摘要:以上海九星綜合管廊的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)計(jì)為例,對物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)方案進(jìn)行了比較研究,物聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案具有終端無線聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展容易、建設(shè)及維護(hù)成本低等優(yōu)勢,并能提升綜合管廊智慧化水平,促進(jìn)綜合管廊數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
關(guān)鍵詞:綜合管廊;環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)字化轉(zhuǎn)型
0引言
綜合管廊工程是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施,擔(dān)負(fù)著城市信息傳遞、能源輸送、排澇減災(zāi)、廢物排棄等重要功能。作為“十三五”戰(zhàn)略百大工程以及“十四五”韌性城市建設(shè)發(fā)展的前沿陣地,綜合管廊建設(shè)在我國已進(jìn)入規(guī)?;l(fā)展和創(chuàng)新階段,這條“城市生命線”安全、穩(wěn)定運(yùn)行,是未來城市建設(shè)發(fā)展需要著重關(guān)注的問題。
全國25個綜合管廊試點(diǎn)城市已經(jīng)建設(shè)了6000余公里,在運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)由于管廊凝露嚴(yán)重等原因,導(dǎo)致綜合管廊現(xiàn)場傳感器失效,觸發(fā)風(fēng)機(jī)頻繁起停,有毒有害氣體濃度監(jiān)測不準(zhǔn)確,環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可靠性變差等問題。在火災(zāi)自動系統(tǒng)中出現(xiàn)火災(zāi)誤報、漏報、錯報等情況。現(xiàn)有的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)無法可靠地反映現(xiàn)場真實(shí)情況。
“十四五”規(guī)劃綱要中提出:圍繞強(qiáng)化數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新支撐,布局建設(shè)信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施、創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施等新型基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎(chǔ)設(shè)施,增強(qiáng)數(shù)據(jù)感知、傳輸、存儲和運(yùn)算能力。加快交通、能源、市政等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造,加強(qiáng)泛在感知、終端聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度體系建設(shè),并將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)劃定為7大數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是指通過信息傳感設(shè)備、射頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)等各種裝置與技術(shù),采集需要監(jiān)控、連接和互動的信息,通過約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接,以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。
—方面,環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制的對象主要是風(fēng)機(jī)、水泵等,以閾值控制為主,控制邏輯簡單,用物聯(lián)網(wǎng)方案只要做個配置即可,不需要編程就能滿足控制要求,大大降低了對運(yùn)維人員的要求;另一方面,由于地下空間的工況環(huán)境不好,而綜合管廊作為地下空間的“生命線”出現(xiàn)誤報、錯報的現(xiàn)象很高,物聯(lián)網(wǎng)具有的邊緣計(jì)算功能很好地解決了這一問題,減輕了統(tǒng)一管理平臺的壓力。即使統(tǒng)一管理平臺宕機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況下,依靠現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)也能正常運(yùn)行;地下空間的安全隱患是不確定的,若需要增加監(jiān)測點(diǎn),只需配個邊緣接入設(shè)備就能接入系統(tǒng),非常靈活。因此將具有窄帶、低延時及低功耗等特征的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊中應(yīng)用,可以有效地提高綜合管廊的智慧化功能,并降低建設(shè)和運(yùn)維成本。
1項(xiàng)目背景
九星綜合管廊位于上海市閔行區(qū)七寶九星地區(qū),包括星北路綜合管廊、智聯(lián)路綜合管廊及監(jiān)控中心,全長約2465m,布局為“廠”字形,其中:星北路綜合管廊位于星北路南側(cè)人行道及綠化帶下,西起智聯(lián)路、東至虹莘路,為綜合艙和電力艙雙艙,長約715m;智聯(lián)路綜合管廊位于智聯(lián)路西側(cè)人行道下,南起平延路,北至星北路,為綜合艙單艙,長約1730m;監(jiān)控中心位于東蘭路、智聯(lián)路路口北側(cè)地塊地下一層空間,通過聯(lián)絡(luò)通道與綜合管廊進(jìn)行銜接,九星綜合管廊布局圖如圖1所示。
圖1九星綜合管廊布局圖
2設(shè)計(jì)方案
2.1傳統(tǒng)方案
傳統(tǒng)的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、可編程控制器、遠(yuǎn)程I/O模塊及環(huán)境監(jiān)測相關(guān)檢測儀表等組成。傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示;傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖如圖3所示。
圖2傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架
傳統(tǒng)的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)從上至下可分為后臺管理層、中間傳輸層及前端感知層。
后臺管理層位于綜合管廊控制中心,主要由匯聚交換機(jī)、工作站、服務(wù)器等組成。后臺管理層通過中間傳輸層將前端感知層采集的信息進(jìn)行集中存儲、處理及展示,并且實(shí)現(xiàn)對管廊的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。
圖3傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖
中間傳輸層主要由可編程控制器、遠(yuǎn)程I/O、接入交換機(jī)及線纜等組成。管廊內(nèi)在每個分變電所設(shè)置可編程控制器,負(fù)責(zé)區(qū)域監(jiān)控區(qū)間聯(lián)動控制及監(jiān)控信息上傳。在每個進(jìn)/排風(fēng)井設(shè)置一套遠(yuǎn)程I/O模塊,負(fù)責(zé)基本監(jiān)控區(qū)間內(nèi)所有防火分區(qū)內(nèi)的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、上傳及聯(lián)動控制信號的發(fā)出??删幊炭刂破魍ㄟ^遠(yuǎn)程I/O模塊反饋的管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測信息、設(shè)備監(jiān)控信息及電力監(jiān)控信息,完成設(shè)備的控制(聯(lián)動),并通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心后臺管理系統(tǒng)的信息交互前端感知層位于綜合管廊內(nèi),主要由溫濕度檢測儀、含氧量檢測儀、風(fēng)機(jī)控制箱及水泵控制箱等現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備控制箱組成。通過現(xiàn)場設(shè)備對綜合管廊內(nèi)的溫濕度、氧含量等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測和采集,從現(xiàn)場設(shè)備控制箱內(nèi)獲得風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的狀態(tài)信息。
控制方式分為中央級、就地級和現(xiàn)場級,可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心中央級遠(yuǎn)程控制、可編程站就地自動/手動控制和現(xiàn)場控制箱自動/手動控制。
2.2物聯(lián)網(wǎng)方案
物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)從上至下可分為中心層、傳輸層和接入層。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示;物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖如圖5所示。
圖4物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖
中心層主要包括物聯(lián)網(wǎng)管理平臺及其硬件支撐設(shè)備,部署在監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)統(tǒng)一部署與定期更新、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲與可視化展示等功能,并與綜合管廊統(tǒng)一管理平臺進(jìn)行信息共享。
圖5物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖
傳輸層主要包括由主干光纖、交換機(jī)及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等,通過構(gòu)建自愈型光纖干線環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中心層與接入層的信息上傳下達(dá)。
接入層主要包括物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備、現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測儀表等,物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于構(gòu)建現(xiàn)場網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Mesh),物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備用于現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測儀表無線聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算與機(jī)器通信(M2M)等。
2.3方案比選
綜合管廊一般呈“群狀”分布,由同一規(guī)劃片區(qū)內(nèi)的若干個綜合管廊組成,具有狹長、艙室多、入廊管線種類復(fù)雜等特點(diǎn),為了保障良好的運(yùn)行環(huán)境,需要配置通風(fēng)、排水、照明等機(jī)電設(shè)備,并設(shè)置環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與機(jī)電設(shè)備監(jiān)控等功能。
傳統(tǒng)方案中,環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要采用可編程邏輯控制器,一般以通風(fēng)區(qū)間為基本監(jiān)控單元,每個基本監(jiān)控單元設(shè)置一套可編程邏輯控制器,可編程邏輯控制器通過有線方式與基本監(jiān)控單元內(nèi)各現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備及傳感儀表相連,實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備及傳感儀表的集中控制與統(tǒng)一管理。
物聯(lián)網(wǎng)作為一種新型技術(shù),主要采用邊緣計(jì)算、終端無線聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器通信(M2M)等,物聯(lián)網(wǎng)方案與傳統(tǒng)方案的比較如下表1所示。
表1物聯(lián)網(wǎng)方案與傳統(tǒng)方案的比較
綜合管廊機(jī)電設(shè)備眾多,環(huán)境比較潮濕,傳統(tǒng)方案容易出現(xiàn)接觸不良等線路故障,導(dǎo)致系統(tǒng)失效,并且檢修費(fèi)時費(fèi)力。物聯(lián)網(wǎng)提供的終端無線聯(lián)網(wǎng)可以使綜合布線大大減少,不僅降低管線管材及安裝調(diào)試成本,也降低因?yàn)榫€纜眾多造成的故障,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
綜合管廊入廊管線種類復(fù)雜,入廊時間不一,不同管線對管線監(jiān)測內(nèi)容有不同的要求,而管線入廊往往滯后綜合管廊建設(shè),傳統(tǒng)方案在綜合管廊建設(shè)之初一般會為管線監(jiān)控接入預(yù)留接口[4],但實(shí)際往往難以準(zhǔn)確預(yù)留。預(yù)留的接口也對管線監(jiān)控的內(nèi)容和監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置等有一定的限制。物聯(lián)網(wǎng)的終端無線聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案可以很好的兼容未來入廊管線監(jiān)控的接入和并網(wǎng),節(jié)約后期管線入廊建設(shè)投資。
綜合管廊在建設(shè)之初會部署一定的監(jiān)控點(diǎn)位,但隨著管線的逐步入廊和運(yùn)維時間的增加,會產(chǎn)生新的動態(tài)監(jiān)測需求,可能需要動態(tài)增加新的監(jiān)控點(diǎn)位或?qū)υO(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整等,物聯(lián)網(wǎng)的終端無線聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案可以很好的滿足監(jiān)控動態(tài)調(diào)整需求。
此外,物聯(lián)網(wǎng)采用邊緣計(jì)算及機(jī)器通信(M2M)等技術(shù),在邊緣端部署相關(guān)算法可以提高系統(tǒng)智慧化程度。
綜上,物聯(lián)網(wǎng)具有終端無線聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展容易、建設(shè)及維護(hù)成本低、智慧化程度高等優(yōu)勢,相比傳統(tǒng)方案更適合具有環(huán)境差、廣連接、入廊管線種類復(fù)雜及建設(shè)時序不一等特征的綜合管廊。
2.4網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Mesh)
網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Mesh)即無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò),是一種多跳網(wǎng)絡(luò),是一個動態(tài)的可以不斷擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是去中心化的,當(dāng)有中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備離線時,可以重新計(jì)算新路由,滿足業(yè)務(wù)交互,可以大大降低整體故障率。任意的兩個設(shè)備均可以保持無線互聯(lián),相比單跳網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)壯、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展更靈活及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)動態(tài)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。
網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)如圖6所示,以防火分隔為基本通信單元,每個基本通信單元包含電力艙防火分區(qū)和綜合艙防火分區(qū)。在每個基本通信單元設(shè)置1套物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),在每個基本通信單元的每個防火分區(qū)設(shè)置4套物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)支持多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要用于網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)管理,包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼f(xié)議轉(zhuǎn)換、分組交換、路由選擇、差錯校驗(yàn)、流量控制、擁塞控制等功能,并采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)架構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)平面分離、解耦。
圖6網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)示意圖
2.5功能實(shí)現(xiàn)
環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)控及電力監(jiān)控等,為綜合管廊穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)的溫濕度、氧含量及液位等;設(shè)備監(jiān)控內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)排水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備及照明設(shè)備的聯(lián)動控制及運(yùn)行狀態(tài)等;電力監(jiān)控內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)高低壓配電柜、EPS裝置及UPS裝置的供電狀態(tài)等。
物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備就近部署在現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀旁邊,通過I/O或通信口與機(jī)電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀相連,并通過網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備或環(huán)境監(jiān)測儀無線聯(lián)網(wǎng),同時實(shí)現(xiàn)如下功能:
(1)接收物聯(lián)網(wǎng)管理平臺下發(fā)的應(yīng)用業(yè)務(wù)并進(jìn)行邊緣側(cè)部署;
(2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱、機(jī)器通信(M2M)與邊緣計(jì)算等;
(3)向物聯(lián)網(wǎng)管理平臺反饋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。
3 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺
3.1平臺概述
AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體,為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持,從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計(jì),解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強(qiáng)、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題,大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可管理性,提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)效率。
3.2平臺組成
安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺,它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù),通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度,同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。
3.3平臺拓?fù)?/div>
3.4平臺子系統(tǒng)
3.4.1電力監(jiān)控
電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所,對變電所高壓回路配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控,對0.4kV出線配置多功能計(jì)量儀表,用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況,可實(shí)時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS,包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故及記錄等。
3.4.2環(huán)境監(jiān)測
環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃?xì)怏w濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警,同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)等設(shè)備集成的第三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。
3.4.3電氣安全
AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器,消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器,接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時顯示,并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視,發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。
3.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單
3.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
3.5.2電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
3.5.3消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)
3.5.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)
3.5.5消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)
4結(jié)語
物聯(lián)網(wǎng)作為十四五規(guī)劃倡導(dǎo)的新型技術(shù),是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)在綜合管廊中應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢,可以很好滿足管線逐步入廊而伴隨對監(jiān)控需求的動態(tài)調(diào)整,并實(shí)現(xiàn)綜合管廊物與物、物與人的泛在連接,為綜合管廊數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字賦能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),后期結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及AI輔助決策等技術(shù),可以提供綜合管廊的運(yùn)行監(jiān)控與運(yùn)維管理智慧化程度。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊應(yīng)用的基礎(chǔ),一方面,可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)自動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等進(jìn)行結(jié)合;另一方面可以進(jìn)一步將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下空間中進(jìn)行推廣,解決類似的環(huán)境惡劣造成的一系列問題。
參考文獻(xiàn)
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