CN111523498B - 一种手卫生习惯监督系统及其监督方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种手卫生习惯监督系统，包括洗手台；摄像头，其设置在所述洗手台上方，用于识别人脸图像；电控水龙头，其设置在所述洗手台上，用于出水；洗手液滴出装置，其设置在靠近所述电控水龙头的所述洗手台上，用于滴出洗手液；控制器，其内置有数据存储器，且与所述摄像头、电控水龙头和洗手液滴出装置连接，用于接收所述摄像头的检测数据，并控制所述电控水龙头和洗手液滴出装置工作。能够实时监测洗手人的洗手状态，并控制水龙头和洗手液滴出装置工作，实现手卫生的有效监督和管理。本发明还提供一种手卫生习惯监督系统的监督方法，能够实时监测洗手人的洗手状态，并调节洗手时间，实现手卫生的有效监督和管理。

Description

一种手卫生习惯监督系统及其监督方法
技术领域
本发明涉及生理卫生监督技术领域，更具体的是，本发明涉及一种手卫生习惯监督系统及其监督方法。
背景技术
新型冠状病毒期间，手卫生管理是感染控制非常关键的环节，很多疾病都与手卫生有关，它是患者之间相互传播的主要途径，因此，保持好个人手卫生能够有效少病毒的传播率，而勤洗手则是保持个人手卫生的有效途径。
中国发明专利CN107658008A公开一种手卫生监测系统，包括胸卡、洗手液消毒液智能分配器、监测器、后台数据管理系统和智能终端，该手卫生监测系统基于物联网数据的管控，是对手卫生使用设备和耗材的实时数据分析和监控，能及时对设备维护及耗材进行补给，为医护人员实现手卫生提供物资保障。但是该系用主要是对设备和耗材的监控，以及对其进行补给，并没有实时监控使用者的洗手状态，不能监督使用者的洗手时间和洗手习惯，很难实现手卫生的有效监督和管理。
中国实用新型专利CN202677403U公开一种手卫生智能提醒管理系统，包括：RFID标签、临床监控器、RFID阅读器、通信网关、数据库服务器、管理服务器。该手卫生智能提醒管理系统能够及时感知、记录并智能提醒医务人员注意手卫生状态，并要求其进行规范的手卫生行为，同时手卫生落实与否、是否规范的信息也发送到系统后台。但是该系统仅是感知、记录并智能提醒医务人员注意手卫生状态而已，需要医务人员主观并主动的进行洗手，并不能在医务人员洗手时控制其洗手行为，起不到有效的监督作用。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种手卫生习惯监督系统，能够实时监测洗手人的洗手状态，并控制水龙头和洗手液滴出装置工作，实现手卫生的有效监督和管理。
本发明的另一个目的是设计开发了一种手卫生习惯监督系统的监督方法，能够实时监测洗手人的洗手状态，并调节洗手时间，实现手卫生的有效监督和管理。
本发明还能根据洗手人上一周的洗手状态确定洗手安全系数，以便优化调节洗手时间，保持安全手卫生状态。
本发明提供的技术方案为：
一种手卫生习惯监督系统，包括：
洗手台；以及
摄像头，其设置在所述洗手台上方，用于识别人脸图像；
电控水龙头，其设置在所述洗手台上，用于出水；
洗手液滴出装置，其设置在靠近所述电控水龙头的所述洗手台上，用于滴出洗手液；
控制器，其内置有数据存储器，且与所述摄像头、电控水龙头和洗手液滴出装置连接，用于接收所述摄像头的检测数据，并控制所述电控水龙头和洗手液滴出装置工作。
优选的是，还包括数据共享模块，用于共享所有洗手台对应的摄像头的检测数据以及电控水龙头和洗手液滴出装置的工作数据。
优选的是，还包括吹风系统，用于吹干手上液滴。
优选的是，所述吹风系统还包括细菌扫描装置，用于手上液滴吹干后检测手上菌落数量。
一种手卫生习惯监督系统的监督方法，包括如下步骤：
步骤1：识别每一位洗手人面部图像，分别记录同一人一周的洗手状态，并获得对应洗手人的洗手状态矩阵
Figure BDA0002469580730000034
以及对应洗手人的洗手安全系数S＝f(A)，且S∈(0,1]；
其中，F为一天内的平均洗手次数，T为每次洗手的平均洗手时间，Nmin为洗完手后手上的最小菌落数，
Figure BDA0002469580730000035
为最小菌落数对应的洗手时间；
步骤2：设定标准洗手时间T0，根据洗手安全系数校正所述标准洗手时间，获得对应洗手人的标准洗手时间Tp0，根据对应洗手人的标准洗手时间Tp0和洗手安全系数S确定对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0；
其中，所述对应洗手人的标准洗手时间为：
Figure BDA0002469580730000031
步骤3：当有人洗手时，识别洗手人面部图像，确定洗手人以及当前洗手时刻，并获取对应洗手人在当天且当前洗手时间之前的洗手状态，确定洗手人当前洗手时间：
Figure BDA0002469580730000032
式中，Tp为洗手人当前洗手时间，Fc为当天内当前洗手时刻tc之前的洗手次数，t0为当天内第一次洗手时刻；
其中，当有人洗手时，获取对应洗手人相邻上一周的洗手状态矩阵，并确定洗手人的洗手安全系数和标准洗手次数。
优选的是，在所述步骤1中，所述对应洗手人的洗手安全系数S为：
Figure BDA0002469580730000033
式中，F0为一天内的标准平均洗手次数，Nmin,r为洗完手后手上的理想最小菌落数，
Figure BDA0002469580730000036
为理想最小菌落数对应的理想洗手时间。
优选的是，在所述步骤2中，所述对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的确定包括模糊控制器：
将对应洗手人的标准洗手时间Tp0、洗手安全系数S输入模糊控制器，所述模糊控制器中对应洗手人的标准洗手时间Tp0、洗手安全系数S分为7个等级；
模糊控制器输出对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0，输出分为7个等级；
所述对应洗手人的标准洗手时间Tp0的模糊论域为[1,3]，其量化因子为10；所述对应洗手人的洗手安全系数S的模糊论域为(0,1]，定量化因子为1；输出对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的模糊论域为[1,3]，定量化因子为5；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入对应洗手人第i个洗手过程对应的上一次洗手后的手上菌落数N和上一周确定的最小菌落数
Figure BDA0002469580730000041
的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的误差补偿控制。
优选的是，
所述上一次洗手后的手上菌落数N和上一周确定的最小菌落数
Figure BDA0002469580730000042
的偏差e的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为50；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为30；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，在所述步骤3中，在洗手之前还包括滴加洗手液，且所述洗手液的滴加时间为：
Figure BDA0002469580730000051
式中，Tw为洗手液的滴加时间。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明设计开发的手卫生习惯监督系统，能够实时监测洗手人的洗手状态，并控制水龙头和洗手液滴出装置工作，实现手卫生的有效监督和管理。
(2)本发明设计开发的手卫生习惯监督系统的监督方法，能够实时监测洗手人的洗手状态，并调节洗手时间，实现手卫生的有效监督和管理。本发明还能根据洗手人上一周的洗手状态确定洗手安全系数，以便优化调节洗手时间，保持安全手卫生状态。
附图说明
图1为本发明所述手卫生习惯监督系统的模块示意图。
图2为本发明所述手卫生习惯监督系统的控制方法的流程图。
图3为本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的示意图。
图4为本发明所述模糊控制器的输入对应洗手人的标准洗手时间Tp0的隶属度函数图。
图5为本发明所述模糊控制器的输入洗手安全系数S的隶属度函数图。
图6为本发明所述模糊控制器的输出对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的隶属度函数图。
图7为本发明所述模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图8为本发明所述模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图9为本发明所述模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图10为本发明所述模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图11为本发明所述模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
附图标记说明
100.洗手台；110.摄像头；120.电控水龙头；130.洗手液滴出装置；140.控制器；150.数据共享模块；160.吹风系统；170.细菌扫描装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。
如图1所示，本发明提供一种手卫生习惯监督系统，包括：洗手台100，在洗手台100上方设置有摄像头110，用于识别人脸图像，确定洗手人，以便在控制器的数据存储器中提取对应洗手人的洗手信息。在洗手台100上设置有电控水龙头120，通过电控其出水，来进行冲洗手操作。在靠近电控水龙头120的洗手台100上设置有洗手液滴出装置130，能够电控滴出洗手液，能够能加干净的清洗手部。控制器140，其内置有数据存储器，且与摄像头110、电控水龙头120和洗手液滴出装置130连接，用于接收摄像头110的检测数据，并控制电控水龙头120和洗手液滴出装置130工作。
本实施例中，还包括数据共享模块150，用于共享洗手台对应的摄像头的检测数据以及电控水龙头和洗手液滴出装置的工作数据，便于数据共享，可以将一栋楼、几栋楼或者限定区域里的所有的摄像头的检测数据以及电控水龙头和洗手液滴出装置的工作数据整合在一起进行分析，以便后续控制。
本实施例中，还包括吹风系统160，用于吹干手上液滴。并在吹风系统160上设置有细菌扫描装置170，用于手上液滴吹干后检测手上菌落数量。
本发明设计开发的手卫生习惯监督系统，能够实时监测洗手人的洗手状态，并控制水龙头和洗手液滴出装置工作，实现手卫生的有效监督和管理。
如图2所示，本发明提供一种手卫生习惯监督系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：识别每一位洗手人面部图像，分别记录同一人一周的洗手状态，并获得对应洗手人的洗手状态矩阵
Figure BDA0002469580730000071
以及对应洗手人的洗手安全系数S＝f(A)，且S∈(0,1]；
其中，F为一天内的平均洗手次数，T为每次洗手的平均洗手时间，Nmin为洗完手后手上的最小菌落数，
Figure BDA0002469580730000072
为最小菌落数对应的洗手时间；
所述的对应洗手人的洗手安全系数S为：
Figure BDA0002469580730000073
式中，F0为一天内的标准平均洗手次数，Nmin,r为洗完手后手上的理想最小菌落数，
Figure BDA0002469580730000074
为理想最小菌落数对应的理想洗手时间。
步骤2：设定标准洗手时间T0，根据洗手安全系数校正所述标准洗手时间，获得对应洗手人的标准洗手时间Tp0，根据对应洗手人的标准洗手时间Tp0和洗手安全系数S确定对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0；
其中，所述对应洗手人的标准洗手时间为：
Figure BDA0002469580730000081
步骤3：当有人洗手时，识别洗手人面部图像，确定洗手人以及当前洗手时刻，并获取对应洗手人在当天且当前洗手时间之前的洗手状态，确定洗手人当前洗手时间：
Figure BDA0002469580730000082
式中，Tp为洗手人当前洗手时间，Fc为当天内当前洗手时刻tc之前的洗手次数，t0为当天内第一次洗手时刻；
其中，当有人洗手时，获取对应洗手人相邻上一周的洗手状态矩阵，并确定洗手人的洗手安全系数和标准洗手次数。
并且，在洗手之前还包括滴加洗手液，且洗手液的滴加时间为：
Figure BDA0002469580730000083
式中，Tw为洗手液的滴加时间。
在步骤2中，对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的确定如图3所示，控制器还包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：
步骤2.1、将对应洗手人的标准洗手时间Tp0、洗手安全系数S、对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0进行模糊处理；在无控制时，对应洗手人的标准洗手时间Tp0的模糊论域为[1,3]，其量化因子为10；对应洗手人的洗手安全系数S的模糊论域为(0,1]，定量化因子为1；输出对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的模糊论域为[1,3]，定量化因子为5，且Fp0为整数。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，模糊控制器中对应洗手人的标准洗手时间Tp0和洗手安全系数S分为7个等级；输出对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图4、5和6。其中所述模糊控制器的模糊控制规则为：
(1)对应洗手人的标准洗手时间Tp0一定，对应洗手人的洗手安全系数S增大，需要减小对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0；
(2)对应洗手人的洗手安全系数S一定，对应洗手人的标准洗手时间Tp0增大，需要减小对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一 对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的模糊控制表
Figure BDA0002469580730000091
模糊控制器的输入对应洗手人的标准洗手时间Tp0和洗手安全系数S，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0，对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0利用重心法解模糊化。
步骤2.2、模糊PID控制器
将对应洗手人第i个洗手过程对应的上一次洗手后的手上菌落数N和上一周确定的最小菌落数
Figure BDA0002469580730000092
的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理；在无控制时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为50；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为30；PID的比例系数Kp模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1。PID的比例积分系数Ki模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；PID的微分系数Kd模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图7-11。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大Kp，Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二 PID的比例系数Kp的模糊控制表
Figure BDA0002469580730000101
表三 PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
Figure BDA0002469580730000102
Figure BDA0002469580730000111
表四 PID的微分系数Kd的模糊控制表
Figure BDA0002469580730000112
输入对应洗手人第i个洗手过程对应的上一次洗手后的手上菌落数N和上一周确定的最小菌落数
Figure BDA0002469580730000113
的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0的误差补偿控制，其控制算式为：
Figure BDA0002469580730000114
Fp0(t)取整数，采用进一法获取。
经实验反复确定，模糊PID控制器对对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0进行精确控制，对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0为模糊控制器的输出洗手次数和PID控制器的洗手次数的误差补偿值的加和，以便精确控制对应洗手人一天内的标准洗手次数Fp0，进一步提高手卫生安全管理。
本发明设计开发的手卫生习惯监督系统的监督方法，能够实时监测洗手人的洗手状态，并调节洗手时间，实现手卫生的有效监督和管理。本发明还能根据洗手人上一周的洗手状态确定洗手安全系数，以便优化调节洗手时间，保持安全手卫生状态。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种手卫生习惯监督系统的监督方法，其特征在于，包括：
洗手台；以及
摄像头，其设置在所述洗手台上方，用于识别人脸图像；
电控水龙头，其设置在所述洗手台上，用于出水；
洗手液滴出装置，其设置在靠近所述电控水龙头的所述洗手台上，用于滴出洗手液；
控制器，其内置有数据存储器，且与所述摄像头、电控水龙头和洗手液滴出装置连接，用于接收所述摄像头的检测数据，并控制所述电控水龙头和洗手液滴出装置工作；
所述监督方法包括如下步骤：
步骤1：识别每一位洗手人面部图像，分别记录同一人一周的洗手状态，并获得对应洗手人的洗手状态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，以及对应洗手人的洗手安全系数
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为一天内的平均洗手次数，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为每次洗手的平均洗手时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为洗完手后手上的最小菌落数，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为最小菌落数对应的洗手时间；
所述对应洗手人的洗手安全系数
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为一天内的标准平均洗手次数，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为洗完手后手上的理想最小菌落数，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为理想最小菌落数对应的理想洗手时间；
步骤2：设定标准洗手时间
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，根据洗手安全系数校正所述标准洗手时间，获得对应洗手人的标准洗手时间
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，根据对应洗手人的标准洗手时间
Figure 510464DEST_PATH_IMAGE028
和洗手安全系数
Figure 365287DEST_PATH_IMAGE016
确定对应洗手人一天内的标准洗手次数
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，所述对应洗手人的标准洗手时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；
所述对应洗手人一天内的标准洗手次数
Figure 82708DEST_PATH_IMAGE030
的确定包括模糊控制器：
将对应洗手人的标准洗手时间
Figure 415600DEST_PATH_IMAGE028
、洗手安全系数
Figure 229972DEST_PATH_IMAGE016
输入模糊控制器，所述模糊控制器中对应洗手人的标准洗手时间
Figure 52435DEST_PATH_IMAGE028
、洗手安全系数
Figure 257151DEST_PATH_IMAGE016
分为7个等级；
模糊控制器输出对应洗手人一天内的标准洗手次数
Figure 393734DEST_PATH_IMAGE030
，输出分为7个等级；
所述对应洗手人的标准洗手时间
Figure 62613DEST_PATH_IMAGE028
的模糊论域为[1,3]，其量化因子为10；所述对应洗手人的洗手安全系数
Figure 55977DEST_PATH_IMAGE016
的模糊论域为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，定量化因子为1；输出对应洗手人一天内的标准洗手次数
Figure 747989DEST_PATH_IMAGE030
的模糊论域为[1,3]，定量化因子为5；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；
步骤3：当有人洗手时，识别洗手人面部图像，确定洗手人以及当前洗手时刻，并获取对应洗手人在当天且当前洗手时间之前的洗手状态，确定洗手人当前洗手时间：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为洗手人当前洗手时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为当天内当前洗手时刻
Figure DEST_PATH_IMAGE042
之前的洗手次数，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为当天内第一次洗手时刻；
其中，当有人洗手时，获取对应洗手人相邻上一周的洗手状态矩阵，并确定洗手人的洗手安全系数和标准洗手次数。
2.如权利要求1所述的手卫生习惯监督系统的监督方法，其特征在于，在所述步骤2中，还包括模糊PID控制器：
输入对应洗手人第
Figure DEST_PATH_IMAGE046
个洗手过程对应的上一次洗手后的手上菌落数
Figure DEST_PATH_IMAGE048
和上一周确定的最小菌落数
Figure DEST_PATH_IMAGE050
的偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE052
、偏差变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行对应洗手人一天内的标准洗手次数
Figure DEST_PATH_IMAGE056
的误差补偿控制。
3.如权利要求2所述的手卫生习惯监督系统的监督方法，其特征在于，
所述上一次洗手后的手上菌落数
Figure 193925DEST_PATH_IMAGE048
和上一周确定的最小菌落数
Figure 654993DEST_PATH_IMAGE014
的偏差
Figure 84837DEST_PATH_IMAGE052
的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为50；所述偏差变化率
Figure 264146DEST_PATH_IMAGE054
的模糊论域为[-1,1]，定量化因子为30；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001；
所述偏差
Figure 539269DEST_PATH_IMAGE052
和偏差变化率
Figure 182740DEST_PATH_IMAGE054
分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的手卫生习惯监督系统的监督方法，其特征在于，在所述步骤3中，在洗手之前还包括滴加洗手液，且所述洗手液的滴加时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE058
；
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为洗手液的滴加时间。
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