Aplicación de Inteligencia Artificial sobre infraestructuras IoT para automatizar y optimizar los procesos de agricultura intensiva en invernaderos

Resumen

La agenda de desarrollo sostenible (Sustainable Development Goals, SDG) de las Naciones Unidas establece una serie de objetivos con el fin de erradicar la pobreza, proteger el planeta y asegurar la prosperidad de sus ciudadanos. Entre estos objetivos se destacan: (6) ¿Garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos¿, (13) ¿Adoptar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos¿ y (15) ¿Proteger, restaurar y promover el uso sostenible de los ecosistemas terrestres, gestionar de forma sostenible los bosques, luchar contra la desertización, detener e invertir la degradación del suelo y frenar la pérdida de biodiversidad¿. Los procesos industriales y, en concreto, los procesos de agricultura intensiva, son una de las principales amenazas para cumplir con los SDGs. Sin embargo, los avances tecnológicos en materias como la Inteligencia Artificial (Artificial Intelligence, AI), la Computación de Alto Rendimiento (High Performance Computing, HPC) o el Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) permiten aumentar la productividad de estos procesos reduciendo su impacto medioambiental y ecosistémico. La investigación desarrollada en la presente tesis doctoral pretende establecer un marco de trabajo donde aprovechar los avances tecnológicos desarrollados en estas disciplinas, es decir, AI, HPC e IoT, para optimizar y reducir el impacto de los procesos industriales más agresivos para el medioambiente. En concreto, esta tesis doctoral se desarrollará en el contexto de agricultura intensiva en invernaderos, un sector de un gran valor estratégico, comercial e incluso humanitario para garantizar el acceso a los alimentos a toda la humanidad, centrándose en tres puntos clave: (1) la generación de técnicas de AI de bajo consumo que puedan ser ejecutados en plataformas con reducidas capacidades de cómputo, tales como dispositivos IoT; (2) la creación de una infraestructura que permite entrenar, desplegar y predecir con técnicas de AI que requieren de grandes capacidades de cómputo en pequeños dispositivos IoT gracias a protocolos de comunicación en tiempo real como MQTT; y (3) el aumento de las capacidades de cómputo y la eficiencia energética de los dispositivos IoT gracias a la virtualización de GPUs remotas mediante rCUDA. Los principales resultados obtenidos en relación a lo expuesto anteriormente demuestran que (1) la intersección entre la AI, HPC e IoT es todavía muy incipiente. Las cargas de cómputo del aprendizaje máquina son cada vez más altas y se diverge cada vez más de los recursos computacionales disponibles en los dispositivos de cómputo más cercanos a la captura de datos, es decir, los dispositivos de Edge Computing. Estas plataformas no son computacionalmente capaces de desarrollar parte de las tareas más exigentes (como, por ejemplo, el entrenamiento de técnicas de AI), limitando el éxito de su aplicación; (2) se puede crear una infraestructura auxiliar que permita desarrollar predicciones en tiempo real en dispositivos IoT, aunque el intercambio de información entre los distintos nodos de la infraestructura conlleva una latencia asumible puesto que es muy reducida; y (3) es posible ampliar las capacidades computacionales y la eficiencia energética de los dispositivos IoT mediante el uso de técnicas de virtualización de GPUs remotas. Estas técnicas aumentan notablemente la eficiencia energética de estos dispositivos ya que se delega las operaciones de mayor carga computacional a los servidores remotos de cómputo. Si bien es cierto, el consumo total de la infraestructura aumenta notablemente a causa del gasto en comunicaciones entre los dispositivos edge y cloud. Para finalizar, destacar que la presente tesis se ha desarrollado en el proyecto retos-colaboración ¿Desarrollo de infraestructuras IoT de altas prestaciones contra el cambio climático basadas en inteligencia artificial¿ (GLOBALoT) con referencia RTC2019-007159-5, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación / Agencia Estatal de Investigación, que tiene un marcado carácter tecnológico y, por tanto, se ha transferido el conocimiento obtenido, desarrollando un prototipo funcional en TRL 3-4 que ha sido desplegado en un entorno real de invernadero ofrecido por uno de los socios del proyecto, la empresa NUTRICONTROL. Los resultados obtenidos muestran un claro interés por esta tecnología, sentando las bases para automatizar y optimizar procesos mediante la Inteligencia Artificial de las Cosas (Artificial Intelligence of Things, AIoT) para aumentar la producción y reducir el impacto medioambiental en invernaderos inteligentes.