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數(shù)值計算方法在公路交通需求預測中的應用摘要:貴州是我國西部多民族聚居的省份,也是貧困問題最突出的欠發(fā)達省份,交通基礎設施薄弱,工程性缺水嚴重,生態(tài)環(huán)境脆弱。"十二五"時期,貴州省全面加快鐵路、公路、水運、民航、城市交通發(fā)展,建成開通了貴廣、滬昆(貴陽至長沙段)高鐵,實現(xiàn)了縣縣通高速公路以及每個市(州)有一個機場。貴州省17.62萬平方千米的土地面積中山地和丘陵占了92.5%,特殊的地理條件一直以來都阻礙了貴州交通的大發(fā)展。隨著西部大開發(fā)的大力推進,以及“工業(yè)強省”和“城鎮(zhèn)化帶動”兩大戰(zhàn)略的實施,貴州省的交通業(yè)得到了前所未有的發(fā)展機遇。貴州省交通發(fā)展的現(xiàn)狀,是貴州省省兩大戰(zhàn)略實施進度的折射,直接或間接地影響到了全省全面開發(fā)的進度和全省人民進入小康社會的進程。了解貴州省交通發(fā)展的現(xiàn)狀,能為我們大學生未來的學習規(guī)劃提供方向。關鍵詞:數(shù)值計算方法;公路交通;公路貨運;交通運輸Abstract:GuizhouisaprovinceinhabitedbymanyethnicgroupsinwesternChina,isalsothemostprominentunderdevelopedprovinces,transportinfrastructureisweak,engineeringwatershortageserious,ecologicalenvironmentfragile."Twelve-Five"period,Guizhouprovincetoacceleratetheoverallspeedofrailways,highways,water,civilaviation,urbantransportdevelopment,completedtheopeningoftheexpensive,ShanghaiKun(GuiyangtoChangshasection)high-speedrailway,therealizationofthecountyandCountyExpresswayandeachcity(state)hasanairport.Thelandareaof176,200squarekilometersinGuizhouprovinceoccupies92.5%,andspecialgeographicalconditionshavehinderedthedevelopmentoftrafficinGuizhou.WiththegreatdevelopmentoftheWestandtheimplementationofthetwostrategiesof"strongindustrialprovince"and"urbanizationDrive",thetrafficindustryinGuizhouProvincehasbeengivenanunprecedentedopportunityfordevelopment.ThepresentsituationofthedevelopmentoftrafficinGuizhouProvinceistherefractionoftheprogressofthetwostrategiesinGuizhouprovince,whichdirectlyorindirectlyaffectstheprogressofall-rounddevelopmentofthewholeprovinceandtheprocessofpeopleenteringawell-offsociety.TounderstandthecurrentsituationoftrafficdevelopmentinGuizhoucanprovidethedirectionforourcollegestudents'futurestudyplan.Keywords:numericalcalculationmethod;roadtraffic;roadfreight;transportation

目錄第1章緒論 第1章緒論 1.1研究背景和意義當前,在高速公路設計中,由于通道和橋梁等結構物高度的限制,路堤填土高度往往較高。一般在3.4-4.0m之間。如開洛高速公路開鄭段平均填土高度為3.7m,個別路段達到7.5m;滬寧高速公路路堤平均填土高度為3.7m,最高達到12m。高路堤有其優(yōu)點,它可以保證路基工作區(qū)處于干燥狀態(tài),防止路基凍脹翻漿。但高路堤的缺陷也是不言而喻的。(l)路堤用土量大,取土占地多、破壞地表植被,引起水土流失,減少耕地面積。(2)公路占地寬度增加,增加了征地拆遷費用,提高了工程造價。(3)沉降量大,邊坡陡竣,容易遭暴雨沖刷出現(xiàn)塌方,邊坡防保加固工程量大,養(yǎng)護困難,費用較高。(4)施工難度大,需要機械數(shù)量多,工作時間長,增加了施工工期。(5)自然景觀被破壞,與周圍環(huán)境不協(xié)調(diào),不能滿足人們視覺、心理上的舒適、安全的需要。曾經(jīng)有不少先進國家的學者來我國考察公路建設,他們都驚嘆我國的高速公路像一條條堤壩高聳在大地上,看似壯觀,實為削煞風景,破壞自然景觀,而且隱患重生。為了克服高路堤的不足,人們開始嘗試低路堤。一般認為,低路堤為填土高度在2.5m以下的路堤。然而,大量的工程實踐表明,這種定義方法存在著明顯的不足。筆者認為,高、低路堤的劃分不僅要看路堤的高度,更重要的應該看車輛荷載對路基的影響情況。在填土較低的路堤中,車輛荷載沒有在路堤內(nèi)得到充分擴散就傳遞到路基中,加劇了路基的沉降變形。同時,車輛荷載引起的振動也容易導致路基土層的不均勻沉降,而這種不均勻的累計沉降對路面結構的受力影響較大,縮短了路面的使用壽命。對高速公路來說,路基的工后沉降和不均勻沉降是影響公路使用的兩大因素,因此,研究車輛荷載對低路堤高速公路路基的影響十分必要。根據(jù)交通部印發(fā)的“關于在公路建設中實行最嚴格的耕地保護制度的若干意見”的指導思想,高速公路建設采用低路堤和淺路塹方案,節(jié)約不可再生的土地資源,走可持續(xù)發(fā)展的道路,是今后高速公路建設應重點解決的問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀subei提出了一種有限元和邊界元相結合的方法,用于分析路堤、路基在交通荷載作用下的變形及應力情況。采用有限元法分析荷載作用點區(qū)域的變形,而采用邊界元法分析場地較遠區(qū)域的變形,還考慮了道面板連接縫的傳荷能力。不過他只考慮了材料的彈性變形,未考慮塑性變形,交通荷載作為靜荷載考慮。王林玉采用動態(tài)彈塑性有限元法,對交通荷載作用下路堤和軟土路基共同作用問題進行了分析,研究了單層路基、成層路基及機場跑道在單次動力荷載和循環(huán)荷載作用下的變形規(guī)律,討論了土體彈性模量、塑性參數(shù)、加載形式和阻尼等對道面、路堤和軟土路基的應力和變形的影響。其采用的是總應力動力分析法,未考慮動荷載作用下軟土路基中孔隙水壓力對軟土動力特性的影響,有限元計算結果明顯偏大。許金余將車輛一道面一路基作為一個相互作用的動力系統(tǒng),采用有限元法對彈性半空間路基上剛性道面板的動力響應進行了計算分析,其計算結果現(xiàn)場實測值吻合很好。江靜貝運用二維有限元土層地震反應程序,利用建筑抗震設計規(guī)范中基巖加速度反應譜擬合的人工地震波作為基底層的輸入運動,分別對四種常見的高速公路復合路基進行了計算。計算分析表明,經(jīng)過加固的復合路基,地面的地震反應都有不同程度的降低,加固的方法不同,降低的程度也不相同。黃明聰編制了有限元程序,分析了地震荷載作用下天然路基和復合路基的地震響應,用線性、非線性、分時段線性方法分析了加固區(qū)、加固區(qū)邊緣、下臥層以及樁間土和樁頂?shù)恼駝游灰?、速度、加速度時程曲線和振動幅值。李海曉編制了上部結構和路基相互作用的動力反應分析有限元程序,分析了路基地震作用的動力反應,考慮了路基模量及軟土路基加固深度的影響。研究了軟土路基和上部結構相互作用時的地震動力反應。研究表明,當軟土路基加固深度不大時,地震動力反應隨加固深度變化不明顯;當加固深度較大時,地震動力反應規(guī)律比較復雜,要與軟土路基模量和加固體模量等因素綜合考慮,土體模量較小時,體系的地震動力反應幅度較大,土體模量較大時,體系的地震動力反應幅度較小。加固區(qū)彈性模量、地震荷載作用范圍對軟土路基與上部結構相互作用時的動力反應有明顯影響。侯永峰采用動態(tài)彈塑性有限元分析了道路的變形性狀,研究了軟土路基的加固范圍、置換率以對軟土路基變形性狀的影響。LEI等建立了軌道一車輛禍合體系的有限元動力模型,將體系分為兩個子結構,上部子結構為車輛,用十個自由度來模擬,下部子結構為軌道,枕木考慮為離散支撐,得到了體系在時間域和頻率域的響應。WU等采用有限元法,基于車輛及其懸掛體系的動力平衡,推導了車輛的動力特性矩陣,分析了多輪車輛作用下軌道和車輛的動力響應,其中,考慮了車輛慣性力、車輛懸掛體系對體系響應的影響??梢钥闯鲭S著計算機發(fā)展,數(shù)值計算技術突飛猛進,有關交通荷載對路基的影響的數(shù)值計算取得了許多有用的成果。但很少涉及到低路堤條件下的交通荷載作用,隨著低路堤公路的推廣,交通荷載對低路堤高速公路路基影響研究不僅會有較高的理論價值,而且會有良好的應用前景。第2章公路交通需求現(xiàn)狀研究2.1當前貴州省交通系統(tǒng)面臨的主要問題和原因貴州省從2000年起連續(xù)幾年實施大規(guī)模的路網(wǎng)結構改造后,基本消滅了低等級公路和差等路,干線公路網(wǎng)基本形成。至2011年,貴州省公路建設已形成以貴陽為中心,以高速公路和一,二級公路為主骨架的縱橫交錯的公路網(wǎng)絡,貴廣高速公路貴州段已全部貫通,全省公路線路里程達到157820千米,其中高速公路2023千米。而全省高速公路總里程將在今年年底達到3281千米。以貴陽為中心的公路網(wǎng)絡,縱向是國家蘭海高速公路G75線崇溪河至新寨,通往渝,桂;橫向是國家滬昆高速公路G60線鲇魚鋪至勝境關,通往湘,滇;聯(lián)線是玉屏至銅仁,貴陽至畢節(jié),關嶺至興義,黃果樹至水城。這個公路網(wǎng),省外接重慶等5個周邊省,直轄市,自治區(qū)至全國。今年年底貴州省將建成高速公路651公里,高速公路通車里程突破3000公里,達到3281公里。新增8個縣通高速公路,通高速公路縣達到68個;新增兩個高速公路出省通道,形成9個高速公路出省通道和貴陽到興義的雙通道連接。至2014年底,全省公路通車里程達17.91萬公里。其中,等級公路10.76萬公里,占公路通車里程的60.07%;二級以上的高等級公路8897公里,占公路通車里程的5%;等外公路7.15萬公里,占公路通車里程的39.93%;高級、次高級路面8.02萬公里,占公路通車里程的44.8%;公路密度為每百平方公里101.69公里,63.8%的建制村實現(xiàn)通暢。全省公路客運量8.02億人、旅客周轉量412.92億人公里、貨運量7.8億噸、貨物周轉量776.95億噸公里,內(nèi)河客運量1932萬人、旅客周轉量5.19億人公里、貨運量1337萬噸、貨物周轉量30.94億噸公里?!笆濉币詠恚谑∥?、省政府的正確領導下,在國家有關部委的大力支持下,全省交通戰(zhàn)線干部職工克難攻堅,砥礪奮進,大力實施高速公路建設、水運建設三年會戰(zhàn),普通國省干線公路建設攻堅,“四在農(nóng)家?美麗鄉(xiāng)村”小康路行動計劃,“多彩貴州?最美高速”、“多彩貴州?平安高速”創(chuàng)建活動(簡稱“兩會戰(zhàn)一攻堅一行動兩創(chuàng)建”),交通運輸呈現(xiàn)出“投資高位增長、建設加速推進、通道加快形成、網(wǎng)絡覆蓋擴大、運輸能力提升”的良好態(tài)勢。2014年投資達1185.64億元;高速公路通車里程達4002公里,通高速公路的縣(市、區(qū))達79個,形成10條高速公路出省大通道;啟動環(huán)貴州高速公路南部三州段建設。建設國省干線公路改造項目3139公里。實施通村瀝青(水泥)路3.99萬公里,通客運建制村比例達72.7%。開工建設水運項目11個,建成西南水運出海中線通道(貴州段)航運擴建工程、烏江(烏江渡-龔灘)航運建設工程、三板溪庫區(qū)航運建設工程,1000噸級運輸船舶投入使用,改寫了貴州無高等級航道的歷史。今天,當人們行進在貴州各主要干線公路上,感受到的不僅僅是四通八達,處處坦途的高等級公路,還能享受到“車在綠中走,人在畫中游”的旖旎風光。2.2貴州省公路交通需求分析2.2.1城市交通現(xiàn)狀需求狀況貴州省是一個不沿江、不沿海的山區(qū)省,特殊的地理、經(jīng)濟條件決定了貴州綜合交通運輸體系的結構特點:全省沒有海運,內(nèi)河航運所占比重較小,山區(qū)鐵路運輸發(fā)展難度較大,航空運輸起步較晚。因此,公路運輸成為貴州省主要的交通運輸方式,承擔了全省大一部分的客貨運量。在西部開發(fā)以來近八年里,公路客貨運總量占全省客貨運總量的90%和70%左右。2016年,貴州省全省旅客運輸量總計為74440萬人,其中公路旅客運輸量為70377萬人,占全省的95%;全省貨物運輸量總計為2678了萬噸,其中公路貨物運輸量為18834力一噸,占全省的70%。公路交通在貴州省交通運輸業(yè)中的有著重要的地位和舉足輕重的作用,對貴州省社會經(jīng)濟發(fā)展的影響巨大。2.2.2貴州省公路交通主要問題公路技術等級偏低。長期以來,貴州省等級公路發(fā)展平穩(wěn),二級及以上公路發(fā)展趨勢較為緩慢,且占公路通車里程比重較低。至2007年底,全國等級公路里程比重為70.7%,貴州省等級公路里程比重僅為45%,遠遠低于全國水平。其中,二級及以上公路占全省公路通車里程的3%,占全省等級公路里程的6.67%,分別低于全國平均水平7%和8%。貴州省公路交通發(fā)展不足,特別是高等級公路發(fā)展不足,制約著貴州經(jīng)濟社會的發(fā)展。公路設施建設籌資能力不足。貴州省經(jīng)濟的相對落后,使得城市化水平較低,投資環(huán)境較差,市場化融資手段在貴州省道路交通基礎設施建設中運用不順暢,道路交通建設資金仍然主要依靠國家補助和銀行貸款,籌資渠道較為單一。盡管國家在貴州省道路交通投入方面給予了較大的傾斜,但由于省內(nèi)經(jīng)濟總量小、各經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)屬于發(fā)展時期,地方財政收入微薄,財政在道路交通建設方面投資能力不足,且還貸能力不足。因此,籌款能力不足是制約貴州省公路建設發(fā)展的主要因素?!笆濉逼诤?,貴州省重點公路建設正處于高投入期,已完成的公路項目進入了還貸期。由于交通量小,僅依靠征收通行費來還貸還不能實現(xiàn)。再加上路網(wǎng)建設和改造的資金需求龐大,貴州省公路建設資金缺口很大,交通扶貧任務十分艱巨。目前,貴州省高速公路網(wǎng)中己建成高速公路924公里、在建高速公路808公里,達到標準的公路里程占規(guī)劃總里程的13.50/0。未來高速公路網(wǎng)建設所需資金約4400億元,己爭取中央和省財政資金1560億元,資金缺口高達2840億元,這對貴州省道路交通設施建設資金的籌集提出了很高的要求,對公路交通的發(fā)展提出了很大的難題。公路交通安全現(xiàn)狀差。貴州省內(nèi)溝壑縱橫的地理條件降低了公路行駛的安全系數(shù),許多公路路段蜿蜒于懸崖峭壁之間,路窄、彎急、坡陡,有的路段甚至有長達20余公里長坡;同時,受地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的限制,貴州省公路等級偏低,交通安全設施和安全防護設施等方面都相對欠缺。因此貴州省一直是我國重、特大交通事故多發(fā)的省份之一。近幾年來,隨著西部大開發(fā)的進行,貴州省加大了交通基礎設施建設,公路交通都得到快速的發(fā)展,通車里程持續(xù)增長;但公路交通安全設施和交通安全管理方面并沒有及時的跟上,交通事故數(shù)仍然急速增加。2007年全國道路交通萬車死亡率為5.1,貴州道路交通萬車死亡率為9.33,高出全國近兩倍(萬車死亡率=(死亡人數(shù)/機動車輛數(shù))x10000)。2.3數(shù)值計算方法的介紹數(shù)值計算指有效使用數(shù)字計算機求數(shù)學問題近似解的方法與過程,以及由相關理論構成的學科。數(shù)值計算主要研究如何利用計算機更好的解決各種數(shù)學問題,包括連續(xù)系統(tǒng)離散化和離散形方程的求解,并考慮誤差、收斂性和穩(wěn)定性等問題。從數(shù)學類型來分,數(shù)值運算的研究領域包括數(shù)值逼近、數(shù)值微分和數(shù)值積分、數(shù)值代數(shù)、最優(yōu)化方法、常微分方程數(shù)值解法、積分方程數(shù)值解法、偏微分方程數(shù)值解法、計算幾何、計算概率統(tǒng)計等。隨著計算機的廣泛應用和發(fā)展,許多計算領域的問題,如計算物理、計算力學、計算化學、計算經(jīng)濟學等都可歸結為數(shù)值計算問題。數(shù)值積分求定積分的近似值的數(shù)值方法,即用被積函數(shù)的有限個抽樣值的離散或加權平均近似值代替定積分的值。求某函數(shù)的定積分時,在多數(shù)情況下,被積函數(shù)的原函數(shù)很難用初等函數(shù)表達出來,因此能夠借助微積分學的牛頓-萊布尼茲公式計算定積分的機會是不多的。另外,許多實際問題中的被積函數(shù)往往是列表函數(shù)或其他形式的非連續(xù)函數(shù),對這類函數(shù)的定積分,也不能用不定積分方法求解。由于以上原因,數(shù)值積分的理論與方法一直是計算數(shù)學研究的基本課題。對微積分學作出杰出貢獻的數(shù)學大師,如I.牛頓、L.歐拉、C.F.高斯等人也在數(shù)值積分這個領域作出了各自的貢獻,并奠定了它的理論基礎。數(shù)值計算具有以下5個重要特征:1、數(shù)值計算的結果是離散的,并且一定有誤差,這是數(shù)值計算方法區(qū)別與解析法的主要特征。2、注重計算的穩(wěn)定性??刂普`差的增長勢頭,保證計算過程穩(wěn)定是數(shù)值計算方法的核心任務之一。3、注重快捷的計算速度和高計算精度是數(shù)值計算的重要特征。4、注重構造性證明。5、數(shù)值計算主要是運用有限逼近的思想來進行誤差運算。第3章數(shù)值計算法在貴州省公路交通中的運用3.1貴州省公路貨運、客運道路交通發(fā)展現(xiàn)狀“十二五”期間,貴州省實施路網(wǎng)改造及農(nóng)村公路建設52686公里,2002年實現(xiàn)了鄉(xiāng)鄉(xiāng)通公路,到2005年底,通鄉(xiāng)油路比例達到61.70/0,全省通公路或機動車的行政村比例達到85%,超計劃完成交通部對貴州省80%通村比例的要求。2005年,貴州省人民政府批準了《貴州省骨架公路網(wǎng)規(guī)劃》。規(guī)劃的主要目標是:到2020年,通過達到二級及以上公路標準、路面等級為高級且具有完善的安全服務設施的骨架公路將貴州省內(nèi)所有的市、縣連接起來,實現(xiàn)市、縣到所屬地、州、市的高等級公路連接;基本建成貴州省高速公路網(wǎng),實現(xiàn)地、州、市到省會及相鄰地、州、市之問的高等級公路連通:以貴州省所轄地(市)、縣(市)政府駐地為節(jié)點,將省內(nèi)各地(州、市)、縣(市)政府駐地、區(qū)域經(jīng)濟中心、重要交通樞紐以及軍事戰(zhàn)略要地、主要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地、能源工業(yè)基地、礦產(chǎn)區(qū)、主要旅游風景名勝區(qū)等連接起來,同時與鄰?。▍^(qū)、市)的干線公路順暢連接,使貴州省的公路網(wǎng)融入到整個中西大區(qū)域路網(wǎng)中,起到連接東西、溝通南北的作用,充分利用西部大開發(fā)戰(zhàn)略帶來的機遇,發(fā)揮貴州省的區(qū)位優(yōu)勢和在西南地區(qū)的交通樞紐的地位。在“規(guī)劃”的指導下,通過貴州省各級人民政府不懈努力,截至2016年底,貴州省共實施公路路網(wǎng)改造三萬余公里,公路路網(wǎng)技術等級大幅度提高。2016年貴州省公路通車總里程123247.062公里(包括農(nóng)村公路通車里程)中,包括7條國道3658.243公里(主干線985.944公里)、34條省道7217.061公里,495條縣道15533.94公里,鄉(xiāng)道21079.25公里,專用公路745.568公里,村道75013.005公里:實現(xiàn)了68.7W0的鄉(xiāng)鎮(zhèn)通油路、64.8ry0的建制村通公路、23.7%的建制村通油路。截至2007年底,由省會貴陽到各市州地政府所在地實現(xiàn)了高等級公路連通,“一橫一縱四連線”高速、高等級公路主骨架網(wǎng)全部建成。3.2貴州省工具交通需求預測從貴州省未來公路交通需求預測結果來看,2020-2030年間貴州省公路客貨運輸需求增長快速,2015年公路客運需求比2010年增長了近三成,公路貨運需求增長了近一半,平均每年分別增長5和9個百分點;2020年公路客貨運輸需求分別比2015年增長25.8%和35.7%,增長趨勢較“十二五”期緩慢,但平均每年仍保持較高的增長率。這是由于貴州省一直致力于交通運輸,特別是公路運輸基礎設施的建設發(fā)展,省內(nèi)豐富的旅游資源被開發(fā),農(nóng)業(yè)、工業(yè)等產(chǎn)品陸續(xù)開拓新的市場,社會經(jīng)濟快速增長,公路交通客貨需求大幅度增加;而隨著貴州省綜合運輸體系的完善和人民生活水平的提高,人民出行選擇更多,公路客貨運輸需求繼續(xù)增長的同時增長趨勢將有所放緩。3.3公路交通(貨運量和客運量)需求比較分析將未來貴州省各地區(qū)公路客貨需求量進行比較,我們發(fā)現(xiàn),2020-2030年間貴州省各地區(qū)公路客貨需求穩(wěn)定增加,其中六盤水、遵義、安順、黔東南、黔南、黔西南幾個地區(qū)的公路客運及貨運需求比例皆呈上升趨勢,貴陽公路客貨運量比例呈下降趨勢,其他地區(qū)微妙改變。這是由于貴州省經(jīng)濟的發(fā)展和交通基礎設施的建設,貴州省內(nèi)各地區(qū)通行限制得到緩解,區(qū)域經(jīng)濟不平衡狀態(tài)逐步得到改善,各地區(qū)經(jīng)濟和諧穩(wěn)定發(fā)展,經(jīng)濟薄弱地區(qū)厚積薄發(fā),經(jīng)濟增長快速,公路客貨運輸需求量大幅度增加,所占比例增長。第4章結論隨著西部大開發(fā)的進行,貴州省政治、經(jīng)濟也有較大的發(fā)展。公路交通作為貴州省主要交通運輸方式得到迅速的發(fā)展,通車里程持續(xù)增長,技術等級也不斷提升。但同時,公路交通發(fā)展的不足也一直制約著貴州經(jīng)濟的發(fā)展。隨著貴州省政府對綜合交通體系的完善,對低等級公路的改造和對高速、高等級公路的建設,貴州省道路交通運輸?shù)姆召|(zhì)量和服務水平都得到提高,公路發(fā)展不足制約經(jīng)濟的狀況得到改善。因個人的能力和時間有限以及資料的不足,對貴州省高速公路建設對沿線區(qū)域影響分析較淺,進行分析的高速公路主觀意識強烈,對沿線區(qū)域產(chǎn)業(yè)變化、新增經(jīng)濟增長點認識不足,從面對高速公路對沿線區(qū)域客貨需求影響分析不夠深入,這是今后繼續(xù)研究分析的部分。致謝本論文是在XXX老師的諄諄教誨和指導下完成的,論文從選題、構思到定稿無不滲透著導師的心血和汗水;教授淵博的知識和嚴謹?shù)膶W風使我受益終身,在此表示深深的敬意和感謝。我還要感謝含辛茹苦、任勞任怨、望子成龍、不圖回報的父母的養(yǎng)育之恩,他們給予我的愛和支持讓我順利地完成了自己的學業(yè)。最后,因本人水平有限,在文中難免有不足之處,懇請各位老師批評指正。

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