Aprendizaje automático federado: generación de valor a partir de datos compartidos manteniendo la privacidad

Los datos son un recurso fundamental para mejorar nuestra calidad de vida porque permiten mejorar los procesos de toma de decisiones para crear productos y servicios personalizados, tanto en el sector público como en el privado. En contextos como la salud, la movilidad, la energía o la educación, el uso de datos facilita soluciones más eficientes y adaptadas a las necesidades reales de las personas. No obstante, en el trabajo con datos, la privacidad juega un papel clave. En este post, analizaremos cómo los espacios de datos, el paradigma de computación federada y el aprendizaje federado, una de sus aplicaciones más potentes, plantean una solución equilibrada para aprovechar el potencial de los datos sin poner en riesgo la privacidad. Además, resaltaremos cómo el aprendizaje federado también puede usarse con datos abiertos para mejorar su reutilización de forma colaborativa, incremental y eficiente.

La privacidad, clave en la gestión de datos

Como se ha mencionado anteriormente, el uso intensivo de datos exige una creciente atención a la privacidad. Por ejemplo, en salud digital, un mal uso secundario de datos de historias clínicas electrónicas podría vulnerar derechos fundamentales de pacientes. Una forma eficaz de preservar la privacidad es mediante ecosistemas de datos que prioricen la soberanía de los datos, como es el caso de los espacios de datos. Un espacio de datos es un sistema de gestión federada de datos que permite su intercambio de manera confiable entre proveedores y consumidores. Además, el espacio de datos garantiza la interoperabilidad de los datos para crear productos y servicios que generen valor. En un espacio de datos, cada proveedor mantiene sus propias normas de gobernanza, conservando el control sobre sus datos (es decir, la soberanía sobre sus datos), a la vez que se posibilita su reutilización por consumidores. Esto implica que cada proveedor debe poder decidir qué datos comparte, con quién y bajo qué condiciones, garantizando el cumplimiento de sus intereses y obligaciones legales.

Computación federada y espacios de datos

Los espacios de datos representan una evolución en la gestión de datos, relacionada con un paradigma denominado computación federada (federated computing), donde los datos se reutilizan sin necesidad de que haya un trasiego de datos desde los proveedores de datos hacia los consumidores. En la computación federada, los proveedores transforman sus datos en resultados intermedios que preservan la privacidad con el fin de poder ser enviados a los consumidores de datos. Además, esto posibilita que puedan aplicarse otras técnicas de mejora de la privacidad de datos (Privacy-Enhancing Technologies). La computación federada se alinea perfectamente con arquitecturas de referencia como Gaia-X y su Trust Framework, que establece los principios y requisitos para garantizar un intercambio de datos seguro, transparente y conforme a reglas comunes entre proveedores y consumidores de datos.

Aprendizaje federado

Una de las aplicaciones más potentes de la computación federada es el aprendizaje automático federado (federated learning), una técnica de inteligencia artificial que permite entrenar modelos sin necesidad de centralizar los datos. Es decir, en lugar de enviar los datos a un servidor central para procesarlos, lo que se envía son los modelos entrenados localmente por cada participante.

Estos modelos se combinan posteriormente de manera centralizada para crear un modelo global. A modo de ejemplo, imaginemos un consorcio de hospitales que quiere desarrollar un modelo predictivo para detectar una enfermedad rara. Cada hospital posee datos sensibles de sus pacientes, y compartirlos abiertamente no es viable por cuestiones de privacidad (incluso otras cuestiones legales o éticas). Con el aprendizaje federado, cada hospital entrena localmente el modelo con sus propios datos, y solo comparte los parámetros del modelo (resultados del entrenamiento) de manera centralizada. Así, el modelo final aprovecha la diversidad de datos de todos los hospitales sin comprometer la privacidad individual y las reglas de gobernanza de datos de cada hospital.

El entrenamiento en el aprendizaje federado suele seguir un ciclo iterativo:

1. Un servidor central inicia un modelo base y lo envía a cada uno de los nodos distribuidos participantes.
2. Cada nodo entrena el modelo localmente con sus datos.
3. Los nodos devuelven solo los parámetros del modelo actualizado, no los datos (es decir, se evita el trasiego de datos).
4. El servidor central agrega las actualizaciones en los parámetros, resultados del entrenamiento en cada nodo y actualiza el modelo global.
5. El ciclo se repite hasta alcanzar un modelo suficientemente preciso.

Figura 1. Visual que representa el proceso de entrenamiento del aprendizaje federados. Elaboración propia

Este enfoque es compatible con diversos algoritmos de aprendizaje automático, incluyendo redes neuronales profundas, modelos de regresión, clasificadores, etc.

Beneficios y desafíos del aprendizaje federado

El aprendizaje federado ofrece múltiples beneficios al evitar el trasiego de datos. Destacamos los siguientes:

1. Privacidad y cumplimiento normativo: al permanecer en su origen, se reducen significativamente los riesgos de exposición de los datos y se facilita el cumplimiento de regulaciones como el Reglamento General de Protección de Datos (RGPD).
2. Soberanía de los datos: cada entidad mantiene el control total sobre sus datos, lo que evita conflictos de competitividad.
3. Eficiencia: evita los costes y la complejidad de intercambiar grandes volúmenes de datos, lo que acelera los tiempos de procesamiento y desarrollo.
4. Confianza: facilita la colaboración entre organizaciones sin fricciones.

Existen diversos casos de uso en los cuales el aprendizaje federado es necesario, por ejemplo:

• Salud: hospitales y centros de investigación pueden colaborar en modelos predictivos sin compartir datos de pacientes.
• Finanzas: bancos y aseguradoras pueden construir modelos de detección de fraude o análisis de riesgo compartido, respetando la confidencialidad de sus clientes.
• Turismo inteligente: los destinos turísticos pueden analizar flujos de visitantes o patrones de consumo sin necesidad de unificar las bases de datos de sus actores (tanto públicos como privados).
• Industria: empresas del mismo sector pueden entrenar modelos para mantenimiento predictivo o eficiencia operativa sin revelar datos competitivos.

Aunque sus beneficios son claros en diversidad de casos de uso, el aprendizaje federado también presenta retos técnicos y organizativos:

• Heterogeneidad de datos: los datos locales pueden tener diferentes formatos o estructuras, lo que dificulta el entrenamiento. Además, el esquema de estos datos puede cambiar con el tiempo, lo que representa una dificultad añadida.
• Datos desbalanceados: algunos nodos pueden tener más datos o de mayor calidad que otros, lo que puede sesgar el modelo global.
• Costes computacionales locales: cada nodo necesita recursos suficientes para entrenar el modelo localmente.
• Sincronización: el ciclo de entrenamiento requiere buena coordinación entre nodos para evitar latencias o errores.

Más allá del aprendizaje federado

Aunque la aplicación más destacada de la computación federada es el aprendizaje federado, están surgiendo muchas otras aplicaciones adicionales en la gestión de datos como, por ejemplo, el análisis de datos federado (federated analytics). El análisis de datos federado permite realizar análisis estadísticos y descriptivos sobre datos distribuidos sin necesidad de moverlos a los consumidores, sino que cada proveedor realiza localmente los cálculos estadísticos requeridos y solo comparte con el consumidor los resultados agregados según sus requisitos y permisos. En la siguiente tabla se muestran las diferencias entre aprendizaje federado y análisis de datos federado.

Figura 1. Tabla comparativa. Fuente: elaboración propia

Aprendizaje federado y datos abiertos: una simbiosis por explorar

En principio, los datos abiertos resuelven los problemas de privacidad antes de su publicación, por lo que se podría pensar que no es preciso hacer uso de técnicas de aprendizaje federado. Nada más lejos de la realidad. El uso de técnicas de aprendizaje federado puede aportar ventajas significativas en la gestión y explotación de los datos abiertos. De hecho, el primer aspecto a resaltar es que los portales de datos abiertos como datos.gob.es o data.europa.eu son entornos federados. Por ello, en estos portales, la aplicación de aprendizaje federado sobre conjuntos de datos de gran tamaño permitiría entrenar modelos directamente en origen, evitando costes de transferencia y procesamiento. Por otro lado, el aprendizaje federado facilitaría la combinación de datos abiertos con otros datos sensibles sin comprometer la privacidad de estos últimos. Finalmente, la naturaleza de una gran variedad de tipos de datos abiertos es muy dinámica (como los datos de tráfico), por lo que el aprendizaje federado habilitaría un entrenamiento incremental, considerando automáticamente nuevas actualizaciones de conjuntos de datos abiertos a medida que se publican, sin necesidad de reiniciar costosos procesos de entrenamiento.

Aprendizaje federado, base para una IA respetuosa con la privacidad

El aprendizaje automático federado representa una evolución necesaria en la forma en que desarrollamos servicios de inteligencia artificial, especialmente en contextos donde los datos son sensibles o están distribuidos entre varios proveedores. Su alineación natural con el concepto de espacio de datos lo convierte en una tecnología clave para impulsar la innovación basada en la compartición de datos, teniendo en cuenta la privacidad y manteniendo la soberanía de los datos.

A medida que la regulación (como el Reglamento relativo al Espacio Europeo de Datos de Salud) y las infraestructuras de espacios de datos evolucionen, el aprendizaje federado, y otros tipos de computación federada, jugarán un papel cada vez más importante en la compartición de datos, maximizando el valor de los datos, pero sin comprometer la privacidad. Finalmente, cabe destacar que, lejos de ser innecesario, el aprendizaje federado puede convertirse en un aliado estratégico para mejorar la eficiencia, gobernanza e impacto de los ecosistemas de datos abiertos.

Jose Norberto Mazón, Catedrático de Lenguajes y Sistemas Informáticos de la Universidad de Alicante​