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个性化联邦学习的相关方法与展望

计算机工程与应用 2024年

作者：孙艳华王子航刘畅杨睿哲李萌王朱伟北京工业大学信息学部北京工业大学先进信息网络北京实验室

目前，随着人工智能研究的进步，人工智能被大规模采用，数据监管等领域的需求也促使人们对隐私保护的认识和关注越来越多．这促进了联邦学习（Federated Learning，FL）框架的流行．但现有的FL难以应对异构问题以及用户的个性化需求．... 详细信息

目前，随着人工智能研究的进步，人工智能被大规模采用，数据监管等领域的需求也促使人们对隐私保护的认识和关注越来越多．这促进了联邦学习（Federated Learning，FL）框架的流行．但现有的FL难以应对异构问题以及用户的个性化需求．为了应对上述问题，研究了个性化联邦学习（Personalized Federated Learning，PFL）的相关方法并提出了展望．首先，列举了FL的框架并指出了FL的不足，在FL场景的基础上，引出PFL的研究动机；随后，对PFL中的统计异构、模型异构、通信异构、设备异构进行分析并提出可行性方案；然后，将PFL中的客户端选择、知识蒸馏等个性化算法分类并分析各自的创新与不足；最后，对PFL的未来研究方向进行了展望。

关键词：联邦学习个性化异构问题隐私保护

工业物联网中基于信息熵的联邦增量学习算法与优化

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电子与信息学报 2024年

作者：杨睿哲谢欣儒滕颖蕾李萌孙艳华张大君北京工业大学信息学部北京工业大学先进信息网络北京实验室北京邮电大学电子工程学院卡尔顿大学

面对工业生产过程中大规模、多样且随时间增长的数据和机器学习任务，该文提出一种基于信息熵的联邦增量学习(FIL)与优化方法。基于联邦框架，各本地计算节点可利用本地数据进行模型训练，并计算信息平均熵上传至服务器，以此辅助识别... 详细信息

面对工业生产过程中大规模、多样且随时间增长的数据和机器学习任务，该文提出一种基于信息熵的联邦增量学习(FIL)与优化方法。基于联邦框架，各本地计算节点可利用本地数据进行模型训练，并计算信息平均熵上传至服务器，以此辅助识别类增任务；全局服务器则根据本地反馈的平均熵选择参与当前轮次训练的本地节点，并判决任务是否产生增量后，进行全局模型下发与聚合更新。提出方法结合平均熵和阈值进行不同情况下的节点选择，实现低平均熵下的模型稳定学习和高平均熵下的模型增量式扩展。在此基础上，采用凸优化，在资源有限的情况下自适应地调整聚合频率和资源分配，最终实现模型的有效收敛。仿真结果表明，在不同的情景下，该文所提方法都可以加速模型收敛并提升训练精度。

关键词：工业物联网联邦增量学习信息平均熵

自适应膨胀和结构嵌入的非对称哈希遥感图像检索算法

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地球信息科学学报 2024年第8期 1926-1940页

作者：李强强李小军李轶鲲杨树文杨睿哲兰州交通大学测绘与地理信息学院地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心甘肃省测绘科学与技术重点实验室

随着遥感平台日新月异，遥感图像数量也呈指数级地增长，如何从遥感大数据中筛选出所需遥感图像，已成为遥感应用亟待解决核心问题之一。目前利用深度卷积神经网络获取图像深度特征被认为是图像检索中最为有效的方法。然而，由于其特征... 详细信息

随着遥感平台日新月异，遥感图像数量也呈指数级地增长，如何从遥感大数据中筛选出所需遥感图像，已成为遥感应用亟待解决核心问题之一。目前利用深度卷积神经网络获取图像深度特征被认为是图像检索中最为有效的方法。然而，由于其特征维度过高从而导致相似性度量困难，降低了检索的速度和精度。为此，本文提出了一种结合自适应膨胀卷积和结构嵌入网络的非对称哈希遥感图像检索方法。该方法首先设计了自适应膨胀卷积模块，该模块能够在不增加额外模型参数同时自适应地捕捉遥感图像的多尺度特征；其次，针对遥感图像中的结构信息提取不足问题，对已有的结构嵌入模块进行了优化改进，改进后模块能够有效提取遥感图像中的几何结构特征；最后针对类内差异性和类间相似性导致的检索效率低下问题，引入了成对相似性约束，使原始特征空间中遥感图像之间的相似性能在哈希空间中得到保留。通过在4个不同数据集上的对比实验，验证了本文方法优于现有的深度哈希图像检索方法。同时，通过消融实验验证了所提模型中各模块的有效性。

关键词：遥感图像检索残差网络深度哈希非对称哈希自适应膨胀结构编码多尺度特征

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边疆安全治理现代化与周边安全共同体建设

白膜覆盖下增效氮肥对春玉米土壤质量、微生物代谢和生态功能多样性的影响

民族问题研究 2024年第3期

作者：方盛举杨睿哲

边疆安全是国家安全的重要构成部分，同时，边疆安全是国家安全的主要短板。推进国家安全体系和能力现代化，必须重点推进边疆安全体系和能力现代化。中国边疆地区与周边国家存在天然的地缘关系，边疆安全治理离不开与周边国家的联动协... 详细信息

边疆安全是国家安全的重要构成部分，同时，边疆安全是国家安全的主要短板。推进国家安全体系和能力现代化，必须重点推进边疆安全体系和能力现代化。中国边疆地区与周边国家存在天然的地缘关系，边疆安全治理离不开与周边国家的联动协同与互助合作。构建周边安全共同体旨在增强与周边国家之间的安全互信和利益共享，营造一个安全稳定、开放包容、互利共赢的周边环境。在推进边疆安全治理现代化的过程中，要主动经略和塑造周边国家的安全环境，把构建周边安全共同体作为这一进程的重要目标，以双边或多边安全预警预防机制、安全处置机制、安全能力建设机制等的耦合形成抓手，全面提升跨国跨境安全治理效能。

关键词：边疆安全治理周边安全共同体耦合机制 Frontier Security Governance Neighborhood Security Community Coupling Mechanism

来源：人大复印报刊资料评论

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环境科学 2024年

作者：杨睿哲杨泽徐灵颖张璟玥王菊张绪成王红丽李廷亮王朝辉李紫燕山西农业大学资源与环境学院南京大学地理与海洋学院甘肃省农业科学院旱地农业研究所中国科学院南京土壤研究所江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站西北农林科技大学草业与草原学院西北农林科技大学资源环境学院农业部西北植物营养与农业环境重点实验室

过量施用氮肥是威胁土壤健康和降低多种功能的主要驱动力.增效氮肥（EENFs）[例如脲酶抑制剂（NBPT）、硝化抑制剂（DCD）和树脂包膜尿素（RCN）]已被证明是减少氮肥施用的有效措施.然而，增效氮肥对土壤质量（SQI）、微生物代谢特征和... 详细信息

过量施用氮肥是威胁土壤健康和降低多种功能的主要驱动力.增效氮肥（EENFs）[例如脲酶抑制剂（NBPT）、硝化抑制剂（DCD）和树脂包膜尿素（RCN）]已被证明是减少氮肥施用的有效措施.然而，增效氮肥对土壤质量（SQI）、微生物代谢特征和土壤生态功能多样性（EMF）的影响以及其内在关系还不清楚.因此，基于宁夏回族自治区固原市彭阳试验站于2019年开始的田间定位试验，研究了白膜覆盖下不同施肥策略[不施氮肥（N0）、矿物氮肥（N200）、DCD、NBPT和RCN]对SQI，酶化学计量比特征和EMF的影响.结果表明：①相比N0，N200和EENFs增加了TN、MBC和MBN含量；相比N0和N200，NBPT的SQI提高了43.28%～83.42%，DCD的SQI提高了43.28%～83.42%和59.97%～104.78%，而RCN的SQI无显著变化.②EENFs比N200能更好地缓解微生物碳和氮限制，并提高土壤生态功能多样性21.97%～51.53%.③土壤中的MBC、MBN、AN、AP和SWC是影响微生物碳限制，氮限制和土壤生态功能多样性的共同主要因素，且提高土壤质量和缓解微生物碳和氮限制有利于提高土壤生态功能多样性.综合来看，白膜覆盖下施用NBPT和DCD可短期内实现土壤健康和生态功能多样性的双赢，这可为当地优化施肥管理措施提供参考.

关键词：覆膜增效氮肥土壤质量微生物代谢特征土壤生态功能

基于激光雷达和RGB相机的苹果树表型信息测量方法研究

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基于激光雷达和RGB相机的苹果树表型信息测量方法研究

作者：杨睿哲西北农林科技大学

学位级别：硕士

苹果树栽种前三年无法结出果实,果农无法通过果实判断苹果树长势。此时苹果树表型信息提供了作物质量和生长数据的直观描述,且相比于生化信息更易于观测,是便于生产应用的外在特征。智慧农业的适当管理,包括水、肥、药的有效控制和精确... 详细信息

苹果树栽种前三年无法结出果实,果农无法通过果实判断苹果树长势。此时苹果树表型信息提供了作物质量和生长数据的直观描述,且相比于生化信息更易于观测,是便于生产应用的外在特征。智慧农业的适当管理,包括水、肥、药的有效控制和精确应用,都可以由快速、高效、准确地收集大规模作物表型信息提供支持。但是获取可以衡量优质果树的表型信息主要包括树高、冠幅长宽等的方法仍主要靠人工取样获取,费时、费力、不准确且效率低,限制了智能农业的发展。针对于此,当今市场推行了大型自动化表型获取平台,但是成本极高,且平台普遍依赖地面通过性,难以推广为高通量获取表型参数的普遍手段。为解决获取高通量表型参数困难,效率低下等问题,本文以苹果树为研究对象,基于无人机平台融合激光雷达与RGB相机信息生成彩色点云并分割果树完成树高及冠幅长宽获取任务。以下为本文主要研究内容与结论:(1)搭建无人机遥感系统及激光雷达和相机联合标定。根据研究获取表型参数的需求,选取了无人机机架、激光雷达、RGB相机、机载计算机等硬件,并搭建了机载载重平台可以使无人机搭载选定的设备完成飞行需求。同时进行了相机自标定并得到了不同分辨率下的相机内参矩阵,并基于光束法平差原理求解出激光雷达和相机的外参矩阵,并设计了点云投影误差和像素坐标到空间坐标的转换误差两种指标对内外参矩阵的精度进行评价。根据误差结果,选择分辨率为2576×2048 pixel的RGB图像进行点云着色,选取6个不同场景展示了着色效果。结果表明,该分辨率下所求内外参矩阵的u、v点云投影误差分别为1.72像素和1.50像素,深度方向的坐标转换误差为0.06 mm,满足雷达和相机的联合标定要求。(2)彩色点云数据集生成与构建方法研究。为了能在果园环境下生成更高质量的点云,首先分别搭建了SIFT(特征提取)+SFM(运动恢复结构)以及Rlive网络并应用这些网络生成了相同目标物的彩色点云,并基于相同目标物的尺寸对生成点云的精度进行比较。结果表明,SIFT+SFM方法获得了0.8577的相关系数,Rlive获得了0.9839的相关系数。且对于目标纸箱Rlive比SIFT多生成17,311个点云,点云密度更高,是生成彩色点云的更优选择。然后根据研究需求,生成基于R3live算法的苹果园彩色点云,并基于后续选择的分割网络及果园实际情况确定了制作及扩增数据集的方法,按照Rand LA-Net网络要求转换标记文件格式,以训练深度学习网络。(3)果园彩色点云语义分割研究。针对Rand LA-Net在低矮树木分割上表现一般的情况下,基于果树与支撑系统的形态特征区别,本研究提出了针对果园环境下生成的彩色点云分割单列树行及移除支撑系统的算法。基于点云投影确定了树行的自动分割点,并根据目标上下部分点云数量的区别将支撑系统移除的点云预处理算法。然后训练出Rand LA-Net网络的目标分割模型。本章分别在使用提出的点云预处理的算法和不使用预处理算法的点云被Rand LA-Net分割相同的点云测试集,结果表明,使用预处理算法时获得分割精度为0.971,召回率为0.984,Io U为0.817,证明本文提出的预处理算法可以有效地提升点云语义分割在果园的分割效果。(4)果树表型信息获取与验证试验。完成了ITE-net网络的实例分割网络训练,并基于Open3D库里的函数获取单棵苹果树的最小外包矩形框,并根据矩形框尺寸获取单棵苹果树的表型参数。为了验证方法的有效性,使用本文算法获取所得的100棵苹果树的表型参数与人工获取得到的表型参数进行对比,线性相关决定系数R值为0.9366、0.9449和0.9134,具有良好的相关性。

关键词：表型参数无人机语义分割多传感器融合

有机半导体复合光催化剂的构筑及其降解酚类污染物研究

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有机半导体复合光催化剂的构筑及其降解酚类污染物研究

作者：杨睿哲江苏大学

学位级别：硕士

光催化技术已被开发用于裂解水制备H和O、还原CO制备高附加值产物、降解污染物和灭活细菌等方面,被认为是解决当前生态破坏和严重能源危机的理想技术。特别地,在环境修复领域,光催化降解污染物因其环保、成本低、降解彻底而受到广泛关... 详细信息

光催化技术已被开发用于裂解水制备H和O、还原CO制备高附加值产物、降解污染物和灭活细菌等方面,被认为是解决当前生态破坏和严重能源危机的理想技术。特别地,在环境修复领域,光催化降解污染物因其环保、成本低、降解彻底而受到广泛关注。近年来,废水中酚类有机污染物和高毒性阳离子染料因其对人体健康和水生态系统造成的危害性,已逐渐引起公众的重视。因此,寻找高效率、低成本、环境友好和宽光谱响应的光催化剂,并针对废水进行深度矿化迫在眉睫。然而,传统的无机半导体材料存在很多缺点,例如环境毒性大、效率低、成本高及结构可控性差等,阻碍其在有机污染物降解领域的进一步应用。随着研究的不断深入,科研人员发现有机半导体材料具有结构修饰多样、无毒和元素资源丰富等优点,在光催化降解领域逐渐展露出巨大的潜力。然而,单一的有机半导体材料通常显现出较差的降解活性,难以满足工业化需求,因此急需寻找合理的策略对有机半导体光催化剂进行改性。本课题选择介孔石墨相氮化碳(mpg-CN)和苝二酰亚胺(PDI)作为主体光催化剂,并采用形貌调控和分子设计的方式进行改性。此外,成功构筑双活性位点助催化剂与主体光催化剂复合,以改善光生电子的传输效率,致力于实现水体微酚类污染物的深度矿化。本论文的主要研究内容如下:(1)采用冷冻干燥、氨气还原等方法制备N活性物种配位Fe-Co双活性位点助剂。并以三聚氰胺为前驱体,致密的泡沫Ni网为基底,一步高温热缩聚法合成超薄介孔氮化碳。将上述两种材料通过静电吸附方式紧密结合,成功构筑(Fe,Co)-NG/mpg-CN复合材料。Raman光谱和XRD结果共同证实商业级GO成功被还原为NG。HAADF-STEM联合mapping表征结果表明NG表面成功负载大量高度分散的Fe原子和Co原子。与单体mpg-CN相比,复合材料(Fe,Co)-NG/mpg-CN在可见光条件下展现出出色的降解双酚A性能。此外,在使用三乙醇胺为空穴牺牲剂的环境下,(Fe,Co)-NG/mpg-CN复合催化材料表现出最优异的析氢活性,高达1957.8μmol g,远远高于单活性位点样品Fe-NG/mpg-CN和Co-NG/mpg-CN。出色的活性源于双活性位点间的协同作用,以此促进更高效的电荷转移,光电流响应图、电化学阻抗图和光致发光光谱的分析共同证实双活性位点催化剂具备更低的光生载流子重组率。(2)采用分子结构设计,在商业级PDI的酰胺位引入戊烷取代基,使其具备空间立体构型,从而有效改善电子在PDI分子间的传输效率。随后,选用不同极性的有机溶剂溶解改性后的PDI,并通过盐酸诱导促使溶解的PDI重新析出,经冷冻干燥后成功制备一系列的超分子自组装PDI光催化剂。DRS光谱结果表明,PDI(acetone)光催化剂与单体PDI相比具有更宽的光谱响应范围。此外,N吸附-脱附实验结果显示PDI(acetone)材料具有更大的比表面积。因此,在光降解BPA实验中,PDI(acetone)样品表现出出色的降解能力,其降解速率与单体PDI相比提升6.4倍。最后,结合ESR图谱和自由基捕获实验协同证实光催化过程中半导体催化剂产生的·OH、·O和h均在降解BPA中起关键作用。(3)在前两章工作基础上,为进一步强化PDI光催化降解BPA的能力。本章以丙酮为溶剂,通过盐酸诱导,使溶解的PDI在单原子基石墨烯材料表面重新析出发生原位静电自组装,成功制备FeCo-NG/PDI复合光催化材料。由于石墨烯特有的褶皱大表面,使得PDI得到有效分散,同时石墨烯的高导电性使光生电子能快速转移至Fe-Co双活性位点表面参与BPA降解反应。TEM和XRD谱图结果表明PDI在FeCo-NG表面均匀分散,并且两者之间紧密结合。20%FeCo-NG/PDI展现出最优的光催化降解性能,经3 h光照能降解接近99%的BPA,其降解速率约为单独自组装PDI的8.2倍。此外,采用LC-MS观测BPA降解过程中存在的中间产物,并合理提出可能的反应路径和降解机理。最后,ESR结果表明在本体系中h、·OH、·O和O四种活性物种均在降解BPA中起到不同程度的作用。

关键词：有机半导体光催化剂可见光响应助催化剂光催化降解

西北半干旱区黑膜覆盖下增效氮肥对春玉米土壤肥力和生态功能多样性的影响

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西北半干旱区黑膜覆盖下增效氮肥对春玉米土壤肥力和生态功能多样...

作者：杨睿哲西北农林科技大学

学位级别：硕士

健康的土壤是保证农作物生产力,环境质量和人类健康的基础。长期以来,中国西北半干旱区一直存在过量施氮肥的问题,导致作物氮素利用率和作物产量低并威胁土壤健康。增效氮肥(硝化抑制剂(DCD)、脲酶抑制剂(NBPT)、树脂包膜尿素(RCN);EEN... 详细信息

健康的土壤是保证农作物生产力,环境质量和人类健康的基础。长期以来,中国西北半干旱区一直存在过量施氮肥的问题,导致作物氮素利用率和作物产量低并威胁土壤健康。增效氮肥(硝化抑制剂(DCD)、脲酶抑制剂(NBPT)、树脂包膜尿素(RCN);EENFs)已被证明是减少土壤氮损失和提高作物氮素利用率的有效方法。然而,增效氮肥对土壤质量(SQI)和土壤生态功能多样性(EMF)的影响以及其内在关系还不清楚。同时,增效氮肥对作物产量的积极效应易受环境和农业管理措施(例如覆膜)的影响。因此,本研究基于2019年开始的田间定位试验,研究了黑膜覆盖下不同施肥策略(不施氮肥(N0)、矿物氮肥(N200)、DCD、NBPT和RCN)对中国西北半干旱区甘肃省定西市,宁夏回族自治区固原市,陕西省咸阳市,山西省朔州市的四个试验点春玉米地上生物量,产量要素和氮素利用的影响,并通过测定土壤理化性质,微生物量碳和微生物量氮含量,土壤酶活性以综合评价增效氮肥对土壤质量,微生物代谢特征和土壤生态功能多样性的影响,为施用EENFs提高春玉米产量并维持农田土壤生态健康提供理论基础。主要结论如下:(1)在四个试验点,氮素抑制剂(NIs)和RCN有利于提高不同生育时期的表层土壤矿质氮含量。在玉米吐丝期(R1),相比矿物氮肥,DCD提高矿质氮含量6.78%-22.37%,NBPT提高5.14%-16.86%,RCN提高5.42%-21.51%。同时,NIs在R1时期有较低的表观矿化速率,其矿质氮的形式主要以铵太氮(NH-N)为主,这表明NIs有较强的硝化抑制作用。在玉米成熟期(R6),DCD提高矿质氮含量8.63%-57.55%,NBPT提高8.11%-73.59%,而RCN只可提高甘肃和山西试验点的矿质氮含量。此外,NIs主要通过提高速效氮,微生物量碳和微生物量氮含量来提高土壤质量。相比矿物氮肥,DCD和NBPT分别提高了土壤质量7.61%-16.80%和2.61%-23.20%在四个试验点。(2)EENFs(尤其NIs)可改变各个时期的土碳氮磷循环酶活性。酶化学计量比结果表明,各个试验点的R1和R6时期微生物主要受氮限制。施用EENFs(尤其NIs)可不同程度地缓解微生物氮限制,并最终缓解微生物碳限制(尤其在R6时期)。Mantel-test检验结果表明,土壤微生物碳限制和氮限制主要受土壤质量、土壤温度和含水率的影响。(3)施用氮肥有利于提高不同时期的土壤生态功能多样性。在R1时期,施用氮素抑制剂对土壤生态功能多样性的提高程度高于其它施氮处理(矿物化肥和树脂包衣尿素)。在甘肃和山西试验点,DCD分别提高205.82%-340.00%和145.00%-215.47%;在宁夏和山西试验点,NBPT分别提高332.75%-778.59%和364.44%-929.62%。在R6时期,EENFs的土壤生态功能多样性均高于矿物化肥,DCD提高了129.10%-388.68%,NBPT提高了184.85%-327.35%,RCN提高了97.42-299.15%。随机森林模型表明,土壤质量因子中的微生物生物量碳、微生物生物量氮和土壤含水量是影响土壤生态功能多样性的主要驱动力。此外,土壤质量的提高可以促进土壤生态功能多样性的改善。有趣的是,土壤生态功能多样性受微生物氮限制的影响而与微生物碳限制无关。(5)EENFs比矿物氮肥更利于提高春玉米地上部干物质量积累和产量要素(籽粒产量,穗粒数和千粒重)并具有更高的氮素利用率(氮肥农学利用率和氮肥偏生产力)。相比矿物氮肥,NBPT分别提高籽粒产量,穗粒数和千粒重9.86%-63.62%,4.47%-26.14%和5.13%-29.61%在甘肃,陕西和山西试验点;DCD分别提高17.23%-55.91%,5%-22.27%和11.70%-27.41%在宁夏和山西试验点;RCN分别提高17.02%,7.35%和6.35在甘肃试验点。综上所述,在中国西北半干旱区不同试验点黑膜覆盖下施用氮素抑制剂是提高土壤质量和土壤生态功能多样性,缓解微生物碳和氮限制,并最终提高作物产量的有效方法。

关键词：增效氮肥土壤质量微生物代谢特征土壤生态功能

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和合文化与中华民族共同体建设

理论与改革 2023年第4期 39-51页

作者：方盛举杨睿哲云南大学政府管理学院

中华民族共同体建设是全面建设社会主义现代化国家的重大任务。和合文化以其丰厚的历史文化底蕴和现代性传承价值,成为中华民族共同体建设可资利用的重要文化资源。天人合一的自然观、协和万邦的天下观、和而不同的社会观、人心和善的... 详细信息

中华民族共同体建设是全面建设社会主义现代化国家的重大任务。和合文化以其丰厚的历史文化底蕴和现代性传承价值,成为中华民族共同体建设可资利用的重要文化资源。天人合一的自然观、协和万邦的天下观、和而不同的社会观、人心和善的道德观与中华民族共同体建设深度契合,对推动中华民族生态文明共同体、中华民族社会生活共同体、中华民族文化精神共同体、中华民族伦理道德共同体建设具有独特的时代价值。在强国建设背景下,通过重塑和合文化、弘扬和合文化、践行和合文化,为中华民族共同体建设提供正确的价值指引和强大的精神动力。

关键词：和合文化中华民族共同体人类命运共同体中华民族生态文明共同体中华民族社会生活共同体中华民族文化精神共同体中华民族伦理道德共同体强国建设

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