軟件視角(jiǎo)中的未來工業(三)
2016-10-24 來源:轉載 作者:安筱鵬
2016年9月2日,在中(zhōng)國電子信息產業(yè)發展研究院和e-works主辦的首屆“工業軟件與製造業融合發展高峰論壇”上,安筱鵬發表了《軟件視角(jiǎo)中的未來工業(yè)》主題演講,從軟(ruǎn)件支(zhī)撐(chēng)和定義的產品、管理、生產(chǎn)方式、新型能(néng)力和產業生態五(wǔ)個(gè)視(shì)角,探討軟件及未來工業發(fā)展趨勢。本文根據演講內容整理,將分四期刊出,本期是第三期。
站在軟件的視角來審視,從未來10年的時間(jiān)尺度去觀察,信息通信(xìn)技術與製造業融合帶來的將是一場(chǎng)製(zhì)造範式的遷移和一種製造(zào)模式的變革,也將是製造體係的重建。其核心在於,軟件作為一種工具(jù)、要素和載體,為製造業建(jiàn)立了一套賽博空間(Cyber)與物理空間(Physical)的閉環賦能體係,實現了物質生產運行規律的模型化、代碼化、軟件化,使製(zhì)造過程在虛擬(nǐ)世界(jiè)實現快速迭代和持續優化,並不斷優化物質世界的運行。
(一)製造範式的遷移:從實體製造到虛擬(nǐ)製造,以快速迭代、持(chí)續優化、數據驅動(dòng)重(chóng)建製(zhì)造效率、成本、質量管控(kòng)新體係
新概念泛(fàn)濫反映了製造範式的遷移。新技(jì)術帶給(gěi)人(rén)們的最大困惑之一是(shì)各種層出不窮的新概念。從網絡製造、協(xié)同製造、柔性製造、虛擬製(zhì)造、雲製造(zào)到服務型製造,從MRP、ERP、MES、MOM、PLM到SysLM,從工業4.0、工(gōng)業互聯網(wǎng)到第三次工業革命,從規模經濟、大規模生產、C2B到產費者(prosumer)。這些令人(rén)眼花繚亂的新概念的湧(yǒng)現往往意(yì)味著傳統(tǒng)概(gài)念體係已經難以描述新事物(wù)發展特征(zhēng)和規律,意(yì)味著新事物對傳統既有概念體係(xì)的挑(tiāo)戰,意味著傳統範式的遷移和新範式的出現。
1 虛擬製造:軟件(jiàn)定(dìng)義的新空間
ICT對人類社會帶來的重大變革是創造一個新世(shì)界:賽(sài)博空間(Cyberspace)。製造業數字化、網絡化、智能化的過程,是在賽博(bó)空間(jiān)(Cyberspace)重建製(zhì)造流程,並基於此不斷提升(shēng)製造效率的過程。2010年(nián)美國國(guó)防預研局(DARPA)發起的自適應運載器(qì)製(zhì)造(AVM)計劃,提出“重新發明(Reinvent)製造”,目標是通過徹底變(biàn)革和重塑裝備製造(zào)業,將武(wǔ)器裝備研製周期縮短到現在的五分之一。AVM的核心思想(xiǎng),就是顛覆“設(shè)計——製造——測試——再設計”的流程,通過實現產(chǎn)品(pǐn)設(shè)計、仿真、試驗(yàn)、工藝、製造等活動(dòng)全部在數(shù)字(zì)空間完成,重建製造新體係。虛擬(nǐ)製造將重新定義製造方式(shì)。
軟件支撐(chēng)和定義(yì)的虛擬設計。
回顧過(guò)去40多年工業軟件的發展曆程可以看出,研發設計、虛擬仿真、試驗驗證、產品全生命周期(qī)管理等軟件的發展(zhǎn),就是把支撐需求分析、概念設計、詳細(xì)設計、工藝規劃、虛擬仿真、驗證測試和的信息係統融入賽博空間並實現集成(chéng)融合,最終實(shí)現基於賽博空間的協同研(yán)發,今天來看這一進程(chéng)才(cái)剛剛開始。
CAD、CAE、PLM等(děng)軟件技術的發(fā)展實(shí)現了基於模型的產品定義(MBD),這一模型正成為產品製造(zào)過程中賽博(bó)空間信息流轉的載體,數字樣機從傳統的幾(jǐ)何樣機向性能樣機、製造樣機和維護樣機拓展,並將(jiāng)進一步進化為與實體產品對應的產品(pǐn)數字孿(luán)生體(Digital Twin)。波音787、空客380的設(shè)計製造過程生動地闡釋了這(zhè)一生產方式(shì)。
軟件支撐和定義(yì)的(de)虛擬製造。
在產品數字孿生體的基(jī)礎上(shàng),企業的工藝路(lù)線、生產(chǎn)布局、生產設備、製造流程和運營服務等都可以一一映射到虛擬生產環境中,基於三維設計和(hé)仿真工具,在(zài)賽博空間構建起虛擬產線、虛擬車間和虛擬工廠。
伴隨工廠生產設備數字孿生體、生產工藝數字孿生體的推(tuī)廣普及,無論在離散行業或流程行業,都將實現實物生產過程與虛擬生產過程實時映(yìng)射。例如,製造執行係統(MES)與三維數字模型相結合的典型(xíng)實(shí)踐為現(xiàn)實生產過程虛擬化提供了最初的探索,將為企業生產進入虛擬世界、開(kāi)啟虛擬製造(zào)模式提供可行選擇。
2 軟(ruǎn)件與製造範式的遷(qiān)移
工業革(gé)命300年來,技術變革是永恒的主題,而不變的主題是對製造效率、成本、質量永恒的追(zhuī)求(qiú)。如果說製造範式是一定時期,在特定(dìng)技術條(tiáo)件下對製(zhì)造業價值觀、方法論、發展模式和運(yùn)行規律的認識框架,那麽這一認識框(kuàng)架(jià)變革的原因之一是,軟(ruǎn)件(jiàn)通過創造一個與實(shí)物製造相對應(yīng)的虛擬製造空間,實現了(le)研發設計、仿真、試驗、製造(zào)、服務(wù)在虛擬空間的仿(fǎng)真(zhēn)測試和生產,形成(chéng)人類(lèi)認識和改造世界新方法。這一新方法推動了製造(zào)範(fàn)式的遷移,通過構(gòu)建製造業快速迭代、持續(xù)優化、數據驅動(dòng)的(de)新方式,重建製(zhì)造效(xiào)率、成本和質量管控新體係。
快速迭代。
人類認識世界的傳統(tǒng)方法是觀察(chá)、實驗、歸納、理論化,傳統工業時代(dài)愛迪生“試(shì)錯法”是對這一方法論最好的闡釋。麵對快速變化的市(shì)場和競爭環境,傳統的“試錯法”已難以滿足競爭的需要,基於數字仿真(zhēn)的“模擬擇優法”,依托基於模型(xíng)的產品定義(MBD)、全數字化樣機(jī)、數字(zì)孿生體等一係列新技術、新理念(niàn),通過推動產品研發、驗證、製造、服務業務在賽博空(kōng)間的快速迭代,實現研發生產效率的大幅提升。
“飛(fēi)豹(bào)”通過采(cǎi)用全數字化樣機設計技術,利(lì)用多次模擬仿真代(dài)替了大量反複實驗,大大減少(shǎo)了耗資巨大的模型風洞實驗,設計周(zhōu)期縮短(duǎn)了一半(bàn),工程量減少80%左右(yòu)。現在,數字化(huà)樣(yàng)機設計技術正從單件小批量的軍(jun1)工產品領域向多品種大批量的家電等產品領域延伸,快速靈活的設計方式幫(bāng)助設計人員減少了設計失誤和大(dà)量(liàng)的實物試驗驗證。
持續優化。
智能製造(zào)的本質是通過對製(zhì)造要素和過程的實時感知、科學決策和精準執行(háng),不斷優(yōu)化製造資源配置效率。這種優(yōu)化從單機設備、單一環節、單一場景、單一要素的局部小係統優化不(bú)斷向大係統、巨係統優化演進,從部門內優化(huà)到企業級優化,再到(dào)產業鏈(liàn)優(yōu)化,乃至(zhì)產業生態係統優化演進。
智能(néng)製造發展的過程,將是研發設計、製造裝備、工(gōng)藝流程、產品服務(wù)等製造(zào)資源和生產過程(chéng)不斷數字化並在賽(sài)博空間建立虛擬(nǐ)鏡像的過程,是在賽博空間重建製造全要素、全流程的過程(chéng),是實體製造與(yǔ)虛擬製造實時交互的過程。賽博空間製造過程優化的實時高效、零邊際成本、靈活構架等特點和優勢(shì),從根本上變革(gé)了資(zī)源配置方式和配置效率(lǜ)。軟件是物理世界虛擬(nǐ)化的重要手段,是構建賽(sài)博空間的重要載體,是虛實(shí)空間資源調配的關鍵工具,對於生(shēng)產方式持續優化起到至關重要的作用。
數據驅動。
企(qǐ)業競爭的(de)本質是在不確定環境下為謀求自身生存與發展(zhǎn)而展開的對資源爭奪的(de)較量,競爭的內在動力決定了(le)企業需要適應動態變化的市場(chǎng)環境。數據驅動的本質是企業通過支撐設計、生產(chǎn)、采購、銷售、經營(yíng)及財務等(děng)部門的業務係統,對生產(chǎn)全過程、產品全生命周期(qī)、供應鏈各環(huán)節的數據進行采集、存儲、分析和挖(wā)掘,確保企業所有部門以相同的數據協同工作,從而通過數據價值再造實現生產、業務、管理和決策等過程的優化,提升企業的(de)生產運(yùn)營效率。
麵對工業領域總量大、種(zhǒng)類多、情(qíng)況複雜的大(dà)數據,軟(ruǎn)件作為虛擬空間中承載、管理、挖掘數據的(de)核心載體(tǐ),將從(cóng)原來的以流程為中心向(xiàng)以數據為中(zhōng)心轉變(biàn),形成數據驅動型企業。
3 虛擬製造的三個(gè)階段
虛擬製造的應用,將(jiāng)會經曆從碎片化到一(yī)體化、從局部到全局、從靜態到動態的(de)過程,逐漸(jiàn)涵蓋研發設計、製造過程(chéng)、服務運營的全流程。虛擬製造大致分為三個階段:
局部虛擬製造階(jiē)段。
虛擬設計、虛擬產品、虛擬工廠、虛擬工藝等伴隨著設計、生產、管理軟件及工具的出(chū)現而興起,當前仍處於碎片化、局部虛擬製造階段。軟(ruǎn)件和信息係統散落(luò)在工業生產的各個環(huán)節,在虛擬空間尚沒有形成一個係統的整體,單機設備、單項環節、單一場景的虛擬化應用帶來(lái)的(de)是局部環節效率的提升,不(bú)同(tóng)環節之(zhī)間的整合尚需(xū)要人為活(huó)動的介入和物理過(guò)程的實現。
波音公司自1986年開始(shǐ)采用(yòng)三維數字化技術以(yǐ)來,分別在737三維生產過程、747三維概念設計、757數(shù)字化預裝配、767三維數字樣(yàng)機及製(zhì)造、777全三維數字化(huà)樣機等新產品研發設計中逐步提高虛擬設計和虛擬製造應用的廣度(dù)和深度。作為世界領軍製造商的波音在過去的30多年逐步實現了(le)設計、製造等環節的虛擬製造。
靜態虛擬製造階段。
隨著虛擬化進程的(de)不斷(duàn)深(shēn)入,製造業產品、裝備、工(gōng)藝及製造過(guò)程各(gè)環節在賽博空間構(gòu)建起數字孿生體、實現虛擬映射,在虛(xū)擬環境下構建起與現實世界製造(zào)全流程對(duì)應的生產體係,實現生產過程數據互聯互通、流程銜接有序和資源高效配置,虛擬世界可以實現對物理世界(jiè)運行規律的模擬、仿真(zhēn)並持續優化。但這種優(yōu)化(huà)發(fā)生在建立物理(lǐ)製造過程運行一(yī)個周期之後。
通常情況下,離(lí)散工業以周、天為周期,流程工業以批(pī)次為周(zhōu)期。企業將運轉的過程和結果輸入到虛擬(nǐ)空間進行模擬優化,可以對下一周期(qī)的工業生產進(jìn)行有效(xiào)指導。西(xī)門子等公司的工廠經過多年(nián)技(jì)術改造,部(bù)分工廠實現了產(chǎn)品研發、生產到(dào)物流配(pèi)送全(quán)過程的數字化映射,能夠通過對虛擬空間的曆史數據分析,不斷(duàn)優化(huà)下一個生產周期資源配置(zhì)。
動態虛擬製造(zào)階(jiē)段。
在靜態虛擬製造的基礎上,人員、機器、物料(liào)、工藝、環境、產品等各種要(yào)素在虛實空間(jiān)進一步實現完整、實(shí)時、動(dòng)態對應,現實生產運行狀況都能(néng)夠實時反映到(dào)虛擬空(kōng)間,虛擬空間優化後的決策能夠實時地反映到現實生產活動中(zhōng)。虛擬與現實已不是(shì)存在簡單(dān)映射關係的“孿生體”,而是相(xiàng)互聯接、相互傳控、相互作用的統(tǒng)一體。
物理世界任何變(biàn)化都會體現在虛擬世界,虛擬世界任(rèn)何調整都會反饋到物理世界(jiè),因此(cǐ),將會形成虛實結合、動態(tài)交互、高度智能的生產(chǎn)製造方式。這將是虛擬製造的最(zuì)高級階段,也將是一個需要長期(qī)努力才能實現的生產場(chǎng)景,其實現過程將會是長期、複雜(zá)並富(fù)有挑戰的。
(二)製造模式的變革:從規模生產到定製生產,以數(shù)據的自動流動解決複雜製造係統的不確定性、多樣性和複雜性
在當前全球產能過剩的大環境下(xià),企(qǐ)業(yè)麵對的產品和(hé)服務需求越來越差異化、多元化、快變化,這大幅增加了(le)研發設計、生產製造(zào)、產品服務(wù)等過程的不確定性、多樣性(xìng)和複雜性(xìng),規模化、標準化、預製化的(de)傳統生(shēng)產方式已無法滿足日益增長(zhǎng)的定製化需求。智(zhì)能製造關鍵在於承載著信息和知識的數據能夠沿著產品價值方向自由流動,從而解決製造係統的不(bú)確定性、多樣性和複雜性等問題。數據自動流動的背後(hòu)需要製造全過程的隱性數據顯性化(huà)、隱性知識顯示化。
1 隱性數據的顯性化——數據(jù)的完整性、及(jí)時性和準確性
智能製造與傳統製造的本質(zhì)區別在於,在生產製造過程中人員、機器、產品之間信息交流的(de)載體、方式、效率不同。智能製(zhì)造的基礎是數字化,傳感器、智能裝備和終端、工(gōng)業網絡、工業軟(ruǎn)件的大量使用促進了生產製造全過程的數字化(huà),數據采(cǎi)集、傳輸、存儲、分析和挖掘的手段相比傳統(tǒng)製造更加豐富,大量蘊含在生產製造過程中(zhōng)的隱性數據不斷被采集、匯聚、加工,形(xíng)成新的(de)知(zhī)識、決策,不斷優化製造資源的配置效(xiào)率(lǜ),數據的自動有序流動實現了物(wù)資流、資金流的(de)高效利用。
當感知無所不在,連接無(wú)所(suǒ)不在,數據一(yī)定無所不在。在(zài)信息化的背景下,數據正成為一種新(xīn)的資產,新的資(zī)源(yuán)和(hé)新的生產管理要素,數據的及時性、完整性和準(zhǔn)確性,數據開發利用的深度和廣度,數據流、物流(liú)和資金流(liú)的(de)協同水平和(hé)集成(chéng)能力(lì),數據流(liú)動的自動化水平,決定了企業未來核心(xīn)競爭力的來源。
紅(hóng)領集團能夠做到個(gè)性(xìng)化定製服裝的根本在於紅領(lǐng)內部建立了一個數據自動流動的生(shēng)產體係,實現了數據的自動采集、自(zì)動傳輸、自動處理、自動執行,把正確的數據(jù)在正確的時間發送給正確的人和機器,解決(jué)了生產定製化過(guò)程中的(de)不確定性、多(duō)樣性和複雜性。
2 隱性(xìng)知識的(de)顯性化(huà)——工業(yè)知識的軟件(jiàn)化
工業發(fā)展的過程是知識轉化和積累的過程,越來越多(duō)的知識融入到各種載體,與專利、工藝、創新能力以(yǐ)及企業的know-how等一起成為(wéi)工業知識的具體表現形式。智(zhì)能製造推進過程中,流程(chéng)和係統軟件是工(gōng)業知識顯性化的重要載體,工業知識軟件(jiàn)化的(de)過程也是隱性知(zhī)識顯性化的過(guò)程。工業知識的軟件化,是對工業研發技術、生產工藝、業務流程、員工技能、管理理念等知識的邏(luó)輯化、數(shù)字化和(hé)模型化,使得大量隱性工業知識被固化(huà)在各(gè)類軟件和信息係統中。
工業知識的軟(ruǎn)件化,一方麵,通過軟件完成大(dà)量原本需要人(rén)參與(yǔ)的重複性工作(zuò),將人解(jiě)放出來去做更高級、更具創造(zào)性(xìng)的工作;另一方麵,通過對記錄在(zài)軟件和信(xìn)息係統中的數(shù)據進行分析和挖掘,利用機器學習等技術獲得新的(de)知識。高質量的(de)工業軟件是一個優秀製(zhì)造企業核心競爭力的集中體現,波音、GE等企業擁有大量不為行業其他企業所掌(zhǎng)握的工業軟件。波音在(zài)787研製過程使用了8000多種軟件,其中有7000款是非商業化專業軟件,這是波音多年工程技術經驗和方法的載體。
3 軟件——構築數據自動流動的規則體係
美國國家標準與技術研究(jiū)院(NIST)曾經提出,智(zhì)能製造就是要解決(jué)差異性更大的定製化服務、更小的生產(chǎn)批量和不可預知的供應鏈變更(gèng)。智(zhì)能製造的(de)一個重要任務就是應對(duì)製造複雜係(xì)統的不確(què)定性,這種複雜性既來自於產品的複雜性(xìng),也來(lái)自於定製化生產等新生產方式所帶來的製造成本、質量和效率的挑戰。從(cóng)這個(gè)意義上講,製造業數字化、網絡化、智能化的(de)過程,就(jiù)是要促使承(chéng)載信(xìn)息和知識的數據在產品研(yán)發、生產計劃、生產執行、市場營銷、售後服務等環節有序自由流動,實現生(shēng)產全過程、產品全生命周期、全(quán)產業鏈(liàn)的高效運(yùn)轉和價值再造。實際上,是數據流動的自動化解決了製造(zào)係統的不(bú)確定性、多(duō)樣性和複雜性等問題。
實現數據的自動流動必須在虛擬空間構建一個數據自動流動的規則體係,這套體係的核心是軟件。軟件是算法的代碼化,算法是對(duì)現實問(wèn)題解決方案的係統描述,是(shì)人類(lèi)認識世界運行規律的思想結晶。仿真(zhēn)模型的核心是一套算法,排產計劃的核心是一套算法,搜尋引擎也是一(yī)套算法。賽博物理係統(CPS)是軟件(算(suàn)法)的集成,是虛擬(nǐ)空間與物理空間交互的實現載體,其本(běn)質是要打造“物(wù)理感知-虛擬控製-虛擬驅動-物理執行”的數據閉環,構築數據自動流動的規則(zé)體係,應對製造係統的(de)不確定性(xìng),實現製造資源的高效配置。更具(jù)體來講,製(zhì)造過程數據的自動流動,是指在給定(dìng)的時間、目標背景下,實現企業製造資源最優化配置的數據“自(zì)動”流動。數(shù)據在流動中產生知識(shí)、知識成為信息、信(xìn)息成(chéng)為決策、決策優化資源配置。
(三)製造係統的重建:從封閉體(tǐ)係走向開放體係,以網絡化協(xié)同實現製造資源局部(bù)優化向全局優化的演進
製造業的數字化、網絡(luò)化、智能化,帶來了製造過程感知無所(suǒ)不(bú)在、連接無所不(bú)在、數據無所不在,各種製造(zào)資源逐步形成一個相互作用的複雜係統網絡,製造業正在構造成一個複雜係統。製造係統的(de)演進將經曆從(cóng)單個係統、局部係統向全局係統(tǒng)拓展,從企業內部、產業(yè)鏈延伸到全社會,不斷突破地域、組(zǔ)織、機(jī)製的界限,實現對人才(cái)、技術、資金等資源和要素(sù)的高效整合,從而帶動產品、模式和業態創新。製造係統演進(jìn)的過程,是網絡(luò)化協同(tóng)生產不斷深化的過程,是從封閉係統不(bú)斷走向開(kāi)放(fàng)的過程,其將經曆三個(gè)階段:
1 從部門級協同到企業級協同
傳統組織的邊(biān)界(jiè)是資源管理、優化的邊界,製造資源的數字化、網絡化為打破(pò)部門邊界,重建企業內部資源管理邊界和優化管理模式創(chuàng)造了條件。在研發設計領域(yù),研發設計工具(jù)及管理平台的普及,有效整合企業(yè)內部研發設計資源,也在加速重構企業傳統的(de)研發模式、重建企業創新業(yè)務的邊界。
當前,許多企業研發的定位正在從基於產品功能和性能的研(yán)發,向物料可采購性、客戶需求(qiú)實時響應性、產品可維護性、產品可盈利性轉變(biàn);研發參與主體從單純的研發部門向製造、采(cǎi)購、營銷等(děng)其他(tā)部門(mén)拓展,突破了原有研發(fā)部門的邊(biān)界;研發創新(xīn)的(de)流程從串行向並行轉(zhuǎn)變,大大(dà)縮短(duǎn)了研發周期、提高了(le)研發效率。華為借助協同研發平台(tái)構建的集(jí)成研發流程(IPD),解決了早期研發產(chǎn)品和(hé)規(guī)劃的匹配度低、客戶滿意度(dù)低、產品方向決策失(shī)誤頻(pín)繁、版本混亂、開發效率低(dī)等諸(zhū)多問題,實(shí)現(xiàn)了由技術驅動向客戶需求驅動的轉變(biàn)。
2 從企(qǐ)業級協同到產業鏈(liàn)級協同
所有的企業都(dōu)是產業鏈上的一環,如何構建一個麵向產業鏈目標一(yī)致、信息共享、資源(yuán)與業(yè)務高效協同的跨企業生(shēng)產體係,是(shì)許多企業麵臨的共同挑戰。伴隨著信息技術應用不斷深(shēn)化,傳統製造企業與產業鏈上下遊企業的(de)業務協同不斷地被在線化、網絡化,企業級的業務協同正在向產業鏈級(jí)的(de)業務協同演(yǎn)進(jìn),企業(yè)內(nèi)部的協同(tóng)研發創新平台(tái)、供應鏈管(guǎn)理平台等不斷向產業鏈上下遊拓展,實現跨企業(yè)業務係統的互聯、互通、互操作,不斷提升麵向最終客(kè)戶的產品和服務的質量和效率。
無論是美國波(bō)音研製787、洛克希(xī)德·馬丁研製聯合攻擊戰鬥機(jī)(JSF),還(hái)是中國商飛(fēi)研製C919,都構建了麵向供應商的網絡(luò)化協同研發平台,實現了(le)多國(guó)、多地、多家研發人員的協同,其本質是企業(yè)信息係統集成邊界的拓展,是企業資源優化的邊界從內部走向全產業(yè)鏈、從封閉走向開放。
3 從產業鏈級協同到構築產(chǎn)業生態
製(zhì)造業數字化(huà)、網絡化步(bù)伐加快,不僅僅推動傳統產(chǎn)業鏈合作從線(xiàn)下(xià)走到線上,而且不斷催生出新的網絡化協同製造的新業態、新模(mó)式,從產業鏈級的協同向構築產(chǎn)業生態演進。航天雲網平台、GE的(de)Predix平台(tái)、西門子的MindSphere雲平台(tái)體(tǐ)現了產業生(shēng)態的發展方向。
這種麵向智能製造的產業生態正在不斷催生出(chū)網絡化協同製造(zào)的新模式,它與(yǔ)傳統的協同製造的不同表現在三個方麵:一是企(qǐ)業間合作(zuò)模式從傳統的確定性的長期固定合作向不確定(dìng)性隨機合作演進;二是網絡協同平台的功能從傳統的業務協作平(píng)台向產品、要素、能力的交易平台演進;三是網絡(luò)協同平台從傳統研發、供應鏈協同向製造、產品全生命管理等業務協同演變,從線性協作走向網(wǎng)絡協作。這將意味著網絡化協同製造2.0時代的(de)到(dào)來。
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