AI4WATER: Gemelos digitales para agricultura de regadío

Nos encontramos ante un estado de emergencia climática en el que los recursos hídricos son cada vez más escasos. Esta situación la padecen muchas regiones, y es especialmente crítica en zonas como la Cuenca del Mediterráneo. Esta experimenta un calentamiento un 20% más rápido que la media global, y según el programa de Medio Ambiente de la ONU, se prevé que para 2050 la demanda de agua se duplique o incluso triplique, a la vez que se verán reducidas las precipitaciones entre un 10 y un 15% mientras aumenta el calentamiento global en 2°C. Todos estos pronósticos ponen en peligro las actuales prácticas de riego en agricultura.

En este contexto, el proyecto AI4WATER propone optimizar el uso de los recursos hídricos disponibles, mitigar los efectos de la creciente escasez de agua en agricultura y mejorar la seguridad alimentaria mediante la creación de un gemelo digital (Digital Twin o DT) en un sector de riego de la Segarra-Garrigues (Lleida). En él participan el Centro Específico de Investigación en Comunicación y Detección de la UPC (CommSensLab-UPC), el Centro de Diseño de Equipos Industriales (CDEI) y el Grupo de Geofísica e Ingeniería Sísmica (GiES) de la UPC.  

Cómo se aplicará el gemelo digital

Un gemelo digital se define como una representación virtual de un objeto o sistema físico que abarca su ciclo de vida, se actualiza a partir de datos en tiempo real y utiliza la simulación y el aprendizaje automático (machine learning) para ayudar en la toma de decisiones. En AI4WATER, el gemelo digital permitirá simular, planificar, analizar y mejorar el crecimiento de los cultivos, maximizando el rendimiento y haciéndolo más sostenible para la agricultura. En concreto, modelizará los flujos de agua de la zona de riego utilizando como entradas el agua captada del medio ambiente, el agua devuelta al mismo y la información sobre sus distintos usos (humano, industrial y agrícola según la información obtenida de los contadores de agua). 

También se tendrán en cuenta otras variables que influyen en el balance hídrico, como las atmosféricas (temperatura, humedad relativa y radiación solar), la evapotranspiración y la humedad superficial del suelo (provenientes de los satélites AQUA/MODIS de la NASA y SMOS de la ESA) y los datos de una red IoT de sensores de humedad del suelo in situ que se ubicarán a diferentes profundidades (a 5, 10 y 100 cm). Esta red IoT proporcionará información útil sobre el terreno para la calibración cruzada de un georradar (Ground-Penetrating Radar -GPR-) el cual, situado en un sistema todoterreno - rover, recogerá los datos que sirvan para entrenar el algoritmo del gemelo digital.

Así, el gemelo digital que se desarrolle logrará una evaluación más precisa del volumen de agua que se utiliza para la agricultura de regadío, algo muy relevante para las comunidades que pagan cánones de regulación en función del volumen de agua utilizada, y ayudará a confirmar si los caudales de agua ahorrados con estos avances sirven para mejorar el medio ambiente. También será útil para validar las estimaciones del agua de riego mediante otros sistemas para, posteriormente, compararlas con los datos de los contadores. 

El CommSensLab-UPC desarrollará la red de sensores de humedad y temperatura con conectividad IoT, así como la implementación del gemelo digital, y dirigirá el análisis de datos, incluyendo datos de observación de la Tierra por satélite, así como la prueba de concepto. El CDEI se encargará de adaptar un robot para aplicaciones agrícolas con un georradar capaz de detectar la capa freática donde se almacena el agua.

Finalmente, la Fundación i2Cat, que también participa en el proyecto, dará apoyo en los aspectos de comunicaciones IoT para la red terrestre de sensores de humedad del suelo.

Resultados e impacto esperado

El principal reto en el proyecto AI4WATER es la estimación precisa de los recursos hídricos de regadío, mediante la creación de un gemelo digital, herramienta de aplicación en la agricultura aún inédita. Con ello, AI4WATER contribuirá a afinar la estimación del volumen de agua utilizado por la agricultura de regadío y su coste asociado, lo que conducirá indirectamente a una optimización de los recursos hídricos y permitirá ahorros relevantes en los caudales de agua que se vayan a utilizar.

La implementación del gemelo digital requerirá la combinación sinérgica de diferentes fuentes de entradas de datos: una red IoT de sensores de humedad del suelo, un georradar o radar de penetración en el suelo (GPR) de 500 MHz montado en un robot-rover automatizado y mapas de humedad del suelo y evapotranspiración redimensionados. Estos elementos de información y técnicas individuales ya existen, pero rara vez se han utilizado todos juntos.

Presupuesto y financiación

El presupuesto total del proyecto es de 272.665 €. Está cofinanciado por los fondos Next Generation de la Unión Europea, dentro del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia del Gobierno de España. AI4WATER comenzó a principios de diciembre de 2022 y finalizará en noviembre de 2024.