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[原创] 数学世界的进化论与人工智能

[ 2007-02-15 10:12:44 ]

  引言/提要:“深蓝”击败国际象棋冠军不是人工智能的胜利;真正的人工智能是怎样的;客观存在的数学世界,是真正人工智能产生的基础;以达尔文的进化论,寻求真正的人工智能;进化图灵机;进化形式系统;计算机软件的自然进化。

  关键词:客观数学世界,进化论,人工智能,图灵机,形式系统,软件进化

目录:
  一、数学世界及人工智能的问题
  1、目前的人工智能不足以超越人类智慧,不算是真正的人工智能。
  2、真正的人工智能是怎样的?
  3、数学世界是客观存在,还是主观思维的产物?
  4、作者关于如何实现真正人工智能的一些思路。
  二、进化图灵机
  1、TM的概念。
  2、ETM的概念。
  3、有关ETM的若干问题。
  三、进化形式系统
  1、FS的概念。
  2、EFS的概念。
  3、给出一个EFS解决人工智能问题的特例:机器人摘香蕉的例子。
  4、有关EFS的一些定理和推论。
  四、计算机软件的进化
  1、进化软件与传统软件的区别。
  2、进化软件的相关概念。
  3、软件进化的加速。
  4、进化软件为何有能力超越人类智慧?
  5、软件自然进化的现实可行性与远景。
  五、结束语
  
声明:
  本文所引用别人的文字,或者借鉴别人观点,用自己的话描述出来的地方,均在正文相应位置标明了出处。其余部分,均为本文作者原创。
  引用或借鉴别人观点的地方主要有:
  1、目前的人工智能不足以超越人类智慧。
  2、数学世界是客观存在的,而不是主观思维的产物。
  3、达尔文的进化论。
  4、传统图灵机的概念。
  5、传统形式系统的概念。
  本文作者的原创内容主要有:
  1、“深蓝”击败国际象棋冠军不是人工智能的胜利。
  2、真正的人工智能是怎样的。
  3、客观存在的数学世界,是真正人工智能产生的基础。
  6、以达尔文的进化论,寻求真正的人工智能。
  7、进化图灵机。
  8、进化形式系统。
  9、计算机软件的自然进化。
  由于作者水平有限,未能深入探讨,也难免有疏漏之处,还请老师多多批评指正。
  
正文:

  一、数学世界及人工智能的问题
  一直以来,数学家、计算机专家都在寻求一种能够代替人类智慧去思考、解决问题的有效方法,称为人工智能。经过多年的努力,取得了可观的成效,但是距离真正能够用人工智能取代人类智慧的目标还十分遥远。
  
  1、目前的人工智能不足以超越人类智慧,不算是真正的人工智能。
  目前的人工智能,全是经过了人类智慧的加工,遵循人的思维推算出去。例如FSPC、FSFC等,无不是类似欧几里德几何体系那样,从公理出发,推导出结果。
  这样的人工智能,从出发点就已经受到人类智慧的桎梏,因此不可能超越人类智慧。[1]即使只想让这种人工智能达到人类智慧的程度,除非人类智慧发展已到极致,不可能再进步,否则永远只能望尘莫及。
  IBM的“深蓝”击败了国际象棋冠军,曾被一些人当作是人工智能超越人类智慧的有力证据。而事实上,那只不过是IBM项目组的人把编制好的程序输入给“深蓝”,本质上是合多人的智慧,赢了象棋大师一个人的智慧,甚至可能只是在速度上取胜。
  因此,目前建立在人类智慧基础上的人工智能,固然能够解决部分实际问题,但严格来说,不能算是真正意义上的人工智能。
  
  2、真正的人工智能是怎样的?
  真正的人工智能,不应该人类想到了什么,它才能想到什么。它应具有与人类相当的智慧,甚至超越人类智慧。人类尚未想到的,它已经事先想到了。
  真正的人工智能,无疑具有重大的意义。人类可以拥有真正的机器“智囊团”,即使是当前已有的专家系统,也会成为名副其实的专家,能够解决各种问题。
  既然真正的人工智能不能够建立在人类智慧的基础上,它需要如何产生呢?正如人类需要从地球生命起源说起,人工智能也应从数学世界说起。
  
  3、数学世界是客观存在,还是主观思维的产物?
  所谓数学世界,涵盖了一切数学理论、猜想的总和,不管是已证明还是未证明的,人类已知还是未知的,人类认可还是不认可的。
  有人认为,数学世界是人类创造出来的,并且存在于人的思维中。例如,欧几里德创造了几何理论体系,于是人脑中多了这个几何体系,数学世界也就多了欧几里德的几何世界。在欧几里德创造它出来之前,数学世界里是没有这个东西的。
  从哲学的层面讲,这是一种唯心主义的数学世界观。而我更倾向于唯物主义的数学世界观,那就是:
  数学世界是客观存在的,具有自己的一套自然规律,其规律不以人类的意志为转移。并且,不论人类有没有发现这个客观的数学世界,发现了其中的多少,这个数学世界始终完整地存在。而人脑中所存在的,仅仅是其中已被发现的部分映象。[2]
  正如牛顿发现万有引力之前,万有引力就一直存在并发挥作用,数学世界也一样。原始人尚未知道数字1、2、3之前,这些数字已存在于数学世界中。康托“发现”集合论之前,集合论已在冥冥之中起作用。从这个意义上讲,不能说数学家“发明”或者“创造”了某某理论,而应该说“发现”了某理论——该理论早已存在于数学世界中了。
  正是有了客观存在的数学世界,不受人类智慧的影响,真正的人工智能才有了产生的基础。
  
  4、作者关于如何实现真正人工智能的一些思路。
  如果要得到真正的人工智能,不应先经过人类智慧的过滤。不妨设想一下,从客观存在的数学世界出发,直接产生人工智能。人类的作用,仅仅是发现其中的一些客观数学规律,未发现并不意味着错误或不存在。正如物理学家观察宇宙,发现经典力学、发现相对论、发现量子力学那样。
  本人试图借鉴达尔文的进化论[3],寻求客观数学世界基础上真正的人工智能。从达尔文的理论中,通过遗传、变异、优胜劣汰等,物种从低等进化到高等,直至出现人类,出现人的智慧,这个过程给予我们有益的启迪,可能会帮助我们有朝一日找到(注意不是“创造出”)真正的人工智能。

  二、进化图灵机
  以下把传统图灵机简称为TM(Turing Machine),进化图灵机简称为ETM(Evolution Turing Machine)。
  
  1、TM的概念。
  TM是在一条或多条无限长的纸带上,通过移动、打标识、修改标识等有限而确定的动作,以一定的规则运行的虚拟机器。如果TM在有限的步骤内得到目标结果,则相应的问题可计算,且有解。如果问题不可计算,则TM会无限运行下去,没有结束。[4]
  
  2、ETM的概念。
  通过引入进化论的相关概念,我们把TM扩展为ETM。概念解释如下:
  遗传:ETM象TM那样执行常规动作。此时ETM的表现与TM相同。
  变异:ETM在常规动作的基础上,随机在某一步发生一个动作改变,变成何种动作也是随机的。此时,ETM变得与TM不一样了。
  遗传和变异合称为进化(这里把“退化”也视作进化)。
  宇宙:全体ETM的集合。容易证明,宇宙中包含了TM,因为完全未经变异的ETM就是原来的TM。
  物种:某一类ETM的集合,通常是具有某些共同性质的同类ETM。
  筛选规则:用于在宇宙中筛选ETM,规则可以是客观规律,也可以是人为规则。
  自然选择:以客观规律作为筛选规则。例如物种的一致性、完全性、完备性等。
  人工选择:加入人工确定的筛选规则。例如“有限步骤”作为筛选规则,要求ETM在多少步之内要有结果。
  ETM的进化结果有三种:生存、淘汰、存活。
  生存:针对某一个或一类特定问题,ETM求解成功。
  淘汰:ETM被筛选规则排除掉。
  存活:ETM未被淘汰,又未能确定其结果是生存。
  
  3、有关ETM的若干问题。
  问题一:ETM有何意义?
  其意义就在于ETM懂得自主创新,不完全按约定的动作指令运行。
  例如,火星登陆车搁浅,与地球失去联络,且原有程序不能走出困境的时候,ETM有可能自行找到解决办法。
  又如,现在费马大定理已经得到证明。假设在人类尚未成功证明的时候,ETM有没有可能“灵机一动”,得出这个数学难题的证明呢?
  
  问题二:ETM会不会与TM在本质上相同?
  ETM的产生机制和TM是完全不同的,ETM基于客观数学世界,TM基于人类智慧,ETM用到了进化论中的变异、优胜劣汰等方式。直观而言,ETM与TM在本质上应该是不同的,但尚未得到严格的证明。
  
  问题三:ETM是否比TM能力更强?能否实现真正的人工智能?
  如果上一个问题最终被证明,ETM与TM在本质上相同,那么这个问题不必再问。因为这种情况下ETM和TM能力一样强,无法实现真正的人工智能。
  但如果上一个问题证明了ETM与TM本质上是不同的,则ETM将很有希望实现真正的人工智能。
  后面两个问题,有待进一步深入探讨。

  三、进化形式系统
  以下把传统形式系统简称为FS(Formal System),进化形式系统简称为EFS(Evolution Formal System)。
  
  1、FS的概念。
  详细的FS定义是一个五元组:
  FS = {Σ, TERM, FORMULA, AXIOM, RULE}
  其中Σ是符号表,TERM是常元、变元(合称为项)的集合,FORMULA是公式集, AXIOM是公理集,RULE是推理规则。[5]
  FS的基本原理,就是一开始人为地确定了公理、推理规则和其他要素,然后从公理出发,通过推理规则演绎出整个FS。因此,FS也是建立在人类智慧的基础上的。
  
  2、EFS的概念。
  EFS是由穷举扩展(称为宇宙大爆炸)、筛选规则(包括自然选择、人工选择)进化而成。我们定义EFS是一个三元组:
  EFS = {Σ, FORMULA, CHOICE}
  其中Σ是符号表,FORMULA是公式集,CHOICE是筛选规则。
  注意EFS与FS的不同:FORMULA中的公式,不是按一定的规则形成的,而是用Σ的所有元素,以穷举法排列组合而成。显然,有可能出现一些莫名其妙的公式,但也存在有意义的公式。
  此外,EFS的定义中,没有TERM、AXIOM和RULE,只有筛选规则CHOICE。需要的话,可以把TERM、AXIOM和RULE放入CHOICE中,但CHOICE的功能强得多,决不仅限于这三种规则。
  
  EFS的相关概念:
  遗传:从一个EFS完整复制出另一个EFS,因此性质与原来的EFS也完全相同。
  变异:在EFS的定义三元组中,随机增加、减少、改变其中的某种要素,例如Σ中某个符号、FORMULA中某个符号、CHOICE中某项规则等。
  遗传和变异合称为进化。
  宇宙:全体EFS的集合。
  宇宙大爆炸:以穷举法生成整个宇宙的过程。事实上,EFS进化的结果,同样可以通过宇宙大爆炸产生。不过通过进化,可以更容易得到形式近似(性质也可能类似)的EFS。
  时空:又称子宇宙,是某一类EFS的集合,通常是具有某些共同性质的同类EFS。
  筛选规则:用于在宇宙中筛选EFS,规则可以是客观规律,也可以是人为规则。
  自然选择:以客观规律作为筛选规则。例如EFS的一致性、完全性、完备性等。
  人工选择:加入人工确定的筛选规则。例如把FS的公理、推导规则(都是人类制定出来的)加入到CHOICE中,就是人工选择。
  对于整个宇宙而言,每个EFS的宇宙大爆炸结果(含进化结果)有两种:生存、淘汰。
  生存:EFS通过了筛选规则而保留下来。
  淘汰:EFS被筛选规则排除掉。
  对于针对某一个或某一类特定问题求解的EFS,一般采用进化方式,比宇宙大爆炸产生EFS更快速。其进化结果有三种:生存、淘汰、存活。
  生存:EFS成功求解。
  淘汰:EFS被筛选规则排除掉。
  存活:EFS未被淘汰,又未能确定其结果是生存。
  
  3、给出一个EFS解决人工智能问题的特例:机器人摘香蕉的例子。
  问题:为机器人编排一个动作规划,使它能走动,搬动一张椅子,登上椅子,取到挂在天花板上的香蕉。
  如果是FS,可以用一阶逻辑归结原理解决此规划生成的问题。而EFS的求解方法完全不同。
  首先,在宇宙大爆炸中,形成所有机器人摘香蕉的EFS集合,即一个时空。此处已经出现一个筛选条件:机器人摘香蕉,具体就是有关上述问题已知条件的符号化筛选。筛选的结果,是FORMULA形成一个动作、状态公式序列。
  然后,给出筛选条件:机器人在有限步骤内(步数是某个确定值),不能摘到香蕉,则被淘汰,摘到香蕉则生存。由于机器人能源有限,或机件老化,此筛选条件应属自然选择。
  还可再加入人工选择的筛选条件:如果在公式序列中,机器人重复了一个相同的状态,例如光是来回走动,表明机器人不够聪明,被淘汰。
  经过上述筛选条件,生存下来的EFS(可能有0个至多个)就是问题的解。FORMULA中的公式序列,就是正确的动作规划。
  
  4、有关EFS的一些定理和推论。
  定理1:EFS的宇宙中,包含所有FS。或者说:对于任何FS,都存在等价的EFS。
  证明:设FS’ = {Σ, TERM, FORMULA, AXIOM, RULE}是任一FS,由于所有EFS是宇宙大爆炸中以穷举法生成的,所以必然能够找到Σ与FS相同的EFS’。
  把FS’的TERM, FORMULA, AXIOM, RULE全部加入到EFS’的筛选条件CHOICE中,并且CHOICE中没有任何其他筛选条件,经过此人工选择,EFS’会表现出与FS’一样的形式,包括公式、公理、推导规则、定理等都相同。因此,EFS’ 与FS’在形式上等价。
  由于两者形式上等价,则对于FS’的任意语义,同样可以套用在EFS’上,于是EFS’ 与FS’在语义上也等价。证毕。
  
  特例:找到与FSPC的Σ相同的EFS,再把FSPC的TERM, FORMULA, AXIOM, RULE全部加入到EFS’的筛选条件CHOICE中,就得到EFSPC。它与FSPC等价,同样也具有FSPC的一切性质,例如一致性、可判定性、合理性、完备性、紧致性等。
  
  推论1:一切FS都可由EFS宇宙筛选得到。当然,这种筛选是人工选择。
  
  定理2:EFS的宇宙范围,超出所有FS的范围。或者说:存在EFS,使任何FS都不能于之等价。
  解释:EFS中并未要求有公理、推导规则,只是允许FS的公理、推导规则加入到筛选条件CHOICE中。而且,EFS的公理、推导规则可以是空集(或部分缺失),但定理、演绎结果仍然成立。这是由EFS的产生机制决定的。公式成立是筛选的结果,其现实意义是公式代表了某个事实,相当于FS中的公理。现实中有两句话切合了筛选条件的含义:
  “事实是检验真理的唯一标准。”“黑猫白猫,抓住老鼠就是好猫。”
  证明:我们通过证明,存在符合哥德尔不完备性定理的条件,但又具有完备性的EFS。显然,这样的完备性FS并不存在。从而证明存在EFS与任何FS都不等价。
  根据哥德尔不完备性定理,若FS中包含初等数论形式系统,且是一致的,则存在该FS的公式A,它是初等数论的真命题,但A与┐A都不是FS的定理。
  由上述定理1可知,存在与该FS等价的EFS,A与┐A都不是该EFS的定理。假设S是EFS中所有满足上述条件(A与┐A都不是定理)的公式A的集合。
  把EFS进行遗传,复制出EFS1、EFS2和EFS3,再分别加入如下筛选条件:
  1)S中所有元素都不是EFS1的公式。
  2)S中任一元素都是EFS2的孤立公理,不能运用任何推理规则。
  3)S中任一元素要么不是EFS3的公式,要么是EFS3的孤立公理。
  这样,EFS1、EFS2和EFS3都具有完备性。
  显然,由于FS的不完备性,没有任何FS与EFS1、EFS2或EFS3等价。证毕。
  EFS1、EFS2包含在EFS3中,或者说,EFS1、EFS2都是EFS3的缩减版。这是由筛选条件的差别造成的。
  
  推论2:哥德尔不完备性定理对于EFS并不成立。
  根据哥德尔不完备性定理,在FS中把A与┐A都不是定理的公式A加入到公理中,生成新的FS,这时又会出现新的这样的公式A’。而在EFS中,筛选条件允许剔除这样的公式A,也允许其作为孤立公理存在,不再推导出新的定理或产生新的公式,于是FS中那种无休止的情况不再出现。EFS的这种容纳特例的性质,与自然界中存在个别特殊例子的情况,有异曲同工之处。
  
  可见,EFS的能力强于FS,某些EFS没有等价的FS。
  EFS与FS有着本质的区别,EFS是以客观数学世界为基础,通过进化论的方法得到的,不受人类智慧的干扰(人工选择除外)。而EF是在人类智慧的基础上演绎而成的,不可能超越人类的智慧。因此,EFS有可能产生真正的人工智能。

  四、计算机软件的自然进化
  1、进化软件与传统软件的区别。
  传统软件是由人工编写而成的,即使是所谓的“自动编程”,也不过是建立在底层人工编程的基础上,作模块化的装配。不可想象,尚未有任何人类想出某个算法之前,计算机已经自动编制出了该算法的正确程序。如前所述,这种人工基础上的软件开发,不可能实现真正意义上的人工智能。
  进化软件则完全不是人工编写,而是由所有计算机代码的排列组合形成的集合(称为软件世界的宇宙大爆炸),再经过一定的筛选条件(自然选择、人工选择),对代码进行优胜劣汰而得到的。这种产生机制,与前面所述的ETM、EFS相类似。
  
  2、进化软件的相关概念。
  遗传:传统计算机病毒具有自我复制能力,可视作进化软件范畴内的遗传。
  变异:有部分计算机病毒在人为干预下可产生变种,这仅仅是人工变异。自然变异是随机发生在程序中的代码变化,不是人为引起的。
  遗传和变异合称为进化。
  宇宙:全体计算机代码的集合。
  宇宙大爆炸:以穷举法生成整个宇宙的过程。事实上,软件进化的结果,同样可以通过宇宙大爆炸产生。
  时空:又称子宇宙,是某一类程序代码的集合,通常是具有某些共同性质的同类程序。
  筛选规则:用于在宇宙中筛选程序代码,同样分为自然选择和人工选择。
  自然选择:以客观规律作为筛选规则。例如程序代码不能有语法错,不能导致运行崩溃。
  人工选择:加入人为确定的筛选条件。例如程序要完成某个人为要求的特定任务。
  每个程序代码的宇宙大爆炸结果(含进化结果)有三种:生存、淘汰、存活。
  生存:程序通过了筛选条件,被保留下来。
  淘汰:程序被筛选条件排除掉。
  存活:程序未被淘汰,又未能确定其结果是生存。
  优胜劣汰条件:是更进一步的筛选条件,要求在生存下来的程序中,筛选出最好(或近乎最好)的一小部分,其余程序淘汰。“最好”的含义似乎具体情况而定。
  
  3、软件进化的加速。
  对于复杂功能程序,要生成并找到生存的进化程序,现实可行性很低。为此,可采用DNA、染色体的概念,加速程序的进化。
  一开始的宇宙大爆炸,生成所有程序代码,由于程序代码无穷无尽,这在现实中是不可行的。即使仅仅要求适可而止,一旦发现生存的程序就停止爆炸进程,要想得到复杂功能程序,仍然需要漫长的进化,甚至遥遥无期。
  加速进化的方法是:宇宙大爆炸初期,生成简单的代码,经过筛选条件,未被淘汰的代码称为DNA。这些DNA成为构造复杂程序的子模块。DNA的不同排列组合,就构成不同的程序,称为染色体。染色体的再排列组合(实质上仍然是DNA的排列组合),构成更复杂的染色体。
  在这种DNA、染色体的进化过程中,筛选条件一直在起作用,但条件并不是一成不变的。组成的程序越复杂,实现条件越严格。对DNA不采用优胜劣汰条件,以免错过了有前途的DNA。染色体则开始优胜劣汰,以便缩小排列组合的规模。否则,如果一开始就把复杂功能程序的筛选条件,用在低等的DNA上,DNA早就全被淘汰了。
  可以证明,由DNA构造出来的染色体,理论上全都可以从宇宙大爆炸中产生出来。但是,先经过优胜劣汰而生存下来的DNA,生存能力得到验证。由它们构造出来的染色体,再进行优胜劣汰,再继续构造染色体。这样一步步进化的速度,远远超过完全依靠宇宙大爆炸(穷举法)的进化速度。
  而且,这些生存下来的DNA和染色体,即使回到传统计算机软件(人工编码)的范畴,仍具有可重用性,可以直接作为有用的程序模块,加入到人工编写的软件当中。
  
  4、进化软件为何有能力超越人类智慧?
  或许有人有疑问:本文的作者就不是人类?这样的进化软件,不仍然是人类想出来的吗?怎能超越人类智慧?谈何实现真正的人工智能?
  请注意进化软件的生成机制,那是人类“发现”的软件,而不是“创造”出来的软件。类似于达尔文发现地球上各物种,我们能说物种是他“创造”出来的吗?他又能不能肯定日后会进化出什么样的新物种,在某些能力上会否超过人类(例如飞翔)?
  如上所述,计算机软件在宇宙大爆炸、DNA、染色体、优胜劣汰等一系列进化过程中,有可能出现真正的人工智能软件。由于软件的生成是自动的,不受人为因素影响(人工选择除外),理论上可以进化形成人类还根本未曾想到的有效软件,甚至有可能比人类编写的软件更先进。
  
  5、软件自然进化的现实可行性与远景。
  目前,计算机软件的自然进化,还只是一个理想的概念。以当前计算机的运算能力,进化软件要真正实用还很遥远。而一旦运算能力有了突破性进展,例如量子计算机诞生,进化软件很有希望成为现实。
  理论上,量子计算机若要破解目前基于数论的加密算法,速度很快。其原理类似于细胞分裂,单位时间内的运算量会呈几何级数增长。因此,即使用穷举法暴力破解密码,也是轻而易举。
  而量子计算机这种迅速膨胀的运算速度,恰好能满足进化软件大规模产生和筛选的运算需要。因此可以预期,进化软件可以伴随着量子计算机的诞生而进入实用阶段。
  当然,现在的量子计算机研发进程同样是任重而道远。目前只能做到用激光束“冻住”一个量子微粒的实验室成果,远未能构造出量子逻辑运算部件(相当于电子计算机的逻辑门电路)或算术运算部件(相当于电子计算机的运算器)。最乐观的估计,至少也要十年时间,量子计算机才能投入实用。而要使成本降至可以商用,还要再过数年时间。据此估计,目前的加密算法至少在未来十多年内仍是安全的。
  但无论如何,进化软件很有希望实现真正的人工智能,不应坐等量子计算机面世才着手研发。进化软件也不是非要依赖量子计算机不可。只要运算能力足够,或者有优化的DNA遗传变异算法,进化软件的研发就有可能取得局部成果。现在就可以尝试随机自动生成简单的程序模块,筛选出有用的或者好的模块,用于传统软件的组装。

  五、结束语
  人工智能是一个意义重大的研究课题,一旦取得成功,将有相当高的实用性,值得我们去积极研究。本文提出“真正的人工智能”的含义,认为如果以人类智慧为基础,不可能产生真正的人工智能。并且,借鉴达尔文的进化论,提出有可能实现真正人工智能的思路,希望能够抛砖引玉,产生更多有用的成果。
  同时,作者估计,即使真正的人工智能软件已经产生,由人类编写的传统软件也不会一场而消亡。两者会长期共存共生,并行不悖,不存在谁取代谁的问题。正如自然界的进化和人类的克隆、基因改造同时存在于地球上,各有各的意义。
  毕竟,人类智慧中的创造力始终是很有用的。
  

龙之梦
2006.7.1

  
注释:

  [1] 出自《皇帝的新脑》,2004年,湖南科学技术出版社,罗杰·彭罗斯著,许明贤、吴忠超译。网上链接:http://202.113.227.137/songz/index/ebook/chn/830.htmhttp://202.113.227.137/songz/index/ebook/chn/840.htm

  [2] 出自《皇帝的新脑》第三章之中:数学概念的柏拉图实在。

  [3] 出自《物种起源》,查理·罗伯特·达尔文著,周建人、叶笃庄、方宗熙译。网上链接:http://www.med8th.com/readingroom/wzqy/default.htm

  [4] 出自论文《可计算数学》,1936年,图灵著。

  [5] 出自《计算机逻辑学导论》,2000年,华南理工大学计算机系教材,齐德昱著。
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