氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)研究論文
時間:2022-03-12 09:35:00
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摘要本文首先介紹了氣象應(yīng)用網(wǎng)格的基本框架,然后介紹了開放網(wǎng)格服務(wù)構(gòu)架-數(shù)據(jù)訪問與集成(OpenGridServicesArchitecture-DataAccessandIntegration,OGSA-DAI)以及Agent技術(shù)在網(wǎng)格計算中的應(yīng)用,最后討論了氣象網(wǎng)格中氣象數(shù)據(jù)的按需獲取方法。
關(guān)鍵詞氣象應(yīng)用網(wǎng)格,開放網(wǎng)格服務(wù)構(gòu)架-數(shù)據(jù)訪問與集成,,按需獲取
網(wǎng)格(Grid)計算源于元計算(Metacomputing),其初衷是將分布的多臺超級計算機連接成為一個可遠(yuǎn)程控制和訪問的元計算系統(tǒng),逐步發(fā)展為遵循開放標(biāo)準(zhǔn)、聚集網(wǎng)絡(luò)上廣泛分布的計算、存儲、數(shù)據(jù)、軟件、儀器設(shè)備和傳感器等各種資源的分布合作計算平臺,以服務(wù)的方式支撐大規(guī)模計算和數(shù)據(jù)處理等各種應(yīng)用,將Internet變?yōu)橐粋€功能強大、無處不在的計算設(shè)施。開放網(wǎng)格服務(wù)構(gòu)架-數(shù)據(jù)訪問與集成(OGSA-DAI)是一種中間件,其設(shè)計目標(biāo)是提供一種簡便的方法,在網(wǎng)格環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和集成。而將Agent技術(shù)應(yīng)用在網(wǎng)格計算中可以有有效地節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬,提供實時的遠(yuǎn)程交互,支持離線計算等諸多優(yōu)點。
氣象網(wǎng)格則是網(wǎng)格技術(shù)的一個具體應(yīng)用,它的作用是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的按需預(yù)報,有效提升科研業(yè)務(wù)體系、聚合高性能計算資源,提高資源的利用率、建立異地協(xié)同攻關(guān)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,加快重點攻關(guān)項目的研究進度、實現(xiàn)氣象信息的共享、增加信息反饋的渠道。
目前的氣象數(shù)據(jù)獲取方式主要是各個臺站被動的接受來自主站的氣象數(shù)據(jù)進行篩選、分析,預(yù)報。這無疑產(chǎn)生處理效率低、實時性較差、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源嚴(yán)重浪費等缺點,且人力物力花費大。本文在以下的章節(jié)里,介紹氣象應(yīng)用網(wǎng)格框架,引入Agent技術(shù)和OGSA-DAI,在此基礎(chǔ)上提出一種新型、高效的氣象數(shù)據(jù)獲取方法。
1氣象應(yīng)用網(wǎng)格
1.1網(wǎng)格技術(shù)概述
網(wǎng)格(Grid)的概念誕生于20世紀(jì)90年代中期,它借鑒了電力網(wǎng)的思想,希望利用互聯(lián)網(wǎng)或?qū)S镁W(wǎng)絡(luò),把地理上廣泛分布的各種計算資源互連在一起,使得分布在各地的計算資源相互連接,組成充分共享的資源集成(即虛擬組織)。高度的資源共享是網(wǎng)格計算技術(shù)追求的目標(biāo)。目前已出現(xiàn)的解決資源共享的方案和技術(shù),如:因特網(wǎng),企業(yè)計算,對等計算,分布計算等,均難以滿足直接對計算機、軟件、數(shù)據(jù)和其他資源的靈活訪問以及可控的高度共享。網(wǎng)格技術(shù)致力于達(dá)到這個目標(biāo),提供建立虛擬組織所需要的資源共享的靈活性和可控性。
1.2氣象應(yīng)用網(wǎng)格簡介
以中國氣象應(yīng)用網(wǎng)格為例,它是由中國氣象科學(xué)研究院發(fā)起,許多相關(guān)單位參加的科研應(yīng)用網(wǎng)格。主要研制基于網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)值天氣預(yù)報軟件及其支持軟件,研究觀測資料和數(shù)值預(yù)報氣象數(shù)據(jù)的海量處理技術(shù),實現(xiàn)應(yīng)用網(wǎng)格對海量氣象數(shù)據(jù)集的遠(yuǎn)程訪問和智能請求管理等。利用中國氣象局已有的衛(wèi)星氣象通訊網(wǎng)絡(luò)和高性能計算資源,在2005年,建立包括國家氣象中心、氣象科學(xué)研究院、廣州區(qū)域氣象中心、北京區(qū)域氣象中心和上海區(qū)域氣象中心的中國氣象網(wǎng)格平臺,為行業(yè)內(nèi)部的研究人員提供一個資源共享、遠(yuǎn)程高性能科學(xué)計算的數(shù)值預(yù)報技術(shù)研究和模擬環(huán)境,實現(xiàn)數(shù)值預(yù)報應(yīng)用層的互聯(lián)互通、資源共享和協(xié)同工作。提供網(wǎng)格中尺度氣象數(shù)值天氣預(yù)報模式系統(tǒng)、海量氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、網(wǎng)格氣象可視化系統(tǒng)、氣象軟件開發(fā)協(xié)同工作環(huán)境。逐步形成氣象網(wǎng)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)中國氣象局的業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)代化建設(shè),提升我國的氣象應(yīng)用水平,促進全國氣象數(shù)值預(yù)報的整體可持續(xù)性發(fā)展。
它的結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖1氣象應(yīng)用網(wǎng)格系統(tǒng)框架
各系統(tǒng)的作用和特點:
代碼共享和協(xié)同開發(fā)系統(tǒng):1.為不同的用戶設(shè)置新一代數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的使用、源代碼瀏覽和修改等共享權(quán)限,實現(xiàn)網(wǎng)上的代碼版本控制;2.提供遠(yuǎn)程應(yīng)用的協(xié)同工作環(huán)境,提供遠(yuǎn)程氣象數(shù)據(jù)的訪問與服務(wù)能力。
網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報系統(tǒng):1.良好的可移植性:模式時間、空間分辨率可隨意調(diào)節(jié);2.程序執(zhí)行時的可定制性:因不同需求而定制程序運行方式、預(yù)報區(qū)域大小及動力框架主干及物理過程;3.良好的可維護性及可擴充性:模式動力框架及物理過程可任意插拔;4.單一原碼程序保正能夠在多種機型上有效運行。
海量氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng):1.數(shù)據(jù)存儲設(shè)計:采取online和offline方式,根據(jù)用戶對數(shù)據(jù)的訪問頻率和訪問響應(yīng)時間要求的不同分別在一級磁盤陣列、二級磁帶庫、三級脫機磁帶等設(shè)備上進行存儲;2.數(shù)據(jù)遷移;3.數(shù)據(jù)采集;4.數(shù)據(jù)檢索服務(wù)
網(wǎng)格氣象可視化系統(tǒng):用戶可以在客戶端通過菜單方式選擇顯示的數(shù)據(jù)源和顯示方式。數(shù)據(jù)源包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報的輸出,以及一些常用的文件類型;顯示方式包括不同類型數(shù)據(jù)的顯示,如向量場和標(biāo)量場,不同的地圖投影方式,時間演變曲線,直方圖,剖面圖,探空圖,時間動畫等。
2.開放網(wǎng)格服務(wù)構(gòu)架-數(shù)據(jù)訪問與集成
OGSA-DAI即開放網(wǎng)格服務(wù)架構(gòu)數(shù)據(jù)訪問和集成(OpenGridServicesArchitecture-DataAccessandIntegration),它符合基于OGSA的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn),并在GlobusToolkit3.0上進行開發(fā)。支持DB2、Oracle、Xindice、MySql等數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫是對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)格化,基于開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA提供網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫服務(wù),使網(wǎng)格用戶或其他網(wǎng)格服務(wù)可通過網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫服務(wù)訪問網(wǎng)格中的各種異構(gòu)數(shù)據(jù)庫,從而達(dá)到數(shù)據(jù)資源的高度共享和協(xié)同處理,對數(shù)據(jù)資源的訪問更加透明、高效、可靠,網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理的能力更強,滿足虛擬組織的數(shù)據(jù)處理需求。
OGSA-DAI的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示,可以看出,其體系結(jié)構(gòu)與WebService很相似,都是Discover、Bind、Publish機制。
圖2OGSA-DAI體系結(jié)構(gòu)
網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)(GirdDataService,GDS)::為訪問某個數(shù)據(jù)資源(關(guān)系數(shù)據(jù)庫或XML數(shù)據(jù)庫,甚至是存儲在普通文件中的數(shù)據(jù))提供服務(wù)。
網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)工廠(GridDataServiceFactory,GDSF):用于創(chuàng)建一個GDS實例,以訪問特定的數(shù)據(jù)資源。
服務(wù)組注冊器(ServiceGroupRegistry,DAISGR):用于找到所需要的GDS,也可以通過它找到用于創(chuàng)建所需GDS的工廠。
執(zhí)行文檔(PerformDocument):一種XML格式的文檔,用于定義要在GDS上執(zhí)行的活動,如一條SQL查詢,然后再定義如何將查詢的結(jié)果傳送給第三方。
響應(yīng)文檔(ResponseDocument):一種XML格式的文檔,是GDS處理執(zhí)行文檔后返回的結(jié)果。
活動(Activity或Activities):實現(xiàn)程序功能的核心功能模塊。
它們之間的交互關(guān)系如圖3所示,整個交互戶過程如下:
(1)運行OGSIContainer為永久性服務(wù);
(2)此時GDSF代表database:FrogsDatabase;
(3)GDSF在DAISGR上注冊;
(4)如果用戶想了解數(shù)據(jù)庫,可以直接查詢GDSF,也可以通過DAISGR定位合乎需要的GDSF;
(5)用戶請求創(chuàng)建一個GDS;
(6)用戶發(fā)送PerformDocument和GDS通信進行交互;
(7)
GDS返回一個ResponseDocument;
(8)用戶銷毀GDS或者讓其自動消亡。
圖3元素間交互關(guān)系在執(zhí)行的策略,F中狀態(tài)的轉(zhuǎn)移反映了策略的執(zhí)行順序。
圖4所表達(dá)的含義是:網(wǎng)格服務(wù)(GridServices)通過一系列事件(Event)反映到agent的ModelofGridServices中,agent根據(jù)要達(dá)到的目標(biāo)(Agenda)和當(dāng)前ModelofGridServices中的信息決定執(zhí)行狀態(tài)機(FiniteStateMachine)中的哪個策略,策略的執(zhí)行結(jié)果可以影響ModelofGridServices,也可以作用于外部世界。
3.2Agent在OGSA結(jié)構(gòu)下的應(yīng)用方向
·網(wǎng)格服務(wù)助理:agent的一個重要的特點在于它的可移動及恢復(fù)執(zhí)行的特性。所以它可以代表網(wǎng)格服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中完成一定的任務(wù),成為網(wǎng)格服務(wù)的助手。它可以在遠(yuǎn)程主機上獨自運行,不論網(wǎng)絡(luò)是否連通,而發(fā)送者可以關(guān)掉自己的計算機,免除線路持續(xù)的連接。在agent運行完畢之后用戶再建立網(wǎng)絡(luò)連接進行回收。這不但避免了由于網(wǎng)絡(luò)帶寬低、費用高、不可靠帶來的一系列問題,而且節(jié)省了資源。例如為了指定一個需要多個網(wǎng)格服務(wù)協(xié)同完成的計算操作,發(fā)起者(一個網(wǎng)格服務(wù))只要發(fā)送一個agent與代表其它網(wǎng)格服務(wù)的agent交互,這些agent經(jīng)過協(xié)商后制定一個時間表,最后返回給各個網(wǎng)格服務(wù)。
·分布信息查詢:在網(wǎng)絡(luò)中,當(dāng)信息資源分布于不同的計算機上時,查詢信息的一般做法是將各個信息源的信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到本地機上,再在本地機上建立應(yīng)用進行查詢。這樣網(wǎng)絡(luò)信息的傳遞量將是巨大的,而且用戶在進行查詢時并不能關(guān)閉計算機。目前的網(wǎng)格中的信息查詢主要是通過查詢注冊服務(wù)中的信息,而如果采用了agent技術(shù),可以創(chuàng)建一個這樣的agent任務(wù),把它派遣到遠(yuǎn)程主機上,這樣它就可以自動尋找信息資源進行訪問,在用戶想要接收信息時,將查詢結(jié)果返回給用戶。這一點體現(xiàn)了agent目標(biāo)驅(qū)動和行為預(yù)知的特點。
·監(jiān)視和通知:當(dāng)需要對網(wǎng)格中的特定資源進行控制時,獲得其當(dāng)前的狀態(tài)是十分必要的。作為被控制方,由于狀態(tài)的多樣,是沒有義務(wù)隨時向控制方報告其狀態(tài)的。作為控制方,可以派遣專門的agent到被監(jiān)視機上負(fù)責(zé)這項工作,再也不必采取一些被動的措施,例如隔一段時間進行一次查詢,或者被動地等待被監(jiān)視方返回一些無用的信息。比如agent可以脫離自身的出生地,及時地監(jiān)視某一信息源,等待該信息源上可用信息的出現(xiàn)。這樣的agent也可以以網(wǎng)格服務(wù)的形式存在于網(wǎng)格環(huán)境中,各個控制方只要調(diào)用這一類網(wǎng)格服務(wù)就可以輕松地對相關(guān)資源進行控制。
當(dāng)然,agent在OGSA結(jié)構(gòu)下的應(yīng)用遠(yuǎn)不止以上三點,比如,還有并行處理、實時控制、信息等等,限于篇幅和本文章討論的內(nèi)容,在這里就不一一敘述了。
4氣象數(shù)據(jù)獲取方法
目前,基層氣象臺站的預(yù)報方式主要是通過自身被動的接受來自主站的氣象數(shù)據(jù)來進行分析、預(yù)報。由于每天有大量的氣象數(shù)據(jù)通過主站發(fā)送到各個臺站,而每個臺站所需要的氣象信息可能只是其中的一小部分,這無疑對資源和網(wǎng)絡(luò)都造成了很大的浪費。預(yù)報員還要整理這些數(shù)據(jù),從大量數(shù)據(jù)中篩選出自己所需要的部分來進行分析預(yù)報,這也浪費了大量的人力、物力,效率也不高。再次,如果臺站的接收機出現(xiàn)斷電,死機等問題使得暫時無法接收來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),可能就會耽誤預(yù)報的時間。因此,我們提出了一種基于Agent和OGSA-DAI的全新的氣象數(shù)據(jù)獲取方法,來解決這一問題。
4.1agent結(jié)構(gòu)設(shè)計
該氣象數(shù)據(jù)獲取方案突出了一個“按需獲取”的概念,即主動的通過網(wǎng)絡(luò)中主站或者其他存有氣象數(shù)據(jù)的節(jié)點獲取與本臺站預(yù)報所相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)。
具體結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要分為3個部分:
臺站:即臺站的主機,用來訂制Agent并接受Agent返回的最后結(jié)果
AgentHome:臺站向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送Agent的中轉(zhuǎn)站,其本身也是一個Agent,屬于臺站訂制的Agent的上層,用來協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)Agent和Agent的處理數(shù)據(jù),是臺站和Agent之間的接口,一個區(qū)域的幾個臺站共用一個AgentHome。為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源,AgentHome還要負(fù)責(zé)最短路徑的查找,以便使存有所需數(shù)據(jù)的最近的服務(wù)器上的Agent工作。
Agent:臺站具體訂制的,用來完成氣象數(shù)據(jù)的按需獲取和分析工作,通過AgentHome統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。
圖5氣象數(shù)據(jù)按需獲取方案結(jié)構(gòu)
利用Agent作為氣象數(shù)據(jù)獲取的工具,臺站負(fù)責(zé)訂制一個Agent,由AgentHome負(fù)責(zé)分析存在臺站所需數(shù)據(jù)的節(jié)點(包括主站和其他一些存有氣象數(shù)據(jù)的服務(wù)器)的最短路徑,使工作在最短路徑上而且可用的Agent工作。這樣Agent就作為一個監(jiān)視者不斷的監(jiān)視節(jié)點信息,一旦信息源上的可用數(shù)據(jù)出現(xiàn),Agent就立刻做出響應(yīng),提取所需數(shù)據(jù)并進行分析處理,并將所需結(jié)果返回給AgentHome。如果臺站主機定制完Agent以后就處于離線狀態(tài),這些Agent照樣自主運行而不受任何限制,然后將計算結(jié)果返回給AgentHome,AgentHome檢測到臺站主機在線時就立即將結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給臺站,由臺站技術(shù)人員完成進一步的處理工作。而Agent和節(jié)點之間具體的數(shù)據(jù)訪問操作,則是通過OGSA-CAI結(jié)構(gòu)框架來實現(xiàn)的。
4.2OGSA-DAI組件的應(yīng)用
在圖6的操作中包括一個Agent,一系列的OGSA-DAI組件和網(wǎng)格數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),這些GDS中均存在Agent所需的數(shù)據(jù)。圖中橢圓OGSA-CAI組件,矩形表示Agent,綠色箭頭表示控制信息,紅色粗箭頭表示GDTS(GridDataTransferServices)?,F(xiàn)在要做的工作是(1)獲得從數(shù)據(jù)源1和數(shù)據(jù)源3中合成的數(shù)據(jù);(2)將數(shù)據(jù)源1、2、3中所獲得的合成數(shù)據(jù)傳給第三方(AgentHome)。
圖6工作流程
Agent使用OGSA-DAI的步驟如下:
(1)找到DAISGR的位置并發(fā)送一個它要請求的服務(wù)的描述給那個DAISGR。描述大概是3個可訪問的數(shù)據(jù)源和請求的操作。
(2)DAISGR用一個表明所請求的GDS不存在的指示作為應(yīng)答,但同時提供了一個的GDSF列表,GDSFs可能產(chǎn)生請求的GDS。
(3)在進行一番對話后,客戶選擇其中的一個GDSF。3個請求對應(yīng)選中的GDSF上的CreateService操作,GDSF請求所需的GDS的創(chuàng)建。
(4)選中的GDSF負(fù)責(zé)3個GDS的創(chuàng)建和初始化,并且為3個請求源逐個創(chuàng)建OGSA-DAI適應(yīng)性,而且為對應(yīng)客戶的每個GDS返回一個GSR(包括一個GSH(GridServicesHandle))。
(5)在每個GDS被查詢后,即用FindServiceData操作確定它的能力的詳細(xì)細(xì)節(jié)(不顯示)后,客戶發(fā)信息給每一個GDS表示操作(如,查詢、更新、巨量裝載)被請求執(zhí)行。在本例中:
·GDS1應(yīng)該傳送一批數(shù)據(jù)(從一個查詢操作)到GDS2并發(fā)送一個數(shù)據(jù)流到GDS3,這些數(shù)據(jù)流和批數(shù)據(jù)被GDSs上操作利用。
·GDS2接受一批GDS1操作的數(shù)據(jù)和從GDS3來的數(shù)據(jù)流。GDS2應(yīng)該建立流向第三方的數(shù)據(jù)流。
·GDS3應(yīng)該執(zhí)行一個操作發(fā)送一個數(shù)據(jù)流(從一個關(guān)于來自GDS3的數(shù)據(jù)的操作和一個數(shù)據(jù)源3的查詢)到GDS2。
對每一個數(shù)據(jù)傳送者都有一個它怎樣被執(zhí)行的描述。
(6)GDS1用一個GDTS傳送指定的批數(shù)據(jù)到GDS2,用另一個GDTS傳送一個數(shù)據(jù)流到GDS3。如果由GDS1執(zhí)行的操作被說明是并行的,這可以持續(xù)并發(fā)發(fā)生。
(7)GDS2使用進來的數(shù)據(jù)流、它自己的數(shù)據(jù)和一個發(fā)送一批數(shù)據(jù)到Agent的GDTS,
(8)并且GDS2初始化針對第三方的數(shù)據(jù)流。
5結(jié)論
本文根據(jù)Agent在網(wǎng)格計算中的應(yīng)用和OGSA-DAI進行了氣象網(wǎng)格中的氣象數(shù)據(jù)獲取方法的研究,主要為了解決基層氣象臺站每天都要接受冗長的氣象數(shù)據(jù)來進行預(yù)報的問題,有效地節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬,提高了接收和分析氣象數(shù)據(jù)的效率。使用該方法通過對Agent進行相應(yīng)的設(shè)置,減輕臺站的負(fù)擔(dān),有效的節(jié)約了帶寬,提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。隨著網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展,這一方法一定能夠發(fā)揮其自身的優(yōu)點,擴展新的氣象數(shù)據(jù)處理應(yīng)用和服務(wù)。
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agent技術(shù)集軟件、通信、分布系統(tǒng)的技術(shù)于一體,agent具有封裝私有特征的能力、靈活的協(xié)調(diào)能力和更好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性,具有比對象粒度更粗、抽象級別更高的特征,更符合人的認(rèn)知過程。技術(shù)是適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)平臺的一種新型軟件技術(shù),為分布開放系統(tǒng)的分析、設(shè)計和實現(xiàn)提供了一個嶄新的途徑,為網(wǎng)格計算思想的實現(xiàn)提供了一種有力的手段。其優(yōu)點可概括為:(1)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬、(2)提供實時的遠(yuǎn)程交互、(3)支持離線計算、(4)實現(xiàn)負(fù)荷卸載、(5)易于服務(wù)、(6)增加應(yīng)用的強壯性、(7)提供平臺無關(guān)性。
3.1Agent在網(wǎng)格計算中的應(yīng)用模型
Agent的優(yōu)點使得它有重大的應(yīng)用價值,在網(wǎng)格計算中可以應(yīng)用在很廣泛的范圍。目前網(wǎng)格計算技術(shù)中,開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA成為研究和討論的熱點。在OGSA下,應(yīng)用Agent技術(shù)可以采用基于BDI的Agent模型,由四元組(M,Ag,S,F)組成,見圖4。
圖4基于BDI的Agent模型
其中:
M是ModelofGridServices,表示agent對網(wǎng)格服務(wù)和自身狀態(tài)的認(rèn)識;
Ag是Agenda,即BDI中的Desire,表示agent期望達(dá)到的結(jié)果狀態(tài);
S是Strategy即BDI中的Intention,是agent根據(jù)M和Ag所采取的策略;
F是FiniteStateMachine,一個State對應(yīng)一個Strategy,F的當(dāng)前狀態(tài)對應(yīng)于agent正
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