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智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試策略研究(上)

2023-06-09 09:35:18·  來(lái)源:賽目科技  
 

鑒于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(Automated Driving System, ADS)和交通環(huán)境的復(fù)雜性以及安全事件的偶發(fā)性,自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要安全、可靠地處理由外界和自身變化帶來(lái)的多種不確定性,才能有效保障智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)安全合規(guī)地行駛,并逐步提升舒適性和智能性。因此,在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程中,測(cè)試驗(yàn)證評(píng)價(jià)是必不可少的環(huán)節(jié)——這需要基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的設(shè)計(jì)運(yùn)行條件(Operational Design Condition,ODC)、安全邊界及最小風(fēng)險(xiǎn)策略等,對(duì)自動(dòng)駕駛功能開(kāi)展全面的測(cè)試驗(yàn)證工作。[1]


為確保智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)品測(cè)試方案的可行性和測(cè)試結(jié)果的一致性,以及合理調(diào)配測(cè)試資源、有效降低測(cè)試成本,賽目科技參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),基于長(zhǎng)期積累的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試經(jīng)驗(yàn),提出智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)品測(cè)試策略——構(gòu)建場(chǎng)景集,解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)品測(cè)試“測(cè)什么”的問(wèn)題;提出智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試場(chǎng)景和“三支柱”的匹配方法,解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)品測(cè)試“怎么測(cè)”的問(wèn)題。


本系列文章將分上、下兩篇,分別闡釋賽目科技提出的測(cè)試策略研究如何解決智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試“測(cè)什么”和“怎么測(cè)”兩個(gè)核心問(wèn)題。


測(cè)什么?

場(chǎng)景集構(gòu)建!

對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,其目的是測(cè)試其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,面對(duì)各種工況下的安全性、合規(guī)性、舒適性、智能性等,因此自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試的場(chǎng)景集應(yīng)至少能覆蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行條件,并充分考慮自動(dòng)駕駛系統(tǒng)工況中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)場(chǎng)景和失效場(chǎng)景。基于此,賽目科技提出,應(yīng)通過(guò)多種來(lái)源構(gòu)建測(cè)試場(chǎng)景集,以確保智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試的科學(xué)性、充分性,主要包括:標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)類(lèi)場(chǎng)景、預(yù)期功能安全場(chǎng)景以及實(shí)車(chē)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換場(chǎng)景。通過(guò)以上多種分析途徑得到的場(chǎng)景作為ADS測(cè)試場(chǎng)景集的輸入,構(gòu)成ADS測(cè)試場(chǎng)景集。


1、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)場(chǎng)景構(gòu)建   

標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)類(lèi)測(cè)試場(chǎng)景主要參考國(guó)內(nèi)外在自動(dòng)駕駛測(cè)試領(lǐng)域發(fā)布的政策標(biāo)準(zhǔn)法規(guī),包括GB/T 41798-2022《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē) 自動(dòng)駕駛功能場(chǎng)地試驗(yàn)方法及要求》[2]、UN Regulation No. 157 - Automated Lane Keeping Systems (ALKS)[3]、A framework for Automated Driving System Testable Cases and Scenarios[4]等?;谄渲刑岢龅臏y(cè)試場(chǎng)景,通過(guò)提取場(chǎng)景中的關(guān)鍵要素,與ADS的關(guān)鍵元素進(jìn)行匹配,以匹配程度作為依據(jù),決定是否對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。


標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)場(chǎng)景關(guān)鍵元素分析匹配流程如圖 1所示:


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圖1 關(guān)鍵元素分析流程


如圖 1所示,首先分析并提取出ADS所有關(guān)鍵元素,構(gòu)造有且僅有ADS全部關(guān)鍵元素的集合  。同理,分析并提取標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)類(lèi)場(chǎng)景  中的關(guān)鍵元素,構(gòu)造集合  并判斷:


如  成立,說(shuō)明場(chǎng)景  在ADS功能的ODC范圍內(nèi),即ADS可以在場(chǎng)景  中正常運(yùn)行,故確定場(chǎng)景  必測(cè)場(chǎng)景,并將場(chǎng)景  加入到標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)場(chǎng)景集  中;


反之,如果存在任意元素  ,但  ,則說(shuō)明場(chǎng)景  不在ADS的設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍內(nèi),所以為非必測(cè)場(chǎng)景。


下文將通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例,更直觀地展示關(guān)鍵元素分析法的思路。


本案例選取ADS功能交通擁堵輔助自動(dòng)駕駛功能(Traffic Jam Pilot, TJP)為分析對(duì)象,選取TJP功能描述中聲明的ODC元素構(gòu)建關(guān)鍵元素集合。TJP功能描述[5]以及ODC元素如下表 1所示:

表1 自動(dòng)駕駛TJP功能說(shuō)明

ADS功能

交通擁堵輔助自動(dòng)駕駛功能(Traffic Jam Pilot, TJP)

功能概述

交通擁堵輔助自動(dòng)駕駛功能(Traffic Jam Pilot, TJP)在擁堵的高速公路上駕駛員可以放開(kāi)雙手雙腳,同時(shí)注意力可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)從駕駛環(huán)境中轉(zhuǎn)移,系統(tǒng)最高工作速度為60km/h。

功能描述

  1. 系統(tǒng)能在可識(shí)別的車(chē)道內(nèi)持續(xù)橫向控制,保持車(chē)輛中軸線與車(chē)道邊界的橫向位置穩(wěn)定以避免誤導(dǎo)其他道路使用者。

  2. 在沒(méi)有目標(biāo)車(chē)輛時(shí),系統(tǒng)能根據(jù)駕駛員設(shè)定的車(chē)速最終穩(wěn)定在自車(chē)道內(nèi)勻速行駛。

  3. 系統(tǒng)具備穩(wěn)定跟隨目標(biāo)車(chē)輛行駛的功能,控制試驗(yàn)車(chē)輛與目標(biāo)車(chē)輛保持合理的跟車(chē)距離。

  4. 由于其他道路使用者行駛動(dòng)態(tài)(例如車(chē)輛切入、目標(biāo)車(chē)輛急減速等)而暫時(shí)造成跟車(chē)距離小于最小跟車(chē)間距,則試驗(yàn)車(chē)輛應(yīng)及時(shí)調(diào)減車(chē)速以重新使實(shí)際跟車(chē)距離不小于最小跟車(chē)距離,除需要緊急剎車(chē)的情況外,調(diào)整過(guò)程中車(chē)輛應(yīng)保持平穩(wěn)。

  5. 系統(tǒng)能使試驗(yàn)車(chē)輛在合理范圍內(nèi)有穩(wěn)定跟隨目標(biāo)車(chē)輛行駛及起停的能力。在駕駛員注意力在環(huán)的情況下,試驗(yàn)車(chē)輛單次起停的最長(zhǎng)停止時(shí)間應(yīng)不大于5min。

ODC元素

高速公路,本車(chē)道和相鄰車(chē)道目標(biāo)車(chē)識(shí)別,可脫手,注意力可轉(zhuǎn)移,最高工作速度60km/h。


以GB/T 41798-2022《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē) 自動(dòng)駕駛功能場(chǎng)地試驗(yàn)方法及要求》[2]中推薦的場(chǎng)景為例進(jìn)行分析,標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景“施工車(chē)道”和“前方車(chē)輛切入”的分析過(guò)程見(jiàn)下表2:

表2 標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)場(chǎng)景匹配程度分析示例


標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景1標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景2場(chǎng)景類(lèi)型施工車(chē)道
前方車(chē)輛切入
場(chǎng)景說(shuō)明

試驗(yàn)道路:至少為具備單向雙車(chē)道的長(zhǎng)直道;

標(biāo)志標(biāo)線:中間車(chē)道線為虛線,外側(cè)車(chē)道依據(jù)道路施工長(zhǎng)期作業(yè)區(qū)的交通控制要求擺放交通錐及交通標(biāo)志等。

試驗(yàn)道路:至少包含兩條車(chē)道的長(zhǎng)直道;

標(biāo)志標(biāo)線:中間車(chē)道線為虛線;

試驗(yàn)環(huán)境:測(cè)試車(chē)輛右前方存在目標(biāo)車(chē)輛,目標(biāo)車(chē)輛以初始速度勻速行駛,隨后完整完成整個(gè)切入動(dòng)作。

場(chǎng)景ODC元素長(zhǎng)直道路,道路施工長(zhǎng)直道路,目標(biāo)車(chē)輛(機(jī)動(dòng)車(chē))ODC元素分析

長(zhǎng)直道路:在TJP功能的ODC中,未明確說(shuō)明道路線形元素,但長(zhǎng)直道路是高速公路常見(jiàn)的道路幾何線型,因此判斷該元素在TJP的ODC范圍內(nèi)。

道路施工:TJP功能的ODC中未包括對(duì)道路施工的識(shí)別與響應(yīng),因此判斷該元素不在TJP的ODC范圍內(nèi)。

長(zhǎng)直道路:在TJP功能的ODC中,未明確說(shuō)明道路線形元素,但長(zhǎng)直道路是高速公路常見(jiàn)的道路幾何線型,因此判斷該元素在TJP的ODC范圍內(nèi)。

目標(biāo)車(chē)輛:TJP功能的ODC中未包括對(duì)目標(biāo)車(chē)輛的識(shí)別與響應(yīng),因此判斷該元素在TJP的ODC范圍內(nèi)。

是否測(cè)試兩個(gè)ODC元素中,有一個(gè)元素超出TJP的ODC范圍。該場(chǎng)景為非必測(cè)場(chǎng)景兩個(gè)ODC元素均在TJP的ODC范圍。該場(chǎng)景為必測(cè)場(chǎng)景

參照上述分析思路,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中涉及的場(chǎng)景進(jìn)行遍歷分析,篩選測(cè)試場(chǎng)景,形成標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)場(chǎng)景集。


2、預(yù)期功能安全場(chǎng)景集構(gòu)建  

預(yù)期功能安全(Safety Of The Intended Functionality, SOTIF)重點(diǎn)關(guān)注“預(yù)期功能”的安全性,即:滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求的功能所具有的安全水平。由于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)本身和運(yùn)行工況的復(fù)雜性與未知性,自動(dòng)駕駛功能即使?jié)M足設(shè)計(jì)要求,仍可能存在大量的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),故需要對(duì)ADS進(jìn)行SOTIF分析,并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制方案進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。[6]因此,為了支撐驗(yàn)證測(cè)試,需要基于SOTIF分析構(gòu)建預(yù)期功能安全測(cè)試場(chǎng)景集。


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圖2 預(yù)期功能安全分析與場(chǎng)景構(gòu)造流程


SOTIF分析流程如圖2所示,首先基于ADS系統(tǒng)的ODC分析,明確ADS的系統(tǒng)邊界,同時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)功能及ODC等進(jìn)行明確定義。


隨后,依次從整車(chē)層面、系統(tǒng)層面以及組件層面,分析識(shí)別預(yù)期功能的潛在危害行為,并對(duì)已識(shí)別出的危害事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并定義相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則。


如果證明危害事件不會(huì)導(dǎo)致不合理的風(fēng)險(xiǎn),則不需應(yīng)用額外的修改措施。若危害事件會(huì)導(dǎo)致不合理風(fēng)險(xiǎn),需要識(shí)別可能導(dǎo)致預(yù)期功能危害行為的根本原因,并評(píng)估潛在功能不足和觸發(fā)條件引起的風(fēng)險(xiǎn)是否合理。


根據(jù)前期的活動(dòng),如果必要,則對(duì)功能進(jìn)行修改(如:改進(jìn)傳感器的能力,系統(tǒng)降級(jí),進(jìn)一步限制ODC,提示接管等),以改進(jìn)預(yù)期功能安全。若評(píng)估系統(tǒng)對(duì)觸發(fā)條件的響應(yīng)為可接受,則構(gòu)造相應(yīng)的測(cè)試場(chǎng)景,通過(guò)“三支柱”測(cè)試證明與SOTIF相關(guān)的整車(chē)層面殘余風(fēng)險(xiǎn)在功能修改后已滿足風(fēng)險(xiǎn)可接受水平。為了能夠收集所需的證據(jù),可以從該策略中導(dǎo)出相應(yīng)的測(cè)試用例,且保證ODC上的測(cè)試用例具有足夠高的覆蓋率。


下表3是分析示例,分別分析了ADS的TJP功能的功能不足和性能局限,并以“攝像頭識(shí)別標(biāo)志線”和“攝像頭識(shí)別目標(biāo)物”為例,基于危害行為分析、危害分析,構(gòu)造預(yù)期功能安全場(chǎng)景:

表3 自動(dòng)駕駛TJP功能說(shuō)明

功能分層
攝像頭識(shí)別標(biāo)志線攝像頭識(shí)別目標(biāo)物危害行為攝像頭無(wú)法識(shí)別磨損車(chē)道線,導(dǎo)致車(chē)道線識(shí)別率下降,試驗(yàn)車(chē)未識(shí)別到車(chē)道線,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩,制動(dòng)系統(tǒng)未輸出制動(dòng)力。前方目標(biāo)車(chē)顏色(橘黃色)與當(dāng)前背景顏色(黃昏時(shí))相近,攝像頭對(duì)前方目標(biāo)物識(shí)別準(zhǔn)確度下降,試驗(yàn)車(chē)未識(shí)別前方目標(biāo)車(chē)輛,制動(dòng)系統(tǒng)未輸出制動(dòng)力,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未輸出力矩。危害
試驗(yàn)車(chē)與目標(biāo)車(chē)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)與前方目標(biāo)車(chē)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)
直道,雙向4車(chē)道,右側(cè)存在目標(biāo)車(chē)。試驗(yàn)車(chē)以35km/h保持車(chē)道內(nèi)行駛,目標(biāo)車(chē)以30km/h行駛,兩車(chē)縱向距離10m、橫向距離1.75m,車(chē)道線磨損。雙向4車(chē)道,試驗(yàn)車(chē)以40km/h保持車(chē)道內(nèi)行駛,相同車(chē)道前方目標(biāo)車(chē)以30km/h保持車(chē)道內(nèi)行駛,兩車(chē)縱向距離>15.6m,目標(biāo)車(chē)橘黃色,時(shí)間18:00,試驗(yàn)車(chē)逆光行駛。場(chǎng)景圖示

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可接受風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則
車(chē)輛不越過(guò)車(chē)道邊線,橫向加速度變化率在 0.5s 內(nèi)的平均值不超過(guò)5m/s3。不發(fā)生碰撞,且制動(dòng)減速度<3m/s2,減速后保持與前車(chē)最小安全距離>10.8m?;蚋兄到y(tǒng)識(shí)別為ODC范圍外場(chǎng)景,提示接管并減速。

賽目科技自主研發(fā)了安全分析工具Safety Pro,按照標(biāo)準(zhǔn)化的流程執(zhí)行SOTIF閉環(huán)分析。Safety Pro整合了ISO 21448標(biāo)準(zhǔn)提及的所有分析方法,包括HAZOP、FTA、SPTA、GSN和FMEA,并在核心分析環(huán)節(jié)匹配雙重分析方法,形成互查、互補(bǔ),充分保證分析結(jié)果的完整性,可分析產(chǎn)品的局限性和潛在不足,實(shí)現(xiàn)了SOTIF分析和邏輯場(chǎng)景自動(dòng)化搭建。


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圖3 SOTIF閉環(huán)分析流程

(點(diǎn)擊查看大圖)

圖 3為SOTIF閉環(huán)分析流程,關(guān)于安全分析工具Safety Pro的詳細(xì)介紹可參看往期文章《預(yù)期功能安全的閉環(huán)實(shí)踐——基于算法驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證體系》。


3、實(shí)車(chē)采集數(shù)據(jù)場(chǎng)景集構(gòu)建

實(shí)車(chē)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來(lái)的測(cè)試場(chǎng)景能夠保留真實(shí)交通場(chǎng)景的隨機(jī)性、復(fù)雜性,是擴(kuò)充場(chǎng)景集中自然駕駛場(chǎng)景、邊緣場(chǎng)景、失效場(chǎng)景的主要途徑。


實(shí)車(chē)采集數(shù)據(jù)場(chǎng)景構(gòu)建的主要方法是搭建采集車(chē)采集真實(shí)的交通數(shù)據(jù)信息,通過(guò)對(duì)采集信息的進(jìn)一步處理和轉(zhuǎn)換,生成仿真場(chǎng)景。目前,賽目科技已有自主研發(fā)的場(chǎng)景采集與生成工具鏈,如圖4所示該工具鏈集成了場(chǎng)景數(shù)據(jù)采集車(chē)、數(shù)據(jù)清洗、感知數(shù)據(jù)融合、場(chǎng)景識(shí)別與提取工具,并支持自動(dòng)化生成OpenX標(biāo)準(zhǔn)格式的場(chǎng)景文件,實(shí)現(xiàn)了真實(shí)交通場(chǎng)景數(shù)據(jù)到模擬仿真場(chǎng)景文件的轉(zhuǎn)化。


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圖4 場(chǎng)景采集與生成工具鏈結(jié)構(gòu)圖


工具鏈中的場(chǎng)景識(shí)別與提取功能基于自編碼、聚類(lèi)算法、算法融合等機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法,采用時(shí)間和數(shù)據(jù)多維度聚合和聚類(lèi)算法,已能實(shí)現(xiàn)精確提取各種邏輯場(chǎng)景。自然駕駛場(chǎng)景有:主車(chē)/環(huán)境車(chē)切入切出,跟車(chē)等;危險(xiǎn)工況場(chǎng)景有:超車(chē)、緊急制動(dòng)、連續(xù)變速、行人橫穿、行人主車(chē)同向、盲區(qū)遮擋等。場(chǎng)景自動(dòng)化標(biāo)注工具還可以根據(jù)KPI(Key Performance Indicator)安全性指標(biāo)執(zhí)行場(chǎng)景提取標(biāo)注,常用的KPI安全性指標(biāo)有:碰撞時(shí)間、安全距離等。


此外,賽目科技還提供可與場(chǎng)景采集與生成工具配套的場(chǎng)景管理平臺(tái),支持導(dǎo)入OpenX標(biāo)準(zhǔn)格式場(chǎng)景文件,以及場(chǎng)景文件標(biāo)簽標(biāo)注,大大提高場(chǎng)景采集與生成的效率。


4、場(chǎng)景泛化與用例生成

為了保證自動(dòng)駕駛系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景的有效性和覆蓋度,測(cè)試場(chǎng)景中的要素都被定義了取值范圍,可以是連續(xù)或離散,也可以是無(wú)限或有限。從場(chǎng)景角度來(lái)看,為了避免產(chǎn)生無(wú)限多場(chǎng)景,需對(duì)樣本空間進(jìn)行采樣,并通過(guò)盡量少的樣本,覆蓋設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍。


場(chǎng)景空間樣本生成的方法有以全因子法、中心組合法和二次最優(yōu)法為代表的確定性樣本策略,以及以蒙特卡洛采樣、拉丁超立方采樣為代表的隨機(jī)樣本策略。


目前賽目科技研發(fā)的場(chǎng)景空間分析工具可實(shí)現(xiàn)邏輯場(chǎng)景采樣泛化——通過(guò)樣本空間生成方法,輸出具體場(chǎng)景,并能根據(jù)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全要求和接受準(zhǔn)則進(jìn)行敏感性分析,實(shí)現(xiàn)參數(shù)空間維度降低,最終得到覆蓋被測(cè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)功能和ODC的充分合理的測(cè)試用例集,如圖 5所示。


圖片

圖5 賽目科技測(cè)試空間分析工具示意圖


除場(chǎng)景測(cè)試空間采樣泛化外,圖 5中還包括了測(cè)試空間分析工具的其他功能:


KPI初步分析

觀察整體表現(xiàn),快速基于方差/概率的整體魯棒性分析。


敏感度分析

對(duì)測(cè)試空間進(jìn)行降維,提升測(cè)試效率;建立擬合模型,提供先驗(yàn)知識(shí)及近似求解器,提升可靠性分析效率。


可靠性分析

用可接受的成本對(duì)系統(tǒng)失敗概率的準(zhǔn)確估計(jì)。


臨界面魯棒性分析

基于可靠性分析尋找到的失敗臨界面,判斷系統(tǒng)在失敗臨界面的表現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)


本文是《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試策略研究》系列的上篇,主要回答了智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試策略中“測(cè)什么”的問(wèn)題,基于賽目科技的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果,提出測(cè)試策略研究的場(chǎng)景集構(gòu)建方法,以及場(chǎng)景泛化與用例生成的方法。


下一期《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試策略研究》下篇將著重介紹智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試策略中“怎么測(cè)”的問(wèn)題,賽目科技提出了一種基于矩陣映射思想的匹配測(cè)試場(chǎng)景與“三支柱”測(cè)試方法的分析思路,敬請(qǐng)期待。


參考文獻(xiàn)

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