低功耗广域网LPWAN物联网支撑平台解决方案.docx
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低功耗广域网LPWAN物联网支撑平台解决方案
LPWAN物联网支撑平台
解决方案
一、项目背景
当前，所有设备所需无线网络连接方式有广域和局域两种。
局域连接方式主要为WiFi、蓝牙、Zigbee、电力载波等，这也是智能家居、穿戴设备、智能硬件等终端采用的流行网络技术；在广域连接方面，更多是借助电信运营商提供的蜂窝网络连接，如GPRS、3G、4G等，在交通、物流、工业、能源等各行业终端被广泛采用。
然而仍有大量设备需求是现有网络技术无法满足，如水、电、燃气等计量表、管网、路灯、垃圾站点等公用事业、大面积的畜牧养殖和农业灌溉、广布局且环境恶劣的气象、水文、山体数据采集，矿井和偏僻的户外作业等。
这些类型终端联网若采用现有运营商蜂窝网络，则会遇到问题的有：
（1）信号覆盖：
大部分设备布局在人口稀少、环境复杂的区域，存在运营商网络覆盖或信号强度不足的问题，无法保障数据稳定传输；
（2）功耗问题：
很多设备没有持续电力供应的条件，主要通过电池供电方式，若采用运营商网络则需频繁更换电池，在一些恶劣环境下也不具备更换条件；
（3）经济性问题：
此类设备仅需传输极少量的传感器数据，且传输频率不高，而当前运营商网络是为高带宽而设计，采用这一网络不仅占有网络、码号资源，也会产生不少包月流量费用。
1.LPWAN技术体系
低功耗广域物联网（LPWAN）技术是近年国际上一种革命性的物联网接入技术，具有远距离、低功耗、低运维成本等特点，与WiFi蓝牙、ZigBee等现有技术相比，LPWAN真正实现了大区域物联网低成本全覆盖。
而LPWAN解决了上述3个问题，包括：
传输距离在复杂的城市环境中达到3公里以上，空旷地域高达15公里以上，穿透性较强，很多恶劣环境下也有信号；支持窄带数据传输，网络通信成本极低；由于低数据传输速率，基于LPWAN设备功耗极低，普通一个电池便可支撑数年甚至十多年。
根据IDG的研究，单单LPWAN技术，到2023年前就可以为全球增加30亿的连网数量，基于LPWAN技术的相关产业在未来将迎来爆发式增长。
不少公司已开始行动且推动商业化的实现，目前商用化较为迅速的是SigFox和LoRa两种LPWAN技术，另有不少Nb-IoT等技术也在不断研发和商用化过程中。
1）LoRa
LoRa技术其和其他远距离低功耗通信技术不同的是，LoRa联盟推出了完全支持蜂窝物联网应用的LoRaWAN通信协议。
该通信协议能够很好的处理节点漫游、基站容量管理、节点鉴权等蜂窝技术的要求，而且因为其开放性，全球大量的研发型公司参与其中不断更新修正完善LoRaWAN通信协议，使得该通信协议有着自我修复不断进化的能力。
2）NbIoT
NB-IoT技术是一种3GPP标准定义的LPWA（低功耗广域网）解决方案，具有以下优势：
能提供电信级的可靠性接入，有效支撑IoT应用和智慧城市解决方案。
NB-IoT直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级，但是使用单独的180KHz频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。
以智能抄表应用为例，与采用有线PLC抄表数据回收成功率在60%左右相比，NB-IoT可以保证数据成功回收率达99%，可靠性大大提高。
二、产品简介
LPWAN物联网支撑平台解决方案是在城市物联网应用管理中，利用低功耗广域网技术实现对城市地上、地下基础设施数据采集，解决以往物联网能耗大电池时间使用寿命短、接入采集点数量偏少、覆盖区域小等问题。
在综合研究物联网智能传感与感知技术、计算机控制技术、物联网海量数据采集、存储与处理技术、决策分析技术的基础上，开发出的基于云计算的、面向智慧城市的物联网应用支撑平台。
三、设计目标
1采用LPWAN技术优势对城市基础设施进行智慧化感知
主要通过建立物联网应用管理支撑平台和专业服务接口，结合采用LPWAN技术开发出的网关和数据采集设备，对城市中的各类基础设施数据进行广域化和低能耗模式采集。
2、实现对物联网数据的集成和融合
主要提供基础设施的运行运营数据的集成和融合，提供对城市运行安全和公共服务质量的集成监测和监控预警，提供行业应急事件的应急处置和日常的公共产品的客户服务等中心上层应用
3、实现专业行业领域的LPWAN物联网技术示范
从城市供水监测、燃气安全监控、城市供热管网监测、智能照明节能管理、城市排水安全监控、城市防汛指挥调度、城市桥梁安全检测等，建设物联网示范应用。
4、建立完备统一的物联网信息和数据管理、信息交换与维护更新的标准规范体系，并在城市基础设施物联网应用标准的框架下整合和新建各项业务系统，全面提升城市智慧化水平。
四、应用模式
LPWAN目前分为两类：
一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。
因此LPWAN物联网支撑平台也分两种网络应用模式：
1.自建未授权频谱模式：
是指用户自设节点、网关和伺服器，自成一个系统网络；主要以LoRa技术为主。
2.运营商授权频谱模式：
大范围基础性的网络部署，主要借助于中国移动、联通、电信等通信网络；主要以NB-IoT技术为主。
五、系统架构
根据对城市基础设施业务现状分析，结合物联网技术，从城市智慧管理工作的实际出发，平台总体框架如下图所示：
平台主要分为数据采集层、LPWAN通信层以及物联网应用支撑层。
数据采集层主要将以往的物联网采集设备的通讯部分改造成采用LPWAN技术通讯模块来传输数据；通信层主要负责采集点数据收集和上传；物联网应用支撑层主要由物联网数据的接入、数据存储、分析等服务组成，实现对上层应用和下层通信提供平台化支撑。
六、平台核心系统
应用系统主要建立起物联网的快速精准感知、融合网络传输、海量数据处理以及应用支撑服务平台，解决城市基础设施的安全运行、实施监管和紧急预警遇到的问题。
通过应用系统建设，解决窄带物联网大规模应用的问题，着力保障公共设施的安全运行，提升城市智慧化管理水平。
1、数据采集层设备
采集层设备是一种有源主动式检测器，工作频点在470MHz，定时发射自身状态信息。
具有识别距离远，功耗低，免维护等特点。
检测器内部含有优良的防冲突机制，适合于多检测器的应用场合。
检测器具备物品状态检测功能，物品被移动或撞击后姿态发生改变可以发出报警信息，可广泛应用于资产如井盖、电源箱管理等领域。
设备特点：
（1）射频发射功率小，只有20dBm，对人体无伤害；
（2）超长工作时间。
电路采用低功耗设计，降低电路功耗，安装的电池可以维持井盖卡正常工作5年；
（3）采用LPWAN技术，数据自动发送，并且支持唤醒机制；
（4）井盖检测器支持激活和休眠模式；
（5）LPWAN和传感技术的完美结合。
检测器采用加速度传感器实现倾角、震动的检测；
（6）支持与集控器的双向通信功能；
（7）具有防拆报警功能；
（8）采用高性能锂氩电池适应在户外高低温环境下工作。
设备参数：
工作频率:
470MHz
发射功率:
20dBm
接收灵敏度：
-148dBm
工作温度:
－40℃～80℃
工作电压:
DC：
3.0V
工作电流:
最大工作电流125mA,待机电流小于20uA
平均相对湿度:
≤95%（＋25℃）
大气压力:
80kPa～106kPa
尺寸：
86.3mm×62mm×33mm
防护等级:
IP67
2、LPWAN通信层设备
智能集中器位于采集终端和远程控制单元之间，能够通过下行信道与各种具有载波通信功能的智能仪表、采集终端或采集模块进行数据交换并存储部分数据；同时能通过远程控制单元与管控中心进行数据交换。
网关设备及数据集中器
集控器是一款长距离集中控制设备，具有识别距离远、灵敏度高、识别速度快、抗干扰能力强等特点，通过支架牢固安装，可用于户外。
集控器可与监控中心进行双向数据通信，将井盖检测器的所有信息实时上传到监控中心，为系统提供高精度、实时的数据。
集控器增配大容量备用电池，在外部电源断开后仍能维持集控器正常工作，提高了集控器的工作稳定性。
设备特点：
（1）安装灵活方便，不影响周围环境。
集控器与平台服务器之间使用移动通信技术进行双向通信，不需要铺设电缆或者光缆，最大程度保护周围环境不受破坏。
（2）集控器与平台服务器之间具有双向移动数据通信功能，支持GPRS接口。
（3）集控器实现了LPWAN技术和移动通信技术的融合。
（4）集控器支持后备电池供电。
（5）独特的防冲撞技术使集控器在同一区域一次能接收500张定位卡。
即使井盖卡快速移动，数据也可以准确的传输。
设备参数：
工作频率：
470MHz
识别距离：
全向天线5km（无遮挡环境）
全向天线500m（井盖检测器位于井盖下）
识别角度：
全向
安全性：
加密算法与匹配机制，防止链路侦测和破解环境
适应能力：
防水防冲击设计，满足工业环境要求，防护等级不低于IP67。
接收灵敏度：
-148dBm
电源标准：
AC220V
后备电池：
5000mAh
断电待机时间：
≥72小时
并发识别数：
同时识别最多500只井盖检测器
外形尺寸：
210mmx130mmx60mm
外壳材质：
铸铝
3、物联网应用支撑层
主要包含通信接入服务、数据管理服务以及应用支撑服务。
1）通信接入服务
通信接入服务主要支持LPWAN（LoRa/NBIoT）、ADSL、GPRS、3G、光网络、无线局域网、分布式网络、Internet等异构网络技术，数据接入采用有线和无线两种不同方式。
统一安全认证模块
与运营商平台进行对接，对接入平台的设备和数据连接进行安全认证。
通信API接口模块
提供多种类型的网络模式API调用接口，实现与不同通信运营商网络类型平台API模式的接口对接。
通信服务接口模块
提供无线、窄带等多种网络协议通信服务的调用接口，通过服务模式与不同通信运营商平台发布的各类公用服务接口对接。
2）数据管理服务
主要包括数据接入、数据存储和数据分析。
数据管理服务采用高性能、大容量服务器，提供功能齐全的软件支撑，它基于海量数据存储同时支持云计算框架。
服务器“云”主要具有以下功能：
1）处理供水、供气、供热、路灯等各行业的多种传感器参数信息的海量数据；
2）采取一定的保护措施，实现病毒防御、过滤冗余信息等保证系统稳定安全运行的功能；
3）提供用户感兴趣的信息的的定制等功能。
1、数据接入
针对城市基础设施、供水、供气、供热、路灯等应用场合需求复杂的情况，数据融合层具有不同的数据接入接口，能够接收来自异构网络传输层的供水、供气、供热、路灯等行业的多种传感器节点的参数信息，实现了数据接入方式的多样化。
2、数据存储
（1）建立多用户交互式服务器海量数据的存储处理模型
系统面向用户来自全市，涉及到供水、供气、供热、路灯等各行业的多种传感器的监测信息，必将产生格式复杂、不便于分类和处理的海量数据。
这种数据的存储和处理，对于处理方法和技巧以及软硬件都有很高的要求。
我们要突破的关键技术在于：
1）建立优秀的存储处理模型，满足数据量大、数据格式复杂的需求；
2）确定完善的建模方法和处理方案，明确切实可行的处理方法和流程。
建立的处理模型是处理中最快的，便于扩展，便于处理更大的数据量，便于实施；
3）建立广泛的索引。
数据量庞大，信息查找困难，因此必须建立信息索引；
4）定制强大的出错处理机制。
海量数据中存在着不一致性，极有可能出现某处的瑕疵，因此在进行数据处理时，必须制定强大的出错处理机制，保证系统稳定运行。
（2）提供分布式、跨平台的异构网络数据流支持技术
由于传感器信息种类繁多复杂，用户访问对信息要求也各不相同，因此在本系统中的信息管理系统中会频繁把一个系统中的数据库的数据转到另一个平台中的数据库中去。
另外，当系统升级时，旧系统中大量已存在的数据需要转换到新系统中去，也需要跨平台数据的转换。
由于系统的复杂性和跨平台运行，这就必须在设计时考虑选用一种特定的技术来控制数据流。
此外，面对电信网、计算机网和有线电视网三网融合，对于高层业务应用的融合，我们必须向用户提供多样化、多媒体化和个性化的信息服务，这就要求我们解决异构环境下海量数据的存储和管理，设计精准的管理手段，及时掌握整个网络的实时连接状态，了解服务器和存储设备的工作状态并进行故障预警，保障用户访问无阻。
（3）服务器及存储系统
数据库服务器能够满足高性能数据读取的需要，支持主流及大型数据库系统；应用服务器设备满足多业务多应用的需求，方便用户升级和维护；存储设备采用FC-SAN存储模式，实现大容量实时数据和业务数据的高速存储，并满足实际各种业务数据的容量需求。
服务器及存储系统有两部分组成：
中心服务器系统及数据存储备份系统。
其中中心服务器系统分为应用服务器系统和数据库服务器系统；存储备份系统分为数据存储备份系统及分中心远程灾备系统。
3、数据分析
数据分析的主要功能是提供决策依据和反馈控制。
通过分析利用物联网技术采集的供水、供气、供热、路灯等各行业的多种传感器参数，可以对各行业的设施运行情况进行监测监控，为各行业应急抢险和行业报警提供决策依据。
当有险情发生时，系统可以通过数据分析自动判断，继而控制物联网节点进行相应动作。
比如发生燃气泄漏时，系统可以自动关闭燃气泄露处的阀门。
用户也可以通过远程反馈控制物联网节点进行相应动作，比如可以远程调节室温等，达到自动控制和节能减排的效果。
3）应用支撑服务
平台主要提供服务的编码与注册、协同管理、Web服务管理、数据交换、目录服务等功能。
通过该平台可以对接智慧城市体系中的公共信息平台、GIS平台、大数据分析等。
基础支撑服务
主要提供物联网管理平台自身运行中的安全服务、负载均衡服务、目录服务、适配服务等平台支撑服务。
服务支撑管理
主要提供平台中各类型服务的管理，提供对服务的注册、部署发布、运行管理和服务状态监控等。
服务扩展接口
主要对物联网上层管理和应用提供支撑，采用接口和服务模式，提供与GIS平台的对接、与公共信息发布平台的对接以及与数据共享交换平台之间的对接。
七、扩展和对接应用系统
1、物联网管理中心应用系统
1）运行安全监控预警管理
利用物联网技术接入设在各行业的安全预警设施设备数据，对各行业的设施运行情况进行监测监控，构建运行安全监控预警网络和系统，提高应急指挥能力，保障城市安全运行。
通过对运行及维护数据的分析，给出设施和管道运行状况的风险评估等级；对风险等级较高的管道进行早期报警，及早进行维修，避免事故发生；对城市突发事件先期处置，快速反应，对事件危害的蔓延有效控制，以达到减少损失，避免次生灾害，降低社会影响的目的。
系统提供以报表和图表的方式直观展现各监测项实时的数据。
自动生成各监测点的日报、周报、月报和年报等。
根据监测点的历史监测值，形成趋势衍进图和趋势预测图，进行短期变化趋势预测，为应急抢险提供决策依据。
提供各行业监控报警功能。
可以对各行业进行严密、动态的实时监控，对异常状况自动报警，防范事故灾害。
通过行业报警模块可以查看报警事项，定位报警地点，查看报警事项详细情况。
2）公共服务质量监测监管
采用物联网等技术建立行业服务质量监测监管网络和系统，制定服务质量水平的评价指标体系，强化服务质量的监管能力，实现对各行业的服务质量监测数据的进行综合分析，对服务质量不达标事件能通过指挥调度系统及时处置，保障城市公共服务产品供给安全持续平稳。
公共服务质量监测监管对提高行业服务质量、公共服务能力和市民满意度，建设服务型政府具有积极意义。
通过用户调查、行业监测数据采集、行业业务数据采集、用户来电等方式对服务质量数据进行采集上报，并进行综合分析，实现对各行业服务质量的全方位监管。
能够实时、动态的对服务质量进行评价，当服务质量不达标时，做到及时反应，有效处置。
依据行业服务质量考核标准，以图表、报表等方式实现各行业服务质量的统计输出，并发布服务质量通告，督促相关行业改善服务质量。
3）节能监测管理平台
节能监测管理平台能定期向管理部门报告能耗监测情况和输出各类报表，为主管部门提供各行业用能单位能源利用状况，通过翔实的数据更科学地反映企业的能耗水平，使节能主管部门更深层次地部署、协调、服务、监督节能工作，及时发现能耗利用中存在的问题，以达到逐步提高能源利用水平，降低能耗，保护环境。
平台主要提供以下几个面向各行业的专项管理系统来实现对节能监测的管理：
行业综合能耗管理系统
查询各行业的能耗情况，通过日报表、月度报表、年度报表的形式报上级主管部门，或按照能耗报表格式上报数据，对重点用能分区进行实时管控，能够根据采集信息，统计出用能区域日耗能源、月耗能源等情况，可以及时根据要求进行节能控制，是政府节能降耗的有力保障。
4）综合监督应急指挥平台
建立以应急指挥中心为核心，以各行业应急分指挥中心为依托，实现受理方式和应急预案的系列化、指挥系统的网络化；依据运行安全监控预警系统和服务质量监测监管系统采集来的实时数据，结合12319、社会媒体等市民公众反馈信息，实现处警信息计算机化、辅助功能联动化、信息文档资料标准化。
实现对城市水（自来水、排水、污水）、气（暖气、煤气、液化气）、道路、桥梁、路灯等设施安全、服务质量数据以及现场视频实时集中监测，实现对管线爆裂、泄漏、路桥中断等突发事件的监测和报警，为高层决策提供应急指挥和视频会商功能以及决策分析工具和手段，提供指挥命令实施部署和监督方法，及时有效地调集各种资源，实施对突发事故的应急处置，减轻突发公共事件对城市和居民安全造成的威胁，用最有效的控制手段和最小的资源投入，将损失控制在最小范围内。
系统提供基础的应急保障体系建设、日常应急模拟演练管理，提供电子化的应急预案管理，实现及时高效的设施告警处理、应急事件处置以及预警信息发布，提供可视化应急指挥调度平台等全面的一体化应急处置功能框架体系。
应急时可以及时查询影响区域和用户，发布动态服务信息。
2、基础设施分行业LPWAN应用
1）道路照明监测
通过建设先进的城市照明监控系统，可以通过设置不同路段、不同时段采用不同的亮灯方式，再结合远程调压技术，达到既让城市灯光亮起来，又让电费降下来的目的。
城市照明监控管理系统，采用国际先进的物联网技术，从城市照明的支路管理、单灯监控到被盗报警，建立一个覆盖整个城市的照明设施监控管理网络，并通过灯杆定位等手段，实现对城市照明设施和业务的全方位智能管理，实现任一盏灯的开关控制及功率调整，对不同时段、不同路段提供灵活可控的城市按需照明方案，达到节能减排的目的。
城市智能照明系统主要由服务器、客户端、网络、远程设备等几部分构成。
其中服务器包括数据通讯服务器、数据库服务器、应用服务器；客户端包括C/S和B/S两类客户端；网络包括电信运营商的NB-IoT、GPRS、CDMA、3G等无线网络、公网资源和电力线资源；远程设备包括RTU、GPS、防盗器、节能设备等。
利用物联网等现代信息技术，采用先进的LPWAN无线通信技术和单灯节能控制技术，结合空间地理信息技术，改造升级城市照明智能监控系统的资源管理平台与控制平台，对快速发展的城市照明实现自动化监控和精细管理，进一步提高道路照明质量，从而提高服务质量；进一步提高维护、检修效率，从而保证城市整体亮灯率和设备完好率；进一步降低能耗、减轻劳动强度，从而避免无谓的电能和人力物力的浪费，从根本上实现按需照明、高效节能和精细管理。
2）井盖监测
为更好地保障公共设施安全，迫切需要采用新技术、新模式加强针对窨井盖的安全的管理。
基于当前井盖管理所存在的问题和挑战，结合井盖管理模式的发展变迁趋势，采用基于低功耗广域物联网技术、传感器技术、地理信息技术、计算机网络技术及其他无线通信技术等物联网相关技术，实现城市井盖和事件管理的智慧化、网络化和空间可视化，创新井盖管理新模式，完善井盖管理流程，并实现现有相关资源的共享，提高城市综合管理的效率和水平。
智能井盖监控模式，是在井盖下安装智能井盖检测器，同时在一个灯柱上安装集控器，由集控器覆盖附近的多个井盖。
井盖检测器在金属井盖覆盖下，可以传到500米的距离，覆盖上百个井盖。
井盖检测器通过低功耗广域物联网将井盖的状态传到集控器，集控器再通过GPRS公网将井盖的状态实时传到监控平台。
智慧井盖监控预警系统建设主要包括：
实时监控、报警联动、维修解控、设备自检、设备管理及系统管理。
井盖运行状态信息包括正常、运行异常、自检异常、维修解控、低电报警等，可根据业务需求设置不同的报警类型和级别。
提供井盖智能监控点的实时运行监测功能，与现场数据采集设备实时通讯，获取实时监测数据，通过列表和地图等多种方式直观展示，可实时监测市政井盖的各种状态信息，系统可预先设定报警规则，对窨井盖的异常情况进行紧急报警。
当窨井盖状态正常时，安装在窨井盖内的井盖检测器处于休眠状态，当窨井盖异常开启时，井盖检测器立即发出报警信号。
3）道路停车监测
道路停车管理子系统针对道路停车泊位进行管理的子系统，主要负责路内泊位信息、停车信息等相关数据信息，通过数据整合，实现对道路停车的全方位管理。
道路停车泊位管理采用手持管理终端拍照取证设备、地磁检测器等进行车辆进出场、计时计费操作。
通过对在停车辆拍照取证、欠费车辆管理、异常车辆管理等功能实现停车费用的应收尽收，防止跑冒滴漏。
根据车位不同类型安装地磁设备，选择地感分布的中心位置安装通讯网关，将地磁、PDA等智能化数据采集工具通过LoRa网、移动网（GSM/3G/4G）、固网（光纤）等方式，将停车实时动态数据传输到数据资源中心，实现智慧停车管理。
4）供水监测
城市供水是一个复杂的流程，经历了水源、制水厂、出厂、加压站、管网等一系列过程。
供水在线监测预警系统是公共服务监管平台的重要组成部分，通过系统的建设，将加强供水过程的智能监控和管理水平，加强水质监控，增强应急处理能力，从而提高整个过程的供水水平和安全水平。
通过系统分析提供满足用水需求的日常调度方案，保障用户的用水量、水压、水质等从而保障了安全供水，通过智能调度系统供水量的预测，并整合自控系统监测的数据，产生控制整体经济上的最优的方案，从而有效的降低供水成本。
供水管网监测示意图
供水压力、流量以及噪声监测
通过安装供水压力、流量传感器，实现对区域管网压力的监测和控制，有效地避免个别管网中不必要高压力或低压力的出现，减少爆管事故的发生进而减少漏损率。
（1）压力感知
供水水压监测传感器，选用高稳定性和高可靠性以及低功耗的压阻式压力传感器和高性能的变送器专用电路，整体性能稳定可靠，支持无线数据传输，适用于石油、化工、电力、水文、地质水等行业的流体压力的检测及控制。
（2）流量感知
超声流量监测采用非侵入式或称夹紧式超声流量传感器，安装在已有管道上，亦可做成管段式超声波通过由塑料制品或金属材料制成的声楔进入管道和液体。
（3）泄露噪声感知
可选用电传声传感器（高保真咪头），把声信号转化成电信号，经滤波放大处理，与处理器的外围接口相连形成节点。
5）排水监测
采用物联网技术并新增远程传感可控设备，实现对城市排水设施、城区河道、中水站、泵站运行等方面的监控并提供在线可测、可控，给排水的应急指挥调度提供支持。
（1）河道在线监测
河道关注的是河道周边的环境和安全。
河道需要监测的项目有：
河道的淤积情况，河道挡墙的现状，河道排污口的排污情况
（2）排水管线在线监测
排水管线主要关注管线内的污水流速和流量以及管线的淤积情况，通过安装流量计和流速计来实现，淤积情况可以通过水下视频探头来实现，并用它们构成无线传
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