急救人員穿戴式裝置的革命新技術:智慧型閘道

WSG 是第一台以公共安全物聯網問世的裝置 (IoPST) 由英特爾與 Mutualink 所推出的技術。主要的目標是希望能透過相互連結的技術將其安裝在急救人員下一代新型的設備當中並能救更多的生命。它有效解決了緊急救護人員在緊急情況下所遇到的兩個最大的通訊問題:由於情緒恐慌導致網路過度使用所造成連線中斷問題,進而造成服務品質差或服務不存在,以及由於密碼保護造成在特定場所無法使用 Wi-Fi 網路。
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簡介

可穿戴式智慧型閘道 (WSG) 為世界第一個可穿戴式通訊閘道,讓急救人員能即時透過網路來安全地分享多媒體資訊。由 Mutualink 來開發並利用英特爾的技術, WSG 提供指揮中心與跨單位之間對於現場實況的資訊存取,包括影像、生物特徵識別與環境數據。 WSG 具有強大的功能,能強化所執行的任務並在快速移動的狀態中能縮短反應時間,藉此能幫助警察、 SWAT 、消防人員與醫護急救人員克服在執行任務時所產生的盲點,並藉由完整的訊息能做出正確的決定。

WSG 是第一台以公共安全物聯網問世的裝置 (IoPST) 由英特爾與 Mutualink 所推出的技術。主要的目標是希望能透過相互連結的技術將其安裝在急救人員下一代新型的設備當中並能救更多的生命。

依照有價值的創新專案,聯合倡議已經收到來自創新學會 2016 年的綜合司法資訊系統。

此白皮書檢視了 WSG 的背景,而此技術曾經建立並執行。在寫入的時間, WSG 將在 2016 年在工業試產階段推出。因此,在此白皮書內容將會對於目前與未來的佈局來作探討。 WSG 與其技術在 I oPST 的背景與 FirstNet* LTE 寬頻網路會陸續來作探討。

The WSG* 起源

Mutualink 總部位於康乃迪克州沃靈福德鎮,公司創始人擁有 20 年公共安全領域開發通信技術的經驗。 Mutualink 基於 IP 的網路服務被廣泛應用,其應用領域包括國防、法律部門,以及金融與公共衛生機構。他們的現有系統融合了基於硬體的機架、高性能軟體,以及企業標準的端到端加密技術,可有效支援機構間共用影片、語音和相關資料。

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圖 1:可穿戴式智慧型閘道 (WSG*) 原型裝置。

緊急服務與所面臨的一個主要問題是通訊的互通性 —由於技術標準與協議之間的差異,機構間的重要資料共用不僅複雜,而且速度非常緩慢。

Mutualink 一直致力於克服這些障礙。借鑒 Edison Laboratory 在 20 世紀率先開展電訊開發的工作,創新團隊受到了啟發,開始首次嘗試開發可穿戴式產品的開發技術。 Mutualink 與 Intel 合作,希望通過能夠無縫、安全地緊急能與救護人員連接、指揮中心和協作機構所使用點對點連接系統的技術,來克服通信所會遇到的障礙。

他們合作開發的的產品就是 WAS — 使用 Wi-Fi* 、有線 USB 和藍芽,通過與伺服器連接(雲端或當地)的安全虛擬專有網路 (VPN) ,將緊急救護人員所穿戴、手持,或附近的設備與遠端指揮中心可穿戴通訊閘道連接。無論多少家合作機構利害關係者,都可以根據需要透過該閘道無縫共用相關訊息。

緊急救護人員在 WSG 輸入資料的設計

在緊急救護人員通訊領域當中, Mutualink 頗具知名度,因為它深深瞭解這些在一線工作者的需求。 Mutualink 的業務開發團隊拜訪了許多具有數十年在緊急救護有實戰經驗的工作人員,以定義用戶案例,並瞭解哪些適用,哪些不適用。

在 WSG 創意構思階段, Intel 和 Mutualink 更進一步,對緊急救護人員進行了深度訪談,並詳細瞭解了他們的需求以及對產品功能的期望。在構建產品原型之前,團隊召開了內部設計和智囊團研討會,對方法進行了進一步測試與改進。 緊急救護人員的回饋為滿足指揮使用者介面 (UI) 的特定需求和裝置整體功能設計,提供了寶貴的意見。

與其他可穿戴技術一樣, WSG 的外形最為重要,需要精心設計,以協助緊急救護人員,而非分散他們的注意力,或妨礙他們開展關鍵工作。團隊決定在 WSG 的核心位置安裝英特爾® Edison 模組,該模組性能高、能耗低,尺寸小,是滿足 SWG 外形需求的最佳選擇。

WSG 原型構建考慮事項

為了將 SWG 從概念變成原型設計, Mutualink 團隊首先從 Intel® Edison 模組著手,它以小巧的外形結合本機 Wi-Fi、藍牙和 USB 連接功能,甚至還能夠與電池搭配使用。該模組的內置連接功能連接支援緊急救護人員的多台設備,比如相機、心跳監測器,語音通訊設備等,還可連接 Wi-Fi 網路實現廣域網路連接的功能。

Inetel® Edison 面板上的主要系統晶片 (SoC) 是一顆 22 奈米英特爾 ®Atom™ Z34XX 系列處理器, 後者包含兩個運行速度為 500 MHz 的 Silvermont 微架構核心和一個運行速度為 100 MHz 的 Intel® Quark™(以執行 Wind River Viper* 即時操作系統 (RTOS))。 該 SoC 在封裝中結合了 1GB 的 RAM 。還包含 4 GB 嵌入式多媒體卡 (eMMC) 面板載存、 Wi-Fi 、藍芽 4 和 USB 控制器。該面板有一個 70 針腳密度的連接頭 (Hirose DF40),用於連接 USB 、 SD 、 UART 和 GPIO 。

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圖 2: [email protected] 模組應用在多數 WSG 原型。

目前, WSG 尚不具備支援獨立行動操作 4G/LTE 的功能,而是透過手機共用 Wi-Fi 連接至 4G / LTE 網路或 Wi-Fi 熱點。其中一種原型實施主要在牢牢連接至堅固耐用的 FirstNet Sonim 手機,建立起整潔、高度靈活的袖珍型裝置。 組合型 WSG 設備既符合人體工程學設計,又可放入夾克或褲子口袋,便於攜帶,是小型解決方案必備的組件。最後,團隊也探討如何直接將 4G/LTE 連線功能與設備結合。

將 WSG 的能耗降至最低

WSG 的能耗要求非常嚴謹,因為它用於連接多台裝置,以便它們隨時向任意位置發送不同情況下的相關數位數據。此外,緊急救護人員要求裝置本身在顯示部分能讓人容易了解。有鑒於這些需求,電池續航時間自然而然成為設備能夠成功地操作所考慮的重要因素,所以這是團隊選擇低能耗 Intel® Edison 模組的主要原因。

對於電池,團隊努力在容量和尺寸之間取得完美平衡,以確保其便攜性。 WSG 原型的主體是由 3.7 伏、 1200 毫安培鋰電池供電。根據不同的使用者案例和情形, WSG 還可以任意充電式電池(例如 6000 毫安培電池組)來構建,只不過體積會稍大一點。在早期 測試階段, WSG 原型可以保持 12 小時甚至更長時間的全速運行,如果緊急救護人員不想擔心是否需要為硬體充電,這對能長時間運行的需求將變得至關重要。還有重要的一點, WSG 的充電方式和手機一樣簡單。

揭示局限性、設計解決方法與繼續構建原型

隨插即用型 Intel® Edison 模組的一個局限是,當使用 3.7 伏電源時, USB 活動式 (OTG) 連接埠無法為連接設備供電。 如果使用者需要為外部 +5V USB 相機供電,這將成為一個問題。團隊想出了一種解決方案,在 WSG 和外部間另外連接一條升壓型 USB 傳輸線。

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圖 3:升壓型 USB 傳輸線支援 USB 埠為連接設備供電。

如圖 4 所示, WSG 最終原型採用 3 塊 Spark Fun* 面板堆疊的方式:第一塊為 Intel® Edison 模組、第二塊為電池與充電,第三塊為 I/O 功能。

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圖 4 :Spark Fun*面板用於構建 WSG 原型。

儘管團隊想出了解決 USB 電源問題的方法,但當前的 WSG 原型青睞於使用外形精巧並具備隨插即用功能的 Intel® Edison 模組。 在 USB 電源需求與面板 4G LTE 連接目標的雙重推動下,團隊找到了一種制定的解決方案(目前處於研發階段)。而且,團隊正在與電池製造商積極探討,以將 WSG 直接與電池外殼結合,而進一步優化電源/尺寸之比例。

建立使用靈活性

在 WSG 創意構思與設計過程中,靈活性和適應性始終處於核心地位。裝置及其生態系統必須能夠隨軟硬體的更新升級,以及新使用案例的不斷出現,而逐漸演進。 WSG 軟體基於 Linux 作業系統構建而成,並使用 JavaScript 程式來設計,因此具有出色的可擴展性和開放性,支援添加新功能的能力。
此外, WSG 配備了 2 個 LED 燈,

如圖 5 所示:如果與伺服器的安全連接狀態穩定,紅燈常亮;黃燈則根據裝置正在處理的資料流程量級別閃爍。這 2 個 LED 燈會將設備的運行狀態及時告知配戴者。透過程式設計,這些 LED 燈還能以任意形式提供緊急救護人員或指揮所認為重要的回覆。

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圖 5 :LED 指示燈為使用者提供有關  VPN 和網路流量狀態的快速回饋。

指揮所用戶介面

為實現整體的靈活性,開發團隊通過 Web 應用來架構,基於 Web 的用戶端程式碼 Node.js* 建構指揮 UI 。它支援用戶端在流覽器的裝置上運行,包括智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦或插入至任何配備支援 HDMI 顯示器的英特爾® 電腦棒。指揮人員可能需要執行遠端的相關操作,或在操作過程中建立臨時的指揮所,這種方法能夠為他們提供更高的靈活性。

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圖 6 : WSG 指揮所使用者流覽器,並實現了模組化介面。

經過程式設計, UI 可以顯示實際操作裝置正在發送的資料,其中包括影片流量、心率、 GPS 定位,以及聯網代理的狀態。

網路不可知,安全為首要

處於原型狀態的 WSG 透過 Wi-Fi 連接至商用 4G 網路手機,或(未來的)專用 First Responder Network Authority (FirstNet*) 公共安全寬頻網路(目前處於開發中,將供美國全國使用)來傳輸資料。為了利用最佳可用的連接,系統經過設計,可以跨所有網路來運行,且安全性不會受到絲毫影響。

網路安全性

系統安全性是最為重要的,由於 WSG 可能容易受到影響,而電腦系統或網路的受到威脅與攻擊,比如分散式拒絕服務 (DDoS) 的攻擊。為阻止惡意設備進行欺詐或資料的竊取,系統使用企業標準、經過認證的 AES256 來驗證網路中的每台裝置。

團隊努力從硬體層級來提供最高的安全性。這樣有助於確保資料完整性,並支援實施進階惡意軟體防護,同時不影響重要資料傳送速度。

資料流量專門使用在開放標準的用戶端,經由端到端加密 VPN 通道來進行處理。 Mutualink 外掛程式可下載至 WSG 和用戶端, 而且用戶端上的 WSG 應用可建構 VPN 通道並來處理驗證的問題。

在伺服器連接方面,除網路不可知外,WSG 還具備其操作的靈活性。 加密 VPN 通道可將設備連接至私有伺服器或公共雲端伺服器,比如 Amazon Web Services。透過公共網路,當傳輸資料時,最關鍵的是確保資料安全的完整性。

Mutualink 在這方面擁有多年的豐富經驗,他們使用高級加密和 VPN 技術安全地跨網路與設備連接。

跨機構間的分享

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圖 7 :資料從 WSG(圖左側)傳送至伺服器和指揮所,以及遠端機構。

WSG 系統靈活、開放的架構具備的優勢是能夠充分利用

Mutualink 現有公共安全網路和平臺的互通性,從而與協作機構和利益相關者遠端共用指揮所的資源共享。

基於雲端系統支援所採用 Mutualink 系統機構與獲得許可的利益者能實現在動態媒體的資源共享。對於使用流覽器的用戶端對於設備的支援(包括筆記型電腦、平板電腦和智慧型手機)可直接與共用指揮所 UI 的共享。在實踐過程中,意味著在任意既定情況下,遠程利益相關者只需透過手機和 Mutualink 應用程式,就可將影片、音訊和資料即時傳輸至手機,並注意操作的每一個步驟。

冗餘性

在極端環境下確保 WSG 系統的完整性,使其保持順暢運行的關鍵是冗餘性。系統中各個不同的點都有可能出現故障的問題:在緊急情況下,大量人群同時試著使用網路,有時會導致硬體故障,連接中斷,或 4G 和 Wi-Fi 寬頻連線受到影響。

在伺服器端,編入系統的故障防護冗餘性可以確保,當 VPN 通道出現故障時,系統可自動切換至備用安全連接,從而確保可靠地將資訊回饋至指揮所。就 WSG 及其本地連接裝置領域的冗餘性而言, Mutualink 正在開發一款無所不包的解決方案,以在出現任何可預見網路故障的情況下保持系統完整性。

引入 Mesh 技術

Mutualink 是提供資料共用架構非集中式解決方案的頂級專家。 如果大量緊急救護人員用戶端,該模型可避免任一機構成為中樞,從而為所有利益相關者保持平臺的公正性。這種相同的分散資料流程原則已應用於可穿戴 WSG 架構的核心位置。 Mesh*  技術解決方案是其邏輯的擴展,主旨在網路中提供完整的冗餘性。

Mesh 的工作原理是透過網路中任意數量的獨立裝置(而非單個路徑)發送資料封包。這意味著,如果設備因故斷網,資料仍然可以前往目的地。在實際狀況中,它可應用於多種用途: 例如,近距離工作的四人小組只需使用一個智慧手機的熱點,就可將每位成員的資料傳輸至指揮所。

譬如本文「公共安全物聯網」部分所述,在一些情況下,任何裝備了 WSG 的設備都可用于將資料封包傳輸至目的地。這些環境裝置包括經過改造,具備 WSG 功能(藍芽、 Wi-Fi 和 4G 連接)的應急照明燈、消防箱或電燈泡。從本質上來說,系統將能夠自動運行,通過網路查詢資料傳輸的路徑,從而確保高級別冗餘性和可靠性,同時為用戶提供無縫體驗。

FirstNet* 就緒型 WSG

FirstNet* 是一可確保公共安全的 LTE 寬頻網路,目前處於諮詢階段,即將在美國國內大規模部署。該網路是為回應 9/11 委員會關於為緊急救護人員所提供全國無線服務網路推薦而開發的,有助於緊急救護人員克服之前由於超出公共網路的功能,因而在基礎通信服務方面所遭遇到的嚴峻挑戰。

許多 FirstNet Early Builder 計畫都已投入使用。其中有一項是紐澤西 JerseyNet 行對網路,在 2015 年天主教皇訪美時投入使用。在德克薩斯州哈裡斯郡, FirstNet 專案也已啟動,供緊急救護人員使用 Mutualink 技術。Intel-Mutualink 團隊從頭研究了 WSG 的安全性,以確保資料完整性和進階惡意軟體防護已經就位,並精心設計,以確保與公共安全網路相關的速度和效率不會受到絲毫影響。

WSG 實地測試

用戶體驗是成功推出新技術的關鍵,對於支援緊急救護人員在緊急、高壓情況下從容工作的可穿戴技術來說尤其重要。他們最不希望擔心的就是新套件的使用。為確保緊急救護人員接受其使用性, WSG 的關鍵是嚴格實地測試。 儘管 WSG 設備還處於原型建構階段,暫不在緊急回應的應用,但於 2015 年 9 月在 Urban Shield 的展示活動中,在類比真實環境下測試系統和整體使用者體驗提供了寶貴的經驗,進而確保在真正緊急、承受獨特壓力的情況下具備提供收集回饋的能力。

Urban Shield 是加利福尼亞北部每年一次 48 小時戰術訓練的活動。全球的緊急救護人員小組 — 主要是 SWAT,還有消防和 EMS 部門 —需要經歷一系列嚴格的真實訓練。該活動為小組制定操作戰術提供了有利機會,同時也是測試新興技術(本案例中為 WSG)的重要平臺 —與感知工具。

在活動之前的研究, Mutualink 諮詢了加利福尼亞州森尼韋爾市的緊急救護人員,最終製作了採用 Intel® Edison 模組的 WSG 原型。

經過設計,它們可以牢牢固定在支援 FirstNet 的手機上,為其提供 Wi-Fi 熱點與 4G 連接。在訓練期間, WSG 將影片、心率和位置資料即時傳輸至指揮所。

活動場景涉及綁架和汽車炸彈, SWAT 小組使用噴槍進行回應,來代替真實炸藥。小組人員希望 WSG 能解決緊急狀態的問題是,指揮中心需要更加詳細、準確地瞭解活動的有關資訊,並借助 WSG 的其他資料有效溝通,提高小組的整體效率和安全。在測試過程中不僅累積了寶貴經驗,整體而言, WSG 也取得了預期的效果,為任務指揮人員提供了瞭解實地情況。

從用戶端學習經驗

用戶體驗是設計 WSG 的關鍵因素。緊急救護小組需要能夠將設備無縫連接至工作環境,如果是可穿戴設備,這裡所說的工作環境實際上是指他們的個體。如果 WSG 設備妨礙了他們的工作,或分散了他們的注意力,則該設備將無法實際應用。這意味著,必須對設備的外形、重量和操作簡易性進行優化。

外形方面,在 Urban Shield 活動中使用的 WSG 原型在尚未安裝 4G 的情況下,要求以連接網路連接至手機(還需使用者攜帶)。為該活動構建的 WSG 原型經過專門設計,可以連接至支援 FirstNet 的 Sonim* 手機。這兩台裝置組合在一起,外形約為單隻手機厚度的兩倍,參加 Urban Shield 的緊急救護人員在攜帶設備及其他裝備方面沒有提出任何異議。

從技術層面來說,WSG 簡單、穩定的操作符合 Urban Shield 活動的需求,而且該測試為未來的技術改進提供了寶貴的見解。有一個問題突顯了在實驗室外進行實地測試的重要性,即影片流量傳輸過程中的延遲的頻率有時會有增加的情況,因而導致影片傳回至指揮所時出現了不同步的現象,這是一個潛在的嚴重問題。 Mutualink 將測試結果帶回了實驗室,對 WSG 軟體進行了進一步改進,使其自動感應到影片中斷問題,因而的降低影片畫面播放速度。當影片受到影響時,儘管這樣會降低影片傳輸的流暢度,但有助於保持影片的同步性。

Mutualink 還考慮將目前的 Motion JPEG 壓縮替換成 H.264 的影片格式,進一步提高影片的性能。 另外一個重要事項是將 4G LTE 連接融入裝置當中,以消除手機對於熱點連接的需求。

即時指揮中心的解決方案

在 Urban Shield 測試期間,他們汲取了一個寶貴的經驗,透過觀察發現,除用於隊伍進行簡報外,還需另外一項其他安裝的資源來滿足指揮中心的電腦空間需求。這樣不僅將隊伍和指揮所區隔,還要求安裝其他資源。在變化迅速、緊急救援任務重的情況下,將資源繁重的操作降至最低,無疑會為緊急救護小組帶來真正的優勢,而當效率提高後將有助於鼓舞採用這種技術。

觀察到這些情況後, WSG 團隊考慮使用 Intel® Atom™ 四核心處理器的 Intel® 電腦棒來替換體積龐大的塔式裝置,成為新的指揮中心。為指揮中心安裝英特爾® 電腦棒可提供多項優於龐大塔式裝置或筆記型電腦的優勢。 Intel® 電腦棒的外形比大多數手機小,具有極大的便攜性,同時,它還配備了即開即用的藍芽、 Wi-Fi 和 USB 連接,並支援連接至網路的功能。

安裝 WSG 指揮所軟體後,操作員只需將英特爾®電腦棒插入配有 HDMI 的顯示器,就可在數秒內建立一個動態指揮中心。以工作為例,想像一下,在緊急情況下,飯店裡任何一間有電視的房間就可瞬間變成指揮中心,供以前需要耗費大量時間和資源才能實現即時性。

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圖 8 :在 Urban Shield 2015 的指揮中心內測試 WSG 。

公共安全物聯網

關於物聯網 (IoT) 及其對於未來網路的互聯功能,對英特爾來說有重要意義,且有大量關於這領域的報導。 2015 年,越來越多顛覆性技術的具體應用都已融入人們的日常生活當中,包括智慧型家電設備和超市藍芽信標。英特爾和 Mutualink 已掌握了 IoT 技術和運用到公共安全領域的機會,並啟動了公共安全物聯網 (IoPST*) 計畫。

WSG 設備就是兩家公司合作的第一個產品,也將開啟其他安全的創新產品開發的序幕。其中的一個關鍵創意是,WSG 的技術並不一定要具備可穿戴的特性,它也可以作為智慧設備靜態安裝的一部分。

例如,在紐約的 Maker Faire , Mutualink 在英特爾展臺展示了嵌入至消防箱的智慧技術原型的概念。消防箱硬體不是將資料發往指揮中心,而是為緊急救護人員提供專用 Wi-Fi 網路(稱為“WiFi911*”),如果警報響後,將啟動網路,通過緊急服務密碼就可自動連接。

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圖 9 : 2015 年於紐約 Maker Faire 展覽所展出的公共安全物聯網—消防箱中的英特爾 ® Edison 模組。

它有效解決了緊急救護人員在緊急情況下所遇到的兩個最大的通訊問題:由於情緒恐慌導致網路過度使用所造成連線中斷問題,進而造成服務品質差或服務不存在,以及由於密碼保護造成在特定場所無法使用 Wi-Fi  網路。

WiFi911 技術能夠嵌入至所有通電硬體裝置,比如燈泡。現代節能燈泡不僅能夠與這種硬體外掛程式結合,燈泡的使用還可與建立 Edison 穩定鏈路,該創意概念最初來源於 Mutualink 支持使用者網路無縫連接的期望。為此, Mutualink 成功將 WSG 中心的英特爾 ® Edison 模組融入原型燈泡當中。

屢獲殊榮的創新

在拓展公共安全物聯網計畫所做出的開創性工作,Mutualink/Intel Corporation/San Mateo Sheriff Office 團隊榮獲了於 2016 Integrated Justice Information Systems (IJIS) Institute 創新獎 。 該獎表對司法、公共安全或國土安全領域內做出了重要貢獻的技術創新。IJIS Institute 委員會高度認可 WSG Urban Shield 測試專案及其成果,因此推薦 Mutualink 和英特爾入圍該獎項,以表彰兩家公司在該領域的卓越表現與貢獻。

未來計畫

WSG* 目前處於開發階段,計畫將於 2016 正式發佈。英特爾和 Mutualink 正抓緊時間設計和外形,以新增 4G LTE 連接功能、影片壓縮等特性,並進一步改進指揮中心的介面。

與其他條件要求嚴苛的使用場景的產品一樣,WSG 在上市之前,將經歷嚴格的測試,以提高美國緊急救護人員的操作效率。

關於 Mutuallink

Mutualink 公司開發了一款交互操作通訊平臺,可支援社群在安全環境下進行多媒體共享,包括錄音、語音、文字編輯、視訊、數據檔和電話通訊。 Mutualink 的系統目前部署於全球數百家公共事業單位和私營機構,包括國土安全和國防設施部、北約特種作戰部隊、公安消防部分、醫院、學校、交通部門、公用事業公司、商場,賭場等。 Mutualink 是一家私營企業,總部位於康乃迪克州沃靈福德鎮,在麻塞諸塞州韋斯特福德市、德克薩斯州艾倫市和波多黎各馬亞圭斯市擁有三家研發機構並在華盛頓 附近開設了國防服務辦事處,關於更多資訊可參閱以下網頁 www.mutualink.net。

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