王武英， 魏霖靜

（甘肅農業(yè)大學 信息科學技術學院， 蘭州 730070）

0 引言

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，隨著人工智能技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算技術、大數(shù)據(jù)技術、5G 網(wǎng)絡技術、數(shù)字孿生等技術的發(fā)展，“智慧農業(yè)”［1］新概念應運而生。 智慧農業(yè)通過將上述新型技術與傳統(tǒng)農業(yè)進行深度融合，以提高農業(yè)生產(chǎn)效率、保障農產(chǎn)品質量安全、降低農業(yè)生產(chǎn)成本、實現(xiàn)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益的雙贏發(fā)展為原則。 智慧農業(yè)注重構建以知識更新、技術創(chuàng)新、數(shù)據(jù)驅動為一體的農業(yè)經(jīng)濟發(fā)展政策體系，注重建立層級更高、結構更優(yōu)、持續(xù)性更好的智慧農業(yè)發(fā)展體系，注重建立靈敏高效的現(xiàn)代農業(yè)治理體系，開啟農業(yè)農村發(fā)展和現(xiàn)代化建設新局面。

從傳統(tǒng)農業(yè)到現(xiàn)代農業(yè)轉型的主要驅動力是新興技術的發(fā)展和在農業(yè)領域的應用，智慧農業(yè)的發(fā)展是使中國成為農業(yè)強國的關鍵。 由于中國是人口大國、農業(yè)大國，所以具有大量復雜多變、相互關聯(lián)的農業(yè)數(shù)據(jù)，但是對于農業(yè)數(shù)據(jù)的應用目前還處于探索階段，在農業(yè)數(shù)據(jù)的應用過程中存在農業(yè)數(shù)據(jù)采集不完善、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等存在信息孤島、農業(yè)數(shù)據(jù)反饋滯后等現(xiàn)象［2］。 針對上述農業(yè)生產(chǎn)過程中存在的缺點，本文采用數(shù)字孿生技術結合物聯(lián)網(wǎng)技術對農業(yè)數(shù)據(jù)進行深度分析和融合，實現(xiàn)農業(yè)生產(chǎn)過程中的虛實結合、智能感知、可靠傳輸、精準控制、直觀顯示，使農業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營朝著數(shù)字化、智能化、精細化的方向發(fā)展。

為實現(xiàn)農業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境數(shù)據(jù)的有效利用，實現(xiàn)對農作物生長過程中環(huán)境因素系統(tǒng)全面的監(jiān)控和調節(jié)［3］，本文將數(shù)字孿生技術和物聯(lián)網(wǎng)技術融入到農作物生長過程中環(huán)境監(jiān)測，設計實現(xiàn)了基于數(shù)字孿生技術的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)從下到上包括了孿生感知層、農業(yè)數(shù)據(jù)源層、數(shù)字孿生層、孿生應用層、孿生交互層等模塊，實現(xiàn)了面向智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測的物理實體和業(yè)務邏輯層面的全面融合連接，打造了動態(tài)感知、協(xié)同高效、可視化交互的現(xiàn)代智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測新模式。

1 基礎理論及概念

1.1 數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生技術的原型可以追溯到2003年由美國密歇根大學的Grieves 教授主講的產(chǎn)品全生命周期管理課程，當時以“鏡像空間模型”［4］指代數(shù)字孿生技術，主要是指利用數(shù)字化技術，將現(xiàn)實物理實體映射到虛擬空間中以構建出一個虛擬實體的孿生技術。 從而在數(shù)字空間中利用物理實體的特征信息完全模擬出物理實體各方面的數(shù)字特性信息。 隨后美國國家航空航天局（NASA）2010年在一份航天技術資料文件中正式提出了“數(shù)字孿生”的概念［5］，并且將數(shù)字孿生技術應用于航空航天飛行器的全生命周期制造過程當中，對飛行器運行狀態(tài)進行全面的技術診斷和故障預測，以確保飛行器的安全穩(wěn)定運行。自此之后，廣大學者對數(shù)字孿生技術在各個領域的應用展開了研究，從工業(yè)設計、智慧控制、智慧城市、產(chǎn)品生命周期管理等多領域進行了深入研究和分析。 在這些領域的應用都是采用數(shù)字化方法克隆出物理實體的數(shù)字孿生模型，同時結合虛擬現(xiàn)實技術和大數(shù)據(jù)技術對數(shù)字孿生模型進行分析，以達到擴展物理實體屬性的目的。

數(shù)字孿生技術的特征［6］包括：

（1）動態(tài)映射。 數(shù)字孿生中的物理實體和數(shù)字空間的虛擬實體進行實時鏈接和動態(tài)映射。

（2）實時性。 數(shù)字空間虛擬實體的狀態(tài)隨著物理實體的狀態(tài)而進行變化，同時數(shù)字空間虛擬實體可對物理實體進行調節(jié)和控制。

（3）外延性。 數(shù)字孿生技術可對數(shù)字空間的虛擬實體進行集成、替換、修改等操作，能夠對多尺度、多物理、多層級的數(shù)字模型進行外延擴展。

（4）克隆性。 數(shù)字空間的虛擬實體是現(xiàn)實物理實體的真實反映，在特征、狀態(tài)、樣式等參數(shù)方面是物理實體的精確克隆。

數(shù)字孿生技術為智慧農業(yè)的高質量可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路和途徑，在智慧農業(yè)領域，廣大學者以數(shù)字孿生等新型技術為依托，以農業(yè)數(shù)據(jù)為驅動融合虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)出集農業(yè)種植、過程管理與分析決策為一體的可視化平臺［7］，能夠實現(xiàn)對農作物生長環(huán)境的感知、設備的控制、作物生長過程的監(jiān)控和相關數(shù)據(jù)實時、高效分析與反饋，對于農業(yè)生產(chǎn)全過程的數(shù)字化管理、智能化決策、可視化交互具有重要意義。

1.2 數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)融合技術

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)每天以指數(shù)級形式增長［8］，這些數(shù)據(jù)通常具有來源多樣、結構各異、存儲分散等特征，導致數(shù)據(jù)以區(qū)域自治而難以共享，出現(xiàn)信息孤島等現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)深層次價值沒有得到有效挖掘和應用。數(shù)字孿生技術的出現(xiàn)為信息系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的融合發(fā)展提供了技術接口和數(shù)據(jù)支撐，基于現(xiàn)實物理實體的基本特征信息，在數(shù)字空間中克隆一個完整的虛擬實體，實時地與物理實體進行動態(tài)映射，在數(shù)字空間中通過建模、驗證、預測、控制物理實體，不斷將實體信息反饋到可視化監(jiān)控系統(tǒng)中并且對實體信息參數(shù)進行更新調節(jié)，加快物理實體信息和虛擬實體信息的融合發(fā)展，打破數(shù)據(jù)割裂現(xiàn)象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效利用。

物聯(lián)網(wǎng)技術對數(shù)字孿生技術在各領域的落地應用奠定了基礎［9］，為數(shù)字孿生技術的迭代優(yōu)化提供了重要的實現(xiàn)途徑，對其技術應用價值實現(xiàn)了有效的擴展，對數(shù)字孿生技術應用的生命周期進行了延伸，體現(xiàn)了數(shù)字孿生技術在模型映射、數(shù)據(jù)優(yōu)化等方面的應用價值和優(yōu)勢，為數(shù)字孿生技術的發(fā)展提供了新的途徑和思想。 Orbis Research 研究報告［10］中提到，截止到2022年有75%的物聯(lián)網(wǎng)平臺將不同程度集成了數(shù)字孿生技術。 物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的復雜性因引用了數(shù)字孿生技術而得到了有效的降低，因數(shù)字孿生技術集成了由智能傳感器（如智能監(jiān)控、紅外線設備、RFID、集群傳感器）采集的大量物理實體數(shù)據(jù)信息，并將其動態(tài)映射到更易于分析、理解和展示的虛擬克隆體中。

利用數(shù)字孿生技術實現(xiàn)對現(xiàn)實物理實體的全面動態(tài)感知是數(shù)字空間孿生的前提和基礎，應用數(shù)字空間映射技術動態(tài)實時地描述、分析、預測其物理實體的行為，實現(xiàn)物理實體空間和數(shù)字虛擬空間的交互映射。 物聯(lián)網(wǎng)技術通過射頻識別、紅外感應、傳感器采集、視頻監(jiān)控等方式為現(xiàn)實物理世界的全面動態(tài)感知提供了數(shù)據(jù)支撐。 物聯(lián)網(wǎng)技術對現(xiàn)實物理世界的信息進行動態(tài)感知和處理，利用數(shù)字孿生技術可以對這些實體信息進行分析、優(yōu)化、整理和展示。實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術和數(shù)字孿生技術的有效無縫銜接，使數(shù)據(jù)流資產(chǎn)在其整個生命周期內具有可追溯性和動態(tài)調節(jié)性。

2 數(shù)字孿生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

基于數(shù)字孿生的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將農作物生長環(huán)境以及各種物理實體在真實場景中全生命周期通過傳感器技術、網(wǎng)絡傳輸技術、人工智能等技術映射到虛擬空間數(shù)字世界中，通過將多維物理實體數(shù)據(jù)進行融合，通過數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析和三維仿真等技術［11］，在虛擬數(shù)字世界中實時呈現(xiàn)農作物生長外部環(huán)境參數(shù)信息、設備狀態(tài)信息、農作物生長狀態(tài)信息等，為及時調整外部環(huán)境、控制設備運行狀態(tài)、調節(jié)作物生長過程等提供理論依據(jù)。 基于數(shù)字孿生的智慧農業(yè)環(huán)境檢測系統(tǒng)整體結構如圖1 所示。

圖1 基于數(shù)字孿生的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構圖Fig. 1 Architecture of intelligent agricultural environmental monitoring system based on digital twins

2.1 孿生感知層

孿生感知層是整個智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的底層部分，承擔著農業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的任務，為上層的正常運行提供數(shù)據(jù)保障。 在孿生感知層通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的射頻識別（RFID）、紅外感應器、集群傳感器、視頻監(jiān)控、空調／照明等設備來采集農作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)（光照、溫濕度、水分、空氣、土壤養(yǎng)分、風速風向等），并對所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)做初步預處理（整理、識別、清洗等），通過各類傳感設備對農作物生長環(huán)境要素進行動態(tài)感知和實時監(jiān)控及反饋，實現(xiàn)全方位、全要素、全過程實時數(shù)據(jù)的采集和分析。

農作物生長環(huán)境復雜多變，其所采集的數(shù)據(jù)也具有數(shù)據(jù)源多樣、結構各異、位置分散、噪聲復雜等特點，對此需要在數(shù)據(jù)孿生層通過高精度分布式智能傳感器搭建智能感知網(wǎng)絡，同時要對所采集的數(shù)據(jù)進行整理、識別、結構化等處理，確保所感知的數(shù)據(jù)能實時動態(tài)反映農作物的生長需要。 由于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中對于農作物種植最重要的信息是農田整體環(huán)境和天氣環(huán)境，因此環(huán)境信息通過對熱力傳感器和天氣數(shù)據(jù)的整合，當作物生長環(huán)境條件超出生長極限條件時，通過自動調節(jié)系統(tǒng)對硬件設備進行智能調控或通過人工干預的方式，確保作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)在合理的范圍內。

2.2 農業(yè)數(shù)據(jù)源層

基于數(shù)字孿生的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要以農作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)為驅動，以數(shù)字孿生技術為支撐，所以數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的核心部分，對于環(huán)境數(shù)據(jù)的分析和處理就顯得格外重要。 農業(yè)數(shù)據(jù)源層作為孿生感知層數(shù)據(jù)來源的集合，主要以農作物生長環(huán)境的監(jiān)測和管理為主要目標，將孿生感知層數(shù)據(jù)進行深度分析和融合加工處理。 數(shù)據(jù)源信息主要包括對光照檢測、溫濕度監(jiān)測、水分監(jiān)測、空氣監(jiān)測、土壤監(jiān)測和養(yǎng)分監(jiān)測等環(huán)境信息，并將這些信息轉換為易管理、易存儲、易分析的數(shù)據(jù)存儲到相應的數(shù)據(jù)庫（如SQL Server 等）中，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的智能化分析和實時存儲，滿足對農作物生長所需各類環(huán)境數(shù)據(jù)的實時整合和分布式存儲要求，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和共享，滿足多樣化的農作物生長環(huán)境監(jiān)控服務，有效解決傳統(tǒng)農作物生長環(huán)境要素單一、信息反饋滯后、數(shù)據(jù)孤島等問題，為促進農作物的健康生長提供環(huán)境保障和決策分析。

2.3 數(shù)字孿生層

數(shù)字孿生層在整個系統(tǒng)中處于中間層，起到承上啟下的作用，不僅通過數(shù)字孿生技術對空間、設備、流程、環(huán)境等信息要素進行空間建模，還通過三維建模技術對上述空間建模信息進行實時監(jiān)測及分析，并通過3D 圖形可視化技術進行展示和統(tǒng)計?？梢暬缑嬉匀碌姆绞綄Νh(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時3D 效果展示，使用戶能夠沉浸式體驗農作物生長環(huán)境的各種狀態(tài)，能夠實時掌握農作物生長環(huán)境檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)指標，同時數(shù)字孿生層對各類環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)設置預警值，當參數(shù)指標超過預警值時通過智能調節(jié)功能對環(huán)境要素進行智能化調節(jié)。 如土壤水分是土壤肥力的重要組成部分，是植物生長發(fā)育的重要影響因素，土壤水分也是研究農作物正常生長的重要參數(shù)，所以對環(huán)境中水量的調節(jié)是農作物生長環(huán)境調節(jié)的重要組成部分。

數(shù)字孿生層與智能控制系統(tǒng)進行有機結合，能夠對作物生長的遠程環(huán)境進行實時監(jiān)控和控制，并對其環(huán)境參數(shù)進行智能化分析和精細化管理。 通過數(shù)字孿生技術對歷史環(huán)境數(shù)據(jù)和當前環(huán)境數(shù)據(jù)進行模型更新、修正和完善，使模型正確反映當前環(huán)境數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并通過可視化技術對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化管理，再對不同區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)信息，趨勢變化等進行實時動態(tài)評估。 為優(yōu)化土壤結構，監(jiān)測優(yōu)化效果提供決策依據(jù)，確保農作物增產(chǎn)增收。

2.4 孿生應用層

孿生應用層作為業(yè)務應用的延伸，反映了數(shù)字孿生系統(tǒng)對農作物生長環(huán)境的響應及決策。 通過對農作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)進行整理和分析，通過數(shù)字孿生技術實時映射現(xiàn)場環(huán)境作物生長狀況及環(huán)境參數(shù)，同時根據(jù)數(shù)字孿生體的反饋結果對環(huán)境要素做出相應的決策和調整。 其決策包含根據(jù)作物生長狀況調節(jié)光照、溫濕度、空氣、土壤養(yǎng)分等并對灌溉進行實時控制和流動人員進行監(jiān)控，對現(xiàn)場環(huán)境狀況進行實時和動態(tài)監(jiān)測，并通過系統(tǒng)進行可視化展示和對比分析。 通過數(shù)字孿生技術的模型決策管理，不僅能以沉浸式的方式體驗不同環(huán)境下作物的生長狀況，還能輔助管理人員進行智能化分析和科學化決策，從而為作物健康生長提供調節(jié)措施。

2.5 孿生交互層

孿生交互層在于為使用者提供良好的沉浸式體驗人機交互接口，使用者能夠擁有身臨其境般的感覺并且迅速掌握系統(tǒng)的功能和性能，同時獲得分析和決策的相關信息。 在孿生交互層主要包括領導駕駛艙、園區(qū)控制中心、可視化大屏、手機APP 等模塊，通過領導駕駛艙實時監(jiān)測并控制農作物生長過程中的各種環(huán)境因素，并通過反饋機制直接將指令信息傳送到園區(qū)控制中心。 園區(qū)控制中心通過智能化技術實現(xiàn)農作物生長環(huán)境的監(jiān)控和調節(jié)以及指令的下發(fā)，實現(xiàn)遠程化管理和操作。 可視化大屏主要包括數(shù)據(jù)的可視化和模型的可視化。 其中，數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)對農作物環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時化、多角度、多層次顯示，反映了作物環(huán)境的發(fā)展變化規(guī)律；模型可視化對作物的生長過程進行高保真的模擬和顯示，實現(xiàn)了設備狀態(tài)、作物生長狀態(tài)的動態(tài)交互和全方位顯示。 手機遠程控制是智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的另一便捷控制方式，通過手機客戶端，可以遠程查看作物環(huán)境數(shù)據(jù)和設備運行情況，還可以進行分析，方便靈活管理。

3 可視化交互

基于數(shù)字孿生的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)依托可視化技術全方位立體化展示農作物生長過程以及外界環(huán)境因素，為智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測提供實時化、精細化、智能化管理服務。 通過數(shù)字孿生模型以農作物生長過程的全域環(huán)境要素、設備運行狀態(tài)、作物動態(tài)生長情況為基礎，形成以農作物環(huán)境數(shù)據(jù)為驅動、全域動態(tài)感知、智能協(xié)同、仿真優(yōu)化為支撐的體系結構，以三維建模技術和數(shù)字孿生技術為智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示提供了可視化接口，實現(xiàn)了相關業(yè)務運行狀態(tài)的直觀化展示，確保智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的動態(tài)全域感知、以虛控實的智能管理。

在可視化交互過程中通過獲取農作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)和設備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，以三維建模技術為支撐，構建以空間數(shù)字孿生模型、設備數(shù)字孿生模型、流程數(shù)字孿生模型和環(huán)境數(shù)字孿生模型為基礎的三維模型，結合數(shù)字孿生及三維可視化等技術，形成了基于數(shù)字孿生技術的三維可視化智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。 系統(tǒng)能夠直觀展示農作物生長的環(huán)境因素、智能設備的運行狀況、流程控制狀態(tài)等相關模型信息及分析數(shù)據(jù)，并能使用這些數(shù)據(jù)通過三維建模技術高保真表達物理實體信息的狀態(tài)信息。 智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可視化示例如圖2 所示。

圖2 智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測可視化系統(tǒng)Fig. 2 Intelligent agricultural environment monitoring visualization system

4 結束語

本文以智慧農業(yè)高質量可持續(xù)發(fā)展為目的，以數(shù)字孿生技術和物聯(lián)網(wǎng)技術為支撐，構建了基于數(shù)字孿生的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。 通過對系統(tǒng)中孿生感知層、農業(yè)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)孿生層、孿生應用層、孿生交互層的詳細設計，實現(xiàn)了農作物生長過程中外界環(huán)境因素和農作物生長狀態(tài)的動態(tài)感知和實時映射。 通過對物理實體在數(shù)字虛擬空間的克隆復現(xiàn)，并通過三維可視化技術對環(huán)境因素和設備運行狀態(tài)等進行實時展示和控制，為調整環(huán)境參數(shù)和設備狀態(tài)提供科學依據(jù)和控制手段。 開展基于數(shù)字孿生的智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對于實現(xiàn)農作物生長過程的智能化、數(shù)字化、精細化、可視化管理具有重要意義和應用價值。