基于數(shù)字孿生與區(qū)塊鏈的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究

王志強(qiáng)，蓋素麗，崔彥軍，董 佳

(河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的加速融合，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化已經(jīng)成為各領(lǐng)域各行業(yè)的共同演進(jìn)趨勢(shì)，同時(shí)催生出一大批數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新模式、新業(yè)態(tài)。數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、5G等代表性數(shù)字技術(shù)正廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向數(shù)字農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，其應(yīng)用成效也得到社會(huì)各界的認(rèn)可和政府的重視。2020年11月，河北省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳印發(fā)《河北省智慧農(nóng)業(yè)示范建設(shè)專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃(2020—2025年)》，提出“緊緊圍繞實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加快推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、5G等現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，大力推進(jìn)‘互聯(lián)網(wǎng)+’現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，加速農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程”。

智慧農(nóng)業(yè)被認(rèn)為是精細(xì)農(nóng)業(yè)的新階段，因?yàn)樵絹?lái)越多的高精尖的數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)字裝備被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，比如精準(zhǔn)定位、動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)決策等方向的最新成果[1]。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)通常被認(rèn)為是建立將物理空間與數(shù)字空間進(jìn)行無(wú)縫銜接且實(shí)時(shí)交互的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或農(nóng)產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行感知、觀測(cè)、分析和決策[2]。

數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵是構(gòu)建一個(gè)數(shù)字孿生體，對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行精確、完整的數(shù)字化描述，用于對(duì)物理實(shí)體實(shí)施模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)及控制，具有同步映射、虛實(shí)融合等特性[3]。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用將使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫過(guò)去粗放型的作業(yè)模式，例如用全感知的數(shù)據(jù)獲取手段和超感知的數(shù)據(jù)分析手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)以人工為主的信息獲取和經(jīng)驗(yàn)分析模式，并且不僅局限于對(duì)現(xiàn)狀的監(jiān)測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘以及對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的模擬預(yù)測(cè)。因此，數(shù)字孿生技術(shù)將會(huì)把智慧農(nóng)業(yè)帶入一個(gè)高質(zhì)量的、可持續(xù)發(fā)展的新階段。

數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行需要依賴大量的數(shù)據(jù)，因此對(duì)數(shù)據(jù)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的可信性具有很高的要求。數(shù)字孿生的核心是數(shù)據(jù)的集成，要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的信任，首先需要解決數(shù)據(jù)的可信性問(wèn)題。區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)在于能夠解決數(shù)據(jù)的可信性問(wèn)題，為數(shù)字孿生構(gòu)造一個(gè)可信的計(jì)算平臺(tái)。此外，區(qū)塊鏈不僅是一項(xiàng)技術(shù)，還提供了一套行動(dòng)規(guī)則，它通過(guò)一套鏈上參與方公認(rèn)的合約標(biāo)準(zhǔn)使整個(gè)系統(tǒng)得以順利運(yùn)轉(zhuǎn)。

因此，本文通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)理的研究，同時(shí)與區(qū)塊鏈技術(shù)相融合，構(gòu)建一套適合智慧農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的可信的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

1 相關(guān)概念分析

1.1 數(shù)字孿生與生命周期

“數(shù)字孿生”(Digital Twin)這一概念正式提出是在NASA的2010年的一份技術(shù)報(bào)告當(dāng)中，當(dāng)時(shí)給出的一個(gè)狹窄定義是“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過(guò)程”。隨后，“數(shù)字孿生”概念和相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的飛行器健康管理，例如機(jī)身設(shè)計(jì)與維修、飛行器能力評(píng)估、飛行器故障預(yù)測(cè)等任務(wù)當(dāng)中?，F(xiàn)在，隨著數(shù)字化技術(shù)在消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深入應(yīng)用，“數(shù)字孿生”概念和技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用于所有與信息化相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域?！皵?shù)字孿生”這一術(shù)語(yǔ)被Gartner列為2019年十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢(shì)之一。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)“數(shù)字孿生”的定義是，具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實(shí)體或過(guò)程的數(shù)字化表達(dá)，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實(shí)體或流程過(guò)程的整個(gè)生命周期的集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能[4]。

從管理學(xué)的角度看，數(shù)字孿生是貫穿產(chǎn)品生命周期的技術(shù)手段。在某產(chǎn)品的生命周期中，在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)可以創(chuàng)建數(shù)字孿生體了，從而不斷完善原型設(shè)計(jì)以步入產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)階段(參見(jiàn)圖1)。在實(shí)現(xiàn)階段中，可以借助數(shù)字孿生體對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和功效進(jìn)行仿真和評(píng)估，減少開(kāi)發(fā)昂貴的物理原型機(jī)的需求。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出來(lái)后，物理本體才真正誕生了，同時(shí)數(shù)字孿生體會(huì)實(shí)時(shí)更新與本體的偏差。在使用階段，將使用傳感器和自動(dòng)識(shí)別裝置來(lái)監(jiān)視物理產(chǎn)品當(dāng)前的和過(guò)去的狀態(tài)，或者利用數(shù)字孿生體對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。最后，回收處置階段將對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行報(bào)廢，但是數(shù)字孿生體可以予以保留，用于追溯、教學(xué)等需求。

圖1 數(shù)字孿生在產(chǎn)品生命周期中的角色

從技術(shù)上來(lái)看，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)。真實(shí)(物理)與虛擬(數(shù)字)對(duì)象之間的交互正是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)傳感器感知和執(zhí)行命令，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將虛擬對(duì)象與物理本體鏈接起來(lái)[6]?；谖锫?lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生體就成為了處理物理對(duì)象信息的中心樞紐，不斷地歸集和更新各種來(lái)源的數(shù)據(jù)。

從以上概念可以看到，數(shù)字孿生所具有的特征，包括：

(1)互操作性，即數(shù)字孿生中的物理實(shí)體和數(shù)字空間的虛擬實(shí)體能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接。

(2)可擴(kuò)展性，即數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換的能力，能夠針對(duì)多尺度、多物理、多層級(jí)的數(shù)字模型內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展。

(3)實(shí)時(shí)性，即數(shù)字化虛擬實(shí)體可對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行隨時(shí)間軸變化而進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字表征。

(4)保真性，即數(shù)字化虛擬實(shí)體與物理實(shí)體保持在樣態(tài)、狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)上的高度仿真。

(5)完備性，即數(shù)字化虛擬實(shí)體可以描述物理實(shí)體的可視化模型和內(nèi)在機(jī)理，以便對(duì)物理實(shí)體狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、分析、推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)決策功能，形成封閉完備的閉環(huán)整體。

1.2 區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生的融合

區(qū)塊鏈為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可信提供了一整套解決方案，而數(shù)字孿生世界最需要的正是數(shù)據(jù)的可信性[7]。將區(qū)塊鏈與數(shù)字孿生技術(shù)相融合，能夠充分實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，擴(kuò)大數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用范圍。其結(jié)合優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

1.2.1 在跨域功能實(shí)體中保證數(shù)據(jù)不被篡改

數(shù)字孿生的關(guān)鍵是構(gòu)建實(shí)體對(duì)象的數(shù)字等價(jià)物，顯然數(shù)據(jù)是數(shù)字實(shí)體中最重要的組成部分。數(shù)字孿生的核心應(yīng)用是用數(shù)字模擬取代昂貴的物理樣機(jī)，如果數(shù)據(jù)的安全性得不到保障，則無(wú)法保證模擬結(jié)果的正確性，依此決策將面臨重大風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的重大區(qū)別是低成本的可修改性，這也是數(shù)字孿生體能夠在復(fù)雜變化場(chǎng)景中進(jìn)行便捷仿真模擬的前提。通過(guò)調(diào)整數(shù)字孿生系統(tǒng)中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)，模擬環(huán)境變化或?qū)嶒?yàn)對(duì)象狀態(tài)的改變，來(lái)探索最優(yōu)設(shè)計(jì)組合。任何有意或無(wú)意的修改都會(huì)造成數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間偏差，從而造成模擬結(jié)果顯著偏離真實(shí)結(jié)果。因此，在使用數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真模擬時(shí)，往往會(huì)權(quán)衡數(shù)字模擬偏差代價(jià)與物理實(shí)驗(yàn)成本，這一定程度上限制了數(shù)字孿生技術(shù)的推廣應(yīng)用。

區(qū)塊鏈?zhǔn)褂脜^(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希值形成鏈接，即每個(gè)區(qū)塊中不但包含自身的哈希值，還包含上一區(qū)塊的哈希值，這種鏈接方式保證了鏈上數(shù)據(jù)難以被篡改。將數(shù)字孿生體的核心數(shù)據(jù)使用區(qū)塊鏈進(jìn)行保存，能夠保證數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)的真實(shí)性以及模擬結(jié)果有效可靠。

1.2.2 建立數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的一一映射關(guān)系

數(shù)字孿生體有別于物理實(shí)體的另一個(gè)特點(diǎn)是可復(fù)制性。物理實(shí)體被數(shù)字化后可以被無(wú)限復(fù)制。可復(fù)制性是數(shù)字體的便利之處，如電子化文檔、飛行器仿真實(shí)驗(yàn)等，通過(guò)復(fù)制手段能夠以相對(duì)低廉的成本進(jìn)行多次試驗(yàn)。但是，對(duì)于金融、資產(chǎn)類實(shí)體，就不能簡(jiǎn)單數(shù)字化后就加以使用。但在數(shù)字世界中，建立一一映射關(guān)系是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

對(duì)于具有價(jià)值的實(shí)體，區(qū)塊鏈體系通常采用通證(Token)進(jìn)行價(jià)值治理，利用通證實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)上鏈。資產(chǎn)上鏈即將資產(chǎn)的所有權(quán)映射在區(qū)塊鏈上，與通證形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，數(shù)字憑證的持有者身份即對(duì)應(yīng)資產(chǎn)的所有權(quán)。資產(chǎn)上鏈可以降低信任成本，簡(jiǎn)化交易流程，提升資產(chǎn)流動(dòng)性。例如，以太坊的ERC-721標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每一個(gè)Token都有唯一的ID，即使用該標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造的數(shù)字孿生體只有唯一的物理實(shí)體與之對(duì)應(yīng)。

區(qū)塊鏈的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，在實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字孿生體一一對(duì)應(yīng)時(shí)，并沒(méi)有完全限制數(shù)字孿生體的可復(fù)制性優(yōu)勢(shì)。利用通證進(jìn)行數(shù)字孿生體的所屬權(quán)識(shí)別，而這個(gè)帶有所屬權(quán)的孿生體是可以在數(shù)字世界中進(jìn)行多次模擬試驗(yàn)的，這樣有益于構(gòu)建更完備的鏈上數(shù)字世界。

2 農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 農(nóng)場(chǎng)管理中的數(shù)字孿生

農(nóng)業(yè)是一個(gè)高度復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的領(lǐng)域，生產(chǎn)過(guò)程會(huì)受到天氣、病蟲(chóng)害、土壤墑情、季節(jié)性和氣候因素等條件的影響。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還需要應(yīng)對(duì)消費(fèi)者和社會(huì)在膳食健康、食品安全、口糧保障、可持續(xù)發(fā)展等方面的關(guān)鍵需求。因此，理想的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該具備高效率、高質(zhì)量、低排放等特點(diǎn)，以及防范市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的能力，這對(duì)農(nóng)業(yè)管理提出了很高的要求[8]。數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助農(nóng)業(yè)從業(yè)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)評(píng)估生產(chǎn)策略，實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，從而達(dá)到高質(zhì)量的生產(chǎn)力水平。根據(jù)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，實(shí)施數(shù)字孿生系統(tǒng)存在3方面的挑戰(zhàn)：

(1)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，比任何其它領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生系統(tǒng)所要求描述的特征都要復(fù)雜。在這樣的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，即確保數(shù)據(jù)完整性、安全性、可信性，又要求實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效訪問(wèn)，將是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。此外，農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和帶寬通常很有限，實(shí)時(shí)同步難度很大。

(2)農(nóng)產(chǎn)品是天生具有多樣性和復(fù)雜特征的生物。此外，智慧農(nóng)業(yè)中不存在一個(gè)具體的“數(shù)字孿生體”，實(shí)質(zhì)上是多種相互關(guān)聯(lián)的對(duì)象的集合體，通常包括：a)投入，包括種子、飼料、肥料或農(nóng)藥等；b)生產(chǎn)力，包括生產(chǎn)中的物體(例如，生長(zhǎng)中的農(nóng)作物或牲畜)和資源(包括田地、牧場(chǎng)、機(jī)器和人員等)；c)產(chǎn)出，包括收獲的農(nóng)作物、出欄的牲畜等。細(xì)粒度水平的數(shù)字孿生體會(huì)帶來(lái)更多的價(jià)值，比如細(xì)化到個(gè)體的植物或動(dòng)物，但實(shí)施起來(lái)更加困難，并導(dǎo)致更高的成本。細(xì)粒度的情況還要考慮不同粒度級(jí)別孿生體之間的相互依存關(guān)系。

(3)農(nóng)場(chǎng)是動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的一部分，并與許多利益相關(guān)者共享數(shù)據(jù)，包括客戶、農(nóng)資供應(yīng)商、合作社、農(nóng)技人員以及監(jiān)管部門等。這些利益相關(guān)者也可以在一定權(quán)限內(nèi)訪問(wèn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“數(shù)字孿生體”，這意味著要能提供安全可靠的外部訪問(wèn)方案。同時(shí)，外部利益相關(guān)者可以使用大量第三方數(shù)據(jù)來(lái)充實(shí)農(nóng)場(chǎng)的數(shù)字孿生體，例如氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)田遙感數(shù)據(jù)、土壤、水和空氣分析數(shù)據(jù)等。因此需要建立有效的機(jī)制將這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集成到農(nóng)場(chǎng)的數(shù)字孿生體中。

2.2 數(shù)字孿生的控制模型類別

控制是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)基本概念，即保證在系統(tǒng)被擾動(dòng)時(shí)能保證目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段?？刂频幕舅枷胧且胍环N控制器，該控制器可測(cè)量系統(tǒng)行為，并在測(cè)量結(jié)果與系統(tǒng)目標(biāo)不符時(shí)進(jìn)行修正。如果農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果保持穩(wěn)定狀態(tài)，則稱這個(gè)系統(tǒng)是“受控”的。我們通常所說(shuō)的控制系統(tǒng)是閉環(huán)的，具有反饋回路，其中包括檢測(cè)器(傳感器)、鑒別器、決策器(模塊)、執(zhí)行器等。傳感器用于測(cè)量對(duì)象系統(tǒng)的實(shí)際性能。鑒別器將測(cè)得的性能指標(biāo)與對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)(系統(tǒng)目標(biāo)所涉及的數(shù)量、質(zhì)量和交貨時(shí)間等方面)進(jìn)行比較，將偏差量發(fā)送給決策器。決策模塊根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的控制模型，選擇合適的干預(yù)措施來(lái)產(chǎn)生糾偏信號(hào)。最后，執(zhí)行器執(zhí)行干預(yù)措施以修正對(duì)象系統(tǒng)的性能?？刂脐P(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生農(nóng)場(chǎng)的控制關(guān)系示意圖

根據(jù)有關(guān)研究成果，遵循不同的控制目的，數(shù)字孿生可以表示為如下類型：

(1)虛擬數(shù)字孿生用于描述參考對(duì)象的狀態(tài)，并模擬其行為，但此時(shí)兩者之間并未進(jìn)行連接。參考對(duì)象是根據(jù)用戶需求分析所選擇的典型概念實(shí)體，通常表現(xiàn)為一組功能需求，也可以是典型的物理對(duì)象。此種數(shù)據(jù)可用于模擬對(duì)象的預(yù)期行為來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。

(2)監(jiān)測(cè)數(shù)字孿生用于描述真實(shí)物理對(duì)象的當(dāng)前和過(guò)去的狀態(tài)及其行為。物理對(duì)象配有識(shí)別標(biāo)簽(通常是條形碼或RFID標(biāo)簽)，以及測(cè)量動(dòng)態(tài)特性的傳感器。這些傳感器數(shù)據(jù)基于元模型便生成了數(shù)字孿生對(duì)象。

(3)預(yù)測(cè)數(shù)字孿生預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)體的未來(lái)的狀態(tài)和行為。預(yù)測(cè)模型使用由傳感器和自動(dòng)識(shí)別裝置測(cè)量對(duì)象當(dāng)前和歷史狀態(tài)信息，通常會(huì)結(jié)合外部數(shù)據(jù)(例如天氣預(yù)報(bào)、路況信息等)。

(4)推演數(shù)字孿生描述對(duì)當(dāng)前數(shù)字孿生體進(jìn)行干預(yù)后對(duì)未來(lái)數(shù)字孿生體產(chǎn)生的影響。干預(yù)措施可以用于修正由監(jiān)測(cè)孿生體發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，也可以用于修正由預(yù)測(cè)孿生體推測(cè)出的未來(lái)會(huì)發(fā)生的問(wèn)題。對(duì)推演孿生體的模擬可用于在一項(xiàng)措施實(shí)施之前進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估。推演結(jié)果的實(shí)施最終是由人工執(zhí)行的。

(5)自主數(shù)字孿生是推演孿生體的超集，因?yàn)闆Q策和執(zhí)行都是通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)完成的。系統(tǒng)一般基于監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)孿生體識(shí)別控制問(wèn)題，并由推演孿生體來(lái)選擇最佳的干預(yù)措施，最后將選定的干預(yù)措施轉(zhuǎn)化為執(zhí)行指令。因此，自主孿生體在沒(méi)有任何人工參與的情況下運(yùn)行完整的控制循環(huán)，但它仍然是基于人類的決策支持模型和控制準(zhǔn)則的。自主孿生體也可以是自學(xué)習(xí)的，這意味著決策算法是能夠根據(jù)測(cè)量響應(yīng)進(jìn)行不斷優(yōu)化的。

(6)檔案數(shù)字孿生用于描述現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)消亡的對(duì)象的過(guò)去狀態(tài)和行為。與虛構(gòu)孿生一樣，它們都是一種概念實(shí)體，但檔案數(shù)字孿生過(guò)去存在真實(shí)的連接實(shí)體，因此所表征的意義完全不同。檔案孿生體必須用準(zhǔn)確和可靠的方式描繪歷史實(shí)體。

實(shí)際的數(shù)字孿生系統(tǒng)是上述6種類型的組合體。

2.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)施模型

數(shù)字孿生架構(gòu)由現(xiàn)實(shí)空間中的物理對(duì)象、虛擬空間中對(duì)該對(duì)象的數(shù)字描述以及兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)通道組成[9]。將數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施框架分為了8層，如圖3。

(1)設(shè)備層提供了安裝于物理對(duì)象并之直接交互的硬件組件，例如：用于唯一標(biāo)識(shí)、傳感器和執(zhí)行器的標(biāo)簽，包括條形碼/二維碼和RFID標(biāo)簽等；各種用于測(cè)量物理對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性(包括溫度、濕度、光照、水分、二氧化碳、氮含量和pH值等)的傳感器；條形碼/RFID讀取器和智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備；衛(wèi)星、飛機(jī)和其它遙感設(shè)備及其載具。設(shè)備層還包括用于遠(yuǎn)程操作的執(zhí)行裝置，例如各種農(nóng)業(yè)機(jī)具、灌溉設(shè)備、空調(diào)和照明設(shè)備等。

(2)通信層管理不同組件之間的交互，并實(shí)現(xiàn)從設(shè)備到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的通信。通信層提供網(wǎng)絡(luò)、連接性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，并?shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的端到端通信。

(3)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層包含用于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、查找和名稱解析的服務(wù)和功能，用于從傳感設(shè)備中進(jìn)行信息檢索和將信息傳遞到控制執(zhí)行設(shè)備。

(4)數(shù)字孿生管理層包含用于基于數(shù)字實(shí)體與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行交互的功能。該層可以訪問(wèn)來(lái)自傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)或應(yīng)用程序的有關(guān)數(shù)字孿生體的所有信息，還包含管理與物理對(duì)象的關(guān)聯(lián)并實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)的所有功能。

(5)物聯(lián)網(wǎng)過(guò)程管理層提供物聯(lián)網(wǎng)感知流程的建模和執(zhí)行環(huán)境。該層通過(guò)組合和編排不同抽象級(jí)別的服務(wù)，充當(dāng)其他幾個(gè)層之間的通信集線器。

圖3 數(shù)字孿生農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用模型

(6)安全層負(fù)責(zé)系統(tǒng)及其用戶的安全性和私密性，包括授權(quán)、身份驗(yàn)證和身份管理之類的組件。

(7)管理層專注于系統(tǒng)的配置，評(píng)估系統(tǒng)的整體狀態(tài)并報(bào)告故障。

(8)應(yīng)用程序?qū)訛榛谔摂M對(duì)象的特定控制任務(wù)賦能。該層涉及整個(gè)生命周期內(nèi)使用數(shù)字孿生的各種功能應(yīng)用。各種數(shù)字孿生需要通過(guò)多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括仿真和優(yōu)化工具、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。該層還包括與數(shù)字孿生體進(jìn)行交互的用戶界面，包括電腦和移動(dòng)終端中常用的2D圖形界面，以及AR/VR環(huán)境中的高級(jí)3D界面等。

3 應(yīng)用場(chǎng)景示范

將數(shù)字孿生農(nóng)場(chǎng)的方案應(yīng)用于設(shè)計(jì)金銀花農(nóng)莊的自動(dòng)采摘系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用模型結(jié)構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)設(shè)備層包括傳感器和執(zhí)行器，傳感器主要為用于圖像采集的高清攝像頭。傳感器嵌入在采摘機(jī)、氣象站和農(nóng)用無(wú)人小車上。數(shù)據(jù)被直接處理并存儲(chǔ)在采摘機(jī)的終端上。對(duì)地塊進(jìn)行作業(yè)后，將記錄處理后的參數(shù)，例如GPS坐標(biāo)、時(shí)間戳、作物成熟度、花期、花密度，并將其上傳到云數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)通信層包括有線(CANBUS)接口和用于連接采摘機(jī)、無(wú)人小車的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(WLAN)，以及將機(jī)器和傳感器與云系統(tǒng)(5G)進(jìn)行通信的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

(3)數(shù)字孿生管理層歸集、存儲(chǔ)、處理和更新涉及田間、作物、待收成花和采摘機(jī)的數(shù)字孿生有關(guān)的所有數(shù)據(jù)。它為農(nóng)民和機(jī)器供應(yīng)商的應(yīng)用程序提供了對(duì)這些孿生體的訪問(wèn)。成花的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理在采摘機(jī)上本地完成。該層還包括判斷作物長(zhǎng)勢(shì)、預(yù)測(cè)產(chǎn)量和設(shè)置最佳機(jī)器設(shè)置所需的服務(wù)。

(4)應(yīng)用程序?qū)釉试S用戶與數(shù)字孿生體進(jìn)行交互。通過(guò)采摘機(jī)用戶終端，農(nóng)民可以實(shí)時(shí)監(jiān)控金銀花的生長(zhǎng)狀態(tài)，并在必要時(shí)進(jìn)行干預(yù)。通過(guò)云管理艙，農(nóng)民可以在田間監(jiān)測(cè)金銀花的長(zhǎng)勢(shì)和預(yù)期產(chǎn)量。此外，機(jī)器供應(yīng)商的管理界面可用于配置和優(yōu)化機(jī)器設(shè)置。

(5)其他層為通用技術(shù)功能，在此略過(guò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了數(shù)字孿生技術(shù)如何推動(dòng)智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展，并介紹了如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可信性，并從防數(shù)據(jù)篡改和實(shí)現(xiàn)可控?cái)?shù)據(jù)復(fù)印方面給出建議。文中通過(guò)分析數(shù)字孿生體在產(chǎn)品生命周期中的作用，介紹了6種不同的數(shù)字孿生應(yīng)用類別，并結(jié)合農(nóng)場(chǎng)管理流程設(shè)計(jì)了數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)施模型結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的技術(shù)功能(從設(shè)備層到應(yīng)用程序?qū)?進(jìn)行了分類。最后，將該框架應(yīng)用于金銀花采摘系統(tǒng)進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)。