數(shù)字孿生技術(shù)賦能農(nóng)業(yè)智慧發(fā)展

王 維，趙鵬飛，韓 沫，劉 海，劉行易

（北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心，北京 100097）

20世紀(jì)中葉以來，微電子、自動化、計算機、通訊、網(wǎng)絡(luò)、信息、人工智能等高新技術(shù)迅猛發(fā)展，在此背景下，數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)運而生。數(shù)字化制造技術(shù)是將信息技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造和管理等產(chǎn)品全生命周期中，以達(dá)到提高產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量、降低研發(fā)成本、實現(xiàn)快速響應(yīng)市場目的所涉及的一系列活動的總稱。數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了單項技術(shù)和局部系統(tǒng)的應(yīng)用階段、企業(yè)級集成應(yīng)用階段、企業(yè)間的集成應(yīng)用階段以及第四代數(shù)字化制造技術(shù)4個主要階段。在第4階段，智能制造的概念得到了廣泛重視和快速發(fā)展，德國提出“工業(yè)4.0”，通過信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)快速、有效、個性化的產(chǎn)品供應(yīng)。我國在《中國制造2025》中明確提出智能制造是新一輪科技革命的核心，是未來10年實施制造強國戰(zhàn)略的行動綱領(lǐng)。傳統(tǒng)數(shù)字化制造技術(shù)強調(diào)全生命周期的數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，而智能制造技術(shù)則是多種技術(shù)的融合。在上述背景下，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

數(shù)字孿生技術(shù)的概念及產(chǎn)生背景

數(shù)字孿生技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)的子集，它代表了一種虛擬仿真技術(shù)，通過建立數(shù)字模型和傳感器來捕獲產(chǎn)品的實時數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品的實時監(jiān)控和優(yōu)化。

“數(shù)字孿生”概念在制造領(lǐng)域的應(yīng)用，最早可以追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目[1]。在該項目中，NASA需要制造2個完全相同的空間飛行器，留在地球上的飛行器稱為孿生體，用于反映或鏡像正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)和狀況。在訓(xùn)練期間，孿生體被廣泛應(yīng)用于模擬試驗；在任務(wù)執(zhí)行期間，使用地球上的孿生體進(jìn)行仿真試驗，盡可能精確地反映和預(yù)測正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)，從而輔助太空軌道上的航天員在緊急情況下做出最正確的決策。從這一點來看，孿生體實際上是通過仿真，實時反映真實運行情況的樣機或模型。它具有2個顯著特點：一是孿生體與所要反映的對象在外表（通常為對象的幾何形狀和尺寸）、內(nèi)容（通常為對象的結(jié)構(gòu)組成及其宏觀微觀物理特性）和性質(zhì)（通常為對象的功能和性能）上基本相同；二是允許通過仿真等方式來鏡像或反映真實的運行情況。需要指出的是，此時的孿生體還是實物。直到2002年前后，Michael Graves教授[2]在密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）課程上提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念，并給出定義：一個或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達(dá)真實裝置并可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實條件或模擬條件下的測試。雖然這個概念在當(dāng)時并沒有稱為數(shù)字孿生，但其概念模型卻具備數(shù)字孿生的所有組成要素，即物理空間、虛擬空間以及兩者之間的關(guān)聯(lián)或接口，因此可以被認(rèn)為數(shù)字孿生的雛形。最終在2011年，Michael Graves教授[3]在《幾乎完美：通過PLM驅(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》一書中引用了其合作者John Vickers描述該概念模型的名詞--數(shù)字孿生，并一直沿用至今。

數(shù)字孿生是一種多學(xué)科交叉的復(fù)雜技術(shù)，涉及的學(xué)科范圍廣泛。自其概念提出以來，學(xué)術(shù)界根據(jù)不同研究領(lǐng)域的特點，從多個角度對數(shù)字孿生的定義進(jìn)行了闡述。在2011年，美國空軍實驗室和NASA提出，數(shù)字孿生是一種高集成度的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢[4]。2017年，Michael Grieves和莊存波等人分別提出了數(shù)字孿生的不同定義。Michael Grieves等[3]認(rèn)為數(shù)字孿生是從微觀原子級到宏觀幾何級全面描述潛在生產(chǎn)或?qū)嶋H制造產(chǎn)品的虛擬信息結(jié)構(gòu)。構(gòu)建數(shù)字孿生的最佳結(jié)果是，任何可以通過檢測實際制造產(chǎn)品所獲得的信息，都可以從它的數(shù)字孿生中獲得。莊存波等[5]則提出產(chǎn)品數(shù)字孿生體是指物理實體的工作狀態(tài)和工作進(jìn)展在信息空間的全要素重建及數(shù)字化映射，是一個集成多物理、多尺度、超寫實、動態(tài)概率的仿真模型，可用來模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測、控制產(chǎn)品物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的生產(chǎn)過程、狀態(tài)和行為。2018年，陶飛等人和Hagg等人也對數(shù)字孿生的定義進(jìn)行了擴展。陶飛等[6]認(rèn)為數(shù)字孿生是PLM的一個組成部分，利用產(chǎn)品生命周期中的物理數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行實時映射。Haag等[7]則提出數(shù)字孿生是單個產(chǎn)品的全面數(shù)字化表示，是通過模型和數(shù)據(jù)（包括實際生命對象的屬性、條件以及行為），模擬它在現(xiàn)實環(huán)境中實際行為的模型。此外，2019年，崔一輝等[8]將數(shù)字孿生的概念進(jìn)一步深化，認(rèn)為數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備全生命周期過程的技術(shù)。而到了2020年，李浩等[9]則從實體裝備全生命周期的角度提出了數(shù)字孿生的新定義，他們認(rèn)為數(shù)字孿生是通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力的技術(shù)。

通過對上述定義分析可知，數(shù)字孿生是一種在信息化平臺上建立物理實體虛擬數(shù)字模型的技術(shù)，通過集成多尺度、多學(xué)科、多物理量的方法并充分利用傳感器、物理模型、運行歷史等數(shù)據(jù)進(jìn)行的全過程仿真，真實再現(xiàn)物理實體的全生命周期運行狀態(tài)并兼具擴展功能[10]。數(shù)字孿生不僅在航空航天、產(chǎn)品設(shè)計、工程建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮著連接數(shù)字世界和物理世界的橋梁和紐帶作用，同時也是物聯(lián)網(wǎng)中的一個重要概念[11]。它借助于人工智能、機器學(xué)習(xí)和軟件分析，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，隨著物理實體的變化而自動做出相應(yīng)的改變。數(shù)字孿生被廣泛應(yīng)用于智能制造、智慧建造等新興研究領(lǐng)域，以期通過產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決實際問題。在2020年中國工程院發(fā)布的《中國制造2025》中，數(shù)字孿生被列為賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，簡稱CPS）的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度關(guān)注[12-16]。

數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構(gòu)建了與物理世界一致的高保真模型，通過與物理世界中不間斷的閉環(huán)信息交互反饋與數(shù)據(jù)融合，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監(jiān)控物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況，評估物理世界的狀態(tài)，診斷發(fā)生的問題，預(yù)測未來趨勢，優(yōu)化和改變物理世界。數(shù)字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動的仿真、預(yù)測、監(jiān)控、優(yōu)化和控制，實現(xiàn)服務(wù)的持續(xù)創(chuàng)新、需求的即時響應(yīng)和產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化[17]。

數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)包括建模、渲染、仿真、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬調(diào)試、可視化等，實現(xiàn)數(shù)字孿生需基于建模仿真技術(shù)、虛擬制造技術(shù)和數(shù)字樣機技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)方法，收集真實世界中大量的數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生將物理世界的實體在數(shù)字世界中構(gòu)建出“分身”，能夠與在現(xiàn)實中的物理實體保持實時的交互聯(lián)接。借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型、機器學(xué)習(xí)等，實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和推理，以輔助決策。

◎建模仿真技術(shù)

建模與仿真技術(shù)是將實際物理過程通過計算機軟件模擬，生成一個可以展示實際物理過程行為的虛擬環(huán)境，對實際物理過程進(jìn)行模擬、優(yōu)化、預(yù)測和控制的一種技術(shù)。建模仿真技術(shù)可應(yīng)用在園藝領(lǐng)域的各種場景，園藝技術(shù)虛擬仿真是利用計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬和模仿園藝技術(shù)相關(guān)活動的手段。通過虛擬仿真，可以在計算機生成的虛擬環(huán)境中模擬園藝領(lǐng)域的各種場景，包括植物的生長過程、土壤管理、病蟲害防治、景觀設(shè)計等方面。使用者通過虛擬仿真，可以體驗和練習(xí)在實際園藝工作中所需的各種技能，同時避免了對實際生產(chǎn)資源的浪費和對環(huán)境的影響。

◎虛擬制造技術(shù)

虛擬制造是一個集成的、綜合的制造環(huán)境，通過運行該環(huán)境可以改善制造企業(yè)中各個層次的決策和控制，按統(tǒng)一模型對設(shè)計和制造等過程進(jìn)行集成，將產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成為一個三維、動態(tài)并且是仿真過程的實體數(shù)字模型?；谔摂M制造技術(shù)實現(xiàn)的制造系統(tǒng)稱為虛擬制造系統(tǒng)[18]。虛擬制造系統(tǒng)（Visual Management System，VMS）生產(chǎn)的產(chǎn)品是可視的數(shù)字化虛擬產(chǎn)品，但它具有真實產(chǎn)品所反映的特征，包含動態(tài)結(jié)構(gòu)及決策、控制、調(diào)度、管理等4個機制。虛擬制造作為新出現(xiàn)的技術(shù)，它能夠在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的各個階段把握產(chǎn)品制造過程的實況，找出各個階段可能出現(xiàn)的問題，有效地協(xié)調(diào)設(shè)計與制造環(huán)節(jié)的關(guān)系，以尋求企業(yè)效益的最大化[19]。

◎數(shù)字樣機技術(shù)

數(shù)字樣機（Digital mock-up，DMU）技術(shù)興起于20世紀(jì)90年代。數(shù)字樣機技術(shù)是以CAD/CAE/DFx技術(shù)為基礎(chǔ)，以機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心，融合計算機圖形技術(shù)、仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將多學(xué)科的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和分析過程集中到一起，使產(chǎn)品的設(shè)計者、制造者和使用者在產(chǎn)品設(shè)計研制的早期就可以直觀形象地對產(chǎn)品數(shù)字原型進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了全新的數(shù)字化設(shè)計方法[20]。

數(shù)字孿生應(yīng)用價值

數(shù)字化技術(shù)的變革，推動了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，并且為數(shù)字孿生中模型展示、人機交互提供了新的手段，主要體現(xiàn)在支持高效科學(xué)的診斷、預(yù)測和決策，提高效率，提升各方協(xié)同性等方面。

◎航天預(yù)測模擬

作為科技最前沿的應(yīng)用領(lǐng)域，航空航天針對數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以說起源最早。1969年美國的阿波羅項目中，NASA通過制造2個完全相同的航天器，形成“物理孿生”，這是最早期數(shù)字孿生技術(shù)的雛形。隨著技術(shù)的迭代發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天產(chǎn)品研發(fā)、故障檢測、系統(tǒng)管控等方面都有著廣泛的應(yīng)用[21]。

◎數(shù)字孿生工廠

數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)資源調(diào)配、智能化生產(chǎn)，顯著提高生產(chǎn)效率。數(shù)字孿生工廠，意味著把實體的工廠搬到虛擬空間，可以實時獲取工廠中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對工廠的實時監(jiān)控；同時也可以模擬生產(chǎn)過程，優(yōu)化生產(chǎn)流程；還可以通過數(shù)據(jù)分析支持智能決策和預(yù)測分析。

◎智慧農(nóng)業(yè)管控

數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)管理方面具有廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)上，利用數(shù)字孿生技術(shù)收集設(shè)施溫室內(nèi)的實時溫度、濕度等數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇、燈光等設(shè)備，保證溫室內(nèi)農(nóng)作物的良好發(fā)育環(huán)境，幫助管理者更加方便、高效地對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

◎智慧交通模擬

數(shù)字孿生技術(shù)將實時采集的交通數(shù)據(jù)納入到所建立的交通模型體系中，通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能AI和交通仿真技術(shù)，實現(xiàn)真實路面交通和虛擬環(huán)境的深度融合，比如可以進(jìn)行車流變化模擬推演，模擬交通信號燈變化，進(jìn)而更好地規(guī)劃交通路線，為管理部門優(yōu)化交通管理調(diào)度提供技術(shù)支持。

◎智慧城市

利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬網(wǎng)絡(luò)空間構(gòu)建一個與物理世界相對應(yīng)的孿生城市，通過數(shù)據(jù)全域標(biāo)識、狀態(tài)精準(zhǔn)感知、數(shù)據(jù)實時分析等，來實現(xiàn)城市的模擬、監(jiān)控以及控制，解決城市規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、管理、服務(wù)過程中的諸多問題[22]。

目前，數(shù)字孿生被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)等各大行業(yè)領(lǐng)域，作為虛擬仿真的重要領(lǐng)域，數(shù)字孿生正以其強大的能力在各個行業(yè)中創(chuàng)造前所未有的創(chuàng)新與拓展。

數(shù)字孿生在農(nóng)業(yè)中的典型應(yīng)用案例

國內(nèi)應(yīng)用案例

◎數(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺

數(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室設(shè)施場景內(nèi)外部構(gòu)造、溫室內(nèi)常見物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備、溫室作物以及相關(guān)栽培相關(guān)器械進(jìn)行高精度的三維建模，進(jìn)行實時監(jiān)測、控制和可視化組態(tài)建模，構(gòu)建虛擬溫室場景。在虛擬溫室中，接入實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于HTC Vive雙目視覺設(shè)備，實現(xiàn)用戶與虛擬世界的交互體驗，對現(xiàn)實中的蔬菜溫室場景同步仿真運行、虛實交互，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺是以三維場景為依托、生產(chǎn)數(shù)據(jù)為核心、生產(chǎn)業(yè)務(wù)為紐帶，為農(nóng)業(yè)打造數(shù)字孿生空間，賦能農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、高效管理和智慧運營?；跀?shù)字孿生的蔬菜智慧種植系統(tǒng)，實時監(jiān)測作物生長數(shù)據(jù)，間接地提高了單位時間的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了精確控制溫室環(huán)境、遠(yuǎn)程智能控制溫室內(nèi)設(shè)備，并對作物生長過程進(jìn)行分析預(yù)測，發(fā)掘農(nóng)作物生長過程的需求規(guī)律，沉浸式地展現(xiàn)作物生長過程的實時狀態(tài)。實時仿真展示設(shè)備的真實實時運行，既實現(xiàn)了孿生世界與物理世界的統(tǒng)一，又實現(xiàn)了人、機、物的互聯(lián)互通。

目前，該平臺技術(shù)已經(jīng)成功在多地進(jìn)行應(yīng)用，例如北京市農(nóng)林科學(xué)院的溫室數(shù)字孿生種植系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)清晰地展示了人機互聯(lián)情況，在北京市農(nóng)林科學(xué)院通州區(qū)展示基地（通州國際種業(yè)園區(qū)）進(jìn)行了實際應(yīng)用。

圖2 通州國際種業(yè)園區(qū)虛擬溫室場景控制

◎數(shù)字孿生蔬菜新品種交互系統(tǒng)

數(shù)字孿生蔬菜新品種交互系統(tǒng)圍繞蔬菜生長發(fā)育過程中蔬菜本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)、新品種的優(yōu)勢、種植過程的科技運用，采用數(shù)字孿生技術(shù)，通過外部硬件設(shè)備連接，精準(zhǔn)控制蔬菜整個生育期的模型生長。

通過不同生育期的交互界面，可以了解蔬菜某一生育期的特征特性及此期應(yīng)用的技術(shù)措施、品質(zhì)信息等。通過新穎的交互手段，可全面展示農(nóng)業(yè)園區(qū)種植技術(shù)水平以及新品種的優(yōu)良品質(zhì)，為提升蔬菜溢價能力、青少年蔬菜種植技術(shù)科普、受眾了解蔬菜產(chǎn)品品質(zhì)等提供了重要的技術(shù)手段。

該系統(tǒng)主要使用了3種關(guān)鍵技術(shù)：通過使用計算機增強現(xiàn)實技術(shù)，對真實環(huán)境進(jìn)行三維空間重構(gòu)和注冊系統(tǒng)配準(zhǔn)（用戶觀察點和計算機生成的虛擬物體精確匹配定位）；使用電子電路控制技術(shù)，對蔬菜品種與生產(chǎn)期形態(tài)生長動畫進(jìn)行精準(zhǔn)控制；使用計算機圖形圖像技術(shù)，真實還原作物各個生長期的外觀與生長過程的精確展示，搭建蔬菜品種增強現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶定制和選擇所需內(nèi)容，配合使用硬件控制設(shè)備，即可在電子顯示設(shè)備上觀看虛擬物體與真實場景合成的虛擬現(xiàn)實效果。

該系統(tǒng)使用的增強現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合了電子電路技術(shù)，對虛擬蔬菜品種生長進(jìn)行精準(zhǔn)控制的展覽展示，在互動展覽展示行業(yè)屬于創(chuàng)新型展覽展示手段，不僅解決了傳統(tǒng)的增強現(xiàn)實互動展品展示手段單一、對環(huán)境光線要求苛刻、檢測結(jié)果不穩(wěn)定等問題，其精準(zhǔn)控制虛擬作物生長的功能，還能顯著提升展品的科普性和科學(xué)性。在農(nóng)業(yè)作物品種推廣、農(nóng)業(yè)園區(qū)展示展覽宣傳等方面，獲得了普遍的認(rèn)可和好評。

◎數(shù)字孿生蔬菜基地數(shù)據(jù)管控平臺

數(shù)字孿生蔬菜基地數(shù)據(jù)管控平臺以經(jīng)過保密處理的農(nóng)業(yè)區(qū)域三維虛擬仿真和實景數(shù)據(jù)為支撐，開發(fā)三維綜合展示系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)區(qū)的三維地圖顯示、瀏覽、查詢功能，并能提供基于三維電子地圖的地圖書簽服務(wù)、查詢服務(wù)、地圖標(biāo)記服務(wù)。

該平臺設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，通過配置參數(shù)對傳入的遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，最后解析數(shù)據(jù)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源，再通過基礎(chǔ)框架中的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)展示模塊進(jìn)行聯(lián)接和展示。系統(tǒng)提供更加專業(yè)、優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用、推廣、展示與互動的窗口平臺，與地圖服務(wù)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、相關(guān)企業(yè)信息數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，通過對各關(guān)鍵數(shù)據(jù)的調(diào)用、解析、處理，應(yīng)用虛擬地球技術(shù)和三維可視化技術(shù)，可以快速、直觀、立體地將目標(biāo)需求進(jìn)行動態(tài)展示，如圖3所示。該平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，可提升農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)智能化程度，使用戶足不出戶地進(jìn)行農(nóng)業(yè)管理的相關(guān)工作，并提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。

圖3 數(shù)字孿生蔬菜基地數(shù)據(jù)管控平臺效果

該平臺被廣泛應(yīng)用于全國各地，尤其以國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園應(yīng)用為主。在山東省蘭陵縣蔬菜國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，結(jié)合電子沙盤，平臺對蔬菜基地的數(shù)據(jù)、農(nóng)事操作進(jìn)行管控和展示。在山西省運城市臨猗縣蘋果種植基地，平臺展示了數(shù)字孿生在果園的應(yīng)用場景，提升了果園的信息化水平。

數(shù)字孿生在國外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在西方國家的農(nóng)場管理中已得到廣泛應(yīng)用。如圖4所示，通過將數(shù)字孿生技術(shù)作為核心技術(shù)，打破了地點、時間和人類觀察的限制，使得農(nóng)業(yè)作業(yè)不再受物理距離的束縛，從而可以遠(yuǎn)程監(jiān)控、控制和協(xié)調(diào)農(nóng)場作業(yè)。此外，利用數(shù)字孿生技術(shù)，農(nóng)場經(jīng)營者不僅可以查看農(nóng)場當(dāng)前的實際運營狀態(tài)，還可以重現(xiàn)歷史狀態(tài)，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)模擬未來狀態(tài)。這使得農(nóng)場管理者能夠在出現(xiàn)預(yù)期偏差時立即采取行動，降低損失風(fēng)險。以歐洲的SmartAgriFood項目和Fractals項目為例，它們依托數(shù)字孿生技術(shù)，應(yīng)用于牧場奶牛健康狀況檢測、果園病蟲害防治、農(nóng)場庫存與補給優(yōu)化管理、魚菜共生管理、農(nóng)業(yè)機械及田間作業(yè)管理以及智慧蜂場管理等方面，推動了農(nóng)業(yè)的高效發(fā)展[23]。

圖4 數(shù)字孿生在農(nóng)場管理中的應(yīng)用

◎數(shù)字孿生魚菜共生管理

Tan等[24]基于數(shù)字孿生技術(shù)提出構(gòu)建一套魚菜共生生產(chǎn)管控平臺。該平臺通過精密的監(jiān)測和自動控制裝置，以實現(xiàn)裝置中魚類資源和植物資源的最佳平衡。通過各種傳感器設(shè)備，該平臺能夠獲取包括溫度、光強度、水流、pH值和溶解鹽在內(nèi)的各項感測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過平臺數(shù)據(jù)層的處理后，將實時傳遞給系統(tǒng)內(nèi)部的虛擬單元。虛擬單元則通過精密模擬，對魚飼料、魚增重、pH值、硝酸鹽和植物生長等要素進(jìn)行預(yù)測，以尋求整個系統(tǒng)行為的最佳優(yōu)化?；谶@一平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)魚菜產(chǎn)量最大化、廢物最小化、水資源節(jié)約化、高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化以及其他多元化的生產(chǎn)目標(biāo)。

◎數(shù)字孿生果園管理

Moghadam等[25]開發(fā)了一套創(chuàng)新的果園管理數(shù)字孿生系統(tǒng)AgScan3D+。AgScan3D+由旋轉(zhuǎn)的3D LiDAR和攝像頭組成，可改裝到農(nóng)用車輛上，用以監(jiān)控每株植物的狀況。該系統(tǒng)為果園中的每棵果樹以及果樹周圍環(huán)境創(chuàng)建數(shù)字孿生對象。這些相機通過捕捉植物的健康狀況、結(jié)構(gòu)和果實質(zhì)量等指標(biāo)，以3D方式監(jiān)控每株植物的狀況。該系統(tǒng)能夠持續(xù)監(jiān)控果園生產(chǎn)系統(tǒng)，預(yù)測果園壓力、疾病和作物損失。此外，它可以根據(jù)環(huán)境和管理參數(shù)自動分析和模擬不同的場景。這一創(chuàng)新技術(shù)有助于更好地管理果園生產(chǎn)，提高果實質(zhì)量和產(chǎn)量。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在澳大利亞的芒果園、夏威夷果園、鱷梨園和葡萄園進(jìn)行了試驗，共計創(chuàng)建了1.5萬棵果樹的數(shù)字孿生體。

◎數(shù)字孿生牧場管理

Smith[26]將數(shù)字孿生技術(shù)引入了牧場的數(shù)字化管理過程，建立了牧場的數(shù)字孿生模型。一方面從牧場業(yè)務(wù)管理角度入手，對牧場日常管理流程、人員角色分工、牧場供應(yīng)鏈等進(jìn)行數(shù)字孿生管理，通過改進(jìn)檢測和測量內(nèi)容來提高牧場管理能力和執(zhí)行效率。另一方面，從牧場牛群數(shù)字化角度入手，綜合管控牛群數(shù)據(jù)。基于牛群數(shù)字孿生體的歷史和實時數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制和疾病發(fā)生趨勢預(yù)測。通過全面的數(shù)據(jù)收集，對牧場數(shù)字孿生體模型進(jìn)行修正，提高其預(yù)測的精準(zhǔn)度，為牧場數(shù)字化管理提出最優(yōu)化的決策方案。在實際應(yīng)用中，使用該牧場數(shù)字孿生系統(tǒng)實時獲取牧場中奶牛實體的所有數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)給出每一個奶牛實體的最佳響應(yīng)策略。通過系統(tǒng)推薦的智能化的管理措施，可以準(zhǔn)確預(yù)測牧場中奶牛發(fā)情周期，并降低奶牛罹患乳腺疾病的概率。

◎數(shù)字孿生智慧蜂場管理

氣候變化會對整個生態(tài)系統(tǒng)造成較大的影響，對于養(yǎng)蜂業(yè)來說其影響更甚。溫度升高和極端降雨使得花蜜產(chǎn)出的時間不穩(wěn)定，自然資源也變得稀缺。專業(yè)養(yǎng)蜂人的數(shù)量和蜂蜜的產(chǎn)量都在下降。為了維持蜂蜜的產(chǎn)量，大多數(shù)養(yǎng)蜂人士實行遷徙養(yǎng)蜂的方式，這也需要付出較大代價。為了解決這些問題，BEEZON創(chuàng)建了蜂群的數(shù)字孿生體，提供了一個實時連續(xù)的蜂場數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可幫助養(yǎng)蜂人遠(yuǎn)程控制其養(yǎng)蜂場并做出正確的管理決策，盡可能減少對蜂群的不合理干擾。該系統(tǒng)基于GPS跟蹤系統(tǒng)和來自各種傳感器的實時數(shù)據(jù)，包括濕度、外部和內(nèi)部溫度、孵化溫度和質(zhì)量。這使得養(yǎng)蜂人可以遠(yuǎn)程監(jiān)控蜂場周邊的植物的花期情況，確定蜂群是否存在病蟲害感染、農(nóng)藥接觸和毒性，了解蜂箱菌落狀況、菌落動態(tài)和菌落衛(wèi)生，檢查蜂群狀態(tài)、蜂蜜儲備管理以及用戶定單通知等。通過該系統(tǒng)，養(yǎng)蜂人將獲得更多便利和幫助，以便更好地管理和保護(hù)蜂場。

數(shù)字孿生技術(shù)前景展望

目前我國正在邁入數(shù)字化時代，繼數(shù)字技術(shù)率先在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)落地應(yīng)用后，數(shù)字化趨勢正在逐步擴展到農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)現(xiàn)正處在向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“風(fēng)口浪尖”[27]。

作為支撐虛擬制造的數(shù)字孿生技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界的精準(zhǔn)映射，進(jìn)而借助人工智能等方法有效解決工藝規(guī)劃和生產(chǎn)線優(yōu)化等問題[28]。在蔬菜種植領(lǐng)域，加入數(shù)字孿生與人工智能技術(shù)，在蔬菜溫室空間管理、蔬菜新品種仿真推廣、蔬菜深度采摘及整體包裝、蔬菜科普知識展示等方面均有廣闊的前景。

目前，我國國情和農(nóng)情與西方發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展至今，僅20個年頭，真正深入到田間地頭的工作還相對較少，只有將智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)一步提升，引入更多的數(shù)字孿生技術(shù)和人才，才能保障農(nóng)民的利益，推動農(nóng)戶增收，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效，進(jìn)一步縮小我國城鄉(xiāng)居民收入差距，最終實現(xiàn)共同富裕。