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    綜述毀傷評(píng)估系統(tǒng)的建立

    2023-08-09 23:21:08姜玉海郭一諺申航睿吳宇超王曉丹王琳楊賓李政林
    計(jì)算機(jī)應(yīng)用文摘 2023年15期
    關(guān)鍵詞:防護(hù)戰(zhàn)爭(zhēng)信息系統(tǒng)

    姜玉海 郭一諺 申航睿 吳宇超 王曉丹 王琳 楊賓 李政林

    摘 要:文章綜述了在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的精確控制和精確打擊的新概念武器,并以此為基礎(chǔ),最終達(dá)成非對(duì)稱作戰(zhàn)、非接觸作戰(zhàn)、非線性作戰(zhàn)的“三非”目標(biāo)。目前,國(guó)際上傾向于目標(biāo)毀傷信息收集及毀傷效果評(píng)估的研究,文章通過(guò)分析建立一個(gè)快速處理和評(píng)估系統(tǒng)的流程,來(lái)了解國(guó)內(nèi)在毀傷效果評(píng)估方面的情況,并幫助決策分析人員根據(jù)多分散信息源得到的數(shù)據(jù)信息,對(duì)信息進(jìn)行快速綜合分析、處理,最終達(dá)到模擬實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)、進(jìn)行目標(biāo)物毀傷的分析、評(píng)估新型武器的攻擊力、目標(biāo)物的防護(hù)能力,以及充分利用新型材料性能研制新式裝備和防護(hù)的目的。

    關(guān)鍵詞:戰(zhàn)爭(zhēng);評(píng)估:;材料;防護(hù):毀傷:信息系統(tǒng)

    中圖法分類號(hào).TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    在“世界和平,局部戰(zhàn)爭(zhēng)”的背景下,曾有發(fā)達(dá)國(guó)家提出,現(xiàn)代及未來(lái),武裝力量應(yīng)通過(guò)交叉應(yīng)用制敵機(jī)動(dòng)、精確打擊,聚焦式后勤和全維度保護(hù),來(lái)實(shí)現(xiàn)全譜優(yōu)勢(shì)。這樣的思想引領(lǐng)了新一代、新概念全球軍事的發(fā)展競(jìng)爭(zhēng),呈現(xiàn)出更多、更新的技術(shù)應(yīng)用到未來(lái)軍事裝備中。由于網(wǎng)絡(luò)與通信集群技術(shù)、人與信息交互技術(shù)構(gòu)建以及可在任何角度攻擊目標(biāo)的高度智能化系統(tǒng)提出的“三非”作戰(zhàn)模式,對(duì)武器裝備綜合防護(hù)性能要求越來(lái)越高,新型材料的研究和應(yīng)用需要以采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)支撐[1~2] 。如今,信息收集技術(shù)基于各類高清晰探測(cè)技術(shù),以更加精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)收集關(guān)于彈著點(diǎn),攻擊威力等數(shù)據(jù),技術(shù)的改進(jìn)帶來(lái)了目標(biāo)毀傷信息收集及毀傷效果評(píng)估的迅猛發(fā)展。

    1 國(guó)內(nèi)外毀傷評(píng)估現(xiàn)狀

    面對(duì)全方位、精密配合、精確制導(dǎo)、精確打擊的“三非”式立體戰(zhàn)場(chǎng),防護(hù)的概念和標(biāo)準(zhǔn)都受到了強(qiáng)烈的挑戰(zhàn),如圖1 所示。在矛與盾的這組關(guān)系中,當(dāng)矛變得越來(lái)越犀利時(shí),盾的發(fā)展不得不緊跟其步伐。為了達(dá)到以“低毀傷”的目的,建筑物、裝備、武器和人員的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高,促使原有材料性能得到提升,如高強(qiáng)度抗彈玻璃纖維、具抗蠕變性能的合金,以及各類新型材料(負(fù)折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面的超導(dǎo)材料和具有質(zhì)輕、柔韌性好、堅(jiān)硬的納米材料、石墨烯與結(jié)構(gòu)功能一體化材料等)[3~4] 。

    1.1 國(guó)外毀傷評(píng)估現(xiàn)狀

    許多新型材料的出現(xiàn)都是出于軍方的需求,層出不窮的新式武器以及不斷提升的防護(hù)要求使得易損性的試驗(yàn)條件也在不斷增加。新形勢(shì)的戰(zhàn)備競(jìng)賽促使國(guó)外的各軍事強(qiáng)國(guó)針對(duì)不同目標(biāo)開(kāi)展了較為系統(tǒng)的易損性試驗(yàn)研究,并積累了豐富的數(shù)據(jù)。尤其是近年來(lái)微電子和信息技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理速度的提升,為處理分析數(shù)據(jù)性的研究提供了便利。隨著國(guó)際戰(zhàn)爭(zhēng)形式的演變、科技的發(fā)展,裝備遭受的打擊花樣越來(lái)越繁多,因此目標(biāo)毀傷效果分析系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

    目前,發(fā)達(dá)國(guó)家在相關(guān)會(huì)議正式提出目標(biāo)毀傷效果評(píng)估能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)估因軍事力量造成的預(yù)設(shè)目標(biāo)的毀傷效果[5~9] 。目標(biāo)毀傷效果評(píng)估可用于各種武器裝備系統(tǒng)(包括空中、陸地、海上和一些特殊的武器系統(tǒng))的防護(hù)。國(guó)外某些國(guó)家基于信息集成技術(shù)的易損性、毀傷性的評(píng)估可達(dá)到真實(shí)、全方位的模擬多維度實(shí)戰(zhàn)演練。軍事航天裝備的發(fā)展也加強(qiáng)了戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力,這使實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)的收集更方便,有利于排除模糊、不確定的影響因素。

    基于立體空間的模擬評(píng)估技術(shù)和安全評(píng)估機(jī)制,可對(duì)新材料性能進(jìn)行全方位的評(píng)估、測(cè)試,并基于現(xiàn)有材料的參數(shù)基礎(chǔ),對(duì)新型材料的構(gòu)成和性能進(jìn)行預(yù)估,為防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型裝備設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

    1.2 國(guó)內(nèi)毀傷評(píng)估現(xiàn)狀

    國(guó)內(nèi)自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始進(jìn)行目標(biāo)易損性研究,在理論方面對(duì)建立和完善目標(biāo)易損性評(píng)估,有了一定的研究,也提出了一些易損性評(píng)估的新算法、新方法,并在特定目標(biāo)的易損性分析中得到應(yīng)用。如今,國(guó)內(nèi)信息技術(shù)發(fā)展步伐緊跟世界強(qiáng)國(guó),并在數(shù)學(xué)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和模糊計(jì)算方面較為領(lǐng)先,初步實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)模擬實(shí)戰(zhàn),但由于受到數(shù)據(jù)收集、保存手段等因素的限制,導(dǎo)致目標(biāo)毀傷效能評(píng)估的試驗(yàn)數(shù)據(jù),以及不同毀傷形式和不同目標(biāo)的易損性試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏,嚴(yán)重地制約了毀傷評(píng)估的發(fā)展。

    2 簡(jiǎn)述建立毀傷評(píng)估的流程

    2.1 建立毀傷評(píng)估系統(tǒng)的目的

    建立毀傷評(píng)估系統(tǒng)的最終目的是達(dá)到輸入?yún)?shù)的組合方案的效能評(píng)估指標(biāo)。該系統(tǒng)可以模擬實(shí)際戰(zhàn)爭(zhēng)的真實(shí)情況,提升針對(duì)各式新型武器攻擊力的目標(biāo)物的防護(hù)能力,以及進(jìn)行新型材料的應(yīng)用模擬(如目標(biāo)物易損件的幾何體表征、材料模型和毀傷率模型),來(lái)滿足未來(lái)對(duì)各種先進(jìn)武器進(jìn)攻的防護(hù)需求,同時(shí)還能為戰(zhàn)術(shù)決策提供即時(shí)化的信息支撐;更進(jìn)一步的目的是根據(jù)用戶的要求,對(duì)新材料性能進(jìn)行拓展,對(duì)未來(lái)材料性能預(yù)估和對(duì)毀傷情況進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而形成信息化下的綜合防護(hù)技術(shù)應(yīng)用體系,建立完整的武器和材料的參數(shù)和效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù),最終能夠完善毀傷評(píng)估方法和模型及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)體系[10~11] 。

    2.2 建立毀傷評(píng)估的流程

    毀傷評(píng)估需要預(yù)先對(duì)目標(biāo)的防損傷能力進(jìn)行預(yù)估,為裝備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)?;趯?shí)彈試驗(yàn)的毀傷能力與毀傷效果的度量、分析,建立評(píng)估平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)是裝備防護(hù)結(jié)構(gòu)研制、戰(zhàn)略部署乃至實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用全過(guò)程中至關(guān)重要的技術(shù)平臺(tái)。

    毀傷評(píng)估首先要選取與目的相關(guān)的實(shí)體目標(biāo),對(duì)可能受到攻擊的方位、方式、種類等影響因素量化,再根據(jù)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及受攻擊目標(biāo)的材料相關(guān)性能指標(biāo)對(duì)評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、過(guò)濾,然后通過(guò)分析量化評(píng)估體系,提供毀傷評(píng)估算法所需的數(shù)據(jù),建立目標(biāo)毀傷效能量化評(píng)估數(shù)學(xué)模型。分析量化流程圖如圖2 所示。

    在海拔高度對(duì)目標(biāo)體防護(hù)影響的實(shí)際研究中存在兩個(gè)主要的影響因素。

    (1)目前公開(kāi)的資料提出:射表經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算修正值與實(shí)地實(shí)彈試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比存在較大的誤差。

    (2)(海拔/ 每)高度實(shí)彈試驗(yàn)的數(shù)據(jù)難以收集,且費(fèi)用太高。因此,在實(shí)際的研究流程中,首先,選取相關(guān)的實(shí)體目標(biāo),估計(jì)攻擊類型、威力、攻擊角度和方式等影響因素并量化,如1 000 m/45°防???穿甲彈,彈速??? m/ s。其次,根據(jù)考核的標(biāo)準(zhǔn)、受攻擊目標(biāo)的結(jié)構(gòu)(如“三明治”結(jié)構(gòu)),以及材料性能對(duì)評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、分類。例如,???型號(hào)鋼、陶瓷復(fù)合材料等。最后,通過(guò)分析量化的數(shù)據(jù),建立目標(biāo)毀傷效能量化評(píng)估數(shù)學(xué)模型。常用的有限元分析模型采用網(wǎng)格劃分和拉格朗日算法(如圖3 所示的有限元模型)和基于非局部作用思想的近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)理論(如圖3 所示的近場(chǎng)動(dòng)力理論模型),其通過(guò)求解空間積分方程描述物質(zhì)力學(xué)行為,解決奇異性和復(fù)雜性的不連續(xù)問(wèn)題。

    在毀傷評(píng)估體系建立的過(guò)程中,需要考慮以下幾點(diǎn)。

    2.2.1 影響分析評(píng)估的因素

    目標(biāo)毀傷前后的信息采集是目標(biāo)毀傷效果評(píng)估的基礎(chǔ)。通過(guò)查閱資料、調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀察等可以獲得目標(biāo)的相關(guān)基礎(chǔ)信息和歷史資料,也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)偵探獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù),探究數(shù)據(jù)、參量之間的相互關(guān)系(如圖3 所示的距離和彈丸入射角關(guān)系)。

    隨著芯片技術(shù)的發(fā)展,全球衛(wèi)星定位、探測(cè)技術(shù)已經(jīng)克服了時(shí)域延遲和精確度的問(wèn)題,依據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源多手段、多平臺(tái)、全方位的偵察手段能提供大量實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)信息,對(duì)目標(biāo)毀傷效果評(píng)估起著重要作用,基于特定目標(biāo)的實(shí)彈試驗(yàn)?zāi)M收集的信息,更具有針對(duì)性意義。目前,主要通過(guò)衛(wèi)星、戰(zhàn)略偵察機(jī)、無(wú)人機(jī)、主戰(zhàn)平臺(tái)配備的偵察設(shè)備等獲取信息,科技力量促進(jìn)了信息采集技術(shù),以及目標(biāo)毀傷信息采集及目標(biāo)毀傷效果評(píng)估的迅猛發(fā)展。

    目標(biāo)毀傷程度的量化,是綜合考慮在目標(biāo)區(qū)域的概率密度及命中某點(diǎn)后的相應(yīng)目標(biāo)毀傷程度,以命中概率為權(quán)值,將計(jì)算概率加權(quán)意義下的目標(biāo)毀傷程度(又稱之為毀傷指數(shù))進(jìn)行計(jì)算,即目標(biāo)毀傷程度是對(duì)命中概率和目標(biāo)毀傷程度的綜合度量,通常以毀傷指數(shù)來(lái)度量對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的毀傷效能,如公式(1)所示:

    毀傷指數(shù)=?Ω概率密度函數(shù)× 目標(biāo)毀傷程度dxdz =?Ω概率密度函數(shù)( Σ 目標(biāo)單元總數(shù)目標(biāo)單元損毀程度× 目標(biāo)單元影響因子) dxdz (1)

    應(yīng)用近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)理論分析彈靶相互作用,其目標(biāo)單元影響因子包括初始條件(每個(gè)質(zhì)點(diǎn)處定義初始位移和初始速度)和約束條件(在沿著邊界的非零體積虛擬材料層中施加位移和速度場(chǎng)約束),還應(yīng)參考外載荷、工程材料常數(shù)、變形場(chǎng)、近場(chǎng)δ 范圍等參數(shù)。在考慮目標(biāo)單元損毀程度時(shí),獲取適當(dāng)?shù)拿懈怕什⒖紡椡柽\(yùn)動(dòng)曲線(如圖4 所示彈丸剩余速度與彈丸余速),這些要素是量化目標(biāo)毀傷對(duì)不同類型參數(shù)進(jìn)行綜合分類的基礎(chǔ)。

    (1)數(shù)據(jù)處理常用的方法。

    評(píng)估數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計(jì)計(jì)算通常使用的具體方法有:模糊綜合法、灰色白化權(quán)函數(shù)聚類、TOPSIS 法、支持向量機(jī)、環(huán)比系數(shù)法、ADC 法、SEA 法、數(shù)據(jù)一致性分析、平滑濾波法、窗譜分析法、最大熵譜分析等。通常歸類、分析涉及的方法有:主成分分析法、極差分析、方差分析、主成分分析、因子分析、點(diǎn)估計(jì)、單總體區(qū)間估計(jì)、兩個(gè)總體區(qū)間估計(jì)、單總體假設(shè)檢驗(yàn)、兩個(gè)總體假設(shè)檢驗(yàn)、偏度和峰度檢驗(yàn)、正態(tài)性檢驗(yàn)、奇異值過(guò)濾。

    (2)材料特性參數(shù)。

    材料特性是構(gòu)建物理模型的必要參數(shù)。建立目標(biāo)物理等效模型,還需確定材料參數(shù):當(dāng)目標(biāo)體是陶瓷復(fù)合材料時(shí),涉及陶瓷類型,目標(biāo)體的長(zhǎng)、寬和厚度,質(zhì)量密度ρ,楊氏模量E,泊松比;彈丸類型、質(zhì)量,沖擊速度;時(shí)間步長(zhǎng)Δt 取值。考慮到全方位毀傷效應(yīng)數(shù)據(jù)和計(jì)算模型,以經(jīng)驗(yàn)值為參考對(duì)部件毀傷程度量化評(píng)定,如歷次試驗(yàn)數(shù)據(jù)(如圖4 所示靶板的穿深),確定目標(biāo)關(guān)鍵部件的部件影響因子,依據(jù)目標(biāo)的特性建立易損性量化模型。

    (3)影響數(shù)學(xué)模型的特性值。

    構(gòu)建的評(píng)估數(shù)學(xué)模型從武器方面需確定武器的突防概率、可靠性因子,以及可能的瞄準(zhǔn)點(diǎn),并針對(duì)目標(biāo)對(duì)迎彈面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,然后再針對(duì)進(jìn)攻方向建立數(shù)學(xué)模型,最終得到理想的數(shù)學(xué)模型(如圖5 所示的兩類數(shù)學(xué)模型)。武器攻擊和裝備防護(hù)相互作用的特性值決定了計(jì)算結(jié)果。

    為了確定武器的效能和對(duì)各類新型材料性能評(píng)估以及對(duì)理想材料所需參數(shù)的預(yù)估,需建立一個(gè)滿足通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化要求的共享信息處理平臺(tái)。分布式處理系統(tǒng)對(duì)毀傷評(píng)估的數(shù)據(jù)信息的傳輸與處理提供了便利,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分析人員和軍事行動(dòng)策劃人員在任何時(shí)刻,都可以通過(guò)操作系統(tǒng)確定所需目標(biāo)在當(dāng)前的運(yùn)行狀況,而且可以進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)獲取當(dāng)前的目標(biāo)信息,從多個(gè)分散的信息源綜合數(shù)據(jù)信息(如圖3 所示的距離和彈丸入射角關(guān)系)。

    為了能夠?qū)ξ磥?lái)的設(shè)計(jì)、評(píng)估和系統(tǒng)分析提供歷史數(shù)據(jù)與知識(shí),收集來(lái)自數(shù)據(jù)源的原始數(shù)據(jù)和歷來(lái)計(jì)算法得到的結(jié)果,按照不同類別構(gòu)建數(shù)據(jù)模塊,對(duì)一系列的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)集進(jìn)行管理,最終形成模塊化數(shù)據(jù)庫(kù)。整個(gè)評(píng)估平臺(tái)采用了模塊化設(shè)計(jì),其算法和功能的模塊都以插件的形式存在,以便于維護(hù)、擴(kuò)充。模塊化評(píng)估系統(tǒng)如圖6 所示。

    2.2.2 建立共享信息數(shù)據(jù)庫(kù)

    (1)可以提高各個(gè)軍種對(duì)目標(biāo)毀傷信息的共享,方便各軍種的協(xié)作作戰(zhàn)。

    (2)方便數(shù)據(jù)信息的傳輸與處理,可以執(zhí)行分布式的分析、處理以及發(fā)布信息。

    (3)通過(guò)共享數(shù)據(jù)庫(kù)這個(gè)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)更新,便于分析人員和軍事行動(dòng)人員在任何時(shí)刻都可以確定當(dāng)前目標(biāo)運(yùn)行狀況,而且顯著縮短了多個(gè)分散的信息源綜合數(shù)據(jù)信息的過(guò)程,這對(duì)分析、制定策略有很大幫助。

    (4)研究人員可以通過(guò)一個(gè)授權(quán)的操作系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)獲取目標(biāo)信息,這對(duì)武器裝備研制的發(fā)展有很大幫助。目前,毀傷分析與快速預(yù)估缺乏準(zhǔn)確性依據(jù),試驗(yàn)手段和測(cè)試方法都不能滿足動(dòng)態(tài)毀傷的時(shí)空分布參數(shù)的要求。研究海拔高度對(duì)目標(biāo)體防護(hù)的影響就是通過(guò)對(duì)新型常規(guī)彈藥的破壞效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究,進(jìn)而形成信息化綜合防護(hù)技術(shù)體系,并建立完整的防護(hù)體系數(shù)據(jù)庫(kù)、精準(zhǔn)的仿真平臺(tái),形成對(duì)防護(hù)損傷的精準(zhǔn)模擬和測(cè)試能力。最終,形成一套完整的毀傷判斷準(zhǔn)則與評(píng)估方法。

    3 結(jié)束語(yǔ)

    近年來(lái),國(guó)際上多個(gè)國(guó)家、地區(qū)掀起目標(biāo)毀傷效果評(píng)估的研究熱潮,并建立了多種評(píng)估模型———目標(biāo)毀傷效果評(píng)估模型、目標(biāo)毀傷評(píng)估概率模型、目標(biāo)毀傷效果評(píng)估系統(tǒng)。就目前多個(gè)國(guó)家的研究結(jié)果來(lái)看,毀傷效應(yīng)評(píng)估軟件存在以下不足:(1)缺乏工程算法的分析和比較精度;(2)缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證多種毀傷元的耦合計(jì)算結(jié)果的方法;(3)缺乏毀傷分析與快速預(yù)估的準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)依據(jù);(4)缺乏動(dòng)態(tài)多效應(yīng)毀傷的時(shí)空分布參數(shù)的有效和可靠試驗(yàn)與測(cè)試的手段及方法,如現(xiàn)有測(cè)試手段無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)沖擊波超壓空間分布測(cè)試的要求;(5)依靠專家經(jīng)驗(yàn)主觀判斷的評(píng)估方法主觀性較強(qiáng),缺少定量分析。

    目前,國(guó)內(nèi)在毀傷和易損性評(píng)估方面的研究主要集中在以下幾點(diǎn):(1)怎樣利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)搭建毀傷評(píng)估的平臺(tái);(2)如何確定數(shù)據(jù)的有效性;(3)如何在現(xiàn)有的相關(guān)評(píng)估方案的基礎(chǔ)上選擇、確定控制目標(biāo)和實(shí)施的措施,使毀傷和易損性評(píng)估達(dá)到動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)的完善;(4)如何建立和維護(hù)毀傷和易損性評(píng)估。這一系列過(guò)程方法的研究可推動(dòng)裝備評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的建立。今后,目標(biāo)毀傷效果評(píng)估將會(huì)成為裝備防護(hù)技術(shù)的研究重點(diǎn)。

    參考文獻(xiàn):

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    作者簡(jiǎn)介:

    姜玉海( 1978—), 碩士, 高級(jí)工程師, 研究方向: 綜合防護(hù)。

    郭一諺(1978—),碩士,研究方向:綜合防護(hù)(通信作者)。

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