FAIMS Mobile：用于实地研究的灵活开源软件

*SoftwareX 7（2018）47原始软件出版物FAIMS Mobile：用于实地研究的灵活开源软件放大图片作者：Brian Ballsun-Stantona，Shawn A.Rossa，b，*，Aynthia Sobotkovaa，Penny Crookc一 澳大利亚悉尼麦考瑞大学古代史系b澳大利亚悉尼麦考瑞大学现代历史、政治和国际关系系大历史研究所c澳大利亚墨尔本拉筹伯大学考古系ar t i cl e i nf o文章历史记录：2017年3月3日收到2017年9月28日收到修订版2017年12月15日接受保留字：Android移动软件领域研究领域科学a b st ra ctFAIMS Mobile是一个原生的Android应用程序，由Ubuntu服务器支持，促进跨学科的人工中介领域研究。它由“核心”Java和Ruby软件组成定义包也可以使用基于XML的领域特定语言生成，使定制更容易。FAIMS Mobile包括允许根据现场工作的需要量身定制的丰富而高效的数据捕获的功能。它还促进了综合研究，并通过生成可以在创建时映射到词汇表或本体的综合数据集来提高透明度和可©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本2.5到用于此代码版本的存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-17-00021法律代码许可证GPL v3使用git的代码版本控制系统软件代码语言，工具和服务使用Java，Ruby，XML，SQLite，Spatialite，Javarosa，Antlr，Puppet，Apache，Imagemagick，God，Beanshell，gson，Guice，Nutiteq（non-free），NativeCSS，Protobuf，Robotium编译要求、操作环境依赖性Android Studio，Ubuntu 16.04，Nutiteq许可证（用于无水印GIS）链接到开发人员文档/手册模块Cookbookhttps://faimsproject.atlassian.net/wiki/x/RgAu模块Beanshell APIhttps://faimsproject.atlassian.net/wiki/x/RwAu开发人员文档主页https://faimsproject.atlassian.net/wiki/spaces/FAIMS/overviewhttps://perma.cc/M4B3-JJEA‘User to Developer’ documentation https://github.com/FAIMS/UserToDev问题支持电子邮件support@fedarch.org软件元数据当前软件版本2.5.20此版本可执行文件的永久链接FAIMS Mobilehttps://www.fedarch.org/apkGoogle Playhttps://play.google.com/store/apps/details? id=au.edu.faims.mq.fieldresearch2& hl=en服务器端（wget和pipe到bash）https://raw.githubusercontent.com/FAIMS/faims-web/master/installer/puppetInstall.sh法律软件许可证GPL v3计算平台/操作系统Android，Ubuntu安装要求依赖项Android 6+，Ubuntu 16.04链接到用户手册https://faimsproject.atlassian.net/wiki/spaces/MobileUser/overview问题支持电子邮件support@fedarch.org对应：古代历史系，麦考瑞大学，2109新南威尔士州，澳大利亚。电子邮件地址：brian. mq.edu.au（B. Ballsun-Stanton），shawn.mq.edu.au（S.A. Ross），adela. mq.edu.au（A. Sobotkova），p.latrobe.edu.au（P. Crook）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2017.12.0062352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx48B. Ballsun-Stanton等人/SoftwareX 7（2018）471. 动机和意义社会科学、人文科学、生物科学、地球科学和环境科学中的许多学科都依赖于通过人为中介的实地考察收集的数据这些数据可能来自考古学的挖掘，生态学的野生动物观察，环境地球化学的土壤取样，或口述历史的主题访谈。然而，实地研究学科往往缺乏透明度和可重复性，损害了研究结果的完整性[1]。现场数据通常使用硬拷贝、各种格式的数据片段和定制数据库的临时混合来收集[2此外，数据集通常被困在硬拷贝档案，本地存储或数字数字数据集通常是高度可变的，质量差，不兼容。这样的缺陷抑制了原始数据的重复使用和来自多个研究的数据集的聚合以用于大规模研究[4，7，1]。没有充分注意开发专门为实地研究期间收集数字数据而设计的软件。存在一些用于离散任务的工具，例如测量结构地质的走向和倾角（例如，GeoCline或Rocklogger for Android），但更复杂的现场数据收集被忽略了。例如，考古学中的大多数数字数据收集都是使用通用和重新设计的移动和桌面应用程序（例如，多媒体、办公生产力、GIS、数据库或社会调查软件），或构建定制应用程序。这两种方法都有严重的局限性[8]。定制软件的构建和维护成本很高，除了资金最充足的项目和组织（例如，iDig，由雅典的美国古典研究学院创建：[9，10]，另见[11]）。重新使用的软件要求现场研究人员使用为其他环境设计的应用程序，这些应用程序缺乏关键功能，但仍然需要广泛的定制（参见在庞贝使用一套iOS应用程序相反，FAIMS Mobile是[8]）。它是为离线使用而设计的，不像大多数其他通用的现场数据收集软件，如ARK，Heurist或Kora [14]，它们都需要与服务器的连续连接。FAIMS Mobile是由Field Acquired Information Management Systems Project开发的开源 软件 ， Field Acquired Information Management SystemsProject是位于澳大利亚悉尼Macquarie大学的它是自2012年以来一直在开发的成熟软件（见：[15FAIMS Mobile与开放数据工具包（ODK）[18]及其变体最具可比性ODK是为社会调查而设计的，调查员向受访者提问FAIMS起源于考古学，在考古学中，研究者记录了对物质世界中事物的观察、这些观察之间的关系以及对这些观察的收集进行情境化的元数据。这两个项目都是用Java编写的开源数据收集平台，可以使用基于XML的特定领域语言进行定制。ODK还提供了更简单但限制性更强的自定义功能，使用ODK Build（一个HTML5拖放界面）、XLSForm（一个使用Excel文件构建表单的工具）或第三方基于GUI的应用程序，如KoBoeShop。相反，FAIMS支持更深入的客户化，而无需修改核心软件。它还包括ODK中没有的特性：网址：http://www.faims.edu.au（B. Ballsun-Stanton）。实体，所有设备之间的双向同步（ODK 2.0工具套件中的一个功能，处于alpha版本），使用仅追加的数据库，为所有记录提供版本历史，支持更广泛的外部传感器和外围设备，如标签打印机FAIMS还具有更丰富、更细粒度的帮助和元数据捕获。 简而言之，FAIMS比ODK更具可定制性，并且具有更多的现场工作特定功能，但因此，定制更加必要。实地研究项目，特别是在语言学或口述历史等前沿学科，将是明智的评估这两个平台。1.1. 实验环境FAIMS Mobile旨在收集各种类型（结构化，自由文本，地理空间，多媒体）的异构数据，以及伴随的元数据，这些数据是在人为中介的实地研究期间使用任意方法产生的它需要定制以实例化特定于项目的数据模型、用户界面和工作流，但它解决了基于现场的项目中共享的问题，例如在网络降级环境中提供移动GIS和跨多个设备的自动FAIMS项目在典型的开源收入模式下提供定制服务[19]。我们还提供在典型的FAIMS主导的部署过程中，研究人员与FAIMS项目人员合作，阐明他们的数据模型和工作流程。然后开发人员将该方法呈现为产生“模块”的文件的“定义包”（即，为特定项目定制的FAIMSMobile的实现）。单独的定义包文件提供了对数据模式（XML）、用户界面（XML和CSS）以及自动化和逻辑（Bean-shell）的细微控制。该界面也可以使用（纯文本）本地化文件翻译成多种语言。完成的模块被部署到本地或在线Ubuntu服务器，并从那里根据需要部署到尽可能多的Android设备上（在安装核心移动应用程序之后，例如从Google Play）。然后使用这些设备收集数据，这些设备可以完全离线操作，并在与服务器的连接可用时进行同步。数据可以在输入设备时进行验证，也可以在以后进行验证。服务器。在数据收集结束时，数据通过可定制的导出器以用户所需的格式导出。Sobotkova等人发表了三个部署案例研究，2016年[8]。或者，FAIMS开发了一种基于XML的领域专用语言（DSL）来简化定制。使用这种DSL，单个文件被用来生成完整的定义包，代价是失去对定制的每个元素（数据模式、UI、自动化）的独立控制除了FAIMS团队进行的部署之外，项目还使用生成整个定义包的详细方法和简化的基于DSL的方法独立定制FAIMS Mobile[20，21]。对GitHub库2中的众多模块之一感到满意的用户也可以简单地实例化现有的自定义。1 https://github.com/FAIMS/UserToDevhttps://perma.cc/M4B3-JJEA;2 https://github.com/FAIMS网站。B. Ballsun-Stanton等人/SoftwareX 7（2018）47492. 软件描述FAIMS Mobile是一款开源、可定制的软件，专门用于支持跨多个领域的实地研究。它允许在多个Android设备上离线收集结构化、文本、多媒体和地理空间数据，并围绕提供完整版本历史的仅限附件的浏览器它包括可自定义导出到现有数据库或标准格式，并由促进数据兼容性的功能支持。最后，它是专为快速原型使用和易于redeployability，以减少实施成本。2.1. 软件构架FAIMS Mobile由用Java和Ruby编写的“核心”软件组成，使用由XML、Beanshell和CSS文件（可以从用基于XML的DSL编写的单个文件生成）组成的可重用定义包为特定的现场部署定制。更具体地说，FAIMS使用以下技术：Javarosa用于在运行时呈现原生Android UI元素; Sqlite3用于存储属性-键-值模式（具有可在运行时定义的数据模式）;受Google Protobufs启发的仅附加数据模型Spatialite用于将地理空间数据编码到GPU中;Nutiteq用于渲染地理空间数据;NativeCSS用于对Android原生元素进行样式化;Antlr 3作为标识符的语法解析器;以及一个Ruby on Rails/Apache堆栈，为同步、版本审查、用户管理和类似任务提供服务器，这些任务可以在线托管，也可以在现场的普通硬件上托管我们开发这种架构以满足两个基本要求：（1）软件必须适应广泛的研究设计、数据模式和工作流程，（2）软件必须适应极其可变的结构化、自由文本、多媒体和地理空间数据。我们需要构建一个能够渲染和记录任意字段数据的系统，因为与特定方法（即使可扩展）绑定并构建为单独移动应用程序的单个“数据记录器”不会吸引足够大的受众来保证所我们的Android客户端可以在运行时呈现定义包实例化任意数据收集方法（模式和工作流），将记录保存到数据库，并适时地将该数据与服务器同步，并从服务器同步到其他移动设备。“核心”客户端和定义包之间的这种区别类似于Web浏览器和网站之间的区别。浏览器包含许多复杂的引擎，用于呈现页面、交互性和样式，但没有内容。网站使用浏览器提供的HTML引擎来显示其特定内容。五年的部署经验揭示了质量保证的重要性，这在学术软件中经常被忽视[22，23]。实际上，每个定制和部署都是一个微型软件开发项目[8]。由于每个部署都需要大量的QA，FAIMS Mobile2.5+支持Robotium对定制数据收集模块进行单元和集成测试，因此可以通过正常的用户界面自动添加大量测试数据这允许用户在模拟的现场条件下对其模块进行负载测试2.2. 软件功能FAIMS Mobile通过提供广泛的功能来改善现场研究，这些功能专门满足跨学科现场研究的需求，同时促进从异构数据结构和工作流程中生成兼容的这些功能包括：数据模式、用户界面和自动化的深度定制，使用XML、Beanshell和CSS文档包进行细致入微的控制，或者使用基于XML的DSL中的单个文件进行轻松部署。定义文档与核心软件分离，使修改和重用更容易。单个记录中各种数据类型的集合，包括结构化数据、地理空间数据、自由文本、传感器生成的多媒体和文件附件。使用本地或在线服务器在无限数量的设备上自动双向同步所有数据在每台设备上复制整个网络数据库（而不是缓存）可提供强大的脱机功能。只要连接可用，就能实现同步，使设备能够在网络降级的环境中工作或长时间脱机多媒体文件的可配置同步;例如，为了减少设备存储需求，可以在服务器上保存全分辨率图像浏览器，流逻辑，分层选择，动态用户界面（扩展，折叠，隐藏或显示输入字段），和其他先进的数据收集功能。移动GIS支持栅格和矢量数据、图层管理、遗留数据可视化以及点、线和多边形创建和编辑。可以将多个记录链接到单个形状，也可以将多个形状链接到单个记录。离线映射。底图和遗留数据被上传到服务器并推送到所有设备。在现场创建的地理空间数据（矢量）在所有设备之间同步。“注释”和“确定性”字段附加到每个记录。前者允许收集粒度元数据（模拟纸质记录中的“页面边距”），而后者允许用户记录他们对对象的信心。内部和外部传感器和外围设备支持。所有内部设备传感器都可以被调用（例如，照相机、麦克风、GPS等）。可以连接外部蓝牙设备（如GPS接收器）、USB/HID设备（如数字天平和卡尺）以及蓝牙或USB标签打印机。使用纯文本本地化文件的多语言支持一种仅提供完整修订历史的附件存储器，包括有选择地查看和撤消对记录的更改的能力。移动终端和服务器端验证。有助于良好的实践，包括上下文HTML帮助，将URI嵌入到受控词汇表或其他元素中，以将它们链接到共享词汇表、同义词库或本体。可自定义导出到桌面软件、预先存在的数据库或在线数据服务（使用SQL查询）。························50B. Ballsun-Stanton等人/SoftwareX 7（2018）47图1.一、结构化数据记录：包括下拉菜单、数字字段、复选框、单选按钮和“图片字典”。2.3. 示例代码段分析虽然详细讨论模块代码超出了本文的范围 “FAIMS Cookbook”是一个涵盖数据结构和API的43. 说明性实例FAIMS提供了多种方法来记录数据（图。 1），所有这些都可以分层排列。所有字段，无论数据类型如何，都允许记录相关的元数据（图1）。 2）的情况。实地研究通常需要空间数据捕获和可视化。 FAIMS具有栅格GIS渲染功能（图 3、4）或矢量数据（两个图中的蓝色多边形）。矢量数据可以在字段中创建并自动绑定到记录。4. 影响FAIMS允许有效收集现场数据，大大减少或消除手动数字化（见[8]）。来自多个设备的数据的近实时可用性还提供了即时错误检测（特别是与验证相结合时）。该软件是免费的（如语音），可定制和可扩展的，可容纳任意的研究设计。它也是专门为实地研究而设计的。这种研究只代表1 https://github.com/FAIMS/UserToDevhttps://perma.cc/M4B3-JJEA;2 https://faimsproject.atlassian.net/wiki/x/RgAuhttps://perma.cc/H6XJ-X6E2;图二、 FAIMS有元数据，如注释（数字“边缘涂鸦”）和确定性。使用此接口还可以提供粒度化、上下文化、HTML格式的帮助图三. FAIMS Mobile可以渲染像卫星图像一样的地理参考光栅文件层。B. Ballsun-Stanton等人/SoftwareX 7（2018）4751见图4。以及地形图。矢量可以在“数据画布”层中绘制和编辑消费者或商业软件市场的一小部分，不太可能推动它的发展，而它是唯一的焦点，的FAIMS。最后，FAIMS Mobile是社区驱动的;如果当前或潜在用户请求新功能，则可以实现（在资源限制范围内）。研究人员还可以构建和共享自己的定制软件[8]，同时欢迎具有足够开发能力的组织直接为核心软件做出贡献。除了满足用户的直接需求外，FAIMS Mobile还改进了研究实践和数据管理。URI可以嵌入到受控词汇表和其他元素中[17]，将它们连接到链接的开放数据源（例如，物种信息可以链接到生命百科全书[24]）。本地化可用于将本地实践语言“翻译”为标准词汇（例如，考古学的“上下文”或“轨迹”可以被翻译成“统计单位”-然后链接到在线本体）。可定制的数据导出可以格式化现有服务或标准的数据（例如，考古记录不仅可以导出为shapefile、CSV或3NF关系数据库以合并到现有地理数据库中，还可以导出为XML或GeoJSON以摄取到特定于域的存储库（如Open Context）中。也许最重要的是，可以创建和导出全面而非选择性的数据集以供发布，从而提高透明度和可重复性。这些功能共同提高了项目间的数据兼容性，促进了大规模的实地研究。FAIMS Mobile使数字记录成为研究人员更可行且成本更低的选择[8，17]。核心软件模型是可用的（适度复杂性的良好范围的系统可以在一到两个开发人员天内原型化）。重用和修改来自不断增长的开放许可的在线库（可在GitHub上获得）的现有自定义也有助于降低部署成本[15]。因此，FAIMS Mobile的定制比定制移动应用程序的生产更便宜，并且与部署通用工具套件相比具有竞争力，现场研究需要：DBMS，GIS，社会调查软件，多媒体管理软件，笔记软件等。与此同时，FAIMS提供了不同数据类型的更好集成，与通用工具相比，研究人员需要更少的妥协。由于FAIMS也比通用工具的定制套件更容易重新部署，因此它允许轻松共享实践和创新[15]。FAIMS Mobile改变了用户的日常习惯。三个涉及考古部署的案例研究[8]表明，用户受益于实地工作效率的提高通过避免数字化和数据清理节省的时间远远抵消了实施FAIMS所需的时间，从而在给定时间内的实地工作中收集了更多的数据。数字化数据避免了延迟数字化的问题，延迟数字化通常发生在野外记录很久之后，当记录的背景被遗忘时，或者记录的人不再可用。研究人员报告了更完整，一致和粒度的数据。他们指出，挖掘者和专家之间可以更快地交换信息，这在一种情况下改善了他们还指出，从纸面到数字化的过程需要对实地做法进行全面审查，在此过程中，现有系统中隐含的知识变得明确，数据的建模也更加仔细。通过参与“微型软件开发项目”，研究人员熟悉了从纸质过渡到数字化带来的最大挑战是从项目结束（数字化）到项目开始（数据建模、开发和测试）的时间重新分配，即使实现了总体时间节省虽然在现场工作期间向数字记录的过渡代表了一个重大的社会技术变化，但FAIMS Mobile已经取得了良好的发展。自2014年首次公开发布以来，FAIMS Mobile已经定制了至少40次（由我们的团队或独立定制），有29次确认的现场部署，其中9次包括多个现场季节。5仅考虑FAIMS主导的开发，大约有300名用户使用该软件进行考古学、生态学、地球科学和历史研究，登录时间超过20，000小时。大多数采用的是大型的多年项目，这些项目仍处于其生命周期的早期，因此迄今为止，FAIMS相关基于FAIMS生成的数据的第一批研究2016-6the ‘heavy lifting’ of field recording (data storage, bi-directional同步、GIS等），并且可以通过利用由全定义分组提供的控制或DSL模块生成器的一个有经验的开发人员可以快速原型记录系统，如果数据和工作流程3 https://faimsproject.atlassian.net/wiki/x/jBH3Bhttps://perma.cc/RW4K-7X2U;4 https://play.google.com/store/apps/developer? id=FAIMS+Project;https://perma.cc/574T-QSVD网站。52B. Ballsun-Stanton等人/SoftwareX 7（2018）475. 结论当他们以数字方式收集数据时，现场研究人员经常重新使用大众市场或通用软件，这些软件不是专门为满足他们的需求而设计的这样做通常需要几个工具（其中一些是单独复杂的）来适应他们必须收集的丰富多样的数据FAIMS Mobile提供了另一种选择。它是专门为实地研究而建立的，有广泛的社区投入，包括与实地研究人员进行五年的迭代共同开发，首先是考古学，最近是地球科学，历史和生态学。FAIMS Mobile提供了无与伦比的功能来支持现场工作，包括收集结构化、自由文本、多媒体和地理空间数据、深度可定制性、移动GIS、使用内部和外部传感器、使用在线或本地服务器进行机会同步的离线功能、完整的记录版本历史、多语言支持、附加到各个字段的注释和注释以及丰富的上下文帮助。它包括可自定义导出到现有数据库或标准格式，并由促进数据兼容性的功能支持它旨在快速原型设计和易于重新部署，以降低实施成本，利用GitHub等在线软件版本控制FAIMS Mobile是一个社区驱动的、可定制的、可扩展的软件，可以支持实地研究学科从纸质到数字的社会技术过渡，并促进全面、兼容的数据集的生成，以提高合成研究的透明度和可重复性。确认我们要感谢自2012年以来为FAIMS项目做出贡献的许多个人和组织 。 有 关 项 目 发 起 人 和 参 与 者 的 完 整 列 表 ， 请 参 见https://www.faims。edu.auhttps://perma.cc/GBM3-YURJ;资金这项工作得到了国家电子研究合作工具和资源计划（RT 043;V005）、澳大利亚研究委员会（LE 140100151）、新南威尔士州政府研究吸引力和加速计划、麦考瑞大学、弗林德斯大学、拉筹伯大学、南十字星大学、昆士兰大学、悉尼大学、澳大利亚新南威尔士大学、英联邦科学和工业研究组织的支持，以及用户支付的咨询费。定制、部署和支持服务。附录A. 补充数据与本文相关的介绍性视频可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2017.12.006上找到。引用[1] McNutt M，Lehnert K，Hanson B，Nosek BA，Ellison AM，King JL.解放野外科学样本和数据。Science2016;351（6277）：1024-6.[2] 博格曼县大数据，小数据，没有数据：网络世界中的学术MIT Press;2015.[3] Kansa EC，Bissell A.在“小科学”领域共享原始数据的网络联合方法。Data SciJ2010;9：42-53.[4] 金蒂湾考古数据整合的前景和挑战。AmAntiq2006;71（3）：567-78.[5] SnowDR，Gahegan M，Giles CL，Hirth KG，Milner GR，Mitra P，WangJZ，等.网络工具和考古学。科学2006;311（5763）：958.[6] BlankeT，Hedges M.艺术和人文科学的数据研究基础设施In：Lin SC，YenE ， editors. 亚 太 地 区 研 究 界 的 管 理 网 格 和 云 系 统 。 Boston ， MA ：Springer;2010. p. 179比91[7] Kintigh KW，Altschul JH，Beaudry MC，Drennan RD，Kinzig AP，KohlerTA，Limp WF，Maschner HDG，Michener WK，Pauketat TR，Peregrine P，Sabloff JA，Wilkinson TJ，Wright HT，Zeder MA.考古学的巨大挑战ProcNatlAcad Sci USA2014;111（3）：879-80.[8] SobotkovaA ， Ross S ， Ballsun-Stanton B ， Fairbairn A ， Thompson J ，VanValken-burghP.测量两次，切割一次：一个通用的，考古学特定的现场数据收集系统的合作部署。In：Averett EW，Gordon JM，Counts DB，editors.为数字化未来调动过去;数字考古学的潜力。 北达科他大学，大福克斯：北达科他大学的数字出版社;2016年。p. 334比70[9] 希腊的美国古典研究学派，iDig。 http://idig.tips，https：//perma.cc/23PS-6567网站。[2017年12月18日访问]。[10] 尤德里克斯湾iDig - Recording Archaeology：a review.互联网考古2016;（42）：. http://dx.doi.org/10.11141/ia.42.13网站。[11] FeeSB. 关于自定义移动应用程序开发考古数据收集的思考。In：Averett EW，Gordon JM，Counts DB，editors. 调动过去：数字时代考古实地工作的最新方法。北达科他大学数字出版社;2016年。p. 219比34[12] 埃利斯SJR。我们准备好用新的（数字）方式记录考古现场工作了吗？庞贝的一个案例研究。In：Averett EW，Gordon JM，Counts DB，editors. 调动过去：数字时代考古实地工作的最新方法。北达科他大学数字出版社; 2016年。 p. 49比74[13] 卡 特 湾 制 作 工 作 流 程 -KoBoeShop/ PostGIS/ QGIS/ LibreOffice Base/pgadminIII- 数 字 考 古 方 法 实 践 研 究 所 ;2016 年 。 http ：//www.example.comdigitalarchaeology.msu.edu/crafting-work-flow-kobo-toolbox-postgis-qgis-libreoffice-base-pgadminii，https://perma.cc/5JPH-XQN4.[2017年2月25日[14] 戈登JM，埃弗雷特EW，计数DB。考古学中的移动计算：探索和解释当前的实践。In：Averett EW，Gordon JM，Counts DB，editors. 调动过去：数字时代考古实地工作的最新方法。北达科他大学数字出版社;2016年。p. 1 -32[15] Ross S，Ballsun-Stanton B，Sobotkova A，Crook P. 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