デジタルツインが農業効率に与える影響 - agtecher：アグリテックプレイス

デジタル・イノベーションと農業の接点は、農業の効率と持続可能性を高めるための数多くの機会を提示している。この分野で最も説得力のある技術的進歩のひとつが、デジタルツインの応用だ。農業におけるデジタル・ツインとは、農業システム、プロセス、製品の仮想モデルを指す。リアルタイムのデータで継続的に更新されるこれらのモデルによって、農家は的確な意思決定を行い、プロセスを最適化し、将来の結果を予測することができる。

1.デジタル・ツインの紹介
 2.デジタル・ツインズとは？
3.デジタル・ツインズはどのように農業を変えるか？
4.デジタル・ツインの事例と現在の応用
 5.農業におけるデジタル・ツインの段階的導入
 6.課題と考察
 7.農業におけるデジタル・ツインズの未来

デジタル・ツインを農業実践に組み込むことで、農家は複雑なデータを可視化し、さまざまな選択が作物の収量に与える影響をシミュレーションし、最終的に資源をより効果的に管理することができる。このアプローチは生産性を向上させるだけでなく、環境への影響と作業効率の両方に対応し、農業経営の持続可能性にも大きく貢献する。
農業が気候変動、資源不足、食糧需要の増加といった課題に直面する中、デジタル・ツインはこうした圧力に適応し、繁栄するための極めて重要なツールとなっている。このテクノロジーを使用することで、農業環境内の複雑な相互作用をより深く理解することができ、より多くの情報に基づいた意思決定と回復力のある農業システムにつながります。

デジタル・ツインによって、農業の専門家はかつてないほど業務を監督・調整できるようになった。この新たなテクノロジーは、農業における知識の適用方法を再構築し、伝統的な慣行から、よりデータ主導の精密な農業へと移行しつつある。

PurcellとNeubauer（2022）はこう記している、

「デジタル・ツインは、リアルタイムのデータから更新されるバーチャルな表現を提供することで、農業をダイナミックに理解し、相互作用する方法におけるパラダイム・シフトを象徴している」。

フラウンホーファーIESE（2020年）は、このイノベーションの重要性をさらに強調している、

「農業におけるデジタル・ツインの導入は、農業4.0に向けた大きな前進であり、サイバー・フィジカル・システムを農作業に統合するものである。

これらの洞察は、デジタル・ツインが農業セクターにもたらす変革的なインパクトを強調している。

2.デジタル・ツインズとは？

デジタルツインは、物理的な物体、システム、プロセスを正確に反映するように設計された仮想モデルである。このテクノロジーは、リアルタイムデータ、シミュレーション、機械学習、推論を統合し、さまざまな業界の意思決定プロセスを強化する。物理的な物体やシステムをミラーリングすることで、デジタル・ツインは、ビジネスが製品やプロセスのライフサイクルを物理的にやりとりすることなく、シミュレーション、予測、最適化することを可能にする。

デジタル・ツインのコア・コンポーネント

センサーとIoTデバイス:これらのコンポーネントは、物理的な対応物からリアルタイムのデータを収集する。デジタルツインのデータが、物理的なオブジェクトやシステムの現在の状態を反映していることを保証する上で、重要な役割を果たす。
データ分析プラットフォーム：これらのプラットフォームは、センサーによって収集されたデータを処理して分析し、洞察を生み出す。これにより、ユーザーは物理的な相手の行動を理解・予測し、情報に基づいた意思決定を行うことができる。
シミュレーション・モデル：シミュレーション・モデルは、データ分析によって生成された知見を使用して、物理的なオブジェクトやシステムがさまざまな条件下でどのように動作するかを再現します。これはテスト、最適化、予測に極めて重要です。

先進技術との統合

デジタル・ツインは、先進技術との統合によって大幅に強化される：

モノのインターネット（IoT）は、デジタルツインとその物理的な対応物との間のシームレスな通信を可能にする。

人工知能 (AI）と機械学習（ML）は、さまざまなシナリオをシミュレートし、変化する状況に適応するための予測分析と適応学習機能を提供する。

クラウド・コンピューティングは、大量のデータや複雑なシミュレーションを処理するのに必要なスケーラビリティを提供する。

産業への応用と事例。デジタルツインは様々な分野で応用されている：

ヘルスケア:ファイザーのような企業は、薬の開発やテストにデジタル・ツインを使用しており、物理的な試験を行うことなく、さまざまなシナリオにおける薬の挙動をシミュレートすることができる(デジツインズ・コンサルティング) (XBソフトウェア).
製造業:自動車や航空宇宙などの産業では、デジタル・ツインによって生産工程や設計が最適化され、効率が向上し、物理的なプロトタイプの必要性が減少する。
都市計画とインフラ:都市やインフラ・プロジェクトのモデルに使用され、プランナーがレイアウトを最適化したり、さまざまなシナリオの影響を予測したりするのに役立っている(タレスグループ).

デジタル・ツインズのメリット

デジタル・ツインの導入には多くのメリットがある：

意思決定の強化:様々な条件下でシステムやプロセスがどのように動作するかを包括的に把握することで、企業はより多くの情報に基づいた意思決定を行うことができます。マッターポート).
効率の向上:プロセスの最適化、予知保全によるダウンタイムの削減、物理的なプロトタイプの必要性を排除することによるコスト削減を支援します。マッキンゼー・アンド・カンパニー).
製品の品質向上とイノベーション:デジタル・ツインは、新しいアイデアのシミュレーションや潜在的な問題の発生前の特定を可能にすることで、製品の継続的な改善とイノベーションを促進します。

物理的な資産をダイナミックにデジタルで表現することで、デジタル・ツインはシステムをより深く理解し、業務効率を高め、結果の予測可能性を向上させると、アグリメトリックス社や研究者のパーセルとノイバウアーは述べている(マッターポート).

3.デジタル・ツインズはどのように農業を変えるか？

農業におけるデジタル・ツインは、情報技術と伝統的な農業慣行との交差点における重要な進化を意味する。個々の植物、家畜、畑、生態系全体など、物理的な農業資産の動的でリアルタイムの仮想モデルを作成することで、デジタルツインは農業経営の深い理解と正確な管理を促進する。IoTセンサー、衛星、ドローン、気象観測所など無数のソースからのデータを活用し、高度なアルゴリズムを適用して農業における意思決定プロセスを最適化する。

農業におけるデジタルツインの活用事例

精密な農業と収量の最適化

精密農業の領域では、デジタル・ツインは前例のない規模でデータを統合・分析することで優れている。たとえば、作物畑のデジタルモデルは、さまざまな天候シナリオのもとで、さまざまな農業介入が作物収量に与える影響をシミュレートすることができる。この予測能力により、農家は作付け、灌漑、施肥、収穫の時期について、より多くの情報に基づいた決定を下すことができる。アグリメトリクス社が強調しているように、デジタル・ツインの応用は以下をもたらした。

「作物の健康状態を正確に監視・管理することで、収穫量を20%増加させた。

データ主導の戦略がいかに生産性と収益性を直接的に向上させるかを紹介する。
精密農業についてもっと読む。

資源管理と持続可能性

デジタル・ツインはまた、資源の最適利用を保証することで、持続可能性に関する重要な課題にも対処する。水や化学薬品の分配と使用をより効率的に管理し、流出や農業による環境への影響を最小限に抑えることができる。土壌の状態や作物の健康状態を綿密にモニタリングすることで、これらのモデルは必要な水や栄養素の正確な量を指示することができ、無駄を大幅に削減し、農法の持続可能性を高めることができる。

家畜管理

家畜管理では、動物に取り付けたセンサーでデータを収集することで、デジタル・ツインが健康と生産性のモニタリングに役立つ。これらのツインは、動き、行動、バイタルサインを追跡し、健康問題の早期警告を提供し、動物の福祉を向上させ、死亡率を減少させることができる。この技術により、農家は個々の動物のニーズに合わせた畜産を行うことができ、その結果、動物の健康と生産性を最適化することができる。

農機具と機械の最適化

デジタル・ツインの利用は農業機械や設備にも広がっており、予知保全や作業効率の向上を促進している。トラクターやその他の機械のデータを分析することで、デジタル・ツインは機器が故障しそうな時期を予測し、予防的なメンテナンスを提案する。これにより、コストのかかるダウンタイムを回避できるだけでなく、機器の寿命を延ばすこともできる。

サプライチェーンと市場アクセス

より広範なスケールでは、デジタル・ツインは農業サプライチェーンの合理化を支援する。市場の需要と供給の変動をシミュレートし、農家がより効果的に作物生産を計画できるようにする。これにより、生産と市場の需要がより密接に連動し、余剰や不足が減り、収益性が向上する。

環境への影響と規制への対応

デジタル・ツインは、環境モニタリングや規制遵守においても重要な役割を果たす。デジタル・ツインは、環境規制や基準に照らして農作業を追跡・検証することができ、農作業が持続可能で、地域や国際的な法律に準拠していることを保証する。

より広範なデジタル・エコシステムとの統合

最後に、デジタルツインは単独では動作しない。気象学、水文学、市場経済学など、隣接する分野のデータを統合し、より広範なデジタル・エコシステムに組み込まれることが多い。この統合により、収穫量と利益の最大化だけでなく、将来の世代のための資源の持続にも焦点を当てた、農業管理への全体的なアプローチが可能になる。

デジタル・ツイン・コンソーシアムが示唆するように、

“デジタル・ツインは、農業プロセスにおけるイノベーションの礎となり、リスクなしに実験を行うためのプラットフォームを提供する。”

これは、農業におけるデジタルツインの広範な価値提案を要約したもので、農業セクターにおけるリスク軽減、イノベーション、継続的改善のための極めて重要なツールとしての役割を強調している。

4.農業におけるデジタルツインの事例と現在の応用例

デジタル・ツイン・コンソーシアム
デジタル・ツイン・コンソーシアムは、農業を含む様々なセクターにおけるデジタル・ツイン技術の統合のパイオニアである。彼らの焦点は、食品・飲料分野の課題に対処するためにデジタルツインを活用し、持続可能性とサプライチェーンの効率性を高めることである。農産物の生産から消費までのライフサイクルをシミュレート・分析することで、コンソーシアムのイニシアチブはサプライチェーンの最適化、廃棄物の削減、食品の安全性の向上を支援する。これらのデジタル・ツインは、作物の状態をモニタリングし、結果を予測するために不可欠であり、農業プロセスにおけるイノベーションとリスクのない実験を促進する。

アグリメトリクス
アグリメトリクス社は、デジタル・ツインを活用して農作業を大幅に強化している。同社は英国で、土壌センサー、気象レポート、衛星画像からのデータを統合して小麦生産を最適化するデジタル・ツインを導入した。この包括的なデジタル・ツイン・モデルによって、リアルタイムのモニタリングとシナリオ・シミュレーションが可能になり、正確な灌漑と施肥の調整ができるようになった。その結果、収量が大幅に増加し、アグリメトリクス社は「収量が20%増加した」と報告しており、作物の健全性を高め、資源配分を最適化する上でデジタルツインが有効であることを強調している。アグリメトリクス社について.

インテリアス
インテリアスは、デジタル・ツイン技術を応用し、圃場モニタリングや気候リスク管理など、さまざまな農作業を効率化している。同社は精密農業技術を通じて、効率的で制御された農業環境を作り出すことに注力している。デジタル・ツインを活用することで、インテリアスは水や肥料などの資源利用を最適化し、無駄を省いて持続可能な農業を支援する。同社のデジタル・ツインは、天候の影響予測や気候リスク管理もサポートし、作物の回復力や収量の予測可能性を高めている。 Intelliasとデジタル・ツインの導入方法についてもっと読む。

SEKAI
SEKAIは主に風力タービンの分野で知られているが、デジタル・ツイン技術を農業に応用する方法についても貴重な知見を提供している。リアルタイムのデータ収集と予知保全を含む彼らの方法論は、機器の効率と環境条件が作物の成功に不可欠である農業環境において有益であろう。この適応は、デジタル・ツインの多用途性と、当初の用途を超えた可能性を示している。

これらのケーススタディは、農業におけるデジタルツインの変革の可能性を示している。詳細な分析とシミュレーションを通じて、デジタルツインは農業の専門家に生産性、持続可能性、資源効率を高める高度なツールを提供し、より革新的で強靭な農業システムに向けて大きく前進している。

農業におけるデジタルツインの概念

5.農業におけるデジタル・ツインの段階的導入

農業におけるデジタル・ツインの導入は、先進技術を活用して農業の物理的なオペレーションをミラーリングし、強化する変革的なプロセスである。このステップバイステップガイドでは、デジタルツインを構想から実行まで効果的に展開する方法について、詳細なガイダンスを提供します。

ステップ1：インフラのセットアップ

農業におけるデジタル・ツインのインフラを構築することは、デジタル・ツイン・システムのバックボーンとなる必要なハードウェアと接続ソリューションの配備を含む、重要な最初のステップである。

主なハードウェア要件

センサー：農場全体にさまざまなセンサーを配置し、土壌水分レベル、温度、pHレベル、作物の健康指標などの重要なパラメータを継続的に監視する。これらのセンサーは、デジタル・ツイン・システムに入力する主要なデータ収集ポイントを形成する。
IoTデバイス：センサーデータのシームレスな伝送を促進する堅牢なIoTデバイスを導入する。これらのデバイスは、多様な農業環境で動作可能で、気象条件やその他の物理的障害に強いものでなければならない。
接続インフラ：Wi-Fi、LoRaWAN、またはセルラーネットワークなどの技術を使用して、信頼性の高い接続フレームワークを確立する。このインフラは、農場内のさまざまな地点から収集されたデータが、損失なくリアルタイムまたは予定された間隔で送信されることを保証しなければならない。

ステップ2：データ収集と管理

農業におけるデジタル・ツインの成功には、効果的なデータ収集と管理が最も重要である。このステップによって、現場から流れてくるデータが正確で、タイムリーで、安全に取り扱われることが保証される。

データ管理戦略：

データ収集プロトコル：データ収集の頻度、効果的なモデリングに必要な特定のデータポイントなど、データの収集方法について明確なプロトコルを定める。
データ統合：測候所、農機具、外部データサービスなど、さまざまなソースからのデータを統合し、デジタルツインのデータセットを充実させる。
データのセキュリティと完全性：不正アクセスからデータを保護し、その完全性を確保するために、強固なセキュリティ対策を実施する。これには、データ伝送の暗号化や安全なストレージソリューションが含まれる。

ステップ3：モデルの開発と統合

デジタルツインが効果的な意思決定ツールとして機能するためには、農場の物理的なモデルを正確に作成することが不可欠である。このモデルは、リアルタイムのデータとシームレスに統合され、現在の状況を反映して動的に更新される必要がある。

モデリングのテクニック：

シミュレーションモデル：現在のデータ入力に基づいて、将来の農場の状態を予測できる詳細なシミュレーションモデルを開発する。これには、さまざまな気象条件下での作物の生育モデルや、害虫の侵入シナリオなどが含まれる。
機械学習モデル：機械学習アルゴリズムを活用し、デジタルツインの予測精度を高める。これらのモデルは過去のデータから学習し、予測や業務提案を改善することができる。

ステップ4：分析と応用

最終段階では、収集したデータとモデルの出力を分析し、農場経営と生産性を向上させるための情報に基づいた意思決定を行う。

分析アプリケーション：

予測分析：デジタルツインを使って予測分析を行い、作物の収量、害虫の被害、資源の必要性を予測し、先を見越した農場管理を可能にする。
リアルタイムの意思決定：デジタルツインのリアルタイムデータとダイナミックモデリング機能を活用することで、灌漑の調整や資源の配分など、現在の農場の状況に基づいて即座に運用上の意思決定を行うことができます。

メリット

作業効率の向上：継続的なモニタリングと予測分析により、デジタルツインは農場運営の合理化、無駄の削減、資源利用の最適化を支援します。
作物収量の向上：作物の健康に影響を与える前にリスクを予測し軽減することで、デジタルツインは作物の収量と農場全体の生産性を大幅に向上させることができる。

農業におけるデジタル・ツインの導入は、農業経営の効率と生産高を大幅に向上させることができる、複雑だがやりがいのある取り組みだ。以下の詳細なステップに従うことで、農家や農業経営者はこの最先端技術の可能性を十分に活用することができる。

6.課題と考察

農業にデジタル・ツインを導入するには、技術的、セキュリティ的、倫理的な問題が複雑に絡み合った状況を乗り切る必要がある。農業経営を強化する上でデジタルツインテクノロジーの有効性と完全性を確保するためには、それぞれの側面を綿密に管理する必要がある。

技術的課題
デジタルツインの成功は、利用するデータの精度と信頼性にかかっている。2022年にパーセルとノイバウアーが指摘したように、

「デジタル・ツインの精度は、収集されたデータの質に依存するため、信頼できるモデルを確保する上で大きな課題となる。

これに対処するためには、センサーの厳密な校正、一貫したデータ検証の実施、多様なデータソースの統合が、データの単一障害点を軽減するために不可欠である。
システム統合も大きなハードルとなっている。センサー、IoTデバイス、データ管理プラットフォーム、ユーザーインターフェースなど、さまざまな技術コンポーネントがシームレスに連動するようにするには、メンテナンスと拡張が容易なモジュール式のシステム設計が必要だ。

サイバーセキュリティ対策
機密性の高い農場データが一元化される中、不正アクセスやサイバー脅威から守るためには、強固なサイバーセキュリティ対策の導入が不可欠です。これには、データ通信のエンドツーエンドの暗号化、定期的なセキュリティ監査、国際的なデータ保護規制の遵守などが含まれる。さらに、サイバーセキュリティのベストプラクティスに関するスタッフのトレーニングは、データ侵害を防ぎ、システムの回復力を高めるために不可欠です。

倫理とプライバシーに関する懸念
デジタルツインの活用は、農業データの所有権と利用について重要な問題を提起している。フラウンホーファーIESEの専門家が2020年に強調したように、

「デジタル・ツインは大きなメリットをもたらすが、農家の権利が守られるよう、データのプライバシーやセキュリティについて慎重に検討する必要がある。

農家がデータの所有権と管理権を保持できるようにするには、透明性のあるデータの取り扱い方法と、データ収集前の同意プロトコルを実施する必要がある。

さらに、農場データのプライバシーを保護することは、脅威からデータを保護するだけでなく、データが不当に悪用されないようにすることでもある。データの匿名化技術を導入し、厳格なアクセス制御を行うことは、個人のプライバシーを保護し、悪用を防ぐために不可欠なステップです。

これらの課題に効果的に対処するには、技術的有効性、強固なセキュリティ対策、倫理的配慮を優先したバランスの取れたアプローチが必要です。これらの課題に真摯に取り組むことで、農業セクターは農家の利益とデータの完全性を守りつつ、デジタルツインの変革的なメリットを十分に活用することができます。このような慎重な配慮は、信頼を醸成し、農業業界全体でデジタルツインテクノロジーの幅広い採用を促進するのに役立つでしょう。

7.農業におけるデジタル・ツインズの未来

農業におけるデジタル・ツイン・テクノロジーの進化は、農業の展望を再構築できる変革の力として、ますます認識されつつある。これらの技術がAIや自動化システムなどの新たな技術とより深く統合されるにつれて、意思決定、業務効率、持続可能性を強化する可能性が著しく高まっている。

技術の進歩と統合

デジタル・ツインは、農作業のデジタル・レプリカを作成することで、物理的プロセスとその管理・制御をシームレスに切り離すことを可能にする。この機能により、手作業による直接的な介入ではなく、リアルタイムのデジタル情報に基づく農業経営の遠隔管理が容易になり、より正確でタイムリーな意思決定につながる。Verdouwたちは、この統合がもたらす変革の本質を強調している：

「農場管理の中心的手段としてデジタル・ツインを使用することで、物理的な流れを計画や管理から切り離すことができる」。

AI技術の統合が進むにつれ、デジタル・ツインは農業において重要な役割を果たすようになるだろう。パーセルとノイバウアーはこの傾向を強調し、「AIの統合が深まるにつれ、デジタルツインは農業イノベーションの次の波を推進する上でさらに極めて重要な役割を果たすようになるだろう」と述べている。

スケーラビリティとグローバル・インパクト

デジタルツインのスケーラビリティは、その利点を小規模農場から大規模農業企業まで拡大し、グローバルな農業慣行を強化できることを意味する。このスケーラビリティは、作業効率の向上や環境負荷の低減を約束するだけでなく、さまざまな農業の文脈で持続可能な慣行を幅広く採用することをサポートする。フラウンホーファーIESEの研究者は、次のように提案しています。

「デジタルツインの今後の進歩は、予測能力を強化し、農業のより多くの側面に適用できるようにすることに重点を置くだろう」、

デジタル・ツインがこの分野に革命をもたらす大きな可能性を示している。

挑戦と絶え間ない前進

将来性が期待される一方で、農業におけるデジタルツインの可能性を完全に実現するための道のりには、課題がないわけではない。これらのシステムの精度は、データの品質と統合能力に大きく依存しており、現実世界の状況を正確に反映する信頼性の高いモデルを作成するために不可欠である。IoTとAI技術の継続的な進歩は、これらの課題に対処し、デジタルツインの予測能力を強化し、農業のあらゆる側面でその適用性を拡大する上で極めて重要である。

幅広い採用を促す

農業部門は、デジタル・ツイン・テクノロジーの導入と統合を積極的に受け入れることが奨励される。そうすることで、効率性と持続可能性の新たな次元が切り開かれ、農業セクターはより高度で精密な農法へと推進される。デジタルツインの変革の可能性は、単なるオペレーション強化にとどまらず、より持続可能で生産性の高い農業システムへの革命的な転換を世界的に約束するものです。

デジタル・ツイン技術の農業への導入は、技術統合の一歩前進というだけでなく、農業がよりスマートで、より密接につながり、グローバルな食糧システムの需要に持続可能な形で合致する未来への大きな飛躍を意味する。PurcellとNeubauerが適切に表現しているように、