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游戏引擎AI工具链底层适配:确定性架构与不确定性AI的融合实践

1. 项目概述:当游戏AI工具链遇上引擎底层

最近和几个引擎组的老同事聊天,话题总绕不开一个词:AI工具链。大家的感觉很一致,这东西不再是“锦上添花”的插件,而是正在变成引擎管线里一个必须被严肃对待的“一等公民”。从智能NPC行为树、场景自动生成,到美术资产的AI辅助制作,再到运行时动态难度调整,AI的需求正以前所未有的深度和广度,向引擎的各个子系统渗透。

这就带来了一个核心矛盾:传统的游戏引擎架构,是为确定性、可预测的渲染、物理和逻辑循环设计的。而现代AI工具链,尤其是基于机器学习的部分,天生带有不确定性、数据驱动和离线/在线混合的特性。直接把一个AI SDK或者Python脚本环境“糊”在引擎上,初期Demo跑得欢,一旦进入生产管线,性能瓶颈、内存泄漏、跨线程数据同步、资产热重载等问题就会集中爆发,让工具链开发者和引擎开发者都苦不堪言。

所以,“游戏AI工具链与引擎底层适配架构”这个主题,探讨的就是如何系统性地解决这个矛盾。它不是简单地讲怎么调用某个AI模型的API,而是深入到引擎内部,去设计一套能让AI工具链与渲染、物理、资源管理、脚本系统等核心模块高效、稳定协同工作的底层框架。这涉及到数据流的设计、计算资源的调度、生命周期的管理,以及最重要的——如何在不破坏引擎原有设计哲学的前提下,为AI开辟出既灵活又可控的“特区”。接下来,我会结合具体的模块,拆解这里面的核心思路和实战中踩过的坑。

2. 核心矛盾与设计哲学:确定性引擎与不确定性AI的融合

2.1 游戏引擎的“确定性”基石

要理解适配的难点,首先得明白游戏引擎,尤其是实时游戏引擎的立身之本:确定性(Determinism)和可预测的低延迟。每一帧(Frame),从玩家输入、游戏逻辑更新(Tick)、物理模拟、动画状态机演算,到场景剔除、渲染指令提交,都是一个高度有序、时间约束极强的流水线。物理引擎需要可复现的结果以便于调试网络同步;渲染引擎需要稳定的提交时机来避免卡顿;资源加载需要精确的生命周期管理以防止内存暴涨。这一切都建立在“帧(Frame)”和“滴答(Tick)”这两个核心时钟之上,世界状态在离散的时间点上被同步更新。

这种架构的优势是稳定、高效、易于调试。但它的“阿喀琉斯之踵”在于,它对系统内发生的一切都有一种“控制欲”,期望所有计算都是同步的、结果立即可用的、资源边界清晰的。而现代AI,恰恰在挑战这些假设。

2.2 AI工具链的“不确定性”挑战

现代游戏AI工具链,我们可以粗略分为几个层次,每一层都给引擎带来了不同的挑战:

  1. 离线内容生成AI:比如利用扩散模型生成贴图,用GAN生成模型,或用大语言模型(LLM)生成剧情对话。它们的挑战主要在管线集成数据格式。生成过程可能是分钟甚至小时级的,需要异步任务调度;生成的资产(纹理、网格、文本)需要被自动导入、转换格式、分配到正确的资源目录,并触发引擎的资源重载(Hot Reload)。

  2. 运行时决策AI:比如基于行为树(BT)、效用系统(Utility System)或蒙特卡洛树搜索(MCTS)的NPC逻辑。它们的挑战在于与游戏逻辑的深度耦合性能。AI的“思考”循环(AI Tick)频率可能与游戏逻辑Tick不同,如何安全地读写游戏实体的状态?如何管理大量的AI实体同时进行决策计算,避免单帧卡顿?

  3. 机器学习推理AI:这是当前最热的领域,包括视觉、语音、强化学习(RL)代理等。它们带来了最根本的架构冲击:

    • 计算设备异构:推理可能发生在CPU、GPU,甚至专用的NPU上。引擎如何统一管理这些计算任务,并高效地在不同设备间搬运数据(如图像从渲染目标到AI模型输入)?
    • 异步与延迟:GPU推理是异步的,一帧提交输入,可能几帧后才拿到输出。引擎的确定性循环如何容忍这种延迟?如何避免因等待AI结果而阻塞主线程?
    • 内存布局特殊:AI模型(如ONNX、TensorRT引擎)有自己特定的内存对齐和生命周期要求,与引擎通用的资源池(Memory Pool)可能不兼容。
    • 数据格式转换:渲染用的纹理可能是BC压缩格式,而AI模型需要的是RGB/BGR排列的浮点型张量(Tensor)。每帧进行这种转换开销巨大。

2.3 适配架构的核心设计哲学

面对这些挑战,一个优秀的适配架构不应是“打补丁”,而应遵循几个核心设计哲学:

  • 非侵入式(Non-intrusive):尽可能不改动引擎原有核心模块的代码。通过定义清晰的接口(Interface)和抽象层(Abstraction Layer),让AI模块“插入”而非“侵入”引擎。
  • 数据驱动(Data-driven):AI的配置、模型路径、参数应尽可能通过数据文件(如JSON、XML)或引擎原有的资源系统来定义和管理,而不是硬编码在C++里。这便于策划和TA独立调整。
  • 显式资源生命周期管理:AI模型、中间张量等都是宝贵的资源,它们的加载、卸载必须纳入引擎统一的资源管理流程,避免泄露和重复加载。
  • 异步任务友好:架构必须内置对异步计算任务的支持,提供Future/Promise或回调(Callback)机制,让主循环不被阻塞。
  • 性能可观测:必须提供强大的性能剖析(Profiling)工具,能够清晰地看到AI推理占用的GPU时间、CPU时间、内存,以及数据搬运的开销,这是优化的基础。

基于这些哲学,我们可以开始构建具体的适配层。

3. 分层适配架构详解:从工具链到运行时

一个完整的适配架构应该是分层的,每一层解决不同的问题。我将其分为四层:工具链集成层、资源适配层、运行时框架层和基础设施层

3.1 工具链集成层:打通DCC与引擎管线

这一层的目标是让美术、策划、TA能用的AI工具(如SD插件、各种本地化部署的模型服务)产出的结果,能无缝进入引擎。

核心组件与实现

  1. 异步任务队列与工作线程池:引擎需要提供一个后台任务系统。当用户在编辑器里点击“AI生成地形”时,这个任务被封装成一个AITask对象,提交到队列。一个独立的工作线程池(不要用主线程!)会取出任务执行。任务执行体通常是一个独立的进程或调用Python脚本,通过进程间通信(IPC)或嵌入Python解释器来完成。

    // 伪代码示例:任务提交 class AITextureGenerationTask : public AsyncTask { void DoWork() override { // 1. 调用外部Python脚本或进程 std::string command = "python generate_texture.py --prompt \"" + m_prompt + "\""; ExecuteExternalProcess(command); // 2. 生成完成后,将输出图片路径通知主线程 OnComplete(m_outputPath); } void OnComplete(const std::string& path) override { // 在主线程中执行(由任务系统调度) // 3. 触发引擎资源系统导入该图片 ResourceManager::Get().ImportAsync(path, TEXTURE_TYPE); } }; // 提交任务 TaskScheduler::Get().SubmitTask(MakeShared<AITextureGenerationTask>(prompt));
  2. 资源导入桥接器(Importer Bridge):生成的原始文件(如.png, .fbx)需要被转换成引擎内的高效格式(如.DDS纹理、引擎自定义的网格格式)。我们需要为每种AI生成的资产类型编写或扩展对应的AssetImporter。关键点是,这个导入器要能监听文件系统的变化(通过FileWatcher),当AI工具覆盖了源文件时,自动触发重新导入和热重载。

  3. 编辑器UI扩展:在引擎编辑器内创建自定义的面板(Dockable Panel),提供参数输入、任务进度条、历史记录预览等功能。这通常利用引擎编辑器提供的UI框架(如Qt、ImGui)来实现。要点是UI操作必须与后台任务解耦,通过事件(Event)或委托(Delegate)机制通信。

实操心得:在这一层,最大的坑是进程管理和错误处理。外部进程可能崩溃、可能长时间无响应。你的任务系统必须有超时机制、心跳检测,并能把详细的错误信息(包括Python的traceback)反馈到编辑器UI上,而不是让用户傻等。另外,生成任务的资源消耗(显存、内存)可能很大,需要有排队和优先级机制,防止同时运行多个任务拖垮机器。

3.2 资源适配层:统一管理AI模型与数据

这一层负责将AI模型(如ONNX、PyTorch .pt、TensorRT .engine)作为一等公民(First-class Citizen)纳入引擎资源管理系统。

核心组件与实现

  1. AI模型资源类型(AIModelAsset):定义一个统一的AIModelAsset类,继承自引擎基础的Asset类。它封装了:

    • 模型文件的路径、元信息(输入输出张量尺寸、数据类型)。
    • 针对不同后端(CPU、CUDA、TensorRT、OpenVINO)的已编译或已加载的运行时对象句柄。
    • 内存占用统计信息。 它的加载流程是:引擎资源管理器识别模型文件后缀(如.onnx)-> 调用对应的AIModelLoader-> 解析模型元数据 -> 根据当前运行平台(Platform)和性能设置,选择并初始化对应的推理后端 -> 将加载好的AIModelInstance句柄存入Asset。
  2. 推理后端抽象(Inference Backend Abstraction):定义一个IInferenceBackend接口,包含LoadModel,CreateSession,RunInference等方法。然后为每个推理框架(ONNX Runtime, TensorRT, LibTorch等)实现一个具体的后端。这样,我们可以通过配置文件动态切换后端,例如在开发时用ONNX Runtime(便于调试),发布时用TensorRT(追求极致性能)。

    class IInferenceBackend { public: virtual ~IInferenceBackend() = default; virtual bool LoadModel(const void* model_data, size_t size) = 0; virtual std::shared_ptr<IInferenceSession> CreateSession() = 0; virtual const std::vector<TensorInfo>& GetInputInfos() const = 0; virtual const std::vector<TensorInfo>& GetOutputInfos() const = 0; }; class TensorRTBackend : public IInferenceBackend { ... }; class ONNXRuntimeBackend : public IInferenceBackend { ... };
  3. 张量(Tensor)内存池:AI推理的输入输出都是张量。频繁申请释放显存/内存是性能杀手。需要实现一个TensorMemoryPool,根据常用尺寸(如256x256x3, 512x512x3)预分配一批显存块。AIModelInstance运行时从中申请内存,用完后归还,而不是直接cudaMalloc/cudaFree。这块内存池最好能与引擎渲染模块的显存管理进行一定协调,避免互相挤占。

注意事项:模型热重载是个复杂功能。当美术更新了模型文件,你不仅需要重新加载模型,还要确保所有正在引用该模型AIModelInstance的运行时组件(如NPC的AI组件)能平滑地切换到新实例,而不会造成推理中断或状态错误。通常采用引用计数+版本号的方式,老实例被标记为“陈旧”,在新帧开始时逐步替换。

3.3 运行时框架层:高效安全的执行环境

这是连接AI推理与游戏逻辑的核心层,确保AI能在游戏运行时安全、高效地执行。

核心组件与实现

  1. AI组件(AIComponent):作为游戏实体(Entity)的一个组件,挂载到需要AI能力的对象上(如NPC、智能机关)。它持有对AIModelAsset的引用,并管理一个IInferenceSession。每一帧(或每N帧),它负责:

    • 数据准备:从游戏世界中收集输入数据(如NPC自身的状态、周围玩家的位置、视野内的物体),并转换成模型需要的张量格式。这里涉及大量的数据格式转换和拷贝,是性能关键点。
    • 异步推理提交:将准备好的输入张量提交到推理任务队列,并注册一个回调函数。
    • 结果处理:在回调函数被触发时(可能在几帧后),将输出的张量结果解析成游戏逻辑能理解的动作指令(如移动向量、技能ID),并安全地应用到游戏实体上。
  2. 推理任务队列与调度器(Inference Scheduler):这是协调异步推理的核心。它是一个全局管理器,维护着多个队列(可按优先级、按AI类型划分)。AIComponent提交的任务被包装成InferenceJob

    • CPU推理:调度器将任务派发到CPU线程池。
    • GPU推理:这是重点。为了最大化GPU利用率,避免每个AI组件单独发起CUDA流导致GPU上下文切换开销,调度器会在一帧的特定阶段(如PostRender阶段),将当前帧收集到的所有GPU推理任务,批量提交到同一个CUDA流。许多推理框架支持批量推理(Batched Inference),将多个独立输入在维度0上堆叠,一次推理完成,这能极大提升吞吐量。
    // 伪代码:GPU推理调度 void InferenceScheduler::DispatchGPUJobs() { if (m_gpuJobBatch.empty()) return; // 1. 将多个job的输入张量拷贝到连续的GPU内存(批处理) PrepareBatchInputOnGPU(m_gpuJobBatch); // 2. 一次性执行批处理推理 m_backend->RunInferenceBatch(m_batchedInputs, m_batchedOutputs); // 3. 将批处理结果拆散,分发到各个job的回调 SplitBatchOutputAndNotify(m_gpuJobBatch, m_batchedOutputs); }
  3. 游戏状态与AI的线程安全访问:AI推理(尤其在CPU上)可能在独立线程进行,而它需要读取游戏世界状态(如其他实体位置)。直接读取可能导致数据竞争。常用方案有:

    • 双缓冲(Double Buffering):游戏逻辑每帧更新一个“当前状态”缓冲区。AI系统读取的是上一帧冻结的“快照”缓冲区。这样AI读到的数据总是完整且一致的,尽管有一帧延迟,但对大多数游戏AI而言是可接受的。
    • 只读数据副本:在AI Tick开始时,将AI关心的、少量的必要数据(如自身坐标、目标坐标)拷贝一份到AI上下文(AI Context)中。推理过程只访问这个副本。

3.4 基础设施层:监控、调试与性能剖析

没有观测性的系统是黑盒,无法用于生产。

  1. 性能剖析集成:在引擎原有的Profiler(如Tracy、Remotery)中增加AI相关的追踪点。

    • GPU Timeline:标记每个批处理推理的开始和结束,直观看到GPU占用。
    • CPU Timeline:标记每个AI组件的Update、数据准备、回调处理时间。
    • 计数器:统计每秒推理次数、平均批处理大小、张量内存使用量。 这能快速定位是数据准备慢,还是推理本身慢,亦或是结果处理慢。
  2. 可视化调试工具

    • 行为树可视化:如果用了行为树,需要在编辑器里实时显示树的运行状态、当前激活节点。
    • 感知系统调试:绘制NPC的视野锥(FOV)、听觉范围、当前注意的目标。
    • 机器学习决策解释:对于RL或深度学习决策,尝试可视化其“注意力”区域(如通过Grad-CAM类方法),帮助开发者理解AI为什么做出某个决策。
    • 张量查看器:在调试时,能够截取某一帧输入/输出张量的值,并以图像或数值形式显示,用于验证数据预处理是否正确。
  3. 配置与热重载:所有AI相关的参数(模型路径、推理频率、决策参数)都应放在可热重载的配置文件中。这样策划调整一个数值,无需重启游戏就能立刻看到效果,极大提升迭代效率。

4. 实战案例:为第三人称动作游戏集成视觉感知AI

假设我们要在一个已有的第三人称动作游戏引擎中,为敌人NPC增加一个基于深度学习的视觉感知系统:NPC通过一个模拟的“摄像头”观察世界,用YOLO类模型识别画面中的玩家,并做出反应。

4.1 步骤一:定义需求与集成边界

  • 功能:NPC每隔0.2秒(5Hz)对前方扇形区域进行一次视觉扫描,识别玩家是否在视野内及距离。
  • 输入:从NPC视角渲染一张低分辨率(256x256)的RGB纹理。
  • 输出: bounding box列表,包含玩家位置(像素坐标)和置信度。
  • 约束:延迟低于3帧(~50ms @ 60fps),CPU占用<5%,不阻塞主线程渲染。

架构决策

  1. 使用GPU推理,因为输入是纹理,且GPU推理延迟更可预测。
  2. 采用异步批处理,因为可能有大量NPC同时需要感知。
  3. 输入纹理直接从渲染的场景深度/颜色缓存获取,避免额外渲染一次场景。

4.2 步骤二:实现渲染到AI的数据通路

这是性能最关键的一环。传统做法:为每个NPC单独渲染一次视角到RenderTarget,然后从GPU读回CPU,再预处理成模型输入。这会产生大量的GPU->CPU回读(Readback),带宽和延迟都无法接受。

我们的优化方案:利用引擎的延迟渲染(Deferred Rendering)管线或自定义的渲染通道(Render Pass)。

  1. 在主场景渲染时,除了生成GBuffer用于光照,额外输出一个“PlayerID Buffer”(将玩家的唯一ID编码到颜色中)。
  2. 在后期处理阶段,增加一个全屏Pass,针对每个需要感知的NPC,以其视角的投影矩阵,对这张“PlayerID Buffer”进行重投影(Reprojection),生成一张256x256的纹理。这个计算完全在GPU的Pixel Shader中完成。
  3. 生成的这张256x256纹理直接保留在GPU显存中,作为AI模型的输入。这样就完全避免了耗时的GPU->CPU回读。
// 伪HLSL代码:在GPU上生成NPC视角的玩家ID图 Texture2D<float> gPlayerIDBuffer; // 主渲染的玩家ID缓冲 SamplerState samPointClamp; float4 PS_GenerateAIVision(float2 uv : TEXCOORD) : SV_Target { // 1. 根据当前像素(对应AI纹理的uv),反推其在世界空间的位置(需要NPC的逆视图投影矩阵) float4 worldPos = mul(float4(uv, depth, 1.0), g_InverseViewProjMatrix_NPC); worldPos.xyz /= worldPos.w; // 2. 将世界坐标转换到主摄像机的屏幕空间 float4 mainScreenPos = mul(float4(worldPos.xyz, 1.0), g_ViewProjMatrix_MainCamera); mainScreenPos.xy /= mainScreenPos.w; // 3. 从主摄像机的PlayerID Buffer中采样 if (all(mainScreenPos.xy >= 0 && mainScreenPos.xy <= 1)) { float playerID = gPlayerIDBuffer.SampleLevel(samPointClamp, mainScreenPos.xy, 0); return EncodePlayerID(playerID); // 编码到RGBA } return float4(0,0,0,0); // 无效区域 }

4.3 步骤三:构建AI推理流水线

  1. 资源准备:将训练好的YOLO模型转换为TensorRT格式(.engine),作为AIModelAsset导入引擎。配置其输入为256x256x3 (FP32),输出为(1, 100, 6)(假设最多100个检测框,每个框6个参数)。
  2. 组件挂载:在敌人NPC的蓝图或实体组件系统中,添加VisionAIComponent。该组件引用上述模型资产。
  3. 每帧更新
    • VisionAIComponent::Update()中,检查是否到达0.2秒的感知间隔。
    • 如果到达,它并不立即执行推理,而是向InferenceScheduler提交一个VisionInferenceJob。这个Job包含了指向GPU中已准备好的256x256纹理的句柄(如CUDA设备指针或OpenGL纹理对象句柄)。
  4. 调度与批处理InferenceSchedulerPostRender阶段收集所有NPC提交的VisionInferenceJob。由于所有输入纹理已经在GPU上,它只需将这些纹理指针整理成数组,调用TensorRT的批处理推理接口。
  5. 异步回调:推理完成后,调度器在渲染线程(或一个专门的高优先级回调线程)触发每个Job的回调。回调函数将模型输出的bounding box数据,从GPU显存异步拷贝到CPU(这个拷贝是并发的,且数据量小)。然后,将像素坐标转换为游戏世界坐标,并发布一个事件(Event),如OnPlayerSpotted(EnemyEntity, PlayerEntity, WorldPosition)
  6. 逻辑响应:敌人的行为树(BT)监听OnPlayerSpotted事件,触发“进入战斗”、“追击”等节点。

4.4 步骤四:性能优化与调试

  • 瓶颈分析:使用集成好的Profiler,发现最初的版本中,从GPU拷贝推理结果回CPU(cudaMemcpyAsync)发生在默认流,与渲染命令流有隐式同步,造成卡顿。
  • 优化:为AI推理创建独立的CUDA流(cudaStreamCreate),所有AI相关的内存拷贝和计算都在这个流里,与渲染流并发执行。同时,使用cudaEventRecordcudaStreamWaitEvent在需要的时候进行精确同步,而不是全局同步。
  • 调试:在编辑器内开启“AI调试视图”,可以实时看到每个NPC的“视觉纹理”和识别出的bounding box(用线框绘制在游戏世界中),一目了然地知道AI“看”到了什么,为什么没看到。

5. 常见陷阱、问题排查与进阶思考

5.1 内存与资源泄露

  • 问题:游戏长时间运行后,显存或内存缓慢增长,最终崩溃。
  • 排查
    1. 首先确认是否是AI模块引起。在引擎中增加资源标签,所有AI相关的张量、模型实例分配都带上特定标签。
    2. 使用像NVIDIA Nsight SystemsRenderDoc这类工具,捕获一段时间内的显存分配快照,对比差异,查看是否有未被释放的CUDA内存。
    3. 检查AIModelInstanceIInferenceSession的引用计数。确保当AIComponent被销毁或模型Asset被卸载时,这些运行时对象能被正确释放。
  • 根治方案:实现基于引用计数的智能指针管理所有GPU/CPU资源,并集成到引擎的泄漏检测系统中。

5.2 多线程数据竞争

  • 问题:游戏随机崩溃,堆栈显示在AI回调函数中访问了无效的游戏实体指针。
  • 排查
    1. 确保所有从游戏世界读取的数据,在AI Job提交的一瞬间就已经完成拷贝(快照),AI推理过程不持有任何游戏对象的原始指针,只持有ID或拷贝的数据。
    2. 确保AI回调函数(在主线程或游戏逻辑线程执行)在修改游戏状态前,检查目标实体是否仍然有效(例如,通过实体ID向ECS系统查询,如果返回空则忽略此次结果)。
    3. 使用线程安全的数据结构或队列来传递AI结果。
  • 最佳实践:采用“事件”或“命令”模式。AI回调函数不直接修改组件数据,而是向一个线程安全的队列里推送一个AIActionCommand。游戏逻辑在下一帧的固定阶段,从队列中取出并执行这些命令,此时所有游戏状态更新已完成,环境是稳定的。

5.3 性能抖动与延迟

  • 问题:游戏帧率大部分时间稳定,但偶尔会卡顿一下,Profiler显示卡在AI推理的回调处理上。
  • 排查
    1. 批处理大小不稳定:如果一帧有1个NPC需要推理,下一帧有50个,那么推理时间会剧烈波动。可以考虑固定时间片提交,比如每0.1秒收集一次所有请求,统一提交一批,平滑负载。
    2. 回调函数过于耗时:回调函数里做了复杂的计算或序列化。确保回调函数只做最简单的数据转换和事件触发,繁重的逻辑移到游戏实体自身的Update中。
    3. GPU与CPU互等:渲染流和AI推理流之间同步事件设置不当。仔细规划流水线,让AI读取上一帧渲染的数据,推理结果用于下一帧的逻辑,形成流水线并行。

5.4 关于“游戏引擎用数学物理方法”的思考

热搜词里提到“游戏引擎用数学物理方法”,这恰恰是AI工具链适配时需要深刻理解的。引擎的渲染(光线追踪、PBR)、物理(刚体、柔体)、动画(蒙皮、状态机)都建立在坚实的数学物理模型之上,它们是可微分的、连续的。而当前很多AI方法是数据驱动的、黑盒的、离散的

未来的一个进阶方向是“可微分渲染(Differentiable Rendering)”与AI的结合。如果我们的渲染器是可微分的,那么就可以直接从像素级的误差反向传播(Backpropagation)来优化场景参数、材质属性甚至模型权重。这意味着,AI不仅可以“使用”引擎,还可以“训练”引擎,或者与引擎共同优化。例如,训练一个NPC的决策模型时,渲染画面可以作为输入,而训练损失可以直接是游戏任务的成功率,实现端到端的训练。这要求适配架构不仅要能“跑”模型,还要能提供引擎状态(如场景描述、物理参数)的梯度,这是一个更深层次的融合,也是架构设计需要预留的演进空间。

最后一点体会:构建AI工具链的底层适配,不是一个一蹴而就的项目,而是一个需要持续迭代的基础设施。起步时可以从一个具体的、高价值的用例(如上述的视觉感知)切入,实现最小可行架构。然后像搭积木一样,将验证过的模式(异步任务、资源管理、批处理调度)复用到其他AI功能上。始终保持架构的清晰和模块化,因为AI领域的算法和框架迭代速度极快,只有足够灵活的底层,才能快速跟上上层创新的步伐。

http://www.jsqmd.com/news/1234040/

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