CN114926603A - 电厂数字孪生系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电厂数字孪生系统，包括：三维场景层，用于对电厂进行正向三维设计和逆向三维设计，以构建数字电厂；数字孪生实现层，用于对数字电厂进行三维元素提取，并建立三维元素与电厂标识系统编码的映射关系、对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，以及根据映射关系和逻辑关系对三维元素与电厂多源数据进行耦合，以构建数字孪生电厂；展示层，展示层与数字孪生实现层交互连接，展示层用于将数字孪生电厂进行渲染和展示。本发明采用正向三维设计和逆向三维设计结合构建数字电厂，不仅模型精准且可查询原始设计属性信息，且可以全面覆盖电厂中的各场景，采用三维元素映射及数据耦合机制，使数字孪生系统更加具有实用性。

Description

电厂数字孪生系统

技术领域

本发明涉及智能电厂技术领域，具体涉及一种电厂数字孪生系统。

背景技术

数字孪生技术的核心理念为建设数字世界，通过复制数字化模型，引导矫正真实世界的工艺、管理、技术的偏差。其基本构成为物理空间实体、虚拟空间的三维模型、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。

在智能电厂领域，构建基于数字孪生技术的三维虚拟工厂，并集成安全、管理、生产数据于一体的运维日益成为一种主流运维管理方式。显然，实现该方式的基础即是构建电厂数字孪生系统。目前，构建用于电厂运维应用的数字孪生系统主要采用以下方式：

采用3DMAX(三维建模渲染和制作软件)、MAYA(三维建模和动画软件)等三维建模软件，依据建筑及设备外观实现逆向建模。该方式难以实现精细及精准，且不能够实现电厂原始设计属性信息的查询(如管道材质、孔径等信息)。

将三维模型与满足电厂标识系统编码标准的编码建立映射关系，并以此为基础实现三维模型与电厂多源数据的耦合，这种方式对电厂主要设备、长期在用设备的映射是有效的。然而，电厂也存在虚拟测点、虚拟电子围栏等，需要虚拟测点、虚拟电子围栏对应的非实体编码，当需要对非实体编码在数字孪生系统中显示、操作及挂载数据时，通过实体三维模型与编码建立映射的方式不能满足需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提出一种电厂数字孪生系统。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的实施例提出了一种电厂数字孪生系统，包括：三维场景层，所述三维场景层用于对电厂进行正向三维设计和逆向三维设计，以构建数字电厂；数字孪生实现层，所述数字孪生实现层与所述三维场景层交互连接，所述数字孪生实现层用于对所述数字电厂进行三维元素提取，并建立所述三维元素与满足电厂标识系统编码标准的编码的映射关系、对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，以及根据所述映射关系和所述逻辑关系对所述三维元素与电厂多源数据进行耦合，以构建数字孪生电厂，其中，每个所述三维元素与唯一的编码建立映射，其中，所述三维元素包括数字电厂场景内所有的三维模型及三维空间元素，所述电厂多源数据包括：电厂SIS(Safety Instrument System，安全仪表系统)系统数据、MIS(Management Information System，管理信息系统)系统数据；展示层，所述展示层与所述数字孪生实现层交互连接，所述展示层用于将所述数字孪生电厂进行渲染和展示。

本发明上述提出的电厂数字孪生系统还可以具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述三维场景层包括：轻量化单元，所述轻量化单元用于对电厂的正向三维模型进行轻量化处理；属性提取单元，所述属性提取单元用于对所述电厂的正向三维模型的设计属性进行提取；属性耦合单元，所述属性耦合单元用于对轻量化处理后的正向三维模型与提取的设计属性在三维引擎内耦合；场景生成单元，所述场景生成单元用于将电厂的逆向三维模型与耦合后的电厂的正向三维模型按照位置关系整合，生成数字电厂三维场景。

根据本发明的一个实施例，所述三维场景层还包括：模型变更工具单元，所述模型变更工具单元用于提供逆向三维模型库以通过拖曳式增加逆向三维模型；工具化操作单元，所述工具化操作单元用于提供数字电厂三维场景的剖切、测量和动态添加标识功能。

根据本发明的一个实施例，所述数字孪生实现层包括：三维元素提取单元，所述三维元素提取单元用于对所述数字电厂进行三维元素提取，所每个所述三维元素均具有唯一ID(身份标识号)；

编码导入单，所述编码导入单元用于导入预置满足电厂标识系统编码标准的模型编码文件，并将模型编码文件中的编码与提取的三维元素建立映射关系；模型编码工具单元，所述模型编码工具单元用于对所述三维模型和所述三维空间元素进行编码配置；逻辑关系编辑单元，所述逻辑关系编辑单元用于对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，所述逻辑关系配置包括：配置三维元素间逻辑关系、配置三维元素需耦合的数据源、配置三维元素显示参数和配置三维元素动画参数；

三维元素耦合单元，所述三维元素耦合单元用于通过API(ApplicationProgramming Interface，应用程序编程接口)接口获取电厂多源数据，并将建立映射关系及配置过逻辑关系的三维元素与所述电厂多源数据进行耦合，并生成数字孪生电厂，其中，所述电厂多源数据能够通过编码索引。

根据本发明的一个实施例，所述数字孪生实现层还包括：区域定义规则单元，区域定义规则单元用于对提取的三维元素按电厂物理区域进行归属划分；业务划分规则单元，业务划分规则单元用于对提取的三维元素按电厂运维业务需求进行归属划分；原始设计划分规则单元，所述原始设计划分规则单元用于对所述三维元素单元提取的三维元素按正向三维模型设计时的卷册进行归属划分。

根据本发明的一个实施例，所述电厂多源数据还包括：电厂巡检系统数据、视频监控数据、门禁数据和周界安防数据中的至少一种或多种。

根据本发明的一个实施例，所述展示层包括：像素流渲染单元，所述像素流渲染单元用于根据所述数字孪生电厂推送像素流及交互操作信令；浏览端单元，所述浏览端单元用于接收所述像素流渲染单元推送的像素流及交互操作信令，以根据所述像素流及所述交互操作信令通过网络浏览器实现对数字孪生电厂的操作。

根据本发明的一个实施例，所述浏览端单元的数量与像素流渲染单元推送的像素流的数量相等。

根据本发明的一个实施例，所述三维空间元素为立体网格，且所述立体网格能够无限量划分。

本发明的有益效果：

本发明采用正向三维设计和逆向三维设计结合构建数字电厂，不仅模型精准且可查询原始设计属性信息，且可以全面覆盖电厂中的各场景，采用三维元素映射及数据耦合机制，使数字孪生系统更加具有实用性，通过正向三维模型轻量化及服务端像素流渲染，能够使电厂数字孪生系统加载流畅及使用简便。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的电厂数字孪生系统的方框示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的电厂数字孪生系统的方框示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明一个实施例的电厂数字孪生系统的方框示意图。如图1所示，该电厂数字孪生系统包括：三维场景层1、数字孪生实现层2和展示层3。

其中，三维场景层1用于对电厂进行正向三维设计和逆向三维设计，以构建数字电厂；数字孪生实现层2与三维场景层1交互连接，数字孪生实现层2用于对数字电厂进行三维元素提取，并建立三维元素与满足电厂标识系统编码标准的编码的映射关系、对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，以及根据映射关系和逻辑关系对三维元素与电厂多源数据进行耦合，以构建数字孪生电厂，其中，每个三维元素与唯一的电厂标识系统编码建立映射，其中，三维元素包括数字电厂场景内所有的三维模型及三维空间元素，电厂多源数据包括：电厂SIS系统数据、MIS系统数据；展示层3与数字孪生实现层2交互连接，展示层3用于将数字孪生电厂进行渲染和展示。

进一步地，电厂多源数据还可以包括：电厂巡检系统数据、视频监控数据、门禁数据和周界安防数据中的至少一种或多种。

具体地，正向三维模型即为应用三维数字化设计软件设计的用于施工用的三维模型，典型设计软件有REVIT(软件名称)、INTERGRAPH(软件名称)、PDMS(软件名称)等，正向三维模型精确到零件级，且每个零件均具有材料属性、结构参数等设计属性信息。逆向三维模型为通过激光扫描、无人机拍照及与设计图纸结合等方式对建筑、设备进行素材采集，再应用3DMAX、MAYA等三维建模软件设计的三维模型，无论做到何种精细度，模型本身均不具备材料属性、结构参数等设计属性信息。

三维场景层1可以通过正向三维模型对电厂的建筑物、设备等进行正向三维设计，对地形、绿植、道路等通过逆向三维模型进行逆向三维设计，以构建数字电厂。数字孪生实现层2将数字电厂内的三维元素按规则与电厂标识系统编码进行映射，并在映射后配置三维元素的逻辑关系及与电厂多源数据进行耦合，构建数字孪生电厂。展示层3将数字孪生电厂通过服务端像素流渲染方式推送到多个浏览端，浏览端通过网络浏览器实现对数字孪生电厂的操作。由此，采用正向三维设计和逆向三维设计结合构建数字电厂，不仅模型精准且可查询原始设计属性信息，且可以全面覆盖电厂中的各场景，采用三维元素映射及数据耦合机制，使数字孪生系统更加具有实用性。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，三维场景层具体包括：轻量化单元11、属性提取单元12、属性耦合单元13和场景生成单元14。

其中，轻量化单元11用于对电厂的正向三维模型进行轻量化处理；属性提取单元12用于对电厂的正向三维模型的设计属性进行提取；属性耦合单元13用于对轻量化处理后的正向三维模型与提取的设计属性在三维引擎内耦合；场景生成单元14用于将电厂的逆向三维模型与耦合后的电厂的正向三维模型按照位置关系整合，生成数字电厂三维场景。

具体地，轻量化单元11采用按模型精细度分级加载、遮挡剔除显示、代码重构有规则的正向三维模型(如：管道模型)等方式实现电厂正向三维模型的轻量化处理，避免后续出现卡顿现象。属性提取单元12对电厂的正向三维模型设计属性进行提取。属性耦合单元13将经轻量化单元11轻量化处理后的正向三维模型与属性提取单元12提取的正向三维模型的设计属性进三维引擎内耦合，使轻量化后的正向三维模型能够查询原始设计属性。场景生成单元14可以将地形、绿植、道路等逆向三维模型与耦合完毕的电厂的正向三维模型按照位置关系整合，生成数字电厂三维场景。

进一步地，根据本发明的一个实施例，如图2所示，三维场景层1还可以包括：模型变更工具单元15和工具化操作单元16。模型变更工具单元15用于提供逆向三维模型库以通过拖曳式增加逆向三维模型；工具化操作单元16用于提供数字电厂三维场景的剖切、测量和动态添加标识功能。

具体地，模型变更工具单元15可以满足数字电厂三维场景调整的需求，模型变更工具单元15可以提供逆向三维模型库供三维场景拖曳式增加逆向三维模型。工具化操作单元16可以满足数字电厂三维场景工具化操作需求，工具化操作单元16可以提供数字电厂三维场景的剖切、测量和动态添加标识等功能。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，数字孪生实现层2可以包括：三维元素提取单元21、编码导入单元22、模型编码工具单元23、逻辑关系编辑单元24和三维元素耦合单元25。

其中，三维元素提取单元21用于对数字电厂进行三维元素提取，所每个三维元素均具有唯一ID；编码导入单元22用于导入预置满足电厂标识系统编码标准的模型编码文件，并将模型编码文件中的编码与提取的三维元素建立映射关系；模型编码工具单元23用于对三维模型和三维空间元素进行编码配置；逻辑关系编辑单元24用于对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，逻辑关系配置包括：配置三维元素间逻辑关系、配置三维元素需耦合的数据源、配置三维元素显示参数和配置三维元素动画参数；三维元素耦合单元25用于通过API接口获取电厂多源数据，并将建立映射关系及配置过逻辑关系的三维元素与电厂多源数据进行耦合，并生成数字孪生电厂，其中，电厂多源数据能够通过电厂标识系统编码索引。

进一步地，三维空间元素为立体网格，且立体网格能够无限量划分。

具体地，三维元素提取单元21可以实现对数字电厂中可建立映射的三维元素进行提取，包括数字电厂中场景内所有三维模型及三维空间元素。为使提取的三维元素便于映射，每个三维元素均具有唯一ID。编码导入单22可以实现将预置满足电厂标识系统编码标准的模型编码文件导入到三维场景中，并将模型编码文件中的各编码与提取的三维元素建立映射关系，使被映射的三维元素具有唯一编码。模型编码工具单元23可以实现三维元素自定义配置编码功能，除实体编码外，还可以是虚拟测点编码、虚拟电子围栏等非实体编码。逻辑关系编辑单元24于对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，以满足电厂具体运维需求。三维元素耦合单元25可以通过API接口通过编码索引电厂多源数据，实现建立映射关系及配置过逻辑关系的三维元素与电厂多源数据进行耦合，并生成数字孪生电厂，即电厂三维场景。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，数字孪生实现层2还可以包括：区域定义规则单元26、业务划分规则单元27和原始设计划分规则单元28。其中，区域定义规则单元26用于对提取的三维元素按电厂物理区域进行归属划分；业务划分规则单元27用于对提取的三维元素按电厂运维业务需求进行归属划分；原始设计划分规则单元28用于对三维元素单元提取的三维元素按正向三维模型设计时的卷册进行归属划分。

根据本发明的一个实施例，如图2所示，展示层3还包括：像素流渲染单元31和浏览端单元32。其中，像素流渲染单元31用于根据数字孪生电厂推送像素流及交互操作信令；浏览端单元32用于接收像素流渲染单元推送的像素流及交互操作信令，以根据像素流及交互操作信令通过网络浏览器实现对数字孪生电厂的操作。

浏览端单元32的数量与像素流渲染单元31推送的像素流的数量相等，即一对一接收及交互操作信令。

具体地，通过前述的正向三维模型轻量化及像素流渲染单元的像素流渲染功能，能够使电厂数字孪生系统加载流畅及使用简便，即使三维模型数量庞大，数字孪生系统在运维应用时也不会出现三维场景加载缓慢、操作卡顿问题，也不存在浏览端对主机设备硬件配置有要求而造成使用不够简易的问题。

综上所述，根据本发明实施例的电厂数字孪生系统，采用正向三维设计和逆向三维设计结合构建数字电厂，不仅模型精准且可查询原始设计属性信息，且可以全面覆盖电厂中的各场景，采用三维元素映射及数据耦合机制，使数字孪生系统更加具有实用性，通过正向三维模型轻量化及服务端像素流渲染，能够使电厂数字孪生系统加载流畅及使用简便。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，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模块中，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模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种电厂数字孪生系统，其特征在于，包括：

三维场景层，所述三维场景层用于对电厂进行正向三维设计和逆向三维设计，以构建数字电厂；

数字孪生实现层，所述数字孪生实现层与所述三维场景层交互连接，所述数字孪生实现层用于对所述数字电厂进行三维元素提取，并建立所述三维元素与电厂标识系统编码的映射关系、对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，以及根据所述映射关系和所述逻辑关系对所述三维元素与电厂多源数据进行耦合，以构建数字孪生电厂，其中，每个所述三维元素与唯一的电厂标识系统编码建立映射，其中，所述三维元素包括数字电厂场景内所有的三维模型及三维空间元素，所述电厂多源数据包括：电厂SIS系统数据、MIS系统数据；

展示层，所述展示层与所述数字孪生实现层交互连接，所述展示层用于将所述数字孪生电厂进行渲染和展示。

2.根据权利要求1所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述三维场景层包括：

轻量化单元，所述轻量化单元用于对电厂的正向三维模型进行轻量化处理；

属性提取单元，所述属性提取单元用于对所述电厂的正向三维模型的设计属性进行提取；

属性耦合单元，所述属性耦合单元用于对轻量化处理后的正向三维模型与提取的设计属性在三维引擎内耦合；

场景生成单元，所述场景生成单元用于将电厂的逆向三维模型与耦合后的电厂的正向三维模型按照位置关系整合，生成数字电厂三维场景。

3.根据权利要求2所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述三维场景层还包括：

模型变更工具单元，所述模型变更工具单元用于提供逆向三维模型库以通过拖曳式增加逆向三维模型；

工具化操作单元，所述工具化操作单元用于提供数字电厂三维场景的剖切、测量和动态添加标识功能。

4.根据权利要求1所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生实现层包括：

三维元素提取单元，所述三维元素提取单元用于对所述数字电厂进行三维元素提取，所每个所述三维元素均具有唯一ID；

编码导入单，所述编码导入单元用于导入预置满足电厂标识系统编码标准的模型编码文件，并将模型编码文件中的编码与提取的三维元素建立映射关系；

模型编码工具单元，所述模型编码工具单元用于对所述三维模型和所述三维空间元素进行编码配置；

逻辑关系编辑单元，所述逻辑关系编辑单元用于对建立映射关系的三维元素进行逻辑关系配置，所述逻辑关系配置包括：配置三维元素间逻辑关系、配置三维元素需耦合的数据源、配置三维元素显示参数和配置三维元素动画参数；

三维元素耦合单元，所述三维元素耦合单元用于通过API接口获取电厂多源数据，并将建立映射关系及配置过逻辑关系的三维元素与所述电厂多源数据进行耦合，并生成数字孪生电厂，其中，所述电厂多源数据能够通过电厂标识系统编码索引。

5.根据权利要求4所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生实现层还包括：

区域定义规则单元，区域定义规则单元用于对提取的三维元素按电厂物理区域进行归属划分；

业务划分规则单元，业务划分规则单元用于对提取的三维元素按电厂运维业务需求进行归属划分；

原始设计划分规则单元，所述原始设计划分规则单元用于对所述三维元素单元提取的三维元素按正向三维模型设计时的卷册进行归属划分。

6.根据权利要求1所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述电厂多源数据还包括：电厂巡检系统数据、视频监控数据、门禁数据和周界安防数据中的至少一种或多种。

7.根据权利要求1所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述展示层包括：

像素流渲染单元，所述像素流渲染单元用于根据所述数字孪生电厂推送像素流及交互操作信令；

浏览端单元，所述浏览端单元用于接收所述像素流渲染单元推送的像素流及交互操作信令，以根据所述像素流及所述交互操作信令通过网络浏览器实现对数字孪生电厂的操作。

8.根据权利要求7所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述浏览端单元的数量与像素流渲染单元推送的像素流的数量相等。

9.根据权利要求1所述的电厂数字孪生系统，其特征在于，所述三维空间元素为立体网格，且所述立体网格能够无限量划分。

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