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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.26 No.1 pp.8-14
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2020.26.1.008

A Study on the Development of Collision Avoidance System for Small-Sized Vessel Using WAVE Communication Technology

Mong-Ju KIM*, Joo-Seok OH**, Yong-Yun NAM***
*General Manager, Korea Maritime Transportation Safety Authority, Se-Jong 30100, Korea
**Assistant Surveyor, Korea Maritime Transportation Safety Authority, Se-Jong 30100, Korea
***The Head of Technical & Research Institute, Korea Maritime Transportation Safety Authority, Se-Jong 30100, Korea
*

First Author : mongju@komsa.or.kr, 044-330-2450


Corresponding Author : ojs1180@komsa.or.kr, 044-330-2453
December 3, 2019 January 17, 2020 February 25, 2020

Abstract


According to the statistics provided by Korean Maritime Safety Tribunal for the year 2018, the majority of marine accidents in the past four years have occurred in fishing boats and small-sized boats. Negligent behavior resulting from not looking outside and non-compliance with navigation laws are the primary reasons behind ship collisions. Although safety education and training are reinforced to prevent such accidents, they still occur frequently. Hence, technical methods are continuously being developed to reduce ship collisions caused by human cause. The objective of this study is to reduce ship collisions by employing the WAVE communication system, which has short transmitting and receiving periods that can be incorporated for high-speed small-sized vessels. In this study, the suitability of the communication range was examined, and the appropriate range and timing for avoidance motion were accordingly selected, and a control algorithm based on the same was thereby designed. Consequently normal operation of the collision avoidance system was verified by connecting and simulating the proposed WAVE communication router-controller-steering equipment.



WAVE 통신기반 소형 선박 충돌회피 보조시스템 개발

김 몽주*, 오 주석**, 남 용윤***
*한국해양교통안전공단 스마트안전연구실장
**한국해양교통안전공단 검사원
***한국해양교통안전공단 기술연구원장

초록


최근 4년 간 발생한 해양사고 통계자료(중앙해양안전심판원, 2018)에 의하면 충돌사고의 대부분이 어선을 포함한 소형선에서 발생하고 있으며 경계소홀, 항행법규 미준수 등의 인적 요인이 충돌사고의 주요 원인이 되고 있다. 이에 따라 사고 예방을 위해 교육, 훈 련을 확대 강화하고 있지만 소형선에 대한 사고는 여전히 일어나고 있는 실정이며 인적 요인으로 유발되는 사고를 줄이고자 기술적 방안 이 지속적으로 개발되고 있다. 본 연구에서도 상대적으로 고속인 소형선에 송·수신 주기가 빠른 WAVE 통신기술을 적용하여 충돌 회피시 스템 구성하므로 인적 요인으로 인해 발생하는 사고를 감소시키고자 하였다. 그에 따라 통신 범위의 적정성 판단하고 회피동작 시간과 범위를 설정하였으며 그 것을 토대로 제어 알고리즘 고안 하였다. 그리고 통신단말기-제어기-조타장치를 구성하고 충돌회피 모의 시뮬레 이션을 수행하므로 경보신호 발생 시 회피동작의 정상 구현을 확인하였다.



    Korea Maritime Transportation Safety Authority

    1. 서 론

    중앙해양안전심판원(KMST, 2018) 자료에 따르면 최근 4년 간 발생한 총 충돌사고 관련 928건 중 어선이 관련된 충돌사 고가 775건으로 전체 사고의 약 84 %를 차지하였으며, 톤급 별 충돌사고 현황자료를 살펴보면 20 ton 미만의 소형 선박 사고가 전체 충돌사고의 약 41 %를 차지하는 것으로 나타났 다. 소형선박이 충돌사고의 대다수를 차지하는 원인은 대형 선에 비해 상대적으로 적은 수의 승선 인원, 비체계적인 선 내 시스템, 항해 장비 운용 미흡 등 복합적인 요인이 존재하 고 있다. 그러나 그중에서도 운항 중 견시 소홀, 법규 위반 등 인적 요인으로 인한 운항과실이 충돌사고 원인의 90 % 이 상을 차지하고 있다.

    충돌사고를 예방하기 위해서는 COLREGS(국제해상충돌예 방규칙)규칙 준수, 철저한 경계가 요구되지만, 소형어선 및 소형선박의 선원들은 STCW(선원훈련, 자격증명 및 당직근무 에 관한 국제협약)을 기반으로 한 각종 교육·훈련의 대상에 서 제외되고, 승선 인원이 충분치 않아 선원들의 피로도 관 리가 어려워 이로 인한 인적 요인으로 인해 충돌사고가 지 속해서 발생하고 있다. 해양수산부에서는 위와 같은 인적 과 실로 인한 해양사고를 예방하기 위해 어선원에 대한 교육·훈 련 규정 마련을 통해 사고 예방에 힘쓰고 있으나 아직 소형 선박의 충돌사고는 여전히 발생하고 있다. 따라서 이러한 문 제점을 해결하기 위해서는 교육·훈련뿐만 아니라 기술적 수 단을 활용하여 해양사고를 예방하고자 하는 노력이 병행되 어야 할 것이다.

    기술적 수단 개발의 일환으로 선행연구에서는 송수신 주 기가 짧은 차량용 WAVE 무선통신기술을 해상에 적용하여 충돌위험 시 경보 알람을 울리는 시스템을 제안하였다(Lee et al., 2019). 하지만 앞선 연구는 선박 운항자에게 위험 경보 만 제공하는 것이기에 회피 동작을 위해서는 운항자의 개입 이 필수적으로 필요하다.

    그러므로 본 연구에서는 선행연구에서 수행된 충돌 경보 시스템을 확장하여 소형선박에 충돌위험이 발생했을 때 자 동으로 조타하므로 충돌 위험에서 벗어나게 하는 충돌 회피 보조시스템을 개발하고자 하였다.

    다만 이번 연구에서는 Head-on 상태의 충돌 상황만을 고려 하였으며 그 때에 소형선박 두 척만 존재한다는 가정 하에 연구를 진행하였다.

    2. 충돌 회피 보조시스템 개발 방향 설정

    2.1 충돌 회피 보조시스템 기본개념

    선행연구(Lee et al., 2019)에서는 5.8 GHz 대역(5.855 ~ 5.925 GHz) 의 주파수로 최대 약 5해리까지 통신하는 WAVE 통신의 ‘통 신 기술’과 통신 결과를 통해 취합된 정보가 충돌 알고리즘 의 기준을 만족할 경우 충돌 경보를 발생시키는 ‘충돌 위험 판단 기준’을 고안하였다.

    본 연구는 통신기술, 충돌 판단 기준(충돌 알고리즘)에 더 하여 소형선박에 충돌 위험이 발생 하였을 때 선박의 충돌 회피 동작을 구현하여 선박 간 충돌을 예방하고자 ‘조타 제 어 체계’를 추가로 구상하였으며 충돌회피 보조시스템 기본 개념을 이루는 주요 요소는 아래의 Fig. 1과 같다.

    2.1.1 선박 간 통신기술

    차량용 WAVE 통신기술은 5.8 GHz 대역의 주파수로 100 msec (0.1초)의 빠른 송수신 주기와 최대 약 8 km(약 4.3마일)까지 통신이 가능하다는 특징을 가지고 있으며 조종성능이 좋아 빠른 변침이 가능한 소형 선박에 WAVE 통신 단말기가 적용 가능함을 선행연구에서 확인 하였다(Kang et al., 2018;2019).

    2.1.2 충돌위험 판단(알고리즘)

    선행연구(Lee et al., 2019)에서는 선박 간 거리, 속도에 따라 DCPA, TCPA 기준이 정해지고 그 기준에 따라 단계별로 충 돌 경보를 송출하는 알고리즘을 개발하였으며 이를 정교화 하기 위해 다수의 해상 실험을 통해 수정, 보완한 최종 알고 리즘을 제시하였다.

    2.1.3 조타 제어 체계

    본 연구에서는 WAVE 통신 단말기를 통해 발생한 경보 신 호를 중간 제어기를 거쳐 조타장치의 회피 동작으로 구현하 기 위해 WAVE 통신 단말기-제어기-조타장치에 이르는 인터 페이스를 구축하여 충돌위험 발생 시 변침 동작이 가능하도 록 조타 제어 체계를 구성하였다.

    구체적으로 WAVE 통신 단말기가 타선의 위치정보, 속도, 방위 등의 정보를 수신하고 동시에 DCPA, TCPA 산식에 따 라 연산하여 초당 10개씩 상기 정보 및 연산된 경보 신호를 제어기로 송출한다. 그리고 정보를 수신한 제어기는 경보 신 호가 제어 알고리즘에서 정해진 기준을 상회할 경우 조타장 치에 조타 신호를 송출하여 조타장치를 제어하는 시스템을 구성하였으며 구성된 내용은 아래 Fig. 2와 같다.

    2.2 충돌 알고리즘 적용 검토 및 제어 알고리즘 고안

    2.2.1 충돌 알고리즘 적용 검토

    선행연구를 통해 도출된 알고리즘(Fig. 3) 모델을 본 연구에 적용하고자 세부내용을 검토하였으며, 단계별 알람(Pre-alarm, 3단계 Alarm, 4단계 Alarm) 중 어느 알람에 충돌 회피 동작을 적용하는 것이 적절할지 검토하고자 하였다.

    우선, 선행연구(Lee et al., 2019)에서는 DCPA(Distance to Closest Point of Approach), TCPA(Time to Closest Point of Approach)를 토대로 한 기준을 만족할 경우, 선박 간 거리에 따라 3 mile 이내에서 0단계, 2mile 이내에서 1단계, 0.5 ~ 1 mile에서 3단계, 0.5 mile 이내에서 4단계 경보를 송출하는 알고리즘을 개발하 였다. 그리고 피항 가능 최소거리가 100 m ~ 900 m라는 것을 근해 25 ton 미만 어선 운항자에 대한 설문조사를 통해 도출 하였고 그 평균값인 307 m를 피항을 위한 최소거리로 제시하 였다. 본 연구에서는 선회 반경이 작고 조종성능이 뛰어난 소형 선박은 4단계 신호가 발생하는 0.5 mile(약 900 m)에서 피항 동작을 취하여도 늦지 않을 것으로 판단하였고 이것을 기반으로 4단계 경보 시 조타 동작을 취하도록 제어 알고리 즘을 제작하였다.

    2.2.2 제어 알고리즘 고안

    ① 변침 동작 시간 설정

    통신 단말기에 수신되는 타선의 정보 및 경보 신호는 100 msec 주기로 제어기에 전달되며, 앞서 서술한 것처럼 4 단계 경보 신호가 제어기로 수신될 경우 조타 장치에 제어 신호를 보내는 것으로 기본 개념을 설정하였다.

    또한 수신 정보의 신뢰성을 확보하기 위해 4단계 경보 신 호가 발생하는 즉시 회피 동작을 취하지 않고 1초당 10개라 는 빠른 송수신 주기를 고려하여 4단계 경보를 5초간(신호 50개) 수신한 이후에 변침동작을 취하도록 구성하였다.

    ② 변침 동작 설정

    서론에서 기술한 것과 같이 충돌 상황은 타선, 자선 두 선 박만 존재하는 Head-on 상태로 가정하였기에 Head-on 상황에 맞는 충돌 회피 동작을 설정하고자 하였으며 대형선과 달리 소형 선박에 대한 항로 변경 기준은 마련되어 있지 않으므 로 대형선에 적용되는 규칙을 차용하되 소형선의 특성에 맞 도록 적용해보고자 하였다. 우선 ‘COLREGS Pt. B, Rule 14, (a)’에서 Head-on 상태일 경우 피항 조건을 우현 조타로 규정 하고 있으며 ‘Pt. B, Rule 8, (b)’에서는 침로를 변경할 때 타선 이 쉽게 식별할 수 있도록 크게 선회하라 규정하고 있다. 위 규정을 준수하였을 때 상황에 따라 다르겠지만 타선에 대한 자선 시인성을 위하여 큰 선회 반경을 유지해야 하기에 소 타각으로 큰 선회 반경을 그리며 우현으로 피항하는 것이 적합할 것으로 사료된다.

    이와 더불어 IMO의 표준조타명령(Standard Wheel Orders)에 서는 0° ~ 35°까지 5° 간격으로 타각 사용을 권고하고 있으며, 실무 조선자는 소타각 10°, 중타각 20°, 전타각 35°를 회피 동 작에 주로 사용하고 있다.

    상기 두 가지를 종합하여 소형선에 적정한 타각을 설정하 자면 먼저 소형선은 대형선에 비해 상대적으로 빠른 속도와 좋지 않은 복원성을 가지고 있으므로 회피를 위해 전타각을 사용할 경우 전복의 위험성이 커질 것이다. 뿐만 아니라 큰 선회 반경의 회피를 위해 소타각으로 변침 할 경우에는 타선 에 대한 자선의 시인성이 상대적으로 떨어질 뿐만 아니라 타 선과 근접할 가능성이 높아지기 때문에 조타각을 전타각의 대략 절반인 중타각 약 20°로 설정하였다. 위 개념을 통해 제작 된 제어 알고리즘은 아래의 Fig. 4와 같으며 참고로 100 msec 는 0.1초를 뜻한다.

    3. 충돌 회피 보조시스템 개발

    상기에 기술된 개념을 충돌 회피 보조시스템에 적용하고 회피 동작을 실질적으로 구현하고자 충돌 회피 보조시스템 의 구성품인 조타장치, 제어기, 통신 단말기를 의뢰/제작하였 으며, 제작된 장비에 대한 기능과 실물은 Fig. 5 ~ 10과 같다.

    3.1 각 장비의 기능

    3.1.1 WAVE 통신 단말기

    통신 단말기는 위치, 속도 등 타선 정보 수신하고 수신된 정보를 바탕으로 충돌 경보 알고리즘을 통해 충돌 위험을 산출하고 산출된 경보를 제어기로 송출한다(Fig. 5 ~ 6).

    3.1.2 제어기

    조타 동작의 구현을 위해 제어기를 아래의 Fig. 7 ~ 8과 같 이 제작하였으며, Fig. 7에 나타나 있는 ‘COMM’은 통신단말 기와의 연결부이고 ‘SOLVALVE’는 조타장치와의 연결부이 다. 그리고 각각의 인터페이스를 통하여 통신 단말기의 정보 수신하고 제어 알고리즘의 일정 기준에 부합할 경우 조타기 에 제어를 위한 신호를 송출한다.

    3.1.3 조타 장치

    조타장치는 제어 신호에 따라 솔레노이드 밸브, 실린더 및 방향타를 제어하며 실선 적용 전 모의 시뮬레이션을 통해 제어 동작 확인을 위해 제작되었다(Fig. 9 ~ 10).

    4. 소형선박 충돌 회피 시뮬레이션 수행

    4.1 시뮬레이션 TEST 수행

    4.1.1 시뮬레이션 방법 설정

    가상 시뮬레이션에 사용할 GPS 값, 속도 등 두 물체에 대 한 정보를 추출하기 위해 두 대의 차량에 단말기를 탑재하 고 시뮬레이션을 위한 데이터를 추출하였다. 더불어 본 시뮬 레이션에서는 10ton 미만의 소형어선을 기준으로 하여 두 선 박의 길이를 9.77 ton 어선의 대략적인 크기인 20 m로 설정하 였고 충돌 상황은 해상 중 자선, 타선만 존재하고 4 km(약 2.15 mile)의 거리를 두고 자선과 타선이 정면으로 마주 보고 가 까워지는 Head-on 상태를 가정하여 가상 시뮬레이션을 4회에 걸쳐 수행하였다. 그리고 WAVE 통신 단말기의 100 msec라는 빠른 송수신 속도로 인하여 4단계 경보 발생 중 0단계 신호 가 혼합되어 발생하는 것을 확인하였고 신호 혼합으로 인해 적절 하지 못한 때에서의 조타 동작을 방지하여 충돌 회피 동작의 정확도를 높이고자 조타장치를 동작하는 시점을 4단 계 경보가 50회 이상(단말기의 신호가 1초당 10개의 신호가 제어기로 전송된다.) 발생할 때를 기준으로 하였다.

    이렇게 설정한 방법에 대한 타당성 평가와 장비 간의 연결 성 및 정상 작동 확인을 위해 모의 시뮬레이션을 수행하였 으며 아래의 Fig. 11은 가상 시뮬레이션 수행을 위한 장비 간 연결 사항이며 Fig. 12는 가상 시뮬레이션 화면이다. 또한 Table 1은 본 모의 시뮬레이션에서 두 선박이 20 m로 가정되 었을 때의 단계별 경보 기준이며, Table 2는 이 경보 기준에 서 4단계 경보가 제어기로 50회 이상 송신될 경우 조타 장치 의 작동 타각에 관한 기준이다.

    4.2 시뮬레이션 결과 및 분석

    4.2.1 시뮬레이션 결과

    4차에 걸친 모의 시뮬레이션에서 1차 시험과 2 ~ 4차 시험은 유사한 결과를 나타내었으며 그에 따라 2 ~ 4차 모의 시뮬레 이션의 내용 및 결과는 1차 시뮬레이션 수행 내용으로 대체 하려 한다.

    아래의 Table 3의 1행은 자선과 타선과의 항적과 4단계 경 보 발생, 4단계 경보 50회 발생 순간의 위치, DCPA, TCPA, 각 순간에서의 선박 간 거리를 그래프로 나타낸 것이며, 2행 과 3행은 각각 조타 동작이 시작된 시점과 종료된 시점에서 의 동작 상태 및 그 순간에서의 시간을 나타낸다. 마지막으 로 4행은 종료된 시점에서의 타각이다.

    먼저 1 ~ 4차에 걸친 모의 시뮬레이션에서 1 ~ 4차 시험 모두 두 선박 간의 거리가 약 0.5 mile(900 m) 안으로 들어온 이후에 4단계 경보가 발생하였다. 그리고 조타 동작의 기준으로 잡 은 4단계 경보 신호가 50회 이상 발생한 시점은 4단계 경보 가 시작된 후 5.5초가 지난 이후에 발생하였으며 그때의 선박 간 거리는 약 789 m이었다. 또한 50회 이상 신호가 제어기로 전송된 직후에 제어기를 통해 제어 신호가 송출되어 약 1초 간 조타장치가 우현으로 작동하였으며 그때 동작한 타각은 약 22 ~ 23°이었다.

    4.2.2 시뮬레이션 결과 분석

    ① 회피 동작 시간 분석

    모의 시뮬레이션에서 자선 약 30 kts, 타선 약 10 kts의 속도 로 이동하였고 4단계 경보 발령 후 방향타가 작동하기까지 5.5초의 시간이 소요되었다. 데이터를 추출하여 분석한 결과 4단계 경보 중간에 0단계 경보가 5회 혼합되었기에 5.5초 후에 4단계 경보가 50회 송신되었으며 이는 앞서 기술한 것과 같 이 빠른 송수신 주기로 인해 오경보가 발생한 것으로 사료된 다. 그리고 4단계 경보가 시작된 선박 간 거리 약 900 m에서 4 단계 경보가 50회 발생한 5.5초 동안 자선 약 89 m, 타선 약 26 m를 이동하여 두 선박의 간격이 약 115 m 좁아진 789 m에 서 회피 동작이 이루어졌다. 2.2.1에서 언급한 것과 같이 이 거리는 소형선의 최소 회피 거리인 307 m를 만족하며 선행연 구(Lee et al., 2019)에서 제시한 최소 8 kts에서 최대 30 kts 중 평균적인 항해 속도인 14 kts로 적용하면 5.5초 동안 자선, 타 선 각각 40 m씩 이동하여 두 선박의 사이 거리가 820 m에서 회피 동작이 이루어질 것이라는 것을 도출해낼 수 있다. 이 와 더불어, 위에서 기술한 운항 최대 속도 30 kts로 가정한다 고 하더라도 자선, 타선이 각각 약 85 m 이동한 두 선박 간의 거리 730 m에서 회피 동작이 일어날 것으로 생각할 수 있을 것이며 조종성능이 뛰어난 소형선박에 있어서 위의 거리는 피항 동작을 취하기에 충분한 거리인 것으로 분석할 수 있 다.

    ② 회피 동작 분석

    대형선과 다르게 소형 선박은 조타를 하는 즉시 선수방위 도 즉각 반응하는 특징을 가지고 있다. 그렇기에 변침동작이 발생하였던 820 m에서 통상적인 운항 속도 14 kts인 상태로 변침을 한다면 즉각적인 반응을 통해 충돌위험에서 빠르게 벗어날 수 있을 것이며 그와 동시에 중타각 20°로 피항 동작 을 취한다면 안전한 피항을 위한 큰 선회반경은 유지하되 긴급 전타로 인한 전복 위험성은 최소화하여 안전하게 선박 을 피항시키는데 도움이 될 것으로 생각된다.

    5. 결 론

    견시 부주의 등 인적 요인으로 인한 충돌사고는 주로 소형 선박에서 발생하고 있으며 충돌사고를 방지하기 위해 지속 적으로 기술적인 부분을 모색하고 개발한다면 인적 과실, 돌 발 상황으로 인해 야기되는 충돌 사고를 줄여나갈 수 있을 것이다. 본 연구도 WAVE 통신기술 기반 충돌회피 보조 시 스템이라는 기술적인 접근을 통해 충돌 사고를 예방하는데 일조하고자 하였다.

    본 연구에서는 WAVE 무선통신기술을 활용하여 제어기에 4단계 경보 신호가 전송될 경우, 조타 장치를 제어하여 피항 동작을 취한다는 개념을 구상하였으며 이에 따라 제어기, 제 어 알고리즘을 제작하였다. 그리고 완성된 장비의 정상 작동 및 충돌회피에 대한 적정성 검증을 위해 모의 시뮬레이션을 수행하였고 4단계 경보 신호가 기준 이상(50회 이상) 수신될 때 조타장치가 약 20°로 정상 작동하는 것을 확인하였으며 조종성이 좋은 소형 선박임을 고려하였을 때 충돌회피 동작 시간과 동작의 범위는 선박을 충돌위험에서 벗어나게 하는 데 도움이 될 것으로 생각된다. 하지만 이와 동시에 본 연구 는 두 선박이 조우하는 Head-on 상태, 우현 조타 20°만을 고 려한 것과 운항자 판단과의 차이로 인한 동작의 우선순위에 대한 고려가 포함되어 있지 않다는 한계도 가지고 있다.

    추후에 회피 동작의 개선을 위하여 제어 알고리즘과 동작 을 보완하고 실선 테스트를 통해 고도화한다면 소형선박 충 돌사고를 예방하는데 도움이 될 것으로 사료된다.

    후 기

    본 논문은 한국해양교통안전공단의 ‘통신기반 소형선박 충돌회피 보조시스템 개발’의 연구비 지원을 받아 연구의 일 환으로 수행되었습니다.

    Figure

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    Basic concept of collision avoidance system.

    KOSOMES-26-1-8_F2.gif

    Basic concept of Collision avoidance System.

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    Collision Alert Algorithm.

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    Control Algorithm.

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    WAVE Communication Router.

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    WAVE Antenna.

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    Composition of PCB.

    KOSOMES-26-1-8_F8.gif

    PCB for Controller.

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    Solenoid Valve & Pump.

    KOSOMES-26-1-8_F10.gif

    Cylinder & Tiller (Steering Gear).

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    Connection of Terminal-Controller-Steering Gear.

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    Graphic of Simulation.

    Table

    Criteria of Collision Alert

    Criteria of Control

    Simulation Result of First Round

    Reference

    1. Kang, W. S., S. B. Jeon, and Y. D. Kim(2018), A Study on Marine Application of Wireless Access in Vehicular Environment (WAVE) Communication Technology, The Journal of Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 24, No. 4, pp. 447-450.
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