基于數字孿生的農業耕作監控系統

熊祥盛，許 靜，陳平錄

（1.江西農業大學 軟件學院，江西 南昌 330045；2.江西農業大學 工學院，江西 南昌 330045）

高質量的農業耕作是實現高效、高質量農業生產的關鍵之一。安全、可靠、全面的農業耕作監控系統不僅要求可以實時監測農業耕作狀態信息并及時反饋異常狀態，還應當對農業耕作過程進行分析預測，發掘農業耕作過程的運作規律，沉浸式的展現農業耕作過程的實時狀態。但是現有的農業耕作監控系統往往無法實現這一目的，不僅缺乏系統性耕作理論知識指導系統搭建，而且監控內容較為單一、片面、不完善。因此對于農業耕作過程亟需一種先進的理論方法來指導農業耕作監控系統的構建。

數字孿生是以數字化的方式建立物理實體的多維度、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環境中的屬性、行為、規則等[1]。數字孿生技術在航空航天[2]、產品設計[3]、智慧城市[4]和農業[5]等領域都有廣泛的應用。

為了實現系統、全面的農業耕作監控，本文將數字孿生技術融入監控系統中，構建了基于數字孿生的農業耕作監控系統。該系統包括了監控模塊、虛擬耕作系統、可視化服務三部分。在耕作過程中，實時的數據流、程序流在監控模塊、虛擬耕作系統、可視化服務三者之間迭代，推動三者交互融合，最終迭代出最佳的耕作策略從而實現最好的耕作效果。

1 基于數字孿生的農業耕作監控系統整體架構

在綜合考慮農業耕作復雜多變的環境及相關耕作農藝要求后，本文搭建了基于數字孿生的農業耕作監控系統架構，該架構包括了監控模塊、虛擬耕作系統和可視化服務三部分。監控模塊主要是為實現對實際耕作過程的實時狀態監控與狀態信息、控制指令的實時、高效傳輸。虛擬耕作系統主要為利用監控模塊，建立與實際耕作過程的交互通道，構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化，以實現對耕作過程的細微狀態的探究及運動狀態的預測，并將預測結果反饋回實際耕作，從而控制實際耕作過程?？梢暬罩饕獮閺臄祿c模型兩方面將農業耕作過程實況生動形象的呈現出來，有利于用戶掌握實際耕作過程的變化與進度。監控系統整體架構，見圖1。

圖1 監控系統整體架構Fig.1 The overall architecture of monitoring system

2 監控模塊

監控模塊作為農業耕作監控系統的底層，肩負著農業耕作過程狀態信息的精確采集與狀態信息、控制指令實時傳輸的使命，為此可將監控模塊劃分為數據采集模塊與信息傳輸模塊兩部分。

數據采集模塊是對整個耕作過程全方位的數據采集，包括了動態數據與靜態數據，主要的采集內容為農業耕作機械裝備狀態數據、土壤狀態數據和田間環境數據等。農業耕作機械裝備的靜態數據包括了農業耕作機械裝備組成結構如牽引結構、傳動結構、耕作部件等的幾何數據、裝配數據，也包括了農業耕作機械裝備的材料數據、功能數據、屬性數據等；農業耕作機械裝備的動態數據包括了農業耕作機械裝備運作過程中的強度數據、受力變形情況、扭矩變化等。土壤的靜態數據包括土壤顆粒含量組成等；土壤的動態數據包括土壤的溫濕度、土壤堅實度、pH 值等。田間環境的靜態數據包括田間作物分布、田間地形地貌等；田間環境的動態數據包括田間表層溫濕度、田間表層風速等。數據采集模塊的數據采集方式由現有地理環境等歷史數據、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作與完善。

數據傳輸模塊必須準確及時的將采集的數據上傳至虛擬耕作系統和將虛擬耕作系統發出的控制指令反饋至農業耕作機械裝備。土壤與環境實時數據可以通過高精度農業傳感器直接采集，但由于采集面積通常較廣，所以需采用無線傳輸的方式傳輸數據。此外，農業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的方式傳輸數據。農業耕作地點一般都遠離城市，基礎網絡設施不完善、分布不均勻，考慮到成本與環境要求，數據傳輸方案無法采用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、數據可以通過多跳的方式實現遠距離傳輸等優點[6]，可以構建分布式無線傳感器網絡，符合農業耕作監控的需要，故本文將Zigbee 模塊作為數據傳輸模塊，實現數據的無線傳輸。

傳感器數據采集模塊固定安裝于土壤、田間環境和農業耕作機械裝備相應的采集或控制節點上。每個傳感器數據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 通信模塊作為數據傳輸的子節點，此外在虛擬耕作系統端安裝一個Zigbee 通信模塊作為協調器，協調器可匯聚各個子節點傳輸的實時耕作狀態數據或者向相應子節點發送虛擬耕作系統給出的控制指令。

3 虛擬耕作系統

農業耕作數字孿生監控系統構建的虛擬耕作系統可與實際耕作過程進行實時映射與交互。實際耕作過程傳輸的數據指導虛擬耕作系統的構建，虛擬耕作系統發出的指令反饋控制實際耕作過程。

虛擬耕作系統可實現從多維度、多時間尺度、多空間尺度對耕作機械裝備及田間環境等實體真實、細微的刻畫，刻畫的內容包括幾何、仿真、規則等方面。對于幾何內容，可以通過三維建模軟件對土壤、田間環境和農業機械耕作裝備的幾何信息進行詳細的刻畫，按照結構、功能和屬性分類并編號，導入模型庫中。具體工作可以總結為通過對農業耕作機械裝備、土壤及田間環境的實地測繪和相關歷史數據的查詢，繪制農機耕作機械裝備和田間環境的CAD 圖紙，以此數據利用SolidWorks 繪制三維模型。土壤包括土壤顆粒模型、土壤類型模型；田間環境包括地理位置模型、地形地貌模型等；農業耕作機械裝備的三維模型包括拖拉機模型、傳動機構模型以及耕作部件模型等。

根據相應的農藝要求和領域知識，在耕作開始前，虛擬耕作系統利用相關算法規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構建出對應的土壤切削仿真模型，實現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、受力等農業耕作機械裝備的狀態，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，將仿真分析結果轉化成控制指令，經監控模塊傳遞至對應控制節點，指導實際農業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，虛擬耕作系統可以綜合對比分析監控模塊采集的實況耕作數據與仿真模型的模擬數據，對整個耕作流程進行驗證，判斷耕作流程規劃是否合理，并全面挖掘耕作過程的運行規律，以此構建更加真實的仿真模型，強化對后續耕作的準確預測。農業耕作過程仿真模型，見圖2。

圖2 農業耕作過程仿真模型Fig.2 The simulation model of agricultural farming process

4 可視化服務

可視化服務是實現數字孿生虛實結合的重要方式之一，基于數字孿生的農業耕作監控系統可以借助可視化服務全面立體的將實際耕作狀態信息總結匯聚并展示出來?？梢暬瞻▋煞矫鎯热荩磳崿F數據的可視化及模型的可視化。

數據可視化要求實現數據的實時、多角度和多層次的顯示。整個農業耕作過程的數據包括五個方面的數據：①原始數據，包括傳感器實時采集的土壤、田間環境、農業耕作機械裝備狀況數據和仿真模擬過程采集的耕作數據如耕刀受力、土壤破碎情況等；②原始數據信息增值，反應整個耕作過程的實況，展現出耕作過程變化趨勢；③預測數據，采用神經網絡、深度學習等算法對數據進行計算得出的耕作預測數據，包括最佳耕作策略、預警信息等；④歷史數據，包括了地理數據、地形地貌數據、農機歷史運行數據等；⑤領域知識，領域知識是對整個耕作過程的規律匯集，包括農藝要求、耕作規律等。所有的數據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耕作過程的高逼真度模擬，讓用戶有沉浸式的農業耕作體驗。整個模型可視化包括三個模塊：①幾何模型展示，將農業耕作機械裝備、土壤及田間環境靜態的展示出來，包括農業耕作機械裝備細致的幾何結構、零件裝配信息、田間的石塊、樹木等環境信息。②仿真模擬可視化，仿真模塊接入采集的實際耕作狀態信息，對耕作過程進行仿真模擬，可展示耕作過程的細微狀態變化，實現對后續耕作過程的預測。③農機耕作過程動態展示，將傳感器采集的數據實時傳入unity3D 中，從宏觀角度實時展示耕作狀況，同時反饋整個農場的耕作進度。圖3 為智慧農業耕作數字孿生監控平臺。

圖3 智慧農業耕作數字孿生監控平臺Fig.3The simulation model of agricultural farming process

5 結論

本文搭建了基于數字孿生的農業耕作監控系統，從監控模塊、虛擬耕作系統和可視化服務三部分對監控系統進行了詳細的劃分和系統的闡述，并進行了相關模型搭建和程序的編寫，測試結果表明，該監控系統可靠性高、魯棒性強、實用性高。