基于數字孿生的智慧農業環境監測系統設計與實現

王武英， 魏霖靜

（甘肅農業大學 信息科學技術學院， 蘭州 730070）

0 引言

在鄉村振興戰略背景下，隨著人工智能技術、物聯網技術、云計算技術、大數據技術、5G 網絡技術、數字孿生等技術的發展，“智慧農業”［1］新概念應運而生。 智慧農業通過將上述新型技術與傳統農業進行深度融合，以提高農業生產效率、保障農產品質量安全、降低農業生產成本、實現經濟效益、生態效益的雙贏發展為原則。 智慧農業注重構建以知識更新、技術創新、數據驅動為一體的農業經濟發展政策體系，注重建立層級更高、結構更優、持續性更好的智慧農業發展體系，注重建立靈敏高效的現代農業治理體系，開啟農業農村發展和現代化建設新局面。

從傳統農業到現代農業轉型的主要驅動力是新興技術的發展和在農業領域的應用，智慧農業的發展是使中國成為農業強國的關鍵。 由于中國是人口大國、農業大國，所以具有大量復雜多變、相互關聯的農業數據，但是對于農業數據的應用目前還處于探索階段，在農業數據的應用過程中存在農業數據采集不完善、生產數據和環境數據等存在信息孤島、農業數據反饋滯后等現象［2］。 針對上述農業生產過程中存在的缺點，本文采用數字孿生技術結合物聯網技術對農業數據進行深度分析和融合，實現農業生產過程中的虛實結合、智能感知、可靠傳輸、精準控制、直觀顯示，使農業生產經營朝著數字化、智能化、精細化的方向發展。

為實現農業生產過程中環境數據的有效利用，實現對農作物生長過程中環境因素系統全面的監控和調節［3］，本文將數字孿生技術和物聯網技術融入到農作物生長過程中環境監測，設計實現了基于數字孿生技術的智慧農業環境監測系統，該系統從下到上包括了孿生感知層、農業數據源層、數字孿生層、孿生應用層、孿生交互層等模塊，實現了面向智慧農業環境監測的物理實體和業務邏輯層面的全面融合連接，打造了動態感知、協同高效、可視化交互的現代智慧農業環境監測新模式。

1 基礎理論及概念

1.1 數字孿生技術

數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 教授主講的產品全生命周期管理課程，當時以“鏡像空間模型”［4］指代數字孿生技術，主要是指利用數字化技術，將現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“數字孿生”的概念［5］，并且將數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，對飛行器運行狀態進行全面的技術診斷和故障預測，以確保飛行器的安全穩定運行。自此之后，廣大學者對數字孿生技術在各個領域的應用展開了研究，從工業設計、智慧控制、智慧城市、產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字化方法克隆出物理實體的數字孿生模型，同時結合虛擬現實技術和大數據技術對數字孿生模型進行分析，以達到擴展物理實體屬性的目的。

數字孿生技術的特征［6］包括：

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

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

（3）外延性。 數字孿生技術可對數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、多層級的數字模型進行外延擴展。

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

數字孿生技術為智慧農業的高質量可持續發展提供了新的思路和途徑，在智慧農業領域，廣大學者以數字孿生等新型技術為依托，以農業數據為驅動融合虛擬現實技術開發出集農業種植、過程管理與分析決策為一體的可視化平臺［7］，能夠實現對農作物生長環境的感知、設備的控制、作物生長過程的監控和相關數據實時、高效分析與反饋，對于農業生產全過程的數字化管理、智能化決策、可視化交互具有重要意義。

1.2 數字孿生與物聯網融合技術

隨著物聯網技術的蓬勃發展，物聯網系統和信息系統產生的數據每天以指數級形式增長［8］，這些數據通常具有來源多樣、結構各異、存儲分散等特征，導致數據以區域自治而難以共享，出現信息孤島等現狀，數據深層次價值沒有得到有效挖掘和應用。數字孿生技術的出現為信息系統和物聯網系統的融合發展提供了技術接口和數據支撐，基于現實物理實體的基本特征信息，在數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映射，在數字空間中通過建模、驗證、預測、控制物理實體，不斷將實體信息反饋到可視化監控系統中并且對實體信息參數進行更新調節，加快物理實體信息和虛擬實體信息的融合發展，打破數據割裂現象，實現數據的有效利用。

物聯網技術對數字孿生技術在各領域的落地應用奠定了基礎［9］，為數字孿生技術的迭代優化提供了重要的實現途徑，對其技術應用價值實現了有效的擴展，對數字孿生技術應用的生命周期進行了延伸，體現了數字孿生技術在模型映射、數據優化等方面的應用價值和優勢，為數字孿生技術的發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%的物聯網平臺將不同程度集成了數字孿生技術。 物聯網生態系統的復雜性因引用了數字孿生技術而得到了有效的降低，因數字孿生技術集成了由智能傳感器（如智能監控、紅外線設備、RFID、集群傳感器）采集的大量物理實體數據信息，并將其動態映射到更易于分析、理解和展示的虛擬克隆體中。

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

2 數字孿生環境監測系統設計

基于數字孿生的智慧農業環境監測系統將農作物生長環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、網絡傳輸技術、人工智能等技術映射到虛擬空間數字世界中，通過將多維物理實體數據進行融合，通過數據挖掘、數據分析和三維仿真等技術［11］，在虛擬數字世界中實時呈現農作物生長外部環境參數信息、設備狀態信息、農作物生長狀態信息等，為及時調整外部環境、控制設備運行狀態、調節作物生長過程等提供理論依據。 基于數字孿生的智慧農業環境檢測系統整體結構如圖1 所示。

圖1 基于數字孿生的智慧農業環境監測系統架構圖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環境監測系統的底層部分，承擔著農業環境數據采集的任務，為上層的正常運行提供數據保障。 在孿生感知層通過物聯網系統的射頻識別（RFID）、紅外感應器、集群傳感器、視頻監控、空調／照明等設備來采集農作物生長環境數據（光照、溫濕度、水分、空氣、土壤養分、風速風向等），并對所采集的環境數據做初步預處理（整理、識別、清洗等），通過各類傳感設備對農作物生長環境要素進行動態感知和實時監控及反饋，實現全方位、全要素、全過程實時數據的采集和分析。

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

2.2 農業數據源層

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

2.3 數字孿生層

數字孿生層在整個系統中處于中間層，起到承上啟下的作用，不僅通過數字孿生技術對空間、設備、流程、環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測及分析，并通過3D 圖形可視化技術進行展示和統計。可視化界面以全新的方式對環境監測數據進行實時3D 效果展示，使用戶能夠沉浸式體驗農作物生長環境的各種狀態，能夠實時掌握農作物生長環境檢測系統的運行狀態和環境參數指標，同時數字孿生層對各類環境監測數據設置預警值，當參數指標超過預警值時通過智能調節功能對環境要素進行智能化調節。 如土壤水分是土壤肥力的重要組成部分，是植物生長發育的重要影響因素，土壤水分也是研究農作物正常生長的重要參數，所以對環境中水量的調節是農作物生長環境調節的重要組成部分。

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

2.4 孿生應用層

孿生應用層作為業務應用的延伸，反映了數字孿生系統對農作物生長環境的響應及決策。 通過對農作物生長環境數據進行整理和分析，通過數字孿生技術實時映射現場環境作物生長狀況及環境參數，同時根據數字孿生體的反饋結果對環境要素做出相應的決策和調整。 其決策包含根據作物生長狀況調節光照、溫濕度、空氣、土壤養分等并對灌溉進行實時控制和流動人員進行監控，對現場環境狀況進行實時和動態監測，并通過系統進行可視化展示和對比分析。 通過數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測并控制農作物生長過程中的各種環境因素，并通過反饋機制直接將指令信息傳送到園區控制中心。 園區控制中心通過智能化技術實現農作物生長環境的監控和調節以及指令的下發，實現遠程化管理和操作。 可視化大屏主要包括數據的可視化和模型的可視化。 其中，數據可視化實現對農作物環境監測數據的實時化、多角度、多層次顯示，反映了作物環境的發展變化規律；模型可視化對作物的生長過程進行高保真的模擬和顯示，實現了設備狀態、作物生長狀態的動態交互和全方位顯示。 手機遠程控制是智慧農業環境監測系統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境數據和設備運行情況，還可以進行分析，方便靈活管理。

3 可視化交互

基于數字孿生的智慧農業環境監測系統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境因素，為智慧農業環境監測提供實時化、精細化、智能化管理服務。 通過數字孿生模型以農作物生長過程的全域環境要素、設備運行狀態、作物動態生長情況為基礎，形成以農作物環境數據為驅動、全域動態感知、智能協同、仿真優化為支撐的體系結構，以三維建模技術和數字孿生技術為智慧農業環境監測系統的數據展示提供了可視化接口，實現了相關業務運行狀態的直觀化展示，確保智慧農業環境監測系統的動態全域感知、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境數據和設備運行狀態等數據，以三維建模技術為支撐，構建以空間數字孿生模型、設備數字孿生模型、流程數字孿生模型和環境數字孿生模型為基礎的三維模型，結合數字孿生及三維可視化等技術，形成了基于數字孿生技術的三維可視化智慧農業環境監測系統。 系統能夠直觀展示農作物生長的環境因素、智能設備的運行狀況、流程控制狀態等相關模型信息及分析數據，并能使用這些數據通過三維建模技術高保真表達物理實體信息的狀態信息。 智慧農業環境監測系統可視化示例如圖2 所示。

圖2 智慧農業環境監測可視化系統Fig. 2 Intelligent agricultural environment monitoring visualization system

4 結束語

本文以智慧農業高質量可持續發展為目的，以數字孿生技術和物聯網技術為支撐，構建了基于數字孿生的智慧農業環境監測系統。 通過對系統中孿生感知層、農業數據源、數據孿生層、孿生應用層、孿生交互層的詳細設計，實現了農作物生長過程中外界環境因素和農作物生長狀態的動態感知和實時映射。 通過對物理實體在數字虛擬空間的克隆復現，并通過三維可視化技術對環境因素和設備運行狀態等進行實時展示和控制，為調整環境參數和設備狀態提供科學依據和控制手段。 開展基于數字孿生的智慧農業環境監測系統對于實現農作物生長過程的智能化、數字化、精細化、可視化管理具有重要意義和應用價值。