[논문]신속 지진피해통보를 위한 지반가속도의 초당 최대값 구간적산 방법의 활용에 관한 연구

연관희

doi:10.5000/eesk.2012.16.1.037

신속 지진피해통보를 위한 지반가속도의 초당 최대값 구간적산 방법의 활용에 관한 연구
Study on the Use of Bracketed Summations of the Peak Ground-motion Acceleration Per Second for Rapid Earthquake Alert Notifications 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.16 no.1 = no.83, 2012년, pp.37 - 45

초록
AI-Helper

지반가속도의 초당 최대값은 최근 제정된 지진재해대책법에 따라 지진기록계로부터 통신망을 통해 소방방재청으로 실시간 제공되어야 한다. 본 연구에서는 현재 PGA를 기반으로 한 신속한 지진피해통보 용도로만 고려되고 있는 지반가속도의 초당 최대값의 추가적인 활용성을 검토하고자, 국내외 강진자료 및 중소규모 지진자료에 대한 초당 100 샘플링된 지반가속도 자료의 1초 구간내 최대 절대값을 30초 동안 적산한 결과($BSPGA_k$)를 CAV(Cumulative Absolute Velocity) 및 진도 등과 비교하였다. CAV는 진도와의 높은 상관성으로 지진발생시 원자력발전소의 운전초과기준으로 사용되고 있으나, 계산시 초당 100 샘플링 이상의 많은 양의 지진파형 디지털 자료를 필요로 하는 단점이 있다. 비교 결과 $BSPGA_k$는 지진규모에 따른 지진동 수준과 상관없이 CAV와 전 범위에서 높은 상관성을 나타내었으며, 다수의 관측소가 연계된 지진관측망 운영시 유용하게 활용될 수 있는 신속 지진피해평가 지진동 파라미터로 확인되었다. 국내 중소규모 유감지진자료에 대한 지진진도 자료와의 비교결과, $BSPGA_k$-진도 상관식을 이용한 진도추정 오차는 CAV-진도 상관식의 진도추정 오차와 유사하였으며, PGA-진도 상관식보다 진도를 신뢰성 있게 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In an effort to further exploit the peak ground-motion acceleration (PGA) information per second available in real time by the enacted law, bracketed summations of the PGA per second ($BSPGA_k$) for 30 seconds based on the records with a rate of 100 samples were compared with the cumulative absolute velocity (CAV) and earthquake intensities based on a worldwide database of records from small-to-large earthquakes. The CAV, currently in use as an earthquake damage indicator for nuclear power plants due to its strong correlation with the earthquake intensity, has the disadvantage of requiring a massive amount of digital data with a rate of more than 100 samples per second. The comparative study shows that the $BSPGA_k$ is well correlated with the CAV over the wide range of strong ground-motion levels, which suggests that the $BSPGA_k$ is one of the new promising ground-motion parameters especially useful for rapid earthquake alert notifications through an earthquake monitoring network. Based on the domestic database of records from small-to-moderate earthquakes with felt reports, it is also observed that the $BSPGA_k$ is comparable to the CAV and better than the PGA in predicting the intensity by using the correlation relation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존에 CAV값 계산을 위해 필요했던, 감지된 지진파의 디지털 전체 자료 대신에 지진재해대책법에 의해 지진계로부터 가공되어 의무적으로 제공되는 지반가속도의 초당 최대값 정보만을 이용하여 CAV를 추정하는 방법을 제안하고 국외 강진경험자료 및 국내 중소규모 유감지진자료를 통해 적용 가능성을 확인하였다. 또한 최대 지반가속도 최대값의 구간 적산 결과로부터 추정된 CAV(식 (4)의 BCAV*k)가 중소규모 지진의 진도를 PGA 보다 신뢰성 있게 추정함을 확인하였다.
본 연구에서는 CAV 계산기능이 없는 지진관측망에 연계된 지진관측소 지진계의 초당 지반가속도 최대값 만을 이용하여 원격중앙 지진감시서버에서 CAV값을 추정할 수 있는 방법을 제안하고 국내외 지진자료를 기반으로 적용성을 평가하고자 한다. 초당 지반가속도 최대값은 지진파의 광대역 주파수 특성값으로 지진기록의 샘플링 수와 관련되어 변화되는데, 본 연구에서는 매초 100샘플링 이상으로 기록된 지반가속도 절대값의 초당 최대값을 의미하며, 지진재해대책법에 따라 소방방재청의 중앙 지진감시서버에 실시간으로 전송되어야 하는 매초 20샘플링 기록의 초당 지반가속도 최대값과는 지진의 규모, 거리에 따라 차이가 있을 수 있다.
본 연구에서는 이상에서와 같이 기존에 부지내 지진감시 시스템에서만 적용되고 있는 신뢰성 있는 지진피해평가 파라미터인 CAV를 다수의 지진관측소가 연계된 지진관측망에 효율적으로 적용하여 CAV 크기를 기준으로 한 신속지진피해통보가 가능해 질 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
본 연구에서는 특정 부지의 지진계에서 제공되는 지반가속도의 초당 지반가속도 최대값 정보만을 이용하여 식 (1) 대신 식 (3), (4)로부터 CAV값의 추정값인 BCAV*를 계산하는 방법을 제안하고자 한다. 한편 제안된 방법에 대한 이론적인 논거는 특별히 없으며, 전 세계적인 지진자료를 이용하여 제안된 방법의 타당성을 경험적으로 밖에 확인할 수 없다.
현재 국내외에서 일반적으로 고려되고 있는 진도 신속 추정방법은 PGA-진도 관계 식을 이용하는 방법이다. 한편 초당 최대값을 이용한 CAV 역시 PGA와 동일하게 신속하게 실시간으로 계산 가능한 값이므로, 본 연구에서는 이를 이용한 진도 추정의 가능성 여부를 검토하였다.

제안 방법

이러한 평가를 위해서는 국내에서 지진진도가 보고된 지역에 관측된 지진기록 자료가 필요하다. 국내 MMI 등진도 구역에 대한 지진파형자료는 기존 연구(연관희 등)⁽¹²⁾를 통해 정리된 바 있으며, 본 연구에서는 이후 발간된 기상청 지진연보⁽¹³⁾에서 보고된 진도자료로부터 기존 연구와 동일한 방법으로 등진도 구역을 추정하고 진도별 계측자료를 기존 자료에 추가하였다. 한편 기존 연구(연관희 등)(12)에서와 같이 관측된 자료는 동일한 부지특성을 갖는 자료로 변환되기 위해 Class D 관측소(연관희와 서정희)⁽¹⁴⁾의 부지응답을 갖도록 스펙트럼 크기는 보정되었으며, 관측자료의 위상정보는 동일하게 사용하였다.
본 논문에서 제안한 방법의 보다 구체적인 검토를 위해 2005년 3월 20일 일본 후쿠오카 북서 해안 지역에서 발생한 규모 6.6의 지진에 대한 인근 일본 내륙지역의 지진관측소 FKO07의 EW성분 지진자료를 예를 들어 적용성을 평가 하였다.
이에 따라 본 연구에서는 ath=0.0001g로 낮춘 후, 적산 구간은 30초(식 (3)의 N=30)로 하여 계산된 초당 최대값 기반 CAV 추정 방법이 국내 중소규모 지진기록에 대해서도 적용 가능한 지를 평가하고, 높은 지진진도 범위(MMI > V)에 대해서 보고 된 바 있는 지진진도와 CAV값 간의 높은 상관성(Reed and Kennedy)(10)이 중소규모 지진에 대한 낮은 지진진도(MMI<V) 범위까지도 유효한 지를 평가하였다.

대상 데이터

강진 경험자료로는 미국 NGA(Next Generation Attenuation)거리감쇠식 개발 프로젝트에 활용된 자료(PEER)(11)의 3성분 기록이 모두 사용되었으며, ath=0.025g, N=30인 경우 식 (4)의 BSPGAk 및 BCAV*k를 계산한 후 로그영역에서 적합하여 평가된 A, B값 및 대수로그 표준편차 σ는 각각 아래와같이 계산되었다.
한편 각 지진관측소의 부지특성은 전력연구원 연보(장천중 등)⁽¹⁵⁾에서 구해진 자료를 이용하였다. 사용된 계측자료의 수는 총 646개이다.
한편 기존 연구(연관희 등)(12)에서와 같이 관측된 자료는 동일한 부지특성을 갖는 자료로 변환되기 위해 Class D 관측소(연관희와 서정희)⁽¹⁴⁾의 부지응답을 갖도록 스펙트럼 크기는 보정되었으며, 관측자료의 위상정보는 동일하게 사용하였다. 한편 각 지진관측소의 부지특성은 전력연구원 연보(장천중 등)⁽¹⁵⁾에서 구해진 자료를 이용하였다. 사용된 계측자료의 수는 총 646개이다.

성능/효과

(a)의 σMMI 비교를 통해 알 수있는 특이한 사항은 초당 지반가속도 최대값을 적산한 값(BSPGAk cor)이 지진파형의 전체 디지털 샘플링 자료를 이용하여 계산한 CAV 값(BCAVk cor)과 유사하게 혹은 더 좋은 정도로 진도를 평가함을 알 수 있다.
1. CAV 계산 기능이 없는 지진관측망과 연계된 지진관측소 지진계가 있는 경우, 지진계에서 제공하는 초당 최대값 정보만을 통신망을 통해 원격중앙 지진감시서버에 실시간으로 전송하면 CAV값 추정이 가능해진다. 지진관측소 지진계의 통신망을 통한 초당 최대값 정보 제공 기능은 지진재해대책법에 따라 의무적으로 구현되어야 하는 기능으로 되어 있어, 본 방법은 현재 운영 중이거나 향후 구축될 다수의 국내 지진관측망에 적용되어 활용될수 있다.
2. 초당 최대절대값 정보만을 이용하여 CAV값을 추정함으로써, 기존의 CAV값(식 (1)의 BCAVk)을 계산할 때 보다 통신 부하가 매우 적다. 기존의 CAV값 계산을 위해서는 지진관측소 지진계에서 샘플링된 지진파의 모든 샘플링 자료가 원격중앙 지진감시서버로 실시간 전송되어야 한다.
3. 초당 n_s 개수로 샘플링된 지진자료에 대한 CAV 계산을 위한 덧셈 회수를 이전 방법에 비해 1/n_s의 비율만큼 줄일 수 있어 빠른 CAV 계산이 가능하며, 계산결과를 신속하게 통보할 수 있게 된다. 만약 3성분 지진파 자료를 제공하는 지진관측소의 수가 N_sta이고 CAV 계산 시간구간이 N이라고 하면 기존 방법에 비해 CAV 계산을 위한 덧셈회수의 단축효과는 N×N_sta×3×(n_s-1)만큼 발생하며, 관측소의 수가 많을수록 본 방법에 의한 계산시간 단축 효과는 비례해서 커지게 된다.
4. CAV값 추정은 지진관측소에서 계측된 지반운동의 모든 성분 (보통, 수직 성분, 2개의 수평성분)에 대해 각각 계산될 수 있으며, 원격중앙 지진감시서버에서 취합된 개별 지진관측소의 성분별 유사 CAV 정보는 다양한 방법으로 조합되어 신속지진피해통보에 활용될 수 있다. 조합의 예로서는 특정 이격거리를 갖는 2개 이상의 지진관측소 에서 CAV값이 위험지진 수준을 초과할 경우 지진통보를 하는 경우이다.
6. 본 연구의 방법은 지진관측망 원격중앙 지진감시서버에서 구현 가능할 뿐만 아니라, 그림 1과 같이 신속지진피해통보의 목적으로 개별 지진관측소와 1:1로 연결된 임의의 기기에서도 S/W 혹은 H/W적으로 구현가능하다.
7. 원자력발전소 인근에서 운영 중인 지진관측망의 초당 최대값 정보만을 이용하여 추정된 CAV를 지진발생시 원자력발전소 운전정지 판단기준으로 이용할 수 있다.
한편 이러한 윈도우 이동 시간대별 오차는 식 (5)의 파라미터 값을 추정할 때 사용된 NGA 강진경험자료 전체에 대해 계산될 수 있으며, 동일 윈도우 이동 시간대별로 계산결과의 오차 평균과 표준편차를 계산한 결과가 그림 5의 기호 ▲ 및 Error Bar이다. 그림 5의 기호 ▲로 나타난 오차의 통계특성에 따르면 본 연구에서 제안된 방법을 통해 추정되는 CAV값의 오차는 초기 윈도우 이동시간대에는 크게 나타나고 있으나 후기 시간대에는 오차가 줄어들며 전반적인 윈도우 이동시간 구간에서 원래의 CAV값을 잘 예측함을 알 수 있다. 초기 시간대에 나타나고 있는 높은 오차는 BCAV*_k > BCAV_k 경향을 의미하는데, 이로 인해 지진피해평가 파라미터로서 BCAVk 대신 BCAV*_k의 크기를 이용할 경우에는 위험지진감지가 다소 조기시점에 이루어 질 것으로 예상된다.
그림 7로부터 두 종류의 CAV가 모두 높은 진도범위에서와 마찬가지로 낮은 진도범위에서도 진도와 높은 상관성이 있음을 알 수 있으며, 동일한 부지 응답을 갖도록 지진자료를 보정할 경우에는 진도추정의 표준편차 σMMI가 1.385에서 0.722로 현저히 낮아짐을 알 수 있다.
그림 8로부터 일반적으로 진도추정에 활용되는 PGA-진도 상관관계식 보다는 초당 지반가속도 최대값 적산결과가 진도를 선형성(ρ) 및 오차측면(σMMI)에서 보다 신뢰성 있게 추정함을 확인할 수 있다.
기존에는 CAV 계산을 위해 아나로그 입력 지진파 신호로부터 샘플링된 모든 디지털 자료를 필요하였으나, 본 연구에서 제안된 방법을 이용하면 지반가속도의 초당 최대값 정보만을 이용하여 경험적인 관계식으로부터 CAV값을 추정할 수 있다. 이에 따른 구체적인 활용 효과 및 응용 분야는 다음과 같다.
따라서, 중소규모 지진기록에 대해서도 강진경험자료에 대한 검토에서와 동일하게 낮은 지진동 수준의 지진기록에 대해서도 최대지진동 값만을 이용하여 실제 CAV 추정이 가능함을 확인하였다.
본 논문에서는 기존에 CAV값 계산을 위해 필요했던, 감지된 지진파의 디지털 전체 자료 대신에 지진재해대책법에 의해 지진계로부터 가공되어 의무적으로 제공되는 지반가속도의 초당 최대값 정보만을 이용하여 CAV를 추정하는 방법을 제안하고 국외 강진경험자료 및 국내 중소규모 유감지진자료를 통해 적용 가능성을 확인하였다. 또한 최대 지반가속도 최대값의 구간 적산 결과로부터 추정된 CAV(식 (4)의 BCAV*k)가 중소규모 지진의 진도를 PGA 보다 신뢰성 있게 추정함을 확인하였다. 아울러 초당 지반가속도 최대값을 적산한 값 자체(식 (3)의 BSPGAk)도 CAV와 유사하게 진도를 추정할 수 있는 지진동 파라미터로 확인되었다.
만약 그림 3의 지진기록에 대해 N초의 길이를 갖는 시간 윈도우에 대한 CAV값을 윈도우 시간이동에 따라 매초 마다 실시간으로 계산해야 한다면, 기존 방법에서는 ns×N×300 횟수의 덧셈이 필요하나, 본 연구에서 제안한 방법에서는 N×300 횟수의 덧셈만이 필요하다.
아울러 초당 지반가속도 최대값을 적산한 값 자체(식 (3)의 BSPGAk)도 CAV와 유사하게 진도를 추정할 수 있는 지진동 파라미터로 확인되었다. 본 방법을 통해 다수의 지진관측소가 연계된 지진관측망의 지진계측자료에 대한 CAV 계산 시간이 획기적으로 단축되며, 지진관측망의 통신망 용량이 적은 경우에도 신속하고 신뢰성 있는 지진피해통보가 가능해진다. 향후 본 연구 결과를 기반으로 주요 구조물의 정확하고 신속한 실시간 지진감시망 운영 실무에 적용할 수 있는 지진동의 최대값과 지 반가속도의 초당 최대값 적산값의 최적 조합에 대한 추가 연구를 수행할 예정이다.
본 방법의 적용성이 확인될 경우 지진관측망의 통신용량이 적은 경우에도 CAV를 추정할 수 있게 되며, 아울러 주요 시설물의 지진관측망 운영에 소요되는 통신비용을 저감하고, 통보시간을 단축할 수 있게 된다. 또한 지진계에 CAV 계산기능이 있다 하더라도 CAV값이 다양한 정의에 따라 계산할 수 있기 때문에 원격중앙 지진감시서버에서 표준화된 CAV를 다시 계산해야 할 필요성도 발생하는데, 이러한 경우에도 활용할 수 있다.
이상의 검토에서와 같이 초당 지반가속도 최대값 정보 만을 이용한 CAV 추정방법(BCAV*k)을 국외 강진(M>5)경험 자료에 적용할 경우, 원래의 CAV 값(BCAVk)을 매우 높은 신뢰도로 추정함을 확인하였다.
)을 매우 높은 신뢰도로 추정함을 확인하였다. 한편 이때 사용된 최저 지진동 수준인 a_th=0.025g로서 이 값은 국내에서 빈번하게 발생하는 중소규모 지진에서 예상되는 지진동 수준을 크게 상회하는 값이기 때문에 CAV 값 자체가 계산될 수 없고, 따라서 본 연구에서 제안된 CAV 추정 방법이 국내 지진자료에도 적용될 수 있는 지를 확인할 수 없다.

후속연구

지진관측망을 이용한 신속지진피해통보시 사용되는 감지된 지진파의 지진피해평가 지진동 파라미터의 주요 요건으로는 1) 계산에 필요한 자료의 양이 많지 않아 통신망에 부하가 적고 실시간으로 원격중앙 지진감시서버에서 계산이 가능해야 하며, 2) 오동작의 가능성이 낮아 신뢰성이 높으며, 3) 다양한 지진관측소에서 일관된 정보 취합이 가능하도록 표준화될 수 있는 파라미터이어야 하며, 4) 현재의 지진관측 시스템이 이미 갖고 있는 기능을 최대한 이용하거나 혹은 최소로 수정하여 실제 적용 및 구현시 추가 비용이 최소화 되어야 한다.
8. 본 방법은 원자력발전소 뿐 아니라 일반 산업시설 인근에 운영 중인 지진관측망을 이용한 신속지진피해통보를 위한 지진동파라미터 계산에도 활용될 수 있다.
따라서 다수의 지진관측소로 구성된 지진관측망과 연계된 원격중앙 지진감시서버에서 기존의 방법으로 CAV 계산 기능을 구현하기 위해서는, 대량의 통신부하를 수용할 수 있는 양호한 기간 통신망이 구축되어야 하기 때문에 많은 비용이 수반된다. 그러나 본 방법에서 제안된 CAV 계산에 필요한 초당 단위정보의 전송은 통신망에 큰 부하가 되지 않으며, 인터넷망과 같은 일반 통신망만으로도 CAV 계산이 가능해 진다. 또한 현재 일반 통신망을 이용하여 운영 중인 지진관측망을 이용하여 표준화된 CAV 계산기능을 구현할 수 있어 CAV 신속지진피해통보를 위한 지진피해평가 파라미터 계산에 추가적인 비용이 소요되지 않는다.
그림 7(b)와 그림 8(a)의 σ_MMI 비교를 통해 알 수있는 특이한 사항은 초당 지반가속도 최대값을 적산한 값(BSPGAk cor)이 지진파형의 전체 디지털 샘플링 자료를 이용하여 계산한 CAV 값(BCAV_k^cor)과 유사하게 혹은 더 좋은 정도로 진도를 평가함을 알 수 있다. 이러한 결과는 원래의 정의에 따른 CAV 대신 지반가속도의 초당 최대값 적산으로 계산된 BSPGAk를 계측진도 추정에 직접 활용할 수 있는 가능성도 제시한다. 이러한 경우 식 (6)을 통해 원래의 CAV 값으로 변환하기 위한 오차 및 관련 보수성 등을 고려하지 않기 때문에 보다 정확한 진도 추정이 가능하게 된다.
CAV 계산 기능이 없는 지진관측망과 연계된 지진관측소 지진계가 있는 경우, 지진계에서 제공하는 초당 최대값 정보만을 통신망을 통해 원격중앙 지진감시서버에 실시간으로 전송하면 CAV값 추정이 가능해진다. 지진관측소 지진계의 통신망을 통한 초당 최대값 정보 제공 기능은 지진재해대책법에 따라 의무적으로 구현되어야 하는 기능으로 되어 있어, 본 방법은 현재 운영 중이거나 향후 구축될 다수의 국내 지진관측망에 적용되어 활용될수 있다.
한편 이상에서와 같이 CAV 값이 진도를 보다 신뢰성 있게 추정할 수 있는 이유는 최대값 만을 이용하는 PGA와는 다르게 지속시간까지도 고려하기 때문이다. 한편 CAV는 지속시간을 고려하기 때문에 지진피해 통보시 시간지연이 있는 단점이 있는데, 지진 통보 기준으로 시간지연 발생 문제가 없는 PGA와 CAV를 동시에 조합한 진도 추정 방법의 활용을 통해 보다 신뢰성 있고 신속한 진도 추정이 가능할 것으로 예상된다.
본 방법을 통해 다수의 지진관측소가 연계된 지진관측망의 지진계측자료에 대한 CAV 계산 시간이 획기적으로 단축되며, 지진관측망의 통신망 용량이 적은 경우에도 신속하고 신뢰성 있는 지진피해통보가 가능해진다. 향후 본 연구 결과를 기반으로 주요 구조물의 정확하고 신속한 실시간 지진감시망 운영 실무에 적용할 수 있는 지진동의 최대값과 지 반가속도의 초당 최대값 적산값의 최적 조합에 대한 추가 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진관측망을 이용한 지진발생 재해 경감방법	지진관측망을 이용하여 지진발생에 따른 재해를 경감하는 두 가지 방법으로는 지진조기경보나 신속지진피해통보가 있다. 지진조기경보는 지진에 피해를 줄 수 있는 S파 도달 이전의 P파를 이용하여 지진대응시스템 등을 가동하여 피해를 줄이는 방법이다.
	지진조기경보란?	지진관측망을 이용하여 지진발생에 따른 재해를 경감하는 두 가지 방법으로는 지진조기경보나 신속지진피해통보가 있다. 지진조기경보는 지진에 피해를 줄 수 있는 S파 도달 이전의 P파를 이용하여 지진대응시스템 등을 가동하여 피해를 줄이는 방법이다. 신속지진피해통보란 지진발생시 주요 시설물의 지진피해 유무 및 피해 정도·범위 등을 신속히 판단하여, 즉각적인 후속조치가 가능하도록 하여 지진피해를 최소화할 수 있는 정보를 제공함을 의미하는 용어이다.
	CAV값 추정에 따른 구체적인 활용 효과 중 한가지는?	CAV 계산 기능이 없는 지진관측망과 연계된 지진관측소 지진계가 있는 경우, 지진계에서 제공하는 초당 최대값 정보만을 통신망을 통해 원격중앙 지진감시서버에 실시간으로 전송하면 CAV값 추정이 가능해진다. 지진관측소 지진계의 통신망을 통한 초당 최대값 정보 제공 기능은 지진재해대책법에 따라 의무적으로 구현되어야 하는 기능으로 되어 있어, 본 방법은 현재 운영 중이거나 향후 구축될 다수의 국내 지진관측망에 적용되어 활용될수 있다.

참고문헌 (15)

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원문보기 상세보기
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장천중, 최원학, 연관희, 박동희, 2008년 전력연구원 지진관측 연보('09전력연-단0053), 한전전력연구원, 대전, 370, 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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