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Integración de Modelos de Simulación y Conocimientos Técnicos deSistemas de Buques en Guiones Expertos Multimedia
J. Terróne-mail: julio.terron@uca.es
C. Corralese-mail: carlos.corrales@uca.es
Facultad Ciencias NáuticasC/Polígono Río San Pedro s/n
11510 Pto. Real. CádizTfno: 956/016124- 956/016000 Ext. 6544
Fax: 956/016126J.L. Lozano*
e-mail: joseluis.lozano@uca.es* Escuela Politécnica Superior de Algeciras
Universidad de Cádiz
Resumen
En este trabajo se presenta la experiencia educativadesarrollada en la asignatura “Metodologías deAnálisis, Modelado y Planificación de Sistemas” tantopara la especialidad de Puente como de Máquinas enlos estudios de la Facultad de Ciencias Náuticas. Semuestran algunos de los modelos matemáticosdesarrollados de la dinámica de buques, modelos 3Drealizados en realidad virtual, las experiencias desimulación realizadas y un uso más adecuado de lasmismas, la organización y estructuración delconocimiento adquiridos mediante redes causales,modelos cualitativos, reglas expertas, diagramación,etc., y el proceso seguido por el alumno en suaprendizaje (por descubrimiento y significativo)correspondientes al moderno paradigmaconstructivista y cognitivo usados actualmente eneducación.Con objeto mostrar las actividades realizadas paraprovocar la integración de conocimientos, lacreatividad y motivación en el alumno, el trabajo engrupo, y recaer la responsabilidad del aprendizaje enellos, se presentan algunos ejemplos de los guionesexpertos generados para fijar la experiencia,mediante las técnicas multimedia. Así mismo semuestra el planning de relación y uso de algunasherramientas como Mathcad, Vissim, Matlab,Autocad, Automation Studio, Ladview, realidadvirtual para crear páginas web, tanto para generaciónde documentación (apuntes vivos) como para laformación a distancia correspondiente al modernoconcepto de laboratorio virtual.
Palabras Clave: Conocimiento, aprendizaje,cognitivismo, constructivismo, control, modeladocualitativo y funcional, simulación, software,multimedia, formación a distancia, realidadvirtual, diagnóstico, supervisión, interface HMI,sistemas expertos.
1 INTRODUCCIÓN
En nuestra labor docente, hemos constatado ennuestros alumnos en relación al conocimientocuestiones como: deficiencias en la integración yestructuración de los conocimientos, ausencia devisión global, no saber enfocar lo relevante de unproblema, dificultades para analizar y razonar desdediversas perspectivas. Para ello dentro de la escuelade aprendizaje constructivista y cognitiva [4], sepresenta la metodología seguida en el llamadoaprendizaje significativo y por descubrimiento,tratando de trasladar la responsabilidad delaprendizaje al propio alumno., dentro de unambiente de clase creativo y motivacional.
2 CARACTERÍSTICASPROFESIONALES DEL MARINO
2.1 CARACTERÍSTICAS DEL TRABAJO
- Maneja y debe ser experto en múltiples sistemascomplejos y de continua sofisticación tecnológica.- Asignación de excesivas funciones y de diferentenivel.- La reducción de personal provoca concentración defunciones, solapado de los modelos mentales dedistintos campos de la tecnología.- Labor de alto nivel de responsabilidad y de rapidezde respuesta en solitario ante los problemas.- Necesidad de trabajar de forma coordinada encomunicación y formación a distancia desde tierra.- Excesiva carga de trabajo a bordo que le impidedisponer de tiempo para formación.[17]- Necesidad de aprender a trabajar en grupo.(fig. 2)
2.2 NECESIDADES DE FORMACIÓN
De la gran cantidad de conocimientos y funciones (fig.2) se deducen las siguientes necesidades de formación:- Formación multidisciplinar experta y versátil.- Integración de los conocimientos y modelosmentales de diferentes disciplinas.- Flexibilidad de pensamiento y capacidad de análisisdesde diferentes perspectivas.- Poseer alto nivel de abstracción y conocimientoprofundo del comportamiento de los sistemas.- Seguridad de razonamientos, inferir hipótesis, tomarápidas de decisiones.- Conocimientos de modernas técnicas de control,informática, supervisión de sistemas (fig. 1).
Fig. 1: Instalaciones técnicas de un buque moderno
Figura 2: Conocimientos y funciones del marino
3. OBJETIVOS PERSEGUIDOS
El objetivo primordial es intentar conseguir que elmarino de cualquier especialidad, sea lo más expertoposible en su trabajo. Es decir que tengan lascaracterísticas siguientes [17]:
- Intuición basada en la experiencia para resolverproblemas complejos.
- Usar modelos cuantitativo y cualitativos en surazonamiento.
- Expresar su conocimiento con relacionescausales.
- Poseer estructuras de conocimiento profundas yusar reglas heurísticas o atajos en la búsquedade la solución.
- Ser flexibles y usar diferentes estrategias paradiferentes problemas o situaciones. Como porejemplo organizar una búsqueda selectiva deuna avería, evitar lo innecesario, organizarjerárquicamente las funciones del sistema...
Para ello pensamos que una de las cosas másimportantes en los últimos cursos de la carrera esintegrar, relacionar los conocimientos de lasdiferentes asignaturas estudiadas en los cursosanteriores. Es de sobra conocido la importancia delmodelado y la simulación, cuyo objeto es lacomprensión más profunda del sistema, de lainterrelación de parámetros fundamentales y laobtención de conocimiento experto. Hay cantidad detipos de modelos y no solo los que usamos en lastécnicas de control. En ese sentido proponemosintroducir en las carreras una asignatura genéricaque trate de temas de modelado, metodologías deanálisis, simulación, planificación, en definitiva quesea un foro donde se intente que el alumno aprenda aaprender, a pensar, a sacar sus propias conclusiones.
En nuestra labor docente los conocimientosintroducidos en nuestros apuntes o temas escritosque les entregamos, suelen ser son una mezclaintencionada de texto, fórmulas y gráficos desistemas o de señales, y si son buenos deben llevarun guión dirigido a un objetivo y representar unproceso mental de cálculo o de exposición teórica.
Así mismo las simulaciones que usamos en el campodel control suelen estar orientadas a optimizar laseñal de salida mediante las técnicas de control ypor ejemplo, las programaciones visuales conSimulink© ofrecen unos diagramas de bloquesorientados más bien a las operaciones matemáticas arealizar sobre las señales de entrada, para queproduzcan unas salidas optimizadas. Elconocimiento y el razonamiento capturado en estosmodelos está más cerca del proceso de cálculo quedel nivel humano de comprensión.
Instrumentación
Experiencia en ingeniería: Mecánica, electrica,
Automática, Electrónica, Neumática, Hidráulica..
Manuales deequipos
Modelos de simulación
Condiciones de operación
Diagnóstico
Mantenimientopredictivo
Interpretaciónanálisis
tendencias
ReparaciónSupervisión
Control
Manejo equiposPLC, PC, RedesSistemas navales
Generar Documentación
Capacidad de mando, flexibilidad
Por otro lado las interfaces técnicas de control ysupervisión de los sistemas SCADAS tienen porobjeto la representación del sistema para que eloperador realice sin error la supervisión y control dela planta. Normalmente reproducen los planos deingeniería e incorporan relojes digitales y analógicosde las variables fundamentales, en los lugares demedida. El razonamiento es de operación y la visiónque presentan es la de funcionamiento es la de flujo demateria o energía del proceso[17]
Proponemos generar para el estudio del alumno,interfaces de presentación de la simulación basadasen mapas conceptuales y modelos cualitativos y queescondan los modelos matemáticos detrás, de formaque simulen las redes causa-efecto que relacionan lasvariables. El objeto es representar la forma de pensardel operador y que trate de cubrir los campos delmantenimiento y diagnóstico. Es decir ser capaz derepresentar de otra forma, de redescubrir, deaprovechar representaciones de otros campos, deimaginar soluciones nuevas, de producir conocimientoprofundo, que en definitiva es el que permanece en la
Figura 3: Integración de modelos en documentoelectrónico y en página Web.
memoria a largo plazo fijando la experiencia [17]Estas actividades propuestas, se ven actualmentefacilitadas por las características de integración desimulaciones, fórmulas, gráficos que ofrecen lasactuales herramientas de software como Mathcad©y Vissim©[20], Visio©[11] y que también facilitanla formación a distancia importante para el marino,por su posibilidad de integrarlo todo en una páginaWeb en Internet con elementos multimedia.(fig 3)[14] [9].
En ese sentido, para aseverar estos argumentos,entresacamos de la propia publicidad de Matcad© losiguiente: “El uso de Mathcad integrafuncionalidades numéricas y simbólicas, y permiteexplorar problemas, formular ideas, analizar datos,modelar y chequear escenarios, determinar la mejorsolución... y finalmente documentar, presentar ycomunicar los resultados”. Así de lo que se trata dedefinir son estrategias de aprendizaje y compartirconocimientos.
3. ACTIVIDADES DE APRENDIZAJEA continuación se resumen algunas de las
actividades realizadas en clase:
- Modelos matemáticos del buque y elementos degobierno del simulador de navegación [10] medianteprogramación visual orientada a objetos conVissim©[20], Mathcad©[12], Matlab©. Paraobtener un modelo matemático simplificado delbuque (Fig. nº 4) se realizan pruebas en el simuladoro en buques, tales como el test de espiral que sirvepara determinar la relación no lineal entre el ángulode timón y la velocidad de caída del buque (a) y (b).Para obtener la dinámica del movimiento de balancese mide su período natural y el efecto de las aletasestabilizadoras (d). A partir de los modelos derumbo y balance (f) se puede simular elcomportamiento del buque y ajustar los respectivoscontroladores.[3]
Figura 4: Experiencias de obtención de modelos delbuque
libro electrónico comoentorno de trabajo real
Página WWWFormación a Distancia
Zona de enunciados, explicaciones, introducciones TEXTOS
Ecuaciones matemáticas interactivas
CurvasResultados
Modelo interactivo
P
Q
Tw
Ti
Tc To
HG
estψ&
δ5º
º5=δ
º10=δ
º15=δ
ΦT
63,2 %
τ1
estψ&seg
g r
tτ2
τK
PN =
esto
VD
ψ&.2
=
Un ejemplo sencillo de lo anterior se ofrece en la Fig.nº 5 donde se representa el buque y la máquina timón.Inicialmente se parte de los modelos del buque con lassiguientes hipótesis simplificadoras: “Buque degrandes dimensiones, a velocidad constante en marabierto en calma (no perturbaciones) y con suficienteprofundidad. En la maniobra las metidas de pala detimón no son grandes ni en magnitud ni tiempo deaplicación”.
Figura 5: Diagrama de control para obtener losmodelos
Una vez modelado, en simulación, por ejemplo, seplantea en clase ¿en que situación la capacidad demaniobra es mayor?. Para responder hay que usarunos parámetros que midan la maniobrabilidad de unbuque (fig. 6,7) [18]
Figura 6: Modelos comparativos de maniobrabilidadde dos buques
Parámetro Nörbin K Gananciaτ Cte tiempo
V = Veloc. avance
estψ& Vel. angular
Regla experta: Más capacidad de maniobra a mayorPN ↑ y menor Do ↓
Lo importante una vez planteado los modelos, eshacer una simulación expresiva de cara a sacarexperiencia relacionada con el mundo profesional.
- Modelos de electrónica analógica y digitalmediante el simulador Electronics WorkWench© yrelación con la imagen real del instrumento. Sepersigue que el alumno relacione (ej: servotimón) sumanejo, características y curvas técnicas, con elsentido de cambio de parámetros, comprendiendo sucampo de actuación.
Figura7 : Modelo electrónico de un PID y sistemareal a bordo.
- Integración telescópica de modelos en diferentesniveles, con generación de interfaces HMI(Human Machine Interface) de apariencia real encuanto a los aparatos y sistemas que integran elmodelo. Las imágenes reales o virtuales de lossistemas son asignadas a los bloques funcionales delmodelo.
Figura 8 : Integración de modelos e interface HMI
Al final, todos los modelos se pueden integrar enuna red causal con la simbología del análisisorientado a objetos (AOO), donde se comprenda lasinfluencias y relaciones existentes entre los sistemas(fig. 9).[18]
..
.
,
..
maxmax
cK
δδδδ
δδδτ δδ
<<
=+
timónde Ángulo::
timónánguloConsigna :.
Ganancia:
δ
δδ
c
K
δψψτ K=+...
. tiempode Constante:
iaestacionarGanancia :
τK
dt
deKdteKeK
t
DIpc ...0∫ ++=δ
ψψψτξψτ ....2...
2gmmggmg K=++
oi dd ,
αφφω
ξφω φ
φφ
φ
..1
..2.1 ...
2K=++
balanceoGanancia :
balanceo natural Frecuencia:
φ
φω
K
corrientes olas, vientos,
derivativa Constante:
integral Constante:
alproporcionGanancia :
D
i
p
K
K
K
iaestacionarGanancia :
amortig. de ecoeficient:
tiempode Constante:
g
g
g
K
ξ
τ
Timón
Máquina
Buque
del Rumbo
rControlado
aGiroscópic
onesPerturbaci
buque
Movimiento
Course Sensor
Controler
Rudder Servosystem
Flaps’ ServoSystems
Ship
Roll Sensor
cK δδδτ δδ .. =+& δψψτ .. K=+ &&&
cδ δ ψδδτ K, K,τ
oδ
6δτ
ψ&
τ6c
Kδδ
δ =δψ&
=K
P
Q
Tw
Ti
Tc To
H
G
Figura 9: Red causal basada en AOO.
- Búsqueda de información digital: Es importantepara obtener información, el uso de software demo,catálogos en CD-ROM de empresas y característicasen catálogos electrónicos de Internet. A veces estematerial es mucho más interesante y valioso quemuchos libros.
-Generación de representaciones cognitivas: comoesquemas funcionales jerarquizados, mapassemánticos, diagramas de bloques de estructura. redescausa-efecto, modelos cualitativos mediante el ABCFlowCharter Micrografx ©[11], Visio©....- - Generación de modelos causales: Se trata de inferirrelaciones causales entre las variables desde un juegode ecuaciones matemáticas (ordenamiento causal [16])Ejemplo: un evaporador que tiene las ecuaciones
iónrefrigeraccámara en aire Temp. : T
terefrigeran óncondensaci Temp. :T
serpentín en terefrigeran Presión: P
terefrigeranpor ganadoCalor :H
vapor Relación: G
salida entrada, Temp.:T,T
terefrigeran Flujo:Q
w
C
0i
cTcPcQ
cT
fT
TGH
TkH
w
i
c
c
===
=
==
−=−=
,,
T T
(P)
)(T l Q
)(T
2
0
2
0w
w
• La Tc depende de P y la To depende de Tc• El calor H es determinado por Tc y Tw• El % de vapor G depende de Tc, H, Q, Ti• La presión P, el flujo Q, la Ti, y la Tw son exógenas al
sistema e independientes del evaporador.
El ordenamiento causal es importante porque permiteun análisis modular y aisla las responsabilidades decada variable y por tanto prepara al alumno a tareas dediagnóstico, predicción y modificaciones de diseño.
- Modelos cualitativos: Se trata de tomar ideas de losmodelos cualitativos de Kuipers[7], Forbus, De Kleerpara representar las simulaciones a “la manera
cualitativa”, para que sean más expresivas para elconocimiento humano [17].
iCoCpC
iCoCtC
1ã
1-ã
aireCotC
/PPR : presionesRelación
/TTR : mperaturasRelaciónte
:as)temperatur(relación presiones deRelación
Rpm*GP : rpm*aire Flujo compresor Potencia
==
==
==
−
γ
γ
tCpC RR
Figura 10 Modelo de un compresor e interfacecualitativa semejante a la propuesta por Kuipers.
Regla experta cualitativa Si se mantiene cte. Larelación Rtc de temperaturas, un incremento en Ticimplica un incremento en la temperatura de salidadel compresor. [17]Podemos utilizar siempre que se pueda, laagrupación de bloques de este modelado cualitativoes decir el bloque producto, monótono (+ o -),bloque suma, bloque derivativo, que nos ayude a verlas relaciones causales.
- Uso de herramientas de sistemas expertos(Fclass©, Xpertrule©[22]) para fijar la experiencia ysacar conclusiones, donde se relacionen entre sí lasposibles variaciones fuzzy (alto, medio, bajo, nulotimón) para producir resultados parecidos a la formade expresar la experiencia del marino. Aunque sonmodelos sencillos, basados en reglas que producenárboles de decisión, lo interesante es que los crea elalumno a partir de las propias reglas encontradas, de
los procesos estudiados.
Figura 11: Shell de sistemaexperto Xpertrule[22]
1
maquinas
tiene
pertenecedesplazagira
Timón
tiene
gobierna
Popa
tienepertenece
está
tiene
hélice
hace girar
conectada
Vibraciones
produce
afectan
afectan produce
Aletas estabilizadoras
tieneestabilizan
tiene
afectandinámica
produce
afectan
Thruster tienedinámica
produce
afecta
está
tiene
Motores
tiene
Poc
Tic
TocRtc
Pic
- Estudio de las instalaciones desde todas lasperspectivas técnicas que entran en juego: Unejemplo sería el de instalaciones de la sala demáquinas de un buque y sus esquemas de control paramodelar y simular la instalación neumática (2),hidráulica, los esquemas unifilares de alimentación yprotección de los motores, válvulas, el Grafcet deautomatización(1), el logigrama de control (1) laelectrónica necesaria e integrarla medianteherramienta software Automation Studio©[1]Además se van personalizando las librerías a temasnavales (fig. 13).
En el control de depósitos de fuel desarrollado de unbuque[5], los alumnos crearon la maqueta del proceso,simularon todos los esquemas anteriormentemencionados (fig. 12) teniendo en cuenta todas lasposibilidades analizadas con el GEMMA [2], ycrearon la interface hombre máquina HMI. El objetoes trabajar en algo al completo y que forme unaunidad de diseño. A su vez estos modelos y sistemasautomáticos controlan al proceso real mediante unatarjeta interface generándose un Soft PLC o controlana un PLC. (fig. 14)
Fig 12: Control nivel depósitos de un buque
Figura 13: Integración esquemas. Automation Studio
Figura 14: Posibilidades de control de procesos conSoft PLC[1]
- Modelos 3D en realidad virtual medianteherramientas como Superscape©[21] y TruespaceCaligari© que srealacionan mutuamente susmodelos a través de ficheros de extensión vrml(virtual reality model languaje), a los cuales se leañade la programación de la dinámica decomportamiento. Estos modelos se pueden integrarcon el 3D Webmaster© en una página Web yvisualizarlos con el plugin Viscape© en unnavegador como el Internet Explorer.
Figura 15: Modelado dinámica de un buque y sala decontrol de puente con visualizador Viscape.
T1 T2 T3 T4
VG
BNA3NA2 NA4NA1
NB1 NB2 NB3 NB4
NS1 NS2
VE1 VE2 VE3 VE4
VS1 VS2 VS3 VS4
RB
VT1 VT2
ST1 ST2
FT1
FT2 FT3
FT4
SOURCE0
DT1
DT2DT3 DT4
DST1
DST2
TO
0
STARTSTOP
EMERGENCYSTOP
INVALIDOPERATION
PUMP FAILURE
ALARM PUMPFAILURE
PM MPE
LM
LN
LF LP
FUEL OIL SETTLING TANKS
FUEL OIL TRANSFER SYSTEM
A1
F3
F5
A3
D2
D1
F1
(Initial state stop)
(Endoperation)
(Stop demand ondetermined state
(Normal production)
(Diagnostics and/or failure treatment)
(Emergency stop)
(Verificationoperation)
FROM ANY STATE
PUMP OFF
INITIAL STATE
PUMP OFF
TRANSFEROPERATIONS
(MS, MT)
VERIFICATIONOPERATIONS
(MV)
WARNIGPUMP
FAILURE
WARNING INVALIDOPERATION
TURN OFF PUMP AND CLOSEVALVES
F2(Preparation
OPERATIONSELECTION
operation)
TRANSFEROPERATIONSELECTED
VERIFICATIONOPERATIONSELECTED
REACHLEVELS
INVALIDOPERATIONSELECTED
OPERATIONSTOP
OPERATIONSTOP
TERMIC RELAYRE-ACTIVATION
AND PUSHOPERATION STOP
RESETEMERGENCY
STOP
EMERGENCY STOP
EMERGENCYSTOP
TERMICRELAY
TERMICRELAY
TIMER
STARTTIMER
OPERATIONSTOP
START
A4 (Intermediate state stop)
OPERAT.END
OPERATIONCONTINUAT.
OPERATIONSTOP
Figura 16: Integración de modelos y relación deactividades
En el diagrama de bloques se da una visión global delas interrelaciones de los modelos, simulaciones y laintegración final producida en los trabajos que serealizan. En este sentido del manejo de lossimuladores reales, de las experiencias de embarquede los alumnos a bordo de buques y de trabajos fin decarrera realizados en diferentes asignaturas, se toma laexperiencia e información técnica necesaria para losmodelos y sistemas a estudiar. El uso adecuado de lasimulación produce las reglas expertas fuzzy que seintroducen en un shell de generación de un sencillosistema experto. Los procesos reales se gobiernan ycontrolan vía tarjeta de adquisición de datos medianteel software Vissim Real Time (fig. 17), o bien a travésde Automatio Studio con autómata programable (fig.14). En las instalaciones donde intervengan variastecnologías (eléctrica, neumática, hidráulica,automática) se usa una herramienta que permitemodelar, simular, integrar y controlar el proceso enuna especie de Soft PLC. A su vez el procesosimulado puede convertirse en proceso real para sercontrolado.
Figura 17: Control de procesos con Vissim Real Time
Figura 18: Misión del profesor y grupos de trabajo.
En estas actividades de cursos finales de carrera, lafigura del profesor aparte de la de formador(aprovechando los conocimientos que disponen losalumnos), puede pasar a ser la de un dinamizador,motivador facilitador, coordinador, organizador,generador de sinergias, labores todas que potencianel autoprendizaje [17]. Lo importante es que elalumno trabaje en un proceso creativo, se enamorede lo que hace y salga proactivo, es decir con ganasde aplicar sus conocimientos [13] y no reactivo a latecnología. Al final cada grupo expone su trabajo yse integra en un todo relacionado en página web [16]siempre que sea posible, generando las memoriasnecesarias. El trabajo de cada grupo[8] se convierteen material de trabajo para otros y cada año se partedel estado del arte del trabajo realizado el añoanterior.
4 CONCLUSIONES
Auque no se dispone de una estadística de resultadoscomparativos, solo de encuestas de satisfacción en elalumnado, creemos que es interesante que exista unaasignatura genérica de modelado y simulación yanálisis de sistemas y dispositivos, que ayudan aintegrar el conocimiento en el alumno de lasdistintas disciplinas, y la comprensión más profundade significados y relaciones, preparando para ejercerlabores no solo de diseño, sino de diagnóstico,mantenimiento, toma de decisiones, análisis dehipótesis. Así mismo constituye un foro abierto demotivación y creatividad para los alumnos.
Las técnicas de representación del conocimientoexperto junto a la multimedia permiten crearesquemas cognitivos que ayudan a fijar laexperiencia y el razonamiento.
Simulador Sala de Máquinas
Buques reales de compañías navieras
Información Técnica
Soft PLCAutomatización procesos
control buqueProceso Real
Autómata Programable
Proceso simulado
AnálisisSimulaciones
ModeladoBúsqueda de averías
MantenimientoToma de decisiones
Sistema experto
Interfases Control HMI
Animaciones multimedia
Página Web
Formación, reparación a
distancia
Mathcad
Libro electrónico www
SimulacióinVissim
Real Time
Matlab
Proceso Real
Materia a aprender
Grupo Objetivos 4
Reparto de status y
roles dentro del
grupo
terminación del trabajo en
grupo y exposición
Actividades diferenciadas en el
grupo
PROFESOR
Grupo Objetivos 2
Grupo Objetivos 3
Trabajo grupo 4
Trabajo grupo 2
Trabajo grupo 3
Grupo Objetivos 1
Trabajo grupo 1
La utilización conjunta de las herramientasinformáticas presentadas para el modelado,simulación, diseño, control automático, lossimuladores comerciales, la esquematización,potencian las actividades indicadas anteriormente y suinclusión en páginas WWW como libros electrónicospreparan la formación a distancia a través de Internet.El reparto de trabajos por grupos y asignación detareas unas comunes (modelos, simulaciones..) y otrasespecíficas, compartir información, ayudan a laaceptación de la propia responsabilidad del alumno ensu proceso de aprendizaje y a trabajar en grupo. Lasfrecuentes puestas en común con discusión de losresultados obtenidos y de búsqueda de las hipótesismás plausibles, potencian la seguridad de expresión enel alumno, el compartir información, y elconvencimiento de que el grupo es más potente que lapersona aislada.
Referencias
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