Цифровой двойник для роботизации сельского хозяйства

Рябых Игорь Андреевич – аспирант Казанского государственного энергетического университета.

Гильфанов Камиль Хабибович – доктор технических наук, профессор Казанского государственного энергетического университета.

Аннотация: В данной статье описывается разрабатываемое программное обеспечение (ПО) с применением технологии цифрового двойника для сельского хозяйства, учитывающий специфику роботизированного процесса, формирующего пошаговую инструкцию по внедрению робота и предоставляющий для неподготовленного сотрудника расчет эффективности от его внедрения.

Ключевые слова: цифровые двойники, роботизация, моделирование, симулятор, сельское хозяйство, интеллектуальное сельское хозяйство.

Цифровой двойник [3] — это виртуальный и компьютеризированный аналог физической системы. Цифровой двойник может использоваться для моделирования в различных целях, используя синхронизацию в реальном времени считываемых данных, исходящих с полевого уровня, и может выбирать между набором действий с акцентом на оркестровку и выполнение всех действий производственной системы оптимальным способом. Это приводит к более высокой эффективности, точности и экономическим выгодам при производстве. При изменении программных значений, двойник реагирует так же, как отреагировал бы на это настоящий физический объект. Поэтому можно оценить его возможности, проверить свои ожидания, проиграть несколько сценариев развития событий и выбрать самый оптимальный.

Так или иначе, цифровому двойнику требуются большие экономические затраты. В том числе и для создания двойника объекта, оборудованного датчиками, нужна большая междисциплинарная команда и колоссальные возможности для сбора и хранения больших данных.

Большинство двойников можно разделить на 3 типа[1]:

  • прототип (Digital Twin Prototype, DTP) – двойник содержит информацию, необходимую для описания и создания физических версий экземпляров изделия. Эта информация включает геометрическую и структурную модели, технические требования и условия; стоимостную модель, расчетную (проектную) и технологическую модели изделия. DTP-двойник можно считать условно-постоянной виртуальной моделью изделия.
  • экземпляр (Digital Twin Instance, DTI) – двойники изделия описывают конкретный физический экземпляр изделия, с которым двойник остается связанным на протяжении всего срока службы. Двойники этого типа создаются на базе DTP-двойника и дополнительно содержат производственную и эксплуатационную модели, которые включают историю изготовления изделия, применяемость материалов и комплектующих, а также статистику отказов, ремонтов, замены узлов и агрегатов и др. Таким образом, DTI-двойник изделия подвергается изменениям в соответствии с изменениями физического экземпляра при его эксплуатации.
  • агрегированный двойник (Digital Twin Aggregate, DTA) – двойники изделия определяются как информационная система управления физическими экземплярами семейства изделий, которая имеет доступ ко всем их цифровым двойникам.

Цифровой двойник вполне вероятно рассматривать в качестве виртуального макета реального объекта или же процесса, который содержит все данные о нем, включая историю и информацию о текущем состоянии.

Данное программное обеспечение может помочь сельскому хозяйству путем создания начальной цифровой среды для создания киберфизической системы (CPS), чтобы фермеры могли лучше понять состояние своих хозяйств в отношении использования ресурсов и оборудования. Мы пришли к выводу, что наша система может собирать данные с почвенного зонда и отображать эту информацию на приборной панели, что позволяет в дальнейшем развертывать больше почвенных зондов и других устройств мониторинга и управления для создания полностью работающего цифрового двойника. Сельское хозяйство играет ключевую роль в развитии многих стран и имеет решающее значение для достижения цели улучшения количества и качества продукции фермеров. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (FAO), объем сельскохозяйственного производства должен увеличиться на 40% с 2012 по 2050 год, чтобы удовлетворить потребности населения в 10 миллиардов человек к 2050 году. Один из подходов к улучшению производства включает новаторское использование таких технологий, как приложения, дроны и оборудование, наряду с социальными, организационными и институциональными преобразованиями. Использование пресной воды в сельском хозяйстве составляет 70% от общего объема пресной воды, используемой в мире [4]. Это убедительный довод в пользу развития таких технологий, как IoT, для уменьшения количества воды, используемой в сельском хозяйстве, а также для увеличения количества продуктов питания, производимых на фермах. Большая часть доступной пресной воды на Земле используется ирригационными системами, а 40% пресной воды, используемой в развивающихся странах, было потеряно из-за утечек и чрезмерного орошения [5]. Такие факторы, как изменение климата и рост населения мира, стали глобальной проблемой для доступности пресной воды.

Правильный полив, контролируемый полевыми датчиками, играет важную роль в сельском хозяйстве, потому что недостаточный или избыточный полив приводит к снижению урожайности. В этом контексте искусственный интеллект (ИИ) может оптимизировать процесс земледелия за счет сбора данных о состоянии растений и их вычислений с высокой производительностью и низкой стоимостью, поддерживая урожайность на нормальном уровне и уменьшая потери воды, следовательно, улучшая доступность питьевой воды. Чтобы усилить эту глобальную озабоченность, на фермах можно внедрить модель цифрового двойника, основанную на IoT, чтобы адекватно распознавать их текущую среду. Это означает, что виртуальное представление фермы должно иметь возможность не только собирать информацию с фермы, но и действовать на основе анализа и решений, принимаемых системой. В этом документе представлена основная разработка цифрового двойника для интеллектуального земледелия с использованием IoT для управления ирригационной системой на основе решения фермера и / или ИИ. Развитие технологий в сельском хозяйстве с использованием IoT в литературе состоит в основном из поисковых исследований, которые показывают, что системы работают в небольших пилотных системах. Использование IoT в сельском хозяйстве можно разделить на две категории: Первая включает разработку оборудования и устройств, используемых на фермах для получения информации о почве, качестве урожая, погодных условиях и т.д.;

И вторая включает разработку платформ, которые используются для хранения, организации, анализа и визуализации данных для улучшения принятия решений. При обзоре литературы, посвященной использованию информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) в сельском хозяйстве, появляется термин «умное сельское хозяйство». Несмотря на то, что концепция интеллектуального земледелия уже использовалась в последние годы, все еще есть место для формального определения термина, который включает в себя технологии, которые в настоящее время используются в области сельского хозяйства. Интеллектуальное сельское хозяйство включает в себя внедрение информационных и коммуникационных технологий в машины, оборудование и датчики для использования в цикле киберфизического управления фермой. Эта концепция создает восприятие, которое включает в себя несколько технологий, таких как IoT, BIG DATA, искусственный интеллект (ИИ, AI), управление процессами и т.д [2].

Литература указывает на то, что использование ИКТ в сельском хозяйстве является развивающейся темой, которая, тем не менее, требует решения некоторых проблем, использование этих технологий дает много преимуществ.

Модель цифрового двойника - это модель, в которой данные, передаваемые между физическим и цифровым объектами, выполняются автоматически. Цифровой двойник способен связывать информацию, касающуюся фермы и бизнеса, с помощью таких технологий, как BIG DATA, IoT, AI и т.д., и может действовать на основе решения, автоматически принимаемого системой. Цифровой двойник для интеллектуальной фермы или цифровой интеллектуальной фермы предлагается путем дальнейшего расширения концепции интеллектуального сельского хозяйства. Цифровая интеллектуальная ферма реализуется путем создания небольших сервисов для понимания информации конкретной системы, такой как ирригационная система, система посева и т.д., и объединения их в киберфизическую систему. Это позволяет интегрировать несколько систем вместе, а фермерам полностью понимать, как работают их фермы. Используя цифровую интеллектуальную ферму, можно адаптировать ферму к изменениям климата, погоды, рынков, ограничений по воде и т.п.

Таким образом, использование технологии цифрового двойника в сельском хозяйстве позволит увеличить эффективность производства еды к 2050 году, а также уменьшить расход пресной воды. Благодаря гибкости и возможности анализировать большое количество входных данных в будущем мы сможем составлять статистику показателей, что позволит фермерам расширять свое дело, избегая больших рисков.

Список литературы

  1. Цифровой двойник / IT enterprise: Современные IT-решения для управления бизнесом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.it.ua/ru/knowledge-base/technology-innovation/cifrovoj-dvojnik-digital-twin (дата обращения 28.12.2020).
  2. Цифровые двойники. Дизайн через отражение / Хабр: Сообщество IT-специалистов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/post/331562/ (дата обращения 28.12.2020).
  3. Как цифровые двойники помогают российской промышленности / Rusbase [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rb.ru/longread/digital-twin/ (дата обращения 28.12.2020).
  4. AQUASTAT - FAO's Global Information System on Water and Agriculture / Food and Agriculture Organization of the Unined Nations [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.fao.org/nr/water/aquastat/water_use (дата обращения12.2020).
  5. Common-sense net: Improved water management for resource-poor farmers via sensor networks / International Conference on Information and Communication Technologies and Development (ICTD) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4085509 (дата обращения 28.12.2020).

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail