Drones y tecnología como elementos claves en la
gestión de procesos constructivos: una revisión de literatura.
Drones and technology as key elements in the
management of construction processes: A literature review.
|
Ing. María
Catalina Solórzano Bákit Posgrados
Fidélitas San José,
Costa Rica |
Ing.
Edgardo Porras Bolaños Posgrados
Fidélitas San
José, Costa Rica |
|
Ing. Jerson
Jiménez Jiménez Posgrados
Fidélitas San José,
Costa Rica |
Ing. Manuel
Méndez Flores, MSc. Posgrados
Fidélitas San José,
Costa Rica |
Fecha de recibido: 09 de octubre 2020
Fecha de aceptado: 27 de noviembre
2020
Resumen.
Este artículo es una revisión de literatura que tiene como objetivo describir
la importancia de los drones para gestionar las operaciones de procesos de construcción
en la actualidad. Se realiza una búsqueda exhaustiva de fuentes con carácter
científico y se descartan artículos con más de 6 años de publicación.
Posteriormente,
se muestran puntos de convergencia del uso de drones en operaciones
relacionadas a otras disciplinas de la ingeniería de construcción, se mencionan
programas informáticos especializados en fotogrametría y mapeo en 3D, los
cuales facilitan diferentes trabajos de campo, reduciendo los tiempos y costos
operativos. También se indican los costos aproximados tanto de los drones como
de los softwares más utilizados en la actualidad. Por último, se
menciona el papel de esta tecnología en los modelos 3D y cómo pueden estimar
fácilmente losvolúmenes de agregados y compuestos desde un punto de vista
aéreo.
Palabras clave:
dron; ingeniería civil; ingeniería de la construcción; software; modelado 3D.
Abstract- This article is a literature review to determine the
importance of drones in construction engineering today, where information is
collected from the first artifacts that were used with the same utility as
drones today, making a small Historical review of the advances over time with
respect to the technology of these aircraft to later explain their origin and
different daily applications in today's life.
Likewise, the importance of drones is developed and
some of their applications in the construction sector are mentioned, such as
specialized software in photogrammetry and 3D mapping which facilitate the
different jobs, reducing operating times and costs. The approximate costs of
both the drones and the most widely used software worldwide are also indicated.
Keywords-Drone; Civil Engineering; Construction engineering;
Software; 3d modeling.
I.
INTRODUCCIÓN
Esta
investigación recopila diversos datos sobre los drones y su importancia para el
sector de la construcción en la actualidad. Inicia desde los orígenes a
mediados del siglo XIX, cuando se enviaron globos de aire caliente como arma de
guerra y continúa con diferentes invenciones que llevaron a las aeronaves no
tripuladas; seguido de la creación de los drones como se conocen hoy en día,
los cuales son complementados mediante programas o aplicaciones tecnológicas
que facilitan recopilar información para los diferentes usos en el sector de la
construcción, como los levantamientos topográficos y de puntos en estructuras
existentes. También se facilitará información técnica, así como características
de los drones y programas informáticos, además de los costos estimados de los
mismos.
A. Antecedentes históricos
A
través de la historia, la guerra ha intervenido en la creación de avances
tecnológicos, formas de pensar y usar la tecnología[1].
Algunos métodos y aplicaciones en ingeniería, por ejemplo, se crearon buscando
mejores maneras de proteger las ciudades, haciendo muros más altos o más anchos,
en fin, buscando la mejor manera de defenderse. Las armas, los materiales como
el hierro y luego el acero, contribuyen al progreso de la civilización y a los
avances tecnológicos que conllevan a la invención de los primeros drones[2].
En el año 1782, los
hermanos Montgolfier fueron los primeros en experimentar lo que en las
siguientes décadas se denominaría vuelo estático no tripulado [3].
Fig. 1 Representación del primer globo
de aire caliente [3].
Luego, a mediados
del siglo XIX, se utilizaron en Venecia globos con explosivos, que causaban
mucho daño aleatoriamente al enemigo y al mismo ejército que los envió [3].
Esta idea fue evolucionando, con experimentación de diferentes propuestas aportadas
por científicos reconocidos como Nikolai Tesla y Charles Kettering, los cuales
contribuyeron con diferentes prototipos y la radio frecuencia, que es la clave
del funcionamiento de los drones que existen hoy en día [4].
“Luego de la
aparición de la radio, el radar, y de los primeros drones aplicados en el
ámbito bélico profesional, en 1950, se comenzaron a construir prototipos de
aviones con motores de reacción.[3]
Estos motores transformaron la aviación comercial ya que permitieron cubrir
grandes distancias volando a una velocidad superior a los ochocientos
kilómetros por hora (800 Km/h)”.
Fig. 2. Línea de tiempo de los
principios de los drones[1].
En la década de los
70, se empezó a invertir más en el desarrollo de los drones y luego, en la
década de los 80, se logró crear un dron que permaneció en vuelo durante más de
50 horas, cuando lo común eran 2 horas en vuelo, hasta el momento. Además, el
desarrollo de la inteligencia adicionó el GPS a los dispositivos y así se
podían guiar de una manera más precisa[5].
En la década de los
90, la inteligencia militar de los Estados Unidos voló drones sobre Bosnia,
debido a que las imágenes satelitales eran de baja calidad. Al mejorar las
desventajas que presentaba el modelo anterior, se creó el Predator y
este se utilizó en varias misiones militares estadounidenses muy importantes[6].
En el 2006, se da
una apertura de legislaciones para poder hacer y volar drones comerciales,
abriendo así el mercado a una variedad de opciones y ámbitos para la venta y
uso de drones. Fue en el año 2010 cuando se vendieron exitosamente los primeros
drones con acceso a wifi que se piloteaban desde teléfonos inteligentes[7].
Lo anterior dio paso a la innovación de
Amazon, quien difundió su idea de entregar sus productos con drones, para lo
cual se debían liberar más leyes de tránsito aéreo para estos dispositivos[8].
B. EL ORIGEN
La
palabra dron se deriva de la palabra en inglés drone (literalmente “zángano”
o “abeja”), para referirse a una “aeronave no tripulada”[2].
Aunque dron es la
palabra más común para estos dispositivos, en el ámbito de las aplicaciones civiles
se les conoce de diferentes maneras, primero fueron conocidos como ROA por sus
siglas en inglés “Aeronave piloteada remotamente” y luego evolucionó a UA por
sus siglas en inglés “Aeronave inhabitada”[8].
Fig. 3. Dron de la actualidad.[2]
Se debe entender que
los drones son tecnología que cada vez encuentra más utilidades y, por lo tanto,
no dejará de existir y pasar como una moda pasajera en un tiempo.
La interacción de esta nueva tecnología
aérea con otras, como la fabricación digital, el entorno BIM (Building
Information modeling) y los nuevos materiales de construcción, definirá, según
los analistas, buena parte del desarrollo de la industria de la construcción a
medio plazo[1].
El uso de drones maximiza el tiempo en 10 veces, reduce los riesgos del trabajo
y mejora la recolección de datos, dando datos más precisos y certeros. Por lo
cual, la industria de la construcción aprovecha los beneficios de los drones
gracias a los siguientes aportes[6]:
·
Tareas
de logística.
·
Inspección,
monitoreo y control en tiempo real.
·
Generador
de big data sobre el avance.
Fig. 4. Dron utilizado para logística[9].
Se han utilizado
programas de la compañía AutoDesk® para generar big data con un dron en
un edificio, creando con este reportes de avance de obra, fotografías precisas
y mediciones, que ayudan a llevar el control de los proyectos más ágilmente.
Fig.
5 Dron utilizado en medición de terrenos[6].
II.
LA
IMPORTANCIA, APLICACIÓN Y COSTOS DE LOS DRONES EN LA CONSTRUCCIÓN
A. Importancia en procesos constructivos.
Hoy en día, es más frecuente
el uso y las aplicaciones de estas nuevas tecnologías en el sector de la
construcción[7]; por lo que, al utilizar este tipo de
aeronaves no tripuladas, se obtienen
varias ventajas directas en cuanto al ahorro de tiempo y precisión de
los datos que agilizan los procesos constructivos, proporcionando información
tanto en imágenes como en medidas directas con precisiones altamente favorables.
Además, presentan una reducción de los peligros laborales, ya que se pueden
realizar inspecciones de mantenimiento de infraestructura, sin poner en riesgo
la vida humana, o incluso, disminuir los riesgos en una obra debido a su campo
de cobertura, facilitando una mejor planificación del proyecto[4].
B. Aplicaciones.
El sector de la ingeniería
civil amplía su potencial con el uso de drones, estos robots no tripulados
poseen procesadores, GPS (Global Positioning System) y programas
computacionales que aportan a los usuarios información espacial importante a
través de sensores incorporados[5].
Sus aplicaciones en el área constructiva cada vez presentan
mayor impulso en las empresas que los utilizan, mencionando algunos de sus usos
en el campo de inspecciones de construcción, levantamientos topográficos,
mantenimiento de infraestructuras, impacto ambiental, imágenes con fines de
exploración geológica, gestión de riesgos, etc.[10]
A
continuación, se mencionan algunas de las aplicaciones más relevantes
utilizadas en el sector de la construcción:
1) Gestión y ejecución de trabajos de
riesgo: la gestión del
riesgo está basada en identificar y analizar factores de riesgo a lo largo de
la vida de un proyecto, implicando el control de posibles eventos
catastróficos, de tal manera que se pueda cuantificar y predecir su impacto de
manera anticipada, por ejemplo, el uso de los drones en zonas con alto impacto
de deslizamientos, inundaciones, terremotos, incendios o zonas con
radioactividad, permitirán gestionar
soluciones o posibles eventos ante un proyecto futuro por desarrollar[8].
En Europa, existe un proyecto llamado
ARCAS (Aerial Robotics Cooperative Assembly System), dirigido por Aníbal
Ollero, catedrático de la Universidad de Sevilla, el cual ha diseñado drones
capaces de transportar y realizar ciertas tareas de manipulación de manera
segura y eficaz. Estas labores se realizan mediante mecanismos o brazos
articulados que facilitan la ejecución de trabajos con el objetivo que puedan
construir o desmontar estructuras con muy diversos fines, como lo son labores
de inspección o mantenimiento en los sectores energético y espacial.
Este tipo de tecnología presenta la
capacidad de elaborar y gestionar trabajos de alto riesgo con la finalidad de
proteger la vida de la población, el patrimonio de las personas y del Estado[8].
2) Levantamiento del terreno: los levantamientos topográficos se
utilizan para identificar los límites y características de una propiedad, este
incluye mediciones horizontales y de elevación vertical del área que se
examina, así como la ubicación de estructuras existentes. En el desarrollo de
obras de construcción, estos estudios son indispensables, ya que proporcionan
información básica para determinar si un proyecto es viable o no, por ejemplo,
las obras lineales como carreteras o vías de tren necesitan un amplio trabajo
previo en análisis del terreno; adicionalmente, se puede realizar un
levantamiento topográfico de un sitio montañoso para evaluar las pendientes de
las pistas de una estación de esquí; de la misma manera para valorar la idoneidad
de la tierra para un campo de golf, o bien para realizar la planificación y
desarrollos urbanísticos en una zona determinada[11].
El uso de fotografías aéreas geo
referenciadas por medio de coordenadas GPS permite recopilar la información
necesaria para realizar mediciones de distancias, cálculo de áreas y volúmenes
con mayor precisión, también permite
elaborar levantamientos topográficos y planos de curvas de nivel. Esta
información en la fase constructiva de un proyecto permite presupuestar de
manera detallada y con mayor precisión los costos de una excavación, ahorrando
en tiempo y evitando el envío de personal y equipo topográfico para la
evaluación del terreno.
Estas imágenes también son útiles una vez se cuente con el
terreno limpio y nivelado, ya que permite tener un plano fotográfico para
planificar la obra tomando en cuenta los factores de logística y seguridad
necesaria para que el proyecto se desarrolle de manera eficiente.
Fig. 6. Levantamiento topográfico[6].
3) Proyección de renders o modelado 3D: en la fase de proyecto de una
edificación y mediante el uso de software de modelado tridimensional,
con la ayuda de drones y cámaras de 360°, se pueden capturar imágenes y videos
de alta calidad que se pueden fusionar para diseñar elaborados modelos de
edificios con gran nivel de detalle utilizando programas de renderizado de
última tecnología, de los cuales se obtienen imágenes del proyecto difíciles de
distinguir de la realidad[4].
Estas imágenes son muy valiosas para la
promoción inmobiliaria y corporativa de una compañía, ya que incrementan las
posibilidades de venta del inmueble, ahorrando incertidumbre y costos de
financiación al organizador.
4) Seguimiento, control e inspección de
infraestructura: hoy en
día las inspecciones son indispensables tanto en edificaciones en proceso de
construcción como en cualquier otro edificio para así prolongar su vida útil.
Según el tipo de proyecto o las características geométricas que presente, puede
resultar muy difícil acceder a algunas zonas para inspeccionarlas, siendo esta
una de las principales ventajas del uso de las aeronaves no tripuladas, ya que es
posible inspeccionar cualquier sitio de forma rápida, segura y económica.
En el mercado, ya se encuentran
disponibles drones equipados con cámaras de alta definición, algunas presentan
visiones térmicas y multiespectrales que permiten detectar averías,
mantenimientos, realizar inspecciones de día o de noche con rutas programadas
para que el dron por sí solo ejecute los recorridos de forma autónoma y precisa[12].
Algunos de los tipos de infraestructura
más utilizados a nivel mundial para los controles e inspecciones de obras son
en la construcción de puentes, líneas eléctricas, carreteras, líneas de
ferrocarril, parques eólicos, túneles, represas hidroeléctricas, edificios,
tejados, muelles, pozos petrolíferos, entre otras.
De esta manera, los drones simplifican
estos inconvenientes presentes en obras de gran magnitud, haciendo fácil y
económica una tarea que, de otra forma, podría resultar con costos
significativos y, a la vez, comprometiendo la seguridad de las personas. Ya no
es necesario montar andamios o alquilar grúas, un vuelo de dron puede
proporcionar rápidamente el punto de vista necesario a pocos centímetros aportando
la calidad necesaria para la toma de decisiones[4].
C. Costo de los drones.
En las siguientes tablas, se
presentan algunos tipos de drones disponibles actualmente en el mercado con sus
respectivos costos aproximados, los cuales reúnen las mejores prestaciones al
lograr grabaciones y fotografías que consiguen una producción completamente
profesional, al incorporar elementos como el gimbal, estabilizadores ópticos y
sensores térmicos[1].
Tabla
1. Comparación de drones.
Fuente: [7]
En el mundo de la construcción existen muchos tipos de
proyectos, como los de vivienda, comerciales, viales, urbanísticos, entre
muchos más, sin importar ante cuál de estos proyectos se esté, ya sea privado o
público, el uso del drone será una excelente herramienta que brinda muchos
datos técnicos importantes y ahorra tiempo en los trabajos de campo.
Los drones profesionales son, en definitiva, los mejores
equipos que se pueden comprar hoy. Además, la automatización es el siguiente
paso en la evolución de la tecnología de drones[4].
Tabla
2. Comparación de drones.
Fuente: [7]
III.
TIPOS
DE SOFTWARE O APLICACIONES
En la actualidad existen
variedades de aplicaciones que simplifican procesos de edición fotográfica,
estas se pueden encontrar en internet, algunas de forma gratuita con funciones limitadas
o versiones profesionales, las cuales requieren de licencias mensuales o
anuales y sus fabricantes brindan las actualizaciones y soporte técnico para la
mejora continua. Independientemente de cuál se adquiera, se debe conocer previo
a la compra, las necesidades que requiere cada usuario para adquirir el software
óptimo[13].
La consultoría y planificación de un proyecto son dos áreas
de la ingeniería y arquitectura que se han beneficiado en gran manera con la
tecnología de los drones, ya que los estudios técnicos y preliminares son
insumos técnicos fundamentales para realizar los diseños (arquitectónicos,
estructurales y electromecánicos) para, posteriormente, iniciar la construcción[4].
El tipo
de dron y softwares que se debe utilizar dependerá de qué tipo de
información se desea obtener por medio de la fotogrametría aérea y es ahí donde
empieza la pericia del profesional o empresa al momento de escoger el mejor
equipo tecnológico para trabajar[14].
A. Fotogrametría aérea
Por medio de la
fotogrametría aérea se puede obtener mapas y modelos en 3D, para esto se
necesitan tres elementos[2]:
1)
El
drone.
2)
Cámara.
3)
Software.
Las calidades y alcances de
un proyecto dependerán de estos tres
elementos, pero también está la parte humana y profesional, donde se debe
conocer la ruta, el área y la zona o estructura de donde se requiere obtener la
información, tal como:
·
Nubes
de puntos.
·
Modelos
de edificios en 3D.
·
DEM
/ DTM / DSM (modelos de superficie).
·
Ortofotografías
(imágenes aéreas corregidas geoespacialmente).
·
Mapas
topográficos/terrenos/Mapas de contorno.
·
Características
planimétricas (bordes de carreteras, alturas, señalización, huellas de
edificios, etc.).
·
Levantamientos
volumétricos.
Algunos de los sectores de
la construcción que utilizan los mapas y modelos 3D son:
·
Construcción
y restauración de edificios.
·
Gestión
y planificación urbana.
·
Planificación
del transporte.
·
Prevención
del riesgo de inundaciones o deslizamientos.
B. Softwares de fotogrametría aérea.
A continuación, se presentan
algunos de los softwares más importantes del mercado, los cuales pueden
ayudar en cualquier proyecto de ingeniería y arquitectura relacionado con la
consultoría y construcción:
1) DroneDeploy: es la marca líder a nivel mundial, se
caracteriza por su fácil uso tanto para principiantes como profesionales.
Funciona con la mayoría de los drones de la marca DJI. Esta marca tiene tres
versiones de software, (Avanzado, Negocios y Corporativa), siendo esta
última la más completa y recomendada para proyectos profesionales, algunas de
sus principales características son:
·
Gestionar
vuelos.
·
Análisis
y mapas de procesos.
·
Gestionar
equipos (seguimiento de cientos de pilotos y colaboradores a través del
Panel de Administración).
·
Fácil
de administrar.
·
Datos
en varios formatos (Analice sus mapas de drones y nubes y entregue los
datos en el formato de su elección, como JPG, TIFF, OBJ, LAS, SHP y DXF)[14].
El
costo de este software anualmente va desde los $1 188 USD
a los $4 788 USD, dependiendo de su versión.
2) Pix4D: este es otro de los más conocidos y populares, ya que
cuenta con 11 tipos de software para diferentes usos, los más conocidos
son el Pix4DMatric y el Pix4DMappe, el cual presenta las
siguientes características:
·
Nube
de puntos de color.
·
Nube
de puntos clasificada.
·
Modelo
de superficie digital del suelo.
·
Modelo
digital del terreno (DTM)/Modelo de elevación digital (DEM).
·
Ortomosaico
terrestre.
·
Líneas
de contorno.
·
Modelo
digital de fachada.
·
Fachada
ortomosaica.
·
Malla
texturizada 3D.
·
Vectores
digitalizados.
·
Mapas
térmicos.
El costo de este software
anual es de $3 500 USD el Mappe y $3 990 USD el Matric[6].
3) AutoDesk ReCap Pro & Photogrammetry: una de sus mayores ventajas es la fácil
integración de la información a los programas de AutoDesk, parte de sus
características son[12]:
·
Un
nuevo motor de fotogrametría que puede procesar hasta 1000 fotos.
·
La
capacidad de establecer GPC (puntos de control terrestre, puntos de
levantamiento) en cualquier sistema de coordenadas.
·
Nueva
funcionalidad para admitir fotos verticales y nadir (fotos tomadas por drones y
UAV a 90 grados sobre el sitio).
·
Ver
su malla con textura fotográfica 3D.
·
Vista
ortográfica geolocalizada, acerque y aleje, además, agregue medidas, etiquetas
y anotaciones.
·
Comparta
el proyecto, incluidos sus metadatos adicionales (medidas, etiquetas,
anotaciones), con cualquier persona.
·
Fusionar
nubes de puntos de escaneo láser con nubes de puntos basadas en UAV.
El
costo anual es otra de las particularidades, ya que, en comparación con los
anteriores, es mucho más bajo, siendo solo de $350 USD[9].
4) SimActive Correlator3D™: fue de los primeros softwares de
fotogrametría (2003) y desde entonces se ha mantenido a la vanguardia en la
innovación. Esto los ha llevado a que muchos de sus clientes sean de la
industria cartográfica y gobiernos alrededor del mundo; tiene la característica
especial de que su uso no solo se limita a drones, sino también a aviones y
satélites, lo que lo convierte en una herramienta muy poderosa para proyectos
que involucren mucha área o ciudades muy desarrolladas, a nivel general las características
principales son[3]:
·
Modelos
digitales de superficie densos (DSM).
·
Modelos
digitales de terreno (MDT).
·
Nubes
de puntos.
·
Ortomosaicos.
·
Modelos
3D.
·
Funciones
3D vectorizadas.
Con respecto al costo
de este software,
se puede adquirir de manera permanente desde los $5 900 USD hasta
los $6 400 USD o anualmente por $2 950 USD.
IV.
AVANCES
Y FUTUROS USOS
Hoy en día, los drones son
bien conocidos como dispositivos de captura de datos, pero en el futuro, se les
verá realizar el ciclo de vida completo: capturando datos, analizando esta
información y luego actuando sobre ellos. En adelante, se verán cultivos de
drones agrícolas que exploran campos enormes, detectan malezas y otros
problemas, además, realizan un seguimiento enviando comandos a drones que
pueden rociar un herbicida. Las mejoras en la tecnología de drones, la
evolución de la inteligencia artificial y los algoritmos mejorados harán que
los drones no solo sean más útiles, sino también críticos para las cadenas de
suministro en casi todas las industrias, en las economías primarias y
secundarias[15].
Pronto, los drones autónomos estarán programados para volar
en una ruta constante por sí mismos, incluso despegando, aterrizando y
cargándose de forma autónoma. En 2020, los drones en muelles autónomos se verán
en sitios de construcción, de petróleo y gas. Habilitado por la regulación
avanzada, con un clic de un botón, los pilotos podrán lanzar un dron desde un
muelle para trazar un mapa del mundo[10].
De acuerdo con la Universidad Estatal de San Diego y Action
Drone Inc., se están desarrollando nuevas técnicas de drones para hacer que la
topografía, la inspección de la calidad de la estructura y la volumetría se
conviertan en parte del mundo de la construcción, creando un entorno 3D de la
zona de construcción o la estructura.
Los drones y el modelado 3D serán muy importantes en la
industria de la construcción, ya que ahorran costos generales y prometen
mayores retornos de la inversión (ROI) para los accionistas. Con los ahorros
financieros que proporciona esta técnica, muchas empresas de construcción
utilizarán drones como procedimientos operativos estándar en su entorno de
trabajo[16].
Los modelos 3D ahora pueden estimar fácilmente los
volúmenes de agregados y compuestos desde un punto de vista aéreo. Estos datos
pueden ayudar en el inventario semanal o diario, proporcionando en tiempo real
la cantidad de asfalto o cemento necesaria para terminar una carretera o, por
ejemplo, la cantidad de estuco necesaria para cubrir todo un edificio[11].
Los
modelos 3D también pueden ayudar a determinar muchas decisiones y soluciones. Además,
el director del proyecto podrá conocer la progresión real de este. Esto le
permitirá calcular el tiempo estimado de finalización, así como implementar el
apoyo y el compromiso de la alta dirección con el proyecto[4].
V.
CONCLUSIONES
Se han mostrado solo algunos
ejemplos de cómo los expertos en la industria de la construcción utilizan los
drones actualmente. Las empresas de drones están poniendo esta tecnología
volumétrica a disposición de los expertos en drones emergentes.
Las esperanzas para la industria son que las empresas de
drones puedan crear un nuevo ciclo de trabajo que incluya volar los drones diaria
o semanalmente sobre los sitios de construcción para recopilar datos
específicos con facilidad.
Este es solo el comienzo de la tecnología de drones,
existen nuevas técnicas de inspección y levantamiento que facilitarán todos los
aspectos del proceso de construcción. Es solo cuestión de tiempo antes de que
los drones se incluyan en los procedimientos de operación estándar en la
mayoría de las grandes obras de construcción.
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[7] A.
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http://sedici.unlp.edu.ar/handle/10915/82579.
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http://dspace.umh.es/bitstream/11000/2211/1/TFM Díaz Cantos, Óscar.pdf.
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[15] S. Beninger and
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[16] R.
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