熊祥盛，許 靜，陳平錄

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江西 南昌 330045）

高質(zhì)量的農(nóng)業(yè)耕作是實現(xiàn)高效、高質(zhì)量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵之一。安全、可靠、全面的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)不僅要求可以實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)耕作狀態(tài)信息并及時反饋異常狀態(tài)，還應(yīng)當(dāng)對農(nóng)業(yè)耕作過程進行分析預(yù)測，發(fā)掘農(nóng)業(yè)耕作過程的運作規(guī)律，沉浸式的展現(xiàn)農(nóng)業(yè)耕作過程的實時狀態(tài)。但是現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)往往無法實現(xiàn)這一目的，不僅缺乏系統(tǒng)性耕作理論知識指導(dǎo)系統(tǒng)搭建，而且監(jiān)控內(nèi)容較為單一、片面、不完善。因此對于農(nóng)業(yè)耕作過程亟需一種先進的理論方法來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。

數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維度、多時空尺度、多學(xué)科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等[1]。數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天[2]、產(chǎn)品設(shè)計[3]、智慧城市[4]和農(nóng)業(yè)[5]等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)、全面的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控，本文將數(shù)字孿生技術(shù)融入監(jiān)控系統(tǒng)中，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)、可視化服務(wù)三部分。在耕作過程中，實時的數(shù)據(jù)流、程序流在監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)、可視化服務(wù)三者之間迭代，推動三者交互融合，最終迭代出最佳的耕作策略從而實現(xiàn)最好的耕作效果。

1 基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

在綜合考慮農(nóng)業(yè)耕作復(fù)雜多變的環(huán)境及相關(guān)耕作農(nóng)藝要求后，本文搭建了基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)包括了監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)和可視化服務(wù)三部分。監(jiān)控模塊主要是為實現(xiàn)對實際耕作過程的實時狀態(tài)監(jiān)控與狀態(tài)信息、控制指令的實時、高效傳輸。虛擬耕作系統(tǒng)主要為利用監(jiān)控模塊，建立與實際耕作過程的交互通道，構(gòu)建完全映射的虛擬耕作模型，利用虛擬耕作模型對土壤切削進行仿真模擬，對耕作過程進行迭代優(yōu)化，以實現(xiàn)對耕作過程的細(xì)微狀態(tài)的探究及運動狀態(tài)的預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果反饋回實際耕作，從而控制實際耕作過程?？梢暬?wù)主要為從數(shù)據(jù)與模型兩方面將農(nóng)業(yè)耕作過程實況生動形象的呈現(xiàn)出來，有利于用戶掌握實際耕作過程的變化與進度。監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)，見圖1。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 The overall architecture of monitoring system

2 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊作為農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)的底層，肩負(fù)著農(nóng)業(yè)耕作過程狀態(tài)信息的精確采集與狀態(tài)信息、控制指令實時傳輸?shù)氖姑?，為此可將監(jiān)控模塊劃分為數(shù)據(jù)采集模塊與信息傳輸模塊兩部分。

數(shù)據(jù)采集模塊是對整個耕作過程全方位的數(shù)據(jù)采集，包括了動態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)，主要的采集內(nèi)容為農(nóng)業(yè)耕作機械裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)、土壤狀態(tài)數(shù)據(jù)和田間環(huán)境數(shù)據(jù)等。農(nóng)業(yè)耕作機械裝備的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括了農(nóng)業(yè)耕作機械裝備組成結(jié)構(gòu)如牽引結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、耕作部件等的幾何數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)，也包括了農(nóng)業(yè)耕作機械裝備的材料數(shù)據(jù)、功能數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等；農(nóng)業(yè)耕作機械裝備的動態(tài)數(shù)據(jù)包括了農(nóng)業(yè)耕作機械裝備運作過程中的強度數(shù)據(jù)、受力變形情況、扭矩變化等。土壤的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括土壤顆粒含量組成等；土壤的動態(tài)數(shù)據(jù)包括土壤的溫濕度、土壤堅實度、pH 值等。田間環(huán)境的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括田間作物分布、田間地形地貌等；田間環(huán)境的動態(tài)數(shù)據(jù)包括田間表層溫濕度、田間表層風(fēng)速等。數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)采集方式由現(xiàn)有地理環(huán)境等歷史數(shù)據(jù)、人員采集和傳感器實時采集三種方式組成，三種方式相互補充協(xié)作與完善。

數(shù)據(jù)傳輸模塊必須準(zhǔn)確及時的將采集的數(shù)據(jù)上傳至虛擬耕作系統(tǒng)和將虛擬耕作系統(tǒng)發(fā)出的控制指令反饋至農(nóng)業(yè)耕作機械裝備。土壤與環(huán)境實時數(shù)據(jù)可以通過高精度農(nóng)業(yè)傳感器直接采集，但由于采集面積通常較廣，所以需采用無線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)。此外，農(nóng)業(yè)耕作機械裝備需要在田間不斷移動，故也需要采用無線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)耕作地點一般都遠(yuǎn)離城市，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施不完善、分布不均勻，考慮到成本與環(huán)境要求，數(shù)據(jù)傳輸方案無法采用4G、5G等傳輸方案。而Zigbee 通信模塊具有成本低、丟包率低、拓展性強、數(shù)據(jù)可以通過多跳的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點[6]，可以構(gòu)建分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，符合農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控的需要，故本文將Zigbee 模塊作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊固定安裝于土壤、田間環(huán)境和農(nóng)業(yè)耕作機械裝備相應(yīng)的采集或控制節(jié)點上。每個傳感器數(shù)據(jù)采集模塊由電源模塊供能并連接一個Zigbee 無線通信模塊，該Zigbee 通信模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖庸?jié)點，此外在虛擬耕作系統(tǒng)端安裝一個Zigbee 通信模塊作為協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器可匯聚各個子節(jié)點傳輸?shù)膶崟r耕作狀態(tài)數(shù)據(jù)或者向相應(yīng)子節(jié)點發(fā)送虛擬耕作系統(tǒng)給出的控制指令。

3 虛擬耕作系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)耕作數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬耕作系統(tǒng)可與實際耕作過程進行實時映射與交互。實際耕作過程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)指導(dǎo)虛擬耕作系統(tǒng)的構(gòu)建，虛擬耕作系統(tǒng)發(fā)出的指令反饋控制實際耕作過程。

虛擬耕作系統(tǒng)可實現(xiàn)從多維度、多時間尺度、多空間尺度對耕作機械裝備及田間環(huán)境等實體真實、細(xì)微的刻畫，刻畫的內(nèi)容包括幾何、仿真、規(guī)則等方面。對于幾何內(nèi)容，可以通過三維建模軟件對土壤、田間環(huán)境和農(nóng)業(yè)機械耕作裝備的幾何信息進行詳細(xì)的刻畫，按照結(jié)構(gòu)、功能和屬性分類并編號，導(dǎo)入模型庫中。具體工作可以總結(jié)為通過對農(nóng)業(yè)耕作機械裝備、土壤及田間環(huán)境的實地測繪和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)的查詢，繪制農(nóng)機耕作機械裝備和田間環(huán)境的CAD 圖紙，以此數(shù)據(jù)利用SolidWorks 繪制三維模型。土壤包括土壤顆粒模型、土壤類型模型；田間環(huán)境包括地理位置模型、地形地貌模型等；農(nóng)業(yè)耕作機械裝備的三維模型包括拖拉機模型、傳動機構(gòu)模型以及耕作部件模型等。

根據(jù)相應(yīng)的農(nóng)藝要求和領(lǐng)域知識，在耕作開始前，虛擬耕作系統(tǒng)利用相關(guān)算法規(guī)劃出合理的耕作流程。參照耕作流程，組合配置出需要的耕作機械三維模型，由LS-dyna構(gòu)建出對應(yīng)的土壤切削仿真模型，實現(xiàn)在該耕作流程下耕作過程的仿真模擬。同時在該仿真模擬中可以獲得虛擬耕作過程中土壤破碎率、土壤粒子位移情況等土壤變化狀況和耕作部件的扭矩、受力等農(nóng)業(yè)耕作機械裝備的狀態(tài)，還包括耕作過程的功率消耗、耕作效率等情況。在實際耕作過程展開前，將仿真分析結(jié)果轉(zhuǎn)化成控制指令，經(jīng)監(jiān)控模塊傳遞至對應(yīng)控制節(jié)點，指導(dǎo)實際農(nóng)業(yè)耕作機械裝備的運行，使實際耕作過程更加合理、效率更高、成本更低。此外，在耕作過程中，虛擬耕作系統(tǒng)可以綜合對比分析監(jiān)控模塊采集的實況耕作數(shù)據(jù)與仿真模型的模擬數(shù)據(jù)，對整個耕作流程進行驗證，判斷耕作流程規(guī)劃是否合理，并全面挖掘耕作過程的運行規(guī)律，以此構(gòu)建更加真實的仿真模型，強化對后續(xù)耕作的準(zhǔn)確預(yù)測。農(nóng)業(yè)耕作過程仿真模型，見圖2。

圖2 農(nóng)業(yè)耕作過程仿真模型Fig.2 The simulation model of agricultural farming process

4 可視化服務(wù)

可視化服務(wù)是實現(xiàn)數(shù)字孿生虛實結(jié)合的重要方式之一，基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)可以借助可視化服務(wù)全面立體的將實際耕作狀態(tài)信息總結(jié)匯聚并展示出來?？梢暬?wù)包括兩方面內(nèi)容，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化及模型的可視化。

數(shù)據(jù)可視化要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時、多角度和多層次的顯示。整個農(nóng)業(yè)耕作過程的數(shù)據(jù)包括五個方面的數(shù)據(jù)：①原始數(shù)據(jù)，包括傳感器實時采集的土壤、田間環(huán)境、農(nóng)業(yè)耕作機械裝備狀況數(shù)據(jù)和仿真模擬過程采集的耕作數(shù)據(jù)如耕刀受力、土壤破碎情況等；②原始數(shù)據(jù)信息增值，反應(yīng)整個耕作過程的實況，展現(xiàn)出耕作過程變化趨勢；③預(yù)測數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等算法對數(shù)據(jù)進行計算得出的耕作預(yù)測數(shù)據(jù)，包括最佳耕作策略、預(yù)警信息等；④歷史數(shù)據(jù)，包括了地理數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、農(nóng)機歷史運行數(shù)據(jù)等；⑤領(lǐng)域知識，領(lǐng)域知識是對整個耕作過程的規(guī)律匯集，包括農(nóng)藝要求、耕作規(guī)律等。所有的數(shù)據(jù)進行可視化展示可以采用包括但不限于點云、多邊形、公式、文本、樹狀圖、圖譜和表格等方式[7]。

模型可視化要求實現(xiàn)耕作過程的高逼真度模擬，讓用戶有沉浸式的農(nóng)業(yè)耕作體驗。整個模型可視化包括三個模塊：①幾何模型展示，將農(nóng)業(yè)耕作機械裝備、土壤及田間環(huán)境靜態(tài)的展示出來，包括農(nóng)業(yè)耕作機械裝備細(xì)致的幾何結(jié)構(gòu)、零件裝配信息、田間的石塊、樹木等環(huán)境信息。②仿真模擬可視化，仿真模塊接入采集的實際耕作狀態(tài)信息，對耕作過程進行仿真模擬，可展示耕作過程的細(xì)微狀態(tài)變化，實現(xiàn)對后續(xù)耕作過程的預(yù)測。③農(nóng)機耕作過程動態(tài)展示，將傳感器采集的數(shù)據(jù)實時傳入unity3D 中，從宏觀角度實時展示耕作狀況，同時反饋整個農(nóng)場的耕作進度。圖3 為智慧農(nóng)業(yè)耕作數(shù)字孿生監(jiān)控平臺。

圖3 智慧農(nóng)業(yè)耕作數(shù)字孿生監(jiān)控平臺Fig.3The simulation model of agricultural farming process

5 結(jié)論

本文搭建了基于數(shù)字孿生的農(nóng)業(yè)耕作監(jiān)控系統(tǒng)，從監(jiān)控模塊、虛擬耕作系統(tǒng)和可視化服務(wù)三部分對監(jiān)控系統(tǒng)進行了詳細(xì)的劃分和系統(tǒng)的闡述，并進行了相關(guān)模型搭建和程序的編寫，測試結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高、魯棒性強、實用性高。