Programa Sonar.docx

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA

NOTAS CONCEPTUALES PARA LA PRESENTACIÓN DE PROGRAMAS Y/O PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y DESARROLLO TECNOLÓGICO A. DATOS GENERALES

Programa

Proyecto

☒

TIPOLOGÍA Investigación Básica ☒

☐

Desarrollo Tecnológico

☐

☐

TÍTULO DEL PROYECTO “PROCESADORES DE SEÑALES DE SONAR”

ÁREAS Y LÍNEAS DE I+D EN LA/S QUE TENDRÁ IMPACTO EL PROGRAMA Y/O PROYECTO ☒ Ciencias Tecnológicas aplicadas al ámbito de la seguridad y la defensa ☐ Desarrollo tecnológico ☐ Ingeniería inversa ☐ Adaptación tecnológica

Para proyectos de desarrollo tecnológico señale el sector o industria estratégica en la cual tiene incidencia el proyecto: SECTORES E INDUSTRIAS ESTRATÉGICAS Industria de la defensa

☒

TIEMPO DE EJECUCIÓN DEL PROGRAMA Y/O PROYECTO 36 meses

Duración del proyecto en meses

FINANCIAMIENTO DEL PROGRAMA Y/O PROYECTO Monto total del financiamiento proye to Autofinanciado mediante proyectos de titulación de la ESPE Monto Financiamiento Contraparte

POSIBLE FINANCIAMIENTO DINDES

Página 1 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA B.

LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA DEL PROGRAMA Y/O PROYECTO

COBERTURA DE EJECUCIÓN DEL PROGRAMA Y/O PROYECTO (Seleccione únicamente un tipo de cobertura) Nacional ☒ ☐ Zona 1 (Carchi, Esmeraldas, Imbabura y Sucumbíos) ☐ Zona 2 (Napo, Orellana y Pichincha) ☐ Zona 3 (Chimborazo, Cotopaxi, Pastaza y Tungurahua) ☐ Zona 4 (Manabí, Sto. Domingo de los Tsáchilas) ☐ Zonas de Planificación ☐ Zona 5 (Bolívar, Guayas, Los Ríos y Santa Elena) ☐ ☐ Zona 6 (Azuay, Cañar y Morona Santiago) ☐ Zona 7 (El Oro, Loja y Zamora Chinchipe) ☐ Zona 8 (Cantones Guayaquil, Samborondón, Durán) Zona 9 (Distrito Metropolitano de Quito) Especifique las provincias en las que se ejecutará su proyecto Provincial ☐ Especifique la Provincia y Cantones donde se ejecutará su proyecto Local ☐ C.

DATOS DE LA INSTITUCIÓN EJECUTORA Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Representante Legal Teléfonos

3989457

Fax

Dirección Página Web Institucional Órgano Ejecutor

D.

Cédula de Identidad

Edgar Ramiro Pazmiño 3989457

Email:

1705290755 [email protected]

Ave. Gral. Rumiñahui S/N, Sangolqui www.espe.edu.ec CICTE con el apoyo del personal académico del DEEE y otros departamentos. Integrantes: M.Sc. Rubén León V., Ph.D. Alexis Tinoco, Ph.D. Byron Navas, Ph.D. Vinicio Carrera, M.Sc. Edgar Arauz

INSTITUCIONES PARTICIPANTE/S Debe incluir una tabla por cada institución participante

Representante Legal Teléfonos

Dirección de Investigación y Desarrollo (DINDES) de la Armada Cédula de COMANDANTE Identidad Fax email

Dirección Página Web Instit Órgano Ejecutor E.

PERSONAL DEL PROGRAMA Y/O PROYECTO

Página 2 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA DIRECTOR DEL PROYECTO FUNCIÓN

CÉDULA DE IDENTIDAD

NOMBRE COMPLETO

ENTIDAD A LA QUE PERTENECE

TELÉFONO FIJO, CELULAR Y CORREO ELECTRÓNICO

Director

1801654284

Rubén León

ESPE DEEE

[email protected]

Director Subrogante

1706562178

Investig 1

1709079287

Byron Navas

ESPE DEEE

[email protected]

Investig 2

1709079287

Vinicio Carrera

ESPE DEEE

[email protected]

Investig 3

1001054954

Edgar Arauz

ESPE CESPE

[email protected]

Alexis Tinoco

ESPE DEEE

Investig 4

DINDES

Investig 5

DINDES

[email protected]

Ayud de Investig 1 Ayud de Investig 2 Ayud de Investig 3 Ayud de Investig 4 *En caso de que no se tenga definido el nombre de la persona que ejercerá la función propuesta para la investigación, se deberá dejar en blanco desde la columna No. 2.

Página 3 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA F.

RESUMEN DEL PROGRAMA Y/O PROYECTO

El programa a ejecutar desarrollará un sistema procesador digital de la señal de SONAR utilizando técnicas avanzadas bayesianas y de aprendizaje de máquina, con alta probabilidad de detección (superior al 90%), para una probabilidad de falsa alarma constante y relaciones señal (target) a interferencias (reverberation + ruido blanco) por debajo de los 0 dB. En la actualidad, sonares a bordo de embarcaciones operan con procesadores bayesianos de señales de sonar cuya investigación básica datan de las décadas del 70, 80 y 90 del siglo pasado e inicios del actual siglo [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9, 10, 11, 12]. En los últimos años, propuestas puntuales de procesadores de señales de radar, sísmicas y otras, utilizando aprendizaje de máquina, han sido relatadas en la literatura especializada [13, 14, 15, 16]. Por otro lado, la Dirección de Investigación y Desarrollo de la Armada Ecuatoriana (DINDES) dispone del sistema sonar DIODON instalado en la corbeta Los Rios, adquirido en los 80s, que requieren a mediano y largo plazo actualizar el sistema de procesamiento y presentación de los datos detectados. El desarrollo del programa propuesto está vinculado a una necesidad de las Fuerzas Armadas para incrementar las capacidades operativas de la armada, haciendo efectivas la aplicación de políticas y planes para el desarrollo tecnológico en el ámbito de la seguridad nacional y protección de puntos estratégicos de alto interés económico, aumentando la eficiencia y la efectividad de respuesta del sistema de defensa marítima en situaciones de riesgo que requieran atención y reacción inmediata. Por tal razón, se realizará los siguientes proyectos: a) el estudio y análisis de las técnicas avanzadas bayesianas y su implementación en un ambiente sonar controlado de la relación señal/interferencia para obtener las curvas operacionales de receptor (ROC), b) el estudio y análisis de las técnicas de aprendizaje de máquina [15, 16] y su implementación en un ambiente sonar controlado de la relación señal/interferencia para obtener las curvas operacionales de receptor ( ROC), c) comparación del desempeño de los procesadores implementados en a) y b) y d) implementación en tiempo real, utilizando la metodología del proyecto eHSC (Embedded Heterogeneous Super Computing: Supercomputación Heterogénea Embebida) para la aceleración de algoritmos complejos, de los procesadores estudiados en a) y b) en el sonar de vigilancia del sistema DIODON. Se debe resaltar que para la implementación de los procesadores del ítem d) se utilizarán las señales de salida del retorno de la señal eco de sonar y la frecuencia de repetición de los pulsos (PRF) de cada canal de vigilancia (24), que están disponibles en los sistemas.

G.

DESCRIPCIÓN DEL/LOS PROYECTO/S

OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Objetivo de Investigación: a. Objetivo General Desarrollar un sistema procesador digital de la señal de sonar utilizando técnicas avanzadas bayesianas y las actuales técnicas de aprendizaje de máquina, para el sistema DIODON, con alta probabilidad de detección (superior al 90%), para una probabilidad de falsa alarma constante y relaciones señal (target) a interferencias (reverberation + ruido blanco) por debajo de los 0 dB b. Objetivos Específicos  Estudiar y analizar las técnicas avanzadas bayesianas y su implementación en un ambiente sonar controlado de la relación señal/interferencia para obtener las curvas operacionales de receptor (ROC).  Estudiar y analizar las técnicas de aprendizaje de máquina y su implementación en un ambiente de sonar con control de la relación señal/interferencia para obtener las curvas operacionales de receptor (ROC).  Analizar y comparar el desempeño de los procesadores bayesianos y con aprendizaje de máquina, así como su costo computacional y posibilidad de implementación en tiempo real  Implementar en tiempo real los procesadores bayesianos y con aprendizaje de máquina en el sonar de vigilancia del sistema DIODON, utilizando los sistemas del proyecto eHSC y optimizar su desempeño  Proponer un prototipo para modernizar el sistema DIODON en el cual los parámetros peso, volumen, desempeño y consumo energético serán mejorados significativamente en comparación al actual por el uso de eHSC, así como el costo de implementación inferior al que se hiciera con

Página 4 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA 



empresas privadas especializadas. Proveer a las instituciones vinculadas (defensa aérea) un incremento de la capacidad operativa, mediante la disponibilidad de tecnología nacional basada en la investigación orientada a aplicaciones reales en el ejercicio de la soberanía tecnológica Generar una participación sinérgica en el proceso de I+D+i, entre instituciones gubernamentales de investigación, docencia y de seguridad nacional.

Justificación de la Investigación: El presente programa busca generar una solución tecnológica endógena para que los sistemas DIODON puedan ser modernizados a un bajo costo y operarlos con probabilidades de detección mayores a los actuales, desarrollando procesadores de sonar con alta Probabilidad de Detección (superior al 90%), para una Probabilidad de Falsa Alarma Constante y relaciones señal (target) a interferencias (clutter + ruido blanco) por debajo de los 0 dB Los principales problemas que se presentan a la hora de modernizar sistemas de sonar de la defensa marítima ya existentes son: altos costos de los existentes y de alta reserva (i.e., en la mayoría propietarios), así como también la deficiencia en la transferencia de tecnología por ser sistemas cerrados de producción. Contrariamente los sistemas que se desarrollan en base a la investigación científica aplicada pueden subsanar estos inconvenientes con costos muy reducidos y con garantía de una transferencia de tecnología real dentro de todos los procesos de implementación. Por lo tanto, el programa plateado a través de sus componentes a), b) y c) expuestas en el Resumen del Programa, superan estas dificultades ya que la investigación y desarrollo de los procesadores generan soluciones tecnológicas soberanas y propietarias en el ámbito general de vigilancia y seguridad nacional.

METODOLOGÍA Para la ejecución del presente proyecto se utilizará una investigación exploratoria en el estudio y análisis de técnicas bayesianas y aprendizaje de máquina aplicadas a los procesadores de señales de sonar. A continuación, una investigación descriptiva se empleará tanto para la implementación de los algoritmos de procesamiento basados en técnicas bayesianas y aprendizaje de máquina, así como para analizar y comparar el desempeño de los procesadores de sonar correspondientes. Finalmente, la implementación en tiempo real de los procesadores bayesianos y con aprendizaje de máquina en el sonar de vigilancia del sistema DIODON obedecerá a una investigación descriptiva y explicativa que garantice la obtención de los indicadores propuestos. Todo este proceso estará debidamente documentado en los manuales generados para explicar la tecnología desarrollada, así como en las publicaciones científicas en revistas de alto impacto.

PLAN DE TRABAJO El plan de trabajo estará en torno al cumplimiento casi secuencial de los objetivos específicos y se pueden resumir de la siguiente forma: 1. Realizar un estudio exhaustivo y analítico del estado del arte en relación a los procesadores de señales de sonar bayesianos y con aprendizaje de máquina. 2. Generación de un sistema de simulación de señales de sonar controlado que permita en cualquier momento conocer la relación señal/interferencia y poder obtener las ROC del procesador bajo estudio. 3. Evaluación de los procesadores Bayesianos. 4. Evaluación de los procesadores que utilicen aprendizaje de máquina y propuestas de estrategias de aprendizaje en el ambiente sonar. 5. Análisis y evaluación del desempeño de los procesadores bayesianos y con aprendizaje de

Página 5 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA máquina visando su implementación en tiempo real y en paralelo al sistema de sonar de vigilancia DIODON. 6. Implementación de los algoritmos de procesamiento utilizando la metodología del proyecto eHSC y optimizar su desempeño tanto en su arquitectura como en el costo computacional. 7. Pruebas con los prototipos propuestos en entornos de área local y área extendida de ser el caso y como consecuencia de las pruebas, mejoramiento de los procesos y algoritmos en caso de requerirlo. 8. Publicación de los resultados, con los debidos filtros para informaciones sensibles, en revistas científicas de impacto. 9. Escritura de documentos y manuales relacionados con la tecnología desarrollada y presentación de documentos finales, software y aplicativos. 10. Preparar e impartir cursos de actualización de conocimientos al personal designado por la DINDES.

RESULTADOS ESPERADOS 1. 2. 3.

4. 5.

6.

7. 8.

Sistema de simulación de señales de sonar controlado. Curvas operacionales del desempeño de los algoritmos de procesadores bayesianos así como de los algoritmos del procesador de radar bayesiano propuesto. Curvas operacionales del desempeño de los algoritmos de procesadores con aprendizaje de máquina, así como de los algoritmos del procesador de sonar con aprendizaje de máquina propuesto. Evaluación y comparación del desempeño de los procesadores de los numerales 2 y 3. La generación de un prototipo eficaz y eficiente de un sistema procesador digital de la señal de sonar utilizando técnicas avanzadas bayesianas y con aprendizaje de máquina, con alta Probabilidad de Detección (superior al 90%), para una Probabilidad de Falsa Alarma Constante y relaciones señal (target) a interferencias (reverberation + ruido blanco) por debajo de los 0 dB. El desarrollo de algoritmos, procesos, métodos, etc, aplicados a diversas pruebas locales, para su posterior ejecución e implementación en el sistema sonar de vigilancia DIODON utilizando la metodología del proyecto eHSC. Un documento que recopile los principales ejes del intercambio y lecciones aprendidas durante el desarrollo del programa. Tesis de posgrado (MSc) y trabajos de graduación de ingenieros; artículos científicos a publicarse en revistas indexadas; propiedad intelectual y patentes.

PARTICIPACIÓN DE PARTES INTERESADAS Este proyecto tendrá aplicación directa a las necesidades del Sistema de Defensa Naval de las Fuerzas Armadas del Ecuador, a través de la DINDES.

H.

CONSIDERACIONES DE GÉNERO Y CONOCIMIENTO ANCESTRAL

No aplicable a este proyecto

I.

MONITOREO Y EVALUACIÓN

El monitoreo y evaluación del programa se realizará siguiendo los procedimientos establecidos en la metodología del PMI. El seguimiento será continuo con el fin de proporcionar al equipo conocimientos sobre la salud del programa e identificar las áreas que requieren más atención. Estas actividades implican realizar informes de estado, mediciones del avance del programa en lo relativo al alcance, cronograma, recursos, calidad y riesgos, en este sentido, las principales actividades a desarrollar serán las que se detallan a continuación:  Realizar control integrado de cambios.  Verificar y controlar el alcance del programa.  Controlar el cumplimiento del cronograma.  Controlar costos y analizar sus posibles variaciones.  Informar el desempeño del equipo.

Página 6 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA  

Dar seguimiento y controlar los riesgos. Administrar las adquisiciones de materiales y equipos.

J.

CONSECUENCIAS NO INTENCIONALES

K.

TRANSFERENCIA DE RESULTADOS

El conocimiento resultante del programa será aplicado en forma de un producto de interés local y probablemente externo en círculos involucrados con los sistemas integrados de seguridad y defensa con aplicación directa en el sistema de defensa aérea. Una vez superadas las pruebas de laboratorio, todos estos elementos serán integrados en prototipos para la realización de pruebas de campo, en donde se tendrán en cuenta multitud de variables que cubran la mayor parte del espectro de factores relacionados con seguridad. Los resultados, por su naturaleza confidencial y teniendo en cuenta aspectos coyunturales, serán difundidos a través de seminarios, conferencias y exposiciones, previo consentimiento de las autoridades jerárquicas correspondientes. Para la difusión de resultados y del conocimiento adquirido, así como acoger propuestas encaminadas a mejorar el programa, se organizarán seminarios a los que se invitarán a personal autorizado y estudiantes interesados. También se organizarán presentaciones en conferencias técnico-científicas con una audiencia conformada por personal relacionado con seguridad de todas las jerarquías, estudiantes, profesionales e investigadores que tengan interés en la investigación científica. Se prepararán artículos científicos (SCOPUS) para dar a conocer a la comunidad científica, sobre las técnicas y algoritmos desarrollados en la elaboración de los prototipos. Y si fuere el caso, a fin de proteger la propiedad intelectual, las unidades administrativas de la ESPE aplicarán por posibles patentes ante el IEPI, siguiendo los lineamientos del Código Ingenios.

L.

IMPACTO DE RESULTADOS

Página 7 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA Impacto Científico.- Con la ejecución del programa se harán efectivas la aplicación de políticas y planes para el desarrollo de las tecnologías de comunicación e información. Adicionalmente, se contemplarán aspectos de comunicación en el ámbito de la seguridad nacional, lo cual aumentará la eficiencia y efectividad de respuesta en situaciones de riesgo que requieran de atención inmediata. Impacto Social.- Con la ejecución del programa se mejorará continuamente los procesos, la gestión estratégica, y la aplicación de tecnologías de información y comunicación, para optimizar los servicios de seguridad prestados por el Estado. Se incrementará el nivel de seguridad y protección en las zonas identificadas como de alto riesgo, bienes estratégicos o áreas críticas para la defensa y protección de la soberanía territorial, complementariamente se podrá monitorear actividades sospechosas, situaciones anormales, etc. Impacto Tecnológico.- Esta investigación explorará la posibilidad de encontrar nuevas tecnologías y algoritmos de procesamiento de señales de sonar, con aplicaciones de localización, seguridad y monitoreo en tiempo real, a través de la modernización de los sistemas de defensa naval DIODON. Impacto en el Sistema Integral de Seguridad Nacional - Será la institución pública beneficiaria de los productos generados por el programa que les permitirá incrementar significativamente su efectividad en el cumplimiento de su misión. Los profesionales que participen en el proyecto, se capacitarán en nuevos procedimientos científico-tecnológicos que podrán luego emplearlos en su trabajo cotidiano. Impacto en la ESPE.- Se consolidará el Grupo de Investigación del CICTE, DEEE y otros Departamentos de la ESPE, el impacto directo del programa lo recibirá la DINDES y los estudiantes de grado de carreras de ingeniería y posgrado afines con el programa, ya que ellos participarán en el desarrollo de los sistemas componentes. Igualmente, el grupo de investigación multidisciplinario de la universidad será favorecido con la capacitación que reciba para llevar a cabo el programa. Impacto Productivo.- Esta investigación una vez que se implemente los prototipos en el sistema DIODON y a futuro en otros de similar propósito, contribuirá a la disminución de la dependencia tecnológica con los países desarrollados respecto a preparación y aplicación de la tecnología con múltiples aplicaciones fomentando el adecuado uso de los recursos endógenos para un desarrollo productivo local que permitirá a los estudiantes de la ESPE, oficiales investigadores del CICTE, DEEE y otros Departamentos, la DINDES y el acceso a fuentes de trabajo especializadas.

M.

FIRMAS DE RESPONSABILIDAD

Ciudad y Fecha:

Director del Proyecto

Sangolquí, 17 de Agosto del 2018

_______________________________________________ M.Sc. Rubén León C.I. 1801654284 Investigador CICTE-DEEE-ESPE

DECLARO QUE EL PROGRAMA SE ENCUENTRA APROBADO Y TIENE EL RESPALDO DEL CENTRO DE INVESTIGACIÓNES CIENTÍFICAS Y TECNOLÓGICAS DEL EJÉRCITO (CICTE)

_____________________________________________

Mayor Manolo Paredes C.I. 1803138005 DIRECTOR DECLARO QUE EL PROGRAMA SE ENCUENTRA APROBADO Y TIENE EL RESPALDO DEL DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Página 8 de 9

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN, INNOVACIÓN Y TRANSFERENCIA TECNOLÓGICA

_____________________________________________

Mayor Manolo Paredes C.I. 1803138005 DIRECTOR En el caso de las extensiones incluir la firma de respaldo de la Jefatura de Investigación.

Página 9 de 9