数字孪生技术在农业中的应用

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生，作为一项创新的技术，提供了产品、流程或环境的实时同步虚拟表示。这项技术通过高保真建模和仿真为农业数字化提供了崭新的途径，因此Gartner将其列为2019年的战略技术之一。目前，数字孪生技术在农业领域具有广泛的应用潜力。它可以用于监控农作物的生长状况、优化资源利用以及提供种植指导。此外，数字孪生还可用于监控和管理家畜，以提高养殖效益。

在鱼菜共生农业中，数字孪生技术发挥了重要作用。鱼菜共生农业结合了水培（水中栽培）和水产养殖（养鱼），其运营效益受到诸多因素的影响，包括养殖水中的营养物浓度和水质。这些因素必须与运营成本和产出水平相平衡，而数字孪生技术可以帮助应对这些挑战。数字孪生技术结合了实时数据、仿真和自动化，使系统能够通过调整关键因素以保持最佳运行状态。通过数字孪生，操作人员可以实时监测和调整系统的内部虚拟实体状态，同时利用仿真输出来预测系统的性能。研究人员已经开始使用地面实况数据来评估数字孪生的内部虚拟实体状态和仿真输出的准确性。初步结果显示，将实时数据与仿真组件更深度地集成将有助于解决实际运营中出现的问题。尽管复杂的农业系统管理和自动化依然存在一些挑战，但鱼菜共生系统的成功应用证明了数字孪生技术在未来农业领域的广阔前景。这项技术将为农业带来更多的智能化解决方案，有望提高资源利用效率、产量和农业可持续性。

在果园种植管理中，传统的果园种植管理技术以实地观察和传统经验知识为主，缺乏自主学习和决策的能力，实时性差，适应性弱，难以满足高效化的种植管理。针对以上问题，广东惠州镇隆山顶村荔枝园搭建基于数字孪生的果园交互系统的农业物联网平台。如下图所示，通过布设在果园环境下的大量传感器节点，构建无线传感器网络对果园环境信息进行实时采集，通过LoRa模块进行数据汇集，并采用4G网络模块无线传输至云端服务器进行数据管理，将经过处理后的数据存储至各实体对象的数据库中。可根据种植管理任务或系统重构事件的要求，通过无线WIFI等移动通信技术直接访问相关数据库读取数据；最后在Unity虚拟平台下，利用UGUI和XCharts可视化工具将读取的数值以曲线或图形方式进行展示，并集成到系统交互界面，实现对果树生长过程的实时解析，对农机装备运行参数的实时显示以及对环境状态的实时监测。

实时监测数据可视化（图片来源：见参考文献）

在农业领域，数字孪生的应用有助于远程监测农场的状况和可能出现的问题，如作物病害、水分含量以及农场温度等，以便及时采取保护措施。此外，根据需求可以实时供给资源。然而，研究还表明，农业数字孪生概念的研究尚未得到充分的应用和利用。目前数字孪生技术在农业应用中还存在以下不足：

1.      高成本： 实施数字孪生技术需要大量投资，包括传感器、数据收集和分析工具，以及培训和基础设施更新。这可能超出了许多农民和农场主的预算限制。

2.      技术复杂性： 数字孪生技术的应用需要一定的技术知识和专业技能。对于那些缺乏技术知识或没有接受相关培训的农民和工作人员来说，采用这种技术可能存在困难。

3.      数据安全和隐私问题： 农业数据的安全性和隐私问题是数字孪生技术应用中的重要关注点。农业数据通常涉及敏感信息，如土壤质量、农作物生长情况和产量数据，这些数据的泄露可能导致潜在的风险和竞争威胁。

4.      基础设施不足： 在一些地区，缺乏稳定的互联网连接和现代化的基础设施限制了数字孪生技术的应用。这可能阻碍了农民和农场主有效地采用这些技术来改善生产效率和农业管理。

5.      缺乏标准化和互操作性： 数字孪生技术的标准化程度和互操作性可能存在差异，这可能导致不同系统之间的集成问题。这些问题可能限制了数字孪生技术的实际应用和效益。

解决这些问题的努力将有助于更广泛地推广数字孪生技术，提高其在农业领域的应用效果，并促进农业的可持续发展。

参考文献：

1.      Warren Purcell, Thomas Neubauer. Digital Twins in Agriculture: A State-of-the-art Review[J]. Smart Agriculture Technology. Vol 3,2023

2.      《10 things about Digital Twins in agriculture》 https://www.agrimetrics.co.uk/news/10-things-about-digital-twins-in-agriculture

3.      王红军,林俊强,邹湘军等.基于数字孪生的果园虚拟交互系统构建[J/OL].系统仿真学报:1-13[2023-10-24].https://doi.org/10.16182/j.issn1004731x.joss.23-0317.

4.      https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%AD%AA%E7%94%9F/22197545?fr=ge_ala