PREMIO NACIONAL ACEX a la seguridad en...

PREMIO NACIONAL ACEX a la seguridad en conservación

Edición 2018

Empleo de drones fuera del alcance de la visual del piloto para la conservación de carreteras

Autor del trabajo: Raúl Fernández Ruiz

Empresa: Ferroser Infraestructuras, S.A.

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PREMIO NACIONAL ACEX a la seguridad en conservación. Edición 2018

¨Empleo de drones fuera del alcance de la visual del piloto para la conservación de carreteras¨

ÍNDICE DE LA MEMORIA DESCRIPTIVA

1. PRESENTACIÓN DEL PROYECTO ........................................................................................................... 2

2. OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO ................................................................................................. 2

3. ANTECEDENTES .................................................................................................................................... 2

4. FORMULACIÓN Y PLANIFICACIÓN DEL PROYECTO ................................................................................ 3

4.1. FUNCIONALIDADES BÁSICAS DE LOS DRONES ................................................................................ 3

4.2 ANÁLISIS DE VIABILIDAD ................................................................................................................. 4

4.2.1 ENFOQUE GENERAL DEL PROYECTO ................................................................................... 4

4.2.2 ENTORNO OPERATIVO ........................................................................................................ 4

4.2.3 CONDICIONANTES DEL ENTORNO ....................................................................................... 5

4.2.4 CONDICIONANTES LEGALES ................................................................................................ 6

4.2.5 CONCLUSIONES AL ANÁLISIS DE VIABILIDAD DEL PROYECTO .............................................. 6

4.2.6 SOLUCIÓN OPERATIVA PROPUESTA ................................................................................... 6

4.2.7 COMUNICACIÓN DRON – ESTACIÓN DE TIERRA ................................................................... 7

4.2.8 RESUMEN DEL ESCENARIO DE OPERACIÓN ......................................................................... 7

4.3 RIESGOS Y MITIGACIÓN ................................................................................................................... 7

4.4 PLANIFICACIÓN Y FASES DE DESARROLLO ..................................................................................... 8

5. CONCLUSIONES .................................................................................................................................... 9

6. DOCUMENTACIÓN FOTOGRÁFICA Y VÍDEOS DEL PROYECTO............................................................... 10

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1. PRESENTACIÓN DEL PROYECTO El presente documento tiene por objeto describir el proyecto “Empleo de drones fuera del alcance de la visual del piloto para la conservación de carreteras¨ que se presenta al Premio Nacional ACEX a la Seguridad en Conservación, Edición 2018, siguiendo lo establecido en sus bases publicadas.

El proyecto consiste en el uso de drones en contratos de conservación de carreteras, sirviendo de apoyo a la gestión y a los operarios de la conservación, que requieren de numerosas tareas de supervisión tales como vigilancias, inspecciones, control de incidencias, atención a accidentes…

La característica innovadora de los distintos casos de uso es que en ninguno de ellos se producirá desplazamiento alguno del operario hasta el lugar en donde se encuentran los elementos susceptibles de recibir la actividad del dron, si no que este será controlado desde un punto remoto.

El escenario de vuelo y operación del dron bajo el presente proyecto será BVLOS (Beyond Visual Line Of Sight), es decir: vuelos más allá del alcance visual del piloto, que será el propio operario.

Este proyecto, promovido por Ferrovial Servicios, ha sido desarrollado durante los cuatro últimos años e implantado en uno de sus contratos en enero del presente año.

2. OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO El proyecto tiene por objeto diseñar, desarrollar y testear un sistema basado en drones que ayude a la gestión y al operario de conservación de carreteras a realizar distintas tareas de supervisión, de forma que se incremente la seguridad, la eficacia, la calidad y la eficiencia del servicio, y que ello redunde en la garantía de la seguridad de los conductores y de los operarios de conservación.

El alcance del mismo es la implantación del uso de drones en un contrato gestionado por Ferrovial Servicios España que destaque por su orografía y por la climatología adversa de la zona, de forma que se pueda volar sobre todas las carreteras del contrato, independientemente de los problemas que pueda haber para la transmisión de señales debido al relieve de la zona o al tiempo adverso, y con la premisa de que la autonomía del dron no sea limitante en el uso necesario del mismo.

Una vez desarrollado un dron que permita volar en un contrato de conservación de carreteras con unas condiciones adversas como éstas, su uso se puede extender a otros contratos de conservación de infraestructuras.

Para lograr los objetivos planteados es necesario que los drones cumplan diferentes funciones que permitan la obtención de imágenes adecuadas a tiempo real del estado de la carretera, las cuales faciliten la evaluación de su correcto funcionamiento, y siempre cumpliendo la legislación vigente para vuelos más allá de la visual del piloto, determinada por AESA (Agencia Estatal de Seguridad Aérea).

A lo largo del presente documento se describe el proceso que se ha seguido para el desarrollo del proyecto, explicando los aspectos más significativos, y las mejoras que se han obtenido.

3. ANTECEDENTES El proyecto surge del programa ZURITANKEN 2014, iniciativa interna de Ferrovial para potenciar aquellas iniciativas innovadoras que supongan una mejora de seguridad u operacional en sus negocios.

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El proyecto tiene como objetivo diseñar, desarrollar y probar un sistema basado en drones para apoyar las actividades de mantenimiento de carreteras, garantizando la seguridad de los conductores y de los operarios de conservación con las tecnologías más avanzadas. Cumpliendo con las premisas establecidas en los objetivos de implantación del uso de drones en un contrato gestionado por Ferrovial Servicios España que destaque por su orografía y por la climatología adversa de la zona, el proyecto se desarrolla e implanta en el contrato de Urola Deba 2014 UTE, correspondiente a un contrato de conservación de carreteras, en el que el titular de la misma es la Diputación Foral de Gipuzkoa.

El proyecto comienza a desarrollarse a comienzos del año 2.015, y hasta el mes de noviembre de ese año se determinan los posibles casos de uso y los condicionantes de los mismos. Una vez establecidos estos, se presenta la iniciativa ante la Diputación Foral de Gipuzkoa con el objeto de obtener su autorización para el desarrollo del proyecto en uno de los sectores de carreteras de la provincia.

En diciembre de 2.015 se produce el arranque del proyecto con la Fase 1: Análisis de Viabilidad, Requisitos y Especificaciones.

En mayo de 2.016 se mantiene una reunión con AESA para validar las conclusiones del Análisis de Viabilidad y obtener su autorización para el desarrollo del proyecto.

En enero de 2.018, tras el diseño y construcción de un dron ad-hoc para el contrato a lo largo de los años 2.016 y 2.017, se realiza el primer vuelo en él, siendo pilotado por personal de su plantilla.

4. FORMULACIÓN Y PLANIFICACIÓN DEL PROYECTO Una vez establecidos los objetivos y el alcance del proyecto, así como definido el contrato en el que se hace la implantación, se indican las funcionalidades básicas que debe poseer el dron para conseguir los objetivos planteados, analizando a su vez la viabilidad del proyecto, que viene dada por la superación de las limitaciones técnicas y las restricciones resultantes de la legislación actual, establecida por AESA.

4.1. FUNCIONALIDADES BÁSICAS DE LOS DRONES A continuación se detallan algunas de las funcionalidades básicas que incorporan los drones que forman el EQUIPO: • Control de altura autónomo: en términos absolutos, por sensor barométrico. No permite altura constante respecto a referencia variable. • Control autónomo de posición: por indicación de WayPoint estacionario. • Generación automática de trayectoria (“way-points”). Esto se consigue mediante el Software de Gestión de Vuelo, que será el que genere la trayectoria en función de los parámetros introducidos. • Vuelo automático mediante rutas: incluida, con adición de una función POI (Point of Interest) de vuelo alrededor de un punto fijado con seguimiento continuo de la cámara. • Sistema de navegación asistida por GPS, tanto en vuelo automático como en manual asistido que amortigua los movimientos del equipo. • Vuelta al origen: función RTH “Return to Home” incorporada. • Vuelta al origen automática por fallo de comunicación (función “failsafe”). Programable la orden que activa esta función, incluso la caída de la carga de batería a un umbral determinado. • Sistema de envío de ubicación en caso de fallo. Sistema incorporado en datalink. • Sistema de disminución de riesgos ante posibles caídas (por ejemplo: paracaídas): dada la zona de vuelo de consideración, es uno de los elementos que incrementan la seguridad del vuelo. • Control de la cámara desde sistema independiente: en canales y emisoras diferentes. • Sistema de chequeo sencillo: para saber si hay electrónica dañada. Incorporado en Check-list de control antes y después del vuelo.

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• Comunicación de la tensión de baterías al poner en marcha el equipo (para despegar con las baterías a máxima carga). Y de la carga de las baterías en todo momento durante el vuelo. • Baterías inteligentes y con sistemas de conexión rápidos y robustos, recargables en campo y reemplazables de forma rápida y sencilla. • Envío de imágenes y vídeos de manera remota e instantánea. • Estación de control en tierra, con elementos para recepción y visionado de imágenes.

4.2 ANÁLISIS DE VIABILIDAD

4.2.1 ENFOQUE GENERAL DEL PROYECTO El proyecto trata de analizar y definir soluciones que permitan la aplicación de drones en las actividades de conservación de carreteras, tales como la vigilancia, el control y vigilancia de avisos e incidencias, sobrevuelo de zonas de interés por necesidades de inspección, pudiéndose enviar al centro de control la información recogida para cada uno de estos casos a tiempo real.

Se busca que los drones que se puedan poner en funcionamiento en un corto espacio de tiempo y que agilicen los tiempos de respuesta a las incidencias.

Las tipologías de incidentes más comunes que deben atenderse son:

• Accidentes de circulación.

• Accidentes de circulación contra instalaciones públicas.

• Desprendimientos.

• Defectos o deterioros de elementos de la carretera.

• Restos de vehículos (accidentes), u obstáculos en calzada.

• Desperfectos en muro de costa, provocado por temporales marítimos.

4.2.2 ENTORNO OPERATIVO Los principales condicionantes del entorno operativo son los siguientes:

a) Tramos en Estudio: Red preferente y básica de la red de carreteras del sector Urola-Deba de la provincia de Guipúzcoa, cuya conservación comprende una longitud total de 165,76 kilómetros.

b) Espacio aéreo: Análisis de la localización de los tramos y de la existencia de CTR/ATZ de los aeropuertos del País Vasco. En las zonas afectadas por estos, con la legislación actual no se puede realizar vuelos con drones.

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c) Zonas de despegue y operación: Para determinarlas se tiene en cuenta la presencia de obstáculos como

líneas eléctricas, arbolado, edificios y otras infraestructuras, utilizando para ello la cartografía disponible, ortofotografías y el modelo de resta MDS-MDT de Euskadi para estimar la altura de los objetos circundantes al posible punto de despegue. Se muestra a continuación plano de la zona con posibles zonas de despegue y el modelo de altura de objetos de dos de ellas.

d) Modo de operación seleccionado: Vuelo más allá de la visual (BVLOS) sin línea directa de visión con conexión en tiempo real.

De esta forma se tiene a un dron volando sin conexión directa de visual con la Estación de Control, pero manteniendo en todo momento una conexión de comunicación de datos entre el equipo de aire y el equipo de tierra, siendo esta comunicación bidireccional: se mandan datos desde la base, y a su vez, el dron manda datos a la base.

Para poder disponer de esa conexión se plantean dos opciones:

- Utilizar señal de radio en frecuencias habituales, como 433 MHZ o 2,4 GHz. Instalar repetidores de señal distribuidos por toda la zona de operación.

- Utilizar comunicaciones LTE o 3G-4G.

4.2.3 CONDICIONANTES DEL ENTORNO La utilización de drones para la vigilancia y soporte al mantenimiento de carreteras en un contrato de conservación presenta dificultades debidas a los condicionantes del entorno, y por ello lo convierte en un proyecto exigente, como sucede en la zona Urola-Deba (Guipúzcoa, País Vasco). Estos son los siguientes:

• Área a cubrir extensa.

• Parte del área a cubrir se encuentra dentro del CTR del Aeropuerto de Bilbao.

• Orografía complicada con valles cerrados y montañas cercanas a las zonas en donde debe desenvolverse el

dron.

• Climatología adversa en forma de lluvia o viento en un porcentaje alto de los días del año.

Señal de radio Comunicaciones LTE ó 3G-4G

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• Pueblos y casas muy distribuidas, con una alta densidad en las zonas colindantes con las carreteras.

• Zonas de despegue y aterrizaje difíciles de establecer en zonas cercanas a las carreteras, por la presencia de

obstáculos y por la propiedad de los terrenos.

• Gran cantidad de árboles cercanos a las carreteras, con vegetación frondosa en los meses de otoño,

primavera y verano.

• Necesidad de disponer de imágenes (360º) en tiempo real en la estación de control para poder actuar con

celeridad en el caso de atención a accidentes e incidentes.

4.2.4 CONDICIONANTES LEGALES • La Legislación en España restringe en cierta medida las operaciones que se han planteado:

o Limita MTOW (masa máxima de despegue) a 2 kg para BVLOS.

o Limita la altura máxima de vuelo: inferior a los 120 metros

• Limita el vuelo por encima de aglomeraciones de casas, coches o personas.

• La elección de un dron de Ala Fija con MTOW < 2 kg simplifica bastante la operativa y la obtención de

permisos (por ejemplo, para realizar vuelos de prueba) por parte de AESA.

• También simplifica otros aspectos operativos y logísticos, como son despegues y aterrizajes, o el transporte

del conjunto.

4.2.5 CONCLUSIONES AL ANÁLISIS DE VIABILIDAD DEL PROYECTO • Por extensión del área a cubrir se debe acudir a un dron tipo Avión o Ala Fija, por requerirse una autonomía

en vuelo importante.

• Esta tipología de drones implica restricciones operativas: o Peso reducido o Sistemas embarcados o Logística de despegue y aterrizaje o Logística de transporte o Formación de Pilotos/Operadores

4.2.6 SOLUCIÓN OPERATIVA PROPUESTA Después de realizar el análisis de viabilidad del proyecto se decide que la solución operativa propuesta es una plataforma de vuelo tipo Ala Fija, denominada AF1 LRS (MTOW < 2 Kg).

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Para el despegue del dron se utiliza una catapulta, la cual va montada sobre un remolque, a efectos de facilitar el transporte del conjunto dron-catapulta. Para el aterrizaje del equipo de vuelo se emplea una red de aterrizaje en la que se detiene el dron. El equipo de vuelo debe estar controlado en todo momento, como obliga la legislación actual, y para ello se utiliza la estación de control. No obstante, en el caso de que el dron vuele a una distancia de la visual del piloto inferior a los 500 metros, este se puede manejar de forma manual asistida mediante el mando de control.

4.2.7 COMUNICACIÓN DRON – ESTACIÓN DE TIERRA Para determinar si las comunicaciones entre el dron y la estación de tierra son viables, se realiza el análisis de la cobertura de la red de telefonía.

4.2.8 RESUMEN DEL ESCENARIO DE OPERACIÓN El dron elegido para realizar los vuelos BVLOS (más allá de la visual del piloto) es uno de tipo ALA FIJA con una masa máxima de despegue inferior a 2 kilogramos.

La comunicación entre el dron y la estación de control se hace mediante señales de radio y comunicaciones 4G.

La base desde la que despega el dron es desplazable, ya que está instalada sobre un remolque, estando la estación de tierra fija durante la operación de vuelo.

Cada vez que se realiza un vuelo es necesario solicitar permisos a AESA mediante la emisión de un NOTAM.

4.3 RIESGOS Y MITIGACIÓN Puesto que la finalidad de este proyecto es mejorar la seguridad de los conductores y la de los operarios de conservación, una de las premisas del mismo es identificar los riesgos por los que estos se pueden ver afectados, a efectos de mitigarlos, de forma que el desarrollo de la actividad se realice siempre desde el lado de la seguridad.

A continuación se muestran tablas con los riesgos identificados, relacionados con el entorno, las personas y los medios, así como las acciones llevadas a cabo para mitigarlos.

TABLA DE RIESGOS RELACIONADOS CON EL ENTORNO

Riesgo Mitigación Interferencia de obstáculos naturales en la zona de vuelo, aterrizaje y/o despegue

Inspección previa del área del vuelo e inspección de áreas problemáticas

Interferencia de obstáculos artificiales en la zona de vuelo, aterrizaje y/o despegue Condiciones meteorológicas adversas Utilización de equipos con protección razonable contra lluvia moderada y con buen comportamiento con

vientos medios. Contemplar la no superación de los umbrales máximos en cuanto a condiciones de lluvia, viento, nieve y/o temperatura, en la operación fijados para el equipo. En el caso de pérdida de control se realizaría la “vuelta a casa” automática a casa (“return to home” RTH ).

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Visibilidad en las condiciones meteorológicas Se establecen procedimientos para asegurar el conocimiento adecuado de la meteorología del lugar en todo momento. Se utilizarán aplicaciones con radar de lluvia para anticipar la aproximación de chubascos o la variación significativa del viento.

Presencia de núcleos de población Se evitará sobrevolar sobre estas áreas en virtud de lo recogido en la normativa vigente en materia de RPAS (drones). Presencia de espacio aéreo controlado

Vuelo más allá de la vista BVLOS Se solicitará la emisión de NOTAM al proveedor de servicios de información aeronáutica (AESA). Presencia de aeropuertos o aeródromos en el entorno operativo

Se contemplará una distancia mínima de 8 kilómetros con respecto del mismo, y de 15 kilómetros en el caso de que cuenten con procedimientos de vuelo instrumental. En distancias inferiores, y siempre que no se trate de zonas contraladas, se coordinará con el propio aeródromo o aeropuerto la viabilidad de la operación.

TABLA DE RIESGOS RELACIONADOS CON LAS PERSONAS

Riesgo Mitigación Interferencia de personas ajenas a la operación Se establece un control de entrada a la zona de operación para restringir el paso de personas, y un

perímetro de seguridad alrededor del piloto, la zona de despegue/aterrizaje y la Estación de Tierra, al que no acceden más personas que las relacionadas con la operación

Manipulación de sistemas por personal no autorizado

Se observan en todo momento las instrucciones contenidas en el Documento de Medidas para evitar interferencias ilícitas en la Entidad

Accidente con personas implicadas Se dispondrá de un equipo de primeros auxilios. Se localizará el contacto con los centros de Atención Sanitaria de la zona de vuelo, en el caso de ser necesaria la evacuación a un centro hospitalario

Situaciones adversas y desconocidas para el piloto

Se redacta un plan detallado plan de vuelo, así como las posibles alternativas antes las situaciones que se presenten

TABLA DE RIESGOS RELACIONADOS CON LOS MEDIOS

Riesgo Mitigación Pérdida de enlace entre la aeronave y la estación de control

Activación automática del RTH (“return to home”)

Pérdida de posición GPS de la aeronave Antes del vuelo se accede a la información de cuántos satélites son visibles en el emplazamiento en el que se desarrolla la operación. Suspensión de la misión

Pérdida de enlace de transmisión de datos entre la aeronave y la estación de control

Suspensión de la misión y activación del RTH

Interferencias en las comunicaciones debida a instalaciones próximas

Medición del espectro de radiofrecuencias mediante un analizador de espectros, detectando de esta manera la existencia de otras emisiones en el rango de frecuencias a utilizar.

Desvío del equipo fuera de la trayectoria de vuelo planificada

Activación del RTH y suspensión de la misión

Fallo en sistemas electrónicos del equipo Comprobación de los sistemas previamente al vuelo (prevuelo) Fallo estructural de la aeronave Comprobación de la aeronave previamente al vuelo (prevuelo) Fallo de motor en vuelo Comprobación en prevuelo Pérdida de alimentación Comprobación de los niveles en prevuelo. Suspensión de la misión en el caso de alcanzar niveles bajos de

baterías. Interferencias en los sistemas electrónicos Medición del espectro radioeléctrico en prevuelo Fallo en el software o hardware de control de la aeronave

Suspensión de la misión y activación del RTH

4.4 PLANIFICACIÓN Y FASES DE DESARROLLO La planificación del proyecto ha tenido dos aspectos significativos, la dirección técnica del proyecto, y las tareas administrativas, habiéndose realizado cada una de ellas de forma paralela. A continuación se enumeran las fases de cada una.

� Dirección técnica:

- Análisis de requisitos, definición de especificaciones de sistemas, definición de zonas y protocolos de uso para evaluación de la viabilidad del proyecto.

- Diseño, fabricación y montaje del dron de ala fija.

- Desarrollo de funcionalidades avanzadas del dron.

- Pruebas de campo y pruebas de campo en escenario real (piloto en un tramo de carretera de 4 Km).

- Fase final. Optimización de los equipos, redacción de protocolos de uso y formación de los pilotos.

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� Tareas administrativas:

- Solicitud a AESA de realización de vuelos especiales con Ala Fija de Proyecto (solicitud de NOTAM).

- Realización de vuelos especiales.

- Comunicación a AESA de los desarrollos en curso.

- Registro de la aeronave (Ala Fija de Proyecto) y habilitación de formadores y empresa para habilitación práctica.

- Realización de vuelos de prueba y formación con personal del contrato- habilitación.

- Inclusión de la aeronave de proyecto y pilotos en el registro de Ferrovial como operador de RPAs.

- Solicitud de realización de vuelos especiales con Ala Fija de Proyecto en zonas reales (solicitud de NOTAM….).

- Comunicación a AESA de los desarrollos en curso.

- Establecimiento con AESA de los procedimientos para operación habitual (solicitud de NOTAM….).

- Inicio de las operaciones habituales.

5. CONCLUSIONES La implantación de drones que realicen vuelos más allá de la visual del piloto en contratos en conservación de carreteras es factible, pudiendo tener un alcance desde la estación de control de 50 kilómetros (los vuelos realizados en el contrato han sido de 12 kilómetros), llegando a alcanzar velocidades de 80km/hora, con una autonomía de vuelo de 50 minutos, tanto en modo automático como manual, por lo que su uso mejora:

- La seguridad para conductores y ciudadanos, ya que pueden apoyar actividades de primera respuesta, así

como inspeccionar activos críticos o elementos externos que podrían afectar a la carretera.

- La seguridad en tareas de supervisión, ya que no es necesario que el operario lo haga in situ, minimizando los

riesgos existentes. También se mejora la eficacia, ya que permite tener información del estado real de la

carretera con mayor celeridad, la calidad, ya que las vigilancias se pueden protocolizar y realizar de forma

automática, y por último, la eficiencia, ya que es necesario emplear menos recursos para realizar diversos

trabajos supervisión.

En base a la experiencia adquirida durante los años de desarrollo de proyecto, y en los meses en los que se lleva empleando el dron en el contrato, se presenta a continuación una tabla resumen con todos los aspectos que mejoran gracias a la implantación de estos equipos en los contratos de conservación

• Aumento de la seguridad en la carretera

• Aumento de la seguridad de los operarios de carretera

• Aumento de información para la gestión

• Mejora de la calidad del servicio

• Disminución del tiempo de atención a accidentes

MEJORAS OBTENIDAS CON EL USO DE DRONES FUERA DEL ALCANCE DE LA VISUAL DEL PILOTO PARA LA CONSERVACIÓN DE CARRETERAS

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6. DOCUMENTACIÓN FOTOGRÁFICA Y VÍDEOS DEL PROYECTO

Fotografía 1. DRON MONTADO SOBRE PLATAFORMA DE

DESPEGUE

Fotografía 2. DRON MONTADO SOBRE PLATAFORMA DE DESPEGUE Y RED DE ATERRIZAJE

Fotografía 3. IMÁGENES CAPTADAS POR EL DRON EN VUELO

Fotografía 4. DRON ENCARANDO RED DE ATERRIZAJE

PLANOS DRON ALA FIJA

PLANOS RED DE ATERRIZAJE

Como complemento a la información aportada en este documento, se presenta un vídeo resumen con las operaciones de vuelo realizadas:

https://www.dropbox.com/s/42pq3e6u4ksf26a/AF1_Ferrovial_Largo_Final.mp4?dl=0

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