一种基于UWB的矿井地震仪授时系统及方法专利检索-根据通过无线电信号携带或表示的时间信息确定时间[2013.01]专利检索查询-专利查询网

一种基于UWB的矿井地震仪授时系统及方法
申请号	CN202110849322.3	申请日	2021-07-27	公开(公告)号	CN113589678A	公开(公告)日	2021-11-02
申请人	中煤科工集团西安研究院有限公司;			发明人	徐晶; 张庆庆; 吴海; 沈宏亮; 樊依林; 王博; 代晨昱; 赵朋朋;
摘要	本发明公开一种基于UWB的矿井地震仪授时系统及方法，该方法从授时基站开始依次对各采集分站进行授时，直至完成反馈基站的时钟偏差计算并与阈值比较后回传至授时基站；然后从反馈基站开始依次逆向对各采集分站进行授时，再回到授时基站并计算授时基站的时钟偏差并与阈值比较后完成授时。本发明采用高精度的UWB模块进行时钟同步，采用无线信号进行通信，时钟同步精度可达到微秒甚至纳秒级别，具有实施的便捷性、低成本、高精度的特性。
权利要求	1.一种基于UWB的矿井地震仪授时系统，其特征在于，该系统包括一个授时基站、一个反馈基站以及位于授时基站和反馈基站间的多个采集分站；并且授时基站和其相邻的采集分站之间设有辅助标签I，反馈基站和其相邻的采集分站之间设有辅助标签II；授时基站、反馈基站、采集分站、辅助标签I和辅助标签II之间能进行授时通信；所述授时基站、反馈基站、辅助标签I和辅助标签II均包括一个UWB模块，采集分站包括两个UWB模块，分别为标签模块和基站模块；授时基站为整个系统的标准时间，对各个采集分站的时钟进行管理，保证各节点间的时钟偏差满足系统要求，且授时基站和反馈基站的时钟精度高于各采集分站的时钟精度；反馈基站用以与授时基站协同合作保证各采集分站的时钟同步精度；采集分站用于接收和传递标准时间信息，并用于地震信号的采集和存储；辅助标签I用于授时基站及其相邻的采集分站之间的时钟同步；辅助标签II用于反馈基站及其相邻的采集分站之间的时钟同步。 2.一种基于UWB的矿井地震仪授时方法，其特征在于，该方法通过权利要求1所述的系统实现，从授时基站开始依次对各采集分站进行授时，直至完成反馈基站的时钟偏差计算并回传至授时基站；然后从反馈基站开始依次逆向对各采集分站进行授时，再回到授时基站完成授时。 3.如权利要求2所述的基于UWB的矿井地震仪授时方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将多个采集分站等间距布设在矿井内，再将授时基站和反馈基站进行时钟同步后分别布设在多个采集分站的两端，并布设辅助标签I和辅助标签II；步骤二、按照实际的位置图建立授时基站、反馈基站、采集分站、辅助标签I和辅助标签II的授时通信链路信息；步骤三、从授时基站开始依次对采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X进行授时，直至完成反馈基站的时钟偏差计算并与阈值比较后回传授时成功或失败信息至授时基站；步骤四、反馈基站完成时钟同步后，从反馈基站开始、依次对采集分站X、…采集分站3、采集分站2、采集分站1进行授时，再回到授时基站并计算授时基站的时钟偏差并与阈值比较后完成授时。 4.如权利要求3所述的基于UWB的矿井地震仪授时方法，其特征在于，所述步骤三包括：步骤3.1授时基站发出授时命令给辅助标签I，辅助标签I发送脉冲信号，授时基站和采集分站1的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过辅助标签I完成时间信息交换，计算采集分站1和授时基站的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站1进行绝对时间修正，从而完成授时基站和采集分站1的时钟同步；步骤3.2采集分站1的标签模块发送脉冲信号，授时基站和采集分站2的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过采集分站1标签模块完成时间信息交换，计算采集分站2与授时基站的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站2进行绝对时间修正，从而完成授时基站和采集分站2的时钟同步；步骤3.3同理依次串行链路分别进行授时，当对采集分站S(S≥2)授时完成后，采集分站S的标签模块发送脉冲信号，采集分站S‑1和采集分站S+1的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过采集分站S的标签模块完成时间信息交换，计算采集分站S‑1和采集分站S+1的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站S+1进行绝对时间修正，从而进行采集分站S+1和采集分站S‑1的时钟同步；从而依次完成所有采集分站的授时；步骤3.4辅助标签II发送脉冲信号，采集分站X和反馈基站记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过辅助标签II完成时间信息交换，计算采集分站X和反馈基站的时钟偏差ΔT反馈基站；由于反馈基站和授时基站工作之前进行了时钟同步且采用同等精度的守时电路，所以当ΔT反馈基站大于设定阈值时，认为授时不成功，并回传授时失败信息至授时基站，授时基站重新启动授时程序直至ΔT反馈基站不超过设定阈值。 5.如权利要求4所述的基于UWB的矿井地震仪授时方法，其特征在于，所述授时基站、采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X以及反馈基站依次等间距布设；所述辅助标签I位于授时基站和采集分站1之间的中点位置，辅助标签II位于反馈基站和采集分站X之间的中点位置。 6.如权利要求5所述的基于UWB的矿井地震仪授时方法，其特征在于，所述步骤3.1中的时钟偏差为采集分站1的基站模块接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳与授时基站接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值；同理，步骤3.2中的时钟偏差为采集分站2的基站模块接收到采集分站1的标签模块脉冲信号的时间戳与授时基站接收到采集分站1的标签模块脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值；步骤3.3中的时钟偏差为采集分站S+1的基站模块接收到采集分站S的标签模块脉冲信号的时间戳与采集分站S‑1接收到采集分站S的标签模块脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值；步骤3.4中的时钟偏差为反馈基站接收到辅助标签II的脉冲信号的时间戳与采集分站X接收到辅助标签II的脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值。 7.如权利要求6所述的基于UWB的矿井地震仪授时方法，其特征在于，所述步骤四包括：逆向执行步骤3.4到3.1后计算得到授时基站的时钟偏差ΔT授时基站，ΔT授时基站为授时基站收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳与采集分站1收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳的差值，当ΔT授时基站不超过设定阈值时，则系统内各个节点实现了时钟同步。
说明书全文	一种基于UWB的矿井地震仪授时系统及方法技术领域 [0001] 本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及一种地震仪授时方法，具体是涉及一种基于UWB的地震仪授时方法。背景技术 [0002] 在地震勘探领域，各个采集节点的时间同步是保证地震数据准确采集的关键影响因素之一。在矿井等封闭环境下的高精度时间同步方式目前大致分为两种。一种是采用IEE1588协议的网络授时机制，其优点是可实现微秒级的高精度授时，缺点是需要特殊的链路结构和硬件支撑，施工成本高，通用的网络硬件条件无法保证授时精度。另外一种方式是在地面完成GPS授时，采集节点内部采用高精度晶振完成守时，其优点是施工成本低，由于摆脱了第一种授时机制中线缆连接的制约，施工的便捷性得以大大提升，缺点是采集节点的时间同步精度会随着施工时间的增加而出现大幅度的降低，无法满足长时间地震探测或监测的需求。发明内容 [0003] 针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于UWB的矿井地震仪授时系统及方法，以解决现有技术的上述不足。 [0004] 为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案： [0005] 一种基于UWB的矿井地震仪授时系统，该系统包括一个授时基站、一个反馈基站以及位于授时基站和反馈基站间的多个采集分站；并且授时基站和其相邻的采集分站之间设有辅助标签I，反馈基站和其相邻的采集分站之间设有辅助标签II；授时基站、反馈基站、采集分站、辅助标签I和辅助标签II之间能进行授时通信； [0006] 所述授时基站、反馈基站、辅助标签I和辅助标签II均包括一个UWB模块，采集分站包括两个UWB模块，分别为标签模块和基站模块； [0007] 授时基站为整个系统的标准时间，对各个采集分站的时钟进行管理，保证各节点间的时钟偏差满足系统要求，且授时基站和反馈基站的时钟精度高于各采集分站的时钟精度；反馈基站用以与授时基站协同合作保证各采集分站的时钟同步精度；采集分站用于接收和传递标准时间信息，并用于地震信号的采集和存储；辅助标签I用于授时基站及其相邻的采集分站之间的时钟同步；辅助标签II用于反馈基站及其相邻的采集分站之间的时钟同步。 [0008] 一种基于UWB的矿井地震仪授时方法，该方法通过所述的系统实现，从授时基站开始依次对各采集分站进行授时，直至完成反馈基站的时钟偏差计算并回传至授时基站；然后从反馈基站开始依次逆向对各采集分站进行授时，再回到授时基站完成授时。 [0009] 本发明还包括如下技术特征： [0010] 具体的，包括以下步骤： [0011] 步骤一、将多个采集分站等间距布设在矿井内，再将授时基站和反馈基站进行时钟同步后分别布设在多个采集分站的两端，并布设辅助标签I和辅助标签II； [0012] 步骤二、按照实际的位置图建立授时基站、反馈基站、采集分站、辅助标签I和辅助标签II的授时通信链路信息； [0013] 步骤三、从授时基站开始依次对采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X进行授时，直至完成反馈基站的时钟偏差计算并与阈值比较后回传授时成功或失败信息至授时基站； [0014] 步骤四、反馈基站完成时钟同步后，从反馈基站开始、依次对采集分站X、…采集分站3、采集分站2、采集分站1进行授时，再回到授时基站并计算授时基站的时钟偏差并与阈值比较后完成授时。 [0015] 具体的，所述步骤三包括： [0016] 步骤3.1授时基站发出授时命令给辅助标签I，辅助标签I发送脉冲信号，授时基站和采集分站1的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过辅助标签I完成时间信息交换，计算采集分站1和授时基站的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站1进行绝对时间修正，从而完成授时基站和采集分站1的时钟同步； [0017] 步骤3.2采集分站1的标签模块发送脉冲信号，授时基站和采集分站2的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过采集分站1标签模块完成时间信息交换，计算采集分站2与授时基站的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站2进行绝对时间修正，从而完成授时基站和采集分站2的时钟同步； [0018] 步骤3.3同理依次串行链路分别进行授时，当对采集分站S(S≥2)授时完成后，采集分站S的标签模块发送脉冲信号，采集分站S‑1和采集分站S+1的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过采集分站S的标签模块完成时间信息交换，计算采集分站S‑1和采集分站S+1的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站S+1进行绝对时间修正，从而进行采集分站S+1和采集分站S‑1的时钟同步；从而依次完成所有采集分站的授时； [0019] 步骤3.4辅助标签II发送脉冲信号，采集分站X和反馈基站记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过辅助标签II完成时间信息交换，计算采集分站X和反馈基站的时钟偏差ΔT反馈基站；由于反馈基站和授时基站工作之前进行了时钟同步且采用同等精度的守时电路，所以当ΔT反馈基站大于设定阈值时，认为授时不成功，并回传授时失败信息至授时基站，授时基站重新启动授时程序直至ΔT反馈基站不超过设定阈值。 [0020] 具体的，所述授时基站、采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X以及反馈基站依次等间距布设；所述辅助标签I位于授时基站和采集分站1之间的中点位置，辅助标签II位于反馈基站和采集分站X之间的中点位置。 [0021] 具体的，所述步骤3.1中的时钟偏差为采集分站1的基站模块接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳与授时基站接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值； [0022] 同理，步骤3.2中的时钟偏差为采集分站2的基站模块接收到采集分站1的标签模块脉冲信号的时间戳与授时基站接收到采集分站1的标签模块脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值； [0023] 步骤3.3中的时钟偏差为采集分站S+1的基站模块接收到采集分站S的标签模块脉冲信号的时间戳与采集分站S‑1接收到采集分站S的标签模块脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值； [0024] 步骤3.4中的时钟偏差为反馈基站接收到辅助标签II的脉冲信号的时间戳与采集分站X接收到辅助标签II的脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值。 [0025] 具体的，所述步骤四包括：逆向执行步骤3.4到3.1后计算得到授时基站的时钟偏差ΔT授时基站，ΔT授时基站为授时基站收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳与采集分站1收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳的差值，当ΔT授时基站不超过设定阈值时，则系统内各个节点实现了时钟同步。 [0026] 本发明与现有技术相比，有益的技术效果是： [0027] 本发明采用高精度的UWB模块进行时钟同步，模块间均采用无线信号进行通信，省去了同步电缆的铺设成本；且由于无线信号的高频率窄脉宽特性，时钟同步精度可达到微秒甚至纳秒级别，可以采用滤波、统计学习等方法进一步修正误差，提高同步精度。本发明与现有技术相比，具有实施的便捷性、低成本、高精度的特性。附图说明 [0028] 图1为本发明具体实施方式的示意图。 [0029] 以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。具体实施方式 [0030] 本发明中，采集基站按照距离授时基站的距离从近及远的顺序，串行逐个完成时钟同步；授时频次、授时精度等由授时基站的上位机程序统一管理。由于UWB模组实现超窄带宽的脉冲信号的发射和识别，所以通过此种方案可以实现采集节点间微秒级别、甚至是纳秒级别的时钟同步。各个采集节点间无需线缆连接，工程的施工难度小、成本低，且授时基站可根据各采集分站和反馈基站的数据，对授时频次和各个采集分站的授时补偿进行实时动态的调节，以保证系统内所有节点的授时精度满足施工需求。采用时间间隔授时的方法，每间隔一段时间执行一次时钟授时，让各个采集分站的本地时钟误差无法累计，系统内各采集分站可长时间保持高精度时间同步。综上，一种基于UWB的地震仪授时方法的授时系统在井下的封闭环境中，可实现低成本、高精度的时钟同步。 [0031] 遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。 [0032] 实施例1： [0033] 本实施例提供一种基于UWB的矿井地震仪授时系统，如图1所示，该系统包括一个授时基站、一个反馈基站以及位于授时基站和反馈基站间的多个采集分站；并且授时基站和其相邻的采集分站之间设有辅助标签I，反馈基站和其相邻的采集分站之间设有辅助标签II；授时基站、反馈基站、采集分站、辅助标签I和辅助标签II之间能进行授时通信。 [0034] 授时基站、反馈基站、辅助标签I和辅助标签II均包括一个UWB模块，采集分站包括两个UWB模块，分别为标签模块和基站模块。 [0035] 授时基站通过发送、回收时间信息，时间信息需在系统内循环一周最后回到授时基站，授时基站通过对比返回的时间信息与自身时钟，对授时的有效性进行判定，进而对系统内的各个采集节点的时钟同步精度进行统一管理。授时基站为整个系统的标准时间(时间源)，对各个采集分站的时钟进行管理，保证各节点间的时钟偏差满足系统要求，且授时基站和反馈基站的时钟精度高于各采集分站的时钟精度；反馈基站用以与授时基站协同合作保证各采集分站的时钟同步精度；采集分站用于接收和传递标准时间信息，并用于地震信号的采集和存储；辅助标签I用于授时基站及其相邻的采集分站之间的时钟同步；辅助标签II用于反馈基站及其相邻的采集分站之间的时钟同步。 [0036] 在本实施例中，采集分站包括依次布设的采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X，采集分站X为第X个采集分站；授时基站、采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X以及反馈基站依次等间距布设；辅助标签I位于授时基站和采集分站1之间的中点位置，辅助标签II位于反馈基站和采集分站X之间的中点位置。 [0037] 实施例2： [0038] 本实施例提供一种基于UWB的矿井地震仪授时方法，该方法通过实施例1的系统实现，从授时基站开始依次对采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X进行授时，直至完成反馈基站的时钟偏差计算并与阈值比较后回传授时成功或失败信息至授时基站；然后从反馈基站开始依次对采集分站X、…采集分站3、采集分站2、采集分站1进行授时，再回到授时基站并计算授时基站的时钟偏差并与阈值比较后完成授时。 [0039] 具体包括以下步骤： [0040] 步骤一、按照施工设计图，将多个采集分站等间距布设在矿井内，再将授时基站和反馈基站采用线同步或地面GPS同步方式进行高精度时钟同步后分别布设在多个采集分站的两端，且授时基站与第一个采集分站的距离、反馈基站与最后一个采集分站的距离以及相邻两个采集分站的距离均相等；在授时基站和第一采集分站中间设置辅助标签I，在反馈基站和最后一个采集分站中间设置辅助标签II； [0041] 步骤二、按照实际的位置图建立授时基站、反馈基站、采集分站、辅助标签I和辅助标签II的授时通信链路信息；按照位置图，将各个节点(即系统内采集分站、辅助标签、反馈基站中UWB模块)的通信地址依次写入授时基站的管理系统内；授时基站、反馈基站、采集分站、辅助标签设备的UWB模块通信地址需保证在自组网内的唯一性；授时基站将通信链路信息逐级发送至系统内各节点； [0042] 步骤三、从授时基站开始依次对采集分站1、采集分站2、采集分站3…采集分站X进行授时，直至完成反馈基站的时钟偏差计算并与阈值比较后回传授时成功或失败信息至授时基站； [0043] 步骤四、反馈基站完成时钟同步后，从反馈基站开始、依次对采集分站X、…采集分站3、采集分站2、采集分站1进行授时，再回到授时基站并计算授时基站的时钟偏差并与阈值比较后完成授时。 [0044] 具体的，步骤三包括： [0045] 步骤3.1授时基站发出授时命令给辅助标签I，辅助标签I发送脉冲信号，授时基站和采集分站1的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过辅助标签I完成时间信息交换，计算采集分站1和授时基站的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站1进行绝对时间修正，从而完成授时基站和采集分站1的时钟同步； [0046] 步骤3.2采集分站1的标签模块发送脉冲信号，授时基站和采集分站2的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过采集分站1标签模块完成时间信息交换，计算采集分站2与授时基站的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站2进行绝对时间修正，从而完成授时基站和采集分站2的时钟同步； [0047] 步骤3.3同理依次串行链路分别进行授时，当对采集分站S(S≥2)授时完成后，采集分站S的标签模块发送脉冲信号，采集分站S‑1和采集分站S+1的基站模块记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过采集分站S的标签模块完成时间信息交换，计算采集分站S‑1和采集分站S+1的时钟偏差，用计算所得的时钟偏差对采集分站S+1进行绝对时间修正，从而进行采集分站S+1和采集分站S‑1的时钟同步；从而依次完成所有采集分站的授时； [0048] 步骤3.4辅助标签II发送脉冲信号，采集分站X和反馈基站记录脉冲信号的接收时间，接收完成后通过辅助标签II完成时间信息交换，计算采集分站X和反馈基站的时钟偏差ΔT反馈基站；由于反馈基站和授时基站工作之前进行了时钟同步且采用同等精度的守时电路，所以当ΔT反馈基站大于设定阈值时，认为授时不成功，并回传授时失败信息至授时基站，授时基站重新启动授时程序直至ΔT反馈基站不超过设定阈值。 [0049] 具体的，步骤四包括：逆向执行步骤3.4到3.1，计算授时基站的时钟偏差ΔT授时基站，ΔT授时基站为授时基站收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳与采集分站1收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳的差值，当ΔT授时基站≤ΔT阈值时，则系统内各个节点实现了时钟同步。 [0050] 步骤3.1中的时钟偏差为采集分站1的基站模块接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳与授时基站接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值； [0051] 更具体的，授时基站接收到辅助标签I的N次脉冲信号的时间戳分别标记为TAnchor[1]、TAnchor[2]、……，TAnchor[N]；采集分站1的基站模块接收到辅助标签I的N次脉冲信号的时间戳分别标记为TA[1]、TA[2]、……、TA[N]；则满足以下公式： [0052] TA[i]‑d标签1‑采集分站1/C+ΔTA[i]＝ TAnchor[i] ‑d授时基站‑标签1/C (1)[0053] 上式中，TA[i]为采集分站1的基站模块第i次接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳；d标签I‑采集分站1为辅助标签I到采集分站1的距离；d授时基站‑标签I为授时基站到辅助标签I的距离；C为光速；ΔTA[i]为采集分站1此时相对授时基站的时钟偏差；TAnchor[i]为授时基站第i次接收到辅助标签I的脉冲信号的时间戳；由于d标签I‑采集分站1和d授时基站‑标签I相等，公式1可推导为：TA[i]+ΔTA[i]＝TAnchor[i]，(1‑1)；根据公式1‑1，计算出第i个脉冲信号对应的采集分站1和授时基站的时钟偏差ΔTA[i]；对N次计算的时钟偏差取均值：用计算所得的ΔTA对采集分站1进行绝对时间修正，采集分站1将Δ TA的数值和授时成功状态值回传至授时基站，从而完成授时基站和采集分站1的时钟同步。 [0054] 同理，步骤3.2中的时钟偏差为采集分站2的基站模块接收到采集分站1的标签模块脉冲信号的时间戳与授时基站接收到采集分站1的标签模块脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值； [0055] 步骤3.3中的时钟偏差为采集分站S+1的基站模块接收到采集分站S标签模块的脉冲信号的时间戳与采集分站S‑1接收到采集分站S的标签模块脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值； [0056] 步骤3.4中的时钟偏差为反馈基站接收到辅助标签II的脉冲信号的时间戳与采集分站X接收到辅助标签II的脉冲信号的时间戳之间的差值进行N次计算后的均值。 [0057] 优选的，每间隔时间T授时间隔后，重复步骤三和四，这样授时基站可以得到每个采集分站的时间误差数组ΔTij(i＝1，2，……，X即分站编号；j＝1，2，……，n即第几次授时)，授时基站按照采集分站的授时误差，计算采集分站的频率误差反馈给相应的采集分站，采集分站根据频率误差参数对本地时钟频率进行修正。综上，采用算法(多次平均甚至是机器学习等算法)计算各个采集分站的频率的误差，传递误差参数给相应的采集分站，采集分站依据参数对自身的时钟频率进行调整，提高授时间隔期间内守时的精度。以简单的误差修正算法为采集分站A进行频率修正为例：频率偏差其中f是采集分站自身时钟频率。

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