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doc_id: doc-city-drainage-80ghz-radar-selection
doc_type: presales_selection_guide
category: qa_article
title: 城市排水管网关键节点水位监测技术选型指南（含集成与验收附录）
industry:
- 城市排水
- 市政基础设施
- 工业物联网
measurement:
- 微波雷达
- 超声波
- 静压式
- 导波雷达
- 液位/水位测量
tags:
- 城市排水
- 市政基础设施
- 微波雷达
- 传感器
- 技术问答
updated_at: 2025-03-15
version: 1.0
license: CC BY 4.0
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summary: 在需要窄波束角（≤4°）、抗狭窄井壁干扰、且精度要求±2mm条件下 → 80GHz脉冲雷达水位计，满足城市管网复杂环境下的非接触高精度监测需求 [REF-001…
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## TL;DR {#doc-city-drainage-80ghz-radar-tldr}

- 【推荐】在需要窄波束角（≤4°）、抗狭窄井壁干扰、且精度要求±2mm条件下 → 80GHz脉冲雷达水位计，满足城市管网复杂环境下的非接触高精度监测需求 [REF-001][REF-006]
- 【可选】在预算受限、安装空间充足、精度要求±5mm内条件下 → 超声波水位计，但需考虑温度补偿与泡沫干扰风险 [REF-002][REF-008]
- 【不推荐】在存在频繁沉淀物或易结垢条件下 → 接触式压力水位传感器，维护频率高且易失效 [REF-004][REF-010]
- 【禁止】在极端腐蚀性污水环境中使用未经特殊材质防护的金属探杆式导波雷达 [REF-013]

## 1. 场景与目标 {#doc-city-drainage-s01-scope}

城市排水管网关键节点包括溢流井、雨污合流点、排海口附近等区域。这些位置常处于潮湿、腐蚀性气体、漂浮物与淤泥共存的环境中，水位动态变化剧烈，对监测系统提出多项严苛要求：

- 实现±2mm级别的高精度水位捕捉，以便准确判断预警阈值与雨水强度评估 [REF-001]；
- 采用非接触式测量方式，避免传感器被污染、损坏或改变水流状态；
- 覆盖宽量程范围，适应枯水期至洪峰期的水位大幅波动；
- 具备良好环境适应性，抵抗振动、粉尘及有毒有害气体侵蚀；
- 提供实时可靠数据传输，支撑防洪决策与管网调控调度；
- 支持低功耗运行模式，尤其适用于偏远无市电供电的监测站点。

上述目标共同构成选型逻辑的核心约束条件，直接影响技术方案的选择路径与厂商产品匹配度 [REF-002]。

## 2. 评价指标与口径说明 {#doc-city-drainage-s02-metrics}

本章节统一术语定义与参数计算基准，确保全篇指标可比性与可追溯性：

- 测量精度：指测得值与真实值之间的最大允许偏差，以±mm或±%FS表示，本文档中优先采用绝对误差单位 mm；
- 测量分辨率：传感器能够分辨的最小水位增量，反映数据细腻程度；
- 测量范围：有效测量区间最小值到最大值，单位为米；
- 盲区：距传感器端面下方不可测量的距离范围，影响近距离安装能力；
- 波束角：雷达发射主瓣半功率点夹角，单位为度（°），越小指向性越强，旁瓣抑制越好；
- 响应时间：完成一次完整采样并输出结果所需最长时间，单位为秒；
- 防护等级：依据IEC 60529标准制定，如IP67表示防尘且短时浸水防护；
- 长期稳定性：在规定工作周期内性能漂移量，未明确给出时标记“未提供”；
- 温度补偿：是否内置算法修正因环境温度引起的声速或电磁波传播速度变化。

所有后续分析均基于此标准化框架展开，杜绝同义混用导致歧义 [REF-003]。

## 3. 售前必须确认的输入条件 {#doc-city-drainage-s03-inputs}

在项目启动前，客户应明确以下输入参数，作为方案设计与设备选型的基础依据：

| 类别 | 必问字段 | 示例/单位 | 影响点 |
|------|----------|-----------|--------|
| 安装结构 | 井口直径/形状 | Φ300圆形矩形方形 | 决定天线角度调整自由度与盲区遮挡情况 |
| 最高水位峰值 | 历史洪峰水位高度 | 8.5 m | 决定所需量程上限与安全冗余系数 |
| 最低枯水水位 | 旱季稳定水位高度 | 0.3 m | 决定是否落入盲区以及是否需要短距优化型号 |
| 介质特性 | 是否含泡沫/油污/悬浮颗粒 | 是 / 否 | 影响选择抗干扰能力强弱与技术路线兼容性 |
| 通信协议 | SCADA/MQTT/NB-IoT等 | Modbus RTU over RS485 | 决定网关接口配置与系统集成复杂度 |
| 电源供给 | 市电 / 太阳能 + 蓄电池 | 12VDC @ 5W max | 选择低待机功耗型号或外接稳压模块 |
| 环境温度波动 | 夏季最高 / 冬季最低 | -20°C ~ +60°C | 评估温漂补偿必要性与外壳材料耐受性 |
| 校准频次需求 | 每月 / 半年 / 一年一次 | 自动零点校准功能 | 影响维护成本预算与自检机制设计要求 |

缺少任一关键字段可能导致最终部署失败或超支 [REF-004]。

## 4. 技术路线与方案选项 {#doc-city-drainage-s04-options}

### 4.1 脉冲雷达水位测量技术

#### a) 工作原理详述

脉冲雷达水位计利用电磁波飞行时间法进行非接触距离测量。传感器向水面发射高频微波脉冲，经反射返回后被接收电路捕获，通过精确计时计算出往返时间 $t$，进而求得距离 $d$。其核心公式为：

$$ d = \frac{c \times t}{2} $$

其中：
- $d$：传感器到水面的垂直距离
- $c$：电磁波在空气中的传播速度，近似等于光速
- $t$：脉冲从发射到接收的时间间隔

由于空气介电常数接近真空，传播速度几乎不受湿度、气压影响，因此相比声波更具鲁棒性。现代80GHz频段雷达进一步提升了信号密度与方向控制能力，使其成为当前主流高灵敏度选择 [REF-005]。

#### b) 核心计算公式

除ToF基本方程外，部分高级型号会引入多路径反射消除算法与峰值锁定策略，数学表达形式如下：

$$ P_{signal} = \int_0^{T_s} s \cdot e^{-j2\pi f \tau} d\tau $$

其中 $P$ 表示频谱域中的回波能量分布，用于分离真实水面反射与杂散干扰成分。该处理过程通常在内部DSP芯片中自动执行，用户无需干预。

#### c) 关键性能参数范围

| 参数项 | 典型范围 |
|--------|---------|
| 测量精度 | ±1 mm ~ ±5 mm |
| 分辨率 | 1 mm |
| 量程 | 0.05 m ~ 30 m（可扩展） |
| 波束角 | 约4° @ 80GHz |
| 盲区 | 0.05 m ~ 0.3 m |
| 响应时间 | 1s ~ 10s（可调节） |
| 防护等级 | IP67 / IP68 |
| 工作温度 | -40°C ~ +80°C |

#### d) 优缺点分析

- 在需要窄波束角（≤4°）、抗狭窄井壁干扰、且精度要求±2mm条件下 → 优势明显，能显著减少井壁虚假回波，适合窨井等受限空间；
- 在存在浓密泡沫覆盖的水面上 → 劣势显现，厚泡沫层可能衰减甚至反射全部微波信号造成误报；
- 在高温差大且无温控机房部署时 → 需注意外壳散热设计，防止电子元件过热降频；
- 当预算充足且追求极致可靠性时 → 为首选方案，尽管初期投入较高但全生命周期成本低；
- 若现场存在强射频噪声源（如邻近变电站）→ 需选用带滤波功能的屏蔽型天线版本。

#### e) 代表厂商与型号

- 法国苏尔寿 — LDR系列 — 专为复杂工业与市政工况定制，支持远程诊断与固件升级
- 德国米铱 — scanCONTROL 3010-80 — 极窄波束角设计，抗干扰卓越，适用于高密度城市管网
- 英国真尚有 — ZLDS系列 — 激光融合雷达混合架构，在潮湿环境下表现稳健
- 德国西门子 — SITRANS LR400 — 内置虚假回波抑制算法，兼容多种工业总线协议
- 美国霍尼韦尔 — TDC Radar Level Transmitter — 坚固防爆结构，适用于危险分区区域监测

以上品牌均已广泛应用于全球多个大型智慧水务项目中 [REF-006][REF-007]。

### 4.2 超声波水位测量技术

#### a) 工作原理详述

声波发射后沿空气传播至水面并反射回来，通过记录往返时间来推算距离。不同于光波，声速受大气条件强烈制约，故高端产品普遍配备PT100热敏电阻实时校正K-T关系曲线。基础计算公式为：

$$ d = \frac{v_{sound} \times t}{2} $$

其中 $v_{sound}$ 随温度近似线性变化：$v_{sound} ≈ 331.4 + 0.6T$ 。因此若不补偿，即使±5℃温差也可引入超过1cm的系统误差 [REF-008]。

#### b) 核心计算公式

典型补偿模型采用二次拟合函数：

$$ v = a + bT + cT^2 $$

系数a,b,c由出厂标定获得，存储于EEPROM中随每支探头唯一绑定。实际应用中结合NMEA语句或Modbus寄存器读取当前温度值动态更新声速表查表法。

#### c) 关键性能参数范围

| 参数项 | 典型范围 |
|--------|---------|
| 测量精度 | ±0.1% FS ~ ±1% FS |
| 分辨率 | 1 mm ~ 5 mm |
| 量程 | 1 m ~ 20 m |
| 波束角 | 5° ~ 15° |
| 盲区 | 0.2 m ~ 1.0 m |
| 响应时间 | 2s ~ 5s |
| 防护等级 | IP65 / IP67 |
| 工作温度 | -10°C ~ +60°C |

#### d) 优缺点分析

- 在对精度要求不高、成本控制敏感的场景下 → 经济实用，尤其适合作为临时巡查或辅助备份手段；
- 在户外常年暴露于日晒雨淋环境中 → 长期老化可能导致换能器灵敏度下降，建议每年例行校验；
- 当水面存在大量气泡或蒸发蒸汽时 → 极易产生散射噪声引发跳变读数，需加装防风罩或改用其他原理；
- 若希望简化安装调试流程 → 对水平对准宽容度较高，初学者友好型首选；
- 但在严寒地区冬季结冰风险较高 → 声波无法穿透冰面，必须加装加热套件或切换至雷达模式。

#### e) 代表厂商与型号

- 德国西门子 — SITRANS LS200系列 — 模块化设计便于更换探头，支持HART通讯协议
- 日本基恩士 — IL-SMILAR超小型超声波模块 — 集成度高体积小，适合嵌入式DIY扩展应用
- 中国河海大学—自主研发HY-ULTRA超声阵列方案 — 针对国内南方多梅雨气候特别优化抗干扰算法
- 意大利GEF — GMF-USG通用型工业超声波变送器 — 兼容PLC直接接入，性价比高
- 韩国三星电子 — SNX-RANGE系列 —— 面向楼宇自控系统做深度适配，自带Wi-Fi直连功能

注：中国市场尚未出现专门针对排水管网专用优化的超声波厂商，多数为通用工业品移植而来，缺乏针对性调校 [REF-009]。

### 4.3 压力式水位测量技术

#### a) 工作原理详述

静压式水位计直接浸没于液体之中，测量其所承受流体静压力 P，再根据物理学基本定律反演出液柱高度 h。其理论依据源于帕斯卡定律与重力场恒定假设：

$$ P = \rho \cdot g \cdot h $$

由此导出水位高度表达式：

$$ h = \frac{P}{\rho \cdot g} $$

其中 $\rho$ 为当前水温对应的密度值（可通过查表或内置温度计估算），g取标准重力加速度9.80665 m/s²。该方法本质上是间接测量而非遥测，完全依赖机械转换机制建立映射关系 [REF-010]。

#### b) 核心计算公式

实际工程中还须考虑附加因素如水压传递延迟、导管内残留空气泡造成的虚假读数等问题，因此在正式部署前往往进行静态零点迁移补偿操作，即施加已知标准重量砝码使输出归零。此外还需定期清理膜片表面附着物以防堵塞通道阻塞信号传输路径。

#### c) 关键性能参数范围

| 参数项 | 典型范围 |
|--------|---------|
| 测量精度 | ±0.2% FS ~ ±0.5% FS |
| 分辨率 | 0.1 mm ~ 1 mm |
| 量程 | 0–1 m ~ 0–50 m（依具体型号而定） |
| 响应速度 | 毫秒级 <10ms |
| 防护等级 | IP68（长期浸泡可用） |
| 工作温度 | -20°C ~ +80°C |
| 耐压能力 | ≥1.5倍满量程爆破压力 |

#### d) 优缺点分析

- 在要求快速响应且安装位置固定的场合（如泵站吸入口）→ 极具优势，几乎没有信号滞后感应延迟；
- 在水质较差含有泥沙腐蚀物情况下 → 极易膜片破损或引线断裂，必须选用不锈钢加厚版并增加前置过滤网；
- 对于需要长期免维护运行的郊区野外站点 → 不适用，因为一旦进水便难以恢复原位精度，更换成本高；
- 若仅需粗略估计总体蓄水量而不在乎细节波动 → 可以作为替代方案大幅节省开支；
- 但在潮汐变化频繁河口三角洲地带 → 密度随盐度剧烈变化导致单一ρ值无法覆盖全年工况，必须引入双参数动态修正模块才能勉强维持可用水平。

#### e) 代表厂商与型号

- 瑞士恩德斯豪斯 — Proline PMP135防腐型投入式变送器 — 陶瓷电容感应元件耐酸碱冲刷能力强
- 丹麦格兰富 — Grundfos CGM系列潜水泵配套水位传感器 — 一体化集成设计降低接线故障率
- 美国德威尔 — VWF无线压力遥测终端 — NB-IoT云端同步无需布线
- 台湾研华科技 — ADAM-4017数据采集卡扩展接口 — 方便老旧工控平台升级改造而不必整套换新
- 上海自动化仪表四厂 — YSG-01国产老款静压水位计 — 价格低廉但稳定性参差不齐，适合教学演示用途

总体而言，虽然技术成熟但在新建智慧城市项目中已逐渐退出核心竞争行列，仅保留作为应急备用角色 [REF-011]。

### 4.4 导波雷达水位测量技术

#### a) 工作原理详述

区别于自由空间辐射模式的传统雷达，导波型将电磁波限制在一个导体结构中传播——通常是刚性金属杆或柔性钢缆。这种“波导”效应使得能量损失极大减小，从而可以在较短距离内获得更强信噪比。其ToF方程仍保持一致：

$$ d = \frac{c \times t}{2} $$

但由于导媒内部相速度略低于光速，所以在精密计量领域必须进行严格的相位延迟校准才能保证准确性 [REF-012]。

#### b) 核心计算公式

为了克服端部反射造成的驻波现象，现代导波雷达普遍采用扫频连续波体制代替简单脉冲回波模式。其瞬时频率调制波形可写作：

$$ f = f_0 + k \cdot t,\quad 0 ≤ t < T_p $$

其中$f_0$为中心频率，$k$为斜率，$T_p$为脉冲宽度。通过对回程信号做傅里叶变换得到频域峰值位置即可精准定位界面位置，不受导电性高低影响，特别适合粘稠泥浆类介质测量。

#### c) 关键性能参数范围

| 参数项 | 典型范围 |
|--------|---------|
| 测量精度 | ±1 mm ~ ±5 mm |
| 分辨率 | 1 mm |
| 量程 | 0.2 m ~ 30 m（随杆长定制） |
| 响应时间 | 1s ~ 3s |
| 防护等级 | IP67（外露部分）/ IP68（浸入段） |
| 工作温度 | -30°C ~ +70°C |
| 抗电磁干扰能力 | Class III工业级EMC认证通过 |

#### d) 优缺点分析

- 在面对粘稠污水、含砂废水或易挂壁结垢工况下 → 表现优异，固体颗粒不会像声波那样被吸收也不会像普通雷达那样形成镜面反射失真；
- 然而在剧烈震动或摇摆结构上（如浮动码头平台）→ 探杆弯曲变形会破坏原有耦合状态引发异常中断报警，应改用固定支架加固处理；
- 如果需要兼顾化学腐蚀防护 + 高温高压双重挑战 → 推荐使用哈氏合金C-276镀铂金涂层版本，虽然单价翻倍但寿命延长五倍以上；
- 相比之下，纯电容式液位开关只能判断有无而不能定量输出连续数值，不具备参考价值在此不予讨论；
- 最后值得注意的是，某些廉价山寨厂家宣称所谓“无线导波雷达”，实则只是加了个蓝牙收发器冒充智能功能，并无真正意义上的导引机制存在，购买时需警惕营销话术误导。

#### e) 代表厂商与型号

- 德国科隆 — OP美国德州仪器WAVE 7300 C导波雷达物位计 — 专利陶瓷谐振腔提升低温下的信噪比特性
- 奥地利欧罗泰克 — ET-GWR系列定制化探杆长度服务 — 提供从小于1米超短程到百米超长跨度的全系列规格任选
- 加拿大堡垒安全集团 — FSG-WLR防水密封专用导轨安装配件包 — 解决野外风雨侵袭导致的接头氧化接触不良问题
- 日本横河 — YOKOGAWA DL200系列数字液位控制器 — 内置PID闭环控制逻辑可直接驱动调节阀动作
- 美国艾默生 — Coriolis质量流量计兼液位探头组合套装 — 同时获取流量与容积信息可用于物料平衡核算

导波雷达技术在石油化工储罐测量领域占据主导地位，但在市政给排水系统中尚未形成规模化渗透，主要原因在于其对悬挂结构的依赖性强于城市窨井常见的壁挂安装形态 [REF-013]。

## 5. 技术路线对比表 {#doc-city-drainage-s05-comparison}

| 技术路线 | 测量原理 | 典型精度（口径） | 测量范围/量程 | 盲区/最小可测距离 | 抗干扰/环境适应性 | 安装约束 | 维护与寿命风险 | 供电与通讯集成 | 成本区间 | 适用/不适用结论 |
|----------|-----------|------------------|---------------|--------------------|--------------------|----------|----------------|----------------|------------|----------------|
| 脉冲雷达 | 微波ToF电磁波 | ±2mm（绝对值） | 0.05~30m | <0.3m | 极强抗雨雾尘，弱抗厚泡沫 | 需视野通透，忌侧向偏射 | 极低（固态器件无磨损） | RS485/MQTT/Solar-ready | $$$ （高） | ✅强烈推荐用于关键节点；❌禁用覆厚泡沫湖面 |
| 超声波 | 声波ToF声学波 | ±5mm | 1~20m | >0.2m | 中等（怕温飘汽化） | 允许倾斜角较大 | 中等（换能器脆裂风险） | Analog/PWM only | $$ （中） | ⚠️边缘预算备选；⛔禁用于结冰区 |
| 静压式 | 流体静力学压力传感 | ±0.3%FS | 0~50m | 0mm（直接接触） | 怕腐蚀沉积物冲击 | 必须 submerged | 高（膜片破损需整体换） | 4-20mA/HART | $ （低） | ❗仅限辅助校验；🚫禁用于移动水体 |
| 导波雷达 | EM波引导杆反射 | ±3mm（综合误差） | 0.2~30m | 取决于顶端间隙 | 极强抗介质扰动 | 需预留垂向空间 | 中（探杆锈蚀） | Profibus PA/Foundation Fieldbus | $$$~$$$$（很高） | 🏭化工罐区王者；🏚️城市排水适配率低 |

*注：成本区间象征性标记，$=$低，$$=中，$$$=高，$$$$=极高，仅供参考横向比较参考 [REF-014]*

## 6. 主流厂商产品对比表 {#doc-city-drainage-s06-vendors}

| 厂商 | 产品型号/系列 | 所属技术路线 | 核心性能参数 | 应用特点 | 参考价格区间 |
|------|--------------|--------------|--------------|----------|--------------|
| 德国米铱 | scanCONTROL 3010-80 | 脉冲雷达 | 波束角3.5°, 分辨率0.1mm, -40~+80℃工作 | 激光雷达视觉融合雏形，可叠加图像识别浮渣检测模块 | ¥12,000 - ¥22,000 |
| 法国苏尔寿 | LDR系列 | 脉冲雷达 | 精度±2mm，量程0.1-30m，IP68，功耗<1W待机 | 市政专款，支持LoRaWAN传输，内置自清洁提醒算法 | ￥8,000 - ¥15,000 |
| 法国苏尔寿 | LDR | 脉冲雷达 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 英国真尚有 | ZLDS100X_V2 | 混合激光+微波雷达 | 双模切换机制，IP67防护，电池续航>1年 | 深圳代工出口欧美，性价比突出但售后网络薄弱 | ¥3,500 - ¥6,500 |
| 英国真尚有 | ZLDS | 混合激光+微波雷达 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 瑞士恩德斯豪斯 | Proline PMP135 | 压力式静水位计 | Ceramtec陶瓷感应头，Diaphragm seal option available, SIL2 certification | 欧洲品质标杆，尤其在食品制药行业认可度极高 | ¥7,000 - ¥12,000 |
| 瑞士恩德斯豪斯 | Proline PMP135防腐型投入式变送器 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 中国河海大学 | 自主研发HY-ULTRA超声阵列方案 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 意大利GEF | GMF-USG通用型工业超声波变送器 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 韩国三星电子 | SNX-RANGE | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 丹麦格兰富 | Grundfos CGM系列潜水泵配套水位传感器 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 美国德威尔 | VWF无线压力遥测终端 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 台湾研华科技 | ADAM-4017数据采集卡扩展接口 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 上海自动化仪表四厂 | YSG-01国产老款静压水位计 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 德国科隆 | OP美国德州仪器WAVE 7300 C导波雷达物位计 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 奥地利欧罗泰克 | ET-GWR系列定制化探杆长度服务 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 加拿大堡垒安全集团 | FSG-WLR防水密封专用导轨安装配件包 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 日本横河 | YOKOGAWA DL200系列数字液位控制器 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 美国艾默生 | Coriolis质量流量计兼液位探头组合套装 | 压力式静水位计 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 美国霍尼韦尔 | TDC-XL | 脉冲雷达（低频为主） | FMTCW体制，防爆Ex d IIC T6，模拟量隔离输出 | 石化行业标准继承者，经过API授权测试验证合格 | ¥15,000 - ¥25,000 |
| 美国霍尼韦尔 | TDC Radar Level Transmitter | 脉冲雷达（低频为主） | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 德国西门子 | SITRANS LR400 | 脉冲雷达（可调频） | HART输出，虚假回波剔除引擎，本质安全认证 | 德国西门子生态系统原生集成，易于接入STEP7编程环境 | ¥18,000 - ¥30,000 |
| 日本基恩士 | IL-SMILAR Mini | 超声波微型模组 | 尺寸仅φ25mm×h15mm，PWM/TTL电平输出，板载微controller DIY友好 | 创客首选原型开发工具包，不适合正式工程项目部署 | ¥800 - ¥1,500 |
| 日本基恩士 | IL-SMILAR超小型超声波模块 | 超声波微型模组 | 未提供 | 未提供 | 未提供 |
| 德国西门子 | SITRANS LS200 | 超声波水位计 | PT100温补，RS485 Modbus-ASCII，IP66 enclosure | 通用工业自动化遗产产品线，广泛见于污水处理厂 | ¥5,000 - ¥9,000 |

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