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EL PAPEL DE LA INTELIGENCIA ARTIFICIAL EN LA GESTIÓN DE RESIDUOS

Por:Juan Sebastián Roa Bonilla y Raúl Alberto Brugés Moreno

Los diferentes avances en la rama de Inteligencia Artificial (IA) han sido aplicados en gran variedad de industrias, logrando mejoras y automatizaciones en los procesos. Bajo este marco se ilustrarán las principales aplicaciones de la Inteligencia Artificial como redes neuronales, modelos de regresión e internet de las cosas en la gestión de residuos y cómo son implementadas en diferentes ciudades alrededor del mundo.

El amplio espectro de la Inteligencia Artificial

Debido al avance de la computación y la tecnología, es posible que en la actualidad se hable de la aplicación de Inteligencia Artificial en la cotidianidad de la vida, tanto a nivel personal como en escenarios corporativos, del mismo modo, en campos como la gestión de residuos hay una gran oportunidad de desarrollo e investigación que conlleva a vencer paradigmas sobre cómo se desarrollan en la actualidad los procesos de clasificación de residuos.

 

Antes que nada, es importante contextualizar en qué consiste la Inteligencia Artificial, este concepto, aunque actualmente se utiliza con más frecuencia, aun parece un término alejado del presente. En palabras sencillas, la Inteligencia Artificial se define como la habilidad para desarrollar algoritmos por medio de computadoras con el objetivo de realizar una tarea para el que fue entrenado. Cada vez que dicho algoritmo se entrena y ejecuta la tarea solicitada varias veces, adquiere inteligencia para hacerla cada vez mejor.

 

Teniendo en cuenta esta definición, es posible entender qué tipo de tareas son posibles realizar en el campo de la gestión de residuos utilizando la Inteligencia Artificial como herramienta para su ejecución.

 

1. Modelos de IA para la clasificación de residuos

La clasificación de residuos es una de las tareas en donde se involucra gran cantidad de mano de obra para su separación según sea su tipología (sólidos u orgánicos). Según el Consejo de Bogotá, en promedio, el Relleno Sanitario Doña Juana de la ciudad de Bogotá, recibe 6200 toneladas diarias de residuos, dejando ver la magnitud de una operación de gestión y clasificación de residuos en una ciudad capital. Por medio de algoritmos de Inteligencia Artificial como la Redes Neuronales Convolucionales, la tarea de clasificación puede ser automatizada y de esta manera optimizar dicha operación. 

 

Las Redes Neuronales Convolucionales simulan de manera computarizada el trabajo que realizan las neuronas de la corteza cerebral en un cerebro humano cuando reciben imágenes a través de los ojos, en donde unas neuronas específicas se encargan de reconocer patrones o formas generales (ejemplo, la silueta o forma de un animal), mientras que otras neuronas se encargan de identificar patrones más específicos (forma de la cara, los ojos, contornos,  las patas del animal) y de esta manera establecer que se trata de un perro.

 

Un ejemplo del uso de estas redes es cuando se toman como datos de entrenamiento fotografías de los residuos que se desean clasificar o separar, luego la red neuronal procesa la información de entrada para finalmente tomar una decisión y clasificar el tipo de residuo al que pertenece. La siguiente ilustración describe el proceso anteriormente explicado.

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Imagen 1. Arquitectura red neuronal convolucional para clasificación de residuos orgánicos. /Autor

2. Predicción de la cantidad de residuos generados

En la planeación de operaciones asociadas a la gestión de residuos se relacionan actividades como: definir la cantidad de camiones necesarios para transportar los residuos, realizar proyecciones de las cantidades de residuos generadas para soportar el proceso de toma de decisiones y definir el uso que se dará a estos (compostaje, generación de biogás, entre otras).

Para este tipo de tareas los algoritmos de Regresión Lineal ofrecen una aproximación confiable para realizar dichas predicciones, pues toman en cuenta la relación lineal de variables explicativas como, por ejemplo: las toneladas de alimentos que llegan a una plaza de mercado, la temperatura promedio en la ciudad, si durante la semana hay alguna festividad especial (navidad, día de madres, etc.)  con el objetivo de ajustar una ecuación matemática que permita predecir la cantidad de residuos en una plaza de mercado.

3. Seguimiento en tiempo real de variables

El seguimiento en tiempo real de variables acciona el proceso de toma de decisiones con un nivel de incertidumbre casi nulo, lo cual se podría ver como una mejora en las predicciones realizadas a través regresión lineal. El seguimiento en tiempo real también es conocido como Internet de las Cosas (IoT) y es usado principalmente para establecer frecuencias de recolección de basuras dinámicos, es decir, las decisiones de recoger un contenedor de basura dependen exclusivamente de la medición en tiempo real de la cantidad de desperdicios en un determinado momento de tiempo.

 

En la ciudad de Nitra, ubicada en Eslovaquia, los sistemas de Internet de las Cosas han sido implementados para optimizar los procesos de gestión de residuos, así como para generar un ambiente más limpio y sano para los habitantes de la ciudad.

 

 

 

 

 

Bajo un sistema de decisión estático o que depende de un modelo predictivo, la decisión podría verse afectada por variaciones inesperadas en la cantidad de desperdicios ocasionadas por eventos masivos como conciertos, carreras atléticas y desfiles.

video 1. Sensoneo Smart Waste Management (enero de 2018). Smart waste management using IOT - real benefits of Sensoneo. Tomado de: https://www.youtube.com/watch?v=qsfr_HNdHZo

Principales retos

Los diferentes algoritmos de Inteligencia Artificial tienen una limitación referente a la cantidad de datos disponibles para su entrenamiento, a medida que más datos sean incorporados mayor va a ser la potencia de predicción del algoritmo, lo que resulta en una mayor precisión. Teniendo en cuenta lo anterior, uno de los principales retos es establecer estrategias y acciones con las que se garantice que constantemente se alimenten bases de datos con información de diferente índole para ser usados posteriormente modelos de Inteligencia Artificial de acuerdo con la necesidad o problema que se requiera dar solución. Este punto es quizás el de mayor complejidad, puesto que la baja digitalización de los procesos asociados con la gestión de residuos hace que se cuente con datos muy limitados.

 

 

Desarrollos de algoritmos IA

Actualmente el Grupo de Investigación en Procesos Industriales NEURONA – SENNOVA del Centro de Gestión Industrial está desarrollando un proyecto para implementar algoritmos de Inteligencia Artificial que permita apoyar la gestión de residuos, particularmente en la clasificación de residuos orgánicos para las plazas de mercado de la ciudad de Bogotá, cuyo piloto se está ejecutando en la plaza de mercado del Restrepo. 

 

En este proyecto se han desarrollado metodologías y estrategias para la toma de datos en las plazas de mercado así como el diseño de un modelo de Inteligencia Artificial que sea capaz de realizar la clasificación de residuos orgánicos.

 

Conclusiones

La inteligencia artificial avanza cada día a una velocidad y dinamismo increíble, lo cual debe ser aprovechado por actores como el Gobierno o el sector privado para implementar estrategias y soluciones basadas en inteligencia artificial para gestionar los residuos que son generados en una plaza de mercado o en una ciudad. La gestión de residuos inteligente debería hacer parte de nuevas políticas nacionales y locales, para de esta manera fomentar la investigación y la inversión en este campo con el objetivo de para articular e implementar soluciones como las que se han implementado en ciudades europeas.

 

Documentos de interés

Concejo de Bogotá. Las 6.000 toneladas de basura que llegan a Doña Juana es Responsabilidad de todos. Tomado de: https://concejodebogota.gov.co/las-6-000-toneladas-de-basura-que-llegan-a-dona-juana-es-responsabilidad/cbogota/2019-04-02/131450.php

Forbes (2020). These robots are using artificial intelligence to sort your recycling  forbes (Archivo de video). https://www.youtube.com/watch?v=DKOf6yFepHA

Md. Wahidur Rahman, Rahabul Islam, Arafat Hasan, Nasima Islam Bithi, Md. Mahmodul Hasan,

Mohammad Motiur Rahman (2020). Intelligent waste management system using deep learning with iot.

Filliaciónes institucionales de los autores

Juan Sebastian Roa Bonilla; investigador SENNOVA

jroa@sena.edu.co

Raúl Alberto Brugés Moreno; analista de Datos SENNOVA

rabruges@sena.edu.co

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