數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)企業(yè)的運(yùn)用

目前，基于數(shù)字孿生UE虛幻引擎開發(fā)智能水網(wǎng)及水資源調(diào)配支撐系統(tǒng)已經(jīng)建立，實(shí)現(xiàn)了輸配水方案的可視化展示與動(dòng)態(tài)調(diào)整。山東省構(gòu)建了黃河水文數(shù)字孿生示范平臺，能夠精確動(dòng)態(tài)化預(yù)測與預(yù)報(bào)河道洪水、漫灘演進(jìn)等過程。物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、水利專業(yè)模型與水資源調(diào)度管理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水利實(shí)時(shí)感控體系與數(shù)字孿生可視化表達(dá)。目前，國內(nèi)學(xué)者在水利數(shù)字孿生促進(jìn)農(nóng)業(yè)企業(yè)發(fā)展方面涉及較少。本文重點(diǎn)就數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌區(qū)的運(yùn)用開展研究，并以中部某省某灌區(qū)為例進(jìn)行分析，以期為各地?cái)?shù)字孿生在農(nóng)業(yè)企業(yè)灌區(qū)的應(yīng)用提供參考。

一、數(shù)字孿生發(fā)展情況

數(shù)字孿生最早于2003年由Grieves教授（美國密歇根大學(xué)）提出，現(xiàn)在數(shù)字孿生已應(yīng)用于電力生產(chǎn)、機(jī)器人制造、礦產(chǎn)生產(chǎn)等領(lǐng)域，建立起較為成熟的應(yīng)用體系，逐步走向?qū)嵱秒A段。

“數(shù)字中國”的概念于2017年開始逐步進(jìn)入我國大眾視野，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸與各種產(chǎn)業(yè)融合。數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)是深度分析、高效決策，能夠加快產(chǎn)業(yè)升級更新。當(dāng)前，我國各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域廣泛貫徹科技創(chuàng)新的數(shù)字信息發(fā)展理念，正在逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的國家戰(zhàn)略。

2021年，國家水利部正式啟動(dòng)數(shù)字孿生流域建設(shè)工作，標(biāo)志著水利數(shù)字孿生應(yīng)用步入正軌。數(shù)字孿生在“四預(yù)”（預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）的基礎(chǔ)上，以“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”為目標(biāo)，推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)。在數(shù)學(xué)模型內(nèi)包含河流地貌、水域、自然植被等，并將水閘、泵站、堤防等嵌入其中，實(shí)現(xiàn)工程檢測、集成管理、算法調(diào)度等功能，并在流域范圍內(nèi)合理配置水資源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水利工程管理現(xiàn)代化。

二、建設(shè)狀況

（一） 某大型農(nóng)業(yè)企業(yè)灌區(qū)情況

中部某省某大型農(nóng)業(yè)企業(yè)各種灌溉排澇設(shè)施經(jīng)過幾十年的維護(hù)保養(yǎng)和運(yùn)行，工程布置基本定型。各類灌溉抽水站裝機(jī)容量3萬kW，提水流量600m3/s。當(dāng)前已建成沿河一級抽水站共計(jì) 60處，配備有 160臺抽水設(shè)備，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá) 3萬kW，提水流量每秒可達(dá) 230 立方米。在渠道建設(shè)方面，支渠及以上的固定渠道總長度為 730 千米。通過對灌溉排澇工程設(shè)施現(xiàn)狀調(diào)查評估，灌區(qū)內(nèi)建筑物完好率已經(jīng)達(dá)到約75%。

某省水利信息化發(fā)展“十三五”規(guī)劃暨“互聯(lián)網(wǎng)+水利”規(guī)劃提出，將構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”水利信息化體系作為“十三五”期間該省水利工作的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，通過整合水利信息化資源、統(tǒng)籌建設(shè)、按需補(bǔ)充，優(yōu)化水利信息資源配置 。

2021年至今，圍繞數(shù)字灌區(qū)的建設(shè)目標(biāo)和智慧水利建設(shè)要求，以數(shù)字孿生技術(shù)為依托開展某農(nóng)業(yè)企業(yè)大型灌區(qū)信息化項(xiàng)目建設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)了對灌區(qū)泵（閘）站工程可視、可知和部分可控的信息化建設(shè)初級目標(biāo)。

（二）建設(shè)現(xiàn)狀

1.灌區(qū)感知體系。目前，某農(nóng)業(yè)企業(yè)灌區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)55座水位監(jiān)測站、48座泵（閘）站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測站和74座泵（閘）站流量監(jiān)測站，同時(shí)共享了全省水利大數(shù)據(jù)平臺30處雨量站、21座水位站數(shù)據(jù)，基本實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)沿河取水工程的水情、雨情、工情，以及流量等全要素信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

2.視頻監(jiān)控體系。四級樞紐上下游共建設(shè)16處高桿視頻監(jiān)控球機(jī)，實(shí)現(xiàn)了無死角實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過后臺視頻智能算法對水域漂浮物、異常船只或釣魚等行為實(shí)時(shí)告警、語音驅(qū)離。在沿河泵（閘）站等工程取水口均安裝固定視頻監(jiān)控點(diǎn)，直觀掌握各取水工程用水情況，實(shí)現(xiàn)了以科技賦能創(chuàng)新水閘、泵站管理。

3.自動(dòng)控制體系。某河流一級節(jié)制閘、抽水站、二級節(jié)制閘、三級節(jié)制閘等大型水利工程均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。同時(shí)，建設(shè)了沿河溝、河等5座泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型水利工程的自動(dòng)化控制，同時(shí)初步實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)各運(yùn)管單位對小型泵站的遠(yuǎn)程控制。

4.網(wǎng)絡(luò)通訊體系。建設(shè)了36條通訊專線和140余張物聯(lián)網(wǎng)卡，構(gòu)建了“某農(nóng)業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)中心——灌區(qū)各級樞紐工程和沿河泵（閘）站工程”的水利網(wǎng)絡(luò)通訊架構(gòu)。

5.業(yè)務(wù)應(yīng)用體系。按照智慧水利集約建設(shè)和共建共享要求，以及“整合已建、統(tǒng)籌在建、規(guī)范新建”的原則，圍繞核心業(yè)務(wù)建設(shè)開發(fā)了“灌區(qū)一張圖、水利工程運(yùn)行管理、水旱災(zāi)害防御、灌區(qū)管理、運(yùn)維一體化、數(shù)字孿生平臺、OA辦公系統(tǒng)”等業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，并整合至省智慧水利平臺，實(shí)現(xiàn)了與全省范圍智慧水利平臺的一站式登錄。

6.網(wǎng)絡(luò)安全體系。完成了信息化平臺二級等保測評備案，不僅按網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)要求配置了防火墻、日志審計(jì)、入侵防御等網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)備，同時(shí)建立了網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知平臺，借助各類儀器設(shè)備全方位感知網(wǎng)絡(luò)安全威脅態(tài)勢，精準(zhǔn)洞察網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的運(yùn)行狀況。運(yùn)用全流量分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)攻擊的完整溯源取證，為管理人員制定針對性處置策略提供了支撐，有效防范了各類網(wǎng)絡(luò)安全攻擊。

三、經(jīng)濟(jì)效益分析

數(shù)字孿生在農(nóng)業(yè)企業(yè)灌區(qū)的運(yùn)用是一種嶄新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可以產(chǎn)生較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在精準(zhǔn)運(yùn)用水資源、增產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)效益、數(shù)字孿生支撐科學(xué)化決策等三個(gè)方面。

（一）合理配置水資源帶來的經(jīng)濟(jì)效益

1.精確用水。基于數(shù)字孿生算法，綜合分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)作物、天氣環(huán)境以及土壤環(huán)境等要素，精確計(jì)算各作物的用水量，并根據(jù)天氣實(shí)時(shí)變化、實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水動(dòng)態(tài)化管理。數(shù)字孿生的技術(shù)管理，能夠減少傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的過度用水現(xiàn)象，從而節(jié)約水資源，提高農(nóng)業(yè)灌溉效率。

2.減少浪費(fèi)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉模式往往采取大水漫灌，水資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重。數(shù)字孿生技術(shù)通過制定精準(zhǔn)的灌溉計(jì)劃，使灌溉用水更加科學(xué)合理。例如，根據(jù)土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)和作物需水模型，精確控制灌溉水量和時(shí)間，減少不必要的灌溉，從而節(jié)約大量水資源。從成本角度來看，節(jié)約的水資源可以降低灌區(qū)的取水成本。如果灌區(qū)是從外部水源（如河流、水庫等）取水，減少取水量意味著減少水費(fèi)支出。同時(shí)，對于一些依賴地下水灌溉的灌區(qū)，減少地下水抽取量有助于緩解地下水位下降帶來的潛在成本，如防止因地下水位下降導(dǎo)致的抽水設(shè)備更換成本增加等。

3.提高用水效率。高效的水資源利用可以使灌區(qū)在有限的水資源條件下擴(kuò)大灌溉面積或者提高作物產(chǎn)量。當(dāng)水資源能夠精準(zhǔn)分配到最需要的地方時(shí)，原本因缺水而受到限制的耕地可以得到充分灌溉，增加農(nóng)作物的種植面積，從而直接增加農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和銷售收入。對于一些高附加值的農(nóng)作物，充足而合理的灌溉可以提高其品質(zhì)，在市場上獲得更高的價(jià)格。優(yōu)質(zhì)的綠色水稻、小麥等農(nóng)產(chǎn)品在市場上往往比普通品質(zhì)的產(chǎn)品獲得更高的利潤，這也是水資源高效利用帶來的潛在經(jīng)濟(jì)效益。

（二）增產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益

1.產(chǎn)量提升。數(shù)字孿生技術(shù)在作物生長管理方面的應(yīng)用，可以借此建立精確的農(nóng)作物灌溉周期模型，通過合理施肥和病蟲害防治等提高作物的產(chǎn)量。例如，通過數(shù)字孿生模型準(zhǔn)確預(yù)測作物需水期并及時(shí)灌溉，可以避免因干旱導(dǎo)致的作物減產(chǎn)。同時(shí)，合理的施肥計(jì)劃也能為作物提供充足的養(yǎng)分，促進(jìn)其生長。以糧食作物為例，如果原本一塊灌區(qū)的水稻產(chǎn)量為每畝550公斤，通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)量提高到每畝600公斤。某國有農(nóng)業(yè)企業(yè)灌溉面積為170萬畝，以每公斤稻谷價(jià)格3元計(jì)算，那么每畝就可以增加150元的收入。每年為企業(yè)增收達(dá)2.6億元。

2.質(zhì)量提升。精準(zhǔn)的灌溉、施肥和病蟲害管理能夠提高水稻、小麥等農(nóng)作物的品質(zhì)。高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品在市場上往往更受消費(fèi)者青睞，使其具有更強(qiáng)的競爭力，能夠獲得更高的價(jià)格。在市場上的售價(jià)往往比普通糧食高出很多，從而為灌區(qū)經(jīng)營者帶來更多經(jīng)濟(jì)效益。

（三）數(shù)字孿生支撐科學(xué)化決策產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益

1.大數(shù)據(jù)背景下的科學(xué)決策。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)戶簡單地基于天氣預(yù)報(bào)制定灌溉計(jì)劃，常出現(xiàn)重復(fù)灌溉和灌溉不足的情況。數(shù)字孿生模型可實(shí)時(shí)采集各類數(shù)據(jù)，并實(shí)施大數(shù)據(jù)分析，為灌溉管理決策提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，依據(jù)數(shù)學(xué)模型能夠模擬生成不同層級的灌溉方案，如針對蓄水土壤實(shí)行噴灌，針對非蓄水土壤實(shí)行滴灌等?？茖W(xué)化決策可以減少生產(chǎn)過程中的人為主觀因素，有效提升水資源利用效率。

2.為精準(zhǔn)決策提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)字孿生技術(shù)為農(nóng)業(yè)企業(yè)提供了決策支持工具。例如在制定種植計(jì)劃時(shí)，可以根據(jù)灌區(qū)的土壤條件、氣候預(yù)測等數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生模型進(jìn)行模擬分析，選擇最適合的作物品種和種植時(shí)間。這種精準(zhǔn)決策可以降低因盲目種植導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，如選擇了不適合本地土壤和氣候的作物品種可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量極低甚至絕收。通過精準(zhǔn)決策，可以提高種植成功率，從而保障經(jīng)濟(jì)效益。

3.提升應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)的能力。在應(yīng)對自然災(zāi)害（如干旱、洪澇等）和市場風(fēng)險(xiǎn)方面，數(shù)字孿生技術(shù)也能發(fā)揮作用。通過對灌區(qū)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和模擬分析，可以提前制定應(yīng)對干旱或洪澇的措施，減少災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。在市場風(fēng)險(xiǎn)方面，例如當(dāng)市場上某種農(nóng)產(chǎn)品供過于求時(shí)，可以通過數(shù)字孿生技術(shù)分析調(diào)整種植計(jì)劃，改種其他市場需求較大的作物，降低市場波動(dòng)對灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益的影響。

四、存在的問題和不足

數(shù)字孿生技術(shù)在某農(nóng)業(yè)企業(yè)經(jīng)過多年的建設(shè)和運(yùn)用，特別是“灌區(qū)信息化系統(tǒng)”的兩期建設(shè)，建設(shè)規(guī)模和水平得到了極大提升，切實(shí)提升了灌區(qū)農(nóng)業(yè)運(yùn)作的現(xiàn)代化管理水平，但在運(yùn)行和管理維護(hù)方面，仍存在一些問題。

（一）水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不夠完善和精準(zhǔn)。灌區(qū)范圍內(nèi)水情、雨情、工情和取水量等水利監(jiān)測數(shù)據(jù)已較完善，但受制于技術(shù)手段和工程管理?xiàng)l件，仍存在站點(diǎn)未全覆蓋、水質(zhì)監(jiān)測和土壤墑情數(shù)據(jù)欠缺、取水量監(jiān)測數(shù)據(jù)精度有待提高等問題。

（二）智慧化水平有待提升。在現(xiàn)階段的信息化建設(shè)中，灌區(qū)數(shù)字孿生和工程數(shù)字孿生工作還處于初級階段，水利智慧化應(yīng)用開發(fā)能力不足，難以精準(zhǔn)指導(dǎo)水旱災(zāi)害防御、水資源管理、工程科學(xué)調(diào)度等工作。

（三）信息化維護(hù)能力和資金不足。目前，某農(nóng)業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)主要依托國家大型灌區(qū)續(xù)建配套等財(cái)政專項(xiàng)補(bǔ)貼的項(xiàng)目資金，可隨著信息化建設(shè)內(nèi)容和規(guī)模的不斷增加，不能穩(wěn)定落實(shí)信息化系統(tǒng)建成后的運(yùn)行、維護(hù)經(jīng)費(fèi)，缺乏信息化專業(yè)運(yùn)管人員等問題也暴露出來，制約著農(nóng)業(yè)企業(yè)信息化的可持續(xù)發(fā)展。

五、前景展望

（一）集成水資源管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

目前，某農(nóng)業(yè)企業(yè)對轄區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)灌溉用水計(jì)量還停留在包干的層面上，對水量的精確計(jì)量需求不是很高，灌區(qū)量測水的監(jiān)測范圍僅覆蓋干流上的重要灌溉泵站。隨著灌區(qū)職能的不斷拓展，國家對水資源管理的日趨細(xì)化，對灌區(qū)的水量管理也會(huì)日趨嚴(yán)格。在后期建設(shè)中將采用信息現(xiàn)地采集的方式，在灌區(qū)干流沿線的灌溉泵站設(shè)置自動(dòng)化水位監(jiān)測設(shè)施和泵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測裝置，并通過遠(yuǎn)程傳輸實(shí)現(xiàn)水位信息和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集?？刂浦行墨@得各站點(diǎn)的水位和泵機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過模擬流量計(jì)算公式計(jì)算出實(shí)時(shí)水量，保障數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足灌區(qū)日常管理的需求。

（二）形成防汛抗旱供水調(diào)度體系

某河灌區(qū)建設(shè)形成大的毛細(xì)血管式的灌溉系統(tǒng)，是引、蓄、提三種水源綜合利用型灌區(qū)，多種水資源的科學(xué)配置難度較大。灌區(qū)已明確了“統(tǒng)一調(diào)度、綜合利用、總量控制、計(jì)劃供水”的供水調(diào)度管理基本模式，但在管理職能上未對供水量做嚴(yán)格的監(jiān)控和管理。

作為農(nóng)業(yè)企業(yè)的大型灌區(qū)，未來嚴(yán)格地監(jiān)控和管理灌區(qū)調(diào)水供水的水量是大勢所趨。二級站點(diǎn)作為調(diào)度控制運(yùn)用的主要站點(diǎn)，主要提供水位、流量數(shù)據(jù)，同時(shí)對大部分站點(diǎn)還需補(bǔ)充監(jiān)測、提供雨量數(shù)據(jù)，從而為灌區(qū)防汛抗旱及工程運(yùn)行管理提供及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)警信息，進(jìn)而形成防汛抗旱供水調(diào)度體系。

（三）提高工作效率和用水效率

通過對渠道灌溉用水計(jì)量，建立灌溉用水量控制和定額管理制度，提高用水效率，促進(jìn)灌區(qū)用水管理科學(xué)化與現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。以此保障糧食生產(chǎn)、城鎮(zhèn)供水合理用水需求，促進(jìn)農(nóng)業(yè)用水總量控制和定額管理，普遍實(shí)現(xiàn)工農(nóng)業(yè)用水方式由粗放低效向集約高效轉(zhuǎn)變。

結(jié)語：

文章聚焦數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)企業(yè)灌區(qū)的管理，剖析其在優(yōu)化水資源利用效率、推動(dòng)灌溉管理智能化進(jìn)程、助力決策科學(xué)化轉(zhuǎn)型等方面產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益 。開展數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)，能夠有效提升灌區(qū)工程計(jì)量率和水資源監(jiān)督管理能力，加強(qiáng)先進(jìn)實(shí)用科技成果的推廣應(yīng)用，因地制宜逐步推進(jìn)灌區(qū)建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)企業(yè)灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌區(qū)，能夠顯著提高灌溉用水效率，助力農(nóng)業(yè)管理邁向智能化，決策走向科學(xué)化，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。