DE2547081A1 - Electric rail overhead wire photo:electric sensors - measures height and lateral position relative to rail and are independent of vehicle oscillations - Google Patents

Electric rail overhead wire photo:electric sensors - measures height and lateral position relative to rail and are independent of vehicle oscillations

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DE2547081A1 DE19752547081 DE2547081A DE2547081A1 DE 2547081 A1 DE2547081 A1 DE 2547081A1 DE 19752547081 DE19752547081 DE 19752547081 DE 2547081 A DE2547081 A DE 2547081A DE 2547081 A1 DE2547081 A1 DE 2547081A1
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Abstract

In an electrical rail traction system with overhead wires, two photoelectric sensors are mounted on a base on the vehicle roof at a fixed distance from each other. They view the wire at different angles, and a signal processing unit derives from their signals the contact wire height and lateral position. Position deviation of the measurement base (2) on the vehicle (1) w.r.t. the rail top edge (4) is measured by sensors, so that the effect of the vehicle oscillations on the wire position is eliminated. The sensors are arranged to pick-up oscillations on the roll, pitch and yaw axes of the vehicle.

Description

Einrichtung zur berührungslosen Messung der Höhe undDevice for non-contact measurement of height and

Seitenlage des Fahrdrahtes bei elektrischen Bahnen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes über der Schienenoberkante bei elektrischen Bahnen mit Hilfe von fotoelektrischen Sensoren, bei der an einem Distanzstück als Meßbasis auf dem Wagendach eines Schienenfahrzeugs, in einer festen Entfernung voneinander, zwei fotoelektrische Sensoren so angeordnet sind, daß sie den Fahrdraht unter bestimmten Winkeln erfassen und aus ihren Signalen mittels einer elektronischen Meßwertverarbeitungseinheit Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes rechnerisch bestimmt wird, nach Patent .. .. ... (Patentanmeldung P 24 40 085.9).Lateral position of the contact wire in electric railways The invention relates on a device for non-contact measurement of the height and lateral position of the Contact wire over the upper edge of the rail on electric railways with the help of photoelectric Sensors that use a spacer as a measurement base on the roof of a rail vehicle, at a fixed distance from each other, two photoelectric sensors so arranged are that they detect the contact wire at certain angles and from their signals by means of an electronic data processing unit, the height and lateral position of the Contact wire is determined by calculation, according to patent .. .. ... (patent application P 24 40 085.9).

Es wird dabei von einem schwingungsarmen Meßwagen ausgegangen, wie er nach heutigen Erkenntnissen gebaut werden kann. Da die Meßeinrichtung sich auf dem Wagendach befindet, die Messung jedoch auf die Schienenoberkante umgerechnet wird, gehen die Wagenschwingungen in das Meßergebnis mit ein. Sie dürfen bei vorgegebener Meßgenauigkeit bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, was durch Schwingungsmessung am Wagen festgestellt werden muß.It is assumed that there is a low-vibration measuring carriage, such as it can be built according to today's knowledge. Since the measuring device is on on the roof of the car, but the measurement is converted to the upper edge of the rail the car vibrations are included in the measurement result. You are allowed at a given Measurement accuracy do not exceed certain limit values, which is due to vibration measurement must be determined on the car.

Aufgabe der Erfindung ist es, einmal Einrichtungen der eingangs genannten optischen Art für noch genauere Messungen geeignet bzw. darüber hinaus den Einsatz auch bei stärker schwingungsbehafteten Fahrzeugen überhaupt möglich zu machen.The object of the invention is to provide devices of the type mentioned at the beginning optical type suitable for even more precise measurements or, in addition, use to make this possible even in vehicles that are more subject to vibrations.

Das geschieht nach der Erfindung dadurch, daß die Lageabweichung der Meßbasis auf dem Schienenfahrzeug, bezogen auf die Schienenoberkante, mittels Sensoren erfaßt und mit diesen Daten eine rechnerische Entkoppelung der Meßergebnisse über Höhen- und Seitenlage des Fahrdrahtes von den Eigenschwingungen des Fahrzeuges erfolgt.This is done according to the invention in that the positional deviation of the Measurement base on the rail vehicle, based on the upper edge of the rail, by means of sensors detected and with this data a computational decoupling of the measurement results Elevation and lateral position of the contact wire takes place from the natural vibrations of the vehicle.

Es ist denkbar, durch kardanische Aufhängung der Meßbasis diese mechanisch vom Fahrzeug zu entkoppeln.It is conceivable that the measuring base can be mechanically suspended by means of a cardanic suspension to be decoupled from the vehicle.

Solche Aufhängungen geben jedoch Stöße sowie Höhen-und Seitenbewegungen des Fahrzegs weiter. Sie können nur punktförmig wirken (Mittelpunktaufhängung nötig) und sind für die vorliegende Anwendung, bei der die Meßbasis als stationär angenommen werden muß, nicht brauchbar.However, such suspensions give shocks and vertical and lateral movements of the vehicle. They can only have a point-like effect (center suspension necessary) and are for the present application in which the measuring base is assumed to be stationary must be, not usable.

In Ausgestaltung der Erfindung sind Lageabweichungen der Meßbasis von den Sensoren durch Messung der Schwenkbewegungen des Fahrzeugs um seine drei fiktiven Drehachsen X, Y, Z (für Rollen, Nicken und Gieren) erfaßbar. Dabei bedeutet Rollen = Drehbewegung um die Längs- oder Fortbewegungs- oder X-Achse, Nicken = Drehbewegung um die Quer- oder Y-Achse, Gieren = Drehbewegung um die Hoch- oder Z-Achse.In an embodiment of the invention, there are positional deviations of the measuring base from the sensors by measuring the pivoting movements of the vehicle around its three fictitious axes of rotation X, Y, Z (for roll, pitch and yaw) can be recorded. Thereby means Rolling = turning movement around the longitudinal or locomotion or X-axis, nodding = turning movement around the transverse or Y-axis, yaw = rotary movement around the vertical or Z-axis.

Zu einer besonders vorteilhaften Lösung kommt man, wenn durch besondere Anordnung der Meßbasis auf dem Fahrzeug die Schwenkbewegungen um die Y- und Z-Achse (für Nicken und Gieren) vernachlässigbar werden, und die Lage der Meßbasis ausschließlich aus der Rollbewegung des Fahrzeuges um die X-Achse bestimmbar wird. Das kann durch Anordnung der Meßbasis in der Mitte und quersymmetrisch zur Fahrzeuglängsachse erreicht werden.A particularly advantageous solution is achieved when through special Arrangement of the measuring base on the vehicle, the pivoting movements around the Y and Z axes (for pitch and yaw) are negligible, and the position of the measuring base exclusively can be determined from the rolling movement of the vehicle around the X-axis. That can go through Arranged the measuring base in the middle and transversely symmetrical to the vehicle's longitudinal axis will.

Die Rollbewegungen müssen berücksichtigt werden, weil zur Messung der Fahrdrahtgrößen die gesamte Wagenbreite, über die sich die Meßbasis erstreckt, gebraucht wird und dadurch auch die an den Enden befindlichen Fotosensoren (auch Lasersensoren sind denkbar), größeren Hubschwankungen unterworfen werden, die die Messung verfälschen.The rolling movements must be taken into account because for measurement of the contact wire sizes the entire width of the wagon over which the measuring base extends, is needed and thus also the photo sensors at the ends (also Laser sensors are conceivable), larger stroke fluctuations are subject to the Falsify measurement.

Als Sensoren sind zweckmäßig induktive Wegmeßeinrichtungen vorgesehen, über die der Rollwinkel P und die Rollachslage bestimmbar ist. Diese werden vorteilhaft seitlich versetzt, vorzugsweise symmetrisch zur Rollachse unterhalb des Wagenkastens angebracht und messen dort die jeweiligen Höhenanderungen des Wagenkastens entweder direkt zur Schienenoberkante oder indirekt über die Höhenänderungen zur Radachse.Inductive distance measuring devices are expediently provided as sensors, via which the roll angle P and the roll axis position can be determined. These become beneficial laterally offset, preferably symmetrically to the roll axis below the car body attached and measure the respective changes in height of the car body either directly to the upper edge of the rail or indirectly via the changes in height to the wheel axle.

Bei der indirekten Messung wird von nicht springenden Radachsen ausgegangen. Aus den Meß- und festliegenden Daten der Sensorabstände zur Längsachse sind der Rollwinkel und die Rollachsenlage rechnerisch bestimmbar.The indirect measurement is based on non-jumping wheel axles. From the measurement and fixed data of the sensor distances to the longitudinal axis are the Roll angle and the roll axis position can be determined by calculation.

Vorteilhaft lassen sich als Sensoren für die Rollbewegung auch Beschleunigungsmesser mit nachgeschalteter zweifacher Integration der Meßwerte über der Zeit vorsehen. Die Integration der Meßwerte kann dabei in bekannter Weise mit elektronischen Bauelementen durchgeführt werden, die der Meßwertverarbeitungseinheit vorgeschaltet oder zugeordnet sind.Accelerometers can also advantageously be used as sensors for the rolling movement provide with subsequent double integration of the measured values over time. The integration of the measured values can be done in a known manner with electronic components are carried out, which are connected upstream or assigned to the measured value processing unit are.

Bei einem balkenförmigen Distanzstück als Meßbasis sind zwei solcher Sensoren nötig, jeweils einer an jedem Ende.With a bar-shaped spacer as a measuring base there are two such Sensors required, one at each end.

Noch einfacher gestaltet sich die Erfassung der Rollbewegung, die um eine fiktive Achse X erfolgt, wenn der Ort dieser bestimmbaren Achse zugänglich ist. Wenn man davon ausgeht, daß die Meßbasis auf dem Fahrzeug so montiert ist, daß Nickbewegungen nicht stören, bei zweiachsigen Fahrzeugen zum Beispiel in der Mitte, dann kann als Sensor ein Drehpotentiometer dienen, das die Schwenkbewegung um die fiktive Fahrzeugrollachse direkt mißt, wobei die Potentiometerachse mit Elementen der fiktiven Fahrzeugrollachse und das Gehäuse mit quasi ortsfesten Elementen verbunden ist. Gierbewegungen sind praktlsch nedeutend und im vorliegenden Fall der Mittenanordnung des Sensors dort ebenfalls am geringsten. Der Winkel der Drehbewegung ist durch das Drehpotentiometer dann elektrisch als Spannung abbildbar, man braucht keine weiteren Meßwerte mehr.The detection of the rolling movement is even easier takes place around a fictitious axis X if the location of this determinable axis is accessible is. Assuming that the measuring base is mounted on the vehicle, that nodding movements do not interfere, for example in the case of two-axle vehicles Middle, then a rotary potentiometer can serve as a sensor, which controls the swivel movement measures directly around the fictitious vehicle roll axis, the potentiometer axis with elements the fictitious vehicle roll axis and the housing are connected with quasi-stationary elements is. Yaw movements are practically meaningful and in the present case the central arrangement of the sensor is also lowest there. The angle of rotation is through the rotary potentiometer can then be mapped electrically as a voltage, you don't need any more measured values.

In Fällen, wo die fiktive Achse X nicht zugänglich ist, das heißt ein paralleler Versatz in Kauf genommen werden muß, kann das Potentiometer an einen zugänglicheren Ort verlegt werden, und der auftretende Fehler als Korrekturwert der Meßwertverarbeitungseinheit mit eingegeben werden. Benutzt man nach einem weiteren Gedanken ein digital, vorzugsweise ein in Gray-Code codiertes Winkelpotentiometer, dann kann der Rollwinkel P fehlersicher elektrisch direkt angegeben werden.In cases where the fictitious X axis is not accessible, that is a parallel offset has to be accepted, the potentiometer can be connected to a more accessible place, and the error that occurs as a correction value of the measured value processing unit can also be entered. If you use it after another Thought a digital, preferably a gray-coded angle potentiometer, then the roll angle P can be specified electrically directly in a fail-safe manner.

Die Meßwertverarbeitungseinheit ist zweckmäßig ein digitaler Prozeßrechner, der die Berechnung in Echtzeit während der Fahrt durchführen kann. Dabei sollten die Ergebnisse der Rechnung zur weiteren Verarbeitung und sp;iteren Auswertung auf ein Speichermedium aufgezeichnet werden, das auch den jeweiligen Ort der Messung reproduzierbar angibt. Die Meßdaten können jedoch auch zur späteren off-line Verarbeitung direkt auf ein Speichermedium aufgezeichnet werden.The measured value processing unit is expediently a digital one Process computer, who can perform the calculation in real time while driving. Doing so should the results of the calculation for further processing and subsequent evaluation a storage medium can be recorded, which also contains the respective location of the measurement reproducible. However, the measurement data can also be used for later off-line processing can be recorded directly on a storage medium.

Falls die fiktive Rollachse X am Drehpotentiometer merkliche Bewegungen in Z-Richtung, also nach oben oder unten durch Springen des Wagenkastens ausfiihrt, was eine Änderung des Rollwinkels r ergeben würde, wird dort bzw. dicht unterhalb zweckmäßig die Beschleunigung gemessen. Es ist dann sinnvoll, dort an der Stelle, wo die fiktive Fahrzeugrollachse X die durch die Meßbasis gelegte Querschnittsebene durchdringt, einen Beschleunigungsmesser anzuordnen, der durch doppelte Integration der Meßwerte über der Zeit die angenommene Höhe der X-Achse und damit die Meßgröße des Rollwinkels / korrigiert. Dies entfällt bei direkter induktiver Wegmessung, wie vorher beschrieben.If the fictitious roll axis X on the rotary potentiometer shows noticeable movements executes in the Z-direction, i.e. up or down by jumping the car body, what a change in the roll angle r would result is there or just below expediently measured the acceleration. It then makes sense to go there at the point where the fictitious vehicle roll axis X is the cross-sectional plane laid through the measuring base permeates to arrange an accelerometer by double integration of the measured values over time, the assumed height of the X-axis and thus the measured variable of the roll angle / corrected. This does not apply to direct inductive displacement measurement, as previously described.

An Hand einer schematischen Zeichnung wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert: Die Figur zeigt den Umrin eines Schienenfahrzeugs 1, auf dessen Dach eine Meßbasis 2 angebracht ist, die mit ihren fotoelektrischen Sensoren 3 an den Enden die Seitenlageabweichung 5M eines Fahrdrahtes 5 und seinen Abstand hM zum Dach messen soll, woraus dann die Höhe hG zur Schienenoberkante 4 ermittelt wird.On the basis of a schematic drawing, the invention is described below explained in more detail: The figure shows the circumference of a rail vehicle 1 on which Roof a measuring base 2 is attached, which with their photoelectric sensors 3 on the ends of the lateral position deviation 5M of a contact wire 5 and its distance hM to measure to the roof, from which the height hG to the upper edge of the rail 4 is determined.

Wie ersichtlich, ist das Fahrzeug in einer Schräglage dargestellt, wie sie sich aus einer Rollbewegung um eine angedeutete, mit X bezeichnete fiktive Rollachse ergibt. Der Roll- oder Schwenkwinkel ist mit W angegeben. Die Sensoren messen in der dargestellten Lage die Grö9en hM und sM. Größen, die gegenüber den wahren Werten verfälscht sind und auf diese durch die Meßgröße Rollwinkel # zurückgeführt werden müssen. Diese Meßgröße wird durch ein entlang der Rollachse X placiertes Drehwinkelpotentiometer gewonnen. Die Korrektur ergibt sich schliFßlich nach den Formeln hG = hx + (hF + hM) . cos / + sin s = - (hF + hM) . sin # + 5M .As can be seen, the vehicle is shown in an inclined position, as it results from a rolling movement around a fictitious one indicated by an X. Roll axis results. The roll or swivel angle is indicated by W. The sensors measure the sizes hM and sM in the position shown. Sizes that are opposite the true values are falsified and traced back to these by the measured variable roll angle # Need to become. This measured variable is placed along the roll axis X by a Rotation angle potentiometer won. The correction is finally made after the Formulas hG = hx + (hF + hM). cos / + sin s = - (hF + hM). sin # + 5M.

Die Höhe der Rollachse X, von der Schienenoberkante gemessen, und mit hx bezeichnet, variiert im Fall von Bewegungen des Wagenkastens in der Z-Achse. Bei wesentlichen Bewegungen muß sie gemessen werden. Aus Beschleunigungsmessungen ergibt sich: In den genannten Formeln stellen dar: hG = Fahrdrahthöhe von der Schienenoberkante gemessen.The height of the roll axis X, measured from the upper edge of the rail, and denoted by hx, varies in the case of movements of the car body in the Z axis. It must be measured when there are significant movements. The following results from acceleration measurements: The formulas mentioned represent: hG = contact wire height measured from the top of the rail.

hM = Fahrdrahthöhe vom Wagendach gemessen, hF = Höhe zwischen Wagendach und Rollachse X, hX = Höhe der Rollachse X von der Schienenoberkante aus gemessen, b7 = Beschleunigung in Richtung der zO-Achse, cc = Integrationsvariable. hM = contact wire height measured from the car roof, hF = height between the car roof and roll axis X, hX = height of roll axis X measured from the top edge of the rail, b7 = acceleration in the direction of the zO axis, cc = integration variable.

7 Seiten Beschreibung 12 Patentansprüche 1 Bl. Zeichnungen Leerseite 7 pages description 12 claims 1 sheet. Drawings Blank page

Claims (12)

P a t' e n t a n s p r ü c h e : Einrichtung zur berührungslosen Messung der Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes über der Schienenoberkante bei elektrischen Bahnen mit Hilfe von fotoelektrischen Sensoren, bei der an einem Distanzstück als Meßbasis auf dem Wagendach eines Schienenfahrzeuges, in einer festen Entfernung voneinander, zwei fotoelektrische Sensoren so angeordnet sind, daß sie den Fahrdraht unter bestimmten Winkeln erfassen und aus ihren Signalen mittels einer elektronischen Meßwertverarbeitungseinheit Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes rechnerisch bestimmt wird, nach Patent .. .. .. (Patentanmeldung P 24 40 085.9), dadurch gekennzeichnet, daß die Lageabweichung der Meßbasis (2) auf dem Schienenfahrzeug (1), bezogen auf die Schienenoberkante (4), mittels Sensoren erfaßt und mit diesen Daten eine rechnerische Entkoppelung der Meßergebnisse über Höhen- und Seitenlage des Fahrdrahtes (5) von den Eigenschwingungen des Fahrzeuges (1) erfolgt. P a t 'e n t a n s p r ü c h e: Device for contactless Measurement of the height and lateral position of the contact wire above the top edge of the rail for electrical Tracks with the help of photoelectric sensors, in which on a spacer as Measurement base on the roof of a rail vehicle, at a fixed distance from each other, two photoelectric sensors are arranged so that they reach the contact wire at certain angles and from their signals by means of an electronic Measured value processing unit Height and lateral position of the contact wire determined by calculation is, according to patent .. .. .. (patent application P 24 40 085.9), characterized that the positional deviation of the measuring base (2) on the rail vehicle (1), based on the upper edge of the rail (4), detected by means of sensors and with this data a computational Decoupling of the measurement results on the height and lateral position of the contact wire (5) from the natural vibrations of the vehicle (1) takes place. 2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lageabweichungen der Meßbasis (2) von den Sensoren durch Messung der Schwenkbewegungen des Fahrzeugs (1) um seine drei fiktiven Drehachsen X, Y, Z (für Rollen, Nicken und Gieren) erfaßbar sind. 2.) Device according to claim 1, characterized in that positional deviations the measuring base (2) by the sensors Measurement of the swivel movements of the vehicle (1) around its three fictitious axes of rotation X, Y, Z (for rolling, pitching and yaw) are detectable. 3.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch wenn zeichnet, daß durch besondere Anordnung ner Meßbasis (2) auf dem Fahrzeug (1) die Schwenkbewegungen um die Y- und Z-Achse (für Nicken und Gieren) vernachlässigbar sind, und die Lage der Meßbasis (2) ausschließlich aus der Rollbewegung des Fahrzeugs um die X-Achse bestimmbar ist.3.) Device according to claim 1 or 2, characterized when characterized in that by special arrangement ner measuring base (2) on the vehicle (1) the pivoting movements around the Y and Z axes (for pitch and yaw) are negligible, and the location the measuring base (2) exclusively from the rolling movement of the vehicle around the X-axis is determinable. 4.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbasis (2) in der Mitte und quersymmetrisch zur Fahrzeuglängsachse angeordnet ist.4.) Device according to claim 3, characterized in that the measuring base (2) is arranged in the middle and transversely symmetrical to the longitudinal axis of the vehicle. 5.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren induktive Wegmeßeinrichtungen vorgesehen sind, über die der Rollwinkel / und die Rollachslage bestimmbar ist.5.) Device according to claims 3 and 4, characterized in that that inductive displacement measuring devices are provided as sensors, via which the roll angle / and the roll axis position can be determined. 6.) Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei induktive Wegmeßeinrichtungen versetzt, vorzugsweise symmetrisch zur Rollachse unterhalb des Wagenkastens angebracht sind.6.) Device according to claim 5, characterized in that two inductive displacement measuring devices offset, preferably symmetrically to the roll axis below of the car body are attached. 7.) Einrichtung nach den Ansprechen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren Beschleunigungsmesser mit nachgeschalteter zweifacher Integration der Meßwerte über der Zeit vorgesehen sind. 7.) Device according to response 3 and 4, characterized in that that as sensors accelerometers with downstream double integration the measured values are provided over time. 8.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3, 4, 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesser an den seitlichen Enden der Meßbasis (2) angebracht sind.8.) Device according to claims 3, 4, 7, characterized in that that the accelerometer is attached to the lateral ends of the measuring base (2) are. 9.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Drehpotentiometer dient, das die Schwenkbewegung um die fiktive Fahrzeugrollachse (X) direkt mißt, wobei die Potentiometerachse mit Elementen der fiktiven Fahrzeugrollachse (X) und das Gehäuse mit quasi ortsfesten Elementen verbunden ist.9.) Device according to claim 3, characterized in that as a sensor a rotary potentiometer is used to swivel around the fictitious rolling axis of the vehicle (X) measures directly, the potentiometer axis with elements of the fictitious vehicle roll axis (X) and the housing is connected to quasi-stationary elements. 10.) Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallelem Versatz zwischen Potentiometer- und fiktiver Fahrzeugrollachse (X) ein Fehlerkorrekturwert mit eingerechnet wird.10.) Device according to claim 9, characterized in that at parallel offset between potentiometer and fictitious vehicle roll axis (X) Error correction value is included. 11.) Einrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein digital, vorzugsweise in Gray-Code codiertes Winkelpotentiometer Verwendung findet.11.) Device according to claims 9 and 10, characterized in that that a digital, preferably encoded in Gray code angle potentiometer use finds. 12.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle, wo die fiktive Fahrzeugrollachse (X), die durch die Meßbasis (2) gelegte Querschnittsebene durchdringt, ein Beschleunigungsmesser angeordnet ist, der durch doppelte Integration der Meßwerte über der Zeit die angenommene Höhe der X-Achse und damit die Meßgröße des Rollwinkels korrigiert.12.) Device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at the point where the fictitious vehicle roll axis (X) passing through the measuring base (2) passes through the cross-sectional plane, an accelerometer is arranged, the assumed by double integration of the measured values over time Corrected the height of the X-axis and thus the measured variable of the roll angle.
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