基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用＊

［徐棟梁 黃河清］

1 引言

2018 年7 月2 日農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布《農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)導(dǎo)則（2018—2030 年）》提出：“重點(diǎn)研發(fā)農(nóng)田環(huán)境智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能分析決策控制技術(shù)、天空地?cái)?shù)字農(nóng)業(yè)集成技術(shù)、數(shù)字化精準(zhǔn)化短期及中長期預(yù)警分析系統(tǒng)”，2019 年11 月重慶市政府發(fā)布了《重慶市智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案（試行）》指出：“建設(shè)一體化智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)體系。綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)和設(shè)施設(shè)備，對(duì)農(nóng)業(yè)資源要素、生產(chǎn)過程及生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行感知、診斷、決策，開展作物長勢(shì)及生長環(huán)境持續(xù)監(jiān)測(cè)、重大動(dòng)植物疫情防控、災(zāi)害預(yù)警、農(nóng)情信息動(dòng)態(tài)等服務(wù)”。這一系列文件充分體現(xiàn)國家和地方政府對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控模式及其技術(shù)的強(qiáng)烈需求。

本文以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)為載體，設(shè)計(jì)了以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)、虛實(shí)融合的集農(nóng)業(yè)種植、管理與控制為一體的監(jiān)控平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)感知、控制等設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控和相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、高可靠性采集與反饋，對(duì)于提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息化管理具有重要意義。

2 智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)面臨的問題

智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是一個(gè)國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化的標(biāo)志之一，世界各國都十分注重對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的研究與應(yīng)用。我國是農(nóng)業(yè)大國，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式目前仍然是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要方式。農(nóng)業(yè)信息化是國家信息化重要推動(dòng)力，然而粗放式的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的要求，如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的智能化培育和精細(xì)化控制是智慧農(nóng)業(yè)當(dāng)前面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。目前智慧農(nóng)業(yè)在發(fā)展過程中主要面臨以下幾個(gè)問題：

一是設(shè)施設(shè)備簡陋，無法采集全局實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。目前智慧農(nóng)業(yè)主要是以溫室大棚為代表，數(shù)據(jù)采集設(shè)施基本上就是溫度傳感器和濕度傳感器，設(shè)備普遍簡陋。而對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)要素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（土壤、空氣、溫濕度、光照、產(chǎn)量、生長情況、作物健康狀態(tài)等）無法及時(shí)采集，導(dǎo)致無法針對(duì)具體情況進(jìn)行會(huì)商分析，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)。

二是服務(wù)形式單一，缺乏全局性把控與決策。現(xiàn)有智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)上大部分還缺少多參數(shù)傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用，以及大數(shù)據(jù)智能決策分析技術(shù)的應(yīng)用，只能提供簡單的灌溉、人工施肥等服務(wù)，而對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可視化頁面顯示環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、監(jiān)控畫面、控制參數(shù)等服務(wù)需求無法滿足，更無法依據(jù)作物的生長變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)智能化培育和精細(xì)化自動(dòng)控制。

三是可視化程度低，缺乏虛實(shí)映射可視化監(jiān)管平臺(tái)。當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)集成度較低，缺乏可視化的監(jiān)管平臺(tái)，大多數(shù)農(nóng)民知識(shí)文化水平有限，當(dāng)前的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)不易上手，不能針對(duì)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的做出判斷，尤其在執(zhí)行遠(yuǎn)端操作時(shí)容易出現(xiàn)信息流斷鏈、操作偏差等尷尬局面，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接。

針對(duì)上述問題，本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)為支撐，以高精度傳感器等組建智能感知系統(tǒng)，以5G 高速網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)組建超可靠傳輸系統(tǒng)，以數(shù)字虛擬仿真、智能決策、3D 虛擬場(chǎng)景等技術(shù)組建數(shù)字孿生與智能控制系統(tǒng)，三個(gè)子系統(tǒng)能有效階級(jí)當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)所面臨的突出問題，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智慧化、數(shù)字化、智能化快速轉(zhuǎn)型提供重要支撐。

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要是將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物以及各物理實(shí)體在真實(shí)場(chǎng)景中的全生命周期通過傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)反映在虛擬的數(shù)字世界里，通過集成多維物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，輔以數(shù)據(jù)分析和仿真模擬，近乎實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物理實(shí)體的實(shí)際情況。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能不同，主要包含3 個(gè)部分，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 智能感知系統(tǒng)（數(shù)據(jù)保障層）

智能感知系統(tǒng)與系統(tǒng)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)保障層相對(duì)應(yīng)，智能感知系統(tǒng)是整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，支撐著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，并為智能決策提供依據(jù)。主要是由溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器、高清攝像機(jī)以及高保真模型等所組成，主要功能是通過溫濕度、光照、攝像機(jī)等各種高精度傳感器立體感知系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物理場(chǎng)景的各要素進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)、監(jiān)控和反饋，實(shí)現(xiàn)全局性與實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)采集。

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)過程會(huì)受到光照、空氣、病蟲害、土壤墑情、氣候因素等條件的影響，將不同類型的高精度傳感器采用分布式方式組建成智能感知系統(tǒng)，一方面可以確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全域感知，解決了傳統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)因設(shè)備簡陋而無法采集全局實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的弊端；另一方面，由于數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)源于多種不同類型傳感器，具備多源性、異構(gòu)性、多尺度、高噪聲的特點(diǎn)，為確保感知數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，在數(shù)據(jù)保障層還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、識(shí)別、清洗、存儲(chǔ)、計(jì)算和分析，然后再進(jìn)行傳輸。因此經(jīng)數(shù)據(jù)保障層上傳的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，更能反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中物理實(shí)體的實(shí)時(shí)特性，數(shù)據(jù)更具適用性。

3.2 超可靠傳輸系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)傳輸層）

超可靠傳輸系統(tǒng)與系統(tǒng)架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸層相對(duì)應(yīng)，超可靠傳輸系統(tǒng)是連接智能感知系統(tǒng)和數(shù)字孿生與控制系統(tǒng)的橋梁，整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。信息傳輸和處理的時(shí)延也需具有較高的要求，外界環(huán)境對(duì)傳感器精度的影響、數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失等使得獲取的數(shù)據(jù)存在一定的誤差。因此，超可靠傳輸系統(tǒng)主要是由包括5G 高速網(wǎng)絡(luò)、光纖接入網(wǎng)等接收信息和匯聚數(shù)據(jù)，以及人工智能算法等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和處理，并根據(jù)不同功能和不同分任務(wù)采用多路徑路由算法等進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸和準(zhǔn)確分發(fā)，通過Socket、RPC、MQSeries 等軟件接口實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體與服務(wù)的雙向通訊，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)映射，完成直接的指令傳遞、數(shù)據(jù)收發(fā)、消息同步，通過控制過程實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的操作。

超可靠傳輸系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)讀取融合數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、生命周期數(shù)據(jù)等驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)仿真，具備自主訪問、計(jì)算、分析和交換農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景過程及服務(wù)信息，為不同生產(chǎn)場(chǎng)景提供多接口、多協(xié)議、多選擇的智能網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和高可靠性的要求，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景各要素的實(shí)時(shí)互聯(lián)互通，能夠滿足多樣化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控服務(wù)，能有效解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的服務(wù)形式單一等問題。

3.3 數(shù)字孿生與智能控制系統(tǒng)（孿生功能層）

數(shù)字孿生與智能控制系統(tǒng)與系統(tǒng)架構(gòu)中的孿生功能層相對(duì)應(yīng)，主要是向?qū)嶋H的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、監(jiān)控、使用和維護(hù)需求等提供相應(yīng)的功能，包括3D 場(chǎng)景、虛擬體驗(yàn)、觸摸感知、指令下達(dá)、智能決策、智能控制、虛實(shí)映射等。數(shù)字孿生與智能控制系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在用戶操作層面有很大不同，孿生功能層可以給使用者提供一個(gè)人機(jī)交互的良好使用環(huán)境，服務(wù)形式更多樣化，界面操作簡單，使用者能夠獲得身臨其境般的技術(shù)體驗(yàn)，能夠迅速了解和掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜特性和功能。同時(shí)孿生功能層集合了包含圖像識(shí)別、語音識(shí)別等人工智能技術(shù)，可以快速方便的通過語音和肢體動(dòng)作訪問數(shù)字孿生體功能層提供的信息，獲得分析和決策方面的信息支持。

數(shù)字孿生與智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程精細(xì)化和智能化控制，采用的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型融合協(xié)同控制技術(shù)是其關(guān)鍵原因。數(shù)字孿生功能層采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式利用系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)理模型進(jìn)行更新、修正、連接和補(bǔ)充，融合系統(tǒng)機(jī)理和運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。數(shù)字孿生智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合與協(xié)同控制系統(tǒng)采用具有特定結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)施、工程、算法和管理技術(shù)，相比于傳統(tǒng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)其智能化程度更高，可以為種植業(yè)提供相對(duì)可控制甚至最適宜的溫度、濕度、光照、水、肥和氣等環(huán)境條件，在一定程度上擺脫對(duì)自然環(huán)境的依賴而進(jìn)行有效生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)。

4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物理實(shí)體與虛擬孿生交互與協(xié)同機(jī)制

智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中用于監(jiān)測(cè)和控制的物理實(shí)體與三維模型的虛擬孿生之間的數(shù)據(jù)和信息交互，是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合、以虛控實(shí)的關(guān)鍵。虛擬孿生是用來模擬、診斷、和預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)實(shí)體在現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境的自身狀態(tài)、環(huán)境影響和最終結(jié)果，通過物理實(shí)體與虛擬孿生之間不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互進(jìn)而完善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，并在虛擬實(shí)體中進(jìn)行模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制農(nóng)業(yè)實(shí)體在物理世界中的狀態(tài)。本文針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物理實(shí)體的相關(guān)特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字孿生智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物理實(shí)體與虛擬孿生交互與協(xié)同機(jī)制，如圖2 所示。

圖2 智慧農(nóng)業(yè)物理實(shí)體與虛擬孿生交互與協(xié)同機(jī)制

智慧農(nóng)業(yè)物理實(shí)體與虛擬孿生交互與協(xié)同機(jī)制包括物理—物理、虛擬—虛擬、物理—虛擬等形式，涵蓋人、機(jī)、物、環(huán)境等多種要素。物理—物理交互與協(xié)同可以使不同類型的高精度傳感器、高清攝影機(jī)等物理設(shè)備間相互通信、協(xié)調(diào)與協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全局信息，采局信息的采集與融合可以完成單設(shè)備無法完成的任務(wù)；虛擬—虛擬交互與協(xié)同可以連接多個(gè)虛擬模型，形成信息共享網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建成全域化智能環(huán)境，可以提供實(shí)時(shí)的雙向數(shù)據(jù)傳遞，為智能決策提供可實(shí)施的基礎(chǔ)；物理—虛擬交互與協(xié)同使虛擬模型與物理對(duì)象同步變化，并使物理對(duì)象可以根據(jù)虛擬模型的直接命令動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在智慧農(nóng)業(yè)物理實(shí)體與虛擬孿生交互與協(xié)同機(jī)制中，高保真數(shù)字孿生模型是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全局智能感知設(shè)施設(shè)備、2D 圖紙、3D 場(chǎng)景、實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)、各告警事件等為基礎(chǔ)，形成以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)、虛實(shí)映射的全域全要素?cái)?shù)據(jù)資源，為系統(tǒng)的智能協(xié)同、仿真優(yōu)化提供了人工智能體系所需的數(shù)據(jù)支撐。分布式網(wǎng)絡(luò)、多路徑路由傳輸構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為信息中樞，其高可靠性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)之間不斷地融合交互，并持續(xù)不斷地更新孿生數(shù)據(jù)，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控實(shí)體和數(shù)字世界進(jìn)行迭代交互優(yōu)化的重要通道。以智能控制器以及系統(tǒng)高保真模型等通過軟件接口為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控信息集成展示提供了可視化載體，全面集成并融合了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)物理資源、數(shù)據(jù)流、監(jiān)控、管理、維護(hù)、服務(wù)等相關(guān)業(yè)務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，確保智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)全域感知、虛實(shí)融合、以虛控實(shí)和精準(zhǔn)控制。

5 總結(jié)

智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字孿生化設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字場(chǎng)景映射，遠(yuǎn)端數(shù)字場(chǎng)景農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控畫面、控制參數(shù)、農(nóng)作物生命周期中多源動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化等；在數(shù)字場(chǎng)景通過虛實(shí)交互接口對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程精細(xì)控制；實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字場(chǎng)景雙向映射，自動(dòng)調(diào)度優(yōu)化方案與仿真，及時(shí)評(píng)估生產(chǎn)策略，幫助農(nóng)民做出更好的決策，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)。開展智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字孿生化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究對(duì)于推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營與管理朝精細(xì)化、智能化、數(shù)字化、可視化等方向發(fā)展具有重要研究價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。