智慧實(shí)驗室(Smart Laboratory)是基于分布式協(xié)同集中式統籌規劃的思想,以實(shí)驗室為基礎,結合信息技術(shù)、機器視覺(jué)、模式識別等人工智能技術(shù)共同協(xié)作,打造一個(gè)集業(yè)務(wù)系統、中臺管理、智能預測的三位一體式智慧實(shí)驗室生態(tài)圈。如何打造高校智慧實(shí)驗室呢?一起來(lái)看看專(zhuān)家的解讀吧。
實(shí)驗教學(xué)是高校課程學(xué)習的重要組成部分,是學(xué)生獲取、掌握知識的重要途徑,是深化課堂教學(xué)的重要環(huán)節?!督逃筷P(guān)于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見(jiàn)》指出,要“打造適應學(xué)生自主學(xué)習、自主管理、自主服務(wù)需求的智慧課堂、智慧實(shí)驗室、智慧校園。大力推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能、虛擬現實(shí)等現代技術(shù)在教學(xué)和管理中的應用”。智慧實(shí)驗室作為“智慧校園”的重要組成部分,是學(xué)校信息化發(fā)展到一定程度的內在訴求。
實(shí)驗室信息化管理現狀
在前期建設過(guò)程中,由于大部分的實(shí)驗室分布在二級學(xué)院,相關(guān)人員較為關(guān)注實(shí)驗教學(xué)硬件設備購置,忽略對設備的開(kāi)放使用、安全管理等方面的建設,導致在后期使用過(guò)程中暴露出了諸多問(wèn)題。
比如:
(1)儀器、設備分布在各個(gè)實(shí)驗室,盡管有專(zhuān)人管理,但是缺乏集中統一的管理平臺,學(xué)校很難快速準確定位、跟蹤設備。
(2)室內照明、設備供電無(wú)法智能化管理,造成資源和能源的浪費。
(3)溫濕度、有害氣體濃度、顆粒物濃度、煙霧濃度、粉塵濃度、噪聲等指標無(wú)法實(shí)時(shí)監測,對各類(lèi)潛在的威脅和危險無(wú)法提前預知并發(fā)出警告。
(4)不同院系實(shí)驗室之間資源利用分配不協(xié)調,存在“信息孤島”現象,資源共享難以實(shí)現。
(5)實(shí)驗教學(xué)資源分散、優(yōu)秀實(shí)驗案例資源缺乏收集和整理,無(wú)法共建共享。
隨著(zhù)大量開(kāi)放式實(shí)驗教學(xué)的開(kāi)展,如何有效解決實(shí)驗室的高效運行與管理成為實(shí)驗室管理中亟待探討研究的問(wèn)題之一,對實(shí)驗室的智慧化、安全化建設與管理成為領(lǐng)域內人士關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。智慧實(shí)驗室的內涵
2008年,IBM公司首席執行官彭明盛提出了智慧地球(Smarter Planet)的概念,他認為智慧地球的三要素是物聯(lián)化、智能化、互聯(lián)化。智能化的技術(shù)正時(shí)時(shí)刻刻被應用到生活的方方面面,如醫療、交通、電力、教育等,基于此,一系列的智慧化的行業(yè)解決方案很快被衍生出來(lái),其中就包括智慧教育、智慧校園。
關(guān)于智慧實(shí)驗室目前尚未有統一的概念,研究者從不同的角度來(lái)闡述智慧實(shí)驗室,形成了各式各樣的觀(guān)點(diǎn)。周春月等認為智慧實(shí)驗室是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心,借助新一代信息技術(shù)實(shí)現實(shí)驗室的智能化、安全化、可視化管理,資源的互聯(lián)與信息共享,人員的互動(dòng)協(xié)作等全面的智能感知實(shí)驗環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺。
本文認為智慧實(shí)驗室是以現代教育思想與理念為指導,以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng )新能力為目標,將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據、智能技術(shù)等新一代信息技術(shù)有機融合于實(shí)驗室的管理和教學(xué)過(guò)程中,建設成具有全面感知物理環(huán)境、智能化管理與控制、教學(xué)過(guò)程可視化記錄與評價(jià)、資源和信息互聯(lián)共享、師生協(xié)作與互動(dòng)一體化的實(shí)驗室學(xué)習空間和“一站式”服務(wù)平臺,實(shí)現實(shí)驗室建設的進(jìn)一步精細化動(dòng)態(tài)化管理、全時(shí)空管理、全要素管理、全生命周期管理。智慧實(shí)驗室通過(guò)將新一代信息技術(shù)和智能化設備與實(shí)驗室有機融合,以現代教育思想與理念為指導,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構建全面感知的物理環(huán)境,基于互聯(lián)網(wǎng)構建開(kāi)放、互動(dòng)、共享的綜合實(shí)驗信息服務(wù)平臺,基于智能控制技術(shù)構建可視化、智能化的自動(dòng)化管理和監控,基于云計算、大數據等技術(shù)實(shí)現實(shí)驗教學(xué)過(guò)程的可視化采集、傳輸、交互、評價(jià)、應用和服務(wù)。
在對智慧實(shí)驗室內涵分析的基礎上,秉承模塊化設計理念,筆者認為在基礎硬件設施上,可將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據、移動(dòng)互聯(lián)等信息技術(shù)與實(shí)驗室的基礎設備和應用系統進(jìn)行有機融合,從基礎設施、網(wǎng)絡(luò )環(huán)境、硬件、軟件四要素出發(fā),搭建一個(gè)由設備感知層、智能控制層、網(wǎng)絡(luò )層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應用層、用戶(hù)層組成的系統體系結構(如圖1所示)。
?。ㄒ唬┰O備感知層
利用各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能感應技術(shù),通過(guò)IC卡、二維條碼、射頻標簽、攝像機、各類(lèi)傳感器等自動(dòng)標識,實(shí)時(shí)獲取各種監測信息,實(shí)現對實(shí)驗室環(huán)境的全面感知、設備的識別及信息的采集等,并可以依據采集的大數據智能預測一般規律和發(fā)展趨勢。實(shí)驗室設備感知層的設備主要包括門(mén)禁系統、多媒體設備、照明系統RFID標簽、二維碼、攝像頭、空調與新風(fēng)系統、各類(lèi)傳感器(二氧化碳濃度傳感器、有害氣體濃度傳感器、水浸傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器)等。如:利用低頻和高頻的RFID設備進(jìn)行門(mén)禁管理、刷卡考勤、設備盤(pán)點(diǎn)與統計等,利用攝像頭和智能錄播設備實(shí)現無(wú)感知考勤、實(shí)驗教學(xué)全過(guò)程視頻采集及實(shí)驗室安全監控等功能。
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智能控制單元是智慧實(shí)驗室管理系統的核心支撐系統,具備精準控制、智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策等功能,是實(shí)驗室系統互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應用的控制和執行終端,能夠執行各種管理指令,從而使實(shí)驗室達到系統化的智能運行管理。智能控制層主要包含三種類(lèi)型設備:智能電源控制系統、實(shí)驗室智能中控系統、多媒體智能控制系統。
?。ㄈ┚W(wǎng)絡(luò )層
網(wǎng)絡(luò )層相當于人體的中樞神經(jīng),實(shí)現人與人、設備與設備、人與設備之間全面的互聯(lián)互通,承載智慧實(shí)驗室所有的軟件平臺、硬件設備、基礎設施、人等信息之間的傳輸,為師生提供可靠、穩定的泛在基礎網(wǎng)絡(luò )環(huán)境和持續的服務(wù)會(huì )話(huà)及感知數據的接入和傳輸。網(wǎng)絡(luò )層所涉及的網(wǎng)絡(luò )有有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、物聯(lián)網(wǎng)等,各網(wǎng)絡(luò )之間協(xié)調工作,使信息空間與物理空間能夠無(wú)縫對接、全面聯(lián)通。
?。ㄋ模┓?wù)層
為消除各學(xué)院及各應用系統之間的“信息孤島”現象,利用云計算、數據挖掘等技術(shù)為基礎,深度整合數據資源,統一信息管理,建立一個(gè)統一的、共享的、標準的數據融合綜合服務(wù)平臺。主要包括統一身份認證、云計算與云存儲、統一數據庫服務(wù)平臺、虛擬化桌面、直播和錄播、大數據挖掘、服務(wù)器集群等基礎服務(wù),為實(shí)驗室的數據融合和服務(wù)融合奠定基礎。
?。ㄎ澹I(yè)務(wù)應用層和用戶(hù)層
業(yè)務(wù)應用層旨在構建一個(gè)多服務(wù)綜合管理平臺,實(shí)現教學(xué)管理、實(shí)驗教學(xué)、資源管理、環(huán)境監控等諸多應用,使得它們集成于統一的管理平臺之上,形成開(kāi)放的實(shí)驗室系統,并為實(shí)驗室評估、實(shí)驗室建設及實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量管理等方面的決策提供數據支持。在實(shí)際建設過(guò)程中,可以根據學(xué)校的實(shí)際需求,以“業(yè)務(wù)支撐平臺”為基礎,靈活搭配豐富多樣的拓展應用模塊,最大限度滿(mǎn)足學(xué)校、學(xué)院、實(shí)驗中心、教師和學(xué)生等使用方和管理方的需求,實(shí)現實(shí)驗室相關(guān)工作智能化、規范化、信息化管理,把管理工作從粗放式向精細化管理轉變,從而達到減少資源浪費的目的。
?。┲腔蹖?shí)驗室運作機制
在智慧實(shí)驗室層級架構中,實(shí)驗室信息及安全標準與規范和實(shí)驗室工作體系與管理機制在外圍方面起到了加強作用。實(shí)驗室信息及安全標準與規范是智慧實(shí)驗室建設的重要支撐,實(shí)驗室的安全性涉及實(shí)驗室實(shí)體安全、運行安全、信息安全。實(shí)驗室的規范化運作,除了基于技術(shù)方面的規范,建立統一標準的實(shí)驗室工作體系與管理機制同樣非常重要。技術(shù)與制度相結合,操作規范與智慧化的管理方式相配合,才能將高校智慧型實(shí)驗室建設的智慧化優(yōu)勢發(fā)揮到極致。
智慧實(shí)驗室構建路徑選擇
智慧實(shí)驗室平臺將云計算、大數據、移動(dòng)互聯(lián)等信息技術(shù)有機融合,運用“互聯(lián)網(wǎng)+”等新思維、新理念,以智慧化的實(shí)驗室綜合管理系統、實(shí)驗室高清視頻示教系統、電源控制系統、多媒體演示系統、物聯(lián)網(wǎng)管控系統等為核心應用,集教學(xué)管理、開(kāi)放管理、設備管理、項目管理等于一體,旨在促進(jìn)實(shí)驗室管理手段的革新和教學(xué)質(zhì)量的提升。
(一)實(shí)驗室綜合管理系統
作為實(shí)驗室規范化、信息化建設的核心部分,實(shí)驗室綜合管理系統承載了實(shí)驗教學(xué)管理、實(shí)驗室開(kāi)放管理、儀器設備管理、低值品與耗材管理、項目與采購管理等軟件模塊的所有基礎數據。
1.實(shí)驗室教學(xué)管理
實(shí)驗室教學(xué)管理主要涵蓋實(shí)驗室排(調)課、實(shí)驗成績(jì)、人員考勤、課時(shí)統計等方面。重點(diǎn)利用好智能化排課系統,管理人員可以根據實(shí)驗內容和教學(xué)儀器設備條件、可利用時(shí)間,按課程、教師、周次、節次、起始時(shí)間、實(shí)驗人數安排實(shí)驗室,做出具體安排后形成實(shí)驗室課表,并發(fā)放給任課老師、實(shí)驗室管理員、學(xué)生。而教學(xué)管理系統可以與門(mén)禁管理系統結合,通過(guò)與校園一卡通對接,讀取一卡通系統的師生信息,實(shí)現教學(xué)實(shí)驗分批分組智能安排、考勤簽到、實(shí)驗過(guò)程跟蹤監控及實(shí)驗上課信息匯總統計等。
2.實(shí)驗室開(kāi)放管理
實(shí)驗室開(kāi)放管理以學(xué)生為主體,以實(shí)驗室資源為核心,在時(shí)間、空間上對師生開(kāi)放使用,授課時(shí)間由教師和學(xué)生按照自己的課余時(shí)間自主選定。這種開(kāi)放管理為師生提供了更多的實(shí)驗時(shí)間和更優(yōu)越的實(shí)驗條件,打破了傳統集中實(shí)驗教學(xué)模式,發(fā)揮了師生主體性,提高了教學(xué)活力。
實(shí)驗室開(kāi)放管理支持實(shí)驗室開(kāi)放、大型儀器開(kāi)放、實(shí)驗項目開(kāi)放、自主訓練開(kāi)放等多種模式,涵蓋預約前管理、預約管理、實(shí)驗過(guò)程管理、實(shí)驗后管理全生命周期的業(yè)務(wù)流程,并啟用安全準入、培訓管理、信譽(yù)積分等三大保障機制,確保實(shí)驗室開(kāi)放后各業(yè)務(wù)流程穩定、有序、安全地運行。具體操作如下:公示實(shí)驗室資源、開(kāi)放時(shí)間段、預約信息、規章制度及安全準入考核、培訓學(xué)習考核等內容。預約前進(jìn)行安全準入和培訓檢測,并需要完成預習內容和通過(guò)測試才可提交當次預約。預約管理遵循先約先使用的原則,預約后需要審批,最后公開(kāi)實(shí)驗室預約狀態(tài)。實(shí)驗過(guò)程管理需要進(jìn)行人員身份認證、出入信息采集,保證所有出入實(shí)驗室人員都是被授權的。管理人員可以實(shí)時(shí)監測儀器運行狀態(tài)、當前使用人員、當前預約狀態(tài),進(jìn)行儀器電源管控和對視頻實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監控。實(shí)驗后管理人員根據使用狀況,會(huì )給使用人員一定的信譽(yù)積分。實(shí)驗室管理人員可以出入查詢(xún)儀器使用信息、查看實(shí)驗室監控等。
3.儀器設備管理
儀器設備管理信息包括各類(lèi)儀器設備的名稱(chēng)、圖片、設備編號、型號、規格、數量、廠(chǎng)家、價(jià)值、經(jīng)費來(lái)源等基礎信息,以及樣品規格、使用指南、實(shí)驗環(huán)境及條件等開(kāi)放信息。通過(guò)RFID物聯(lián)網(wǎng)軟硬件集成,利用RFID電子標簽實(shí)時(shí)監控資產(chǎn)的使用、流動(dòng)情況和自動(dòng)化盤(pán)點(diǎn),將資產(chǎn)入庫、盤(pán)點(diǎn)、領(lǐng)用、變更、維修、調撥、清理等進(jìn)行全生命周期精細化管理。綜合管理平臺上可以實(shí)時(shí)顯示儀器設備的狀態(tài),如空閑中、實(shí)驗中、維護中、故障、未啟用等。后臺詳細記錄從購買(mǎi)之日起儀器設備的使用狀況,如使用頻率、維修記錄、耗材使用等信息,為日后的實(shí)驗室建設及儀器設備采購提供數據信息,通過(guò)大數據分析可以幫助在設備申購、更新、維護等方面做出科學(xué)的決策。
4.低值品與耗材管理
基于物聯(lián)網(wǎng)、RFID、高清圖像采集、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)實(shí)現低值品和耗材的智能化管理系統,實(shí)現對低值品與耗材的入庫、出庫、調撥、盤(pán)點(diǎn)、訂單等功能操作,自動(dòng)對出入庫物資信息進(jìn)行識別判斷,圖形化展示庫存和出庫信息。手持RFID設備或在系統中手動(dòng)進(jìn)行物資盤(pán)點(diǎn),記錄出入庫、借還、報警、系統操作日志等信息,實(shí)現物資出入安全管理、智能環(huán)境監測管理、自動(dòng)圖像采集、聲光報警等多種功能,從而對低值品與耗材做到可視化、信息化和智能化管理。
5.項目與采購管理
傳統的項目申報和設備采購工作,紙質(zhì)資料非常多,過(guò)程極為繁雜,不但影響了項目執行的效率,也增加了執行的難度,學(xué)校也難以監管到位。針對這樣的情況,就需要充分利用云計算、大數據、電子商務(wù)等新技術(shù),構建一站式服務(wù)的項目申報與設備采購平臺,涵蓋實(shí)驗室及設備方面的項目申請、立項、采購申請、采購項目受理及采購方案制訂及文件編制、公示公告發(fā)布、開(kāi)評標情況記錄、采購合同管理、外貿合同執行、采購項目動(dòng)態(tài)以及后期的建賬、報銷(xiāo)等程序,以此提高實(shí)驗室項目申請、項目執行、采購效率和管理水平,將教師從復雜的申請、申購、建賬、報銷(xiāo)程序中解放出來(lái),更專(zhuān)心地投入教學(xué)和科研工作中。
?。ǘ└咔逡曨l示教系統
實(shí)驗現場(chǎng)條件特殊、操作空間窄、觀(guān)摩人數受限,致使實(shí)驗教學(xué)存在部分學(xué)生無(wú)法看清實(shí)驗操作演示過(guò)程。高清視頻示教系統通過(guò)前端配置的高清一體化攝像機記錄實(shí)驗過(guò)程,可以做到使每個(gè)學(xué)生都能清楚地看到現場(chǎng)操作情況。系統可以對實(shí)驗室安全進(jìn)行登記,并精細化記錄實(shí)驗室操作情況,主要有示范視頻錄制、同步直播、自主學(xué)習等功能。示范視頻錄制功能可以將教師的示范性操作進(jìn)行實(shí)時(shí)多角度(特寫(xiě)視頻、全景視頻、課件視頻)、多路視頻進(jìn)行錄像,完整地記錄示教過(guò)程,并作為教學(xué)錄像上傳到資源平臺。同時(shí),系統將多路高清畫(huà)面在平臺上進(jìn)行同步直播,局域網(wǎng)及因特網(wǎng)用戶(hù)均可接收觀(guān)看。實(shí)驗室配置有觸控一體機,實(shí)時(shí)錄制的實(shí)驗可以通過(guò)觸控一體機進(jìn)行點(diǎn)播回看,用于自主教與學(xué),亦可同步顯示本地高清實(shí)驗直播示范。在開(kāi)放實(shí)驗中,實(shí)時(shí)直播本地畫(huà)面,同時(shí)將現場(chǎng)操作情景進(jìn)行記錄,學(xué)生可以回放操作過(guò)程,進(jìn)行自我診斷。學(xué)生也可以自主拍攝練習視頻上傳,供教師進(jìn)行評價(jià)或推薦給其他學(xué)生觀(guān)摩。
交互系統為實(shí)驗、見(jiàn)習、實(shí)習、實(shí)訓等實(shí)踐活動(dòng)提供靈活的活動(dòng)形式,能實(shí)現低成本、高頻次、高效率的教學(xué)活動(dòng)。交互系統分為兩個(gè)部分:主講端(示教室)和互動(dòng)端(交互室)。主講端是示范性講解及遠端畫(huà)面?;?dòng)端是遠程現場(chǎng)講解及全景畫(huà)面,通過(guò)圖像和主動(dòng)聲音捕捉實(shí)現雙方視頻互動(dòng)。示教室和交互室整個(gè)教學(xué)互動(dòng)過(guò)程通過(guò)場(chǎng)景采集軟件得以實(shí)時(shí)記錄下來(lái)并發(fā)布到智慧實(shí)驗室平臺形成優(yōu)質(zhì)教學(xué)實(shí)驗示教資源。
?。ㄈ?shí)驗室硬件管理平臺
1.多媒體演示系統
在這個(gè)信息技術(shù)發(fā)達的時(shí)代,多媒體演示系統作為現代化教學(xué)的一種表現手段,成為建設智慧實(shí)驗室必不可少的實(shí)驗教學(xué)工具。它由中央控制系統、計算機、觸控一體機、投影設備、投影幕、數字視頻展示臺、音響設備等組成。運用TCP/IP協(xié)議,中央控制系統集中控制多媒體設備終端,利用配套網(wǎng)絡(luò )管理平臺可以實(shí)現對中控外聯(lián)多媒體設備的遠程控制,具備設備的一鍵開(kāi)啟或關(guān)閉、投影機輸入信號的切換、幕布的升降、設備遠程監測(開(kāi)啟狀態(tài)、被盜報警、燈泡的使用時(shí)間、異常提醒等)功能,實(shí)現了對實(shí)驗室多媒體教學(xué)設備的集中化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化管理和控制,可以快速準確地掌握多媒體設備使用情況,及時(shí)發(fā)現故障和隱患,真正做到動(dòng)態(tài)、智能化地管理和維護,提高管理效率。
2.智能電源控制系統
智能電源控制系統通過(guò)管理平臺可進(jìn)行電源的集中控制與管理。時(shí)序電源開(kāi)啟,避免設備同時(shí)通電造成瞬間的大電流沖擊,監測每一路電源的通斷狀態(tài)、電壓、電流,隨時(shí)隨地掌握設備所處的用電環(huán)境,保證設備安全穩定運行;主輔雙電源模塊,當電源模塊發(fā)生故障時(shí),自動(dòng)切換到備用電源模塊,保證前端設備供電不間斷,保證設備的安全、穩定、可靠運行;電路能耗分析可以全面掌握各個(gè)用電設備的能耗情況,讓電力應用更加節能環(huán)保。
3.實(shí)驗設備中央控制系統
實(shí)驗設備中央控制系統提供通用和專(zhuān)用的接口協(xié)議,與實(shí)驗設備、網(wǎng)絡(luò )交換機、服務(wù)器等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接,接收并存儲其下發(fā)的控制策略,記錄實(shí)驗設備使用信息(開(kāi)啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間、使用人員、所在院系等),存儲本地操作記錄、實(shí)驗數據,并上傳服務(wù)器存儲于個(gè)人空間,構建統一共享的數據系統。
4.實(shí)驗室綜合物聯(lián)網(wǎng)管理系統
實(shí)驗室綜合物聯(lián)網(wǎng)管理系統主要使用傳感技術(shù)、射頻識別技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能技術(shù),涵蓋門(mén)禁系統、消防系統、安全監控、IP對講系統、各類(lèi)傳感器系統等。通過(guò)門(mén)禁系統可實(shí)現開(kāi)放式預約管理,有效地進(jìn)行學(xué)生身份識別和出入口安全管理,并且記錄所有出入人、物的詳細情況。配合各實(shí)驗室視頻采集設備,通過(guò)科學(xué)、高效的管理手段,構建行之有效的實(shí)驗室安全管理監控防范體系,安全層層落實(shí),責任到人,提升實(shí)驗室安全系數。IP對講系統可分通道進(jìn)行廣播對講,同時(shí)可對教室內的聲音進(jìn)行收聽(tīng),了解教室內的聲音情況,配合視頻全方位一體監控??赏ㄟ^(guò)對講設備和實(shí)驗室指導教師進(jìn)行遠程對講,向實(shí)驗室中心尋求實(shí)驗指導和幫助。傳感器對室內的溫濕度、照明、消防系統、漏水、漏油、空調、新風(fēng)機、空氣質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測,一旦實(shí)驗室的環(huán)境條件如溫度、濕度、照明度、空氣凈化度等出現異常,中央處理系統便會(huì )在第一時(shí)間自動(dòng)發(fā)出指令,系統進(jìn)行多重報警,如語(yǔ)音報警、短信報警、E-mail報警,并通過(guò)控制安置在實(shí)驗室中的各種智能開(kāi)關(guān),解決一切的安全隱患問(wèn)題。
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