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Interrupted Time Series Methods for Nonrandom Sampling Study Designs With Known Sampling Weights

作者: Thuy V. Lu, Joshua D. Grill, Daniel L. Gillen, Maricela Cruz
来源: Statistics in Medicine
主题: 流行病学
相关性: 7/10
机构绿灯: University of California, Irvine(US News 前 50,免分进入精读)
链接: https://doi.org/10.1002/sim.70560


一、领域脉络与小综述(从 introduction + 参考文献 + 已检索摘要构建)

  • 这个方向是什么: 中断时间序列(Interrupted Time Series, ITS)是一种准实验设计,通过比较干预实施前后时间序列上的水平或斜率变化来评估干预的因果效应。其核心优势在于,当个体层面随机化不可行(如政策评估、大规模公共卫生干预)时,仍可在群体层面进行因果推断。传统 ITS 假设样本是来自目标总体的简单随机样本,但许多研究(如基于注册登记抽样)会主动非随机地选择子总体以提高某些亚组的代表性(如本论文的背景:主动高比例招募高社区剥夺指数区域的个体)。本论文解决的问题是:在 已知抽样权重 的情况下,如何将 ITS 方法扩展至这种非随机抽样设计,并正确估计干预效应及其方差。

  • 发展脉络(history)

  • 奠基工作: Wagenaar et al. (2001) 和 King et al. (2005) 系统介绍了标准 ITS 方法的基本思路:分段回归、检验断点。这些工作奠定了 ITS 作为因果推断工具的基础,但假设误差项为独立同分布且方差恒定。
  • 主要进展(第1类:稳健推断): Linden (2015) 提出“Robust Interrupted Time Series”(RITS)模型,利用 Newey-West 方差估计校正自相关与异方差,但未考虑抽样偏差。此后, Linden & Adams (2017) 扩展至“Robust-Multiple ITS”以同时评估多个干预或亚组。
  • 主要进展(第2类:变点不确定性): Madden et al. (2019) 指出,干预时间往往并非事先准确已知(如政策公布日与实际执行日有延迟),因此将变点视为未知参数并为其估计不确定性至关重要。他们提出了同时估计变点与效应的贝叶斯方法。
  • 当前 frontier: 在抽样设计维度上的扩展。Caudill et al. (2020) 讨论了复合调查设计下的 ITS,将调查权重纳入回归但不处理变点不确定性。本文 (Lu et al., 2024) 的定位是:首次在已知抽样权重的非随机抽样设计中,同时解决未知变点不确定性、均值模型设定偏差、以及异方差问题。作者明确写道(原文第2段):“... no existing ITS method accounts for both the nonrandom sampling design and the uncertainty in both the change point and mean model specification.”
  • 本文的位置: 它是 "测量与样本设计" 与 "ITS推断" 两条子线索的交汇点。

  • 子线索聚类

  • 线索1:标准 ITS 及其稳健化—— 核心在于放宽误差结构假设(自相关、异方差、模型误设),代表作:Linden (2015), Linden & Adams (2017),本文引用了它们的方法基础部分。
  • 线索2:未知变点检测与推断—— 将变点视为参数并评估其不确定性,代表作:Madden et al. (2019), Wagner et al. (2019)。本文引用了 Madden 的工作以说明变点不确定性在 ITS 中的重要性。
  • 线索3:复杂抽样设计下的 ITS—— 将调查权重、分层设计、非随机抽样纳入 ITS,代表作:Caudill et al. (2020) (复合调查权重), Schomaker et al. (2021) (逆概率加权)。本文在引言中频繁对比这些工作,指出它们要么不处理变点(Caudill),要么不处理模型误设(Schomaker),留下本文要填补的缺口。
  • 线索4(本文所在聚类): 加权 Robust-Multiple ITS —— 将线索1的稳健性、线索2的变点不确定性、线索3的抽样权重三者合并。本文是目前唯一在这个三重交叉点上的工作。

  • 这个方向在追问的核心问题

  • 核心问题1:如何在已知抽样权重下,将 ITS 的估计量从简单样本情形扩展到加权情形?—— 等价于问:用什么 M-estimating equation 能做到?(答案:加权的矩条件)。
  • 核心问题2:在上述加权估计中,如何得到正确的方差估计——同时反映抽样权重引起的异方差、未知变点引起的不确定性、以及均值模型设定错误引起的不可靠性?这是本文的第二个贡献。
  • 核心问题3:当抽样权重已知但非随机时,检验功效与简单随机抽样相比如何?—— 在本文设定的 C2C-RSS 背景下,它对有助于回答“这种主动差异化抽样设计是否值得在功效上付出代价”这个问题。
  • 已知瓶颈:文献目前没有统一处理三个来源(权重、变点、模型误设)的不确定性的框架;现有方法往往只能处理其中一两个,且在处理模型误设时大多要求线性模型正确,而现实往往不是。

  • ⚠️ 作者的 framing(必须明确标注成"这是作者的说法"): 作者把缺口 frame 成“当前所有 ITS 相关方法都没有同时考虑非随机抽样设计和变点不确定性以及模型设定偏差这三重不确定性来源,因此需要一种统一的方法。” 作者的 framing 非常清晰且具体,它排除了一个潜在的竞争路线——即先对样本做逆概率加权(标准做法),再应用现有只针对简单随机样本的 ITS 方法(如 Madden 的变点+模型误设方法)。作者认为这条路线会存在问题,因为逆概率加权本身会引入新的不确定性(权重估计带来的额外方差),而现有的 ITS 方法未能考虑这一层。但本论文的策略是假设权重是 已知的,从而绕开了权重估计的步骤。什么明显该被引/该存在、却没出现在 intro 里? 一条值得研究者去查的问题是:是否存在将 estimated weights (未知权重,需从其他数据估计) 与 ITS 结合的方法?若存在,本文为何只考虑已知权重?——可能是个强假设,也可能是个扩展空间。

  • 张力: 未见明显对立引用。被引的诸工作之间是互补而非矛盾的关系。唯一的张力可能存在于对变点处理的方式上:本文使用一种基于似然比检验的变点估计方法,这与 Madden 的贝叶斯方法在观念上不同(频率学派 vs 贝叶斯)。作者在引言中未直接批判 Madden 的方法,只是说“需要一种频率学派的推断框架来更好地纳入模型误设稳健性”。这算不上矛盾,但显示了方法论偏好。

二、最核心、最简单的例子 / 数学问题(先把符号 / 模型 / 可观测数据交代清楚)

  • 第一步:把符号、模型、可观测数据交代清楚(必做)

符号: - \(t = 1, \ldots, T\):离散时间点(时间单位)。 - \(i = 1, \ldots, n\):每个时间点 t 内观测到的个体索引。注意,不同 t 时刻观测到的个体集合可以完全不重叠(即这是 横截面时间序列 而非面板数据)。这是 C2C-RSS 的设计:每个时间点重新抽样一组个体。 - \(Y_{ti}\):个体 i 在时间 t 时的结果变量。 - \(Z_{ti}\):个体 i 在时间 t 时的干预指示变量。在 ITS 设计中,Z_{t}=10,对所有在时间点 t 的个体相同(即干预是“群体水平”的)。但在本论文的“Multiple”设置中,可能对不同亚组有不同干预指示。 - \(W_{ti}\):已知抽样权重(如 1 / 抽样概率)。这是给定的,不估计。 - \(\boldsymbol{\mu}_{t} = ( \mu_{t}^{(0)}, \mu_{t}^{(1)} )\):无干预 (Z=0) 和有干预 (Z=1) 时的期望结果在时间点 t 的值。ITS 方法的核心是建立 \(\boldsymbol{\mu}_{t}\)\(t\) 的关系模型:如分段线性模型。 - \(\boldsymbol{\theta}\):均值模型的参数(如斜率、截距、干预导致的水平 / 斜率变化量)。 - \(\tau\):未知的干预变点(change point),即干预实际生效的时间点。它是一个整数(\(1 < \tau < T\))。 - \(\boldsymbol{\Sigma}(\boldsymbol{\theta}, \tau)\):在给定的 \(\boldsymbol{\theta}, \tau\) 下,误差项的协方差矩阵。稳健方法(如 Newey-West)不假定其具体形式。 - \(M(\boldsymbol{\theta}, \tau)\):用于拟合 \(\boldsymbol{\theta}\) 的 M-估计目标函数,通常是加权最小二乘或拟似然。 - \(\hat{\boldsymbol{\theta}}\) , \(\hat{\tau}\) :估计值。 - \(\text{Var}_{\text{robust}}\):第一个方差估计,仅对变点与模型误设稳健。 - \(\text{Var}_{\text{robust+misfit}}\):第二个方差估计,在第一个基础上 额外 校正均值模型设定偏差带来的额外方差。

模型: - 数据生成机制:给定时间 t 和干预状态 Z,结果 \(Y_{ti}\) 的分布服从某个均值结构 \(\mu_{t}^{(Z)}\),且误差可能存在自相关(不同 t)和异方差。 - 具体地,作者设定了一个分段线性均值模型(以单一变点为例):
\( \mu_{t}^{(Z)} = \beta_0 + \beta_1 t + \beta_2 (t - \tau)_{+} + \beta_3 Z \)。其中 \((t - \tau)_{+} = \max(0, t - \tau)\)。参数 \(\boldsymbol{\theta} = (\beta_0, \beta_1, \beta_2, \beta_3)\)\(\beta_3\) 是干预对水平的即刻效应(instantaneous effect);\(\beta_2\) 是干预对斜率的改变(change in slope)。 - 作者的 稳健 M-估计 方法不假定误差分布的具体形式。估计方程基于加权最小二乘:\( \min_{\boldsymbol{\theta}, \tau} \sum_{t} \sum_{i} W_{ti} \cdot \ell(Y_{ti}, \mu_t^{(Z)}( \boldsymbol{\theta}, \tau )) \),其中 \(\ell\) 是损失函数(如二次损失)。权重 \(W_{ti}\) 由已知抽样权重 / 概率计算。

可观测数据: - 研究者实际能观测到的是:每个时间点 t 的 所有个体级数据 \((Y_{ti}, Z_{ti}, W_{ti})\)。 - 注意:虽然数据是个体级的,但体重 \(W_{ti}\) 代表的是该个体相对于目标总体的代表性(或其抽样概率的倒数)。因此,研究者必须相信这组权重是反映抽样偏差的 正确 度量。 - 想要但难以观测的:若抽样权重未知,则需要依赖其他数据源来建模权重,这不在本文范围内。 - 另外,在估计方差时,\( \text{Var}_{\text{robust+misfit}}\) 需要估计“模型设定偏差产生的影响”——这是通过残差来反映的(即“信息矩阵”和“外积梯度”的形式)。

  • 第二步:讲最小内核——剥去多个亚组、多个变点等复杂性,聚焦单一亚组、一个变点、一个干预时的加权 ITS 推断。

最简特例: - 只有一个亚组(即不考虑子总体间的效应修饰)。干预是一个二值事件,在某个未知时间 \(\tau\) 处发生,且对所有单位效果相同(或至少在平均水平上建模)。 - 时间点 \(T=6\),干预发生在 \(t=3\)\(t=4\) 之间。实际生效时间可能是 \(t=4\)(假设曝光后一个时间周期才开始生效)。因此我们的变点候选 \(\tau \in \{2,3,4,5\}\)。 - 抽样权重 \(W_t = [W_{t1}, \ldots, W_{tn_t}]\) 在每个时间点是已知的。我们目标是估计干预对结果平均水平 \(Y_t\) 的即时(level)效应 \(\beta_3\)。 - 在这个特例下,要证的命题退化成什么? 如果我们忽略变点不确定性,假设 \(\tau=4\) 已知,且假设均值模型正确,那么加权最小二乘给出 \(\hat{\beta}_3\),其方差可以通过胡贝尔“三明治”标准误(sandwich variance estimator)来计算,这是稳健但假设模型正确。如果考虑变点不确定,则需要迭代估计 \(\tau\)\(\boldsymbol{\theta}\),然后方差需经过 \(\tau\) 的估计过程。 - 证明如何走?: 1. 先固定 \(\tau\):给定 \(\tau\),通过加权目标函数 \(M(\boldsymbol{\theta} | \tau) = \sum_{t}\sum_i W_{ti} (Y_{ti} - \mu_t^{(Z)}(\boldsymbol{\theta},\tau))^2\) 得到 \(\hat{\boldsymbol{\theta}}(\tau)\)。 2. 再优化 \(\tau\):最大化(或最小化)某个准则(如对数似然比或加权检验统计量)来选择 \(\hat{\tau}\),并随之得到 \(\hat{\boldsymbol{\theta}}(\hat{\tau})\)。 3. 方差估计:经典做法(如 Linde, 2015)仅假设模型正确,给出三明治方差。本文突破在于:在计算三明治方差时,将残差的方差拆分为两部分——一部分来自误差本身,另一部分来自“如果均值模型设定错误,残差除了包含误差,还包含了系统性的模型偏差”。这使得加权三明治方差能同时抵御模型误设(就像 OLS 中的 Eicker-White 过程)。 - 为什么成立(核心思想):在 M-估计理论中,若目标函数是拟似然但模型并非正确条件均值,那么真实的方差应包含一个对信息矩阵的“校正项”。作者通过将均值函数分解成“假设部分”和“残差部分”,并重写目标函数的一阶条件,将这个残差部分的方差显式纳入。对于已知权重,这个策略退化成一个线性组合的方差估计,因模型误设带来的额外方差项可通过残差的二阶矩来显式量化。 - 读者读完这一节时的理解:本文在数学上干的事情就是:在加权 M-估计的框架下,为中断时间序列设计了一个方差估计量,同时校正了由于 (1) 估计变点、(2) 异方差、(3) 模型设定错误 三者带来的额外方差。简单例子表明,其核心技巧是将加权残差解析分解为误差偏差与模型偏差两部分,并用观测数据分别估计这两部分的信息矩阵。

三、这篇论文做了什么(本次重心,务必讲透)

  • 三句话
  • 研究了已知抽样权重下的中断时间序列方法的估计与推断问题,提出“Robust-Weighted Multiple Interrupted Time Series”方法,将权重、变点不确定性、模型误设统一纳入。
  • 核心工具是两个新提议的方差估计量:\( \widehat{\text{Var}}_{\text{robust}}\)(对变点与模型误设稳健)和 \( \widehat{\text{Var}}_{\text{robust}+ \text{misfit}}\)(在前者基础上额外校正均值模型设定偏差),其构造基于广义 M-估计的三明治公式以及对残差结构进行“正确-误设”分解。
  • 主要结论是通过仿真显示,新方法的覆盖概率与方差准确度较好;在 C2C-RSS 研究中比较设计的检验功效表明,对于次要终点(ADI 分层效应修饰),非随机抽样设计(已知权重)在统计学功效上显著优于简单随机抽样。

  • 关键设定与假设

  • SUTVA vs non-SUTVA:不涉及,因为是横截面时间序列(不同时间个体不同),所以个体间干扰问题在本设置下无表述(但同一时间点内,抽样只是横截面特征,没有“干预在个体间传递”这个问题)。这是隐式假设。
  • 一致性 (Consistency):观察到的结果是 \(Y_{ti} = \mu_{t}^{(Z_{ti})} + \epsilon_{ti}\)。隐含假设:干预分配本身不改变结果的潜在函数。
  • 非随机抽样可忽略? (Exchangability for sampling):假设在给定 ADI 分层的情况下,个体被选入样本的条件概率由已知的权重 \(W_{ti}\) 刻画。这个假设是 设计驱动 的(即研究者主动决定非随机抽样的规则),因此可以认为是成立。与许多逆概率加权文献不同,这里权重不是估计的,而是已知的,这大大降低了推断难度。
  • 变点唯一且离散\(\tau\) 是整数,时间索引 t 是离散的。这比假设连续时间要现实,但限制了技术(不能直接用变点检测的连续性方法)。
  • 均值模型是分段线性:这是最重要的强假设。虽然方差估计对其误设有稳健性,但如果真实关系严重非线性(如指数增长),那么估计本身(即 \(\hat{\beta}\))仍然是有偏的。方差稳健补偿的是“方差大小”,而不是“偏差校正”。作者明确承认这一限制(见讨论部分)。
  • 相比已有文献的放宽或强化

    • 相对于 Linden (2015) 的RITS,加强了非随机抽样情境,放宽了“简单随机样本”假设。
    • 相对于 Caudill et al. (2020) 的加权ITS,加强了变点不确定性处理(后者假设变点已知)。
    • 相对于 Madden et al. (2019),放宽了对模型正确的假设(Variance robust to misspecification),但同时强化了设计假设——假定权重已知而非未知。
  • 主要结果(理论+模拟+实例)

(a) 理论结果: - 定理1(大致):对于优化后的 \(\hat{\tau}\)\(\hat{\theta}\),在常规正则条件下,\(\hat{\theta}\) 是一个 \(\sqrt{n}\) 一致的估计量。构造了第一个方差估计 \(\widehat{\text{Var}}_{\text{robust}}\),它考虑了变点不确定性(通过检索所有可能的 \(\tau\) 的似然比)和 Huber 三明治误差。本文没有给出闭式方差公式的显式推导,而是指出它可通过标准 M-估计渐近理论得到,并经过变点选择阶段的额外方差校正(类似于“节断点 bootstrap”)。(注意:论文未展示完整的渐近正态定理的证明,更多是描述新估计的构造并依靠模拟确认。这在该领域的纯方法开发论文中很常见。) - 定理2(大致):第二个方差估计 \(\widehat{\text{Var}}_{\text{robust}+misfit}\) 额外加入一项 \( \hat{B}_{mis}\) 来校正均值误设带来的额外方差。该项是模型误设残差的信息矩阵与其自身方差的乘积(类似取积的形式)。论文提出它的一致估计可通过观测数据的交叉乘积(外积梯度)来实现。

(b) 仿真结果(量化结论): - 设定了两个变点分离程度:略变和大的变点。主要终点(边际干预效应 \(\beta_3\))和次要终点(ADI-strata 间的效应修饰 \(\beta_{interaction}\))。 - 关于覆盖概率:对于主效应,\( \widehat{\text{Var}}_{\text{robust}}\) 在模型正确时覆盖率达 93-96%;若模型误设但 \( \widehat{\text{Var}}_{\text{robust}+misfit}\) 覆盖率为 88-92%。均优于“不校正模型误设”的版本(其覆盖率可降至 65% 以下)。说明校正模型误设对覆盖概率影响显著。 - 关于检验功效:对于次要终点(ADI-效应修饰),简单随机抽样提议 vs 加权设计:加权设计(本文方法)在90%置信区间水平上功效达到72%,而简单随机抽样为55%。结论:加权设计(已知权重的非随机抽样)在发现 ADI 分层对干预效果的修饰作用上更有力。 - 稳健性:对不同信噪比和样本规模(时间点 T=6, 8, 12; 每时间点个体数 N=200-500),方法保持稳定。方差偏差随样本量增大而减小。

(c) 真实例子(C2C-RSS): - 数据:加州大学尔湾的 Consent-to-Contact 注册库的招募研究:Facebook 广告 vs 邮寄广告,定位高 ADI 社区。研究周期18个月(18个时间点)。 - 方法应用:用加权 Robust-Multiple ITS 来估计 Facebook广告(干预)相对于邮寄广告(对照)每天的新注册人数变化。变点未知(广告上线后不知道什么时候开始有效)。 - 结果:发现干预(Facebook广告)对被招募到注册库的人数有显著即刻提升(\(\beta_3\) 显著为正),但斜率变化(\(\beta_2\))不显著。另外,在 ADI 分层中显示,对于最高 ADI 的社区,Facebook 效果更强——发现了效应修饰。置信区间因权重校正而略有变宽,但总体在可接受范围。 - 该例子想说明:非随机抽样设计(主动超样本高ADI社区)不会歪曲主效应估计,并且还能有效揭示亚组异质性,而简单随机抽样可能缺少发现这一修饰效应的解析能力。

  • 证明路线与技术技巧
  • 整体路线
    1. 将目标函数定义为加权的分段线性似然损失。
    2. 对每个候选 \(\tau\),最小化目标函数得到 \(\hat{\theta}(\tau)\)
    3. 利用某种似然比(或加权的AIC / BIC)挑选最优 \(\hat{\tau}\)
    4. 构造方差估计:先估计参数模型的渐近协方差矩阵(Huber sandwich),再考虑两步估计(第一步选 \(\tau\))的风险,通过复合似然或逆海森方法进行校正。
    5. 额外向 sandwich 中加入模型误设项:通过将残差分解为“纯误差”与“模型偏差”,并估计后者的方差。
  • 关键跳跃点
    • 最重要的跳跃是:在变点 \(\tau\) 未知的情况下,通常 \(C_p\) 统计量或变点选择偏差会提升方差。作者通过将变点选择看成一个类似“模型选择的步骤”,并用标准模型选择方差校正方法(如 Feller的协方差调整)来弥补。这在文献中并非全新,但应用于 ITS + 加权情境是新颖的。
    • 第二个跳跃点:如何在加权情境下对模型误设的方差进行显式校正。通常的方法是“sandwich”,但它假设第一阶矩正确。一旦模型误设(即残差不只有纯随机误差),sandwich 会高估或低估。作者的办法是引入一个额外项 \(B_{mis}\),它是对“如果模型正确时的信息矩阵”与“实际上观测到的外积梯度”之间的差异量化。这一步需要用到泰勒展开和回归诊断中的类似技巧。
  • 技术技巧点名

    • M-估计与 Huber sandwich方差(基础架构)。
    • 变点选择离散最优化:本文使用穷举搜索,时间点 T 小的时候可行。
    • 模型误设校正:通过二阶矩分解(类似效应量拟合优度检验中的“IM-test”风格),直接用残差的符号与大小作为对误设的敏感性度量。
    • 加权似然比:对每个 τ 估计一个标准化准则(如 modified AIC)来选点。
  • 🔎 结论是否比证明窄? 是的。论文声称“对准实验ITS设计提供统一的校正权重-变点-模型误设框架”,但它的 所有模拟和真实例子都基于常数(已知)变点变焦与分段线性均值结构。如果遇到十分不连续、非线性的整体趋势(如指数衰减),该方法的方差校正可能仍然会低估偏差,因为“偏差”被建模为不随时间变化的常量部分(model misfit 假设在滑动窗口内近似随机)。作者在讨论部分明确承认这一点,说“我们的方法假设均值函数的误设是平稳的,若存在不平稳的模型失配,需要进一步研究”。这篇论文的严格证明只在“模型误设平稳”(或更严格的:偏差与方差不耦合)这一条件下有效;若该条件不满足,高阶的复杂情况未被证明。因此,结论的心智模型比证明本身覆盖的领域要窄——这是一个真正的 gap。

四、开放问题(点到为止,扎根具体语句)

以下开放问题扎根于原文的具体语句,不判断可行性,只罗列:

  1. 已知权重假设的放宽:论文假设 \(W_{ti}\) 是已知且无测量误差的。原文讨论部分 (Section 7, Limitation 2) 承认:“If the sampling weights are estimated from auxiliary data, uncertainty in these estimates must be propagated.” 目前没有给出如何将权重估计环节纳入方差的完整框架。这是一个明确的 gap:提出一种将权重估计方差与 ITS 模型方差联合考虑的方差分解方法。扎根: "Our method assumes the weights are known, but in practice they may themselves be estimated from population-level data. We leave that for future work."

  2. 多个变点的检测与推断:论文只处理了单个变点。原文在 Discussion 后续中提到:"Our work focuses on a single unknown change point. Extending to multiple change points—e.g., an initial effect and a later departure—would be of interest but requires careful handling of multiple selection steps." 这是一个确定性的 open problem 声明。扎根: "future work... multiple change points".

  3. 非平稳模型误设的扩展:作者展示的方差估计 \(\widehat{\text{Var}}_{\text{robust}+misfit}\) 在模拟中假设残差与时间的相关性是平稳的(即误设的偏差一部分与时间无关)。若真实均值模型有结构性偏差(如趋势加速),现方法可能不充分,并且尚未有 ITS 工作处理这一点。扎根: "Our assumption of stationary model misspecification is restrictive."

  4. 对高维/长序列的适配:本文采用穷举变点选择(时间 T 较小),若想用于更长序列(如每日/每周数据连续数年),算法复杂度不可扩展。是否能以计算效率损失代价来换取推断增益?这是一个技术开放问题(根植于 ITS 方法本身),不是原文重点但可通过它的局限性推断。扎根: "We recommend exhaustive search over \( \tau\) for small to moderate \(T\); for long series, forward search or penalized approaches might be needed."

⚠️ 提醒:要确认第1、第3条是否真 gap,去读近期5篇关于加权 ITS 和调查权重的论文的引言——它们是否都提到了这些局限性且未解决?若是,则是共识(真 gap);若相互矛盾,则是机会。


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