)建模
采用Rational Rose 2003建立UML軟件系統(tǒng)模型,在面向?qū)ο蠼_^(guò)程中,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為主要通過(guò)順序圖表現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)順序圖描述對(duì)象之間動(dòng)態(tài)交互行為,著重體現(xiàn)不同對(duì)象間的信息傳遞順序,水平軸表示不同對(duì)象,垂直軸表示時(shí)間,采用UML建立的實(shí)訓(xùn)預(yù)約順序示意圖如圖6所示。
依據(jù)圖6,實(shí)驗(yàn)室管理人員需及時(shí)審核教師或?qū)W生預(yù)約信息,并給出預(yù)約結(jié)果,在數(shù)據(jù)庫(kù)安全存儲(chǔ)功能下,設(shè)計(jì)移動(dòng)端信息處理功能,通過(guò)預(yù)約流程實(shí)現(xiàn)軟件功能設(shè)計(jì)。
2.2 ?數(shù)據(jù)庫(kù)安全存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)需要建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù),這是完成預(yù)約系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),實(shí)驗(yàn)室預(yù)約信息處理可用如下公式表示:
[fxmin=i=1nαiytix+βzx] (1)
式中:[fxmin]表示申請(qǐng)預(yù)約信息處理結(jié)果的最小值;[x]為原始用戶預(yù)約申請(qǐng)信息變量;[y]表示預(yù)約信息處理中損失的信息;[z]表示正則化系數(shù);[α],[β]分別表示對(duì)偶處理中的變量和共軛系數(shù)。
預(yù)約信息安全存儲(chǔ)公式如下所示:
[Wgmin=i=1nαi-gi-βz1βi=1nyigi] (2)
式中:[Wgmin]為信息安全存儲(chǔ)最低值,[g]為安全等級(jí)信息變量。將全部安全信息存儲(chǔ)到該數(shù)據(jù)庫(kù)中,由此設(shè)計(jì)短信息處理功能。
2.3 ?短信息處理功能設(shè)計(jì)
從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向電路終端設(shè)備發(fā)送相關(guān)指令,由不同廠家共同為GSM全球移動(dòng)通信系統(tǒng)研制DTE?DCE標(biāo)準(zhǔn)接口,服務(wù)層的單片機(jī)可通過(guò)串口向GSM發(fā)送AT指令,達(dá)到控制全球移動(dòng)通信系統(tǒng)收發(fā)短信的目的。
短信息接收與發(fā)送流程如下:
1) 短信息接收:監(jiān)控新短信息,讀取相應(yīng)SIM卡內(nèi)新消息,利用PDU格式分析并判斷其編碼方式,無(wú)論是中文解碼,還是英文解碼,都自動(dòng)生成短消息正文。查看短消息內(nèi)容格式是否有誤,如果正確,則短消息內(nèi)容通過(guò)串口發(fā)往上位機(jī);如果錯(cuò)誤,則直接回復(fù)錯(cuò)誤提示信息,由此結(jié)束短信息接收。
2) 短信息發(fā)送:從串口讀取上位機(jī)發(fā)回的短消息正文內(nèi)容,判斷短消息正文字符串種類,無(wú)論是中文解碼,還是英文解碼,都需設(shè)置短消息中心號(hào)碼。通過(guò)讀取目標(biāo)號(hào)碼和時(shí)間,封裝PDU編碼串,由此結(jié)束短信息發(fā)送。
2.4 ?實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約流程設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約流程設(shè)計(jì)如圖7所示。
在實(shí)驗(yàn)室預(yù)約狀態(tài)顯示表中,教師或?qū)W生可選擇狀態(tài)為預(yù)約的課時(shí)、預(yù)約相關(guān)實(shí)驗(yàn),而系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前對(duì)話判斷用戶是否登錄。如果未登錄,則需用戶選擇課時(shí)所有參數(shù)跳轉(zhuǎn)至登錄頁(yè)面,再根據(jù)傳遞參數(shù)跳轉(zhuǎn)至該課時(shí)預(yù)約內(nèi)容,進(jìn)而填寫頁(yè)面。用戶填寫相關(guān)信息后,系統(tǒng)先查詢booking表中是否有該課時(shí)的預(yù)約信息,防止多個(gè)用戶同時(shí)預(yù)約,確認(rèn)無(wú)人預(yù)約后,對(duì)該用戶發(fā)送預(yù)約成功信息。
3 ?仿真實(shí)驗(yàn)
在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端開發(fā)環(huán)境下,采用某實(shí)驗(yàn)室中心數(shù)據(jù)庫(kù)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)信息作為傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于UML系統(tǒng)預(yù)約效果仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。
3.1 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集
從實(shí)驗(yàn)室中心數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相關(guān)人員的信息如表1所示。
依據(jù)表1所示相關(guān)人員信息,查看其對(duì)應(yīng)的預(yù)約實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,如表2所示。
不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都會(huì)存在很多教師和學(xué)生進(jìn)行預(yù)約,因此,管理人員需根據(jù)實(shí)際預(yù)約情況合理安排時(shí)間。
3.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
從上述預(yù)約成功的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中選取編號(hào)為1,2,4的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,對(duì)比分析傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于UML系統(tǒng)預(yù)約效果。
1) 理想狀態(tài)下
在理想狀態(tài)下,無(wú)其他干擾,兩種系統(tǒng)預(yù)約效果如表3所示。傳統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為5次時(shí),編號(hào)為1下實(shí)驗(yàn)預(yù)約效果較好,在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為50次時(shí),編號(hào)為4下實(shí)驗(yàn)預(yù)約效果較差,維持在70%以上。
基于UML系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為5次、10次時(shí),編號(hào)為1的實(shí)驗(yàn)預(yù)約效果較好,達(dá)到98%,在實(shí)驗(yàn)次數(shù)為50次時(shí),編號(hào)為4的實(shí)驗(yàn)預(yù)約效果較差,但也達(dá)到92%。
對(duì)比兩種系統(tǒng)預(yù)約效果可知,在理想狀態(tài)下,兩種系統(tǒng)預(yù)約效果都較好,但基于UML系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)預(yù)約效果更好。
2) 實(shí)際情況下
在實(shí)際情況下,兩種系統(tǒng)會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間、距離等多種因素的影響,導(dǎo)致預(yù)約效果不如理想狀態(tài)。而添加手機(jī)客戶端的UML系統(tǒng)要比傳統(tǒng)系統(tǒng)預(yù)約效果好,為了驗(yàn)證預(yù)約效果,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,結(jié)果如圖8所示。
由圖8可知:隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加,傳統(tǒng)系統(tǒng)最高預(yù)約效果也沒超過(guò)70%,最低達(dá)到3%,說(shuō)明實(shí)際情況給傳統(tǒng)系統(tǒng)帶來(lái)影響較大。而基于UML系統(tǒng)最低預(yù)約效果也高于70%,最高可達(dá)到97%,說(shuō)明設(shè)計(jì)手機(jī)客戶端給預(yù)約帶來(lái)極大便利,也提高了預(yù)約效果。
對(duì)比兩種系統(tǒng)的預(yù)約效果可知,在實(shí)際情況下,基于UML系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)預(yù)約效果要好。
4 ?結(jié) ?語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了基于UML的實(shí)驗(yàn)室多模式自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng),充分體現(xiàn)了以學(xué)生和教師為中心的預(yù)約理念,促進(jìn)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的熱情,也使設(shè)備能夠充分被利用。將實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)預(yù)約系統(tǒng)應(yīng)用于手機(jī)客戶端上,可隨時(shí)完成實(shí)驗(yàn)室預(yù)約,解決學(xué)生缺少電腦情況下通過(guò)客戶端就可方便完成實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)預(yù)約的問(wèn)題。
目前,該系統(tǒng)建設(shè)還處于起步階段,不斷深入研究高效論證方法,才能保證實(shí)驗(yàn)室建設(shè)更加有序,為我國(guó)科學(xué)事業(yè)發(fā)展打好基礎(chǔ)。
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