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某市粮食预警系统的动态模型和决策仿真研究

某市粮食预警系统的动态模型和决策仿真研究

作者:
袁永根
来源:
学习型组织研修中心
2013/08/10 00:00
1. 项目背景和意义
 
  粮食是国计民生的基础,只有搞好粮食工作,才能顺利地进行各项建设。自1998年国家实施粮食流通体制改革以来,国务院,省政府十分重视供应安全,2001年7月31日,国发[2001]28号《国务院关于进一步深化粮食流通体制改革的意见》指出:“粮食主销区实行粮食购销市场化,是当前深化粮食流通体制改革的重大举措,必须不失时机地加快推进。为了积极有效地推进粮食购销市场化,粮食主销区在粮食生产和流通主要依靠市场调节的同时,也要按照粮食省长负责制的要求,保证粮食供应和粮食市场稳定”。江苏省政府苏政发[2001]123号《省政府关于全面推进粮食购销市场化改革的实施意见》中指出“粮食是关系国计民生的重要商品,在推进粮食购销市场化的同时,必须同步推进各项配套改革,实行粮食工作省市长负责制,各级政府对当地的粮食生产、流通全面负责,增强政府对粮食的调控能力,确保粮食供应安全。”
 
  中国拥有世界上五分之一的人口,是人口第一大国,中国人所需的粮食就显得尤为重要.江苏省是鱼米之乡,作为粮食生产大省,不仅在粮食的供应上有着重要的地位,而且应在粮食的储备,调控和预警方面起到旗帜性的作用。十多年来,人民的生活水平有了大幅的飞跃。在这样大好的环境下,往往隐藏着一些重要的但又易被忽视的问题。某市政府居安思危,高瞻远瞩,早在2002年就拟议要建立一套完整的粮食预警系统。近期在南方的一个城市发现了“非典型性肺炎”。随着病情的发展,一时不仅发生了药荒,而且发生了人为的粮食恐慌,结果造成了粮价上涨。原来一直风平浪静的粮食供销体系瞬间被扰动了,而源头竟是一场谁也不知道什么时候来的肺病。这一例子进一步加快了该市政府建立粮食预警系统的步伐。
 
  该市属于城郊型的农业体系。在市场经济体制下,粮食购销体系的运作依赖市场经济的规律,不受政府的直接控制。购销本身是一个非常复杂的体系,不仅受到多种因素的影响,也受到经济规律的制约。往往一个小小的变动,都会最终产生巨大的效应。因此建立一套完整的粮食预警系统是保证粮食购销体系正常运转的一种重要措施。现在该市的储备粮原计划可应急3个月的突发情况。一旦该市的粮食购销体系的某个环节出了问题,依照现有的供销体系和粮食储备量,是否能很好地解决粮食供应问题呢?就粮食储备而言,不是越多越好,因为要定期更新,所以储备得越多,带来的经济负担就越重,对粮食储备进行过剩的投资是一种很大的浪费;粮食储备也不能少,一旦出现粮食问题,市储备量不够解决现有的危情,那么粮荒所造成的生产停滞,秩序混乱的可怕后果是不言而喻的。摆在我们面前的问题是我们必须找到最佳的粮食储备量,不仅可以维持突发状况下的粮食供应,又可以使投资更加合理化。除此以外,一套预警系统是调控合理化储备粮的重要手段。这套预警系统的关键是安全,提前,高效,预警周期短,信息响应速度快。不仅能很好地反应粮食供销状况,又能对突发情况迅速做出有效方案。在这复杂的动态体系中,传统的统计学是无法胜任其研究工作的。而系统动力学恰恰是解决动态复杂体系的一种好方法。利用系统动力学,可以完整、系统且有预见性的重现问题;洞察多项因素的综合影响及时间的延迟和反馈的作用;设计解决方案并测试其实际效果。不仅可以在实验室里进行研究、拿出成果,也可以在政府的报告会上进行现场演示,不仅效果直观、一目了然,而且可以即时演练各种策略。
 
  我们的目的是要构建该市粮食购销系统的运行和预警实验室。在计算机仿真系统实验室里,通过实验的方案比较,可以找出既安全又经济的粮食存储量和在突发情况下粮食发放的方案和价格,提供给市领导在决策时做参考。这样的决策是建立在科学基础上的,既可靠又快速和经济,同时它也加快了政务电子化进程,提高了对紧急情况的反应速度,并确保了其有效性。另外,系统动力学模型的灵活性和再生能力很强,可随时根据不同的实际情况做出相应的修改。
 
2. 技术背景
 
  本研究是运用系统动力学来制作该市的粮食预警系统的。系统思考的理论研究在国内已有近20年的历史,但是实际应用方面还处于初始阶段,而在国外尤其是在发达国家,已经被广泛接受了,尤其是2002年国际系统动力学年会的论文包涵了大量具有实际操作性的论文,这表明了一个明显的趋向,系统动力学已从理论研究走向实际应用。大量成绩卓著的大公司、政府部门、咨询企业都已使用系统动力学来处理重大问题,由此可见它作为一门前沿学科在各项领域中的重大作用。美国和日本的有关系统思考的系统动力学专家也用此工具进行了粮食的有关问题以及其他如肉类食品管理供应链的研究。这进一步表明了它在解决这类问题上的使用价值。
 
  图形化仿真模型软件是系统动力学用于研究实际项目的工具。它的特点是易理解、可交流、形成解决方案,可用于组织学习培训和演练。用此类软件从构造与实际情况相符的系统结构出发,因此其所形成的模型不仅能反应系统的真实行为,而且能预测未来,通过对模型进行健壮性测试和各项情景分析以动态的方法实验各类方案,更能实现系统的优化运作,为我们提供极有价值的可行操作方案。
 
3. 模型与仿真
 
3.1研究思路
 
  该市粮食预警系统是以该市粮食购销系统为基础的。我们的首要任务是构建粮食购销系统。在整个系统中,涉及该市粮食购销的实体有本地粮食生产者、周转粮商、粮食加工企业、二级批发商、外地粮商和零售商。这些实体构成了系统模型的各节点,而各节点上的库存及节点之间的各类关系就成了制约系统行为的因素。在市场经济体制下,实体之间的错综贸易网是我们必须重建的对象;这些实体对粮食的囤积受到成本等因素的控制,因此非常少;由于没有计划经济体制下对所有进程的宏观调控,实体之间各种行为的时间滞延并不固定;另外市民购买粮食会受到市场情形和心理因素的影响,是个不稳定的因素。这些参数在模型中的关系如何以及对预警系统有什么影响,是我们需要进一步研究的。
 
  预警系统用以应对粮食供应处于紧急情况的方案是通过市储备粮来实现的,因此在使用市储备粮的时候需要注意以下几点:
 
  1.恢复零售市场的稳定性。因为只有市场恢复平稳了,才可以证明粮食预警系统的有效性。同时,零售市场的稳定也是判定系统正确构建的标准,也是用好储备粮的标准。
 
  2.市储备粮的发放时间。市储备粮不能随意发放,发放时间也不能有任何耽误。那么处在动态复杂的系统中何时发放就必须用正确参数指标来控制市储备粮的使用。这是需要研究的问题之一。
 
  3.市储备粮的数量。科学地运用市储备粮才能取得良好的效果。粮食购销系统是一个动态平衡体系,使用市储备粮应急的目的是使系统重新回到正常的动态平衡,如果市储备粮的使用量不恰当则不仅达不到应急目的,还会造成新的问题。这是问题之二。
 
 
3.2系统模型
 
 
图1  该市粮食系统关系总图
 
 
3.3 仿真实验
 
1.对库存进行测试
 
  由于市场的开放,各级粮商均采用能卖多少才买多少的进货策略,力求不形成消耗成本的货物积压,这导致了各级粮库的低库存。一般的低库存策略在系统没有受到冲击而正常运行的情况下是不会显示出它的隐忧的,但是一旦有突发情况,它将成为影响系统正常运行的最为关键的因素之一。下面我们就将通过分析二级批发商的库存变化来观察粮食系统运作的变化。
 
  首先,我们通过观察市面零售商库存的波动曲线判断市场是否稳定。有必要介绍一下情景测试的背景参数即各级粮商的初始库存设置:扣除农民自留粮所剩的原粮我们称为某市产粮,设定为5200万公斤;使用外地粮总量设定为200000万公斤;周转粮初始库存设定为20000万公斤;本地粮食加工企业初始库存设定为500万公斤;二级批发商的初始库存设定为500万公斤;市面零售商总库存设定为400万公斤。系统在正常情况下,即没有发生抢购和粮食短缺,各级库存比较充裕的情况下的平稳运作得到图2(STELLA模型中的模拟器-1层面操作),零售商库存一直保持稳定,说明粮食系统的运作正常且市面保持稳定,是理想的运作环境。
 
 
图2  市场平稳运作图
 
  
  如果二级批发商为了降低库存成本,压缩它的库存,由正常状态的500万公斤下调至280万公斤(通过调节模拟器-1中的“二级批发商基本库存”滑杆来实施),这样的库存下调影响了零售商的库存量,零售商的库存水平下降到了相应较低的水平上约110万公斤,而这种水平将会无法满足该市市民日常所需的粮食量,因此如果不动用储备粮会产生零售商货源不足的情况。
 
  假如把二级批发商的库存量再降低20万公斤,即260万公斤,则将提早发生零售商库存较低的现象。下面我们对二级批发商的库存水平分别为500万公斤、280万公斤和260万公斤时的情况作个对比,由图3(将模拟器-1中的图形翻转到第2页)可以明显地看出随着二级批发商库存量的不断下降,将发生市面零售粮的短缺及短缺提前的现象。
 
 
图3  不同二级批发商库存下的零售商库存对比
 
  
  粮食供应链中与市面零售粮关系相近的库存越重要。通过对周转粮库存、原粮加工企业库存和二级批发商库存对市面零售影响的灵敏度分析可以发现:周转粮库存、粮食加工企业库存和二级批发商库存随着自身量的减少对市面零售的影响程度是不一样的,二级批发商和零售商在整个供应链上的关系最临近,所以市面零售状况对二级批发商的库存量变化最为敏感,其次是粮食加工企业库存,最不敏感的是关系最远的原粮供应商库存。
 
      因此通过对库存进行测试可以发现,要稳定市面零售粮食以满足市民对粮食的寻求,对二级批发商库存的正确调控是非常重要的。二级批发商库存的量应该维持在什么幅度波动,通过模型的模拟仿真发现二级批发商库存处在280-260万公斤时就是一道红色警戒线。
 
   2.对市储备粮的使用进行测试
 
  在粮食主销区实行粮食购销的市场化是当前深化粮食流通体制改革的重大举措。为了积极有效地推进粮食购销市场化,在粮食主销区保证粮食的生产和流通主要依靠市场调节的同时,也要保证粮食供应和粮食市场的稳定,即增强政府对粮食的宏观调控能力,确保粮食供应的安全。因此,必须建立以市储备粮为核心的粮食预警方案,做到有备无患。
 
  据统计该市区有居民80万户,非农业人口278万,流动人口80万,合计360万人,市储备粮库存1.5亿公斤原粮,那么这样的市储备粮可以应付多大幅度的减产、抵御多长时间的粮荒、解决多大的抢购风潮及怎样使用市储备粮才是最合理的?这些问题都可以通过模型的模拟仿真来找到答案。
 
  首先,外地粮食减量对零售商库存水平影响的情景分析。从图4(仍然是模拟器-1中的图形第2页)可以看出:蓝色曲线代表外地粮在20亿公斤的基础上减量6.2亿公斤(-31%左右,通过调节“外地粮总量”滑杆来实施)后的零售商库存水平,红色曲线代表外地粮在20亿公斤的基础上减量6.4亿公斤(-32%左右)后的零售商库存水平;红色曲线比蓝色曲线提前13天达到低库存水平,即市零售粮进入紧急供应状态;蓝色曲线在第365天时仍然能保持非零值,说明外地粮减量-31%的情况下依靠市储备粮可以保证全年的基本供应,而红色曲线在第365天时为零,这表明在外地粮减量-32%的情况下,市储备粮是不能保证全年基本供应的。
 
 
图4  外地粮减量的不同对市零售商库存影响的对比
 
  其次,再考虑粮食抢购对零售商库存影响的情景分析。之前的仿真是在单一的外地粮减量的情况下进行的,实际的情况会比这情况更为复杂,会伴有一定时期的抢购等因素。我们必须把这些因素综合进情景分析中。从图5可以看出在外地粮供应减量并伴有一定时间、一定数量抢购,市储备量的使用情况。此时我们仿真模型的参数组合是外地粮减量5.8亿公斤和为时25天、数抢购量为平时正常销售量的一倍,110万公斤,同时打开政府拨粮指令(置为1)。当然我们可以根据不同的实际情况改变减粮量和抢购的参数来“仿真”。
 
 
图5  市储粮刚能维持的情况
 
  最后,不同二级批发商的库存下伴随粮食抢购的情景分析。如前所述,市储备粮的使用取决于市粮食购销系统,市粮食购销供应链上各环节间的物流和信息流的结构、各环节间对信息的响应速度、各环节的库存量以及粮食加工企业的加工能力,分销商的包装能力、运输能力等都是这个系统中对市储备粮的数量和使用方案起关键作用的参变量。
 
  我们设定二级批发商的库存分别取500万公斤、400万公斤和300万公斤,将这三种不同情况下的取值对市场零售做一组对比分析如图6:
 
 
图6  三种二级批发商库存对市储粮作用的影响
 
 
  针对上述三种不同的二级批发商的库存,形成的三种曲线,三条曲线的区别最大就在于抢购结束后的市场情况。下面就对抢购结束后的市场走向逐一进行分析:
 
  在二级批发商库存为500万公斤的情况下:在抢购完成后,因为市民家里的存粮足够多,所以有一段时间内市场上的粮食形成积压,但一段时间后,市民开始正常买粮,所以市场自适应地调整到了平衡点,保持稳定。
 
  在二级批发商库存为400万公斤的情况下:和前一种情况相类似,在抢购完成后,因为市民家里的存粮足够多,所以有一段时间内市场上的粮食形成积压,但一段时间后,市民开始正常买粮,所以市场自适应地调整到了平衡点,保持稳定,但因为二级批发商的库存量没有上一种情况多,所以自适应后的市场平衡点要低一点。
 
  在二级批发商库存为300万公斤的情况下:起初和前两种情况类似,经过一段时间后的自适应,市场会下降到一个平衡点,因为二级批发商的库存没有前两种情况多,所以自适应后的平衡点要比前两种情况更低。现在所产生的新问题就是,曲线3在达到新平衡区的一段有波动。因为自适应后市场的平衡点不足以保量供应市民每天的需要,所以粮食预警系统启动预警方案定量补充粮食到市场。这套预警方案的核心是:一旦市场下降到一定水平以下时,就立即启动预警方案,把大米定量投放到零售市场。从上图中我们可以看出,二级批发商库存为300万公斤是一个很不理想的状态,启动预警方案后的市场仍不能保持稳定,而且波动幅度较大。再来分析这段波动曲线:当市场完成自适应后,它的平衡点已经达到了预警要求,所以立即启动预警方案。这样一批大米填充了市场,市场走高,解除预警状态;但这之后,市场依然要走向它的平衡点,因为拥有较低量库存的二级批发市场不能完全提供市面销售粮的供应,所以这样的平衡点依然无法满足市民的需求,所以必须再次启动预警方案。如此往复,就造成了市场的持续波动。
 
  可以看出,这样的预警系统不能满足拥有多重复杂因素的动态市场,因此如果只单纯地以某种水平或某些信息作为启动预警方案的条件,无疑是无法正确控制市场的。市场是不断变化的,是一个动态复杂系统,既然研究的对象是动态的,就必须要使用动态的分析方法。可人们的日常思维是线性的,更倾向于静态单方面的思考,所以对复杂的动态系统往往就像走进了迷宫,平时正常思维的方法未必就是走出迷宫的向导。我们所采用的方法是系统思考,它是非线性的思考方法,以因果环为基础,综合各项因素,进行动态的思维。必须就解决上述的市场波动问题的方案进行情景测试。
 
  原先的预警方案是一旦市场销售粮的量下降到一定水平以下时,就立即启动预警方案,把大米定量投放到零售市场;现在要采用的预警方案是把一定数量的大米分别投放到零售市场和批发市场。当然这两批大米的数额是要经过系统计算的。
 
  新的预警方案是在原方案基础上,原发放给零售商的106万公斤市储粮中分出56万公斤市给二级批发商。图7就是新方案的结果。红色曲线代表老方案的成效,蓝色曲线代表同样参数背景下新方案的成效。可以看出,使用了新的预警方案后,市面的销售又恢复到了抢购前的水平上。两种方案的不同之处就在于新的方案不仅扶持市面的销售而且扶持了二级批发商。在二级批发市场不足以支撑销售市场时如果只往市面运粮是治标不治本的,因为二级批发商的库存量过低是造成需要启动预警方案的根本原因。老方案在市场抢购后一共动用了2354万公斤的市储备粮,而且效果并不理想;而新的方案只动用了80万公斤就使得抢购后的市场得以恢复。这就是系统动力学的动态思维创造出的杠杆解。
 
 
图7  新和老二中预警方案的效果比较图
 
  
4. 小结
 
  (1)该市粮食供应的正常情况是:每年自产量5200万公斤,由外地调入市内粮食20亿公斤;原粮供应商、原粮加工企业和二级批发商的初始库存分别为2亿公斤、800万公斤和500万公斤;市面的零售商的库存要稳定在400万公斤,供应360万人口的日常用粮,居民的家庭储备量在560-800万公斤左右。
 
  (2)二级批发商和零售商的供求关系最贴近,所以在粮食预警系统中它也应该成为关注的重点。例如,二级批发商的库存从500万公斤降至280—260万公斤后,零售商库存严重短缺,从而导致市面粮食供应紧张。
 
  (3)外地粮食的供应量比正常情况减少30%是一条警戒线,大于30%将出现即使动用了全部市储备粮仍不能解决全市的全年正常供应。
 
  (4)紧急处理方案,把市储粮按一定比例分别投给零售市场和二级批发市场要比单一地投给零售市场要好,好处是为恢复市场的稳定所动用的市储量少。
 
  (5)这里需要指出的是如何设计预警方案。就以上情景分析而言,预警方案的设计不是单纯地依据市面零售、市民储粮这两个参变量,还需要综合其它因素。比如:在我们这套预警系统的参数体系以及所设计的抢购方案中,如果二级批发商的库存高于360万公斤,则老的紧急处理方案依然可以实施;但如果在低于360万公斤的情况下仍沿用老的紧急处理方案,就会产生市场震荡,这就是系统内部的临界点之一,因此设计生成新的紧急处理方案以适应新的情况。这就意味着粮食预警方案不是一成不变的,需要根据实际情况做出适当的修改,甚至在一年之内都必须根据不同的因素变化做出相应调整。所以,在种种条件的相互影响相互制约的情况下,系统动力学就显示出它独特的优势了,而这是传统分析方法所不具备的。用系统动力学研究出的粮食预警系统是符合时代需求的。
 
  (6)这套仿真软件的建立,就给粮食管理部门创造了一个快速的管理决策实验室,有任何新的情况产生时,只需利用控制面板,输入有关参数,该软件就自动运行给出相应结果,为决策者提供完善的数据。
 
5. 用户评价(某市粮食局所做)
 
  民以食为天,粮食问题一直以来受到了各级领导的高度重视和密切关注。2001年起,江苏等沿海八省市率先放开粮食购销市场,2004年国务院决定在全国范围内全面实行粮食购销市场化,充分发挥市场配置资源的基础作用,来平衡调节粮食市场的供求关系。粮食购、销、调、存、加工等环节由过去计划分配为主转变市场调节为主,粮食市场主体多元化,确保军需民食供应和粮食市场的长期稳定任务繁重而艰巨,特别是对粮食市场未来供需状况的判断和预测感到心中没底,缺乏一种系统的、科学的、符合粮食购销市场化特点预警分析方法来准确把握未来粮食市场的趋势并提出相应的决策方案。在市政府的高度重视下,我局与中国科技开发院江苏分院合作开发研制了《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》,利用系统动力学的原理,对粮食市场中粮食生产、收购、加工、批发及零售等动态的变化过程进行分析,并应用系统动态建模STELLA软件建立了系统模型,描述系统的结构和相关的因果关系,犹如一个模拟实验室,输入各种不同的参数,可以进行各种条件的仿真试验,演示出可能的结果。结果用直观、形象的图表表示出来,让你一目了然。最终可以寻求解决问题的高杠杆解,进行有效的决策和行动。从2003年开始运用到今,这已成为我市粮食安全预警的一种重要手段和方法。
 
  一、该系统较好地解决了市场化新形势下粮食从生产到流通、再到消费整体运行过程中人对错综复杂关系推理与判断的诸多难题,极大地提高了决策水平和工作效率。
 
    粮食工作长期在计划经济模式和供需短缺情况下来安排粮食的购销活动,几十年来都由国有粮食企业独家经营,计划平衡方式较为单一,决策系统也相对简单。市场化后,粮食经营主体多元化,购销渠道丰富多样,对粮食市场供需平衡的分析判断越来越复杂和难以把握,考虑问题难免不周全。对未来市场的预测更显重要。《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》对粮食流通的诸环节诸多因素进行系统的、动态的仿真演练,将购、销、调、存、加等每个相对独立的环节串联在一起,根据各种给定的数据和条件对未来一年内南京粮食市场的供需动态进行模拟比较分析,用图表、曲线给出直观答案,及时给出领导进行决策的有效依据,提高了决策水平和工作效率。
 
  二、该系统可以较快、较好地找出南京粮食系统科学合理的供需平衡方案、更好地为确保军需民食供应的安全服务。
 
    搞好全市粮食供需平衡,确保军需民食口粮供应,维护粮食市场的稳定,是粮食工作的主要任务。如何更科学、更经济、更有针对性地安排好本地粮食市场供应,是对粮食行政主管部门行政能力的考验。《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》为我们提供了一种快捷的比较决策方法,通过对原粮收购企业的收购量与库存量、加工企业原粮库存与成品粮库存、批发企业采购量与库存量、零售企业进销量等在一定的范围内进行调整对比,同时对收购周期、外地采购时间等情况的变动分析,可以较快较优地找出科学合理的供需平衡方案,节省运作成本,更好地为南京粮食安全服务。
 
  三、该系统对应付未来可能发生的市场供应紧张局势能提出预警,并对动用储备粮投放市场进行效能比较,确保储备粮的有效调控。
 
    粮食市场的变化受多种因素的制约,有时难以捉摸。《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》通过对现实粮食流通过程中各个环节库存数据、购销量的变化能够对未来粮食市场的动态进行描述,特别是对未来某个时间可能发生的市场供求紧张状态提出预警,及时提醒采取措施进行弥补。在动用储备粮抛售增加市场供给量时,该系统可以对合适投放量、投放时间的界定通过比较给出答案,同时对投放在批发环节还是零售环节或者按多少比例投放进行科学系统的分析,确保储备粮调控市场的成效最明显。
 
  四、该系统对粮食部门搞好全市粮食行业统计、真实掌握粮食数据提出了很高的要求,促进了统计信息工作的深入和发展。
 
    《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》对南京粮食市场的分析判断,需要大量、真实的数据作为支撑,数据的真实性、全面性、时效性直接影响到该系统对未来粮食市场的预测和判断,因此该系统对统计数据及信息的要求很高。近几年来,我们不断改进和完善统计方法,扩大全行业统计的覆盖面,提高了统计数据的准确性、代表性和及时性,为该系统的正常运行提供强有力的支撑,可以说,《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》的建立和运行,大力地促进了我市全社会、全行业粮食统计工作的开展,提高我市粮食统计工作的整体水平和能力。
 
  五、该系统主要以各环节的粮食库存量为主进行趋势分析和判断,建议今后可对政策变化及市场心理等因素对市场供需变化的影响进行深入研究和开发。
 
    《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》为南京粮食安全和预警决策创造了良好的方法,但目前系统分析主要是以各环节过程中库存量的变化为主进行判断,还不够全面和完整。放开后的粮食市场变化受多种因素影响,而且现行粮食市场化程度还只是初级阶段,还不够规范,粮食政策的变动、市场经营行为、心理预期等情况还时常影响着粮食市场的稳定,今后还需要对《某市粮食预警动态模型和仿真决策系统》进一步深入研究和开发,从更高的层面上来对复杂的粮食市场进行仿真预警决策,来满足粮食行政管理部门的需要。
 
 
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