1 引言
“基于模型的企业(MBE)”已成为当代先进制造体系的具体体现，它的进展代表了数字化制造的未来。美国陆军研究院指出“如果恰当的构建企业MBE的能力体系，能够减少50%～70%的非重复成本，能够缩短达50%的上市时间”。基于此，美国国防部办公厅明确指出，将在其所有供应链中各企业推行MBE体系，开展MBE的能力等级认证。全世界众多装备制造企业也逐步加入到MBE企业能力建设的大军中。
仔细品读MBE的构成，MBE主要由基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护三大部分组成，并且在统一的系统工程的指导下形成有机的整体。MBE不仅仅局限在MBD模型的定义，它涵盖产品设计、制造和服务的完整的产品全生命周期业务，需要以MBD模型为核心，在各业务环节实现MBD模型的顺畅流通和直接使用。再仔细分析MBE的能力等级评价指标，包括MBD模型数据、技术数据包、更改与配置管理、企业内外的制造数据交互、质量需求规划与检测数据、扩展企业的协同与数据交换等六个方面，其更加强调的是扩展企业跨供应链的产品全生命周期业务的MBD模型以及相关数据在企业内外能够顺畅流通、可直接重用。
总之，完整的MBE能力体系构建，就是以MBD模型为统一的“工程语言”，按系统工程方法的指导，全面优化梳理企业内外、产品全生命周期业务流程、标准，采用先进的信息化技术，形成一套崭新的完整的产品研制能力体系。企业需要一套面向MBE的信息化环境，帮助企业实现MBD模型以及相关数据在企业内外能够顺畅流通、可直接利用。对于每一个制造企业，跨企业内外的产品全生命周期业务是非常复杂的，基于现有各自独立的信息化技术和工具，不可避免需要处理大量的系统集成和数据转换，才勉强能保障MBD模型以及相关数据的流通或可利用，这将是致力于成为MBE企业直接面临的最大的问题。
众多制造企业可能会问：是否存在一家公司，有能力提供一整套完整的面向MBE的解决方案与服务，帮助企业形成完备的MBE能力体系，减少繁重的集成与数据转换工作，能实现最大限度的数据畅通与可直接重用？答案是：西门子工业软件公司提供完整的MBE解决之道！西门子工业软件不仅具备专项MBE能力与工具，更能聚合整个西门子的优势，为制造企业提供完整的MBE解决方案，支撑企业实现跨供应链的产品全生命周期的MBE业务。
2 西门子MBE解决之道
西门子工业自动化事业部，支持行业客户的整个价值链——从产品设计到生产、服务，将自动化技术、产业控制技术和工业软件无与伦比地结合在一起。运用先进的全集成的软硬件解决方案，实现产品与生产的生命周期的集成，即打造数字化企业(工厂)，实现虚拟世界与实物世界的无缝联通，帮助企业降低产品研发成本、缩短新产品上市时间。如下图1所示。
图1 产品和生命的全生命周期集成
西门子工业软件公司是西门子工业自动化事业部旗下机构、全球领先的产品生命周期管理(PLM)软件及服务提供商。在全球拥有77000个客户，近900万装机量。其计算机辅助设计与工程(NX)、协同产品开发管理(Teamcenter)、数字化制造(Tecnomatix)等每个方面都在全球一直保持行业领导地位。根据《CIMdata中国PLM研究报告(2013)》，西门子工业软件公司被评为2012年中国PLM市场的“中国最佳PLM解决方案供应商”，并荣膺2012年中国PLM市场七项“第一”。
图2 收购策略扩充全生命周期解决方案的深度和广度
多年来，西门子工业软件公司不断在内部PLM研发方面进行大量的投资，以完善其PLM相关的产品和解决方案，同时花费巨额资金，通过收购策略，扩充其解决方案，增加新的功能，帮助客户应对新的挑战。例如，2011年完成对Vistagy的收购，实现向复合材料设计与制造的深入；2013年完成对LMS的收购，实现向系统级仿真、专业试验等领域的拓展。
凭借西门子在工业自动化领域的强大的软硬件全面集成的技术能力，以及完整的产品生命周期管理(PLM)解决方案的能力，西门子工业软件公司从一开始就积极参与MBD定义的技术开发、标准制定，以及美国国防部与波音公司的诸多验证性项目的实践。经过多年的实践应用完善，形成了以NX为MBD定义工具、通过Tecnomatix直接基于MBD进行数字化制造、通过LMS进行仿真和试验、以Teamcenter为MBE企业提供全生命周期业务管理/数据重用/供应链协同的统一管理平台的全面的MBE解决方案，帮助制造企业打造完整的MBE能力体系，实现MBD模型横跨产品全生命周期的应用：
●NX，MBD定义工具：NX作为CAD/CAE/CAM一体化工具，涵盖了概念设计、数字化产品定义、数字化仿真分析、评审分析、验证、多学科优化仿真分析等。它提供完整的MBD模型定义(三维产品模型加产品制造信息PMI)、浏览、交互的能力。
●Tecnomatix，基于MBD的数字化制造解决方案：工艺BOM管理、工艺分工、零件工艺规划、装配工艺规划、机械运动仿真、公差仿真、人机仿真、装配仿真、工厂规划仿真优化、生产路线仿真优化、MES集成化管理等。通过各种技术最大化地利用MBD模型，开展数字化制造工作。
●Teamcenter，MBE的全生命周期管理平台：智能决策、投资组合、多项目组合管理、需求管理、系统工程、多CAD管理、多学科优化仿真分析管理、数字样机、可视化协同、异地协同、BOM生命周期管理、维护保障管理、企业知识管理等。保障MBD模型以及相关数据能够被有效配置管理，能够在MBE企业内部以及供应链之间流通。
●LMS，仿真和试验解决方案：将三维功能仿真、试验系统、智能一维仿真系统、工程咨询服务有机地结合在一起，专注于系统动力学、声音品质、舒适性、耐久性、安全性、能量管理、燃油经济性和排放、流体系统、机电系统仿真等关键性能的开发和研究。
西门子完整的MBE解决方案，以系统工程思想为指导，贯穿从产品需求开始，经过产品设计、产品制造直至产品服务的完整产品全生命周期的过程，在各个阶段的各种信息能够被准确的定义到以MBD模型为核心的技术数据包中，并始终保持上游的技术数据包能够被下游直接重用，一直拓展到生产现场或服务现场。西门子MBE解决方案，是通过综合利用NX为基础的MBD定义工具、Tecnomatix支持MBD模式的数字化制造解决方案、Teamcenter支撑MBE企业产品全生命周期管理平台，LMS支持的仿真和试验，有机形成了从设计、工艺、制造、试验及服务和维护全面的MBE解决方案体系，包括：基于模型的系统工程、基于模型的产品设计、基于模型的分析应用、基于模型的机电一体系统工程、基于模型的全生命周期质量管理、基于模型的工装设计、基于模型的零件工艺、基于模型的装配工艺、基于模型的质量检测、基于模型的作业指导书、基于模型的制造执行、基于模型的实物样机测试——集成的振动噪声、基于模型的MBE供应链管理、基于模型的MBE数字化服务管理、复杂产品的构型管理、基于MBD的标准和规范等。通过这些各种专业的MBE能力灵活应用与组合，可帮助制造企业分阶段、分步骤实现MBE企业能力体系构建。西门子MBE解决方案的总体架构见下图4所示。
图3 MBD模型（包含PMI产品制造信息）在产品全生命周期管理的应用
图4 西门子MBE解决方案的总体架构
MBE企业的构建是漫长之路，尤其达到等级六的真正MBE企业，还需要在许多方面进行突破与完善。西门子工业软件公司将以西门子中央研究院——新技术孵化中心为引导，进行MBE能力技术的突破，通过西门子众多行业企业的实践应用进行完善，持续努力打造一套完整的MBE解决方案，始终保持领先一步的优势，引领制造企业迈向MBE企业的最高等级。
3 西门子MBE解决方案概述
西门子MBE解决方案，通过对各项专业MBE能力的灵活组合，以最大的方式保障MBD模型的准确定义、可直接重用、企业内外能快捷访问。
3.1 基于模型的系统工程解决方案
西门子基于模型的系统工程(MBSE)的解决方案，为复杂产品的研制提供了一个独特的MBD模型驱动的系统工程工作环境，它从需求阶段开始即通过模型（而非文档）的不断演化、迭代递增而实现产品的系统设计；通过模型的结构化定义可以清晰地刻画产品设计初期结构、功能与行为等各方面的需求；基于模型可以尽早通过模拟分析发现大量不合理的设计方案；同时模型还为各方提供了一个公共通用的、无二义性的设计信息交流工具，这一点尤其对复杂产品异地分布的系统设计具有重要意义。
图5 基于模型的系统工程解决方案
3.2 基于模型的三维产品设计解决方案
西门子MBD模型定义解决方案为实现基于MBD的三维数字化产品研发提供了工具保障。NX知识工程应用实现产品的快速设计：NX重用库帮助企业管理和重用大量的工程数据，产品设计模板实现典型零部件的快速重用，过程向导工具实现知识的积累和应用。
NX Check-Mate(一致性质量检查工具)，通过可视化方式，对MBD模型数据的合规性和可制造性进行自动验证，确保MBD模型数据的正确性。NX PMI提供了完整的三维标注环境、全面的工具套件，实现MBD模型定义过程的流畅；简单化的创建、放置和编辑，便于MBD模型的快速定义和PMI数据的有序管理。Teamcenter提供了工程协同管理环境，对MBD模型数据及其创建过程的有效管理，便于设计/制造/服务等以及供应链的全面协同。集成的NX PMI，通过PMI的一次创建，多次多点应用，实现数据重用的最大化。
图6 基于模型的三维产品设计解决方案
3.3 基于模型的设计分析应用解决方案
西门子NX提供CAD/CAE一体化的工具平台，把先进几何创建工具的能力与同步建模技术的速度和灵活性完美地结合在一起，为设计者提供边设计边分析的可能性，极大限度提高对MBD模型直接利用的效率。同时Teamcenter提供统一管理平台，实现设计与仿真数据统一管理，提高了仿真数据查询，分析过程和知识重用的效率，完整的多学科一体化仿真环境，降低了软件使用的复杂度，使得设计与分析工程能够共用一个图形界面环境，易于交流与沟通，有效实现结构与性能等多专业的协同与融合。
图7 基于模型的分析应用
3.4 基于模型的机电一体化系统工程
LMS将仿真和基于试验的工程方法结合在一起，既可以在开发的早期对子系统进行验证，又可以为最终系统验证提供高效的测试手段。随着LMS Imagine.Lab平台的最新发展，LMS为走向基于模型的系统工程开发流程提供了解决方案。LMS Imagine.Lab采用基于模型的系统工程方法，面向机电一体化系统仿真，为工程师提供了一个从功能需求直到物理建模和仿真的开放开发流程：LMS Imagine.Lab AMESim创建和运行多物理场仿真模型以分析复杂的系统特性，并支持控制系统的设计，从早期的技术参数确定到子系统测试(硬件在环)；LMS Imagine.Lab SysDM存储和管理横跨不同部门的受控对象和控制系统的模型以及数据；LMS Imagine.Lab System Synthesis对工程设计问题进行综合，根据性能需求创建产品的架构，对不同技术方案以及配置进行综合的工况设定，驱动仿真并对结果进行后处理的综合环境。通过LMS Imagine.Lab功能驱动设计的理念，用户可以在早期开发阶段，分析智能系统的功能特性；在样机测试前，优化机械、液压、气动、热和电子/电气系统间的复杂交互作用；同时，支持工程师对关键功能的主动设计，以提高产品的整体性能和品质；避免主要设计缺陷，探索创新设计，加速产品开发。
图8 LMS Imagine.Lab机电一体化仿真解决方案
3.5 基于模型的全生命周期质量管理解决方案
针对产品全生命周期质量管理，西门子公司提出了Tecnomatix VATM、NX CMM、Tecnomatix DPV组合的基于模型的解决方案，如下图。在产品设计阶段，VATM直接从MBD模型中提取数模和GD&T（PMI）进行尺寸建模，通过仿真产品的制造和装配过程来预测产品的尺寸质量和偏差源贡献因子，实现MBD模型中公差分配的优化，提高产品设计质量。在工艺规划阶段，NX CMM基于实体模型三维PMI标注驱动的智能化离线编程与虚拟仿真，借助基于模型的PMI信息重用，可有效准确地传递尺寸设计信息，从而确保数字化测量路径规划与虚拟仿真验证结果的可靠性与唯一性，为输出高质量零缺陷的CMM执行程序提供有力支持。在产品生产阶段，DPV通过对实时生产质量信息跟踪、分析和发布，帮助用户及时发现生产过程中的质量问题，通过对制造数据的深度关联分析，寻求问题的根本解决方案，从而提高产品的最终质量，同时提高生产效率并降低生产成本。DPV还可将产品开发过程中制造质量和设计质量挂钩，形成企业质量管理的闭环。以先进的三维容差仿真分析技术，结合高精度坐标测量机与其它检测手段以及生产过程中的尺寸测量规划与验证技术，基于包含产品制造信息的MBD模型为单一信息源和连续载体，实现基于模型的全生命周期质量管理。
图9 基于模型的全生命周期质量管理解决方案
3.6 基于模型的工装设计解决方案
西门子提供基于MBD的全三维数字化研发模式，将模块化设计的理念应用到工装设计中，通过对工装的模块化分类应用，实现工装设计知识和经验的积累和重用，促进工装的创新设计；实现工装上游数据的有效管理和状态控制，实现工艺工装设计的快速并行协同作业；实现工装数据的全面管理，工装设计结果在资源库中的管理，从而实现工装数据查询、参考和重用；从而达到缩短周期、改进质量、减少成本的目的。
图10 基于模型的工装设计解决方案
3.7 基于模型的零件工艺解决方案
西门子零件工艺解决方案将协同设计与制造，直接利用设计3D数据进行结构化工艺设计，关联产品、资源、工厂数据，实现了从产品设计到工艺、制造的业务集成，包括：产品设计（数据获取）、工艺设计、工装设计、工艺仿真、工艺卡片与统计报表、MES/ERP集成、知识管理及资源管理。在数字化工艺设计方面，可以及时获取准确设计MBD模型，维护工艺与设计的一致性；提高工艺编制质量与效率，减少错误与返工；相关部门获取实时、准确工艺数据，改进了工作质量和效率；丰富、直观的工艺报表，减少了无效工作时间和出错机会。在制造数据管理方面：与产品相关的设计、工艺、工装、制造、项目管理等部门在统一数据平台协同工作，在正确的时间获取正确的数据，减少差错，提高效率；在数控编程及管理方面：面向产品设计MBD模型的编程，识别零件特征与公差要求，基于典型零件和特征的模板化编程，极大地提高编程效率，改善质量，减少对员工经验的依赖。
图11 基于模型的零件工艺解决方案
3.8 基于模型的装配工艺解决方案
在西门子的装配工艺解决方案中，装配工艺与仿真建立于企业PLM平台之上，充分利用设计MBD模型、资源、工程MBD模型，由流水分工、MBOM创建、结构化工艺设计、工艺仿真与优化、可视化工艺输出、工艺统计报表部分组成，并实现各环节的数据管理，与PLM系统共用制造资源库。系统与产品设计、工装设计、维护维修、试验测试等系统实现数据共享和协同，与ERP、MES实现系统集成。
同时把装配工艺仿真放在PLM环境中统一考虑，提供在PLM环境下的装配工艺仿真能力。可以与数字化装配工艺规划结合起来，为改进产品装配制造过程提供了一个全新的方法和手段，来研究产品的可装配性分析、装配工艺的优化，装配质量的控制，装配工装的验证，以得到保证产品质量，缩短产品生产周期的目的。
图12 基于模型的装配工艺解决方案
3.9 基于模型的质量检测解决方案
西门子数字化检测解决方案，提供了从三坐标测量机(CMM)检测编程到三坐标测量检测执行的基于MBD的数字化检测一体化解决方案，涵盖了从制造工程到生产执行的环节。包含NX CMM检测编程和CMM检测执行两大模块。该解决方案通过重用MBD模型，极大地缩短了编程时间(最低可降低80%)；确保按公司标准检查所有的零部件是否合乎要求；捕捉并分享最佳实践；无需物理部件或机床，就能创建离线程序；有利于在整个流程中快速高效地传达设计变更；简化了软件部署的足迹(只需一套系统，就能实现CAD、CAM和CMM)；确保最低的培训要求。
图13 基于模型的质量检测解决方案
3.10 基于模型的作业指导书解决方案
基于模型的作业指导书(Model Based Instruction，简称MBI)是整个MBE体系的重要一环，是连接虚拟设计世界和真实物理世界的纽带和媒介。针对不同MBE能力水平的制造企业，西门子提供满足不同企业需求的多层次的MBI解决方案。
最基本的是2D PDF，它能打印，也能以电子文件的形式在车间展示。其次是提供基于3D PDF的MBI解决方案，它内嵌三维模型，可以直接浏览、旋转、测量，可以实现按工序/工步的动画播放。最后西门子还提供基于Web的在线作业指导MBI解决方案，称为EWI，它直接从Teamcenter服务器获取工艺内容，展示内容包括工艺结构、工序流程图(定义了工序/工步的串行并行)、操作描述、零组件配套表、工艺资源和三维模型。并且提供基于IPAD等便携终端的访问作业指导书，或直接在MES系统中访问作业指导书。MBI电子化和实物技术状态的电子化至少可以减少90%的查询时间。作为工艺和现场的纽带，MBI使得现场经验也能回馈到工艺，从管理体系上缩短产品研制周期。
图14 基于模型的作业指导书解决方案
3.11 基于模型的制造执行管理
西门子提供从产品研发到生产的“一站式”完整解决方案，实现从产品、工艺、工装、工厂的虚拟设计与验证，到产品的实物制造、检测、交付等全过程，实现虚拟世界与实物世界紧密整合，为现代制造业发展提供了新动力。
基于MBD的产品、工艺数据精确、实时地下发到生产现场，实现了设计意图的精确数字传递与展示，减少了以往2D、3D多次转换和理解带来精度和时间上的损耗，使工人的操作更规范、便捷，提高了生产效率和产品质量。基于MBD的产品检验更有效地简化手工操作，提高检验精度和效率，并将检验数据与产品模型、标注关联，实现质量数据的统计和分析，达到及早纠正偏差，预防质量问题的发生的目标。实现基于MBD的现场问题反馈，有效减少技术员与工人处理问题的时间，提高工作效率和质量，减少现场停工时间。基于MBD实做数据的采集，和返回PLM系统在实做BOM中进行管理，可有效应用于后期产品维护维修，以及产品改型、改进设计和制造。
图15 基于模型的制造执行管理
3.12 基于模型的实物样机测试——集成的振动噪声
LMS Test.Lab是一套完整的集成振动噪声试验解决方案，功能包括声学、旋转机械、结构试验、环境试验、振动控制、电子报告生成及数据管理。是高速多通道数据采集系统和集成的试验、分析、电子报告工具的完美结合。LMS Test.Lab可以使试验进行得更为有效、便捷，极大提高了现有设备的工作效率，并在可用的实物样机大幅减少的情况下，仍可获得更全面可靠的试验结果，实现基于模型的仿真设计与试验验证的闭环流程。
图16 集成振动噪声试验解决方案
3.13 基于模型的MBE供应链管理
西门子基于Teamcenter平台，提供一套灵活的、成熟的供应链管理解决方案的组合，帮助OEM快速建立完整的供应链管理解决方案，而不需要复杂的集成定制，也极大限度降低供应商的投入。
基于Teamcenter平台的多站点协同的能力、协同社区的能力以及基于公文包的供应关系管理能力，通过灵活组合，可以形成嵌入式、同步协同、异步协同（自助式）、异步协同（赞助式）等四种协同集成模式，实现MBD模型的顺畅流通。实现高效的MBE数据交互能力，减少管理成本；支撑广泛供应链内的闭环MBE流程；帮助MBE企业快速构建供应链（各种供应商包括OEM下属单位、战略合作伙伴、各种低成本供应商）全面集成协同与数据交互的能力，同时消除供应链管理中非增值的活动。
图17 基于模型的MBE供应链管理
3.14 基于模型的MBE数字化服务管理
Teamcenter的数字化服务(TC MRO)解决方案可建立完整的产品服务工程，支持维护、维修和大修的功能，从而满足产品服务生命周期管理和企业实物产品管理的需求。提供了整个生命周期的完全的可视性，可以使用配置驱动的产品服务的能力来规划服务运作，优化服务执行，并更好地利用实物产品与零件、工具和设备库存，最大限度地提高服务部门的效率。针对MBE企业，提供基于产品服务所需要的基于MBD模型的IETM(交互式电子技术手册)创建、有效性管理以及多语言翻译管理的全套能力；充分直接利用MBD模型，实现多种实物的可视化展现以及分析的能力；提供强大的基于MBD模型的维护维修的虚拟仿真能力；利用TC WEB客户端与TC Mobility(基于IPAD等移动设备的TC)能力，把产品服务所需的技术数据包TDP或IETM快捷延伸到维护现场。数字化服务(TC MRO)解决方案以面向产品全生命周期的视角，通过有效闭环连接产品规划、产品设计、产品制造与产品服务的业务环境，不仅仅提高产品服务的质量、效率和服务知识，同时通过服务反馈来提升产品规划、设计、制造的质量。
图18 基于模型的MBE数字化服务管理
3.15 复杂产品的构型管理解决方案
Teamcenter作为全球领先的产品全生命周期管理平台，通过其强大的产品配置器、更改管理和全生命周期的信息追溯与管理的能力，为业界提供了最为完善的复杂产品构型管理方案，帮助企业高效自觉履行构型管理的5大功能和37个原则：
●提供业界最全的产品全生命周期平台，真正涵盖全生命周期业务与数据，为面向全生命周期的构型管理奠定坚实基础。
●适用于汽车和飞机产品架构管理的最佳的产品配置器，能高效支撑复杂产品的全生命周期BOM管理。
●严格符合CMII的更改与有效性管理机制，有效贯彻构型管理标准。
●以需求驱动的信息端到端的关联与追溯，同时实现信息系统对构型管理范畴从虚拟产品到实物产品的拓展，达到全生命周期的构型管理。
●通过对MBD模型的有效关联与高效重用，真正实现MBE企业内MBD模型的单一数据源，确保模型的技术状态有效管控；
图19 面向产品全生命周期的构型管理
3.16 MBD标准规范及在西门子软件系统中的实现
西门子工业软件公司的Teamcenter+NX已经被众多的企业作为实现MBD技术的信息化平台，在国内外得到了广泛的应用，很多企业制定了基于Teamcenter+NX的MBD技术应用规范。这些规范对在Teamcenter+NX进行三维几何模型的创建、三维标准的表达、数据的组织和管理等都进行了规范。针对MBD在数字化设计与工艺中的应用，运用NXOPEN、ITK等开发工具，将MBD的相关标准和规范融入NX与Teamcenter平台，通过定制国标化、规范化、流程化、自动化的工具，构建基于西门子软件的MBD应用系统，帮助客户在已有的产品制造信息PMI技术基础上，方便快捷地完成各流程的设计与定义。
基于西门子软件的MBD应用系统包括MBD三维设计系统、MBD三维工艺系统、MBD标准检验系统三部分。
图20 MBD标准规范及在软件系统中的实现
4 西门子MBE解决方案的价值定位
凭借西门子在工业自动化领域的强大的软硬件全面集成的技术能力，以及完整的产品生命周期管理(PLM)解决方案的能力，西门子工业软件公司在为各制造企业提供MBE的专业技术能力同时，也提供一套完整的MBE解决方案，并将以领先一步的方式帮助制造企业打造MBE能力体系。西门子MBE解决方案与服务：
●为制造企业提供包括MBD模型定义、基于模型的工程(MBe)、基于模型的制造(MBM)和基于模型的服务MBS)等世界领先的各种MBE专业能力，使其能够在某些具备条件的专业业务领域快速具备MBE的能力，获得MBE的收益。
●为制造企业提供构建MBE完整能力体系的整体解决方案，可以引领企业逐步平滑的走上MBE的最高等级，减少中间过程中的繁重的系统集成与数据转换的非增值活动，并以最小成本保障MBE的能力体系能够得以持续的升级优化。
●通过数字化技术与自动化技术的融合，使制造企业在迈向MBE企业的同时，可逐步走向真正的数字化企业(工厂)，通过MBE能力与数字化工厂能力的融合，更大程度降低产品研发成本、缩短新产品上市时间。
●以西门子中央研究院进行MBE能力技术的突破，通过西门子众多行业企业的实践应用，始终保持领先一步的优势，引领制造企业迈向的MBE的最高境界。
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本文标题：基于模型的数字化企业解决方案
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