Цифровият близнак в селското стопанство

Много индустрии бързат да се възползват от предимствата на технологията на цифровия близнак. Но има ли той място във фермата? В селското стопанство технологията може да помогне за оптимизиране на поведението на всички компоненти и процеси. Така се явява инструмент за ускорено постигане на целите на съвременната ферма: увеличаване на продукцията, пестене на използваните ресурси, покриване на стандартите за качество, намаляване на вредните емисии и опазване на околната среда.

Текст: списание АгроБио Техника

Цифровият близнак в селското стопанство

Понятието „цифров близнак“ може да звучи модерно, но не е ново. Концепцията се използва от много години в инженерната механика и архитектурното проектиране. В продължение на повече от 3 десетилетия екипите за инженеринг на продукти и процеси използват 3D образи на модели, създадени чрез компютърно проектиране (CAD), за симулации на процеси, за да се уверят в качествата на проектите и да изпитат надеждността им. Например НАСА провежда сложни симулации на космическите кораби от десетилетия – изцяло виртуално. Почти всички големи съвременни сгради са се появили след симулации на етап проектиране, анализиращи поведението им при земетресение или ураганен вятър.

Повечето машинни детайли също се подлагат на виртуални изпитания преди влизане в производство. Това позволява да се изследват натоварването, точките на претоварване, остаряването на материалите – и в крайна сметка да се открият слабите места, преди детайлът да е навлязъл на пазара. Но по-трудно е да си представим как е възможно използването на виртуалната реплика за симулации във фермерството. Нима можем да отглеждане виртуални крави и дигитални ябълкови масиви?

Началото: измервания и дигитални данни

За начало, цифровият близнак трябва да бъде захранван с информация. Той се изгражда чрез данни от мащабно цифрово измерване на параметрите на реалното стопанство. Това означава във фермата да има множество инструменти за събиране на всякакви показатели в реално време: сензори и датчици за всичко. При животните се мерят телесна температура, движение и активност, температури и влажност на помещенията и др. На полето измерванията включват, най-малкото, почвен състав, влажност на почвата, слънчево греене, температура, изображения на растенията. Но цифровият близнак следва да отразява нещо повече: той проследява процесите, взаимодействията, ресурсите. Имайки всички данни, можем да симулираме, планираме, анализираме и подобряваме селскостопанските процеси в невъобразим мащаб.

Дигиталиция или дигитален близнак?

Благодарение на сензорните технологии фермерите днес могат да следят дейностите във фермата дистанционно – въз основа на цифровата информация, която идва (почти) в реално време, вместо да разчитат на директно наблюдение и ръчно управление на задачите на място. Стопанинът може да вижда всичко на компютъра или телефона си, дори на другия край на света. Той по всяко време знае: каква е температурата в обора вечерта, каква е влажността на почвата в оранжерията рано заранта и др. Ако нещо е необичайно, получава известявания.

Факт е, че това позволява вземането на бързи решения без нужда от физическо присъствие. Позволява и известно ниво на автоматизация: например при достигане на дадена температура в оранжерията капаците могат да се отворят за проветрение, при засушаване поливните системи могат да се включат автоматично.  Облекчението е безспорно. Ала цифровият близнак е нещо повече от това. Неговата стойност е във възможността да се симулират ефектите от различни интервенции – въз основа на данните от реалния живот.

„Какво ще стане, ако?“

Предвид трудоемкия характер на работата във фермата и високата цена на залога, всяка промяна носи риск. Например, промяната на марката на торовете може да доведе до подобрение на добива, но може да доведе и до заболяване по растенията, ако някой микроелемент се окаже в излишък или лоша химическа комбинация. Така малката промяна може да доведе до значителни поражения. Идеята да се експериментира върху виртуално копие на стопанството, с реални данни в реално време, сега добива смисъл.

Как могат да помогнат симулациите?

В овощната градина виртуалният близнак позволява на фермера да изпробва как ще влияят температурните промени върху насажденията му, дали даден сорт е по-устойчив и способен да издържи на продължително засушаване от друг, дали отглеждането на ниски растителни култури в съчетание с овошките ще подобри добивите или ще им навреди и т.н. Цифровият двойник в някои случаи може да покаже дори как ще се промени биохимичният състав на плодовете в резултат на дадена промяна, например при различен метод за наторяване.Ако полето с посевни култури има дигитален двойник, фермерът може да експериментира с насажденията и да установи как, например, би се отразило приложението на даден препарат за растителна защита или пък какъв би бил ефектът от въвеждането на ивици с диви растения в подкрепа на дивите опрашители (практика, която в някои страни се субсидира). Естествено, може да експериментира виртуално с различни торове, различни пестициди.

В свинефермата симулацията може да има решаващо значение. Тя касае най-вече здравето на животните. Например, как би повлияла дадена хранителна добавка върху здравословното състояние на свинете, какви спестявания би донесла дадена нова форма на профилактика и др. Подобреното здраве на животните ще означава по-малко разходи за лечение. Стойността на симулациите чрез цифров близнак нараства с увеличаването на сложността на инфраструктурите, които цифровата реплика дублира. Така например рибовъдното стопанство е сложна екосистема от множество машинни системи: водна инфраструктура, отопление, осветление, аерация на водата.

Малка промяна в една от тези системи може да повлияе върху останалите – върху отглежданата стока. Виртуалният близнак може да се използва, за да се правят симулации на развитието на рибовъдното стопанство при промяна на един параметър (напр. вида храна на рибата, промяна на киселинността на водата, концентрацията на нитрати) или едновременно на два, три параметъра. Различните сценарии позволяват да се търси оптимизация на поведението на цялостната система. По подобен начин дигиталният двойник може да е ценен във високотехнологичната оранжерия за изпробване на различни подобрения. В нея се следят температура, влажност на почвата, на въздуха, отваряне и затваряне на прозорци, вентилатори, пръскачки, наличие на CO2, почвено pH, слънчева радиация и др. Във виртуалния близнак могат да се симулират различни сценарии, например: какво ще стане, ако в стъкления покрив се интегрират фотоволтаични клетки – ще се подобрят или ще се влошат добивите; как ще се отрази промяната, ако прозорците се отварят за проветрение при по-ниска прагова температура и др. Могат да се тестват и двете промени заедно, дори и комбинации с други подобрения.

Не е трудно да се досетим, че колкото по-дигитализирана и автоматизирана е фермата, толкова повече стойност можем да извлечем от цифровия й близнак. Така например в аквапонната ферма близнакът ще разполага с детайлни данни за всички ресурси и процеси, затова лесно може да прави симулации на всякакви промени, например в състава на работния флуид, материала за кореновия субстрати др. Голямата стойноств подобни случаи идва от възможността за симулиране на комбинация от новости и изменения.

“ Дигиталният близнак ще може да се ползва за симулации и тестове в агросектора."

Роботи и автоматика

Цифровите близнаци във фермите ще имат значителна роля за навлизането на нови видове техника и автоматика в стопанството. Тези тенденции са вече на ход, но вземането на всяко решение е по-прецизно, когато има яснота относно очаквания резултат. Какво можем да очакваме от въвеждането на роботи за плевене в земеделското поле? Лесно е да си представим облекчението за фермера и гърбовете на неговите работници, но колко точно ще е полезен такъв робот, като се има предвид скоростта му на движение, вероятността за грешка и нуждата от време за презареждане на батериите?

Виртуалната симулация може да отговори на подобни въпроси – и да даде яснота за очакваната възвръщаемост на инвестицията. Как би се отразило въвеждането на растителна защита чрез дронове? Ще се събира ли реколтата по-бързо и все така качествено, ако използваме автономни трактори? От всичко, изброено дотук, стават видни два извода. От една страна цифровият близнак в селското стопанство е „брат“ на умната ферма. От друга, използването му трябва да има ясна цел: увеличава не на продукцията, спестяване на ресурси, намаляване на разходите, покриване на стандартите.

Къде има най-голяма стойност?

Както стана ясно, най-голяма е ролята на цифровия близнак в стопанства, силно дигитализирани, съставени от множество сложни и взаимодействащи инфраструктури. Пример за такова нещо са комбинираните ферми за аквапонно отглеждане на зеленчуци и рибовъдство едновременно. В подобен затворен кръг на производство всяка малка промяна дава отражения в множество аспекти. Друг сценарий, в който симулациите чрез цифровия близнак имат висока стойност, са фермите за бавнорастящи култури. Предвид дългия период на изчакване преди достигане на прoдуктивния етап, виртуалното експериментиране може да се окаже голям помощник на фермера.

Необходим ли ни е цифровият близнак?

Стойността на всяка технология в крайна сметка се крие във възможността за оптимизиране на разходите и ресурсите. Способността да изпробваме бъдещи промени, без да въздействаме реално върху фермата, ни дава предимството на предвидливостта. Анализът на съществуващите официални изследвания и „case study” примери показват, че цифровият близнак във фермерството все още не е популярна идея. Внедряванията са малобройни. Повечето „проекти“ са на етап прототип или дори само концепция. Според някои анализатори на селскостопанския живот, може да сетвърди, че в немалко случаи технологията за цифрови близнаци всъщност не е необходима на фермерите.

Напредъкът в машинното самообучение направи възможно прогнозирането на ключови събития, без да се изгражда пълен модел, който би изисквал големи количества висококачествени теренни данни, чието добиване също е скъпо. Наред с това при малките, семейни ферми, особено тези с фокус върху органична продукция, инвестицията трудно би се изплатила.

От друга стра на обаче има и голям брой фактори, всеки с голяма тежест, в полза на използването на дигиталните реплики. Начело сред тях е изменението на изисквания та на потребителите. Те искат да консумират продукти, които са възможно най-екологични: с минимум или никакво приложение на пестициди и лекарства, етично третиране на животните. Заедно с клиентските изисквания нарастват и задълженията за намаляване на CO2 емисиите. Земята за фермерство става все по-ограничена и това ни принуждава да се стараем да извличаме от нея повече ресурси.

Опазването на почвите става важна тема и вече трябва да мислим как да върнем здравето на земята (поради което се появяват нови методи като ноу-тил или стрип-тил земеделие). Паралелно се развива и градското земеделие, при което все по-често се прибягва до вертикални ферми, аквапонни ферми. Кумулативният ефект на всички тези промени дава индикации, че голямата ферма такава, каквато я познаваме, трябва да се промени. А цифровият близнак е удобна възможност да се тестват сценарии за промени, спестявайки рисковете.

Къде още?

И ако в във фермата внедряването на дигитален близнак не винаги все още може да е действително полезно и възвръщаемо, то във веригата на доставки дигиталният близнак със сигурност има много голяма полезност. Технологията на дигиталния близнак може да се използва за симулации и тестове на изменения във веригите на доставка, за да се търсят по-ефективни подходи. Моделирането и експериментирането са в състояние да намалят риска от хранителни кризи и съсипване на годна храна.

ТАГОВЕ:
СПОДЕЛИ:

Акценти