Как цифровые двойники обеспечат следующее поколение точного земледелия

Климатические изменения и перенаселение делают традиционное сельское хозяйство неустойчивым. Даже в экономически развитых странах растет продовольственная необеспеченность. Например, в Канаде 1 из 6 семей испытывает трудности с доступом к здоровому питанию.

Проблема: Глобальная продовольственная небезопасность требует от аграрных компаний радикально новых способов эффективного производства: с меньшими отходами, пестицидами, энергозатратами и сроками выхода на рынок.

Решение: Традиционное фермерство не справляется, поэтому интерес вызывают методы закрытого грунта, такие как контролируемое земледелие (controlled environment agriculture, CEA). Однако они требуют компьютерной поддержки, разработкой которой занимается наша лаборатория Sustainable Systems and Methods (SSM) в Университете Макмастера.

Цифровые двойники

CEA — это выращивание культур в изолированной среде, искусственно контролируемой сложными системами HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование), орошения, освещения и множеством датчиков.

Автоматизация позволяет добиться более высокого урожая и качества по сравнению с традиционным земледелием, сокращая отходы. Однако растущая сложность делает поиск оптимальной стратегии роста — последовательности условий, стимулирующих рост и снижающих энергопотребление, — особенно трудной задачей.

Роль цифровых двойников: Это цифровые представления физических объектов или процессов. Они помогают в принятии решений за счет высокоточного моделирования в реальном времени и часто обладают функциями автономного контроля.

В точном земледелии цифровые двойники обычно используются для:

  • Мониторинга и контроля условий среды для оптимального и устойчивого роста.
  • Создания "живой" панели наблюдения за условиями в зоне выращивания.
  • Автономного управления средой (с разной степенью автономии).

Ключевые цели:

  • Повышение соотношения "урожай/энергия", так как обогрев и охлаждение объектов CEA потребляют много энергии.
  • Проектирование новых теплиц: данные, собранные двойником за долгий период, можно использовать для экспериментов при разработке новых объектов.

Экономическая целесообразность

Основные драйверы затрат при внедрении CEA с цифровыми двойниками:

  1. Разработка цифрового двойника: Затраты на аппаратное обеспечение и разработку ПО. Начальные шаги могут быть недорогими, но профессиональные промышленные системы требуют значительных инвестиций и тщательной цифровой стратегии.
  2. Повышение цифровой зрелости: Сельское хозяйство — один из наименее цифровизированных секторов. Цифровая зрелость — обязательное условие для внедрения двойников. Затраты на нее (выбор облачного провайдера, стратегия данных, лицензии на ПО) часто превышают технические расходы и могут быть тяжелы для компании без proper consulting.

Успешные примеры промышленно-академического сотрудничества помогают определить рамки цифровизации в аграрных компаниях.

Что дальше?

Потребность в продовольственной безопасности и устойчивом производстве как никогда актуальна на фоне климатических изменений, лесных пожаров, энергетического кризиса и роста населения.

Для достижения второй цели устойчивого развития ООН (ликвидация голода к 2030 году) необходим полный сдвиг парадигмы в сельском хозяйстве.

Один из путей — продвинутая цифровизация и цифровые двойники. Несмотря на существующие препятствия, постоянно снижающаяся стоимость аппаратного обеспечения и вычислительных мощностей делает умное цифровое земледелие реальностью.