基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)

熊祥盛，許 靜，陳平錄

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江西 南昌 330045）

高質(zhì)量的農(nóng)業(yè)耕作是實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵之一。安全、可靠、全面的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)不僅要求可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)耕作狀態(tài)信息并及時(shí)反饋異常狀態(tài)，還應(yīng)當(dāng)對(duì)農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，發(fā)掘農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程的運(yùn)作規(guī)律，沉浸式的展現(xiàn)農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)。但是現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目的，不僅缺乏系統(tǒng)性耕作理論知識(shí)指導(dǎo)系統(tǒng)搭建，而且監(jiān)控內(nèi)容較為單一、片面、不完善。因此對(duì)于農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程亟需一種先進(jìn)的理論方法來(lái)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。

數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維度、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型來(lái)仿真和刻畫(huà)物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等[1]。數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天[2]、產(chǎn)品設(shè)計(jì)[3]、智慧城市[4]和農(nóng)業(yè)[5]等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、全面的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控，本文將數(shù)字孿生技術(shù)融入監(jiān)控系統(tǒng)中，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)、可視化服務(wù)三部分。在耕作過(guò)程中，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流、程序流在監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)、可視化服務(wù)三者之間迭代，推動(dòng)三者交互融合，最終迭代出最佳的耕作策略從而實(shí)現(xiàn)最好的耕作效果。

1 基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

在綜合考慮農(nóng)業(yè)耕作復(fù)雜多變的環(huán)境及相關(guān)耕作農(nóng)藝要求后，本文搭建了基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)包括了監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)和可視化服務(wù)三部分。監(jiān)控模塊主要是為實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際耕作過(guò)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控與狀態(tài)信息、控制指令的實(shí)時(shí)、高效傳輸。虛擬耕作系統(tǒng)主要為利用監(jiān)控模塊，建立與實(shí)際耕作過(guò)程的交互通道，構(gòu)建完全映射的虛擬耕作模型，利用虛擬耕作模型對(duì)土壤切削進(jìn)行仿真模擬，對(duì)耕作過(guò)程進(jìn)行迭代優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)耕作過(guò)程的細(xì)微狀態(tài)的探究及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋回實(shí)際耕作，從而控制實(shí)際耕作過(guò)程?？梢暬?wù)主要為從數(shù)據(jù)與模型兩方面將農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程實(shí)況生動(dòng)形象的呈現(xiàn)出來(lái)，有利于用戶(hù)掌握實(shí)際耕作過(guò)程的變化與進(jìn)度。監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 The overall architecture of monitoring system

2 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊作為農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)的底層，肩負(fù)著農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程狀態(tài)信息的精確采集與狀態(tài)信息、控制指令實(shí)時(shí)傳輸?shù)氖姑瑸榇丝蓪⒈O(jiān)控模塊劃分為數(shù)據(jù)采集模塊與信息傳輸模塊兩部分。

數(shù)據(jù)采集模塊是對(duì)整個(gè)耕作過(guò)程全方位的數(shù)據(jù)采集，包括了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)，主要的采集內(nèi)容為農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)、土壤狀態(tài)數(shù)據(jù)和田間環(huán)境數(shù)據(jù)等。農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括了農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備組成結(jié)構(gòu)如牽引結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、耕作部件等的幾何數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)，也包括了農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備的材料數(shù)據(jù)、功能數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等；農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括了農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備運(yùn)作過(guò)程中的強(qiáng)度數(shù)據(jù)、受力變形情況、扭矩變化等。土壤的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括土壤顆粒含量組成等；土壤的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括土壤的溫濕度、土壤堅(jiān)實(shí)度、pH 值等。田間環(huán)境的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括田間作物分布、田間地形地貌等；田間環(huán)境的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括田間表層溫濕度、田間表層風(fēng)速等。數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集方式由現(xiàn)有地理環(huán)境等歷史數(shù)據(jù)、人員采集和傳感器實(shí)時(shí)采集三種方式組成，三種方式相互補(bǔ)充協(xié)作與完善。

數(shù)據(jù)傳輸模塊必須準(zhǔn)確及時(shí)的將采集的數(shù)據(jù)上傳至虛擬耕作系統(tǒng)和將虛擬耕作系統(tǒng)發(fā)出的控制指令反饋至農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備。土壤與環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過(guò)高精度農(nóng)業(yè)傳感器直接采集，但由于采集面積通常較廣，所以需采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)。此外，農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備需要在田間不斷移動(dòng)，故也需要采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)耕作地點(diǎn)一般都遠(yuǎn)離城市，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施不完善、分布不均勻，考慮到成本與環(huán)境要求，數(shù)據(jù)傳輸方案無(wú)法采用4G、5G等傳輸方案。而Zigbee 通信模塊具有成本低、丟包率低、拓展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)可以通過(guò)多跳的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[6]，可以構(gòu)建分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，符合農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控的需要，故本文將Zigbee 模塊作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊固定安裝于土壤、田間環(huán)境和農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備相應(yīng)的采集或控制節(jié)點(diǎn)上。每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊由電源模塊供能并連接一個(gè)Zigbee 無(wú)線通信模塊，該Zigbee 通信模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖庸?jié)點(diǎn)，此外在虛擬耕作系統(tǒng)端安裝一個(gè)Zigbee 通信模塊作為協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器可匯聚各個(gè)子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)耕作狀態(tài)數(shù)據(jù)或者向相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送虛擬耕作系統(tǒng)給出的控制指令。

3 虛擬耕作系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)耕作數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬耕作系統(tǒng)可與實(shí)際耕作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)映射與交互。實(shí)際耕作過(guò)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)指導(dǎo)虛擬耕作系統(tǒng)的構(gòu)建，虛擬耕作系統(tǒng)發(fā)出的指令反饋控制實(shí)際耕作過(guò)程。

虛擬耕作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從多維度、多時(shí)間尺度、多空間尺度對(duì)耕作機(jī)械裝備及田間環(huán)境等實(shí)體真實(shí)、細(xì)微的刻畫(huà)，刻畫(huà)的內(nèi)容包括幾何、仿真、規(guī)則等方面。對(duì)于幾何內(nèi)容，可以通過(guò)三維建模軟件對(duì)土壤、田間環(huán)境和農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作裝備的幾何信息進(jìn)行詳細(xì)的刻畫(huà)，按照結(jié)構(gòu)、功能和屬性分類(lèi)并編號(hào)，導(dǎo)入模型庫(kù)中。具體工作可以總結(jié)為通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備、土壤及田間環(huán)境的實(shí)地測(cè)繪和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)，繪制農(nóng)機(jī)耕作機(jī)械裝備和田間環(huán)境的CAD 圖紙，以此數(shù)據(jù)利用SolidWorks 繪制三維模型。土壤包括土壤顆粒模型、土壤類(lèi)型模型；田間環(huán)境包括地理位置模型、地形地貌模型等；農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備的三維模型包括拖拉機(jī)模型、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型以及耕作部件模型等。

根據(jù)相應(yīng)的農(nóng)藝要求和領(lǐng)域知識(shí)，在耕作開(kāi)始前，虛擬耕作系統(tǒng)利用相關(guān)算法規(guī)劃出合理的耕作流程。參照耕作流程，組合配置出需要的耕作機(jī)械三維模型，由LS-dyna構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的土壤切削仿真模型，實(shí)現(xiàn)在該耕作流程下耕作過(guò)程的仿真模擬。同時(shí)在該仿真模擬中可以獲得虛擬耕作過(guò)程中土壤破碎率、土壤粒子位移情況等土壤變化狀況和耕作部件的扭矩、受力等農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備的狀態(tài)，還包括耕作過(guò)程的功率消耗、耕作效率等情況。在實(shí)際耕作過(guò)程展開(kāi)前，將仿真分析結(jié)果轉(zhuǎn)化成控制指令，經(jīng)監(jiān)控模塊傳遞至對(duì)應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)，指導(dǎo)實(shí)際農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備的運(yùn)行，使實(shí)際耕作過(guò)程更加合理、效率更高、成本更低。此外，在耕作過(guò)程中，虛擬耕作系統(tǒng)可以綜合對(duì)比分析監(jiān)控模塊采集的實(shí)況耕作數(shù)據(jù)與仿真模型的模擬數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)耕作流程進(jìn)行驗(yàn)證，判斷耕作流程規(guī)劃是否合理，并全面挖掘耕作過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律，以此構(gòu)建更加真實(shí)的仿真模型，強(qiáng)化對(duì)后續(xù)耕作的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程仿真模型，見(jiàn)圖2。

圖2 農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程仿真模型Fig.2 The simulation model of agricultural farming process

4 可視化服務(wù)

可視化服務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛實(shí)結(jié)合的重要方式之一，基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)可以借助可視化服務(wù)全面立體的將實(shí)際耕作狀態(tài)信息總結(jié)匯聚并展示出來(lái)。可視化服務(wù)包括兩方面內(nèi)容，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及模型的可視化。

數(shù)據(jù)可視化要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、多角度和多層次的顯示。整個(gè)農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程的數(shù)據(jù)包括五個(gè)方面的數(shù)據(jù)：①原始數(shù)據(jù)，包括傳感器實(shí)時(shí)采集的土壤、田間環(huán)境、農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備狀況數(shù)據(jù)和仿真模擬過(guò)程采集的耕作數(shù)據(jù)如耕刀受力、土壤破碎情況等；②原始數(shù)據(jù)信息增值，反應(yīng)整個(gè)耕作過(guò)程的實(shí)況，展現(xiàn)出耕作過(guò)程變化趨勢(shì)；③預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出的耕作預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，包括最佳耕作策略、預(yù)警信息等；④歷史數(shù)據(jù)，包括了地理數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、農(nóng)機(jī)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等；⑤領(lǐng)域知識(shí)，領(lǐng)域知識(shí)是對(duì)整個(gè)耕作過(guò)程的規(guī)律匯集，包括農(nóng)藝要求、耕作規(guī)律等。所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示可以采用包括但不限于點(diǎn)云、多邊形、公式、文本、樹(shù)狀圖、圖譜和表格等方式[7]。

模型可視化要求實(shí)現(xiàn)耕作過(guò)程的高逼真度模擬，讓用戶(hù)有沉浸式的農(nóng)業(yè)耕作體驗(yàn)。整個(gè)模型可視化包括三個(gè)模塊：①幾何模型展示，將農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備、土壤及田間環(huán)境靜態(tài)的展示出來(lái)，包括農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械裝備細(xì)致的幾何結(jié)構(gòu)、零件裝配信息、田間的石塊、樹(shù)木等環(huán)境信息。②仿真模擬可視化，仿真模塊接入采集的實(shí)際耕作狀態(tài)信息，對(duì)耕作過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，可展示耕作過(guò)程的細(xì)微狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)耕作過(guò)程的預(yù)測(cè)。③農(nóng)機(jī)耕作過(guò)程動(dòng)態(tài)展示，將傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入unity3D 中，從宏觀角度實(shí)時(shí)展示耕作狀況，同時(shí)反饋整個(gè)農(nóng)場(chǎng)的耕作進(jìn)度。圖3 為智慧農(nóng)業(yè)耕作數(shù)字孿生監(jiān)控平臺(tái)。

圖3 智慧農(nóng)業(yè)耕作數(shù)字孿生監(jiān)控平臺(tái)Fig.3The simulation model of agricultural farming process

5 結(jié)論

本文搭建了基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)，從監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)和可視化服務(wù)三部分對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的劃分和系統(tǒng)的闡述，并進(jìn)行了相關(guān)模型搭建和程序的編寫(xiě)，測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高、魯棒性強(qiáng)、實(shí)用性高。