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暖通空调CAD技术及相关软件的开发

摘要：随着计算机技术的发展及广泛应用，暖通行业中计算机的使用也越来越多。本文叙述了当前国内外暖通行业计算机辅助设计技术的发展概况，指出了国内本技术领域的布局特点及困扰暖通CAD技术向应用性普及的因素。分别以AutoCAD二次开发和独立平台开发两方面为立足点提出了面向实用的软件开发方式及思路。
Abstract: with the development of computer technology and the widespread application, hvac industry in the use of computers will be more and more. This article describes the current domestic and international hvac industry CAD technology, the development situation of domestic this technology pointed out the layout characteristics and troubling hvac CAD technology to application popularize factors. Respectively to AutoCAD secondary development and independent platform development put forward two aspects as foothold oriented to practical software development mode and ideas.
关键词：计算机 CAD 软件开发 暖通行业软件
引言
随着计算机技术的发展及广泛应用，暖通行业中计算机的使用也越来越广泛。计算机的使用不仅可以解决原来人工很难完成的任务，如精确的数值计算，环境参数模拟等，更重要的是它加快了设计者的工作效率，可以使工程师高效率高质量的完成设计工作。
目前计算机在暖通领域的应用主要有CFD（计算流体力学）技术，CAD（计算机辅助设计）技术等。前者主要是一些科研机构做流体仿真的研究，用来模拟建筑环境参数的分布状况。而后者正是广大设计单位日常使用频率最高的实用性技术。本文主要讨论后者的发展概况和国内存在的问题，最后笔者根据自己的CAD实践经历提出一种面向实用的CAD软件开发思路。
CAD技术在设计院中的应用主要体现在两个方面。一方面为计算机辅助计算，这主要是解决在设计中的负荷计算，水力计算，湿空气分析等问题。另一方面为计算机辅助绘图，这主要是代替过去费时、费力的手工绘图。方案阶段可以手工示意，初步设计和施工图及最后的竣工图一般单位都要求计算机出图。
一：发展概况
在我国，计算机应用于暖通领域起步于80年代。当时主要精中在辅助计算上，主要包括冷热负荷计算，水力平衡计算等。主要使用的语言为FORTRAN，BASIC等高级语言。由于计算工作的基础和规律性很强，有固定的计算公式，与计算机特征相吻合，到80年代末暖通的计算程序已基本定型。在以后的发展过程中这些程序只做了进一步的完善和语言上的调整，没有本质变化。本阶段的代表人物为陈在康，武建勋，施鉴诺及他们合著的<<暖通计算机方法>>，该书曾在一些高校被列为暖通专业规定的选修课。
在80年代后期国内出现了美国AutoDesk公司的AutoCAD绘图软件，它以普通的PC为平台，拥有强大的绘图功能和稳定的系统结构。基于以上的特点AutoCAD开始在国内一些机构被学习和使用。AutoCAD的使用可以说是暖通CAD历史上的一次飞跃。至今为止，AutoCAD已成为世界上使用率最高的CAD软件。
国内暖通绘图CAD的应用是随着建筑CAD的发展而发展起来的，80年代末，由于国家有关部门的重视，许多单位开始进行建筑CAD的研制与开发，并且很快形成了一定的规模，在此基础上暖通计算机绘图也迅速崛起，并渐渐和建筑CAD脱离，至90年代初形成了多套相对完整、独立的暖通软件包。这些软件包主要功能包括：建筑条件图的绘制、冷热负荷计算、供暖空调平面图与系统图的绘制和自动生成，在一定程度上满足了设计人员的需要。这时期的软件基本上有两种平台。一是自己独立的软件平台，但是与AutoCAD的数据共享比较困难。而更多的是在AutoCAD基础做出的二次开发。这时期比较著名的软件有国家机械委北方设计研究院开发的暖通CAD系统，北京华远公司开发的HOUSE软件包及铁道部6个设计院联合开发的HVAC-CAD软件包。
随着计算机硬件技术的不断进步，硬件已不再是计算机在暖通领域上应用的障碍。人们研究的重点都精中在了应用于暖通的计算机软件开发上。到了90年代，由于有多种方便又快捷的计算机高级语言的出现，编写面向暖通方面应用的计算程序已相对简单，并且可以方便的制作出友好的人机交互界面。甚至一些普通的编程爱好者就都可以独自完成焓湿图分析，负荷计算，水力计算等软件。这时一些科研机构就把精力转到了CFD这项国外一直比较领先的技术上，开始学习和研究一些国外的流体分析软件。
在进入21世纪的同时，我们经历了整个世界信息化和网络化带来的变革。整个世界的信息交流变的比从前任何时期都方便，这时如何实现数据的共享和快速的得到软件更新的问题又摆在了开发者的面前。国内一些高校又开始了CAD应用集成及网络化的研究。由于国家对建设的投入，工程建设中工作量的日益增加，加快了对绘图速度的要求。国内出现了更多的CAD辅助绘图软件，而在暖通方面，发展完善和应用较多的基本上都是在AutoCAD平台上二次开发的软件。上世纪开发出的软件又进一步得到了完善，而其中一些则是从其它软件中脱影而出，以其高度的集成性和一体化程度在国内的市场上杀出了自己的一片天空。目前国内常用的软件我们看到的有建研院的ABD软件包、北京（洛阳）鸿业公司的ACS软件包、北京天正公司的THvac软件包等。
相比之下，国内的CAD技术要比国外一些发达国家落后，这主要还是体现在自动化程度不高和图纸深度不够两方面。国外的暖通设计工作相对建筑设计比较独立，如在英国和日本专门从事建筑设备设计的设计院很多。这些单位往往只做建筑工程中除土建方面的设计工作，这些工作又分为空调、给排水（日本称卫生）、电气的设计。由于发达国家强调建筑以人为本宗旨，建筑的室内标准要求又偏高，整个建筑在设计过程中的投入就会很大。这就使得暖通设计更加独立和分工，相对的暖通软件也比较独立。这些软件很多都是在施工单位对图纸作进行深化时使用，图面表达非常接近施工。在英国的CAD软件很多，面向建筑设备的有400多种，其中面向暖通空调的有100多种。它们当中多数是辅助完成某种计算的独立软件。而辅助绘图用的也是独立平台的集成软件，它可以先前将建筑的AutoCAD的图纸输入作为条件图，再进行设备图的绘制。其中应用较广的是Hevacomp和Cymap公司的CAD link软件。日本对暖通设计图纸深度要求很高，施工图一般都出到1：50的比例甚至更高。使用的软件也多是独立平台的2.5维的设计软件。当前应用较广的绘图软件有CAD We'll CAPE、CADWA Evolution等。总而言之，以上两个国家在暖通CAD方面，由于有功能强大的软件支持，施工图纸深度和国内图纸都有质的差别。
二：国内存在的问题
虽然国内一些科研机构在很早就开始了计算机辅助设计的研发，但是就目前的市场应用来看，国产软件正在困惑中求生存。国内钻研CAD的多数都面向机械行业，要不就是面向建筑行业的。所以迄今为止，国内还没有一家真正独立平台的暖通CAD软件能够占有一定的市场。暖通行业中几乎都是AutoCAD的天下，从工作效率到出图的质量我国的CAD水平明显和国外存在着一定的差距。即使是二次开发的软件，一些单位往往刚拿到手时的争相学习，然后不过多久，人们就又回到了最原始的AutoCAD。分析其中的原因，应该说是多方面的。笔者根据自己的CAD应用和工程设计实践总结出以下几点，以供参考。
2.1 标准有待普及和完善
标准化是实现暖通空调CAD系统集成化，并提高开发效率的关键问题之一。国际标准化组织（ISO）和国内一些机构已经对CAD的标准化工作做过很多的深入，但是针对暖通行业方面的CAD标准化工作近几年才开始有人探讨，离步入应用阶段还相距甚远。由于标准相对落后，从事设计的相关人员很难做到一些软件的数据共享，造成重复的数据输入工作。由于相关的图纸深度及表达方式没有统一要求，造成一些软件不适合有自主样式的设计单位使用。软件开发者也不知用什么样的数据输出方式和绘图样式才能得到用户的认可。
目前国内也存在暖通CAD软件与设计相关的技术规程接合不紧密的问题，例如没有使用技术规程指定的负荷计算方法，计算书样式等。一些软件的计算结果也没有经过可信度的认证。在制图方面，相关的制图标准也有待完善，如现行GB/T 50114-2001暖通空调制图标准也只是针对当时手绘时期中一些主要的表达方式作了规范。目前还没有一本专门针对计算机制图，且能充分发挥计算机绘图特长的制图标准面世。如GB 50114-2001中对制图时的线宽要求是b、0.25b、0.5b，这很难实现计算机和手绘的通用，特别是对日常打印机绘图很难适用。再如双线风管是否画中心线，各种设备在图面上如何表达，标号如何制定，图层名如何设置都没有明确的说明，这就造成了各单位的图面格式不统一，图层和图元样式相对杂乱的局面。
2.2 体制完善和重视程度不够
国内的暖通设计工程师多数都是在建筑设计院工作，制定标准的单位一般也是建筑的科研单位或主管部门。这就给一些人造成了一个误解，他们总以为暖通只是一个与建筑配套的工种。有的人会说“人家建筑的图纸也没有那么多讲就，就甭说我们暖通了。制定绘图标准也是他们建筑的带头，不用我们暖通掺和了”。实际上这种看法是很不理智的。虽然暖通没有建筑专业的出图量多，但暖通专业必竟在图纸特点和计算机的应用上有比较接近机械的特点，所以我们更应该以自己的专业职责去对待自己的成果。特别是暖通CAD涉及到的参数之间关系众多，相对其它专业，暖通专业更应该注重各系统之间的关系和具体的实现形式。
现实中一些人还认为:“计算书只是一个形式，我有那么多年设计经验了，估的比你算的都准。”还有些人认为: “设计院画的太细了没用，到了现场可能改的面目全非，还要有多年安装经验的人才能施工。”还有人甚至认为: “一个简单的系统，根本不要计算机画图，找个老师傅比划两下都能做的出。年轻人把电脑摆弄的再好，也不如老师傅两句话”。由于专业本身的特点，以上的观点在一定程度上有其合理的一面。但我们更应该看到，随着我们现代化建设的加速发展，仅仅几个老师傅怎能满足大量工程建设工作的需要。从另一方面讲，经验和技术是相辅相成的，如果我们通过优秀的软件在图纸上解决了所有的问题，问题不再会压到施工安装上去了，那时施工单位也就不再去急需寻找老师傅了。所以在现阶段，优秀的CAD绘图软件还是必不可少的，这应该引起更多人对它的重新认识。
在其它一些国家，设计院出图只出到设计阶段，不出施工图。这里的设计阶段不代表国内的扩初设计或初步设计，这一阶段如果和国内的施工图阶段相比，只是没有给出定位和标高，管道的具体连接方法和施工也有一定的距离，可是设备表和系统图都很详尽。他们所谓的施工图一般是指施工单位（国内的安装公司）另外进行深化后的图纸。这里的施工图纸就应该和实际非常接近了，它一般只包括平面图和机房详细图。由于是在设备施工前期出图，建筑和结构和资料也相对比较完善。日本的施工图上都会把梁精确的表示出来，建筑资料中也会有明确的吊顶高度及灯的布置资料。以上这些资料，就使得对施工图纸的绘制有了更确切地把撑。正是有了国外这种体制的存在，很大程度上给绘制精确施工图的软件带来了发展空间，并且软件也能够真正地满足施工统一、拍图完整的要求。我们从国外的一些经验可以看出，对于国内的一些安装公司，如果单凭设计院出的图纸无法完成安装的话，就必须进行再深化。综上所述，这也是我国建筑和设备安装行业的一些体制问题，我们也期待着这种体制更进一步的完善。
2.3 开发导向有误区
软件开发者应该从暖通工程师实际要求出发，并且最好有一定的设计经验再去从事开发工作，就会对开发方向有更大的把握。在笔者接触到过的一些国产软件当中，发现很多软件经常会犯一个通病。那就是往往在操作上追求华丽，以能一瞬间自动完成某些连接，或绘出三维图型而自豪，恕不知某些连接或样式在现场根本无法安装实现。这就造成了软件中看不中用的后果。
开发暖通软件不同于开发建筑软件，建筑软件多数只是图面表达上追求快捷和华丽。而暖通专业中的每个图形元素(我们或将其称作管道及部件)都具有一定的扩展实体参数。如记载管道材质，重量，用途，风量等参数。相连接的部件参数的如何交换、套用、合算都存在着很深的专业性。这要求软件开发者要同设计院、科研单位、施工单位进行广泛和深入的交流。由于这些原因，有时一些以建筑辅助设计软件开发为主的公司的是很困难完成上述要求的。
对于以上存在的问题，就希望开发者在开发前期多作论证，作好方案，提出合理可行的现实手段和预期目标。避免不假思索地去写代码，否则到最后就会得到费了很多力却没有得到别人认可的后果。
三 面向实用的软件开发
对于发展国内的暖通CAD技术，笔者认为应该从两方面入手。一方面小规模的设计单位可以聘用专门的CAD技术人员，制定适合自己的出图样式，根据自己的标准来做二次开发的技术支持。只有这样做，最后的出图质量才能得到根本性的提高。另一方面大规模的设计院和国家有关部门也应投入资源去开发有我国自主知识产权的独立平台CAD软件，特别是对CAD出图的标准和深度应该有更明确的规范。下面笔者就以上述两种CAD类型软件的开发作为立足点，提出面向实用的软件开发思路及开发过程中应注意的事项。
3.1 二次开发和样式制定
二次开发主要是指开发应用于AutoCAD基础上的插件，用户必须先在计算机上安装Autodesk公司的AutoCAD，之后再运行开发出的暖通工具包，最终加强AutoCAD的功能，使AutoCAD适合暖通绘图，以及符合自己公司制定的绘图样式。AutoCAD在R14版本之后就有很强的开放性和扩展性，允许用户方便的进行自定义和二次开发。并且在AutoCAD　Help文档中有详细的参考和教程，便于用户查阅和学习。
目前面向AutoCAD二次开发的主要工具有AutoLISP/VisualLISP、VB/VBA的ActiveX及C/C++的ObjectARX。其中前两种比较适合个人开发和短期开发，后一种适合软件公司的长期开发项目。这里主要推荐前两种语言，部分原因是因为在AutoCAD中集成了两种语言的开发环境，并且有详细的帮助文件。LISP语言是人工智能学科领域中广泛采用的一种程序设计符号语言。这种语言在参数化绘图中有很大的灵活性，并且可以实现一定的人工智能。LISP开发出的程序可以象运行CAD普通命令一样在命令行中直接键入自己定义的命令运行，保持了用户的绘图习惯。Visual Basic (简称VB)是Microsoft公司开发的面向对象的Basic程序设计环境。它沿用了大家熟悉的Basic语言的语法和习惯，又引入了面向对象的程序设计理念和功能强大的调试环境，使编程效率和操作智能化程度有了明显的提高。特别是它引入的ActiveX技术，使的很多其它的应用程序与之有了相应的接口，且通过面向对象的操作，使程序有了更高效、更明确的实现途径，以及更容易完成各种其它应用程序之间的交互。VB本身简单易学，可以很快的制作出对话框和用户界面，是很多编程爱好者的首选。
二次开发的首要步骤是制定暖通绘图环境，就是指在绘图初期对新建图形中的一些参数进行初始化设置，这很像AutoCAD中模板的概念。类似建立一个暖通绘图的模板，当然这里的模板比AutoCAD中模板包含的数据要多。加载绘图环境也不像是在AutoCAD中打开模板，而是通过命令来实现的。加载好的环境有自己的操作界面，同时按要求新建一个空文档，再在其中绘出必要的图形元素。绘图环境可以根据绘图的比例和种类进行分类命名。当用户开始作图时，按作图要求加载既可，如可以建立像“风管平面图1/100”、“配管平面图1/100”、“水系统流程图”一样的绘图环境。
绘图环境中可以按自己的暖通设计特点定义菜单和工具栏的布置，如绘制平面图时出现平面图用工具栏，绘制详细图时出现详细图用工具栏。绘图环境设定好后，即绘出图框、设定好了图层、文字样式、标注样式、打印样式等。同时进行建筑设计的设计单位图框需要和建筑专业保持一致。专门的暖通设计单位可以自己编制，介意使用包含公司标志且占图面整边的标题栏。图层应该根据图面元素的种类进行分类，分层也不易太多，一般按定位轴线、建筑底图、房间名称、机器、风管、水管、标注等分层即可，层名一般按英文简写编制。文字、标注等样式一般按房屋建筑制图统一标准(GB/T 50001-2001)、暖通空调制图标准(GB/T 50114-2001)选取。
二次开发当中最核心的工作之一就是辅助绘图命令的开发。怎样让用户通过软件的应用使绘图更标准化，高效化是衡量软件成败的关键。当然做这些工作的前提是统一公司内部的图面样式，这里包括图面中一些细节因素表示方法的统一。如风管法兰要画几根线，中心线超出边界的长度，隐线处理的方法、常用图例的尺寸等。
辅助绘图命令中的一部分可以称为辅助操作命令，如对图层的快速操作、对象的过滤和编辑等。这些命令有时在Autodesk发布的Express中也有包含，如孤立一个层、显示所有层等。这些辅助操作使绘图过程更佳合理化，高效化。基本的暖通绘图命令应该包括风管绘制、风阀风口插入、水管绘制、管径标注、标号插入等。这其中包含的一些具体连接的处理方式一定要和现场施工保持一致。二次开发的初期一般不把风管，水管生成块，以追求修改的方便。辅助命令中的快速标注，可以方便地标出管道种类、标高、管径等。一些辅助绘图命令以可以是常用符号（即块）的插入等，如水管上下翻标记等图例符号的插入。
二次开发中一个长期的工作是常用图库的建立。常用图库可以按类别进行多级分类，如分为“风口”、“机器”这样的大类，“机器”又包含“风机”、“空调机”、“泵”这样的中类，“风机”中又包含“离心风机”、“轴流风机”这样的小类。这些图库应该对于用户具有一定的开放性，允许用户自己增加、改修图形。这些图形也可以通过厂家得到完全符合实际尺寸的样本来建立。图形单元插入时，图形应以块的形式插入，以追求修改的方便。
3.2 独立平台模型的建立
要实现独立平台的软件，就要求开发出自己的图形引擎。就是要完成从软件方案到实现手段完全自主研发的整体软件包。这样的软件需要有一定规模的软件公司和大型设计院的支持，需要有多人团队的合作，要有软件工程的科学观作指导来完成。为了保持开发出的软件能和AutoCAD等其它软件实现资源共享，介意对图元信息也采用DXF格式编码，再加上自己特定的参数信息构成特定的文件格式进行存档。绘图引擎、操作的界面的开发也可以见解国内的一些优秀的机械设计类软件。
开发暖通软件的主要工作就是要对暖通专业中用到的各种部件进行建模，即这些部件应该包含哪些参数，各参数间怎么样来组织关系，才能保证软件使用时的模块化、智能化绘图。模型的好坏最终决定软件性能的好坏，模型的特点最终决定了软件功能的特点及着手时的开发思路。模型的建立要充分考虑暖通工程设计的特点，要有一定工程经验的暖通工程师作技术指导，且要参考国外现有软件的优秀成果。下面笔者就结合自己国外绘图软件的使用经历，提出一个简单的2.5维模型框架，以供软件开发者参考。
模型的建立首先必须根据用户（暖通工程师）对软件的功能要求制定。图1是软件使用的简明流程。
绘图环境和作图设定的过程在上一节己经做过了一定阐述，但是这里与二次开发中不同的是，我们已经摆脱AutoCAD的功能限制，可以制定完全适合暖通制图的样式。设定中我们也可以包含很多其它细节方面的内容，如法兰片的宽度、不同材质及保温层的表示方法、图例符号表示法、连接的表示方法等。建筑处理是指我们拿到建筑底图后，对建筑图形进行删减、分层等整理工作。这里还有一点更重要的工作，笔者介意在绘制施工图纸时，也应通过结构图将梁也表示在设备平面图里，再标出梁的截面、落低、底标高等数据，这样做就能够更进一步地保持施工图的合理性。
图形元素（简称图元）是图面上的基本单位。图元中包含的信息不仅是我们在图面上直观地看到的那些，如颜色、线型、大小、位置等，还包括大量的隐避的信息，如图元类型、图层、扩展实体参数等，但不同的图元所含的信息也是不相同的。几个图元可以合成一个大的图元，即AutoCAD中的块。开发本类型软件过程中很重要的工作就是开发暖通图元，包括制定图元的表达方式，定义所含参数信息，及开发处理这些参数之间关系的算法。表1是一个简单的图元模型列表，当然这些图元中还包含一些其它参数还未列出。
表1　2.5维暖通CAD图元模型参数简明列表
图元大类
图元类别
图元类型
图元参数
通用图元
基本图元
点、直线、圆等
图元名称等共用参数、起点、半径等
复合图元
矩形、正多边形、多段线等
所包含的基本图元的名称、基准点等
暖通图元
风管
矩形风管、圆形风管
用途、管径、标高、风量、风速、长度、比摩阻、局阻系数、公称压力、重量、壁厚、材质、共用参数、一些基本图元包含的接口信息等
风管附件
三通、变径、各种风阀等
水管
冷媒水管、凝水管、给排水管等
水管附件
法兰、弯头、过滤器、软接头等
风口
散流器、百叶风口、条缝风口等
用途、标高、风量、进出口风速等
机器
风机、泵、风机盘管、空调机等
类型、重量、电源、噪声等
注：1，图元名称实际上一个十六进制数表示的图形实体的地址。
　　2，所有暖通图元都包含五个视图的复合图元参数。
　　3，共用参数是每个图元都包含的参数，包括图元名称、线型、线型比例、颜色、所在层、等信息。
图元分为通用图元和暖通图元。通用图元很像AutoCAD中的图元，它又分为基本图元和复合图元，复合图元由基本图元构成，既可以打散为若干个基本图元，这很像CAD中的块。暖通图元全部是复合图元，但它包含的信息比通用图元中的复合图元要多。因为是2.5维的模型，所以每个图元都同时注册了其它四个视图的信息，但在平面图上显示出的只是一个正投影方向的视图。含有这些参数的暖通图元就可以自动生成剖面图，而通用图元则不能。在实际的绘图工作当中有时会把存在其它四个视图的图元称为“真的”，否则称为“假的”。例如，我们参照着厂家的样本，在图面上用直线、圆等其本图元画出的机器平面图就称为“假的”（即使它己经生成了一个块），因为它不能自动生成其它方向的视图。而当我们画出机器的各个方向的视图后，并在软件当中注册为一个实体的机器图元后，它就成了我们称之为“真的”的机器了。
功能强大的软件必定包含一些智能命令，智能命令可以快速的进行部件的联接和修改、隐线的处理、快速标注等。下面给出了一些智能命令的功能要求和实现思路。
暖通图元的节点连接
用户可以通过选取风管或水管图元末端的基本图元来对管道长度进行再延长，当从一个管道的末端再画同类管道时，程序只是自动地把原管道的长度进行了更改，没有新建图元。用户也可对两根同类型的管道可以进行自动连接，既可以自动插入弯头或变径。这种类型的命令可以通过分析两图元的尺寸和相对位置进行连接。连接的过程又包括管道延长的过程和附件插入的过程。
阀的插入及在直管上的移动
阀在管道上地插入实际上是将原管道分成了两段管道，再在当中插入一个阀，将阀的边缘和管道的末端相连接的过程。阀在管道上地移动命令实际上是的通过阀的选取，探测出与之相连的直管未端，再对直管的长度进行更改的操作。
剖面图的生成
由于每个暖通图元中包含五个视图的参数信息，所以只要有一个基准点，可以相对的生成任意一个视图方向的图形。如果把各个图面文件中的图元名称进行一一对应，那么我们就可以实现几个视图文件中修改图元时的连动。当用户从本视图上不方便对图元进行修改时，就可以从其它视图上完成。
最后再次强调一点，独立平台软件的开发需要有强烈地集体主义精神、团队合作精神、专业配合精神、长期坚持精神；要有踏实的理论知识和长期的工程实践经验做指导。新的软件虽然要吸取国外优秀软件的先进经验，但也要有符合自己国情和国内工业发展现状的特点。笔者认为好的软件是不用在市场推广上多费力的，只要软件在同类软件中有自己优势的一面，就会在市场上有一定的定位。真正优秀和出众的软件最终都会在市场上独领风骚。
四：展望
随着全球知识经济的一体化，及我国与其它国家的技术交流，如果再有我国民族软件产业兴盛的环境，相信优秀的国产暖通CAD软件不久的将来就会面世。到那时，我们就不必不时地去依赖于美国人的AutoCAD。我们国内的暖通行业也会随着设计方法和效率的进步开拓出一片崭新的道路。
五：参考文献
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