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Investigación reciente muestra cómo la inteligencia artificial optimiza la gestión del agua

En un estudio pionero, investigadores de la Universitat Politècnica de València y la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso (Chile) han revelado el enorme potencial del aprendizaje automático (Machine Learning, ML) en la mejora de la integridad y calidad de las infraestructuras hídricas.

Publicado en la Applied Sciences, revista del primer cuartil del JCR, el estudio analiza en profundidad la literatura científica reciente sobre el tema, para lo cual revisa 1087 artículos con el fin de identificar las áreas más prometedoras en la aplicación de estas tecnologías a la gestión del agua. Esta revisión va más allá de lo convencional al aplicar modelos avanzados de procesamiento del lenguaje natural (NLP), específicamente BERTopic, que permiten comprender el contexto y los temas emergentes en esta área de investigación.

Contexto y relevancia del estudio

El mantenimiento de infraestructuras de agua seguras y eficientes es un desafío global, especialmente en un contexto de cambio climático, urbanización creciente y escasez de recursos hídricos. A medida que aumentan los eventos climáticos extremos, las infraestructuras se ven sometidas a un estrés adicional. Estas condiciones afectan al acceso y a la distribución de agua de calidad, clave para la salud pública, el medio ambiente y sectores estratégicos como la agricultura, la industria y la energía.

En este contexto, el aprendizaje automático se presenta como una herramienta potente para gestionar y optimizar la calidad y el suministro del agua. Los algoritmos de ML pueden procesar grandes volúmenes de datos de sensores y otras fuentes para mejorar las predicciones y la toma de decisiones en tiempo real. Además, permiten diseñar protocolos de tratamiento del agua más eficientes, reducir las pérdidas en las redes de distribución y anticiparse a los problemas antes de que se conviertan en fallos significativos.

Metodología y clasificación de temas

Para explorar el uso del ML en la gestión de infraestructuras hídricas, el equipo realizó una búsqueda sistemática en la base de datos Scopus, centrada en artículos en inglés publicados desde 2015. Los investigadores aplicaron el modelo BERTopic, una técnica de NLP que utiliza redes neuronales (transformers) entrenadas para identificar y organizar los principales temas en la literatura. Esto permitió clasificar con precisión los estudios en cuatro grandes áreas de aplicación:

  1. Detección de contaminantes y erosión del suelo: El uso de ML en esta área permite la detección avanzada de contaminantes como los nitratos y los metales pesados en las aguas subterráneas. Mediante imágenes satelitales y sensores en campo, estos modelos analizan factores ambientales y condiciones del suelo para predecir y mapear zonas de riesgo de contaminación y erosión.
  2. Predicción de niveles de agua: El estudio destaca cómo las técnicas de aprendizaje automático, incluidas las redes neuronales y los modelos de series temporales, pueden prever las fluctuaciones en los niveles de agua de ríos, lagos y acuíferos. Esto resulta crucial para la gestión de los recursos hídricos en situaciones climáticas extremas, como las inundaciones y las sequías, y también para optimizar el uso del agua en la agricultura y la industria.
  3. Detección de fugas en redes de agua: Las pérdidas de agua suponen un problema significativo en las redes de distribución, especialmente en las zonas urbanas. El estudio descubrió que el ML, junto con tecnologías de sensores IoT, permite la detección precisa de fugas mediante el análisis de patrones de flujo y presión en las tuberías. Los algoritmos pueden identificar y localizar fugas, lo que reduce el desperdicio y mejora la eficiencia de la distribución.
  4. Evaluación de la potabilidad y calidad del agua: Garantizar el acceso a agua potable es fundamental para la salud pública, y el estudio subraya la utilidad del aprendizaje profundo en el control de la calidad del agua. Los algoritmos analizan parámetros de calidad como la turbidez, el pH y la presencia de sustancias químicas nocivas, con el fin de asegurar la potabilidad. Estos modelos también permiten automatizar los sistemas de alerta temprana en zonas con infraestructuras hídricas vulnerables.

Implicaciones y futuros pasos

Este estudio concluye que el uso de aprendizaje automático en la gestión del agua permite una mayor eficiencia y sostenibilidad, y supone un paso adelante en la administración de los recursos hídricos frente a los desafíos ambientales en aumento. Los autores señalan que la combinación de ML con sistemas de monitoreo avanzado puede transformar la forma en que gestionamos las infraestructuras hídricas, permitiendo predicciones precisas y decisiones basadas en datos en tiempo real.

En el futuro, se centrarán en mejorar la precisión de los modelos para áreas específicas, así como en implementar estos sistemas a gran escala. Además, se abren nuevas oportunidades para optimizar las redes de distribución mediante sistemas automatizados, algo vital en un contexto donde el agua es un recurso cada vez más valioso y escaso.

Este estudio no solo aporta conocimiento a la comunidad científica, sino que también proporciona una base sólida para que gestores y responsables de políticas públicas integren el aprendizaje automático en sus prácticas de gestión del agua, avanzando así hacia una gestión hídrica más sostenible y resiliente.

Referencia:

GARCÍA, J.; LEIVA-ARAOS, A.; DÍAZ-SAAVEDRA, E.; MORAGA, P.; PINTO, H.; YEPES, V. (2023). Relevance of Machine Learning Techniques in Water Infrastructure Integrity and Quality: A Review Powered by Natural Language Processing. Applied Sciences, 13(22):12497. DOI:10.3390/app132212497

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Revisión de estado del conocimiento en infraestructuras hídricas usando técnicas de aprendizaje automático

Acabamos de recibir la noticia de la publicación de nuestro artículo en la revista Applied Sciences, la cual está indexada en el JCR. Este estudio explora las diversas aplicaciones del aprendizaje automático (Machine Learning, ML) en relación con la integridad y calidad de las infraestructuras hidráulicas, identificando cuatro áreas clave donde se ha implementado con éxito. Estas áreas abarcan desde la detección de contaminantes en el agua y la erosión del suelo, hasta la predicción de niveles hídricos, la identificación de fugas en redes de agua y la evaluación de la calidad y potabilidad del agua.

Cabe destacar que esta investigación se llevó a cabo en el marco de una colaboración fructífera entre nuestro grupo de investigación e investigadores chilenos, liderados por el profesor José Antonio García Conejeros. El proyecto en sí, denominado HYDELIFE, forma parte de las iniciativas que superviso como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Se realizó un análisis bibliográfico de artículos científicos a partir de 2015, que arrojó un total de 1087 artículos, para explorar las aplicaciones de las técnicas de aprendizaje automático en la integridad y la calidad de la infraestructura hídrica. Entre las contribuciones realizadas por el trabajo, caben destacar las siguientes:

  • Se identificaron cuatro áreas clave en las que el aprendizaje automático se ha aplicado a la gestión del agua: los avances en la detección de contaminantes del agua y la erosión del suelo, la previsión de los niveles del agua, las técnicas avanzadas para la detección de fugas en las redes de agua y la evaluación de la calidad y potabilidad del agua.
  • Destacó el potencial de las técnicas de aprendizaje automático (Random Forest, Support Vector Regresion, Convolutional Neural Networks y Gradient Boosting) combinadas con sistemas de monitoreo de vanguardia en múltiples aspectos de la infraestructura y la calidad del agua.
  • Proporcionó información sobre el impacto transformador del aprendizaje automático en la infraestructura hídrica y sugirió caminos prometedores para continuar con la investigación.
  • Empleó un enfoque semiautomático para realizar análisis bibliográficos, aprovechando las representaciones codificadas bidireccionales de Transformers (BERTopic), para abordar las limitaciones y garantizar una representación precisa de los documentos.
  • Las técnicas de aprendizaje automático ofrecen una alta precisión, un tiempo de procesamiento reducido y datos valiosos para la toma de decisiones en materia de gestión sostenible de los recursos y sistemas de alerta temprana.
  • La colaboración interdisciplinaria, los marcos integrados y las tecnologías avanzadas, como la teledetección y la IoT, son esenciales para avanzar en la investigación sobre la integridad y la calidad de la infraestructura hídrica.

Abstract:

Water infrastructure integrity, quality, and distribution are fundamental for public health, environmental sustainability, economic development, and climate change resilience. Ensuring the robustness and quality of water infrastructure is pivotal for sectors like agriculture, industry, and energy production. Machine learning (ML) offers the potential for bolstering water infrastructure integrity and quality by analyzing extensive data from sensors and other sources, optimizing treatment protocols, minimizing water losses, and improving distribution methods. This study delves into ML applications in water infrastructure integrity and quality by analyzing English-language articles from 2015 onward, compiling 1087 articles. A natural language processing approach centered on topic modeling was initially adopted to classify salient topics. From each identified topic, key terms were extracted and utilized in a semi-automatic selection process, pinpointing the most relevant articles for further scrutiny. At the same time, unsupervised ML algorithms can assist in extracting themes from the documents, generating meaningful topics often requires intricate hyperparameter adjustments. Leveraging the Bidirectional Encoder Representations from Transformers (BERTopic) enhanced the study’s contextual comprehension in topic modeling. This semi-automatic methodology for bibliographic exploration begins with broad categorizing topics, advancing to an exhaustive analysis. The insights drawn underscore ML’s instrumental role in enhancing water infrastructure’s integrity and quality, suggesting promising future research directions. Specifically, the study has identified four key areas where ML has been applied to water management: (1) advancements in the detection of water contaminants and soil erosion; (2) forecasting of water levels; (3) advanced techniques for leak detection in water networks; and (4) evaluation of water quality and potability. These findings underscore the transformative impact of ML on water infrastructure and suggest promising paths for continued investigation.

Keywords:

Water infrastructure integrity; machine learning; environmental sustainability; natural language processing; BERTopic

Reference:

GARCÍA, J.; LEIVA-ARAOS, A.; DÍAZ-SAAVEDRA, E.; MORAGA, P.; PINTO, H.; YEPES, V. (2023). Relevance of Machine Learning Techniques in Water Infrastructure Integrity and Quality: A Review Powered by Natural Language Processing. Applied Sciences, 13(22):12497. DOI:10.3390/app132212497

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