darpa dense sense proposal
1.0.0
| 勧誘リファレンス | 防衛先進研究プロジェクト庁 /マイクロシステムテクノロジーオフィス /コマーシャルパフォーマープログラムアナウンス / DARPA-PA-17-01 |
| リード組織 | Skylight Digital LLC |
| 下請業者 /チームの取り決め | 提案された作業の実行には、密な感覚コストモデルにリストされているように、いくつかの第三者が含まれます（電子メールの添付ファイルを参照）。選択通知時に正式な取り決めが実行されます。 |
| 管理ポイントの連絡先 | クリスケアンズ |
| 技術的な連絡先 | ジェフ・マリガン |
| 提案された努力のタイトル | 密な感覚 - はかない低電力幅領域ネットワークセンサーの密な、安価なネットワーク |
| 技術分野 | モノのインターネット、ローパワーワイドエリアネットワークセンサー、クラウドベースのオープンデータ、分析プラットフォーム |
| パフォーマンスの場所と期間 | コロラドスプリングス、コロラド州。契約執行日から12か月 |
| ダンズ＃ | 080202677 |
新しい低電力幅エリアネットワーキング（LPWAN）テクノロジーにより、都市またはターゲットエリア全体に控えめに簡単に配置できるバッテリー駆動またはエネルギーハーベスティングセンサーのネットワークを構築することができます。これらは安価で、ほとんど電力を使用することができるため、非常に多数のセンサーを展開することは経済的です。これを「密な」センサーネットワークと呼びます。
この新しいクラスのセンサーの1つの例は、単純なオーディオ波形をクラウドサービスにキャプチャして送信し、そこで分析、ぼかし、三角測量を送信して、特定の「ノイズ」のタイプと位置と時間の両方を識別します。これらの「ノイズ」はクラウドで分類でき、銃声であると判断された場合、情報は適切な機関や潜在的に他のセンサーシステムに中継されます。他のセンサータイプは、温度、振動、放射、空気の質、光、さらには心拍数、呼吸、または体温などの人的要因など、他のさまざまなテレメトリデータを送信できます。このプロジェクトの目的は、オープンソースおよびオープンプロトコルベースのプラットフォームとして、シンプルで低コストの低電力センサーネットワークを調査、実験、開発、展開することです。
最終的な処理をクラウドに移動するという追加の利点は、浸透試行に対して敏感なアルゴリズムとデータの保護を提供することです。フィールドユニットは、妥協に無関心な比較的基本的な機能に制限できます。
このプロジェクトの全体的な目標は、銃声などの特定のサウンドの識別と位置のためのオーディオ受信と伝送の特定のテストケースを備えた、調整された多数の低電力センサーシステムのプロトタイプと証明を証明することです。最終システムは低コストになります。つまり、既存のアプローチと比較して、CAPEX、インストール、およびOPEXで2桁安くなり、センサー通信用の6lowpan、IP/TCP、COAP、MQTT、HTTPなどのオープン標準の機能を使用します。このシステムにより、サードパーティは、公開されたクラウドアプリケーションプログラミングインターフェイス（API）を介して独自の専門知識を統合して、改善されたデータ分析、分類、およびアラートを提供できます。
機能システムを構築する過程で、必然的にテストして検証します。
現在、さまざまなRFテクノロジーが利用可能ですが、ほとんどの場合、距離が限られているため、ほとんどの場合、マルチホップメッシュネットワーキングアーキテクチャが必要です。これらの設計により、ネットワークの複雑さが向上します。真に簡単にスケーラブルな睡眠メッシュノードRFネットワークは広く展開されていません。あるいは、ほとんどの現在のSTARトポロジーネットワークは、距離が非常に限られている（BTまたはBTLE）または空腹（WiFi、セルラー）のいずれかです。 LORAなどの新しいLPWANテクノロジーは、より距離、マルチパス分離、低/永久電力、ビルトイン暗号化、および単純な非工学的インストールを実現することを約束します。
現在、銃声分析システムがありますが、低電力の長距離LPWAN機能を利用していないため、各センサーを非常に能力がありますが、高価でかさばることに投資しています。数百または数千のセンサーをスケーリングして、センサーあたりのコストが少ない広い領域を正確にカバーできるシステムを認識していません。このネットワーキング機能は、機器の負担を増やすことなく、個々の銃声検出器を目に見えないほどネットワーク化することができ、戦場のインテリジェンスを強化します。このような密なセンサーネットワークは、理論上、少数のセンサーよりも確実にノイズをジオロケートすることができます。
私たちの究極の目標は、LPWANテクノロジーにより、目立たず、安価なセンサーを大規模で大量に配置し、有用な銃声検出を実行するのに十分な帯域幅でデジタル化されたオーディオ信号を送信できることを実証することです。私たちの究極の目標は、25ドルの「センサーノード」を、移動トラックから投げたり、ドローンで配達したり、環境に残したりすることができるカードデッキのサイズを作成することです。感知されたエリアは約10平方キロメートルで、4〜6個のベースステーションが必要です。このプロジェクトの最良の銃創分析システムを開発する意図ではなく、他の人が洗練された分析を提供するためのオープンなWebhookを提供することを意図しています。 LPWANテクノロジーのIoT機能に焦点を当てています。
各センサーノードには、単一のオーディオセンサーまたは小さなセンサーのセットがあり、単一のオーディオ信号を生成します。各ノードには、オプションの太陽光発電電源を備えたロラ無線と、テストに十分なバッテリー電力があります。各ノードには、オーディオ信号をエンコードし、おそらくオーディオ信号が送信されるに値するかどうかを決定するのに十分なオーディオデジタル化と信号処理能力があります。初期設計は単純なボリュームかもしれませんが、周波数銀行フィルターを使用して、銃声をより正確に識別することができます。
最初に、各オーディオセンサーノードはGPSシステムで正確にジオロケートされます。 LORAテクノロジー自体がGPSシステムに対して提供するビルトインジオロケーション機能をテストします。 4プラスゲートウェイを使用して、10平方キロメートルの効果的な「リスニング」をカバーする範囲で完全なシステムを実証します。センサーノードは、検出エリア内の銃声をジオロケートするために、十分なオーディオ（可能な場合は電力と処理の保存）を送信します。
オーディオ波形は、wifiまたはイーサネットを介してネットワークサーバーに接続されたゲートウェイに送信され、波形が分析のためにクラウドベースのシステムに波形を折り返します。 2つのユーザーインターフェイス（エンドユーザーとエンジニアリング）を構築することを提案します。これは、企業がWebhookインターフェイスを使用している場合、当社のシステムとサードパーティの音響処理システムのテストをサポートします。エンドユーザーインターフェイスは、最初の回答者がフィールドの銃声に対応するために設計されます。つまり、データを最も重要な機能に単純化します。イベントはどこにあるのか、イベントの地理的円形誤差確率はどのくらい、そしてそれは銃声であった可能性がありますか？
一方、エンジニアリングインターフェイスは、はるかに豊富なインターフェイスを提供し、各ノードで受信した信号を公開し、アコースティックイベントの詳細を公開します。このユーザーインターフェイスは、システムをテストするために私たちや他の熟練した研究者によって使用されます。ユーザーインターフェイスは、標準のAPIベースのアーキテクチャ分離を使用して、サードパーティが拡張分析システムを構築できるようにします。
私たちの主な重点は、LPWANテクノロジーに基づく密集した低コストのセンサーネットワークの概念です。ジオロケーションを目的としてオーディオストリームを分析するために、ソフトウェア間の明確な分離を維持する予定です。これにより、DARPAまたは他の組織がLPWANハードウェアに基づいて競争力のあるまたは既存の銃創分析システムを構築または使用することができます。システムを効果的にテストするのに十分なオーディオジオロケーションを提供します。他の企業やその後のグラント開発により、クラウドベースのソフトウェアが増えると、より多くの銃声分析が提供されると思います。
クラウドサービスはWeb APIを利用して、生データ、集約、および結果の分析にアクセスするための共通インターフェイスを提供します。この低コストの軽量API実装により、データとオーディオには、既存のAPI管理プラクティスを使用して、安全で便利な方法でWeb経由でオーディオにアクセスできます。
プロジェクトAPIは、プロジェクトの機能を強化するWeb、モバイル、およびその他のデバイスアプリケーションの開発だけでなく、システム間統合と集約を可能にします。これにより、さまざまなアプリケーションやコンテキストでの分析とテストのために、研究者やその他の機関にシステムが開かれます。
このアプリケーションのために比較的新しいロラLPWANの使用は未開拓であると考えています。そのため、次の質問に答えるオーディオデータの送信の成功に関連する課題があります。
ユーザーインターフェイスの課題は、調査員がシステムのパフォーマンスと制限を完全に理解できるように、オーディオストリームに十分な洞察を提供することです。ユーザーインターフェイスは、未熟練ユーザーが銃声の地理配置を理解するのに十分である必要があります。
完了すると、このプロジェクトは、シンプルで低コストの分散センサーネットワークを簡単に展開できることを実証し、銃声を識別して見つけるために使用できることを実証します。都市と軍隊の両方が、このフィールドデプロイ可能な設計を使用して、一時的にインストールされた迅速なネットワークと長期センサーネットワークのインストールの両方に使用できます。オープン標準に基づいて、システムは拡張性を実証し、新機能、機能、および機能の進化を可能にします。多かれ少なかれランダムな場所に安価で目立つセンサーの堅牢なネットワークを配置し、銃声を正確に検出する機能により、暴力的な行動に対する迅速な対応が可能になります。
非常に低コストで簡単に展開する可能性のあるオーディオセンサーフィールドを提供する機能は、簡単な識別とロケーションガンショットを可能にするオーディオセンサーフィールドを展開します。これは、最初の対応者と軍人の両方の運用シアターのダイナミクスを変えます。
さらに、ベースオープンネットワーキングファンデーションは、他のセンサー機能に適応して、騒音や交通レベル、水の流れまたは水汚染センシング、振動センシング、有害な化学または放射性センシングを含むこともできます。
このプロジェクトの意図は、LPWANセンサーネットワーキング機能、機能、パフォーマンス、コストの理解を促進することを目的としています。この特定の銃創アプリケーションを設計、構築、および商品化することは、このプロジェクトの目標ではなく、他の人が生産するための実行可能なプラットフォームを業界に提供することであり、オンセンサー処理と生のセンサーデータ送信の消費電力に関連するトレードオフのより深い理解を深め、業界のオープンソースとAPIインターフェイスに潜在的なセンソルネットワークとプラットフォームに提供します。
完成したセンサーネットワークには、約10平方キロメートルの円形の領域が含まれ、4〜6個のゲートウェイと最低30個の密に展開されたセンサーが含まれており、農村部の環境で10メートルのスケールで銃声の地理配地を可能にします。プロジェクト中に開発されたクラウドサービスは、波形マッチングと三角測量マッピングのデータ分析を提供します。
このプロジェクトは困難になるため、この機能を段階的に開発する予定であり、それぞれが能力の増加を実証します。これらの各段階のセンサーノードで使用されるハードウェアシステムは、上に示されています。
ステージ＃1：オーディオサブシステムをシミュレートしますが、無線機能をテストします。シミュレートされたオーディオ信号を送信するようにプログラムされた10個の「リスニングステーション」を配置します。これらは、ハンドヘルドGPSシステムで手動でジオロケートされます。 4つ以上のベースステーションを使用することにより、LORAの非GPSベースの「到着時間」ジオロケーション機能をテストし、それをGPSジオロケーションと比較することができます。リスニングステーションのMCUは、5秒ごとに「強打」を報告するようにプログラムされます。これにより、システムのエンドツーエンドをテストできます。
この段階のハードウェアの具体化の可能性は、St Nucleo-Lrwan1またはAdafruit Arduino Zero Powered Featherです。
ステージ＃2：すでに経験がある250ドルのコンピューター化されたオーディオデジタイザーを使用して、実際のデジタル化されたオーディオサブシステムを追加します。これらは私たちの究極の目標システムよりも多くの力を消費しますが、私たちを許可します：
ステージ＃3：焦点を当てます：
このプロジェクトが成功した場合、拡張機能（この助成金の範囲外）は、コミュニケーションのパフォーマンス、干渉、およびマルチパス保護を確保するために、単純なプロトタイプから100+ノードと10+ゲートウェイにネットワークを拡大しようとします。さらに重要なテストは、彼の提案の範囲外の都市部の中層型環境でテストすることです。
このプロジェクトの設計目標は、静止したベースステーションと固定センサーを備えた低コストで低電力の非常に密度の高いセンサーネットワークです。別のセンサーネットワーク調査（このプロジェクトの一部ではありません）では、同じ基本技術が使用されますが、オーディオではなく、センサーとネットワークは動きのセンサーからテレメトリ（人間またはデバイスの健康）を中継します。このプロジェクトでは、移動センサーの地理配置とローカリゼーションを調査します。
提案されているプロジェクトコストの合計は500,808ドル（提案されたコスト共有を除く）です。完全な内訳とコストの基礎については、電子メールExcelの添付ファイル「密度センスコストモデル」をご覧ください。
利用可能なさまざまな買収当局の下で許可されている場合、均一な毎月の進捗支払いを備えた企業固定価格の契約を好みます。
新しいスタートアップ企業として、提案された費用の50％を吸収するための財政的リスクを提示します。ただし、 350,566ドルの政府に合計で提案されたコストの合計コストの30％ （または150,242ドル）を管理することができます。
Geoff Mulliganは、IoTおよびインターネットプロトコルの研究者であり、6Lowpanプロトコルの作成者です。彼はIPSOアライアンスを設立し、IPV6の設計を支援し、ISOスマートで持続可能な都市プロジェクトの米国代表を務め、Lora Allianceの会長を務めました。 Geoffは空軍の役員として10年以上を過ごし、2013年に大統領イノベーションフェローを務めました。彼は2017年にSkylight Digital LLCにパートナーとして参加しました。
Robert L. Read、PhDは、ソフトウェアアーキテクト、発明家、著者です。彼は2013年に大統領イノベーションフェローを務め、18Fを共同設立しました。彼は公共の発明の創設者であり、ロボット工学への根本的なアプローチを調査しています。 2001年以来、スタートアップと中規模のソフトウェア会社でディレクターレベルのポジションを務めています。2017年にパートナーとしてSkylight Digital LLCに参加しました。
マーティン・レオ・スミスは、カリフォルニア州の地球物理学の学位を持ち、プリンストン大学の同じ分野で博士号を取得しています。彼はコロラド州ボルダーのコロラド大学で働いています。オクラホマ州タルサのアモコ研究センター。 2008年にバーモント州のニューイングランド研究のチーフサイエンティストとして退職しました。彼は、彼のコンサルティング会社であるBlindgoat Geophysicsの所有者です。彼はアメリカ市民であり、米国陸軍のエンジニア役員として数年間務めました。
センサープラットフォームとゲートウェイには、商用（COTS）ハードウェアを使用することが期待されています。オープン標準プロトコルを使用して、オープンで拡張可能なネットワークを確保します。私たちが開発するすべてのソフトウェアは、パブリックドメイン（つまり、Creative Commons Zeroライセンス）にリリースされます。私たちが生成するWebhook APIは、この助成金中に誰かがそれを使用することを選択した場合、この助成金の期間中、完全に文書化され、サポートされます。
Maher、Robert C.「銃声の音響特性。」公安と法医学のためのシグナル処理アプリケーション、2007年。安全'07。 IEEEワークショップオン。 IEEE、2007年。
Chacon-Rodriguez、Alfonso、他「銃声検出アルゴリズムの評価。」サーキットとシステムに関するIEEEトランザクションI：通常の論文58.2（2011）：363-373。
Beutel、Kurt Gavin。 「LORA通信標準に基づいて、Powerユーティリティリモートデバイス通信（LPWAN）を使用しています。」 （2016）。
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