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基于排隊(duì)論的體檢安排【摘 要】: 本文采用與排隊(duì)論相關(guān)的數(shù)學(xué)理論知識(shí),構(gòu)建體檢排隊(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)受檢人員體檢排隊(duì)的定性描述及量化分析,以提高設(shè)備利用率、減少受檢人員等待時(shí)間。本文將排隊(duì)論的思想和方法應(yīng)用到體檢中心排隊(duì)的管理中來,建立了相應(yīng)于體檢排隊(duì)系統(tǒng)的多服務(wù)窗等待制M/M/S排隊(duì)論模型。文章對(duì)體檢中心的某一科室上4個(gè)時(shí)間段的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理,代入模型進(jìn)行實(shí)證分析,獲得了相應(yīng)的目標(biāo)參數(shù),進(jìn)行了最優(yōu)服務(wù)臺(tái)數(shù)的確定。通過己建立的數(shù)學(xué)模型,在單位體檢時(shí)根據(jù)各個(gè)科室的平均服務(wù)時(shí)間對(duì)部分科室的最優(yōu)服務(wù)臺(tái)數(shù)進(jìn)行確定,得到每個(gè)個(gè)體的體檢項(xiàng)目、體檢順序及相應(yīng)時(shí)間安排。結(jié)論:該算法適用于個(gè)人的體檢排隊(duì)安排,同時(shí)適用于團(tuán)體客人的體檢排隊(duì)安排?!娟P(guān)鍵詞】:排隊(duì)論 泊松分布 M/M/S排隊(duì)論 (Dijkstra)算法一、問題重述隨著社會(huì)的發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,提升了人們對(duì)自身健康狀況的認(rèn)知。身體是財(cái)富的本錢,通過了解自身健康狀況來達(dá)到預(yù)防保健作用已經(jīng)越來越大。醫(yī)院健康體檢中心人數(shù)眾多,受檢人員往往在診室門前擁擠排隊(duì),導(dǎo)致秩序混亂、效率低下、體檢資源浪費(fèi)、工作強(qiáng)度增加等問題。由此可見,體檢中排隊(duì)等候這一環(huán)節(jié)的不完善,在很大程度上降低了體檢的服務(wù)質(zhì)量和工作效率。全部體檢項(xiàng)目包括:抽血、內(nèi)科、外科、B超、五官科、胸透、身高、體重、等等。每個(gè)人的體檢項(xiàng)目可能各不相同,假設(shè)每個(gè)體檢項(xiàng)目的服務(wù)時(shí)間是確定的,并且只有1個(gè)醫(yī)生值班,每次只能為1個(gè)客戶服務(wù)?,F(xiàn)要求你們通過數(shù)學(xué)建模來完成以下任務(wù):1. 請(qǐng)你為某個(gè)新來的客人安排他的體檢順序,使其完成需要的全部檢查的時(shí)間盡量少(在各個(gè)體檢項(xiàng)目處都可能有人排隊(duì)等待);2. 設(shè)計(jì)1組數(shù)據(jù)來驗(yàn)證上述結(jié)論。3. 接待團(tuán)體客人時(shí),如何安排每個(gè)人的體檢順序,使得體檢中心能盡快完成任務(wù),設(shè)計(jì)1組數(shù)據(jù)來驗(yàn)證該結(jié)論。二、問題分析2.1.背景分析隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及普及,計(jì)算機(jī)已應(yīng)用到各種各樣的行業(yè)與領(lǐng)域。目前一般醫(yī)院都引入了醫(yī)院管理系軟件系統(tǒng)或者體檢管理系統(tǒng)來對(duì)用戶的相關(guān)信息進(jìn)行管理,大大節(jié)省了人力物力。隨著人們的健康意識(shí)不斷增加,體檢中心接待的體檢人員眾多,一般的體檢中心一次也可能接待數(shù)百人,常常造成體檢人員排隊(duì)秩序混亂,嚴(yán)重影響體檢醫(yī)生的工作環(huán)境。排隊(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用從根本上解決了以上問題,為病人營造了一個(gè)公平、公正、公開的醫(yī)療環(huán)境,降低體檢中心指引護(hù)士的工作強(qiáng)度,提高各方面的工作效率;而且為體檢中心各級(jí)管理人員的科學(xué)管理提供了依據(jù),最大限度的發(fā)揮體檢中心的有限資源,產(chǎn)生最好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前,國內(nèi)已經(jīng)有上海、北京、廣東、浙江等地的多家大醫(yī)院投入使用了醫(yī)院排號(hào)系統(tǒng),并且有越來越多的醫(yī)院認(rèn)識(shí)到了使用排隊(duì)系統(tǒng)的必要性,醫(yī)院排隊(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)了良好的發(fā)展勢頭。但就體檢中心來說,尚沒有將排隊(duì)理論引入到實(shí)際應(yīng)用中來。2.2.評(píng)價(jià)分析 通常醫(yī)院的采取的各個(gè)方案按照大眾的顧客考慮的,在排隊(duì)體檢的過程中由于在各個(gè)科室體檢時(shí)間不相等,同時(shí)在各個(gè)科室個(gè)的等待人數(shù)比率不同。 給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是體檢的時(shí)間最短。 表格 1抽血內(nèi)科外科B超五官科胸透身高體重時(shí)間222122111檢率0.950.20.20.70.21.00.50.7三、問題假設(shè)1. 個(gè)個(gè)體檢項(xiàng)目之間相互獨(dú)立,互不影響;2. 病人排隊(duì)體檢和體檢完畢到下一個(gè)科室之間沒有時(shí)間延遲;3. 入院體檢的顧客單個(gè)到達(dá),相繼到達(dá)時(shí)間間隔服從參數(shù)為的負(fù)指數(shù)分布;4. 各個(gè)科室可以抽象一個(gè)點(diǎn);5. 每個(gè)服務(wù)臺(tái)的服務(wù)時(shí)間相互獨(dú)立,且服從參數(shù)為的負(fù)指數(shù)分布;四、符號(hào)說明N:總共所需體檢項(xiàng)目數(shù) i:具體體檢的第i項(xiàng):第i項(xiàng)體檢項(xiàng)目處得排隊(duì)人數(shù) :第i項(xiàng)體檢所需要的時(shí)間:完成第i想體檢項(xiàng)目所需要的總時(shí)間 S:醫(yī)院的服務(wù)臺(tái)個(gè)數(shù)抽血A1、內(nèi)科B1、外科C3、B超D4、五官科E5、胸透F6、身高G7、體重H8和lamuda(i) 表示單位時(shí)間平均到達(dá)的顧客數(shù), 稱為平均到達(dá)率和mu(i) 位時(shí)間能被服務(wù)完成的顧客數(shù),稱為平均服務(wù)率:在ABCDEFGH各個(gè)科室檢查的時(shí)間:表示在ABCDEFGH各個(gè)科室的受檢比率五、模型建立5.1.泊松流與指數(shù)分布 設(shè)N(t)表示在時(shí)間區(qū)間0,t)內(nèi)到達(dá)的顧客數(shù)(t 0),令表示在時(shí)間區(qū)間 內(nèi)有n(n0)個(gè)顧客到達(dá)的概率. 當(dāng)合于下列三個(gè)條件時(shí),我們說顧客的到達(dá)形成泊松流。這三個(gè)條件是:1.在不相重疊的時(shí)間區(qū)間內(nèi)顧客到達(dá)數(shù)是相互獨(dú)立的,我們稱這性質(zhì)為無后效性。2.對(duì)充分小的,在時(shí)間區(qū)間t,t +)內(nèi)有一個(gè)顧客到達(dá)的概率與t無關(guān),而約與區(qū)間長成正比,即 其中o(),當(dāng) 0時(shí),是關(guān)于t的高階無窮小。 0是常數(shù),它表示單位時(shí)間有一個(gè)顧客到達(dá)的概率,稱為概率強(qiáng)度。3.對(duì)于充分小的,在時(shí)間區(qū)間t,t +)內(nèi)有兩個(gè)或兩個(gè)以上顧客到達(dá)的概率極小,以致可以忽略,即在上述條件下,我們研究顧客到達(dá)數(shù)n的概率分布。由條件2,我們總可以取時(shí)間由0算起,并簡記由條件1和2,有 n=1,2.由條件2和3得 因而有在以上兩式中,取趨于零的極限,當(dāng)假設(shè)所涉及的函數(shù)可導(dǎo)時(shí),得到以下微分方程組取初值,容易解出 。再令 ,可以得到及其它所滿足的微分方程組,即 由此容易解得對(duì)于泊松流,表示單位時(shí)間平均到達(dá)的顧客數(shù),所以1/就表示相繼顧客到達(dá)平均間隔時(shí)間,而這正和的意義相符。表示單位時(shí)間能被服務(wù)完成的顧客數(shù),稱為平均服務(wù)率,而1/表示一個(gè)顧客的平均服務(wù)時(shí)間。排隊(duì)模型 由于個(gè)人體檢所需時(shí)間為定值,排隊(duì)時(shí)間為變量,故某體檢者完成體檢時(shí)間最短等價(jià)于其排隊(duì)等候時(shí)問最短。排隊(duì)等待時(shí)間包括兩方面: 等待正在檢查者完成體檢。在第i項(xiàng)體檢處若有受檢人員已檢查分鐘,則剩余時(shí)間為-; 等待前面排隊(duì)者完成體檢。若第i項(xiàng)體檢處有人排隊(duì),則排隊(duì)時(shí)間為*因此第i項(xiàng)體檢的等待時(shí)間為:*+-則完成第i項(xiàng)體檢所需的總時(shí)間: = *+-+模型建立根據(jù)前面的分析結(jié)果,我們可以建立如下模型:(1) 首先算出每一項(xiàng)體檢項(xiàng)目所需的時(shí)間,得出min,讓剛進(jìn)入醫(yī)院的顧客A進(jìn)入該項(xiàng)進(jìn)行體檢。 在A體檢的過程中來醫(yī)院體檢的人群:設(shè)顧客單個(gè)到達(dá),相機(jī)到達(dá)的時(shí)間間隔服從參數(shù)為的負(fù)指數(shù)分布。系統(tǒng)中有S個(gè)服務(wù)臺(tái),每個(gè)服務(wù)臺(tái)的服務(wù)時(shí)間相互獨(dú)立,且服從參數(shù)為的負(fù)指數(shù)分布。表示單位時(shí)間平均到達(dá)的顧客數(shù),所以1/就表示相繼顧客到達(dá)的平均時(shí)間。表示單位時(shí)間能能被服務(wù)完成的顧客數(shù),稱為平均服務(wù)率,而1/表示一個(gè)顧客的平均服務(wù)時(shí)間。(2) 在安排A進(jìn)行體檢i項(xiàng)之前,按照統(tǒng)計(jì)的方法求出,并預(yù)計(jì)在時(shí)間內(nèi)進(jìn)入醫(yī)院的人數(shù),即*。每一項(xiàng)體檢完成的人數(shù)為/,把進(jìn)來的人數(shù)按照(1)的方法進(jìn)行安排。當(dāng)A體檢完第i項(xiàng)后,根據(jù)預(yù)計(jì)的結(jié)果再用(1)的方法進(jìn)行安排,直到完成全部體檢項(xiàng)目為止。(3) 在建立模型的過程之中,要盡可能準(zhǔn)確給出和的值,使整個(gè)與安排能準(zhǔn)確的在計(jì)算機(jī)中完成。問題二根據(jù)我們體檢人員到來情況進(jìn)行調(diào)查研究,對(duì)體檢人員到來和接受服務(wù)時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和分析。我們得知顧客到來和體檢的時(shí)間主要集中在上午,下午醫(yī)務(wù)人員對(duì)體檢結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)的進(jìn)行處理。故這里把上午8:00-12:00之間分成4個(gè)時(shí)間段進(jìn)行統(tǒng)計(jì),每個(gè)時(shí)間段隨機(jī)統(tǒng)計(jì)200個(gè)單位時(shí)間(每個(gè)單位時(shí)間10分鐘),顧客的到達(dá)情況統(tǒng)計(jì)整理如表31所示。表3.1顧客到達(dá)情況統(tǒng)計(jì)表5以下5-1010-1515-2020-2525-3030-3535-4040-4545-508:00-9:0052241053123109:00-10:00284512613221210:00-11:00174220852023111:00-12:00623151100000通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,我們可得到體檢人員的平均到達(dá)率,如表32所示。在該表中,入表示顧客的到達(dá)均值。表3.2體檢人員平均到達(dá)率時(shí)間段(人/時(shí))8:00-9:0037.59:00-10:0085.810:00-11:00117.211:00-12:0032.1如表32所示,上午8:00-9:00為顧客到達(dá)量最少的時(shí)候,9:00-10:00體檢人員逐漸增加,10:00-11:00達(dá)到最高峰,11:00-12:00到達(dá)人數(shù)回落。這是由于體檢中心接受的體檢人員大多是由單位來組織體檢的,10:00-11:00這個(gè)時(shí)間段內(nèi)顧客到來較為方便。 我們以上午8:00-9:00的顧客到達(dá)情況進(jìn)行說明。下面根據(jù)表31的數(shù)據(jù),我們對(duì)單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的顧客數(shù)是否服從泊松分布進(jìn)行擬合檢驗(yàn)。首先,我們用極大似然估計(jì)法來估計(jì)泊松分布中包含的未知參數(shù)。設(shè)總體X服從泊松分布。首先,我們用極大似然估計(jì)法來估計(jì)泊松分布中包含的未知參數(shù)。設(shè)總體X服從泊松分布則參數(shù)入的似然函數(shù)為: 兩邊取對(duì)數(shù)得: 得似然方程: 解得: 又可算得: 故參數(shù)的極大似然估計(jì)量為: 根據(jù)表32,顧客的平均到達(dá)率為375人小時(shí),故單位時(shí)內(nèi)顧客的平均到達(dá)率:概率: 其中,與為第n-1個(gè)組的下限與上限。理論頻數(shù)=200,對(duì)于理論頻數(shù)小于5的組進(jìn)行合并后k=4,但因在計(jì)算概率是,估計(jì)了一個(gè)參數(shù),故r=1,自由度為k-r-1=3,求的值為:取a=0.05,可得: ,故認(rèn)為單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的顧客服從參數(shù)為的泊松分布。對(duì)于其他各個(gè)時(shí)間段,我們可以用同樣的方法可證明在每一個(gè)時(shí)間段顧客的到達(dá)都是服從泊松分布。為了研究系統(tǒng)中體檢人員接受服務(wù)時(shí)間的概率分布,在該體檢中心的隨機(jī)調(diào)查了200個(gè)體檢人員接受服務(wù)的時(shí)間,記錄整理如表33所示。表3.3服務(wù)時(shí)間原始數(shù)據(jù)服 務(wù)時(shí) 間 (m)1.0 1.21.2 1.41.4 1.61.6 1.81.8 2.02.0 2.22.2 2.42.4 2.62.6 2.82.8 3.03.0 3.23.2 3.43.4以上頻數(shù)6122144293759412115753 根據(jù)調(diào)查的原始數(shù)據(jù),顧客的平均服務(wù)時(shí)間為t=2.29m=132.6s。下面我們使用極大似然估計(jì)法來估計(jì)理論分布中包含的未知參數(shù):設(shè)顧客的服務(wù)時(shí)間T服從負(fù)指數(shù)分布 則參數(shù)的似然函數(shù)為: 兩邊取對(duì)數(shù)得: 得似然方程: 解得:又可算得:故參數(shù)的極大似然估計(jì)量為:根據(jù)極大似然估計(jì)法,其參數(shù)為:與顧客到達(dá)時(shí)間一樣,進(jìn)行矛擬合檢驗(yàn),同樣可驗(yàn)證:該體驗(yàn)中心排隊(duì)系統(tǒng)中體檢人員接受服務(wù)的時(shí)間服從參數(shù)為=27.144的負(fù)指數(shù)分布。綜上,體檢排隊(duì)模型假設(shè)成立。問題三對(duì)于一個(gè)團(tuán)體的客人,要求使整個(gè)團(tuán)體的客人所用時(shí)間最少,我們采用0-1規(guī)劃,假設(shè)該團(tuán)體公有M人,按照儀器充分利用、所用總時(shí)間最少的分配原則,設(shè)每一個(gè)體檢項(xiàng)目分配xi人,得到如下的模型: 根據(jù)模型,我們用lingo編程求出最優(yōu)解.六、模型解答問題一 根據(jù)表格一的數(shù)據(jù)和實(shí)際情況,給出每個(gè)科室的和的表格表格 2lamuda130mu120lamuda230mu224lamuda330mu325Lamuda45mu43lamuda530mu521Lamuda660mu642Lamuda760mu730Lamuda860mu845 根據(jù)表格2的數(shù)據(jù),用MATLAB編程得出了抽血科室的到達(dá)時(shí)間和離開時(shí)間的圖,和等待時(shí)間與停留時(shí)間。 根據(jù)對(duì)抽血科室的時(shí)間和表格一的數(shù)據(jù)處理,通過上面的圖可以看出:當(dāng)人數(shù)呈數(shù)據(jù)流的泊松分布,與現(xiàn)實(shí)相符。問題二 把每個(gè)科室抽象成一個(gè)點(diǎn),時(shí)間與檢比的積根當(dāng)做權(quán)重。據(jù)迪克斯特拉(Dijkstra)算法,其基本思想是按距 從近到遠(yuǎn)為順序,依次求得A到G 的各頂點(diǎn)的最短路和距離,直至(或直至G 的所有頂點(diǎn)),算法結(jié)束。為避免重復(fù)并保留每一步的計(jì)算信息,采用了標(biāo)號(hào)算法(i)令,對(duì),令(ii)對(duì)每個(gè) 計(jì)算把達(dá)到這個(gè)最小值的一個(gè)頂點(diǎn)記為,令 (iii).若i=|V|-1,停止。若i=0;x(i)=100;end得到的最優(yōu)解:=17 =13 =15 =12 =18 =15 =11 =19七、模型評(píng)價(jià)與推廣本文上述結(jié)果表明利用計(jì)算機(jī)模擬完全有能力完成對(duì)多人、多項(xiàng)體檢項(xiàng)目的分析,并做出僅需等待最短時(shí)間的最優(yōu)安排;同時(shí)兼顧提高設(shè)備利用率,使得各項(xiàng)體檢設(shè)備都得以發(fā)揮其最大效用。對(duì)此不僅能夠定性分析,而且作出了定量安排,故而是切實(shí)可行的,值得在臨床實(shí)踐中推廣應(yīng)用。尤其在醫(yī)院排隊(duì)掛號(hào)、就診,戰(zhàn)時(shí)大批量傷病員的救治排隊(duì)等方面具備一定優(yōu)越性,藉此可以合理利用資源 。在此基礎(chǔ)上,對(duì)本算法進(jìn)一步優(yōu)化,可以考慮團(tuán)隊(duì)體檢時(shí)如何排隊(duì),建立以所有受檢人員完成檢查的總時(shí)間最短為目標(biāo)函數(shù)、各體檢者的等待時(shí)間最短為約束條件的非線性規(guī)劃模型,探討團(tuán)體體檢排隊(duì)的最優(yōu)方案將是下一步研究方向。參考文獻(xiàn)【1】馬琳療養(yǎng)院體健中心動(dòng)態(tài)排隊(duì)系統(tǒng)J中國數(shù)字醫(yī)學(xué),2007,1(1):2325【2】劉京梅科學(xué)的組織管理運(yùn)用于大批量人員體檢工作中J中原醫(yī)刊,2004,lo(2o):56【3】茆詩松統(tǒng)計(jì)手冊(cè)M北京:科學(xué)出版社,2003【4】陳慶宏排隊(duì)論在生產(chǎn)過程時(shí)間組織中的應(yīng)用閉北方經(jīng)貿(mào),2003(11):9293【5】于志青排隊(duì)論在交通工程中的應(yīng)用研究J】中州大學(xué)學(xué)報(bào),2005,22(1):118119【6】張維中排隊(duì)論在確定集裝箱碼頭吞吐能力中的應(yīng)用【J】海岸工程,1998,17(1): 67-7l【7樊相宇電話交費(fèi)窗口用戶排隊(duì)分析【J】西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2003,5(1):48-5l【8】熊桂武MMn系統(tǒng)在學(xué)??茖W(xué)管理中的應(yīng)用們長春師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004,23(1):3133【9】楊燦,盧正鼎基于排隊(duì)模型的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析叨電視技術(shù),2004(5):3436【10】王勇,孫薇,李道華排隊(duì)管理系統(tǒng)在銀行管理中的應(yīng)用陰黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(2):156158附錄:程序代碼:clear clc %* %初始化顧客源 %* %總仿真時(shí)間 Total_time = 10; %隊(duì)列最大長度 N = 10000000000; %到達(dá)率與服務(wù)率 lambda =30; mu =20; %平均到達(dá)時(shí)間與平均服務(wù)時(shí)間 arr_mean = 1/lambda; ser_mean = 1/mu; arr_num = round(Total_time*lambda*2); events = ; %按負(fù)指數(shù)分布產(chǎn)生各顧客達(dá)到時(shí)間間隔 events(1,:) = exprnd(arr_mean,1,arr_num); %各顧客的到達(dá)時(shí)刻等于時(shí)間間隔的累積和 events(1,:) = cumsum(events(1,:); %按負(fù)指數(shù)分布產(chǎn)生各顧客服務(wù)時(shí)間 events(2,:) = exprnd(ser_mean,1,arr_num); %計(jì)算仿真顧客個(gè)數(shù),即到達(dá)時(shí)刻在仿真時(shí)間內(nèi)的顧客數(shù) len_sim = sum(events(1,:)Total_time break; else number = sum(events(4,member) events(1,i); %如果系統(tǒng)已滿,則系統(tǒng)拒絕第 i個(gè)顧客,其標(biāo)志位置 0 if number = N+1 events(5,i) = 0; %如果系統(tǒng)為空,則第 i個(gè)顧客直接接受服務(wù) else if number = 0 %其等待時(shí)間為 0%PROGRAMLANGUAGEPROGRAMLANGUAGEevents(3,i) = 0; %其離開時(shí)刻等于到達(dá)時(shí)刻與服務(wù)時(shí)間之和 events(4,i) = events(1,i)+events(2,i); %其標(biāo)志位置 1 events(5,i) = 1; member = member,i; %如果系統(tǒng)有顧客正在接受服務(wù),且系統(tǒng)等待隊(duì)列未滿,則 第 i個(gè)顧客進(jìn)入系統(tǒng) else len_mem = length(member); %其等待時(shí)間等于隊(duì)列中前一個(gè)顧客的離開時(shí)刻減去其到 達(dá)時(shí)刻 events(3,i)=events(4,member(len_mem)-events(1,i); %其離開時(shí)刻等于隊(duì)列中前一個(gè)顧客的離開時(shí)刻加上其服 %務(wù)時(shí)間 events(4,i)=events(4,member(len_mem)+events(2,i); %標(biāo)識(shí)位表示其進(jìn)入系統(tǒng)后,系統(tǒng)內(nèi)共有的顧客數(shù) events(5,i) = number+1; member = member,i; end end end end %仿真結(jié)束時(shí),進(jìn)入系統(tǒng)的總顧客數(shù) len_mem = length(member); %* %輸出結(jié)果 %* %繪制在仿真時(shí)間內(nèi),進(jìn)入系統(tǒng)的所有顧客的到達(dá)時(shí)刻和離 %開時(shí)刻曲線圖(stairs:繪制二維階梯圖) stairs(0 events(1,member),0:len_mem); hold on; stairs(0 events(4,member),0:len_mem,.-r); legend(到達(dá)時(shí)間 ,離開時(shí)間 ); hold off; grid on; %繪制在仿真時(shí)間內(nèi),進(jìn)入系統(tǒng)的所有顧客的停留時(shí)間和等 %待時(shí)間曲線圖(plot:繪制二維線性圖) figure; plot(1:

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