郭溪
摘? ?要:自碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提出以來,我國(guó)高度重視綠色低碳發(fā)展,各行各業(yè)致力于能耗的監(jiān)測(cè)與管理。少年宮作為標(biāo)桿性建筑,通過構(gòu)筑數(shù)字孿生平臺(tái),發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值,降低能源消耗,同時(shí)打造智慧化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)營(yíng)管理。因此,通過介紹數(shù)字孿生的概念與實(shí)施價(jià)值,分析基于數(shù)字孿生的低碳數(shù)字少年宮的主要建設(shè)方案及其功能,提出其運(yùn)營(yíng)管理價(jià)值,助力以數(shù)字少年宮為代表的低碳建筑的智慧化轉(zhuǎn)型升級(jí)。
關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生;低碳;數(shù)字少年宮
中圖分類號(hào):FTU17? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? 文章編號(hào):1673-291X(2023)18-0057-03
一、研究背景
碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)是我國(guó)基于當(dāng)前環(huán)境問題和能源危機(jī)提出的重大戰(zhàn)略決策。2021年10月24日,中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》,就經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等10個(gè)方面提出了31條措施,標(biāo)志著雙碳工作最高頂層設(shè)計(jì)的正式出臺(tái)。2021 年10月26日,國(guó)務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,提出了重點(diǎn)實(shí)施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、節(jié)能降碳增效等“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”。該方案是碳達(dá)峰階段的總體部署,標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。
少年宮作為典型的公共建筑,往往承接科技體驗(yàn)館、青少年活動(dòng)中心、規(guī)劃展示館等承擔(dān)的多種功能,是一個(gè)城市的標(biāo)桿性建筑,是數(shù)字化新基建內(nèi)容的重要組成部分,具有使用上的開放性、功能上的多樣性、建筑結(jié)構(gòu)和人流交通的復(fù)雜性等特點(diǎn)。零碳建筑的理念與實(shí)踐近年來日趨增強(qiáng),通過數(shù)字化手段打造信息化、專業(yè)化、智慧化的低碳數(shù)字少年宮,以更加精細(xì)、動(dòng)態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)綠色高質(zhì)量發(fā)展,是助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、提升數(shù)字化管理能力、打造適應(yīng)信息化社會(huì)發(fā)展需求的現(xiàn)代化新型建筑的重要切入點(diǎn)和著力點(diǎn)。
二、數(shù)字孿生的定義與價(jià)值
數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù),集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。簡(jiǎn)單來說,數(shù)字孿生就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。在工業(yè)4.0研究院協(xié)助下,2020年4月7日國(guó)家發(fā)改委和中央網(wǎng)信辦聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》,首次指出數(shù)字孿生體是七大新一代數(shù)字技術(shù)之一,其他六大技術(shù)為大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、5G、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈。
通過將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于低碳數(shù)字少年宮的建設(shè)中,可實(shí)現(xiàn)如下價(jià)值。(1)更直觀、更便捷的管理。通過仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等各種數(shù)字化的手段,將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中,形成數(shù)字鏡像,更有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)等過程。(2)更全面的監(jiān)測(cè)。借助于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù),通過物理傳感器采集的指標(biāo)和直接數(shù)據(jù),并借助大樣本庫(kù),通過機(jī)器學(xué)習(xí)推測(cè)出一些原本無法直接測(cè)量的指標(biāo)。(3)更全面的分析和預(yù)測(cè)能力。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)過去發(fā)生問題的診斷、對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估,以及對(duì)未來趨勢(shì)的預(yù)測(cè),并給予分析的結(jié)果,模擬各種可能性,提供更全面的決策支持。(4)數(shù)字化的經(jīng)驗(yàn)復(fù)制。數(shù)字孿生技術(shù)的一大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可以通過數(shù)字化的手段,將原先無法保存的專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化,并提供保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移的能力[1]。
打造基于數(shù)字孿生的建設(shè)運(yùn)維+雙碳管理的現(xiàn)代化少年宮,可以在展示、感知、控制、回溯等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)虛擬空間的全方位映射,以及實(shí)體建筑的全生命周期過程智能化管理,保證了功能上的多樣性,并集自控、人員、安防、消防、數(shù)字化運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)于一體,以風(fēng)險(xiǎn)防控為底線,提升數(shù)字化管理能力,符合全球綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于中國(guó)的要求和高質(zhì)量發(fā)展要求。
三、建設(shè)方案
數(shù)字孿生低碳少年宮的建設(shè)方案包括雙基座、三平臺(tái)、一中心。將少年宮內(nèi)所有可管理對(duì)象數(shù)字化,并納入數(shù)字孿生基座,通過信息資源整合與共享,對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,并直觀展示各類應(yīng)用界面。
(一)雙基座:BIM+3Dmax數(shù)字孿生基座
BIM是指基于先進(jìn)三維數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案構(gòu)建的可視化的數(shù)字建筑模型。全生命周期管理場(chǎng)景將應(yīng)用BIM技術(shù)來提高建筑工程管理的集成化程度和交付能力,使工程的質(zhì)量和效率顯著提高,從而減少返工,減少浪費(fèi),提高效率[2]。
3Dmax主要目的是進(jìn)行可視化建模,其定位是進(jìn)行建筑表現(xiàn)和動(dòng)畫展示。數(shù)字孿生可視化平臺(tái)應(yīng)用3Dmax能夠快速進(jìn)行建模、渲染。
基于數(shù)字孿生基座,通過在少年宮全面部署的各類傳感器,實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的可視化管理,包括設(shè)備數(shù)據(jù)可視化、人員數(shù)據(jù)可視化、會(huì)議可視化、能耗數(shù)據(jù)可視化、告警數(shù)據(jù)可視化、車輛數(shù)據(jù)可視化等,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中共享、精準(zhǔn)主題數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輔助決策,從而發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大價(jià)值[3]。
(二)全生命周期管理平臺(tái)
全生命周期管理平臺(tái)是一種基于BIM引擎的工程項(xiàng)目全生命周期協(xié)同管理中臺(tái),用于數(shù)字化建設(shè)管理[4]。全生命周期覆蓋咨詢規(guī)劃階段包括項(xiàng)目可研、建設(shè)方案分析、體量模型創(chuàng)建、3D可視化;設(shè)計(jì)階段包括:方案比選、專業(yè)設(shè)計(jì)建模、碰撞測(cè)試、虛擬漫游、正向設(shè)計(jì);建造階段包括施工深化設(shè)計(jì)、施工進(jìn)程模擬、工程量統(tǒng)計(jì)、建構(gòu)竣工模型;運(yùn)維階段包括運(yùn)維方案策劃、運(yùn)維模型建構(gòu)、運(yùn)維系統(tǒng)搭建、改造管理等。該平臺(tái)打通設(shè)計(jì)、工程、運(yùn)維階段數(shù)據(jù)通道,集成于一體化服務(wù)平臺(tái),對(duì)于關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行全生命周期管理,并配置接口,對(duì)接設(shè)計(jì)中間件、施工中間件、運(yùn)維中間件。在低碳數(shù)字少年宮應(yīng)用場(chǎng)景中,對(duì)智能化建設(shè)項(xiàng)目整體進(jìn)度進(jìn)行可視化管理與過程管控,為項(xiàng)目全周期提供數(shù)字化管理平臺(tái)和服務(wù)。
(三)智慧少年宮管理平臺(tái)
智慧少年宮管理平臺(tái)包含樓宇自控、綜合安防、人員管理、消防預(yù)警、智慧運(yùn)維等數(shù)據(jù)處理中臺(tái),用于數(shù)字化內(nèi)部運(yùn)營(yíng)管理。
1.樓宇自控系統(tǒng)
整合各個(gè)樓宇內(nèi)的電梯、空調(diào)設(shè)備、冷源設(shè)備、新風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備傳感數(shù)據(jù),顯示設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),并根據(jù)設(shè)備參數(shù)性能、使用性能設(shè)定多維度、多狀態(tài)的識(shí)別反饋機(jī)制,結(jié)合項(xiàng)目模型位置、設(shè)備三維模型、感嘆號(hào)、紅色閃爍等圖形特效,自動(dòng)直觀地呈現(xiàn)異常設(shè)備。
智能供電:在三維場(chǎng)景中直觀呈現(xiàn)建筑樓宇內(nèi)主干供電線路、變配電間及供電設(shè)備的空間分布和具體位置,同時(shí)點(diǎn)擊可查看相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
智能供排水:可對(duì)接設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)值及告警信息,實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備高亮顯示,用水超標(biāo)閾值告警,并支持管理者進(jìn)行遠(yuǎn)程控制智能水閥開閉。
智慧節(jié)能:針對(duì)少年宮內(nèi)復(fù)雜用電場(chǎng)景,提供無線、有線、計(jì)量、漏電監(jiān)測(cè)等多類型物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備,覆蓋少年宮各類型用能環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)全方位用電智能管理。
資源實(shí)時(shí)監(jiān)控:在三維場(chǎng)景中直觀展示設(shè)備空間分布及工況,直觀看到每臺(tái)設(shè)備在樓宇內(nèi)的具體位置,同時(shí)點(diǎn)擊可查看相關(guān)信息,方便進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
2.綜合安防系統(tǒng)
門禁、駐車管理:以數(shù)據(jù)對(duì)接的形式將人臉識(shí)別系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等告警數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接,在平臺(tái)中對(duì)各類告警數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總呈現(xiàn),以便用戶從宏觀角度快速發(fā)現(xiàn)異常。
樓宇監(jiān)控系統(tǒng):整合少年宮各類安防設(shè)施資產(chǎn),實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控,人臉識(shí)別設(shè)備,設(shè)備的位置、分布、狀態(tài)及運(yùn)行異常告警,結(jié)合三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,提升基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維效率,滿足不同場(chǎng)景下的監(jiān)控需求。
報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng):安消聯(lián)動(dòng)、閘機(jī)視頻聯(lián)動(dòng)等場(chǎng)景使警情響應(yīng)時(shí)間大幅縮短,做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確判斷、及時(shí)響應(yīng)。
3.人員管理系統(tǒng)
人流、車輛監(jiān)控:在CIM平臺(tái)上可快速查看車位資源,解決車位管理問題。平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)停車位可視化查詢、校區(qū)停車及充電樁指引與導(dǎo)航,以及校區(qū)車輛視頻監(jiān)控等功能。
智慧停車:?jiǎn)T工通過小程序綁定車牌,在停車場(chǎng)門口進(jìn)行人臉識(shí)別測(cè)溫與車牌自動(dòng)識(shí)別后自動(dòng)放行,還可對(duì)車輛出入記錄實(shí)時(shí)查詢。訪客通過掃描二維碼,登記車牌和訪客基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在停車場(chǎng)門口進(jìn)行人臉識(shí)別測(cè)溫與車牌自動(dòng)識(shí)別,可對(duì)車輛出入記錄實(shí)時(shí)查詢。
員工出入權(quán)限管理:CIM平臺(tái)可集成視頻監(jiān)控、周界報(bào)警、門禁報(bào)警、電子巡更、移動(dòng)執(zhí)法終端等系統(tǒng)數(shù)據(jù),對(duì)少年宮內(nèi)重點(diǎn)部位、人員、車輛、告警事件等治安要素的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)。
訪客管理:訪客通過訪客一體機(jī)快速進(jìn)行無接觸自助登記,由公安內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行人證對(duì)比,審核通過后,由后臺(tái)記錄姓名、出入時(shí)間、體溫情況等數(shù)據(jù),體溫異常情況發(fā)出預(yù)警并自動(dòng)記錄。
4.消防預(yù)警系統(tǒng)
消防態(tài)勢(shì)管理:整合少年宮各類消防設(shè)施資產(chǎn),將消防設(shè)備的位置、分布、狀態(tài)及告警,結(jié)合三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,提升基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維效率,結(jié)合安防資源信息與告警數(shù)據(jù),輔助判斷消防告警的準(zhǔn)確性。
巡更、安消設(shè)備聯(lián)動(dòng):少年宮人員使用此系統(tǒng)可直接通過平臺(tái)制訂消防巡檢計(jì)劃、設(shè)備巡檢計(jì)劃、品質(zhì)檢查計(jì)劃等,一線工作人員可直接通過APP端執(zhí)行任務(wù)(少年宮支持感應(yīng)NFC或二維碼確認(rèn)),并在手機(jī)端上傳巡檢情況。
火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng):如某區(qū)域出現(xiàn)煙感告警,應(yīng)計(jì)算距離最近的攝像頭,自動(dòng)調(diào)取視頻畫面,通過三維平臺(tái)直接點(diǎn)取攝像頭畫面,輔助判斷是否出現(xiàn)火情等情況,提高運(yùn)維質(zhì)量,保障少年宮安全。
5.智慧運(yùn)維系統(tǒng)
該系統(tǒng)可對(duì)少年宮內(nèi)部各類設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行三維建模,以真實(shí)復(fù)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施外觀、結(jié)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)詳情。支持集成視頻監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)以及其他前端傳感器實(shí)時(shí)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)各類設(shè)施具體位置、類型、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控??蓪?shí)時(shí)查看設(shè)施的詳細(xì)資料、修繕記錄、視頻監(jiān)控畫面等信息,支持設(shè)備運(yùn)行異常(故障、短路沖擊、過載、過溫等)實(shí)時(shí)告警,從而可輔助管理者直觀掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障問題、及時(shí)進(jìn)行設(shè)施搶修,以最快時(shí)間恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)。
(四)雙碳管理平臺(tái)
雙碳管理平臺(tái)包括能耗管理、用電精細(xì)化管理、雙碳對(duì)標(biāo)管理中臺(tái)等,主要用于外部交互管理。
1.能耗管理系統(tǒng)
接入少年宮用電、用水等能源消耗信息,進(jìn)行可視化展示,對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行能耗預(yù)警。能耗管理分兩類。一類是設(shè)備的能耗信息,包括變壓器、服務(wù)器、空調(diào)、打印機(jī)等耗能設(shè)備的能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);另一類是對(duì)用電線路負(fù)載的可視化監(jiān)控,高于日常平均負(fù)荷功率可進(jìn)行預(yù)警,并生成能耗異常事件,提醒主管人員及時(shí)維護(hù)處理。系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)頁面,頁面左側(cè)為能源使用情況監(jiān)測(cè),主要展示電量、電費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、電壓、電流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、用水情況等指標(biāo),右側(cè)為事件監(jiān)測(cè)預(yù)警,展示告警事件的時(shí)間、位置、詳情,點(diǎn)擊事件位置,三維鏡頭自動(dòng)下鉆到該位置。
同時(shí),該系統(tǒng)可提供基于AI算法的能效分析診斷。對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房、配電房等關(guān)鍵區(qū)域的溫度、濕度、煙感、水浸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和告警,保障設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定。對(duì)辦公區(qū)域的溫濕度、CO2濃度、光照度進(jìn)行監(jiān)測(cè),為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)提供依據(jù),保障辦公環(huán)境舒適度。通過能源消耗過程的可視、可控以及節(jié)能效果的量化管理,為設(shè)備運(yùn)行模式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)提供依據(jù),并評(píng)估節(jié)能效果、提供整改建議。
2.用電精細(xì)化管理平臺(tái)
通過AIoT技術(shù),搭載新一代智慧空開,實(shí)現(xiàn)對(duì)用電線路的電壓、電流、功率、用電量、線路溫度、漏電流等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)生故障實(shí)時(shí)上報(bào),通過大數(shù)據(jù)分析對(duì)線路進(jìn)行精細(xì)化節(jié)能管理。同時(shí),通過集中控制管理,實(shí)現(xiàn)智能化環(huán)境自適應(yīng)改變,包括根據(jù)環(huán)境與人流量自動(dòng)調(diào)整燈光方案、調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)定等。
3.雙碳對(duì)標(biāo)管理
通過與國(guó)內(nèi)、國(guó)際雙碳管理的雙對(duì)標(biāo),進(jìn)一步完善碳資產(chǎn)管理的流程優(yōu)化,并探索碳排放核算、綠標(biāo)認(rèn)證、CCER交易管理、碳指標(biāo)運(yùn)營(yíng)等碳中和實(shí)現(xiàn)路徑。通過數(shù)字孿生+雙碳管理平臺(tái),與上級(jí)平臺(tái)進(jìn)行智能化對(duì)接,將數(shù)字低碳少年宮打造為低能耗建筑、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零能耗建筑。
(五)一中心:智慧數(shù)據(jù)中心(數(shù)字資產(chǎn)管理)
智慧數(shù)據(jù)中心也稱為智能運(yùn)營(yíng)管理中心,包含數(shù)據(jù)駕駛艙和移動(dòng)數(shù)據(jù)管理。
1.數(shù)據(jù)駕駛艙/數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理
用于日常的少年宮工作匯報(bào)與展示場(chǎng)所,在一圖可視、一鍵閉環(huán)、一數(shù)共享的建設(shè)基礎(chǔ)上,貫穿少年宮各方面方法規(guī)范,形成全新的數(shù)字孿生運(yùn)營(yíng)體系,通過可視化技術(shù),真正打通數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界,并相輔相成,形成常在線、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的少年宮運(yùn)營(yíng)大腦。
2.數(shù)據(jù)多終端實(shí)時(shí)管理
利用監(jiān)控設(shè)備對(duì)少年宮場(chǎng)所進(jìn)行全方位、立體化管理和監(jiān)控。另外,可以對(duì)攝像機(jī)、云臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,自動(dòng)設(shè)置各種報(bào)警與聯(lián)動(dòng),并對(duì)監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字錄像和儲(chǔ)存,對(duì)數(shù)字錄像文件進(jìn)行編輯、檢索和回放功能,便于管理人員隨時(shí)隨地實(shí)施決策。
四、結(jié)束語
通過構(gòu)建數(shù)字孿生基座,將布放于少年宮各個(gè)位置的傳感器所采集的數(shù)據(jù)反饋至統(tǒng)一平臺(tái),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和深度挖掘分析,以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值,為少年宮的運(yùn)營(yíng)管理提供決策支撐。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩方面價(jià)值。一方面是,通過平臺(tái)整合少年宮所有智慧化子系統(tǒng),無需復(fù)雜的接口開發(fā)即可實(shí)現(xiàn)智慧場(chǎng)景聯(lián)動(dòng),降低管理成本,提高管理效率;另一方面是,通過對(duì)各類能源消耗的監(jiān)測(cè)、優(yōu)化,減少不必要的能耗浪費(fèi),優(yōu)化資源配置?;跀?shù)字孿生的低碳數(shù)字少年宮將綠色低碳理念貫穿于少年宮規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)全過程,降低全生命周期能耗和碳排放,致力于打造低碳建筑,助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
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