II Jornadas de Investigación Facultad de Ingeniería, Volumen Especial Memoria de conferencias de las Jornadas de Investigación de la Facultad de Ingeniería 10 al 12 de noviembre de 2020 personas editoras Orlando Arrieta-Orozco Karina Castro-Arce Víctor Schmidt-Díaz Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Instituto de Investigaciones en Ingeniería FI Facultad de Ingeniería INII Instituto de Investigaciones en Ingeniería Información bibliográfica Editorial del Volumen Especial IEEE: [1] O. Arrieta-Orozco, K. Castro-Arce, and V. Schmidt-Díaz, Eds., “II Jornadas de Investigación de la Facultad de Ingeniería 2020”. En Volumen Especial Revista de Ingeniería, 2021, pp 1-237. Doi 10.15517/ri.v31i0.48008 APA: Arrieta-Orozco, O., Castro-Arce, K., & Schmidt-Díaz, V. (Eds). (2021). II Jornadas de Investigación de la Facultad de Ingeniería 2020. En Volumen Especial Revista de Ingeniería. Universidad de Costa Rica, pp 1-237. Doi: 10.15517/ ri.v31i0.48008 Diseño de portada: Melissa González Villalobos. Diagramación: Marcela Quirós Garita y Melissa González Villalobos. TABLA DE CONTENIDOS Presentación ................................................................................................................................... i Acerca de este Volumen Especial de la Revista de Ingeniería ...................................................... iii Acerca de las personas editoras de este Volumen Especial ........................................................... iv TEMA I Espacio y servicios públicos: Infraestructura, uso y calidad .......................................................... 1 Análisis y mejora para un elevador oscilante ................................................................................ 3 Análisis cinemático de máquinas biosaludables ............................................................................ 7 Propuesta de conexión al alcantarillado sanitario para dos asentamientos informales en la Gran Área Metropolitana ........................................................................................................................ 11 Determinación de los factores camión para pavimentos rígidos de Costa Rica en el período 2007-2017......................................................................................................................................... 15 Evaluación del desempeño técnico y administrativo, y plan de mejoramiento para un acueducto pequeño ................................................................................................. ......................................... 19 TEMA II Automatización e interacción humano-tecnologías, Inteligencia artificial e internet de las cosas (IoT) ............................................................................................................................................ 23 Diseño de un controlador PI inmune óptimo ................................................................................. 23 Implementación de un controlador DMC para una columna de destilación binaria ..................... 31 Terapia fototérmica controlada mediante lógica difusa multivariable .......................................... 35 Procesamiento de Señales de Habla basado en Deep Learning .................................................... 39 Desarrollo de Tecnologías del Habla en Costa Rica ...................................................................... 43 TEMA III Mediciones de variables físico-ambientales y sus aplicaciones ....................................................... 47 ¿Qué información brinda una base de datos de aguas vertidas en un sistema de irrigación? ...................................................................................................................................... 49 Análisis de Firmas Hiperespectrales del Pasto Estrella Africana (Cynodon nlemfuensis) Bajo Régimen de Pastoreo ............................................................................................................. 53 Prueba de vibración ambiental del puente sobre río Chirripó, Ruta Nacional 32, Costa Rica ...................................................................................................................................... 57 TEMA IV Vivienda social: planificación, construcción, calidad ...................................................................... 61 Proyectos de Vivienda Social en Costa Rica 2011-2018 ............................................................... 63 De la teoría a la práctica: fases ejecutadas en dos procesos de reasentamiento involuntario .................................................................................................................................... 67 Efecto de la relación de aspecto en muros de mampostería parcialmente rellena confinada reforzada: Ductilidad y Rigidez ..................................................................................................... 71 Propuesta de mejoramiento a los procesos de diseño y aprobación de conjuntos residenciales de interés social ............................................................................................................................. 75 Estrategia integral para el abordaje de la vivienda social en Costa Rica ...................................... 79 Evaluación de las condiciones socioeconómicas y la infraestructura de dos proyectos de reasentamiento involuntario .......................................................................................................... 83 Hacinamiento y conflictos normativos: incertidumbres existentes en el modelo de vivienda social en Costa Rica ....................................................................................................................... 87 TEMA V Conversión, reconversión y aprovechamiento de recursos naturales ............................................ 91 Producción de celulasas por Trichoderma sp, utilizando biomasas lignocelulósicas pretratadas como sustrato .............................................................................................................. 93 Cocina gasifada para aprovechamiento de biomasa residual Wood gas stove fueled with residual biomass ............................................................................................................................ 97 Evaluación del uso de carbón activado producido a partir de rastrojo de piña en la remoción de azul de metileno ........................................................................................................................ 101 Licuefacción hidrotérmica del rastrojo de piña para la obtención de biocrudo ............................ 105 Soporte catalítico estructurado impreso en 3D para la degradación de contaminantes emergentes mediante el proceso de Fenton ...................................................................................................... 109 Control vectorial de un generador lineal para la conversión de energía undimotriz utilizando convertidores fuente de corriente ............................................................... 113 TEMA VI Modelado y prototipado: software, sistemas, herramientas, aplicaciones .................................... 117 Optimización de cruces ferroviarios en redes de vía simple mediante algoritmos voraces y genéticos ..................................................................................................................................... 119 Diseño de un Sistema de Ruedas de Reacción para un CubeSat de Tres Unidades ...................... 123 Identificación y modelado dinámico de una mesa vibratoria y una estructura de un piso ................................................................................................................................................ 129 Análisis paramétrico de esfuerzos en la soldadura de conexiones circulares bridadas ................ 133 Aplicación de la simulación en tiempo real al estudio de protecciones en sistemas eléctricos ........................................................................................................................................ 137 Diseño y ajuste en línea de un estabilizador de sistemas de potencia .......................................... 141 Enlace inalámbrico para pruebas de convertidor resonante de potencia ...................................... 145 Flujo en compuerta inferior de represa bidimensional por el método de SPH ............................. 149 Prototipo de una celda unidad de batería aluminio-aire en flujo .................................................. 153 Implementación de Sistema Automático de Monitoreo para Proyecto de Cosecha de Agua en Monteverde ............................................................................................................................... 157 TEMA VII Pedagogía y formación: herramientas, crítica, virtualidad ............................................................ 163 Aplicación de rúbricas para medir los indicadores de atributos de egreso .................................... 165 Experiencias de aprendizaje basado en proyectos en cursos de Computación: aciertos y retos ............................................................................................................................................... 169 Factores determinantes en la escogencia de la carrera de Ingeniería Química en la Universidad de Costa Rica ................................................................................................................................. 173 TEMA VIII Ordenamiento territorial, gobernanza territorial, paisaje ............................................................. 177 Conservación de Suelos y ordenamiento territorial en las faldas del volcán Irazú ...................... 179 Paisajes Culturales: perspectivas para la conservación del paisaje en Costa Rica ....................... 183 Explorando los efectos del COVID-19 en los precios de propiedades y alquileres urbanos de la GAM .............................................................................................................................................. 189 Vivienda inclusiva de alta densidad y derecho a la ciudad en Costa Rica ................................... 193 Evaluación de la metodología del Desarrollo Orientado al Transporte Público en corredor vial ................................................................................................................................... 197 TEMA IX Prevención y mitigación de riesgos + soporte y mejoramiento de procesos .................................. 201 Análisis de sitios de concentración de choques viales mediante la utilización de sistemas móviles para el inventario de carreteras en la Ruta Nacional 1 ................................................... 203 Análisis de modos de falla, efectos y criticidad a un aerogenerador doblemente alimentado ..................................................................................................................................... 207 Monitoreo de condición del sistema de aislamiento de motores eléctricos mediante índice de salud ............................................................................................................................... 211 TEMA X Materiales comunes y bioinspirados: carecterísticas, calidad, aplicaciones ................................. 217 Densificación de polímeros para funcionar como agregados en materiales de construcción ................................................................................................................................... 219 Asfaltos modificados en almacenamiento: Un estudio de su comportamiento a condiciones críticas ............................................................................................................................................ 221 Obtención de nanocelulosa funcionalizada, como método de adsorción de cromo ...................... 225 Evaluación de Pavimentos Verdes a Escala Natural ...................................................................... 227 Evaluación del efecto del proceso de desmineralización de hueso bovino en la forma y composición de nanopartículas de hidroxiapatita producidas por electrosíntesis .............................................. 231 Mezcla asfáltica modificada con diferentes materiales de desecho ............................................... 235 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. i Presentación Las Jornadas de Investigación de la Facultad de Ingeniería surgieron en el 2019 como una iniciativa conjuntamente impulsada por la Decanatura de la Facultad y la Dirección del Instituto de Investigaciones en Ingeniería. Se buscaba generar un espacio que representara una ventana de exposición de los muchos trabajos realizados por el personal docente e investigador, así como de la población estudiantil. En octubre de 2019 se realizaron las I Jornadas de Investigación y en ellas se presentaron un total de 38 ponencias, en diferentes áreas temáticas relacionadas a la ingeniería y la arquitectura, con la participación de las Escuelas de la Facultad de Ingeniería y de otras Unidades de Investigación. Se tuvo una estructura que contemplaba dos modalidades: trabajos de investigación de personal docente-investigador y ponencias presentadas por parte de la población estudiantil como resultado de proyectos de cursos, participación en investigaciones o trabajos finales de graduación. A partir de la experiencia de la primera edición de las Jornadas de Investigación, se hace una revisión y un replanteamiento mejorado para la segunda ocasión de dicho evento, que se llevó a cabo en noviembre de 2020. Adicionalmente, debido a la pandemia por COVID-19 se realiza una planificación del evento para ser desarrollado totalmente bajo la modalidad virtual. Los cambios implementados consistieron en ampliar las temáticas a tratar, introducir una modalidad adicional para incluir los trabajos de investigación que se encuentren en desarrollo y diferenciarlos de las investigaciones consolidadas, manteniendo lo relativo a la presentación de la población estudiantil. Se buscó además estructurar un segmento para incorporar la participación de estudiantes del Programa de Doctorado en Ingeniería y de esa forma mostrar el avance de los proyectos de investigación. Para las II Jornadas de Investigación de la Facultad de Ingeniería se presentaron en total 70 ponencias, que representaron un 85% de aceptación respecto al total presentado y que fue el resul- tado de la revisión preliminar realizada por el Comité Evaluador, cuya integración incluía al menos una persona en representación de cada una de las Unidades Académicas de la Facultad de Ingeniería. Como parte de las ideas desarrolladas para la edición 2020, se realizó una coordinación y una articulación con la Revista Ingeniería, para la publicación de los resúmenes de cada una de las ponencias presentadas. El presente número especial representa un esfuerzo que incluye los trabajos presentados en las II Jornadas de Investigación y que superaron la revisión del Comité Organizador. Las diferentes iniciativas comentadas previamente son parte de un proceso de evolución y revi- sión continua que tienen como objetivo consolidar y madurar las Jornadas de Investigación, como un evento anual de la Facultad de Ingeniería que permita mostrar parte del quehacer académico que se realiza en las Unidades Académicas y de Investigación. Se espera que poco a poco aumente el número de participantes y trabajos, que permitan a su vez incrementar los parámetros de revisión, llegando a contar idealmente con evaluación de pares externos para las ponencias y así garantizar una mayor rigurosidad y calidad académica de las presentaciones. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.ii El 2021 es un año especial para la Facultad de Ingeniería; se celebra el 80 aniversario de la primera clase de ingeniería en Costa Rica, así como los 50 años de la creación de la Escuela de Arquitectura y los 40 años de la Escuela de Ciencias de la Computación e Informática. Al igual que nuestra Facultad y sus Unidades, esperamos poder celebrar en el futuro muchos aniversarios de las Jornadas de Investigación, como evento debidamente consolidado y permanente en el tiempo, que ayude a visibilizar los aportes que se hacen al país y la sociedad costarricense. Editores del volumen especial: Dr. Orlando Arrita Orozco Decano Facultad de Ingeniería Dr. Víctor Schmidt Díaz Director Instituto de Investigaciones en Ingeniería M.Sc. Karina Castro Arce Docente e Investigadora Escuela de Arquitectura e Instituto de Investigaciones en Ingeniería http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. iii Acerca de este Volumen Especial de la Revista Ingeniería Este Volumen Especial es una memoria del congreso de las II Jornadas de Investigación de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica. Las jornadas se desarrollaron de forma virtual entre los días 10 y 12 de noviembre de 2020. La contribución de resúmenes a este Volumen Especial fue voluntaria por parte de las personas ponentes, por tanto, en este se exponen 53 de 70 ponencias que fueron presentadas durante el evento. Esta memoria compila los resúmenes extendidos de las ponencias en las 10 áreas temáticas que fueron abordadas en las II Jornadas de Investigación. Descargo revisión de pares Al tratarse de un Volumen Especial acerca de las Jornadas de Investigación de la Facultad de Ingeniería, es importante aclarar que a las ponencias presentadas no se les aplicó la evaluación de pares académicos que se estipula en la Revista Ingeniería para artículos científicos. Todos los resúmenes, ya sea en categoría persona profesora/investigadora o estudiante, fueron valorados por el Comité Organizador de las II Jornadas de Investigación, conformado por repre- sentantes de cada una de las unidades académicas que son parte de la Facultad de Ingeniería. La valoración para que las ponencias se consideraran fue, únicamente, una presentación oral de 15 minutos y se utilizaron los siguientes criterios: 1. Presentación de resumen extendido de máximo 1000 palabras. 2. Cumplimiento de formato según el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 3. Tema enmarcado en una de las áreas temáticas definidas para el evento. 4. Originalidad, claridad y precisión en la redacción para su facilidad de comprensión de acuerdo al público multidisciplinar del evento. 5. Síntesis de contenidos: problemática o situación a investigar, métodos, análisis o discusión, resultados. Descargo imágenes Es posible que la calidad de las imágenes expuestas en este Volumen Especial no sea la ade- cuada. En ese sentido se aclara que la contribución es exclusiva responsabilidad de las personas autoras participantes. Plagio Se realizó una revisión de los resúmenes aquí expuestos usando la plataforma Turnitin. Si el plagio fue detectado en alguno de los textos, las personas editoras invitadas tomaron la decisión de removerlo de este Volumen Especial. Aún así, debe aclararse que los textos son responsabilidad de cada una de las personas autoras y, como se menciona anteriormente, estos textos no pasaron por los filtros rigurosos establecidos para revistas científicas. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.iv Acerca de las personas editoras de este volumen especial Dr. Orlando Arrieta Orozco Orlando Arrieta Orozco recibió los títulos de Bachiller y Licenciado en Ingeniería Eléctrica, de la Universidad de Costa Rica, en 2003 y 2006 respectivamente. En 2007 obtiene el grado de Máster en Ingeniería de Sistemas y Automática y en 2010 el de Doctor, ambos por la Universidad Autónoma de Barcelona, España, en el campo de Ingeniería de Control, donde también realiza luego un periodo postdoctoral. En el 2015 obtiene además el grado de Maestría en Administración con énfasis en Gerencia, de la Universidad de Costa Rica. Es profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e investigador del Instituto de Investigaciones en Ingeniería. Actualmente es Decano de la Facultad de Ingeniería, de la Universidad de Costa Rica. Dr. Víctor Schmidt Díaz. Licenciado en Ingeniería Civil por la Universidad de Costa Rica. Máster y Doctor en Ingeniería Sísmica y Dinámica Estructural por la Universidad Politécnica de Cataluña en Barcelona, España. El doctorado además lo obtuvo con Mención Europea, gracias a una pasantía realizada en el Ins- tituto NORSAR en Noruega. Actualmente es investigador del Laboratorio de Ingeniería Sísmica, docente de grado y del programa de posgrado de la Escuela de Ingeniería Civil. Es el actual director del Instituto de Investigaciones en Ingeniería de la Universidad de Costa Rica. M.Sc. Karina Castro Arce Arquitecta y planificadora territorial. Realizó estudios de arquitectura en la Universidad de Costa Rica, y cuenta con una maestría en Gerencia de Proyectos de Desarrollo del Instituto Centroamericano de Administración Pública (ICAP). Egresada de la Maestría en Riesgos, Ciudades y Ordenamiento Territorial con énfasis en Política Pública de la Universidade do Porto, Portugal. Está concluyendo su investigación doctoral en Planificación Territorial y Medio Ambiente, en la Universidad de Groningen, Países Bajos. Es docente en la Escuela de Arquitectura y en el Posgrado de Gestión Integrada del Recurso Hídrico de la Escuela de Geografía; además es investigadora en el Instituto de Investigaciones en Ingeniería de la Universidad de Costa Rica. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Tema I Espacio y servicios públicos: Infraestructura, uso y calidad Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.2 http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 3 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Análisis y mejora para un elevador oscilante Analysis and improvement for an oscillating lift María Celeste Rojas Hernández Estudiante de la Escuela de Ingeniería Mecánica e-mail: mariaceleste.rojas@ucr.ac.cr Anthony Erasmo Serrano Sánchez Estudiante de la Escuela de Ingeniería Mecánica e-mail: anthony.serranosanchez@ucr.ac.cr Juan Gerardo Solís Gatgens Estudiantes de la Escuela de Ingeniería Mecánica e-mail: juan.solisgatgens@ucr.ac.cr Palabras clave: Elevador oscilante, fatiga, selección de cojinete, soldadura de filete, infraestructura pública. I. Introducción Problema Se han implementado múltiples parques biosaludables en muchas áreas del país; sin embargo, las máquinas que los conforman, a causa de las condiciones meteorológicas a las que se encuen- tran expuestas y al uso al que son sometidas, sufren graves deterioros que pueden atentar contra la seguridad de sus usuarios. Una de las máquinas que comúnmente se encuentra en mal estado es el elevador oscilante (véase Fig. 1), es por este motivo que se analizó desde el punto de vista mecá- nico esta máquina y se realizaron propuestas para su mejora. Fig.1. Modelo de elevador oscilante. Elaboración propia. http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.4 Fig. 2. Daños en elevador oscilante estudiado. Elaboración propia. Pregunta de investigación: ¿Cuál es la respuesta ante la fatiga de los elementos más críticos de una máquina de ejercicio tipo elevador oscilante? II. R esultados Se escogió para el estudio una máquina ubicada en las instalaciones de la UCR y se observó que la máquina presentaba daños en el sistema que se usa para unir el brazo oscilante con la base fija, el cual permite la rotación de este, como se observa en la Fig.2 . Se desarrollaron varios análisis: sol- daduras críticas, resistencia del eje y una selección de un cojinete que permitiera alargar la vida útil. Se determinó que las soldaduras más críticas en la máquina son las que unen el soporte de la base para los pies con el brazo y la que une el acoplador del eje del brazo con el tubo base. Para los cálcu- los de soldadura se utilizó una garganta de 1 cm y se tomaron las propiedades del electrodo E601. Se obtuvo que la fuerza máxima que pueden soportar las soldaduras es de 14 703 N y 12 330 N respecti- vamente. Esta fuerza sobrepasa por mucho la carga máxima propuesta, de 1470 N correspondiente al peso de una persona cuya masa es de 150 kg. Por lo tanto, se concluye que la soldadura resiste bien. El análisis del eje parte de un modelo donde el eje está fijo en la base por medio de dos puntos y el peso del usuario está uniformemente distribuido a lo largo de la mitad de la base de los pies. La posición angular del brazo determina los esfuerzos generados en el eje ya que, conforme se aumenta el ángulo se genera un torsor que genera un esfuerzo cortante. Fig. 3. Esfuerzos en el eje en función del ángulo del brazo para un usuario de 150 kg. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 5 La Fig. 3 se muestra la variación del esfuerzo en el eje con respecto a la posición angular. Como referencia para el ángulo se tomó la línea imaginaria que pasa verticalmente por el brazo cuando la máquina está en reposo. Para el esfuerzo máximo que debe soportar el eje, considerando un factor de seguridad n = 2 y un intervalo de operación seguro de θϵ[− 40°,40°] , el mínimo diámetro permisible es de d = 38,3 mm. A pesar de que por razones externas al proyecto la medida exacta del diámetro del eje no se conoce, se estimó que su valor ronda los 40 mm, por lo que el eje del diseño original no fallará para las con- diciones planteadas. La falla por fatiga fue considerada para el eje, sin embargo, los resultados muestran que para la carga escogida, el eje tendrá vida infinita. Es importante notar que el eje está constantemente sometido a cambios de aceleración bruscos, los cuales generan fuerzas inerciales que no están contempladas en este análisis. Como medida de seguridad se emplea un factor de seguridad de 2. Además, el peso de usuario seleccionado no se alcan- zará en la mayoría de los casos durante el uso, lo que favorecerá a la durabilidad de los componentes. Como parámetro de selección para el cojinete se obtuvo una carga nominal de 4,00 kN. Las limitaciones espaciales del cojinete vienen dadas por el diámetro mínimo del eje (diámetro interno del cojinete) y diámetro interno de la pieza de unión entre el brazo y la base (diámetro externo del cojinete). Con estos parámetros, el cojinete adecuado es el modelo 16008 de Timken, con una carga nominal de 12,60 kN, un diámetro interno de 40 mm y un diámetro externo de 68 mm, que iguala o excede las características requeridas y tiene un precio accesible. Conclusiones • El análisis de fatiga para las soldaduras críticas en el brazo y en el eje acoplador indica que las soldaduras no fallan por fatiga. • Como mejora al diseño se propone sustituir el relleno de la pieza de unión de la base con el brazo oscilante con un cojinete de bolas modelo 16008 Timken. • La selección del cojinete está limitada principalmente por el espacio físico disponible y no por la carga nominal que este debe soportar. • Se concluye que económicamente es viable añadir un cojinete al diseño original. Referencias [1] J. E. Shigley, Shigley’s mechanical engineering design. Tata McGraw-Hill Education, 2011. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.6 http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 7 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Análisis cinemático de máquinas biosaludables Kinematic analysis of outdoor fitness equipmen Ana Lucía Buitrago Méndez Estudiante, Ingeniería Mecánica e-mail: ana.buitrago@ucr.ac.cr Sebastián España Tapia Estudiante, Ingeniería Mecánica e-mail: sebastian.espana@ucr.ac.cr Valeria Pugliese Gallardo Estudiante, Ingeniería Mecánica e-mail: valeria.pugliese@ucr.ac.c Palabras clave: Máquinas biosaludable, modelo cinemático, columpio, ascensor y elevador. I. DESCR IPCIÓN GENERAL El ejercicio físico se ha convertido en una necesidad de la mayoría de personas en nuestra sociedad, por lo que los gobiernos locales realizan esfuerzos para aumentar la accesibilidad de las personas al mismo, especialmente personas sedentarias y adultos mayores. Como resultado, se instalan máquinas biosaludables en los parques comunitarios que permiten trabajar la resistencia, la movilidad y flexibilidad del usuario lo que, permite mejorar la salud y el estado físico de este público. Sin embargo, por simplicidad, estas máquinas trabajan con el peso corporal como base para la resistencia a vencer, sin tener opción de modificar esta carga. Esto hace que para muchas personas, la carga de trabajo sea muy baja y no traiga los beneficios esperados en cuanto a ganancia de fuerza. Fig. 1. Modelos de máquinas biosaludables. De izquierda a derecha: ascensor, columpio y elevador. Fuente: Jiménez-Carrano, B. (2020). http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.8 Este trabajo está asociado a un proyecto de investigación cuyo objetivo principal es realizar una modificación al diseño de tres máquinas biosaludables que se encuentran en los parques con el fin de aumentar la carga de trabajo a lo largo del rango de movimiento de la máquina. Para realizar una modificación en el diseño de dichas máquinas, se analiza el funcionamiento de los dispositivos ya existentes y disponibles para el público general. De esta forma, surge la interrogante de cómo se mueven las máquinas biosaludables seleccionadas. Esta sección del proyecto busca encontrar una respuesta por medio de la elaboración de un modelo cinemático para cada máquina. Así, se seleccionaron el columpio, el ascensor y el elevador. Estas se pueden observar en la figura 1. Las tres máquinas se usan para realizar ejercicio contra resistencia y permiten trabajar los grupos mus- culares de las piernas, la espalda y el pecho respectivamente. II. RESULTADOS Las máquinas biosaludables son utilizadas por seres humanos, por lo cual no resulta factible generar un modelo donde el mecanismo tiene un movimiento de entrada continuo y con velocidad constante. Consecuentemente, el movimiento de entrada y las posiciones de los centros de masa se describen con ayuda de un ángulo que cambia con el tiempo (ángulo de entrada del movimiento) y cuya variación tiene la forma de una función sinusoidal. De esta forma, se obtiene un comporta- miento cíclico en el modelo cinemático, con velocidades iguales a cero al inicio y fin del recorrido, semejante a lo que ocurre en la vida real. Se eligió usar ecuaciones sinusoidales, ya que determinar su derivada es sencillo y estas mantienen sus características trigonométricas. La ecuación 1 representa la ecuación sinusoidal base que se usa para el modelo cinemático de las tres máquinas biosaludables. (1) Donde: A A = amplitud (rad); ω= frecuencia angular (rad/s); t = tiempo (s);ϕ = ángulo de fase (rad); C= constante algebraica (rad) Además de la función de entrada, se deben definir los ángulos, las posiciones y los centros de gravedad de cada uno de los eslabones para las tres máquinas. En la siguiente figura se muestra la configuración de las tres máquinas junto con sus ángulos de interés. Fig. 2. Diagrama simplificado de cada una de las máquinas. De izquierda a derecha: ascensor, columpio y elevador. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 9 Debido a que los tres mecanismos son diferentes (propiamente el columpio corresponde a un péndulo, y el elevador y el ascensor corresponden a sistemas de cuatro barras en diferentes posiciones), se plantea un estudio diferente para cada uno de los mecanismos. El Elevador está compuesto por un mecanismo de cuatro barras de configuración abierta en posición vertical como lo muestra la figura 2. A partir del diagrama mostrado en la figura 2 se pueden generar diferentes ecuaciones que permiten conocer las posiciones, velocidades y aceleraciones de los mecanismos. Los resultados de este análisis se presentan en la figura 3. Fig. 3. Resultados del análisis cinemático para: a) posiciones, b) velocidades, c) aceleraciones para el mecanismo del elevador. Fuente: Elaboración propia (2020). El Ascensor se estará analizando como un mecanismo de 4 barras de configuración cerrada en posición vertical con un desfase de 5° con respecto a la vertical. En este caso interesa conocer la cinemática de los centros de gravedad de los tres eslabones los cuales se representan en la figura 2. Se realiza un análisis de posiciones, velocidades y aceleraciones del mecanismo. De esta manera, todas las variables dependen del ángulo de entrada descrito en la ecuación 1. En la figura 4 se mues- tra una representación gráfica de los resultados de dicho análisis. Fig. 4. Resultados del análisis cinemático para: a) posiciones, b) velocidades, c) aceleraciones - para el mecanismo de ascensor. Fuente: Elaboración propia (2020). El Columpio es un mecanismo con movimiento rotacional puro, donde interesa conocer el movimiento que describe el centro de masa G de la silla que se mueve respecto al pivote D de la estructura como se muestra en la figura 2. Una vez que se determinó la ecuación sinusoidal que describe la variación deθ_ (t), se pueden encontrar las ecuaciones que describen la velocidad y la aceleración del centro de masa G de la silla. Los resultados de este análisis se muestran en la figura 5. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.10 Fig. 5. Resultados del análisis cinemático para: a) posición, b) velocidad, c) aceleración del mecanismo del columpio. CONCLUSIONES Realizar un análisis cinemático es de gran interés ya que es la base para desarrollos posteriores, por ejemplo, el análisis cinético. Al tener un movimiento de entrada cuya variación es de tipo sinusoidal, es de esperar que las partes del mecanismo presenten ese mismo patrón. Esto se debe a que todas las variables son dependientes del ángulo inicial. En las figuras 3, 4 y 5 se puede observar el comportamiento periódico tanto de la velocidad como de la aceleración. Una vez que se conoce la aceleración del centro de gravedad de cada uno de los eslabones, es posible realizar un análisis cinético posterior. El análisis cinemático es solo un paso para la carac- terización del movimiento de los mecanismos. Concluida esta investigación, se espera tener un análisis cinemático, cinético y antropométrico de cada máquina para así generar diseños a partir de los mismos. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 11 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Propuesta de conexión al alcantarillado sanitario para dos asentamientos informales en la Gran Área Metropolitana Proposal for connection to the sanitary sewer for two informal settlements in the Great Metropolitan Area Farlin Dionisio Valverde Piedra Graduado de la Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Costa Rica e-mail: valverdepiedra@hotmail.com Palabras clave: Alcantarillado sanitario simplificado, Asentamiento informal, Diseño preliminar, Preselección, Selección final, Barrio San José, Miravalles. I. PROBLE MA Los asentamientos informales se definen según el Instituto Nacional de Estadística y Censo [1] como el producto de las llamadas “tomas de tierra”, organizadas o no, donde unos más que otros, con el tiempo logran mejores condiciones en la infraestructura de la vivienda y el acceso a los servicios. Debido a estas condiciones irregulares es que estas comunidades tienden a presentar mayores carencias en el acceso a un albergue digno, vida saludable, conocimiento y a los bienes y servicios, según Mora [2]. Para el 2011, el 70,9% de las viviendas en asentamientos informales utilizaban el tanque séptico con zona de drenaje como medio para la descarga de aguas residuales según [1]. Este sistema de saneamiento extendido sumado a las condiciones precarias e irregulares en infraes- tructura, representa un problema a la salud y al ambiente, principalmente en las zonas urbanas donde se tiene un limitado espacio a la propiedad y una mayor densidad poblacional; por lo que esta condición aporta a la existencia de necesidades básicas insatisfechas. Recuperar los asentamientos informales e integrarlos al resto de la ciudad involucra un mejo- ramiento en varias aristas, entre ellas el saneamiento. Podría aprovecharse infraestructura sanitaria existente en las comunidades alrededor de los asentamientos informales junto con un sistema de saneamiento colectivo propio, siempre y cuando, estos puedan permanecer en el sitio ocupado. II. O bjetivo Proponer un diseño preliminar de una red terciaria con conexión a un alcantarillado sanitario, en los asentamientos informales que presenten condiciones para su consolidación mediante un proceso de priorización y selección en la Gran Área Metropolitana (GAM). http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.12 III. Resultados Mediante un proceso de priorización y selección, entre los asentamientos informales de la GAM, se determina que 55 de 158 asentamientos son posibles candidatos para permanecer en el sitio que ocupan y desarrollar un sistema de saneamiento colectivo en ellos. Este proceso valora la localización de los asentamientos informales, por ejemplo, en Áreas Silvestres Protegidas, zonas de riesgo por amenaza natural o proximidad a sistemas de saneamiento colectivo; también valora características como una reducida proporción de tugurios, aceptable seguridad ciudadana o empleo cercano a la comunidad. La Tabla I muestra los 10 asentamientos mejor evaluados. Tabla I. Mejores asentamientos informales para intervenir con un alcantarillado sanitario. Prioridad Asentamiento (cantón) Prioridad Asentamiento (cantón) 1 Barrio San José (Curridabat) 6 El Bambú (Alajuela) 2 Urb. Los Cipreses (Coronado) 7 Urb. Europa (Curridabat) 3 Sector 6 Los Guido (Desamparados) 8 San Martín II (Coronado) 4 Ponderosa 1/ El Higuerón (Curridabat) 9 Sector 7 Los Guido (Desamparados) 5 15 de agosto (Curridabat) 10 Sector 1 Los Guido (Desamparados) Se seleccionan Barrio San José, en el distrito y cantón de Curridabat, y Miravalles, en el distrito de Tirrases del cantón de Curridabat, para implementar un diseño preliminar. Miravalles resulta ser una excepción al proceso de selección debido al gran interés del Gobierno Local en esta comunidad, no obstante, este asentamiento sí está dentro de los 55 asentamientos considerados como candidatos para considerar un alcantarillado sanitario. En ambas comunidades seleccionadas se realiza un diseño preliminar de alcantarillado sanitario con conexión al sistema del Proyecto de Mejoramiento Ambiental del Área Metropolitana de San José, en donde es requerido un sistema de bombeo en Barrio San José mientras que en Miravalles el sistema funcionaría por gravesad. Además, el limitado espacio en ambos asentamientos hace que se consideren los pozos de registro simplificados junto con el sistema convencional de alcantarillado sanitario de la Norma técnica para diseño y construcción de sistemas de abastecimiento de agua pota- ble, de saneamiento y pluvial del Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (AyA) en el diseño preliminar. En la Fig. 1 se muestra la distribución del sistema diseñado en Miravalles mientras que en la Fig. 2, el correspondiente a Barrio San José. Conclusiones En la GAM se considera que hay 55 asentamientos informales que podrían mantenerse en el lugar ocupado para su consolidación y posible intervención para brindar el servicio de saneamiento. Las condiciones de Barrio San José y Miravalles no permiten que se desarrollen los sistemas convencionales de saneamiento colectivo que se indican en la normativa técnica de diseño del http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 13 AyA y se deben considerar elementos no convencionales, específicamente pozos de registro simplificados, para lograr el desarrollo del servicio de saneamiento. Fig. 1. Mapa de Miravalles en escala 1:900 con pozos y tuberías identificados. Fig. 2. Mapa de Barrio San José en escala 1:1000 con pozos y tuberías identificados. Referencias [1] Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC), “Ficha Metodológica” en X Censo Nacional de Población y VI de Vivienda: Principales indicadores sobre asentamientos informales, San José, Costa Rica, 2013, pp. 7-24. [en línea]. Disponible en https://www.inec.cr/sites/default/files/documentos/ inec_institucional/estadisticas/resultados/repobrezacenso2011-01.pdf.pdf [2] S. Mora, “Hogares en asentamientos informales en Costa Rica: quiénes son y cómo viven”, Notas de Población, vol. 41, no. 99, pp. 107-132, diciembre, 2014. [en línea]. Disponible en https://www.cepal. org/es/publicaciones/37635-hogares-asentamientos-informales-costa-rica-quienes-son-como-viven http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.14 http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 15 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Determinación de los factores camión para pavimentos rígidos de Costa Rica en el período 2007-2017 Determination of truck factors for rigid pavements in Costa Rica in the period 2007-2017 Ing. Jaime Allen Monge, PhD Unidad de Investigación en Infraestructura y Transporte, PITRA-LanammeUCR e-mail: jaime.allenmonge@ucr.ac.cr Ing. Eliécer Arias Barrantes, MSc Unidad de Investigación en Infraestructura y Transporte, PITRA-LanammeUCR e-mail: eliecer.arias@ucr.ac.cr Allan Ureña Bermúdez Asist. Unidad de Investigación en Infraestructura y Transporte, PITRA-LanammeUCR e-mail: allan.urena@ucr.ac.cr Palabras clave: Camión, confiabilidad, factor, LEF, pavimentos rígidos. I. INTRODUCCIÓN El factor camión es uno de los componentes principales en la estimación de la demanda de cargas que tendrá el pavimento de una carretera. El factor camión es un indicador del daño que produce una carga en el pavimento. Contar con factores camión confiables, actualizados y que se ajusten a las necesidades de carga del país es de suma importancia durante la etapa de diseño, para que se logre un adecuado aprovechamiento de la vida útil de las estructuras de pavimentos rígidos. El objetivo general de la investigación es determinar factores camión para diseño de pavimen- tos rígidos acordes con la realidad nacional, a partir de los registros de carga obtenidos por medio proyectos de graduación, estaciones de pesaje y encuestas de carga. Para cumplir con el objetivo general, se recopiló y analizó las bases de datos sobre pesajes registrados entre los años 2007 y 2017 por el LanammeUCR y el MOPT, donde se contó con más de 15 millones de vehículos pesa- dos, distribuidos en diferentes rutas del país [1]. Para obtener valores recomendados de los factores camión para diseño de pavimento rígidos se siguió la metodología que se muestra en la Fig. 1. En la primera etapa se recopilaron las bases de datos disponibles [2] y se calcularon los valores de factores camión, luego se analizaron según la cantidad de vehículos y se revisó la variación interanual de los datos. Adicionalmente, se realizó http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.16 un análisis estadístico de los datos y se calcularon los valores de factores camión para diferentes niveles de confianza que posteriormente se comparan con los valores utilizados actualmente por la Administración para pavimentos flexibles. Finalmente se presentan los factores camión recomen- dados para los diferentes niveles de confianza y tipos de vehículos. Fig. 1. Esquema metodológico del informe [1]. II. RESULTADOS Los resultados se basan en el análisis de 15 661 601 vehículos que brinda una cantidad de datos robusta para hacer estimaciones de variabilidad, así como de niveles de confianza. Los vehículos ana- lizados se clasifican en las siguientes ocho categorías: pick-up, C2, Bus C2, C2+, C3, C4, T3-S2, y T3-S3, en cuatro rutas nacionales. Se realizó una muestra de cálculo que ejemplifica y compara el cálculo de los factores camión para pavimentos rígidos y flexibles para los vehículos C3, C4, T3-S2 y T3-S3. En la Tabla I se muestra un extracto de los resultados obtenidos para las muestras de cálculo de los vehículos antes mencionados. Tabla I. Muestra de cálculo de FC rígidos y flexibles para vehículos T3-S2 y T3-S3. Tipo de pavimento Pavimento flexible Pavimento rígido Tipo de vehículo Vehículo tipo T3-S2 Tipo de eje Peso del eje (Ton) 3,87 14,45 13,81 3,87 14,45 13,81 Factor equivalente de carga (LEF) 0,04 0,84 0,70 0,04 1,48 1,22 Factor camión (FC) 1,58 2,74 http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 17 Para obtener los valores de factor camión se realizó el cálculo de los factores equivalentes de carga (LEF) para cada eje de los vehículos registrados en las bases de datos utilizadas, estos factores LEF fueron obtenidos a través de una herramienta de cómputo propia que permitió calcular valores de factores camión asociados con alta precisión. Una vez determinados los factores LEF se obtuvieron los factores camión que permiten conocer el daño que los ejes de cada vehículo le generan al pavimento a través de la siguiente fórmula: (1) CONCLUSIONES Dada la necesidad de disponer de factores camión para pavimentos rígidos que consideren la realidad nacional, se generaron factores camión para pavimentos rígidos asociados a un nivel de confiabilidad específico. Se presenta, en la Tabla II, un resumen de los factores camión estimados (2007-2017) para diferentes niveles de confianza y una comparación respecto a los valores máxi- mos y mínimos que propone el MOPT (para pavimentos flexibles). Tabla II. Resumen de los FC estimados (207-2017) y valores utilizados por el MOPT. Factor Camión para pavimentos rígidos propuesto para diferentes niveles de confianza Valores MOPT para pavimentos flexibles Vehículo 80% 85% 90% 95% 99% Mínimo MOPT Máximo MOPT Promedio Pickup 0,013 0,014 0,014 0,015 0,017 0,010 0,020 0,010 C2 0,374 0,426 0,491 0,587 0,768 0,260 0,630 0,470 Bus C2 3,214 3,408 3,652 4,014 4,692 1,250 2,290 1,710 C2+ 0,183 0,216 0,257 0,318 0,432 0,010 0,070 0,026 C3 0,887 0,926 0,976 1,050 1,189 0,990 1,280 1,100 C4 2,220 2,369 2,557 2,836 3,358  - - -  T3-S2 3,177 3,500 3,906 4,507 5,636 1,510 2,380 1,710 T3-S3 3,501 3,666 3,873 4,181 4,757  -  -  - Los factores camión determinados en la investigación, contemplan la variabilidad interanual que existe actualmente y ponderan dichos factores camión dando mayor peso a los factores esti- mados a partir de una mayor cantidad de vehículos. Además, se determinó que, según los valores históricos, todavía no existe una clara estabilización del factor camión para pavimentos rígidos en algunas rutas del país. Los valores de factores camión son los primeros obtenidos en materia de pavimentos rígidos, a nivel nacional, los mismos capturan el comportamiento dinámico de los factores camión para pavimentos rígidos desde el año 2007 hasta el año 2017. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.18 REFERENCIAS [1] Allen, J., Arias, E., & Vargas, C. (2020). Determinación de los factores camión asociados a encues- tas de carga y estaciones de pesaje en Costa Rica en el período 2007-2017. San José, Costa Rica: Unidad de Investigación en Infraestructura y Transporte, LanammeUCR. [2] Allen, J. (2014). Determinación de los factores camión promedio en las estaciones de pesaje. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 19 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Evaluación del desempeño técnico y administrativo, y plan de mejoramiento para un acueducto pequeño Evaluation of the technical and administrative performance, and improvement plan for a small aqueduct Ing. Tatiana Fernández Jiménez Egresada, Escuela de Ingeniería Civil e-mail: tatifernandezj21@gmail.com Palabras clave: Asada, calidad de agua, desempeño administrativo, Pedernal de Puriscal, sistema de distribución de agua potable. I. Introducción En Costa Rica, por ley, el agua es un bien de utilidad pública y el consumo humano tiene prioridad ante otros usos. El Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (AyA) es el ente rector en materia de abastecimiento de agua potable. Sin embargo, para lograr el objetivo de llevar agua en calidad, cantidad y continuidad adecuados a toda la población ha tenido que dele- gar parte de su responsabilidad a las Asociaciones Administradoras de Sistemas de Acueductos y Alcantarillados Comunales (ASADAS), que son asociaciones sin fines de lucro que deben operar y administrar los sistemas de abastecimiento, así como velar por conservar los recursos. Para el año 2018 eran poco más de 1500 ASADAS las que brindaban el servicio a alrededor de 1.6 millones de habitantes (aproximadamente 32.4% de la población del país) según indica el AyA (2019) [1]. El AyA tiene la obligación de darles acompañamiento y asesoría para que logren cumplir con sus objetivos, más considerando que muchas ASADAS trabajan con recursos y conocimien- tos limitados. Sin embargo, reciben la asesoría cuando se presentan problemas, tal y como lo indica Pacheco [2]. Esto en parte se debe a que el Instituto cuenta con recursos limitados para atender todas sus necesidades (en el 2019 se atendieron 6475 solicitudes de distintos tipos [3]). Esta situación ha llevado a que muchas de las pequeñas no cuenten con información importante para tener control sobre su funcionamiento, con frecuencia las tarifas cobradas solo les permi- ten cubrir los gastos básicos, mas no contratar a especialistas que les ayuden con el manejo del acueducto tanto administrativo como técnico. Un caso de esto es la ASADA de Pedernal de Puriscal. Esta se creó como la transformación del CAAR comunal a una ASADA, que se encarga de administrar y operar el acueducto, para el 2019 abastecía cerca de 152 abonados, por lo que se puede considerar como una ASADA http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.20 pequeña. Uno de sus principales problemas es la carencia de información: al momento de iniciar la investigación no se contaba con planos o esquemas del sistema, ningún tipo de base de datos o respaldo de la información. Además, se identificaron carencias de conocimiento para la admi- nistración y operación del sistema, por lo que la inversión de los pocos recursos con que cuenta no se estaba dando de forma óptima. II. METODOLOGÍA PARA DIAGNÓSTICO DEL ESTADO DEL SISTEMA. A. Sistema e infraestructura Dada la carencia de información que presentó la ASADA de Pedernal, se debió realizar un proceso de elaboración de catastro de usuarios, de la infraestructura del acueducto y caracteri- zación de los distintos elementos. Durante este proceso se evidenció la falta de mantenimiento periódico a las obras de captación y a los tanques. Además, se identificaron problemas de con- tinuidad en el servicio, no cumplimiento con los requerimientos de concentración de cloro y presencia de coliformes fecales, no cumplimiento con los diámetros mínimos definidos en las normas y alta presión en un sector del sistema, entre otros. B. Desempeño administrativo Partiendo de la información obtenida a través de entrevistas realizadas a la Junta Directiva, se supo que esta se encarga del proceso administrativo y operativo, se carece de personal califi- cado para desarrollar dichas labores. Eso ha llevado a que se tengan deficiencias significativas, lo cual quedó en evidencia al aplicar una serie de matrices de cumplimiento legislativo donde se evaluaron aspectos establecidos en la legislación y normativa vigente en el país. Los aspectos se agrupan en tres áreas: administrativa (47 aspectos), técnico-operativa (70 aspectos) y calidad de agua potable (14 aspectos), para un total de 131. Cada uno de esos aspectos se clasificó según su nivel de cumplimiento en satisfactorio (CS), intermedio (CI), básico (CB) o no cumplimiento (NC). Los resultados obtenidos se muestran en la Fig. 1. Tal y como se puede observar en la Fig. 1, la ASADA de Pedernal, está cumpliendo satis- factoriamente la legislación en tan solo un 19% de los aspectos evaluados y no cumple del todo en el más del 45% de ellos. Además, el tema de calidad de agua potable resulta ser crítico ya que el no cumplimiento supera el 64% de los aspectos considerados. III. RESULTADOS: PROPUESTAS DE MEJORA. Con base en el diagnóstico realizado, se procedió a definir los elementos prioritarios que deben recibir atención. La propuesta se presentó para cada uno en forma esquemática, defi- niendo un área de intervención, un plazo, descripción de la actividad y su objetivo y un posible procedimiento para llevarla a cabo. En primer lugar, se dan recomendaciones para mejoras en http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 21 infraestructura como el reacondicionamiento y protección de las captaciones, construcción de tanque quiebra-gradiente y gestión de hidrantes. En segundo lugar, se consideran mejoras para la calidad del agua y desinfección, donde la principal recomendación es empezar a cumplir con estipulado en el Reglamento de Calidad de Agua Potable. Como tercera área de intervención está la protección de las fuentes, donde se recomienda realizar aforos constantemente y delimi- tar y conservar las áreas de recarga. Finalmente se dan recomendaciones para mejorar el proceso administrativo y gestión comunal, tales como contratar personal capacitado y propiciar la parti- cipación de la comunidad en los procesos de la ASADA. Fig. 1. Resultados de las matrices de cumplimiento legislativo. CONCLUSIONES. El acueducto de la ASADA de Pedernal se construyó de forma empírica, es decir, no se consideraron aspectos técnicos de forma adecuada, ni se elaboró ningún tipo de diseño. Por lo tanto, se encontró que presenta problemas hidráulicos como altas presiones y no cumplimiento con los tamaños mínimos de diámetro. Además, a los distintos elementos no se les da el adecuado mantenimiento por lo cual su estado no resulta ser óptimo para el abastecimiento de agua potable. Por otra parte, la ASADA carece de cualquier tipo de registro de datos que pueda orientar de forma adecuada la toma de decisiones de inversión, por lo que la misma se hace según lo que consi- dere adecuado la Junta Directiva, que además carece de criterio técnico para la toma de decisiones, esto ha llevado a que tenga un bajo nivel de cumplimiento adecuado de la legislación. Es por lo anterior, que la ASADA de Pedernal necesariamente debe iniciar un proceso de reco- pilación ordenado de la información, que permita definir un plan de inversión elaborado por pro- fesionales con el criterio técnico y administrativo adecuados, que permita mejorar el desempeño y brindar un servicio de calidad a la comunidad. Para ello, la intervención del AyA es vital. REFERENCIAS. [1] Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. (2019). Agua para consumo humano por provincias y saneamiento por Regiones manejados en forma segura en zonas urbanas y Rurales de costa rica al 2018 [Internet]. Disponible en https://www.aya.go.cr/Noticias/Documents/Informe%20 http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.22 agua%20potable%20y%20saneamiento%202019%20-%20Laboratorio%20Nacional%20de%20Aguas. pdf. [2] F. Pacheco. (2017). Inconcebible maltrato a las Asadas [Internet]. Disponible en https://www.elpais. cr/2017/03/18/inconcebible-maltrato-a-las-asadas/. [3] Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. (2020). Informe de la Gestión Realizada en la Atención y el Fortalecimiento de las ASADAS [Internet]. Disponible en https://www.aya.go.cr/ ASADAS/documentacionAsadas/Informe%20de%20Gesti%C3%B3n%202019%20-%20UEN%20 Gestion%20ASADAS.pdf. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Tema II Automatización e interacción humano-tecnologías, Inteligencia artificial e internet de las cosas (IoT) Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.24 http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 25 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Diseño de un controlador PI inmune óptimo Mercedes Chacón Vásquez Profesora. Escuela de Ingeniería Eléctrica e-mail: mercedes.chaconvasquez@ucr.ac.c Raúl Brenes Astorga Estudiante. Escuela de Ingeniería Eléctrica e-mail: jose.brenesastorga@ucr.ac.cr I. INTRODUCCIÓN Este trabajo presenta un nuevo método de diseño de control PI con un algoritmo inmune para sistemas realimentados. El uso de sistemas de control realimentado con algoritmos de control PID sigue siendo por mucho, el paradigma más utilizado en el control tanto en industria como en miles de aplicaciones de la vida cotidiana. Sin embargo, conforme los procesos se modernizan se presentan características cada vez más complejas para controlar. Por ejemplo, cuando se actualiza una planta con sensores inalámbricos, se introducen en el sistema retrasos largos que varían aleatoriamente. Esto puede disminuir el ren- dimiento del sistema o inclusive hacerlo inestable. Para resolver este problema se han propuesto métodos de control complejos como el control predictivo o control inmune, los cuales han demos- trado funcionar efectivamente. La propuesta de este trabajo es diseñar un algoritmo inmune basado en el aporte de [1], con la estructura de un controlador más simple y flexible como el PI. II. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad existe un paradigma cotidiano de conectar individuos y sistemas para mejorar el funcionamiento de los servicios y productos que gozamos. En este sentido, el área de sistemas de control no es la excepción y ha adoptado nuevos requerimientos de utilizar sistemas móviles y comunicaciones inalámbricas, para trasegar la información. Sin embargo, a este costo también se incluyen problemas intrínsecos de la red de comunicación como lo son perdidas de información o retrasos. Esto implica problemas de desempeño, confiabilidad y/o estabilidad. Por ello, se ha incursionado en compensar estas pérdidas con algoritmos complejos como el control predictivo, difuso, optimo, adaptativo, inmune, entre otros. En este trabajo se desea plantear una solución que requiera menos cálculo computacional, haciéndolo así atractivo para implementarlo en apli- caciones, y que al mismo tiempo posea características optimas que permitan un control efectivo En la actualidad existe un paradigma cotidiano de conectar individuos y sistemas para mejorar el funcionamiento de los servicios y productos que gozamos. En este sentido, el área de sistemas de control no es la excepción y ha adoptado nuevos requerimientos de utilizar sistemas móviles http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.26 y comunicaciones inalámbricas, para trasegar la información. Sin embargo, a este costo también se incluyen problemas intrínsecos de la red de comunicación como lo son retrasos. Esto conlleva a problemas de desempeño, confiabilidad y/o estabilidad. En este trabajo de desea plantear una solución que compense retrasos, requiera menos cálculo computacional, haciéndolo así atrac- tivo para implementarlo en aplicaciones, y que al mismo tiempo posea características óptimas que permitan un control efectivo. Es por ello que se propone implementar un control PI inmune óptimo, simple y con buen rendimiento. A continuación se expone la implementación del cada uno estos aspectos. Control Inmune Sistemas que emplean el algoritmo inmune han sido aplicados en años recientes a procesos modernos que presentan características complejas como largos retrasos y retrasos variables [2]. Esta metodología muestra una buena robustez y adaptabilidad cuando es combinada con teoría difusa en aplicaciones de control de temperatura y de aceleración como lo muestran [3] y [4], respecti- vamente. Más ejemplos de aplicaciones del algoritmo inmune en control de procesos son [5], [6], [7], [8], [9]. En estas, el algoritmo se ha combinado exitosamente con procesos de optimización multiobjetivo, algoritmos genéticos, y probado en plantas de energía. El sistema de control inmune es una acción fisiológica que produce anticuerpos para com- batir ant´ıgenos. Los componentes primarios del sistema son las células de reconocimiento y las células asesinas. Cuando el ant´ıgeno aparece, las células de reconocimiento comienzan a multiplicarse al mismo tiempo que se activan las células ayudantes T (TH). Luego las células T activan células B, las cuales secretan los anticuerpos. La célula presentadora de antígeno (APC) también puede activar las células T supresoras (TS), las cuales suprimen la secreción de células TH y células B. Es posible generalizar que el algoritmo inmune está basado en un principio de regulación por medio de realimentación, el cual es el principio de regulación de las células T. El principio es definido por el número de antígenos o la concentración de los mismos, ε(k) en la k-ésima generación: . (1) Donde γ es el factor de proliferación de sustancia externo, ukill es la concentración de células B y d es el intervalo postmortem o el retraso de la respuesta inmunológica. La concentración de las células B puede ser expresada como: (2) http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 27 Donde TS(k) es el efecto de las c´elulas TS en las c´elulas B y TH(k) es la salida TH estimulada por los antígenos: (3) Optimización El trabajo propone un método de sintonización para controladores PI de tiempo discreto donde la ganancia del controlador se obtiene al resolver un problema de optimización que minimiza el criterio de costo ITAE. La ventaja del método propuesto es que la complejidad del cálculo es redu- cida de manera significativa. El controlador es implementado usando una estructura PID paralelo de tiempo discreto: (4) Donde Kp, Ki son la ganancia proporcional e integral respectivamente. u(k) es la señal de con- trol y e(k) la señal de error. Es usado un tiempo de muestreo Ts, y (k) es la señal del proceso, i(k) es la acci´on integral y (k − 1) denota el valor pasado de la señal. (5) La función de minimización de costo J escogida es ITAE. La cual corresponde a la sumatoria de los valores de error absoluto multiplicado por el tiempo. Para las restricciones, primeramente; los parámetros deben ser positivos. Segundo, el valor de η está restringido a el intervalo [0, 10]. III. RESULTADOS ÓPTIMOS El problema de optimizaci´on es resuelto para un amplio rango de valores de τ 0 , específicamente para el rango [0.1 − 1.7], intentando cubrir la mayor cantidad de procesos posibles. El número máximo de evaluaciones de la función e iteraciones es de 40 y 10000 respectivamente. El tiempo de muestreo es Ts = 0.01 s. El Optimisation Toolbox de Matlab es utilizado. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.28 Reglas de sintonización Posteriormente, se plantearon diversos modelos matemáticos que se ajustaran a las tendencias de los puntos óptimos encontrados para cada uno de los parámetros utilizando el Curve Fitting Toolbox de Matlab, y así obtener las reglas de sintonización del controlador inmune. De esta manera, se obtuvieron las ecuaciones polinomiales de hasta quinto orden que se muestran en (3)-(7). Se puede observar en las figuras 1a-2c una buena exactitud del modelo al replicar la ten- dencia de los puntos, por lo tanto se tiene una buena aproximación de los parámetros óptimos. VI. REGLAS DE SINTONIZACIÓN Una vez que se resolvió el problema de optimizaci´on (5) se encontraron los resultados ópti- mos para cada parámetro del controlador y tiempo de retraso. Luego, se procedió a realizar curvas de ajuste para encontrar una serie de reglas de sintonización, que pudieran ser utilizadas fácilmente para diseñar los controladores. Las curvas que se aproximaron con ecuaciones de relaciones poli- nomiales de hasta quinto orden, se muestran a continuación. (6) VI. EJEMPLOS NUMÉRICOS El método es puesto a prueba para un proceso de ganancia unitaria y τ0 = 0.1. La figura 1 muestra la respuesta a lazo cerrado del sistema. Los resultados óptimos son: Kp = 0.28, Ti = 0.28 s, a = 6.47, η = 6.53 y K = 0.33. La simulación muestra que la acción del controlador PID inmune óptimo lleva suavemente al sistema a su valor de referencia con poco sobrepaso. Además rechaza la perturbación aplicada en t = 15 s. Las mediciones de índices de error arrojan los valores de ITAE para servocontrol y regulador de Jr = 3.029 y Jd = 28.84, respectivamente. CONCLUSIONES Un problema de optimización es propuesto para encontrar los parámetros del controlador PI inmune óptimo, y la efectividad y buen desempeño del diseño son demostradas a través de http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 29 simulaciones. Los resultados muestran una rápida respuesta con una pequeña oscilación. Además, la recuperación del sistema ante la perturbación también es rápida. Fig. 1. Salidas del sistema para control PID inmune óptimo. REFERENCIAS [1] P. Yang, H. Zhao, Y. Zhou, and Z. Liu, “Study of immune pid-pi controller for fg-3000 temperature control system,” in 2007 IEEE International Conference on Integration Technology, March 2007, pp. 343–347. [2] D. Peng, H. Zhang, C. Huang, J. Lin, and H. Li, “Study of Immune PID Networked Control System Based on TrueTime,” Journal of Networks, vol. 6, pp. 912–915, 2011. [3] Y. Xue and Z. J. Yan, “Research on rbf tuning pid and fuzzy immune control system of superheat temperature,” in Natural Computation (ICNC), 2010 Sixth International Conference on, vol. 7, Aug 2010, pp. 3528–3531. [4] L. Chen and R. Chen, “A fuzzy immune pid controller for electronic throttle,” in Computational Inte- lligence and Design, 2009. ISCID ’09. Second International Symposium on, vol. 1, Dec 2009, pp. 72–75. [5] W. Wang, X. Z. Gao, and C. Wang, “A new immune pid controller in material-level control,” in Third International Conference on Natural Computation (ICNC 2007), vol. 3, 2007, pp. 614–618. [6] J. Wang, C. Zhang, and Y. Jing, “Fuzzy immune self-tuning pid control of hvac system,” in 2008 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2008, pp. 678–683. [7] T. Tashan, E. Karam, and E. Mohsin, “Immune pid controller based on differential evolution algo- rithm for heart rate regulation,” International Journal of Advanced Computer Research, vol. 9, pp. 177–185, 05 2019. [8] M. Khoie, K. Salahshoor, E. Nouri, and A. K. Sedigh, “Pid controller tuning using multiobjective optimization based on fused genetic-immune algorithm and immune feedback mechanism,” in Advan- ced Intelligent Computing Theories and Applications. With Aspects of Artificial Intelligence, D.-S. Huang, Y. Gan, P. Gupta, and M. M. Gromiha, Eds. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2012, pp. 267–276. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.30 [9] Dong Hwa Kim and Jae Hoon Cho, “Intelligent tuning of pid controller with disturbance function using immune algorithm,” in 2004 IEEE International Conference onComputational Intelligence for Measurement Systems and Applications, 2004. CIMSA., 2004, pp. 109–114. [10] Dong Hwa Kim, “Tuning of 2-dof pid controller by immune algorithm,” in Proceedings of the 2002 Congress on Evolutionary Computation. CEC’02 (Cat. No.02TH8600), vol. 1, 2002, pp. 675–680 vol.1. [11]. Dong Hwa Kim, Won Pyo Hong, and Jin ILL Park, “Auto-tuning of reference model based pid con- troller using immune algorithm,” in Proceedings of the 2002 Congress on Evolutionary Computation. CEC’02 (Cat. No.02TH8600), vol. 1, 2002, pp. 483–488 vol.1. [12] Dong Hwa Kim, “Comparison of pid controller tuning of power plant using immune and genetic algorithms,” in The 3rd International Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies, 2003., 2003, pp. 169–174. [13] D. H. Kim, “Tuning of pid controller using gain/phase margin and immune algorithm,” in Procee- dings of the 2005 IEEE Midnight-Summer Workshop on Soft Computing in Industrial Applications, 2005. SMCia/05., 2005, pp. 69–74. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 31 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Implementación de un controlador DMC para una columna de destilación binaria A DMC controller implementation for a binary distillation colum Elena Villalobos Herra Estudiante, Escuela Ingeniería Eléctrica e-mail: elena.villalobos@ucr.ac.cr Mercedes Chacón Vásquez Profesora, Escuela Ingeniería Eléctrica e-mail: mercedes.chaconvasquez@ucr.ac.cr Palabras clave: Columna de destilación, Control por Matriz Dinámica (DMC), Control predictivo (MPC), producción alcohol, retos en educación, retos y soluciones ante el Covid-19. I. INTRODUCCIÓN Las columnas de destilación son ampliamente utilizadas mundialmente; y la industria costarricense no es la excepción. En el país, se destila alcohol a partir de caña de azúcar, lo que resultó vital ante la situación de pandemia que se enfrenta. En mayo de 2020, el gobierno de Costa Rica solicitó que se duplicara la producción de alcohol nacional para uso interno, proporcionando un salvamento ante la escasez del producto a nivel mundial [1]. Se espera obtener un controlador predictivo tipo DMC para un modelo matemático de una columna de destilación, posteriormente se pretende implementarlo en software industrial y final- mente con una columna real. II. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA El estudiar procesos industriales avanzados y el control de los mismos, representa un área esencial para los estudiantes de Ingeniería Eléctrica en relación con su participación en la comunidad científica y en el mercado. Particularmente, las columnas de destilación operan en industrias químicas, alimentarias y farmacéuticas; son utilizadas para separar a partir de una mezcla, uno o varios componentes. Sin embargo, estos conocimientos no llegan a los estudiantes por falta de equipo de laboratorio o programas de simulación. Este vacío en la formación ha provocado que la academia y empresas fabricantes, distribuidoras e instaladoras de sistemas de control, busquen fortalecer estos conocimientos. http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.32 Junto al proceso, es vital comprender el funcionamiento del sistema de control a utilizar, el cual convencionalmente es realizado por un algoritmo de control predictivo (cuyo uso industrial es extenso). Sin embargo, este algoritmo tampoco se cubre en la carrera de Ingeniería Eléctrica. Es por ello que este proyecto busca crear un sistema replicable en el laboratorio para estudiantes de grado y posgrado; que permita desarrollar futuros proyectos de graduación y de investigación. Se buscará recrear el sistema en equipo y software de calibre industrial, que permita acercar más al estudiantado al funcionamiento real. III. PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN La propuesta es crear una versión didáctica y simulada de este proceso incluyendo la no linea- lidad, el control de múltiples entradas y salidas, así como un sistema de control predictivo. Para ello, se debe investigar qué tipos de columnas se usan en el mercado, qué software y hardware se tendría disponible para probar, qué tipo de MPC (del inglés, Model Predictive Control) se usa en la industria para controlar el proceso y qué tipos de MPC hay en el mercado. Los resultados de la investigación ilustrarán qué sistema debe crearse, según el modelo de columna que se disponga. Una vez creado el sistema, se debe probar el funcionamiento del simulador en equipo y software de nivel industrial, el cual en caso de ser exitoso se podría utilizar para controlar una columna de destilación real como la ubicada en un Laboratorio de la Escuela de Química. IV. METODOLOGÍA Se debe realizar la elección de un modelo matemático ya existente para una columna de des- tilación. En MATLAB®, se desarrolla el código necesario para realizar el control DMC. En este mismo software, se desarrollan las pruebas que permitan evaluar el desempeño del controlador; y se realizan los cambios pertinentes en la sintonización, hasta obtener los resultados deseados. Una vez que se concreta el diseño del controlador, se procede a simularlo junto con la columna en el software industrial DeltaV. Si se tiene éxito, se implementa el controlador en una columna de destilación real. V. RESULTADOS A. Columna Se seleccionó el modelo de columna de destilación binaria desarrollado en [2]. La columna en cuestión es continua, tiene 20 platos, alimentación única en el plato 10, un condensador total y un rehervidor; como ejemplifica la Fig.1El sistema a controlar tiene dos entradas manipulables: FR (reflujo de material condensado hacia la columna), y V (flujo de vapor en la columna). Las salidas del sistema serán las fracciones molares de composición del producto destilado y de fondo: xD y xB. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 33 Fig. 1. Columna de destilación. B. MPC/DMC El MPC representa una gama de controladores. Uno de los esquemas más utilizados, es el GPC (del inglés, Generalized Predictive Control). Además, destacan otros algoritmos comerciales como el DMC (Dynamic Matrix Control), MAC (Model Algorithmic Control) y PFC (Predictive Functional Control) [3]. En el Laboratorio de Automática de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, se tiene acceso al software industrial DeltaV, desarrollado por EMERSON®. En este software, es posible simular el control de una columna de destilación utilizando un paquete basado en DMC. Como se busca llevar el proyecto a la práctica, se plantea desarrollar un algoritmo DMC, que pueda también implementarse en DeltaV. Tras desarrollar el código del controlador en MATLAB® y realizar distintas pruebas para mejorar su sintonización, se obtuvieron resultados que se pueden resumir en la Fig. 2. En esta, se observan dos cambios: el primero varía la referencia de 0.9 a 0.98 para x_D y de 0.1 a 0.02 para x_B. El segundo cambio ocurre en el minuto 60, donde se simuló una modificación de 5% en el flujo de alimentación y un 2% en su composición. En ambas situaciones, el desempeño del controlador es adecuado. Fig. 2. Pruebas del sistema de control. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.34 CONCLUSIONES • El modelo de columna de destilación utilizado, se acopla con el control predictivo. • El control DMC desarrollado es exitoso; responde adecuadamente ante cambios en los valores deseados y perturbaciones. • Es posible continuar con la implementación del controlador en software industrial DeltaV. REFERENCIAS [1] Elmundo.cr, “Gobierno solicita a LAICA reservar producción nacional de alcohol”, 2020. [2] C. A. F. Hernández, Control Predictivo Basado en Modelo (MPC) de una Columna de Destila- ción Binaria para la producción de etanol. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, 2013. [3] E.Camacho y C. Bordons, Model predictive control, 2da ed. Springer, 2007. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 35 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Terapia fototérmica controlada mediante lógica difusa multivariable Multivariable fuzzy logic controlled photothermal therapy Mauricio Céspedes Tenorio Estudiante, Ingeniería Eléctrica e-mail: mauricio.cespedestenorio@ucr.ac.cr Diego Dumani Jarquín Profesor, Ingeniería Eléctrica e-mail: diego.dumani@ucr.ac.cr Palabras clave: Cáncer, hipertermia, lógica difusa, sistemas de control, terapia fototérmica. I. INTRODUCCIÓN En los últimos años, el tratamiento oncológico por hipertermia ha surgido como una opción para implementar clínicamente. La hipertermia se fundamenta en elevar la temperatura del tejido corporal hasta generar daño y muerte en las células cancerígenas [1]. Cuando se lleva a cabo con un láser, es denominada terapia fototérmica. Durante el tratamiento de hipertermia, existe riesgo de efectos secundarios indeseados, prin- cipalmente el daño térmico del tejido sano contiguo y el aumento de la temperatura en el tejido a valores que generan su carbonización y evaporación [2], [3]. Esta investigación pretende contribuir en maximizar la efectividad de la terapia fototérmica en la eliminación del tumor, mantener la tempe- ratura dentro de los rangos recomendables y minimizar el daño térmico del tejido sano circundante. La difusión del calor en el tejido está gobernada por la ecuación de biocalor de Pennes [2]: (1) donde ρ es la densidad, cp el calor específico, k la conductividad térmica (estas tres propiedades varían según el tipo de tejido), T la temperatura, y QM, QS y QL las tasas de calor por cambios metabólicos, por perfusión sanguínea y la generada por el láser respectivamente. QS se puede calcular con la Ecuación 2, donde vs es la tasa de perfusión sanguínea en el tejido (dependiente de la temperatura), y ρs, cps y Ts son la densidad, calor específico y temperatura de la sangre respectivamente [2]. http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.36 (2) QM se debe aproximar según los datos encontrados en la literatura [2]; y QL, en general, está dado por [2]: (3) donde μa es el coeficiente de absorción del tejido o material y ϕ es la irradiancia (potencia incidente por unidad de superficie). QL es la tasa de calor responsable de la hipertermia, mientras que QM y QS representan mecanismos del organismo para mantener la temperatura corporal en los rangos nomales para un ser humano. En esta investigación, el método Montecarlo fue empleado para el cálculo de la irradiancia ϕ [3]. Para su implementación, se utilizó el software ValoMC en MATLAB® [5]. El coeficiente de daño térmico permite medir el grado de daño celular de cada tejido, al expo- nerse a altas temperaturas durante un lapso. Este dato se aproximará con la Ecuación de Arrhenius, que logra cuantificar el tejido dañado por el aumento de la temperatura [3]: (4) donde ζ es llamado parámetro o coeficiente de daño, A factor de frecuencia, ΔEa la energía de activación, R la constante universal de los gases, T la temperatura y τ el tiempo de exposición. Asu- miendo que en el tiempo cero el daño térmico es nulo, el porcentaje de daño térmico se calcula como: (5) III. ALGORITMO DE CONTROL Se propone utilizar un algoritmo de control basado en lógica difusa con múltiples entradas y una salida. El controlador posee cinco entradas: el daño térmico en la zona con menor temperatura del tumor, la temperatura máxima estimada dentro del tumor y su cambio con respecto al tiempo, el daño máximo del tejido sano y su cambio con respecto al tiempo. La primera de estas entradas es necesaria para definir cuándo ya se dañó completamente el tejido tumoral (objetivo final de la terapia), la segunda y la tercera son trascendentales para no exceder el límite de temperatura http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 37 recomendada (105°C) [4], y las últimas dos son utilizadas para minimizar el daño térmico del tejido sano. La única salida del algoritmo de control es la potencia del láser. IV. METODOLOGÍA Esta investigación está dividida en tres partes. La primera corresponde a una revisión bibliográfica acerca de los modelos matemáticos disponibles para la terapia fototérmica y de los algoritmos de control valorados para este tratamiento oncológico. Se continua con la definición de las características del tejido y del tratamiento considerado, junto con la simulación del modelo seleccionado, esto en el software MATLAB® con del Toolbox de Ecuaciones Diferenciales Parciales y de ValoMC. La última parte del estudio consiste en el diseño, implementación, simulación y evaluación del sistema de control multivariable por lógica difusa, para lo cual se hará uso del Toolbox de Lógica Difusa de MATLAB®. V. RESULTADOS PARCIALES Fig. 1. Resultados utilizando el controlador diseñado, con un láser continuo de 3W de potencia máxima. Las gráficas muestran a) potencia del láser, b) daño térmico en zona de menor temperatura - tumor, c) máxima temperatura – tejido completo y d) daño térmico máximo - tejido sano. CONCLUSIONES Mediante el controlador propuesto, se obtuvo un daño térmico en el tejido tumoral del 100% en 21 minutos, la temperatura máxima siempre se mantuvo por debajo de los 80°C (evitando efectos de carbonización y evaporación) y el tejido sano presentó un daño térmico de menor a 0.15%. Se considera que el algoritmo de control logra cumplir con las metas propuestas. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.38 REFERENCIAS [1] A. A. Manzoor and M.W. Dewhirst, Hyperthermia. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2011, pp. 1785–1791. [2] Y. Ren, H. Qi, Q. Chen, and L. Ruan, “Thermal dosage investigation for optimal temperature distri- bution in gold nanoparticle enhanced photothermal therapy,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 106, pp. 212–221, 2017. [3] S. Long, Y. Xu, F. Zhou, B. Wang, Y. Yang, Y. Fu, N. Du, and X. Li, “Characteristics of temperature changes in photothermal therapy induced by combined application of indocyanine green and laser,” Oncology Letters, vol. 17, no. 4, pp. 3952–3959, 2019. [4] A. A. Leino, A. Pulkkinen, and T. Tarvainen, “ValoMC: a Monte Carlo software and MATLAB toolbox for simulating light transport in biological tissue,” OSA Continuum, vol. 2, no. 3, p. 957, 2019. http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 39 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Procesamiento de Señales de Habla basado en Deep Learning Speech Signal Processing based on Deep Learning Astryd González Salazar Estudiante, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica e-mail: astryd.gonzalez@ucr.ac.cr Michelle Gutiérrez Muñoz Estudiante, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica e-mail: michelle.gutierrezmunoz@ucr.ac.cr Palabras clave: Deep learning, habla, inteligencia artificial, procesamiento de señales, redes neuronales. I. Introducción El procesamiento de señales de audio es necesario para la transmisión, reconocimiento y almacenaje de este tipo información. Dado que el registro de señales como el habla se realiza en ambientes no ideales, éstas se ven contaminadas con ruido y distorsión, por lo cual se requieren métodos externos de filtrado o reconstrucción. Durante las últimas décadas se han desarrollado diversos algoritmos para mejorar la calidad de estas señales y de esta manera permitir a los distintos procesos y aplicaciones trabajar de una manera más adecuada, tales como el reconocimiento automático del habla y los dispositivos de comunicación alternativa para personas con discapacidad. En esta línea, deep learning, es decir, la implementación de redes neuronales profundas, ha presentado resultados relevantes en la mejora de señales ruidosas y con reverberación. En la pre- sente investigación se ha experimentado con redes recurrentes de memoria a corto y largo plazo (LSTM) para mostrar mejoras significativas en el filtrado de señales. Adicionalmente, debido al alto costo computacional del entrenamiento de este tipo de mode- los de aprendizaje de máquina, se proponen el uso de redes mixtas, combinando LSTM con mode- los clásicos como el perceptrón, y de esta manera disminuir los tiempos entrenamiento, al mismo tiempo que se mantiene la eficacia de los modelos más complejos. Asimismo, se propuso el uso de transfer learning, para aumentar la eficiencia del sistema y disminuir el tiempo de entrenamiento. II. PLANTEA MIENTO DEL PROBLEMA La presencia de reverberación y ruido es común en señales de habla registradas con micrófonos en ambientes no controlados, como en los teléfonos celulares y en dispositivos de comunicación http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.40 aumentativa para personas con discapacidad. Este efecto se incrementa con la distancia del usuario al dispositivo con el que se registra la señal. Se puede asumir que la señal registrada x es una versión degradada de la señal limpia s. La relación entre ambas señales se describe de la siguiente forma: x (n) = hT (n)* s(n), (1) donde h = [h1,h2,....,hL] T, el cual es la respuesta al impulso del canal acústico desde la fuente hasta el micrófono, L es el índice del vector de coeficientes de respuesta al impulso de tiempo discreto, T, es la transpuesta del vector h, y * es la operación de convolución. También existe un componente de ruido que puede modelarse como una señal sumada a la original. Al implementar redes neuronales profundas, se puede estimar una aproximación de s(n) usando una función f (⋅)entre los datos de la señal reverberada y la señal limpia: (2) En cuanto a la calidad de la aproximación hecha por f (⋅) usualmente depende de la canti- dad de datos y el algoritmo seleccionado. En [1], se tomó como caso base la estimación de f (⋅) hecha por redes LSTM con tres capas ocultas. En la investigación presente en [2], proponemos una validación estadística y comparación de los resultados de las redes neuronales mixtas, inclu- yendo combinaciones de capas LSTM y de perceptrón. III. RESULTADOS Los hallazgos principales de la investigación, desarrollada de forma extracurricular y volun- taria en la Escuela de Ingeniería Eléctrica, se han publicado en [1]-[3]. En el primer caso, se ha mostrado cómo se pueden aplicar las redes LSTM para mejorar señales provenientes de un dis- positivo de comunicación aumentativa para una persona en condición de discapacidad. La Fig. 1 presenta el dispositivo wearable diseñado para este fin. En los otros dos casos, se estudiaron técnicas con el fin de reducir el costo computacional de las redes LSTM, en [2] se implementaron redes mixtas, mostrando cómo se puede reducir el costo computacional al tiempo que se mantiene su eficiencia en el filtrado de ruido y reconstruc- ción de la señal de audio. Para ambas investigaciones, los espectrogramas obtenidos, evidencian la mejora realizada a las señales de audio al aplicar las técnicas planteadas. Continuando con lo anterior, en [3] se propone el uso de transfer learning para acelerar y mejorar el entrenamiento tradicional basado en la inicialización random de los pesos internos de las redes neuronales. Los resultados mostraron que la transferencia desde una red en particular es mejor en términos de tiempo y resultados, la inicialización utilizando memorias autoasociativas http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 41 obtuvieron los mejores resultados, así como un mayor tiempo de entrenamiento y la inicialización random no representa la mejor opción en ninguno de los casos estudiados. Fig. 1. Dispositivo wearable para comunicación alternativa. CONCLUSIONES Las investigaciones realizadas han contribuido al estado del arte sobre el procesamiento de señales de habla basado en Deep Learning al implementar distintos tipos de redes neuronales, al mismo tiempo que se ha ligado con el impacto de la ingeniería en la sociedad mediante el desarrollo de dispositivos que pueden mejorar la calidad de vida de la población con discapacidad. REFERENCIAS [1] González-Salazar, Astryd, Michelle Gutiérrez-Muñoz, and Marvin Coto-Jiménez. “Enhancing Speech Recorded from a Wearable Sensor Using a Collection of Autoencoders.” Latin American High Per- formance Computing Conference. Springer, Cham, 2019. [2] Gutiérrez-Muñoz, Michelle, Astryd González-Salazar, and Marvin Coto-Jiménez. “Evaluation of Mixed Deep Neural Networks for Reverberant Speech Enhancement.” Biomimetics 5.1 (2020): 1. [3] Coto-Jiménez, Marvin, Astryd González-Salazar, Michelle Gutiérrez-Muñoz. “Experimental Study on Transfer Learning in BLSTM Autoencoders for Noisy Speech Enhancement”. Springer Lecture Notes in Computational Vision and Biomechanics 2020 (In press). http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.42 http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 43 Por su particularidad, este documento no fue sometido a evaluación por pares académicos, proceso aplicado regularmente a los artículos científicos de esta revista Desarrollo de Tecnologías del Habla en Costa Rica Developing Speech Technologies in Costa Rica Marvin Coto Jiménez Docente, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica e-mail: marvin.coto@ucr.ac.cr Palabras clave: Deep learning, Inteligencia artificial, Procesamiento de señales, Reconocimiento de voz, Tecnologías del habla. I. INTRODUCCIÓN Las tecnologías del habla son un conjunto de conocimientos, técnicas y recursos empleados para propiciar la interacción de las personas con dispositivos electrónicos, o bien entre personas con mediación de un dispositivo. Sus tres áreas principales de desarrollo son el reconocimiento de habla, la síntesis de voz y el análisis del habla. La primera de ellas puede entenderse como un proceso análogo al de la escucha humana, mien- tras que la síntesis de voz es análoga al proceso de generar la señal de habla a partir de un texto. En el análisis se extrae de la señal información sobre la edad, la procedencia de la persona, la emoción, el género, entre otras. Esto es de mucha importancia para sistemas de interacción de personas con dispositivos. Por ejemplo, es deseable la adaptación de las aplicaciones o asistentes virtuales cuando interactúan con niños, para la cual deben identificarlos solamente con el sonido de sus voces. En la presente investigación en desarrollo se ha abordado la creación y evaluación de sistemas de reconocimiento de habla, de síntesis de voz y de análisis de señales de habla para el caso de la lengua castellana con acento costarricense. Para esto se colaborado con un equipo multidisciplinario de pro- fesionales dentro de la Universidad de Costa Rica, generando no solamente un eje de investigación, sino que ha integrado actividades de docencia y acción social. II. PROBLE MA A partir de los múltiples beneficios y oportunidades que representan las tecnologías del habla para el país, tales como en sistemas de interacción, de educación y de apoyo a la población con discapacidad, se plantea el desarrollo de éstas para impactar positivamente a la sociedad costarricense desde la academia, abordando los retos principales que existen en países en desarrollo: http://http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica.44 la generación de las tecnologías cuando hay pocos datos, y el trabajo con estos cuando se tienen condiciones no ideales, como la reverberación y el ruido. III. RESULTADOS Los resultados que se presentan en esta sección provienen del proyecto 322-B9-105 inscrito en la Vicerrectoría de Investigación de la Universidad de Costa Rica, con vigencia del 4 de marzo de 2019 a 30 de julio de 2022. A. Desarrollo de conocimiento En cuanto al reconocimiento del habla se han obtenido resultados relevantes al aplicar nuevas estrategias de deep learning en la mejora de señales degradadas con reverberación y ruido, las cuales se han publicado recientemente [1-5]. Estas estrategias parten principalmente de nuevas condiciones de inicialización de las redes neuronales que las hacen más eficientes y eficaces para los problemas específicos. En cuanto a la generación de voz artificial en condiciones adversas, estos principios se han analizado con éxito en [6-7], mientras que en el análisis de la señal de voz, los resultados principales se han presentado en [8]. B. Impacto en la Acción Social y la Docencia Con el desarrollo de las tecnologías del habla en el país se han abierto las posibilidades de llevar a una realidad concreta ss beneficios, especialmente para la población con discapacidad en el proyecto vigente ED-3416 “Tecnologías del habla para mejorar la calidad de vida de la pobla- ción con discapacidad”, desarrollado con profesionales de la institución de Educación Especial, Terapia Física y Orientación. Los frutos de este trabajo se han sistematizado en [9-10]. En cuanto a la docencia, a través del proyecto PD-IE-869-2018, los resultados del proyecto de investigación y la colaboración con acción social se han llevado a las aulas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica a través de conferencias, asignaciones y proyectos. Estas experiencias se han sistematizado en publicaciones que se encuentran en proceso de revisión. Adicionalmente, múltiples proyectos de graduación de nivel de bachillerato y licenciatura han sido presentados con éxito y se encuentran actualmente en proceso de desarrollo. CONCLUSIONES El desarrollo de tecnologías del habla en el país enfrenta necesidades específicas de las técnicas (uso de habla generada en el país) con algunos problemas relevantes en el estado del arte: el manejo del ruido, el desarrollo de sistemas de reconocimiento y síntesis de voz con pocos datos, y la eficiencias de las redes neuronales profundas, las cuales constituyen una de las técnicas más http://Doi%2010.15517/ri.v32i1.46129 Ingeniería (Volumen Especial - Jornadas de Investigación 2020): 1-237, Doi: 10.15517/ri.v31i0.48008. San José, Costa Rica. 45 presentada a sido fructífera a nivel de generación de conocimiento en publicaciones académicas, así como en el impacto en proyectos de acción social. Adicionalmente, ha permeado las aulas de ingeniería eléctrica y ha permitido la participación de estudiantes y un equipo multidisciplina