CN116645836A - 一种多动静态物标自动避碰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多动静态物标自动避碰方法,涉及船舶避碰技术领域,包括如下步骤:获取所有可能的避碰措施方案;对所有可能的避碰措施按照符合海上航行规则的优先等级进行层次分类和赋值;判断本船与周围物标的会遇态势,根据所述会遇态势利用矩阵方法选择符合海上航行规则的几类避碰措施并按优先等级排序;将本船航行信息输入至避碰决策***,所述避碰决策***从优先等级最高的措施开始依次搜索,直到检索出满足要求的避碰措施;本船执行满足要求的避碰措施,当决策***检测到本船与周围船舶及障碍物没有碰撞危险时,将按照计划航线航行或者采取复航行动。本发明能够应对和解决开阔水域下船舶航行过程遇到的几乎所有会遇态势。
Description
技术领域
本发明涉及船舶避碰技术领域,具体而言,尤其涉及一种多动静态物标自动避碰方法。
背景技术
自动避碰技术是实现自主船舶和无人船必须具备的功能。中国船级社发布的《智能船舶规范》和《自主货物运输船舶规范》中明确规定所有获得自主航行标志船舶都必须具备依靠场景感知信息实现自动避碰的能力。
国内外学者已提出了很多算法用于船舶自动避碰决策及路径规划,主要有几何解析法、模糊逻辑算法、速度障碍法、多智能体协作、基于知识的专家***、人工势场法和基于遗传、蚁群、粒子群等算法的启发式方法等。
这些算法开拓和丰富了船舶避碰决策模型的求解方法和思路,但依然存在很多问题有待解决。传统控制算法未充分考虑周边环境因素,未考虑规则或未充分考虑规则尤其是背离规则的情形;传统控制算法大多是基于目标船按照避碰规则采取行动,而实际航行中,由于实际情况的需要,目标船有可能需要背离规则;甚至有的目标船违背规则采取行动;以上情况会导致控制算法在计算的过程中产生紊乱,控制器不能采取良好的避碰行动。传统控制算法未考虑船舶操纵性问题;现有的控制算法大多只考虑船舶的舵机特性,没有考虑船舶的旋回特性、航向稳定性以及保向性等船舶特性;不能从全局考虑船舶的自动避碰问题,需要进一步改进和完善。现有的控制算法不能处理多船会遇局面;现有的控制算法大多只能处理两船之间的避碰问题,但是在实际航行多船会遇的局面时有发生,如何处理这种局面,对控制算法的设计提出了更高的要求。现有的控制算法不能同时处理动、静态障碍物;现有的控制算法避碰措施单一,多是只有转向且未与计划航线有机结合;现有的控制算法,算法运算速度难以满足实时性要求;依据算法设计的控制器,需要进行大量的数据采集工作,计算机在运行控制程序时,需要一定的计算时间,因此会产生一定的延迟;新设计的控制算法应该更简单、运行速度更快、尽量满足实时性的要求;现有的控制算法,算法解算结果不具有唯一性和确定性;现有的控制算法,对临界条件下他船的突然不协调行为无法避免碰撞船舶之间的避碰,最基本的要求是有碰撞危险的船舶之间都遵守避碰规则,直到最后驶过让清为止;如果某一船舶在进距离时候,突然采取不协调的避碰行动,会导致自动避碰算法及控制器,无法迅速给出避碰决策而发生碰撞。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种多动静态物标自动避碰方法,以解决现有算法未考虑背离规则的情况、未考虑多船会遇的情形、避碰信息未能实时传输和进距离不协调的避碰行为等技术问题。
本发明采用的技术手段如下:
一种多动静态物标自动避碰方法,包括如下步骤:
获取所有可能的避碰措施方案;获取本船航行信息;对所有可能的避碰措施按照符合海上航行规则的优先等级进行层次分类和赋值;
判断本船与周围物标的会遇态势,根据所述会遇态势利用矩阵方法选择符合海上航行规则的几类避碰措施并按优先等级排序;
将本船航行信息输入至避碰决策***,所述避碰决策***从优先等级最高的措施开始依次搜索,直到检索出满足要求的避碰措施;
本船执行满足要求的避碰措施,当决策***检测到本船与周围船舶及障碍物没有碰撞危险时,将按照计划航线航行或者采取复航行动。
进一步地,所述避碰措施方案包括向右转向、向左转向、减速、加速、向右转向同时减速、向左转向同时减速、向右转向同时加速、向左转向同时加速、停船和重新规划计划航线。
进一步地,所述判断本船与周围物标的会遇态势包括如下步骤:
通过他船与本船的航向判断两船或者多船之间的会遇态势;
通过计算最近会遇距离和到达最近会遇距离的时间,判断本船与他船之间有无碰撞危险;
若无碰撞危险,无需采取避碰行动,按照计划航线航行;若有碰撞危险,则采取避碰行动。
进一步地,所述避碰规则包括:
当会遇态势为追越局面时:按照规则判断本船追越或者疑似追越他船态势时,本船均应给被追越船让路;
当会遇态势为对遇局面时:按照规则判断本船与他船为对遇或者疑似对遇态势时,本船与他船应各自向右转向,从而从他船左舷驶过;
当会遇态势为交叉局面时:按照规则判断本船与他船为交叉相遇态势时,若他船在本船右舷,本船应给他船让路;若他船在本船左舷,他船未按规则采取措施形成紧迫局面时,本船可独自采取操纵行动以避免碰撞。
进一步地,当会遇态势为追越局面时:按照规则判断为本船追越或者疑似追越他船态势时,本船均应给被追越船让路,采取的避碰措施包括向右转向、向左转向、向右转向同时加速、向左转向同时加速;
当会遇态势为对遇局面时,按照规则判断本船与他船为对遇或者疑似对遇态势时,本船与他船应各自向右转向,从而从他船左舷驶过,采取的避碰措施为向右转向;
当会遇态势为交叉局面时,按照规则判断本船与他船为交叉相遇态势时,若他船在本船右舷,本船应给他船让路;若他船在本船左舷,他船未按规则采取措施形成紧迫局面时,本船可独自采取操纵行动以避免碰撞,采取的避碰措施为向右转向。
进一步地,所述本船航行信息包括:本船的计划航向、本船的计划航速,本船和周围他船的航向、本船和周围他船的航速,本船和周围他船的位置信息,周围静态物标的位置信息,周围他船的最近会距距离、周围他船的最近会距时间、周围他船的相对方位、周围他船的距离、周围他船的相对航向角。
较现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明提供的一种多动静态物标自动避碰方法,通过对船舶的会遇态势利用矩阵方法选择符合海上航行规则的几类避碰措施并按优先等级排序,设计了一种船舶自动避碰决策***。
2、本发明对所有可能的避碰措施按照符合海上航行规则的优先等级进行层次分类和赋值,利用设计避碰决策***从优先等级最高的措施开始依次搜索,直到检索出满足要求的避碰措施。
3、本发明要求本船执行满足要求的避碰措施,当决策***检测到本船与周围船舶及障碍物没有碰撞危险时,将按照计划航线航行或者采取复航行动,能够实现开阔水域下船舶航行过程遇到的几乎所有会遇态势的避碰行为。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明测试平台模型示意图。
图2为本发明三种会遇态势的方位关系图。
图3为本发明算法具体流程图。
图4为本发明会遇态势为对遇局面的实验结果图。
图5为本发明当会遇态势为交叉局面的实验结果图。
图6为本发明会遇态势为左交叉相遇局面的实验结果图。
图7为本发明会遇态势为追越局面的实验结果图。
图8为本发明会遇态势为多物标会遇的实验结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供了一种多动静态物标自动避碰方法,包括如下步骤:
对所有可能的避碰措施按照符合海上航行规则的优先等级进行层次分类和赋值;比如可分为向右转向、向左转向、减速、加速、向右转向同时减速、向左转向同时减速、向右转向同时加速、向左转向同时加速、停船和重新规划计划航线等几类;海上航行规则可以是现有的规则,也可以是人工输入的规则。
通过来船与本船的航向来判断两船或者多船之间的会遇态势,如图2所示;
通过计算最近会遇距离(DCPA)和到达最近会遇距离的时间(TCPA),判断我船与目标船之间有无碰撞危险;
若无碰撞危险,无需采取任何避碰行动,按照计划航线航行;若有碰撞危险,则需要采取避碰行动。其中,避碰行动的四个阶段如表1所示:
表1避碰行动的四个阶段
若会遇态势为追越局面:按照规则判断为本船追越或者疑似追越他船态势时,本船均应给被追越船让路。可采取的避碰措施为向右转向、向左转向、向右转向同时加速、向左转向同时加速等。决策行向量:[10.900000.40.30.20]。
若会遇态势为对遇局面:按照规则判断本船与他船为对遇或者疑似对遇态势时,本船与他船应各自向右转向,从而从他船左舷驶过。可采取的避碰措施为向右转向等。决策行向量:[10000.600.400.20]。
若会遇态势为交叉局面:按照规则判断本船与他船为交叉相遇态势时,若他船在本船右舷,本船应给他船让路;若他船在本船左舷,他船未按规则采取措施形成紧迫局面时,本船可独自采取操纵行动以避免碰撞。可采取的避碰措施为向右转向等。决策行向量:[100.80.70.600.400.20]。
多船会遇局面:本船与几条船同时存在碰撞危险,假设有三条船分别与本船构成追越局面、对遇局面和交叉相遇局面,则可构成决策矩阵
[1.00.90.00.00.00.00.40.30.20.0;
1.00.00.00.00.60.00.40.00.20.0;
1.00.00.80.70.60.00.40.00.20.0]。
通过取小值运算,可得决策行向量:[1.00.00.00.00.00.00.40.00.20.0],则可采取的避碰措施为向右转向、向右转向同时加速、停船和重新规划计划航线等。
通过算法的计算并进行决策搜索,***输出避碰措施;
***决策***设计如下:
所谓避碰决策层次搜索算法,首先对所有可能的避碰措施按照避碰规则中的优先等级进行层次分类和赋值,比如可分为向右转向、向左转向、减速、加速、向右转向同时减速、向左转向同时减速、向右转向同时加速、向左转向同时加速、停船和重新规划计划航线等几类,可依次赋值为1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、…、0等。其次判断本船与周围物标的会遇态势,根据会遇态势利用矩阵方法选择符合规则的几类避碰措施。最后从优先等级最高的措施开始依次搜索,直到检索出满足要求的避碰措施。
避碰措施不只限于上述所列举项,可根据情况做更精确的分类。本发明暂将避碰措施分为所列几类,避碰措施赋值表如表2所示。
表2避碰措施赋值表
本船采取避碰行动之后,当决策***检测到本船与周围船舶及障碍物没有碰撞危险时,将按照计划航线航行或者采取复航行动。
实施例1
算法设计的整体框架:
利用C++编程语言搭建测试平台,考虑到船舶操纵性对避碰决策的影响,在测试平台中添加控制器同时建立较为准确的船舶运动数学模型。测试平台模型示意图如图1所示。算法具体流程如图3所示。为了实验简便,仅0号船添加自动避碰程序,设定安全距离为1000米,船舶领域为以船中为圆心、安全距离为半径的圆形。当有碰撞危险时,触发避碰行动的条件设置为距离小于2000米或者TCPA小于6分钟。
算法具体流程
(1)从雷达、电子海图信息***等设备实时获取本船的计划航向(CourseofAdvanced)和计划航速(planed speed),本船和周围他船的航向(COG)、航速(speed)和位置信息,周围静态物标的位置信息,周围他船的DCPA(最近会距距离)、TCPA(最近会距时间)、RB(相对方位)、DT(距离)、RC(相对航向角)等信息。
(2)将获取的信息输入避碰决策***。
(3)决策***按照预先设置好的优先级进行避碰决策搜索。判断会遇态势,若无碰撞危险,且|CA-COG|<设定值,则按照计划航线航行;若无碰撞危险,且|CA-COG|>=设定值,则采取复航行动;若有碰撞危险,只要有一条船有碰撞危险,则开始避碰决策搜索,搜索要采取的避碰行动。
(4)***输出避碰措施。
(5)复航行动,当决策***检测到本船与周围船舶及障碍物没有碰撞危险时,将按照计划航线航行或者采取复航行动。没有碰撞危险时按照计划航线航行不难理解,复航行动从具体判定条件上来说,当TCPA足够大时,可以认为不存在碰撞危险;另外TCPA为负值且DT(距离)大于安全距离时,也可认为没有碰撞危险。复航行动可以看成是避碰行动的逆运动,因此同样采取层次搜索的办法,与避碰行动不同的是复航行动是反向搜索,搜索的同时检测避碰行动。
实施例2
如图4所示,实施例2为当会遇态势为对遇局面的情况。设定三种不同航速下的对遇局面,0号船航向045°,航速14.9m/s,1号船航向225°,航速分别为10m/s、15m/s、25m/s。实验结果如图4所示,A图:只有0号船采取了向右转向行动,1号船未采取措施,0号船独自按照规则采取向右转向措施,当1号船驶过让清之后进行回航行动;B图和C图:0号船和1号船均按照规则采取向右转向,从他船左舷通过;D图:两船也按照规则采取了向右转向措施,但1号船在没有驶过让清之前就采取了回航措施,复航行动过早,导致0号船不得不再次向右转向增大两船间距以避开碰撞危险。这说明算法能实时的根据当时情形做出相应决策,具有实时性特点。综合三种不同航速下的对遇实验可知,该算法能够满足不同航速情况下的实时避碰决策需要。
实施例3
如图5所示,实施例3为当会遇态势为交叉局面的情况。针对交叉相遇局面设计两个实验:右交叉局面和左交叉局面。
右交叉相遇局面:设定本船(0号船)初始状态:航向045°,航速14.9m/s,位置(-5000,-5000);1号船初始状态:航向270°,航速15m/s,位置(8000,0)。实验结果如图5所示,开始两船从初始位置沿着各自计划航线,航行到a位置时,0号船检测到与1号船为交叉相遇局面,开始采取向右转向的避碰措施,航向转至062°并保持该航向,直到b位置驶过让清之后,0号船开始回航,航向由062°回航至035°,直至船舶走回计划航线,当船舶接近计划航线时,航向会缓慢从035°回到计划航向045°,随后船舶将保持计划航向直至再有碰撞危险为止。整个避让过程完全符合避碰规则对交叉相遇局面让路船所采取的行动的要求。
实施例4
如图6所示,实施例4为当会遇态势为左交叉相遇局面的情况。设定本船初始状态:航向045°,航速14.9m/s,位置(-5000,-5000);2号船初始状态:航向180°,航速15m/s,位置(7000,0)。相对于交叉相遇局面,左交叉相遇局面是从直航船的角度来定义的,实验的目的主要是观察在让路船未按规则采取避碰措施时直航船如何采取操纵行动。因此,设置直航船触发避碰行动的条件为距离小于1800米或者TCPA小于5分钟,相比于让路船采取避碰行动的时机要晚一些。如图6所示,A时刻,2号船未履行让路船责任,作为直航船的0号船开始采取操纵行动,开始向右转向;B时刻,2号船履行让路船责任,开始向右转向,0号船检测到这一信息,开始回航行动;C时刻,0号船即将回到计划航线,2号船采取了复航行动。
实施例5
如图7所示,实施例5为当会遇态势为追越局面的情况。设定0号船初始航向045°,航速14.9m/s,位置(-5000,-5000);1号船初始航向045°,航速5m/s,位置(-3000,-3000)。实验结果如图7所示,A时刻,0号船开始追越,向右转向;BC段为平行追越阶段,C时刻,0号船通过核算确定此刻可以采取回航措施,并开始向左转向回航;D时刻,0号船回航,追越行动结束。
实施例6
如图8所示,实施例6为当会遇态势为多物标会遇的情况。设定物标初始状态:0号船航向045°,航速14.9m/s,位置(-5000,-5000);1号船航向180°,航速10m/s,位置(0,7000);2号船航向270°,航速10m/s,位置(8000,0);3号船航向225°,航速10m/s,位置(3500,3500);4号船航向045°,航速15m/s,位置(-6500,-6500);5号物标位置(-3000,-3200);6号物标位置(3500,9000)。实验结果如图8所示,每条船的轨迹上依次使用a、b、c、d、e、f标记不同时刻船舶位置,a为物标初始位置,a位置时,4号船追越0号船,为不影响0号船,4号船航向转为000°,5号物标为静态物标,位于0号船正前方,与0号船有碰撞危险,0号船向右转向以避开5号物标;b位置时,0号船已驶过让清5号物标,回航;c位置时,0号船与2号船构成交叉相遇局面,同时与3号船构成对遇局面,采取向右转向行动以从2号船船尾通过;d位置时,0号船驶过让清2、3号船,回航;e位置时,由于1号船在d位置突然改变了航向,到达e位置时与0号船构成了左交叉相遇局面,并且1号船为按规则采取向右转向措施,因此,0号船独自采取了操纵行动;1号船通过e位置后不久,采取了向右转向的避让措施,当0号船和1号船到达f位置时,两船解除了碰撞危险,0号船回航。从整个实验过程中可以看出所设计的算法能处理动静态物标、多船存在碰撞危险以及背离规则情形等局面。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的技术内容,可通过其它的方式实现。其中,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如所述单元的划分,可以为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,单元或模块的间接耦合或通信连接,可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种多动静态物标自动避碰方法,其特征在于,包括如下步骤:
获取所有可能的避碰措施方案;获取本船航行信息;对所有可能的避碰措施按照符合海上航行规则的优先等级进行层次分类和赋值;
判断本船与周围物标的会遇态势,根据所述会遇态势利用矩阵方法选择符合海上航行规则的几类避碰措施并按优先等级排序;
将本船航行信息输入至避碰决策***,所述避碰决策***从优先等级最高的措施开始依次搜索,直到检索出满足要求的避碰措施;
本船执行满足要求的避碰措施,当决策***检测到本船与周围船舶及障碍物没有碰撞危险时,将按照计划航线航行或者采取复航行动。
2.根据权利要求1所述的多动静态物标自动避碰方法,其特征在于,所述避碰措施方案包括向右转向、向左转向、减速、加速、向右转向同时减速、向左转向同时减速、向右转向同时加速、向左转向同时加速、停船和重新规划计划航线。
3.根据权利要求1所述的多动静态物标自动避碰方法,其特征在于,所述判断本船与周围物标的会遇态势包括如下步骤:
通过他船与本船的航向判断两船或者多船之间的会遇态势;
通过计算最近会遇距离和到达最近会遇距离的时间,判断本船与他船之间有无碰撞危险;
若无碰撞危险,无需采取避碰行动,按照计划航线航行;若有碰撞危险,则采取避碰行动。
4.根据权利要求3所述的多动静态物标自动避碰方法,其特征在于,所述避碰规则包括:
当会遇态势为追越局面时:按照规则判断本船追越或者疑似追越他船态势时,本船均应给被追越船让路;
当会遇态势为对遇局面时:按照规则判断本船与他船为对遇或者疑似对遇态势时,本船与他船应各自向右转向,从而从他船左舷驶过;
当会遇态势为交叉局面时:按照规则判断本船与他船为交叉相遇态势时,若他船在本船右舷,本船应给他船让路;若他船在本船左舷,他船未按规则采取措施形成紧迫局面时,本船可独自采取操纵行动以避免碰撞。
5.根据权利要求4所述的多动静态物标自动避碰方法,其特征在于,
当会遇态势为追越局面时:按照规则判断为本船追越或者疑似追越他船态势时,本船均应给被追越船让路,采取的避碰措施包括向右转向、向左转向、向右转向同时加速、向左转向同时加速;
当会遇态势为对遇局面时,按照规则判断本船与他船为对遇或者疑似对遇态势时,本船与他船应各自向右转向,从而从他船左舷驶过,采取的避碰措施为向右转向;
当会遇态势为交叉局面时,按照规则判断本船与他船为交叉相遇态势时,若他船在本船右舷,本船应给他船让路;若他船在本船左舷,他船未按规则采取措施形成紧迫局面时,本船可独自采取操纵行动以避免碰撞,采取的避碰措施为向右转向。
6.根据权利要求1所述的多动静态物标自动避碰方法,其特征在于,所述本船航行信息包括:本船的计划航向、本船的计划航速,本船和周围他船的航向、本船和周围他船的航速,本船和周围他船的位置信息,周围静态物标的位置信息,周围他船的最近会距距离、周围他船的最近会距时间、周围他船的相对方位、周围他船的距离、周围他船的相对航向角。
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CN117132012A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-11-28 | 武汉理工大学 | 一种预测冲突危险区的多船避碰方法、电子设备和存储介质 |
CN117132012B (zh) * | 2023-10-27 | 2024-03-29 | 武汉理工大学 | 一种预测冲突危险区的多船避碰方法、电子设备和存储介质 |
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