Влияние цифровых близнецов на эффективность фермерского хозяйства

Пересечение цифровых инноваций и сельского хозяйства открывает множество возможностей для повышения эффективности и устойчивости фермерских хозяйств. Одним из наиболее ярких технологических достижений в этой области является применение цифровых двойников. Цифровые двойники в сельском хозяйстве - это виртуальные модели сельскохозяйственных систем, процессов или продуктов. Эти модели, постоянно обновляемые данными в режиме реального времени, позволяют фермерам принимать точные решения, оптимизировать процессы и прогнозировать будущие результаты.

1. Знакомство с цифровыми двойниками
2. Что такое цифровые близнецы?
3. Как цифровые близнецы преобразуют сельское хозяйство и примеры использования
4. Тематические исследования и текущее применение цифровых двойников
5. Пошаговое внедрение цифровых двойников в фермерское хозяйство
6. Проблемы и соображения
7. Будущее цифровых близнецов в сельском хозяйстве

Интегрируя цифровых двойников в сельскохозяйственную практику, фермеры могут визуализировать сложные данные, моделировать влияние различных решений на урожайность и, в конечном счете, более эффективно управлять ресурсами. Такой подход не только повышает производительность, но и вносит значительный вклад в устойчивость сельскохозяйственных операций, решая проблемы как воздействия на окружающую среду, так и операционной эффективности.
Поскольку сельское хозяйство сталкивается с проблемами изменения климата, нехватки ресурсов и растущего спроса на продовольствие, цифровые двойники служат важнейшим инструментом для адаптации и процветания в условиях этих нагрузок. Использование этой технологии способствует более глубокому пониманию сложных взаимодействий в сельскохозяйственной среде, что приводит к принятию более обоснованных решений и созданию устойчивых сельскохозяйственных систем.

Благодаря цифровым двойникам у специалистов сельского хозяйства появилась возможность контролировать и корректировать свои операции, как никогда раньше. Эта новая технология меняет способы применения знаний в сельском хозяйстве, переходя от традиционных методов к более точному сельскому хозяйству, основанному на данных.

Перселл и Нойбауэр (2022) отмечают,

"Цифровые двойники" представляют собой сдвиг в парадигме динамического понимания и взаимодействия с сельским хозяйством, обеспечивая виртуальное представление, которое обновляется на основе данных в режиме реального времени".

Подчеркивая значимость этой инновации, Fraunhofer IESE (2020) подчеркивает,

Внедрение цифровых двойников в сельском хозяйстве знаменует собой значительное продвижение к "Сельскому хозяйству 4.0", интегрирующему киберфизические системы в сельскохозяйственную практику".

Эти выводы подчеркивают преобразующее воздействие цифровых двойников на сельскохозяйственный сектор.

2. Что такое цифровые близнецы?

Цифровой двойник - это виртуальная модель, созданная для точного отражения физического объекта, системы или процесса. Эта технология объединяет данные в реальном времени, моделирование, машинное обучение и рассуждения для улучшения процессов принятия решений в различных отраслях. Благодаря зеркальному отражению физического объекта или системы цифровые двойники позволяют предприятиям моделировать, прогнозировать и оптимизировать жизненный цикл продуктов или процессов, не взаимодействуя с ними физически.

Основные компоненты цифровых близнецов

Датчики и устройства IoT: Эти компоненты собирают данные в реальном времени от своих физических аналогов. Они играют решающую роль в обеспечении того, чтобы данные цифрового двойника отражали текущее состояние физического объекта или системы.
Платформы для анализа данных: Эти платформы обрабатывают и анализируют данные, собранные датчиками, для получения глубоких выводов. Они позволяют пользователям понять и предсказать поведение физического аналога, способствуя принятию обоснованных решений.
Имитационные модели: Имитационные модели используют данные, полученные в результате анализа данных, для воспроизведения поведения физического объекта или системы в различных условиях. Это очень важно для тестирования, оптимизации и прогнозирования.

Интеграция с передовыми технологиями

Цифровые двойники значительно усиливаются благодаря интеграции с передовыми технологиями:

Интернет вещей (IoT) обеспечивает бесперебойную связь между цифровым двойником и его физическим аналогом.

Искусственный интеллект (AI) и машинное обучение (ML) обеспечивают предиктивную аналитику и возможности адаптивного обучения для моделирования различных сценариев и адаптации к изменяющимся условиям.

Облачные вычисления обеспечивают масштабируемость, необходимую для обработки больших массивов данных и сложных симуляций.

Отраслевые применения и примеры. Цифровые двойники применяются в различных отраслях:

• Здравоохранение: Такие компании, как Pfizer, используют цифровых двойников для разработки и тестирования лекарств, что позволяет им моделировать поведение препаратов в различных сценариях без физических испытаний (см.DigiTwins Consulting) (Программное обеспечение XB).
• Производство: В таких отраслях, как автомобильная и аэрокосмическая, цифровые двойники оптимизируют производственные процессы и проектирование, повышая эффективность и снижая потребность в физических прототипах.
• Городское планирование и инфраструктура: Они используются для моделирования городов и инфраструктурных проектов, помогая планировщикам оптимизировать планировку и прогнозировать последствия различных сценариев.Группа Thales).

Преимущества цифровых двойников

Внедрение цифровых двойников дает множество преимуществ:

• Улучшенное принятие решений: Предоставляя комплексное представление о том, как системы и процессы работают в различных условиях, цифровые двойники позволяют компаниям принимать более обоснованные решения (Matterport).
• Повышение эффективности: Они помогают оптимизировать процессы, сократить время простоя благодаря предиктивному обслуживанию и снизить затраты за счет отсутствия необходимости в физических прототипах.McKinsey & Company).
• Повышение качества продукции и инновации: Цифровые двойники способствуют непрерывному совершенствованию и инновациям продуктов, позволяя моделировать новые идеи и выявлять потенциальные проблемы до их возникновения.

 Создавая динамическое цифровое представление физических активов, цифровые двойники позволяют глубже понять системы, повысить операционную эффективность и улучшить предсказуемость результатов, как утверждают такие источники, как Agrimetrics и исследователи Перселл и Нойбауэр (Matterport).

3. Как цифровые близнецы преобразуют сельское хозяйство и примеры использования

Цифровые двойники в сельском хозяйстве представляют собой важнейшую эволюцию в области пересечения информационных технологий и традиционных методов ведения сельского хозяйства. Создавая динамические виртуальные модели физических сельскохозяйственных активов в режиме реального времени - будь то отдельные растения, скот, поля или целые экосистемы, - цифровые двойники способствуют глубокому пониманию и точному управлению сельскохозяйственными операциями. Они используют данные из множества источников, включая IoT-датчики, спутники, беспилотники и метеостанции, и применяют передовые алгоритмы для оптимизации процесса принятия решений в сельском хозяйстве.

Примеры использования цифровых двойников в сельском хозяйстве 

1. Точное земледелие и оптимизация урожайности

В сфере точного земледелия цифровые двойники отличаются тем, что интегрируют и анализируют данные в беспрецедентных масштабах. Например, цифровые модели полей сельскохозяйственных культур могут моделировать влияние различных агротехнических мероприятий на урожайность при различных погодных условиях. Такая способность к прогнозированию позволяет фермерам принимать более обоснованные решения о том, когда сажать, орошать, удобрять и собирать урожай. Как отмечает компания Agrimetrics, применение цифровых двойников привело к следующим результатам

"Точный мониторинг и управление здоровьем культур, в результате чего урожайность увеличивается на 20%".

демонстрируя, как стратегии, основанные на данных, могут напрямую повысить производительность и рентабельность.
Подробнее о точном земледелии.

2. Управление ресурсами и устойчивое развитие

Цифровые двойники также решают важнейшие проблемы устойчивого развития, обеспечивая оптимальное использование ресурсов. Они могут более эффективно управлять распределением и использованием воды и химикатов, сводя к минимуму стоки и воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. Благодаря тщательному мониторингу состояния почвы и здоровья культур эти модели могут определять точное количество необходимой воды и питательных веществ, что значительно сокращает количество отходов и повышает устойчивость сельскохозяйственной практики.

3. Управление животноводством

В животноводстве цифровые двойники помогают следить за здоровьем и продуктивностью животных, собирая данные с помощью датчиков, прикрепленных к животным. Эти двойники могут отслеживать передвижение, поведение и жизненные показатели, чтобы заблаговременно предупреждать о проблемах со здоровьем, улучшая благосостояние животных и снижая уровень смертности. Эта технология позволяет фермерам адаптировать методы содержания животных к потребностям отдельных особей, тем самым оптимизируя их здоровье и продуктивность.

4. Оптимизация сельскохозяйственного оборудования и машин

Использование цифровых двойников распространяется на сельскохозяйственную технику и оборудование, где они способствуют предиктивному обслуживанию и повышению эффективности работы. Анализируя данные с тракторов и других машин, цифровые двойники предсказывают, когда оборудование может выйти из строя, и предлагают профилактическое обслуживание. Это не только помогает избежать дорогостоящих простоев, но и продлевает срок службы оборудования.

5. Цепочка поставок и доступ к рынку

В более широком масштабе цифровые двойники помогают оптимизировать цепочку поставок сельскохозяйственной продукции. Они могут моделировать колебания рыночного спроса и предложения, чтобы помочь фермерам эффективнее планировать производство сельскохозяйственных культур. Это позволяет более точно согласовывать производство с рыночным спросом, сокращать излишки и дефицит, а также повышать рентабельность.

6. Воздействие на окружающую среду и соблюдение нормативных требований

Цифровые двойники также играют важную роль в экологическом мониторинге и соблюдении нормативных требований. Они могут отслеживать и проверять методы ведения сельского хозяйства на соответствие экологическим нормам и стандартам, обеспечивая устойчивость и соответствие местным и международным законам.

7. Интеграция с более широкими цифровыми экосистемами

Наконец, цифровые двойники не работают в изоляции. Они часто интегрированы в более широкие цифровые экосистемы, включающие данные из смежных секторов, таких как метеорология, гидрология и рыночная экономика. Такая интеграция позволяет применять целостный подход к управлению сельским хозяйством, направленный не только на максимизацию урожая и прибыли, но и на сохранение ресурсов для будущих поколений.

Как утверждает консорциум Digital Twin Consortium,

“Цифровые двойники служат краеугольным камнем для инноваций в сельскохозяйственных процессах, предоставляя платформу для экспериментов без риска.”

Это отражает более широкое ценностное предложение цифровых двойников в сельском хозяйстве, подчеркивая их роль как важнейших инструментов для снижения рисков, инноваций и непрерывного совершенствования сельскохозяйственного сектора.

4. Тематические исследования и текущее применение цифровых двойников в сельском хозяйстве

Консорциум "Цифровой двойник
Консорциум Digital Twin Consortium является пионером в области интеграции технологии цифровых двойников в различных отраслях, включая сельское хозяйство. Основное внимание они уделяют использованию цифровых двойников для решения проблем в секторе производства продуктов питания и напитков, повышения устойчивости и эффективности цепочек поставок. Моделируя и анализируя жизненный цикл сельскохозяйственной продукции от производства до потребления, инициативы консорциума помогают оптимизировать цепочки поставок, сократить количество отходов и повысить безопасность продуктов питания. Эти цифровые двойники имеют решающее значение для мониторинга состояния сельскохозяйственных культур и прогнозирования результатов, способствуя инновациям и безрисковым экспериментам в сельскохозяйственных процессах.

Agrimetrics
Компания Agrimetrics использует цифровых двойников для значительного улучшения методов ведения сельского хозяйства. Они внедрили цифровых двойников в Великобритании для оптимизации производства пшеницы путем интеграции данных с датчиков почвы, метеорологических сводок и спутниковых снимков. Эта комплексная модель цифрового двойника позволяет осуществлять мониторинг в режиме реального времени и моделировать сценарии, что позволяет точно корректировать полив и внесение удобрений. Результатом стало значительное повышение урожайности: компания Agrimetrics сообщила о "повышении урожайности на 20%", что подчеркивает эффективность цифровых двойников в повышении урожайности и оптимизации распределения ресурсов. О компании Agrimetrics.

Intellias
Intellias применяет технологию цифрового двойника для оптимизации различных сельскохозяйственных операций, включая мониторинг полей и управление климатическими рисками. Они направлены на создание эффективных, контролируемых условий ведения сельского хозяйства с помощью методов точного земледелия. Используя цифровых двойников, Intellias помогает фермерам оптимизировать использование ресурсов, таких как вода и удобрения, тем самым сокращая потери и повышая устойчивость. Их цифровые двойники также поддерживают прогнозирование погодных условий и управление климатическими рисками, обеспечивая более высокую устойчивость сельскохозяйственных культур и предсказуемость урожая. Узнайте больше о Intellias и о том, как внедрять цифровые двойники.

SEKAI
Хотя компания SEKAI известна прежде всего своей работой с ветряными турбинами, она предлагает ценные идеи по адаптации технологии цифрового двойника для использования в сельском хозяйстве. Их методология, включающая сбор данных в режиме реального времени и предиктивное обслуживание, может быть полезна в сельском хозяйстве, где эффективность оборудования и условия окружающей среды имеют решающее значение для успеха урожая. Эта адаптация иллюстрирует универсальность цифровых двойников и их потенциал, выходящий за рамки их первоначального применения.

Эти примеры демонстрируют преобразующий потенциал цифровых двойников в сельском хозяйстве. Благодаря детальному анализу и моделированию цифровые двойники предоставляют специалистам в области сельского хозяйства передовые инструменты для повышения производительности, устойчивости и эффективности использования ресурсов, что знаменует собой значительный прогресс на пути к созданию более инновационных и устойчивых систем земледелия.

Концепция цифрового двойника в сельском хозяйстве

5. Пошаговое внедрение цифровых двойников в фермерское хозяйство

Внедрение цифровых двойников в сельском хозяйстве - это трансформационный процесс, в котором используются передовые технологии для зеркального отражения и улучшения физических операций в сельском хозяйстве. Это пошаговое руководство содержит подробные инструкции по эффективному внедрению цифровых двойников от разработки концепции до ее реализации.

Шаг 1: Настройка инфраструктуры

Создание инфраструктуры для цифровых двойников в сельском хозяйстве - важнейший первый шаг, включающий развертывание необходимого оборудования и решений по подключению, которые станут основой вашей системы цифровых двойников.

Ключевые требования к оборудованию:

• Датчики: Разместите по всей ферме множество датчиков для постоянного мониторинга таких важных параметров, как уровень влажности почвы, температура, уровень pH и показатели здоровья растений. Эти датчики являются основными точками сбора данных, которые поступают в систему цифрового двойника.
• Устройства IoT: Внедрите надежные устройства IoT, обеспечивающие бесперебойную передачу данных с датчиков. Эти устройства должны быть способны работать в различных сельскохозяйственных условиях и быть устойчивыми к погодным условиям и другим физическим нарушениям.
• Инфраструктура подключения: Создайте надежную систему связи, используя такие технологии, как Wi-Fi, LoRaWAN или сотовые сети. Эта инфраструктура должна обеспечивать передачу данных, собранных в различных точках фермы, в режиме реального времени или через запланированные интервалы времени без потерь.

Шаг 2: Сбор и обработка данных

Эффективный сбор и управление данными имеют первостепенное значение для успеха цифровых двойников в сельском хозяйстве. Этот шаг обеспечивает точность, своевременность и безопасность обработки данных, поступающих с полей.

Стратегии управления данными:

• Протоколы сбора данных: Определите четкие протоколы сбора данных, включая частоту сбора данных и конкретные точки данных, необходимые для эффективного моделирования.
• Интеграция данных: Интегрируйте данные из различных источников, включая метеостанции, сельскохозяйственное оборудование и внешние сервисы данных, чтобы обогатить набор данных цифрового двойника.
• Безопасность и целостность данных: Применяйте надежные меры безопасности для защиты данных от несанкционированного доступа и обеспечения их целостности. Это может включать шифрование передаваемых данных и безопасные решения для хранения.

Шаг 3: Разработка и интеграция моделей

Создание точной модели физической фермы необходимо для того, чтобы цифровой двойник работал как эффективный инструмент принятия решений. Эта модель должна легко интегрироваться с данными в режиме реального времени и динамически обновляться, чтобы отражать текущие условия.

Техники моделирования:

• Имитационные модели: Разработайте подробные имитационные модели, которые могут предсказывать будущие условия на ферме на основе текущих данных. Это может включать модели роста культур при различных погодных условиях и сценарии нашествия вредителей.
• Модели машинного обучения: Используйте алгоритмы машинного обучения для повышения точности прогнозирования вашего цифрового двойника. Эти модели могут учиться на исторических данных, чтобы улучшить свои прогнозы и оперативные предложения.

Шаг 4: Анализ и применение

Последний этап включает в себя анализ собранных данных и результатов моделирования для принятия обоснованных решений, которые повышают эффективность работы фермы и производительность.

Аналитические приложения:

• Предиктивная аналитика: Используйте цифрового двойника для проведения предиктивной аналитики, которая позволяет прогнозировать урожайность, нападение вредителей и потребности в ресурсах, что обеспечивает проактивное управление фермой.
• Принятие решений в режиме реального времени: Используйте данные в реальном времени и возможности динамического моделирования цифрового двойника для принятия оперативных решений, таких как корректировка орошения и распределение ресурсов, на основе текущих условий фермы.

Преимущества:

• Повышение операционной эффективности: Благодаря непрерывному мониторингу и предиктивной аналитике цифровые двойники помогают оптимизировать работу ферм, сократить количество отходов и оптимизировать использование ресурсов.
• Повышение урожайности сельскохозяйственных культур: Прогнозируя и снижая риски до того, как они повлияют на здоровье урожая, цифровые двойники могут значительно повысить урожайность и общую производительность ферм.

Внедрение цифровых двойников в сельском хозяйстве - сложное, но полезное дело, которое может значительно повысить эффективность и производительность сельскохозяйственных операций. Следуя этим подробным инструкциям, фермеры и руководители сельскохозяйственных предприятий смогут в полной мере использовать потенциал этой передовой технологии.

6. Проблемы и соображения

Внедрение цифровых двойников в сельском хозяйстве связано со сложным ландшафтом технических вопросов, вопросов безопасности и этики. Каждый аспект должен быть тщательно проработан, чтобы обеспечить эффективность и целостность технологий цифровых двойников в улучшении сельскохозяйственных операций.

Технические проблемы
Успех цифровых двойников зависит от точности и надежности данных, которые они используют. Как отмечают Перселл и Нойбауэр в 2022 году,

"Точность цифровых двойников зависит от качества собранных данных, что создает значительные трудности в обеспечении надежности моделей".

Для решения этой проблемы необходимы тщательная калибровка датчиков, последовательная проверка данных и интеграция различных источников данных, чтобы уменьшить вероятность сбоя в одной точке данных.
Системная интеграция также представляет собой серьезное препятствие. Для обеспечения бесперебойной работы различных технологических компонентов, таких как датчики, устройства IoT, платформы управления данными и пользовательские интерфейсы, требуется модульная конструкция системы, обеспечивающая простоту обслуживания и масштабируемость.

Меры кибербезопасности
В условиях централизации конфиденциальных данных фермерских хозяйств внедрение надежных мер кибербезопасности имеет решающее значение для защиты от несанкционированного доступа и киберугроз. Это включает в себя сквозное шифрование при передаче данных, регулярные аудиты безопасности и соблюдение международных норм защиты данных. Кроме того, для предотвращения утечек данных и повышения устойчивости систем необходимо обучать персонал передовым методам обеспечения кибербезопасности.

Вопросы этики и конфиденциальности
Использование цифровых двойников поднимает важные вопросы о владении и использовании сельскохозяйственных данных. Как отмечают эксперты из Fraunhofer IESE в 2020 г,

"Хотя цифровые двойники дают существенные преимущества, они требуют тщательного рассмотрения вопросов конфиденциальности и безопасности данных, чтобы обеспечить защиту прав фермеров".

Обеспечение того, чтобы фермеры сохраняли право собственности и контроль над своими данными, предполагает прозрачную практику обработки данных и внедрение протоколов согласия перед сбором данных.

Более того, защита конфиденциальности данных фермерских хозяйств - это не только защита от угроз, но и гарантия того, что они не будут использованы нечестно. Внедрение методов анонимизации данных и строгий контроль доступа являются важнейшими шагами в защите частной жизни и предотвращении неправомерного использования.

Эффективное решение этих проблем требует сбалансированного подхода, в котором приоритетными являются техническая эффективность, надежные меры безопасности и этические соображения. При тщательном решении этих вопросов сельскохозяйственный сектор сможет в полной мере использовать преобразующие преимущества цифровых двойников, защищая при этом интересы и целостность данных фермеров. Такая тщательная проработка поможет укрепить доверие и будет способствовать более широкому внедрению технологий цифровых двойников в сельскохозяйственной отрасли.

7. Будущее цифровых близнецов в сельском хозяйстве

Развитие технологий цифрового двойника в сельском хозяйстве все чаще признается в качестве преобразующей силы, способной изменить сельскохозяйственный ландшафт. По мере того как эти технологии все глубже интегрируются с такими новыми технологиями, как искусственный интеллект и автоматизированные системы, их потенциал для повышения эффективности принятия решений, операционной эффективности и устойчивости значительно возрастает.

Технологические достижения и интеграция

Цифровые двойники, создавая цифровую копию сельскохозяйственных операций, позволяют без труда отделить физические процессы от управления ими и контроля. Такая возможность облегчает удаленное управление сельскохозяйственными операциями на основе цифровой информации в режиме реального времени, а не прямого ручного вмешательства, что приводит к более точному и своевременному принятию решений. Вердув и его коллеги подчеркивают преобразующий характер этой интеграции:

"Использование Digital Twins в качестве центрального средства управления фермой позволяет отделить физические потоки от их планирования и контроля".

По мере интеграции технологий ИИ цифровые двойники будут играть решающую роль в сельском хозяйстве. Перселл и Нойбауэр подчеркивают эту тенденцию, заявляя: "По мере углубления интеграции ИИ цифровые двойники будут играть еще более важную роль в развитии следующей волны сельскохозяйственных инноваций".

Масштабируемость и глобальное воздействие

Масштабируемость цифровых двойников означает, что их преимущества могут распространяться от небольших ферм до крупных сельскохозяйственных предприятий, улучшая глобальную сельскохозяйственную практику. Такая масштабируемость не только обещает повышение операционной эффективности и снижение воздействия на окружающую среду, но и способствует более широкому внедрению устойчивых методов в различных сельскохозяйственных контекстах. Исследователи из Fraunhofer IESE считают, что

"Будущие разработки цифровых двойников, скорее всего, будут направлены на улучшение их прогностических возможностей и расширение их применения в других аспектах сельского хозяйства",

что указывает на огромный потенциал цифровых двойников, способных произвести революцию в этой области.

Вызовы и постоянное совершенствование

Несмотря на многообещающие перспективы, путь к полной реализации потенциала цифровых двойников в сельском хозяйстве не лишен трудностей. Точность этих систем в значительной степени зависит от качества данных и возможностей интеграции, которые необходимы для создания надежных моделей, точно отражающих реальные условия. Постоянное совершенствование технологий IoT и ИИ имеет решающее значение для решения этих проблем, повышения прогностических возможностей цифровых двойников и расширения их применимости во всех аспектах сельского хозяйства.

Поощрение широкого внедрения

Сельскохозяйственному сектору рекомендуется активно внедрять и интегрировать технологии цифрового двойника. Это откроет новые аспекты эффективности и устойчивости, продвигая сектор к более передовым, точным методам ведения сельского хозяйства. Трансформационный потенциал цифровых двойников выходит за рамки простого повышения эффективности работы; он обещает революционный сдвиг в сторону более устойчивых и продуктивных сельскохозяйственных систем во всем мире.

Внедрение технологии цифрового двойника в сельском хозяйстве - это не просто шаг вперед в технологической интеграции, но и значительный скачок к будущему, в котором сельское хозяйство будет более умным, взаимосвязанным и устойчиво согласованным с требованиями глобальной продовольственной системы. Как метко выразились Перселл и Нойбауэр,

"Использование цифровых двойников может привести к революционным изменениям в сельском хозяйстве, сделав его более эффективным, устойчивым и прибыльным".

По мере того как эта технология будет развиваться и адаптироваться, она, несомненно, сыграет ключевую роль в формировании следующего поколения сельскохозяйственных методов, делая их более восприимчивыми к быстро меняющимся глобальным ландшафтам.