淺析大飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)

謝 劍，李正強(qiáng)，黃 帥，喬文峰

（1.上海飛機(jī)設(shè)計研究院飛控部，上海 200436；2.上海飛機(jī)設(shè)計研究院民用飛機(jī)模擬飛行國家重點實驗室，上海 200436）

大飛機(jī)工程是一個國家具有戰(zhàn)略性的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，所涉及專業(yè)之廣，運用技術(shù)之新遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他行業(yè)，是現(xiàn)代化科技技術(shù)高度集成化的系統(tǒng)性工程，也是衡量一個國家科技工業(yè)水平乃至綜合國力的標(biāo)志之一。我國已經(jīng)多次從戰(zhàn)略級高度看待并定義了大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)，目前，國產(chǎn)支干線飛機(jī)均取得里程碑進(jìn)程，雖然近年來我國大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，但是大飛機(jī)事業(yè)仍然任重而道遠(yuǎn)，多方位技術(shù)的攻關(guān)仍在進(jìn)行中。

數(shù)字化技術(shù)是以計算機(jī)軟硬件、周邊設(shè)備、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息離散化表述、定量、感知、傳遞、存儲、處理、控制、聯(lián)網(wǎng)的集成技術(shù)[1]。大飛機(jī)的數(shù)字化設(shè)計與制造利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，建立一系列數(shù)字化描述空間并在其中進(jìn)行設(shè)計與制造。其實質(zhì)是建立數(shù)字化模型，完成設(shè)計與制造過程的數(shù)字化[2-4]。本文概括介紹大飛機(jī)數(shù)字化技術(shù)的特征，以大飛機(jī)的數(shù)字化技術(shù)需求為背景，對目前數(shù)字化技術(shù)在大飛機(jī)設(shè)計與制造中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

大飛機(jī)數(shù)字化技術(shù)特征

1 研制方法的本質(zhì)改變

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的引入使得飛機(jī)研制方法從早先的基于物理實體樣機(jī)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛谌S數(shù)字樣機(jī)的方式。早期的飛機(jī)傳統(tǒng)研究過程大致可分為4階段：概念設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)制造。4個階段中，飛機(jī)主機(jī)商均需要通過制作真實縮比例物理樣機(jī)來驗證飛機(jī)設(shè)計的準(zhǔn)確性，研制過程是串行的，前面一階段未完成驗證，無法繼續(xù)開展下一階段的設(shè)計改進(jìn)工作[5]。

而在現(xiàn)代大飛機(jī)研制過程中，傳統(tǒng)的物理樣機(jī)和模線已經(jīng)被數(shù)字化的三維數(shù)字樣機(jī)所替代，跨部門和跨專業(yè)協(xié)調(diào)設(shè)計可以方便實現(xiàn)，研制過程可以并向進(jìn)行。目前，國產(chǎn)大飛機(jī)采用自主知識產(chǎn)權(quán)的全三維數(shù)字樣機(jī)設(shè)計，飛機(jī)所有結(jié)構(gòu)部件和系統(tǒng)設(shè)備均通過構(gòu)型項掛接三維數(shù)字樣機(jī)平臺，通過對整個平臺的數(shù)字化管理與檢查，相關(guān)專業(yè)可以很清晰地得到目前設(shè)計的各項數(shù)據(jù)，如設(shè)備結(jié)構(gòu)距離、干涉情況、過于靠近情況，并對檢查結(jié)果進(jìn)行評估以及時改進(jìn)設(shè)計，極大縮短了協(xié)調(diào)設(shè)計周期；并且全三維數(shù)字樣機(jī)貫穿研制過程多個階段，從概念設(shè)計至生產(chǎn)發(fā)圖階段持續(xù)有效并進(jìn)行改進(jìn)。

2 貫穿整個飛機(jī)研制過程

數(shù)字化的技術(shù)貫穿了整個大飛機(jī)研制過程。從橫向看，多學(xué)科多專業(yè)多合作單位借助數(shù)字化平臺充分整合起來，所有設(shè)計制造數(shù)據(jù)通過數(shù)字化設(shè)計工具高效地流轉(zhuǎn)傳遞；從縱向看，數(shù)字化技術(shù)貫穿了整個大飛機(jī)的設(shè)計研發(fā)制造流程，各個階段都借助于數(shù)字化工具極大地提高了研制效率，甚至說，數(shù)字化技術(shù)在大飛機(jī)研制的某個階段產(chǎn)生革命性的顛覆影響。詳細(xì)論述見本文后續(xù)關(guān)于大飛機(jī)設(shè)計制造技術(shù)的各方面應(yīng)用。

大飛機(jī)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全周期數(shù)字化技術(shù)與平臺、數(shù)字化定義與工具的使用貫穿整個飛機(jī)的研制階段，從方案論證階段至詳細(xì)設(shè)計階段，再到工程發(fā)展、試驗取證階段，直至大飛機(jī)的交付，處處展示了數(shù)字化技術(shù)的魅力和效率，數(shù)字化技術(shù)貫穿了整個產(chǎn)品研制過程。

3 向全三維技術(shù)發(fā)展

如今的主流設(shè)計數(shù)模建模較為廣泛地使用三維建模手段，大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)中國內(nèi)外使用較為廣泛的三維數(shù)模建模軟件有CATIA、Pro/E、UG等。傳統(tǒng)三維數(shù)模建模軟件可以對零部件進(jìn)行精確的幾何建模，使用各種算法有效生成飛機(jī)舵面、翼身整流罩等復(fù)雜曲面的外形，但是所構(gòu)成的三維數(shù)模無法集成各類工藝信息，因此設(shè)計人員需要使用投射模塊將三維數(shù)模轉(zhuǎn)化為二維圖紙，并在二維圖紙中加入所需要的工藝流程以及各類設(shè)計的直接表述。而且，傳統(tǒng)的三維建模中，零件關(guān)鍵部位的放大剖面圖也無法表示。因此，在實際設(shè)計生產(chǎn)過程中，設(shè)計人員不僅要進(jìn)行三維建模，更需轉(zhuǎn)化為二維圖紙以加入更多的非幾何信息和放大剖面圖。這種分離的二次圖紙管理，往往會產(chǎn)生二次錯誤風(fēng)險，可能難以保證數(shù)據(jù)的一致性[5]。

而全三維技術(shù)則是在傳統(tǒng)三維建模軟件中進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步加入多項功能，讓設(shè)計員可以直接在三維數(shù)模中直接加入各種非幾何信息和直接設(shè)計意圖，如公差和粗糙度的要求、設(shè)計工藝的改進(jìn)、潤滑油信息、倒角如何處理等。無論是飛機(jī)設(shè)計人員，或是負(fù)責(zé)生產(chǎn)裝配的工廠人員，均使用同一份全三維技術(shù)模型傳遞所有工程信息，極大地縮短了飛機(jī)研制生產(chǎn)周期，節(jié)省了飛機(jī)研制生產(chǎn)成本。

從我國研制的兩款噴氣大飛機(jī)可以清晰地看到上述發(fā)展轉(zhuǎn)變的腳步，某商用支線飛機(jī)在初步設(shè)計階段和詳細(xì)設(shè)計階段初期所建立的飛機(jī)數(shù)據(jù)模型均為三維實體模型，而到詳細(xì)設(shè)計后期與工程發(fā)圖階段設(shè)計人員均將三維實體模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙模型并將各類工藝制造信息標(biāo)準(zhǔn)在二維圖紙上傳遞至生產(chǎn)裝配工廠，這增加了模型構(gòu)型管理項，增加了轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，并造成設(shè)計與工廠溝通過程中部分信息的脫節(jié)遺漏。而后大飛機(jī)從概念設(shè)計初始便定義了采用全三維數(shù)字技術(shù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)放均通過三維模型執(zhí)行。設(shè)計人員和生產(chǎn)人員可以從全三維模型中得到所有的工程信息，極大地提高了各參研單位、部門之間協(xié)調(diào)的效率，降低了飛機(jī)研制費用，縮短了飛機(jī)研制周期。

數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)應(yīng)用

1 方案設(shè)計與決策

大飛機(jī)方案設(shè)計與決策的數(shù)字化技術(shù)通過使用計算機(jī)輔助飛機(jī)總體設(shè)計軟件工具并結(jié)合大飛機(jī)自身運營特點，圍繞安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性的要求，開發(fā)出有特色的先進(jìn)軟件系統(tǒng)，為方案設(shè)計與決策階段的工作提供支持；數(shù)據(jù)化軟件系統(tǒng)集成分析市場中心、相關(guān)咨詢機(jī)構(gòu)和民航局各類行業(yè)運營和市場分析報告，提出具體飛機(jī)的性能要求和主要技術(shù)需求，在此基礎(chǔ)上形成一系列的基礎(chǔ)方案，然后通過對方案的各類調(diào)研和綜合分析，持續(xù)完善方案；通過軟件綜合評估對比各類方案信息，支持總設(shè)計師系統(tǒng)選定最佳的初步總體方案，并確定“型號設(shè)計要求”。

2 綜合設(shè)計與工程發(fā)展

綜合設(shè)計與工程發(fā)展中的數(shù)字化技術(shù)主要應(yīng)用于大飛機(jī)總體方案論證階段的初步設(shè)計和研制階段的詳細(xì)設(shè)計，其目的是通過使用一系列數(shù)字化工具與方法提升上述兩個階段的綜合設(shè)計能力?？陀^要求是基于一個基本總體方案，綜合運用各類數(shù)字化定義工具與方法（圖1），協(xié)助飛機(jī)總體設(shè)計與布置人員高效進(jìn)行飛機(jī)的總體布置與設(shè)計，各個系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)部件和系統(tǒng)部件的三維數(shù)字化模型布置，反復(fù)協(xié)調(diào)完成全機(jī)三維數(shù)字化電子樣機(jī)，在三維數(shù)模中集成各類工藝信息和設(shè)計意圖，發(fā)放工廠。在初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計中，主干線為全機(jī)數(shù)字化定義的不斷推進(jìn)；次支線為全機(jī)各專業(yè)部門通過協(xié)同對不同的部件和分系統(tǒng)開展設(shè)計，形成了一系列數(shù)字化設(shè)計分系統(tǒng)，如總體氣動設(shè)計分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計分系統(tǒng)、動力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計分系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計分系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)設(shè)計分系統(tǒng)等。各個分系統(tǒng)開發(fā)或者配置不同的數(shù)字化設(shè)計軟硬件，分系統(tǒng)之間通過核心處理系統(tǒng)相連，核心處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將各個分系統(tǒng)的設(shè)計實時地綜合到服務(wù)器的全機(jī)三維數(shù)模中，通過對核心處理系統(tǒng)的操作可以實時地調(diào)動全機(jī)的電子樣機(jī)[1]。

圖1 大飛機(jī)綜合設(shè)計與工程發(fā)展的數(shù)字化技術(shù)流程Fig.1 Digital technology procedure of general design and engineering development for large aircraft

3 性能分析與仿真

大飛機(jī)的氣動外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計、系統(tǒng)性能設(shè)計等都需要借助于功能強(qiáng)大的工程化、數(shù)值化性能分析和仿真軟件。飛機(jī)設(shè)計員通過初步的比較經(jīng)濟(jì)的數(shù)字仿真結(jié)果來驗證需求是否被滿足以及相關(guān)設(shè)計是否可以被改進(jìn)。如在初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計階段，需要精確地分析全機(jī)的氣動特性、結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)部件重量特性、飛機(jī)的操穩(wěn)飛行品質(zhì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗算等，進(jìn)入工程發(fā)展階段需要在系統(tǒng)試驗之前通過仿真來分析驗證系統(tǒng)部件的設(shè)計性能，對于大飛機(jī)而言，目前噪聲仿真分析也成為其仿真分析中的重要組成部分。

在大飛機(jī)性能分析與仿真過程中，計算流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)有限元分析等軟件已經(jīng)是常用工具，但其消耗巨大的計算資源和時間，而且價格比較昂貴，因此可以創(chuàng)新性地應(yīng)用它們，例如將它們集中在配置較高的計算機(jī)硬件上，并通過專業(yè)軟件進(jìn)行管理和調(diào)度，形成集群化的優(yōu)勢。

4 試驗試飛

大飛機(jī)試驗從學(xué)科專業(yè)角度來分包括各類氣動試驗、強(qiáng)度試驗、結(jié)構(gòu)試驗、系統(tǒng)試驗工程模擬器試驗、試飛試驗等，從適航驗證角度來分包含MOC4（鐵鳥） 試驗、MOC5 （機(jī)上地面）試驗、MOC6（試飛）試驗、MOC8（工程模擬器）試驗，還包括供應(yīng)商的各類MOC9（部件鑒定）試驗。大飛機(jī)試驗的開展一方面是為了驗證方案和設(shè)計是否能夠滿足設(shè)計要求，另一方面是為了向局方表明飛機(jī)的設(shè)計可以滿足適航條款。上述如此繁多的試驗必然產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，各試驗單位和提出專業(yè)一般有自成體系的一套數(shù)據(jù)采集處理工具，如果設(shè)計過程中引入中心試驗信息管理系統(tǒng)，對所有試驗數(shù)據(jù)綜合存儲、管理，可以極大增加試驗數(shù)據(jù)的處理利用效率。

如圖2所示，大飛機(jī)試驗中引入中心數(shù)據(jù)庫，集中地管理設(shè)計單位提出的試驗任務(wù)書、試驗部門和合作試驗供應(yīng)商傳回的試驗數(shù)據(jù)、分析報告等相關(guān)信息。各相關(guān)專業(yè)通過試驗核心管理平臺可以高效調(diào)用各類數(shù)據(jù)，盡快處理分析試驗結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計[1,6]。

5 營運與制造

虛擬現(xiàn)實營運和制造仿真技術(shù)利用數(shù)字化軟硬件，模擬大飛機(jī)營運中的典型參數(shù)如客艙參數(shù)、應(yīng)急疏散參數(shù)、地面維護(hù)保障參數(shù)、總裝環(huán)境等（圖3），通過對飛機(jī)與人員、機(jī)場設(shè)施、制造車間等外部環(huán)境的沉浸式仿真，在設(shè)計早期就能以很低的代價驗證設(shè)計方案能否滿足營運過程和制造過程中的相關(guān)要求，提高大飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和可靠性。

虛擬現(xiàn)實仿真提供了基于計算機(jī)三維數(shù)字電子樣機(jī)的高度仿真，并獲得了工程模擬器才可以達(dá)到的高度人機(jī)交互，它集成了設(shè)計方、維修方和客戶的交互平臺，可以在虛擬的環(huán)境下進(jìn)行維護(hù)、訓(xùn)練和驗證；而且，隨著計算機(jī)能力的提升，虛擬場景可以更加逼真地模擬制造和營運過程中出現(xiàn)的任何人員和環(huán)境，仿真結(jié)果對整個方案的評價更有說服力。

6 知識管理

大飛機(jī)的設(shè)計與制造是一個超級復(fù)雜的系統(tǒng)工程，研制過程中必須盡可能使各階段的工作規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，以保證型號的成熟度并提高在局方以及公眾心中的認(rèn)可度。知識管理中的數(shù)據(jù)化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）有效收集、管理國內(nèi)外已有的設(shè)計資料及數(shù)據(jù)（如各個機(jī)型的CMM、AMM、設(shè)計參數(shù)等）、以往設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題（如專家評審中的問題，系統(tǒng)PDR/CDR中的問題）和解決方法，將解決歸零報告及時電子歸檔，以便后續(xù)參考使用。目前具有兩個型號的數(shù)據(jù)使用平臺，所有技術(shù)文件均通過平臺完成電子簽審發(fā)布和歸檔。

（2）建立大數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理研制過程中的各類海量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和手冊并用于指導(dǎo)設(shè)計，使飛機(jī)設(shè)計研制有據(jù)可依，并使飛機(jī)能夠更加緊跟國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的步伐，更好地滿足了各方面的要求。

（3）管理基礎(chǔ)性設(shè)計資源，例如發(fā)動機(jī)、機(jī)載設(shè)備、座椅、機(jī)上設(shè)施等。建立可擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫，不斷豐富完善其中數(shù)據(jù)，以方便需要時調(diào)用。

7 適航取證

適航取證是大飛機(jī)區(qū)別于其他飛機(jī)的主要特點，也是一大技術(shù)難點。適航取證中的數(shù)字化技術(shù)主要借助于數(shù)字化平臺，與知識管理相結(jié)合建立大適航取證數(shù)據(jù)庫，通過使用大平臺可以方便調(diào)用適航取證系統(tǒng)的條例庫，查詢某型號所用條例的細(xì)則、相關(guān)的咨詢通告等，并將歷次接收局方審查資料統(tǒng)一組織管理，相關(guān)問題描述作標(biāo)簽提示，以便后續(xù)型號參考利用。

圖2 大飛機(jī)試驗綜合管理中心數(shù)據(jù)庫應(yīng)用管理Fig.2 Database application management of general management center for large aircraft test

圖3 大飛機(jī)虛擬營運與制造仿真應(yīng)用Fig.3 Virtual operating and manufacturing simulation application for large aircraft

8 項目管理

數(shù)字化技術(shù)除了給大飛機(jī)設(shè)計與制造提供研制過程中的技術(shù)層面支持外，還應(yīng)提供項目管理的支持應(yīng)用。大飛機(jī)研制過程中，數(shù)字化的項目管理系統(tǒng)對于建議高效化、流程化的集成管理意義十分重大。近年來工業(yè)制造中應(yīng)用較為廣泛的企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)（ERP）能夠?qū)ζ髽I(yè)的人力資源、財務(wù)成本、綜合保障、資產(chǎn)整合等企業(yè)職能全方位管理，極大提高了企業(yè)資源管理能力。大飛機(jī)的數(shù)字化管理系統(tǒng)可以基于上述成熟的ERP，如有必要進(jìn)行二次開發(fā)，使得各個系統(tǒng)的功能更加緊密地服務(wù)于大飛機(jī)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)。

大飛機(jī)數(shù)字化項目管理系統(tǒng)中期待建議如圖4中的5個基本管理模塊，分別為項目規(guī)劃與控制子系統(tǒng)、項目資源管理子系統(tǒng)、質(zhì)量管理子系統(tǒng)、合作事務(wù)管理子系統(tǒng)和指令與審核支持子系統(tǒng)。項目規(guī)劃與控制子系統(tǒng)主要為新飛機(jī)項目設(shè)計，它的作用為規(guī)劃整個項目的關(guān)鍵節(jié)點和主要進(jìn)度，并根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃好的節(jié)點控制各參研部門或IPT團(tuán)隊的研發(fā)進(jìn)程；項目資源管理子系統(tǒng)主要用于調(diào)用分派飛機(jī)設(shè)計制造過程中的各類資源，包括人力資源、設(shè)備資源等，針對具體大飛機(jī)型號建立IPT團(tuán)隊并為IPT團(tuán)隊分配具體的人力資源，實施過程中根據(jù)項目進(jìn)度智能地適當(dāng)增加或者減少資源控制人力成本；質(zhì)量管理子系統(tǒng)建立完整的質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，管理型號研制過程中各類評審或者質(zhì)量自查、復(fù)查產(chǎn)生的質(zhì)量事件并及時通知設(shè)計人員協(xié)調(diào)解決關(guān)閉；合作事務(wù)管理子系統(tǒng)對合作供應(yīng)商或者制造商的相關(guān)活動和事務(wù)進(jìn)行管理，存儲各類供應(yīng)商提交的設(shè)計資料和數(shù)據(jù)，向供應(yīng)商發(fā)放設(shè)計要求文件和相關(guān)數(shù)模等；指令與審核支持子系統(tǒng)集成總師決策系統(tǒng)指令平臺，提供設(shè)計部門相關(guān)執(zhí)行行動項關(guān)閉接口。

圖4 數(shù)字化項目管理系統(tǒng)的組成Fig.4 Composition of digital project management system

9 制造過程

傳統(tǒng)飛機(jī)制造過程中尺寸傳遞仍大量采用模線樣板法，它借助具有特定形狀和尺寸的專門模具，使飛機(jī)設(shè)計圖紙中的形狀和尺寸能夠準(zhǔn)確傳遞到零件上。該方法的缺點是會產(chǎn)生誤差的累積疊加，各個環(huán)節(jié)的尺寸誤差均可能反映到最終的零件上，而為了控制最終零件的誤差，一方面，設(shè)計人員可能對單個零件的尺寸公差要求得特別嚴(yán)謹(jǐn)，超過了生產(chǎn)單位的技術(shù)能力；另一方面，如果設(shè)計人員放松了單個零件的尺寸公差，巨大的積累誤差可能造成飛機(jī)部裝和總裝的困難，造成某些部件無法裝配或者強(qiáng)行裝配后產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，不能滿足疲勞強(qiáng)度要求。

大飛機(jī)制造過程中數(shù)字化技術(shù)期望貫穿設(shè)計制造的整個上下游，是對整個飛機(jī)進(jìn)行的并行協(xié)同定義、建模和仿真。全三維數(shù)模技術(shù)的應(yīng)用避開了三維數(shù)模生成二維圖紙的環(huán)節(jié)，使得三維數(shù)模數(shù)據(jù)從設(shè)計上游無縫傳遞到制造下游，具體的應(yīng)用中可以期望將這些三維定義數(shù)據(jù)直接與制造車間的數(shù)字化加工設(shè)備相連，并與檢測設(shè)備接軌，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)與制造參數(shù)之間的精確對接[5-9]。

結(jié)束語

大飛機(jī)的數(shù)字化設(shè)計與制造是大飛機(jī)高科技含金量的體現(xiàn)，是信息技術(shù)和大飛機(jī)工程有機(jī)結(jié)合的具體應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)將會越來越多地體現(xiàn)在大飛機(jī)設(shè)計的更多環(huán)節(jié)，如大飛機(jī)飛控系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、大飛機(jī)氣動外形數(shù)字化設(shè)計技術(shù)、大飛機(jī)數(shù)字化高集成化裝配等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)處理能力的提高，數(shù)字化技術(shù)會引起大飛機(jī)設(shè)計集成的創(chuàng)新、生產(chǎn)制造的自動集約化，必將推動大飛機(jī)工業(yè)產(chǎn)生革命性的巨變，引領(lǐng)航空工業(yè)邁上新的臺階。

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