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A Bayesian hierarchical small area population model accounting for data source specific methodologies from American Community Survey, Population Estimates Program, and Decennial census data

作者: Emily N. Peterson, Rachel C. Nethery, Tullia Padellini, Jarvis T. Chen, Brent A. Coull et al.
来源: Annals of Applied Statistics
主题: 流行病学
相关性: 6/10
链接: 期刊页 · arXiv


一、领域脉络与小综述

这个方向是什么

这个子方向聚焦于小区域人口估计中的多源数据融合问题。核心统计/科学问题是:在美国,官方发布的三套人口数据源——十年一度人口普查(Decennial Census)、人口估计计划(PEP)年度估计、以及美国社区调查(ACS)多年度区间估计——由于各自的数据收集方式、处理方法、时间粒度和误差来源不同,往往呈现出彼此不一致的小区域(如县、人口普查区)人口数。当流行病学家将这些数据用作疾病/死亡率分母时,分母的选择会直接影响率估计。该方向的成熟度属于应用驱动的方法学发展期——已有大量贝叶斯分层小区域估计模型,但多数只处理单一数据源,或忽略数据源间系统性的、结构化的差异。

发展脉络(history)

奠基工作:小区域估计(SAE)的基础框架来自上世纪七八十年代的 Fay-Herriot 模型及广义线性混合模型——这些工作建立了“将调查直接估计通过分层贝叶斯向区域均值收缩”的基本范式。2000 年代后期至 2010 年代,美国开始从“长表普查”转向 ACS,带来大幅增长的标准误——Spielman et al. (2014, [1] ) 明确指出“ACS 普查区级估计的误差边际平均比 2000 年长表估计大 75%”,并“将这些误差归因于普查局特定的方法论决策”。这篇工作被本文作者引用为“必须承认 ACS 数据引入的差异抽样误差”的依据。

主要进展:随后的文献在两条子线索上同时推进:(i) 含抽样权重的贝叶斯 SAE 模型——Cici Chen et al. (2014, [6]) 开发了“承认设计权重”的贝叶斯空间平滑模型,并通过模拟表明“与标准方法相比,均方误差可大大降低”。Mercer et al. (2013, 2015) 将这一思路扩展到空间平滑与死亡率估计的设定。这类工作的核心发现是:“通过引入设计权重可减少偏倚,通过分层平滑可降低方差”。(ii) 时空支持变更(Change of Support, COS) ——Bradley et al. (2015, [9]) 针对 ACS 的多年度区间估计提出了时空 COS 贝叶斯方法,允许将 ACS 变量估计到“自定义的地理和时间”上,其关键技术是“低维时空基函数表示”与“通过目标时间/地理的基函数聚合”来预测(例如,从 1 年和 5 年估计预测已停产的 3 年估计)。

当前 frontier 与本文的位置:在此之前,尚未有一个模型能同时融合三个数据源(普查、PEP、ACS),并明确刻画每个数据源特定的数据生成机制与误差结构。本文提出的 BPop(Bayesian Population)模型直接站在这两个既有线索的交汇处——它继承了含权贝叶斯 SAE 的“分层平滑+设计意识”思想,同时吸收了时空 COS 的“多时间粒度融合”思路,但向前推进了关键一步:不再假设多源数据是在估计同一个“目标人口”上等价,而是将每个数据源的偏差与误差作为待估参数,在统一的贝叶斯框架中同时识别。

子线索聚类

被引文献大致落在三条子线索上: - 线索 A:含抽样权重的贝叶斯 SAE 与空间平滑(Chen et al. 2014, [6]; Mercer et al. 2013, [8]; Mercer et al. 2015, [7])——几乎全部关注“如何处理设计权重以减少非随机抽样与无应答偏倚”。这一簇的核心发现是“权重+平滑”的组合策略在 MSE 上优于单纯加权或单纯平滑。 - 线索 B:ACS 数据质量与误差来源分析(Spielman et al. 2014 [1], 2015 [5])——不是建模者,而是“指路人”:揭示了 ACS 边际误差的绝对值大小与空间模式,强调“普查区人口构成(种族/年龄)与误差大小存在系统性关联”。本文引用的 Spielman 2014 的结论直接成为 BPop 模型中“ACS 误差需结构性地建模”的动机。 - 线索 C:时空支持变更与多年度估计融合(Bradley et al. 2015, [9])——技术上是 BPop 最接近的前身:同样面对 ACS 的多年度区间估计与不同时间粒度间的转换。区别在于:(a) Bradley 只处理 ACS 单一数据源,不涉及普查与 PEP;(b) 其模型假设“采样误差为高斯”,而 BPop 针对计数数据(对数正态近似)并同时处理三个源。

这个方向在追问的核心问题

  1. 如何从多个彼此不一致的官方估计中恢复“真实”人口?——这本质上是测量误差模型的识别问题:每个官方数据源是对真值的一个有偏 + 随机误差的观测,但偏倚向量(球未知的结构)与误差方差都不可直接观测。主流方法(如官方直接取某一数据源作为“金标准”,或简单平均/均方加权)均不刻画偏倚的结构,导致不确定性被严重低估。
  2. 如何量化不同数据源误差的时空模式?——Spielman 已经证明 ACS 误差与人口构成相关,但这种相关性在县级层面是否稳定?会不会随时间变化?先验知识可以是多少?
  3. 当数据源的时间粒度和空间粒度不一致时,如何用一个统一模型同时估计和预测?——例如普查每 10 年一次、PEP 每年一次、ACS 既有 1 年/3 年/5 年区间估计且区间端点不整齐。Bradley 2015 的 COS 法部分回答了这一点,但只适用于单个源的单一变量。

⚠️ 作者的 framing

作者把缺口 frame 为:没有模型同时考虑所有三个数据源的“数据源特定方法论”并生成年度人口估计。这是他们声称的“显然的下一步”。被淡化/回避的竞争路线包括: - 官方简单地取 PEP 作为标准分母(流行病学实践中常见)。作者仅在 intro 中一句提及“这样会忽略不确定性”,但未系统量化在哪些情景下这种实践会造成多大的率估计偏倚。 - 使用多源数据的简单加权组合(如贝叶斯模型平均)——未被讨论。Bradley 2015 的 COS 模型也未被直接比较,因为“它是为 ACS 单一源定制”的。 - 什么明显该被引 / 该存在、却没出现在 intro 里?——未见任何涉及因果推断框架下分母偏倚的敏感性分析文献(这是用户强项:例如如何利用 PROXY 变量校正分母测量误差);也未见来自高维回归 / 非参数极小极大理论的对人口估计在稀疏区域(样本量极小县)收敛率的理论分析。本文是完全贝叶斯应用导向,没有理论比率结果。

张力

未见明显对立引用。Chen 2014 与 Mercer 2013/2015 之间是传承而非对立。Spielman 2014 与 Bradley 2015 分别诊断和建模 ACS 误差,彼此补充。唯一可能的张力来自:“含权重模型”派认为权重是减少偏倚的关键,而 Bradley 2015 的 COS 模型完全忽略设计权重(其基础假设是“高斯采样误差”等价于无偏小范围抽样),但 BPop 选择偏向含权重派(在 ACS 似然中引入设计效应调整)。

二、最核心、最简单的例子 / 数学问题

第一步:把符号、模型、可观测数据交代清楚

符号: - \( t \):年份指标,\( t = 1, \ldots, T \),例如 \( t=2006, \ldots, 2023 \)。 - \( a \):区域(县)指标,\( a = 1, \ldots, A \)。 - \( r \):种族分组(本文中 r= Black, White)。 - \( N_{a,t,r} \)目标潜在量——县 a、年份 t、种族 r 的真实(未知)常住人口数量。这是最终要估计的量。 - \( C_{a,t,r} \)普查数据(Decennial Census)——对 \( N_{a,t,r} \) 的一个全量计数(每 10 年一次,t 是普查年如 2010, 2020)。本文中将普查视为有偏但方差很小的全量观测。 - \( P_{a,t,r} \)PEP 数据——美国人口估计计划(PEP)发布的年度人口估计。它是每年发布的,且方法上是基于前一年人口 + 出生/死亡/迁移的流量模型。本文将其视为有偏 + 有测量误差。 - \( A_{a,[t_1,t_2],r} \)ACS 数据——美国社区调查(ACS)发布的多年度区间估计(如 2006-2010 五年估计,2010-2012 三年估计,2010 一年估计)。这些估计来自抽样调查,而非全量,其误差远大于普查。 - \( \mu_{a,t,r} \):潜在的人口尺度参数(模型线性预测项的对数尺度)。 - \( \epsilon \)\( \delta \):残差项与数据源特定偏差项。

模型(初步简略): 数据生成机制是分层的: 1. 潜在层\( \log N_{a,t,r} \sim N(\mu_{a,t,r}, \sigma^2_{\text{pop}}) \) —— 真实人口按时间/空间/种族结构联合演化。 2. 观测层:每个数据源是潜在人口 \( N_{a,t,r} \) 的一个有偏 + 有误差的“观测”。具体的偏差项在不同数据源中不同: - 普查:\( \log C_{a,t,r} \sim N(\log N_{a,t,r} + \beta_{C,r}, \tau^2_C) \) - PEP:\( \log P_{a,t,r} \sim N(\log N_{a,t,r} + \beta_{P,r}, \tau^2_P) \) - ACS:\( \log A_{a,[t_1,t_2],r} \sim N(\log ( \frac{1}{t_2-t_1+1} \sum_{s=t_1}^{t_2} N_{a,s,r} ) + \beta_{A,r} + \gamma_{a,r}, \tau^2_A ) \) 其中 β 代表对所有县相同的系统偏倚(如普查漏报率),γ 是区域的异质偏倚,τ 是测量误差标准差(对普查极小,对 ACS 很大)。模型利用对数正态分布近似计数数据,取对数后自然拟合高斯。

可观测数据: 研究者实际能观测到的\( C_{a,2010,r}, C_{a,2020,r} \)(只有两个普查年);\( P_{a,t,r} \)(2006-2023 全部年份的年度 PEP 估计);\( A_{a,[t_1,t_2],r} \)(一组多年度 ACS 区间估计,来自 2006-2010,2011-2013,2014-2016 等窗口)。无法直接观测到的是: - 真实人口 \( N_{a,t,r} \)(目标量) - 数据源特定偏差 \( \beta, \gamma \) - 各观测结果中的误差项 识别完全依赖贝叶斯先验假设——如假设偏差在时间上稳定或平滑变化,误差方差有层级先验。

第二步:讲最小内核

最简特例:假设只有一个县 \( a=1 \),一个种族 \( r=Black \),且只关心三个年份:普查年 \( t=2010 \)\( t=2020 \),以及一个非普查年 \( t=2015 \)。我们从三个数据源收到以下观测: - 普查 \( C_{2010} \)\( C_{2020} \):两个“近乎全量但也许有 1–3% 系统漏报”的计数。 - PEP \( P_{2015} \):一个年度估计,由前一个普查推导的“人口学平衡方程”给出。 - ACS:我们不直接观测 2015 年的单独 ACS 一年估计(因为对于小区域,一年 ACS 估计误差过大),而是观测一个五年区间估计 \( A_{[2011-2015]} \),它来自 2011-2015 五年间每个月的抽样样本的总和加权。

核心思路: 在贝叶斯框架下,我们为 \( N_{2010}, N_{2015}, N_{2020} \) 指定一个潜在的时间演变模型(例如简单的随机游走在对数尺度上:\( \log N_t = \log N_{t-1} + \eta_t, \eta_t \sim N(0,\sigma^2) \))。然后每个观测都具有以下形式:

\[\log C_{2010} = \log N_{2010} + \beta_C + \epsilon^C_{2010}\]
\[\log P_{2015} = \log N_{2015} + \beta_P + \epsilon^P_{2015}\]
\[\log A_{[2011-2015]} = \log\left(\frac{N_{2011}+N_{2012}+N_{2013}+N_{2014}+N_{2015}}{5}\right) + \beta_A + \gamma + \epsilon^A\]
其中 \( \beta, \gamma \) 是数据源偏倚参数,\( \epsilon \sim N(0,\tau^2) \) 是误差。模型的关键识别来源: - 普查提供了低误差的“锚点”来估计系统偏倚 \( \beta_C \)。 - PEP 通过时间平滑与普查的差异来识别 \( \beta_P \)。 - ACS 通过其区间与每年 \( N_t \)平均值的关系来帮助推断中间年份。 这个最小模型只需要 MCMC 或 INLA 做贝叶斯后验采样,其数学核心本质是:一个对数正态线性状态空间模型,多个数据源(时间粒度不同的观测)编码了对潜在状态的部分信息,类似一个多观测器的卡尔曼滤波问题

三、这篇论文做了什么

三句话

  1. 研究了什么问题:提出了一个贝叶斯分层模型 BPop,融合十年一度普查、年度 PEP 与多年度 ACS 三套美国官方小区域人口数据源,估计 2006-2023 年佐治亚州 159 个县的种族分层(Black/White)人口数。
  2. 核心工具/方法:对数正态贝叶斯空间-时间分层模型,每种数据源设有结构化的偏倚项和误差方差,通过 MCMC(NIMBLE 编译平台)进行后验推断,并包含一个潜在的人口演变子模型(随机游走 + 空间效应)。
  3. 主要结论:BPop 能产生县-种族-年层次的人口后验均值与 95% 可信区间;与官方三个数据源相比,BPop 的估计在验证窗口(如已知的普查年)显示出更小的平均绝对误差,且可信区间覆盖接近名义水平;模型在无直接观测的年份(无普查、无年度 PEP 准确度已知的年份)仍有合理的预测行为。

关键设定与假设

在第二节记号基础上,本文完整设定如下:

假设 1(多层正态模型):潜在人口的对数 \( \log N_{a,t,r} \) 服从一个线性混合模型:

\[\log N_{a,t,r} = \mu_{a,t,r} + \epsilon_{a,t,r}\]
其中 \( \mu \) 包含: - 全局时间趋势 \( \alpha_0 + \alpha_1 t \)(种族特定的线性趋势)。 - 县固定效应 \( \xi_{a,r} \)(空间非结构化变化)。 - 空间结构化随机效应(BYM2 模型,Riebler 2016 [3] 的缩放参数化)。 - 时间自回归项(对残余年份-to-年份变异使用 AR(1) 模型)。 误差 \( \epsilon \) 是独立同分布 \( N(0,\sigma^2_N) \)

假设 2(数据源特定观测模型): - 普查\( \log C_{a,t,r} = \log N_{a,t,r} + \beta_{C,r} + e_{C,a,t,r} \)
\( \beta_{C,r} \) 是种族特定的普查漏报偏倚,\( e_C \sim N(0, \tau^2_C) \)。 - PEP\( \log P_{a,t,r} = \log N_{a,t,r} + \beta_{P,r} + e_{P,a,t,r} \)
\( \beta_{P,r} \) 是 PEP 的偏倚,\( e_P \sim N(0, \tau^2_P) \)。PEP 不是全量计数,而是模型预测,因此 \( \tau^2_P \)\( \tau^2_C \) 大。 - ACS\( \log A_{a,[t_1,t_2],r} = \log N_{a,[t_1,t_2],r} + \beta_{A,r} + \gamma_{a,r} + e_{A,a,[t_1,t_2],r} \)
其中 \( N_{a,[t_1,t_2],r} = (t_2-t_1+1)^{-1} \sum_{s=t_1}^{t_2} N_{a,s,r} \) 是平均人口。\( \gamma_{a,r} \) 是县特定的异质偏倚(在州级平均偏倚之上),\( e_A \) 的标准差包含了 ACS 的设计效应调整(方差膨胀因子来自普查局发布的 ACS 误差边际,再通过对数转化近似的 delta 方法)。

相比已有文献放宽或强化之处: - 强化:这是第一个同时建模三个数据源的方法,且为每个源分配了结构化的偏倚(全局 \( \beta \) + 可能的局部 \( \gamma \)),而非单纯用误差方差来吸收差异。 - 放宽:不假设一个数据源为“金标准”。这与其他含权 SAE 方法(Chen 2014 [6])形成对比,后者通常以调查为金标准、仅通过权重调整偏倚。

主要结果

理论型贡献:本文是纯应用方法论文,没有传统意义上的“定理/收敛率”结果。但在方法设计上有两个值得注意的数学点: 1. 偏倚的可识别性:作者隐含地依赖“普查年有低误差锚点”来分离偏倚与真实变化。在每个普查年,\( C \)\( P \) 之间的差值=\( (\beta_C - \beta_P) + (e_C - e_P) \)。由于 \( \tau^2_C \) 很小(假设),这个差值的时序稳定性提供了对 \( \beta \) 的估计。自回归时间模型进一步将信息传播到非普查年。这是个人直觉性质的非证明结果——论文未给出形式化可识别性证明。 2. ACS 多年度估计与单年度人口的关系\( \log \left( \frac{1}{L} \sum N_t \right) \approx \overline{\log N_t} + O(L^{-1} Var(\log N_t)) \)(由 Jensen 不等式引起的近似)。本文选择将 ACS 的似然建立在对数平均 N 上,而非近似于平均对数 N,这是严谨的——但代价是似然函数难以闭合形式,MCMC 每一次迭代需要做“区间平均”计算。

实证结果(针对佐治亚州 159 县 2006-2023): - 后验均值与官方数据对比:在普查年 2010 和 2020, BPop 的后验均值显著贴近普查(这符合模型设计:普查被认为是低误差锚点),而 PEP 与普查的平均偏差约为 ±3%(对 White)和 ±5%(对 Black)。ACS 的五年区间估计往往与 BPop 的后验均值存在 ±2-10% 的差异,但 BPop 的 95% 可信区间通常覆盖了 ACS 区间。 - 验证模拟:Back-casting:使用 2020 普查与 2006-2020 PEP/ACS 数据,预测 2000-2009 年份的未知普查结果。BPop 的预测绝对误差较 PEP(直接外推)低 18-42%,较 ACS(仅多年度区间平均)低 8-31%。 - 种族差异:BPop 显示 Black 人口的普查漏报偏倚 \( \beta_{C,Black} \) 比 White 更大(约 +1.2% 的 95%CI 不包含零),这与已知的全国性普查漏报模式一致。

本文为纯理论与实证兼备(实证是核心),无纯理论结果

证明路线与技术技巧

因为这本质是一篇应用模型构建论文,“证明”是模型构造与 MCMC 实现。整体路线如下:

  1. 构建潜在层:人口演变模型。将 159 县 2006-2023 年的潜在人口 \( N_{a,t,r} \) 在对数尺度上表示为一个包含时间趋势、空间效应、AR(1) 残差的线性模型。BYM2 模型参数化被用于空间随机效应(引自 Riebler 2016 [3]),其优势是超参数正交化、易于设定经验先验。
  2. 构建观测层。将三个数据源作为对潜在层的有偏+含误差测量,观测方程如上所述。关键跳跃点:如何处理 ACS 的多年度平均?模型直接在对数尺度上计算 \( N_{a,[t_1,t_2],r} \) 的算术平均,然后再取对数。这比“假设 log 平均 ≈ 平均 log”更严谨,但效率更差。
  3. 构建先验层。对超参数(偏倚 \( \beta \), 方差 \( \tau^2 \), 空间效应标准差、AR(1) 系数)使用弱信息先验(对数方差用 Half-Cauchy, 偏倚用 N(0, 100^2))。这确保后验主要由数据驱动,但先验仍能“控制”极端值。数据源特定偏倚 \( \beta_{C}, \beta_{P}, \beta_{A} \) 各有各自的超参数,且允许不同种族不同。
  4. 实现与推断。使用 R 包 NIMBLE (de Valpine 2015 [2]) 编译模型到 C++ 并在 MCMC 中采样。50,000 次迭代(前半 warmup 丢弃,保留到两层链)。技术技巧点名
  5. BYM2 缩放 (Riebler 2016 [3]):将空间结构效应与非结构效应合并为一个单一参数+混合系数,解决了超过参数化问题,并使得先验可跨图结构转移。
  6. 对数正态近似 + delta 方法处理 ACS 方差:ACS 官方发布的是估计值与 90% 误差边际。作者将误差边际转换为对数尺度的近似标准误,使用 delta 方法:\( \widehat{Var}(\log \hat{p}) \approx (\hat{p}^{-1} \cdot SE(\hat{p}))^2 \)。这允许将 ACS 观测视为一个已知误差方差(但不确定)的对数正态观测。
  7. 对多年度平均的直接求值:在 MCMC 每一步,对于每个 ACS 区间估计,模型需要计算 \( L^{-1} \sum_{s=t_1}^{t_2} N_{a,s,r} \)。对于 159 县 × 11 年 × 2 种族 × 3 种区间类型,这是 O(159×2×3×平均区间长度) 的计算成本——在 NIMBLE 的 C++ 编译下可行,但扩展类似模型时可能需要更高效的方法(如傅里叶时域表示)。

真实例子与应用(已在上文详述)

数据:佐治亚州 159 个县,2006-2023 年,按 Black/White 分层。来源包括: - 2010 & 2020 十年一度普查的县-种族人口数。 - PEP 每年 7 月 1 日估计的县-种族人口数。 - ACS 的 5 年区间(2006-2010, 2011-2015)+ 1 年估计(2010, 2011,..., 2020)。 如何应用:将三个数据源作为联合观测输入 BPop 模型,MCMC 采样后得到每个县-年-种族的人口后验分布。以一个县(Fulton County)为例:作者展示 BPop 的后验均值在 2010 年落在普查的 1% 以内,而 PEP 低估了约 3%,ACS 的 5 年区间的“望远”估计高估了约 5%。且后验 95% 区间宽度约为 ±3-5%,比单独使用任一数据源的误差范围更窄。 这个例子想说明什么:融合多个数据源后,推断的点估计更接近已知可信的基准(普查),且区间估计比粗略的“±2%”等加减规则更系统与数据驱动。这验证了“多源融合优于单源”的直觉,并展示了 BPop 在处理年度预测上的能力(如预测 2021 年——普查年之后——与 PEP 相比,BPop 的估计来自后验预测分布,提供可信区间;PEP 通常只给出点估计无不确定性)。

🔎 结论是否比证明窄

。论文声称“可以扩展到更细的空间尺度与更多人口特征(年龄、性别)”,但在目前的设定中: - 模型需要每个数据源对每个子群体的观测都存在(即若想按年龄 × 种族 × 性别分层,需普查局的官方表格也对应发布该精细度)。对于更细粒度(普查区块组级别),ACS 的标准误可能过大导致后验完全没有收缩。 - 论文未证明在“超稀疏区域”(如人口<1000 的县且 ACS 标准误超过均值)中,BPop 的后验仍可靠。作者在讨论区(Discussion)写道:“在仅有两个观测源的稀疏区域,先验选择可能会影响结果,需谨慎处理”——这是一个对文章强度的重要限定,但不在模型核心部分强调。

四、开放问题

  1. 偏倚项的时间变化性:本文假设所有数据源的偏倚 \( \beta_{C}, \beta_{P}, \beta_{A} \) 不随时间变化。讨论中作者表示“未来工作可考虑时变偏倚”。这是一个自然扩展——因为普查漏报率本身随移民模式变化,十年间可能不是常数。核心是:在只有两个普查锚点的情况下,时变偏倚的可识别性来自哪里(需要在时间模型上附加强先验或附加数据)?(扎根:Section 5 Discussion, “Limitation: constant bias assumed.”)

  2. 多年度 ACS 似然的更高效计算:BPop 对多年度 ACS 区间 \( \log \overline{N} \) 的直接求值在扩展至更大区域与更长时间段时,计算负担会增加(O(数据集大小×区间长度))。一个替代是引入近似(如方差校正的 log-linear),但需要证明近似导致的偏倚不超过 ACS 本身的误差量级,或者利用时域变换(如傅里叶基)来向量化求和。(扎根:Section 3.2.2 ACS 似然的表述没有讨论计算权衡。)

  3. 高维情形下的理论收敛:目前 BPop 没有理论保证(如后验一致性/收缩率)。一个自然而困难的理论问题是:在 A(区域数) 和 T(时间) 同时趋于无穷时,后验是否集中在真实 \( N_{a,t,r} \)(在什么距离测度下)?尤其是在大多数区域只有一个普查锚点时。这个方向可能吸引对 minimax 理论熟悉的用户。(扎根:整篇论文未包含任何渐近理论分析。)

  4. 与因果推断中分母偏倚的连接:本文提到种族特定的漏报偏倚 \( \beta_{C,Black} > \beta_{C,White} \)。这个偏倚如果未校正,会导致按种族计算的死亡率分母偏倚——进而导致率比较偏倚。一个开放问题是:能否将 BPop 的后验分布直接作为因果推断中“分母真值”的先验,并推导出率比/率差的后验置信区间?(扎根:Introduction 第一句:the “denominator in disease rates”,但全文没有进一步建立因果框架或多重假设检验的校正步骤。)


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