數字孿生技術賦能農業智慧發展

王 維，趙鵬飛，韓 沫，劉 海，劉行易

（北京市農林科學院信息技術研究中心，北京 100097）

20世紀中葉以來，微電子、自動化、計算機、通訊、網絡、信息、人工智能等高新技術迅猛發展，在此背景下，數字化制造技術應運而生。數字化制造技術是將信息技術應用于產品設計、制造和管理等產品全生命周期中，以達到提高產品研發效率和質量、降低研發成本、實現快速響應市場目的所涉及的一系列活動的總稱。數字化制造技術的發展經歷了單項技術和局部系統的應用階段、企業級集成應用階段、企業間的集成應用階段以及第四代數字化制造技術4個主要階段。在第4階段，智能制造的概念得到了廣泛重視和快速發展，德國提出“工業4.0”，通過信息物理系統實現快速、有效、個性化的產品供應。我國在《中國制造2025》中明確提出智能制造是新一輪科技革命的核心，是未來10年實施制造強國戰略的行動綱領。傳統數字化制造技術強調全生命周期的數字化技術的應用，而智能制造技術則是多種技術的融合。在上述背景下，數字孿生技術逐漸引起國內外學者的關注。

數字孿生技術的概念及產生背景

數字孿生技術是數字化制造技術的子集，它代表了一種虛擬仿真技術，通過建立數字模型和傳感器來捕獲產品的實時數據，從而實現對產品的實時監控和優化。

“數字孿生”概念在制造領域的應用，最早可以追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目[1]。在該項目中，NASA需要制造2個完全相同的空間飛行器，留在地球上的飛行器稱為孿生體，用于反映或鏡像正在執行任務的空間飛行器的狀態和狀況。在訓練期間，孿生體被廣泛應用于模擬試驗；在任務執行期間，使用地球上的孿生體進行仿真試驗，盡可能精確地反映和預測正在執行任務的空間飛行器的狀態，從而輔助太空軌道上的航天員在緊急情況下做出最正確的決策。從這一點來看，孿生體實際上是通過仿真，實時反映真實運行情況的樣機或模型。它具有2個顯著特點：一是孿生體與所要反映的對象在外表（通常為對象的幾何形狀和尺寸）、內容（通常為對象的結構組成及其宏觀微觀物理特性）和性質（通常為對象的功能和性能）上基本相同；二是允許通過仿真等方式來鏡像或反映真實的運行情況。需要指出的是，此時的孿生體還是實物。直到2002年前后，Michael Graves教授[2]在密歇根大學的產品全生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）課程上提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念，并給出定義：一個或一組特定裝置的數字復制品，能夠抽象表達真實裝置并可以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。雖然這個概念在當時并沒有稱為數字孿生，但其概念模型卻具備數字孿生的所有組成要素，即物理空間、虛擬空間以及兩者之間的關聯或接口，因此可以被認為數字孿生的雛形。最終在2011年，Michael Graves教授[3]在《幾乎完美：通過PLM驅動創新和精益產品》一書中引用了其合作者John Vickers描述該概念模型的名詞--數字孿生，并一直沿用至今。

數字孿生是一種多學科交叉的復雜技術，涉及的學科范圍廣泛。自其概念提出以來，學術界根據不同研究領域的特點，從多個角度對數字孿生的定義進行了闡述。在2011年，美國空軍實驗室和NASA提出，數字孿生是一種高集成度的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數據和歷史數據等反映與該模型對應實體的功能、實時狀態及演變趨勢[4]。2017年，Michael Grieves和莊存波等人分別提出了數字孿生的不同定義。Michael Grieves等[3]認為數字孿生是從微觀原子級到宏觀幾何級全面描述潛在生產或實際制造產品的虛擬信息結構。構建數字孿生的最佳結果是，任何可以通過檢測實際制造產品所獲得的信息，都可以從它的數字孿生中獲得。莊存波等[5]則提出產品數字孿生體是指物理實體的工作狀態和工作進展在信息空間的全要素重建及數字化映射，是一個集成多物理、多尺度、超寫實、動態概率的仿真模型，可用來模擬、監控、診斷、預測、控制產品物理實體在現實環境中的生產過程、狀態和行為。2018年，陶飛等人和Hagg等人也對數字孿生的定義進行了擴展。陶飛等[6]認為數字孿生是PLM的一個組成部分，利用產品生命周期中的物理數據、虛擬數據和交互數據對產品進行實時映射。Haag等[7]則提出數字孿生是單個產品的全面數字化表示，是通過模型和數據（包括實際生命對象的屬性、條件以及行為），模擬它在現實環境中實際行為的模型。此外，2019年，崔一輝等[8]將數字孿生的概念進一步深化，認為數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間完成映射，從而反映相對應的實體裝備全生命周期過程的技術。而到了2020年，李浩等[9]則從實體裝備全生命周期的角度提出了數字孿生的新定義，他們認為數字孿生是通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力的技術。

通過對上述定義分析可知，數字孿生是一種在信息化平臺上建立物理實體虛擬數字模型的技術，通過集成多尺度、多學科、多物理量的方法并充分利用傳感器、物理模型、運行歷史等數據進行的全過程仿真，真實再現物理實體的全生命周期運行狀態并兼具擴展功能[10]。數字孿生不僅在航空航天、產品設計、工程建設等領域發揮著連接數字世界和物理世界的橋梁和紐帶作用，同時也是物聯網中的一個重要概念[11]。它借助于人工智能、機器學習和軟件分析，根據反饋數據，隨著物理實體的變化而自動做出相應的改變。數字孿生被廣泛應用于智能制造、智慧建造等新興研究領域，以期通過產業數字化轉型解決實際問題。在2020年中國工程院發布的《中國制造2025》中，數字孿生被列為賽博物理系統（Cyber-Physical System，簡稱CPS）的關鍵技術之一，受到學術界和企業界的高度關注[12-16]。

數字孿生技術及其應用現狀

數字孿生以數字化的形式在虛擬空間中構建了與物理世界一致的高保真模型，通過與物理世界中不間斷的閉環信息交互反饋與數據融合，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監控物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況，評估物理世界的狀態，診斷發生的問題，預測未來趨勢，優化和改變物理世界。數字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數據和模型雙驅動的仿真、預測、監控、優化和控制，實現服務的持續創新、需求的即時響應和產業的升級優化[17]。

數字孿生關鍵技術

數字孿生的關鍵技術包括建模、渲染、仿真、物聯網、虛擬調試、可視化等，實現數字孿生需基于建模仿真技術、虛擬制造技術和數字樣機技術和數據科學方法，收集真實世界中大量的數據。數字孿生將物理世界的實體在數字世界中構建出“分身”，能夠與在現實中的物理實體保持實時的交互聯接。借助歷史數據、實時數據以及算法模型、機器學習等，實現對物理實體的了解、分析和推理，以輔助決策。

◎建模仿真技術

建模與仿真技術是將實際物理過程通過計算機軟件模擬，生成一個可以展示實際物理過程行為的虛擬環境，對實際物理過程進行模擬、優化、預測和控制的一種技術。建模仿真技術可應用在園藝領域的各種場景，園藝技術虛擬仿真是利用計算機技術和虛擬現實技術模擬和模仿園藝技術相關活動的手段。通過虛擬仿真，可以在計算機生成的虛擬環境中模擬園藝領域的各種場景，包括植物的生長過程、土壤管理、病蟲害防治、景觀設計等方面。使用者通過虛擬仿真，可以體驗和練習在實際園藝工作中所需的各種技能，同時避免了對實際生產資源的浪費和對環境的影響。

◎虛擬制造技術

虛擬制造是一個集成的、綜合的制造環境，通過運行該環境可以改善制造企業中各個層次的決策和控制，按統一模型對設計和制造等過程進行集成，將產品制造相關的各種過程與技術集成為一個三維、動態并且是仿真過程的實體數字模型。基于虛擬制造技術實現的制造系統稱為虛擬制造系統[18]。虛擬制造系統（Visual Management System，VMS）生產的產品是可視的數字化虛擬產品，但它具有真實產品所反映的特征，包含動態結構及決策、控制、調度、管理等4個機制。虛擬制造作為新出現的技術，它能夠在產品設計開發的各個階段把握產品制造過程的實況，找出各個階段可能出現的問題，有效地協調設計與制造環節的關系，以尋求企業效益的最大化[19]。

◎數字樣機技術

數字樣機（Digital mock-up，DMU）技術興起于20世紀90年代。數字樣機技術是以CAD/CAE/DFx技術為基礎，以機械系統運動學、動力學和控制理論為核心，融合計算機圖形技術、仿真技術以及虛擬現實技術，將多學科的產品設計開發和分析過程集中到一起，使產品的設計者、制造者和使用者在產品設計研制的早期就可以直觀形象地對產品數字原型進行設計優化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產品的研發提供了全新的數字化設計方法[20]。

數字孿生應用價值

數字化技術的變革，推動了數字孿生技術的發展，并且為數字孿生中模型展示、人機交互提供了新的手段，主要體現在支持高效科學的診斷、預測和決策，提高效率，提升各方協同性等方面。

◎航天預測模擬

作為科技最前沿的應用領域，航空航天針對數字孿生技術的應用可以說起源最早。1969年美國的阿波羅項目中，NASA通過制造2個完全相同的航天器，形成“物理孿生”，這是最早期數字孿生技術的雛形。隨著技術的迭代發展，數字孿生技術在航空航天產品研發、故障檢測、系統管控等方面都有著廣泛的應用[21]。

◎數字孿生工廠

數字孿生技術能夠實現資源調配、智能化生產，顯著提高生產效率。數字孿生工廠，意味著把實體的工廠搬到虛擬空間，可以實時獲取工廠中的數據，實現對工廠的實時監控；同時也可以模擬生產過程，優化生產流程；還可以通過數據分析支持智能決策和預測分析。

◎智慧農業管控

數字孿生技術在農業管理方面具有廣泛的應用。在農業上，利用數字孿生技術收集設施溫室內的實時溫度、濕度等數據，利用物聯網設備遠程控制風扇、燈光等設備，保證溫室內農作物的良好發育環境，幫助管理者更加方便、高效地對農作物生長環境進行調整。

◎智慧交通模擬

數字孿生技術將實時采集的交通數據納入到所建立的交通模型體系中，通過大數據分析、人工智能AI和交通仿真技術，實現真實路面交通和虛擬環境的深度融合，比如可以進行車流變化模擬推演，模擬交通信號燈變化，進而更好地規劃交通路線，為管理部門優化交通管理調度提供技術支持。

◎智慧城市

利用數字孿生技術，可以在虛擬網絡空間構建一個與物理世界相對應的孿生城市，通過數據全域標識、狀態精準感知、數據實時分析等，來實現城市的模擬、監控以及控制，解決城市規劃、設計、建設、管理、服務過程中的諸多問題[22]。

目前，數字孿生被廣泛應用于工業制造、智慧農業、智慧城市、智能交通、智慧農業等各大行業領域，作為虛擬仿真的重要領域，數字孿生正以其強大的能力在各個行業中創造前所未有的創新與拓展。

數字孿生在農業中的典型應用案例

國內應用案例

◎數字孿生蔬菜溫室種植平臺

數字孿生蔬菜溫室種植平臺針對現代農業溫室設施場景內外部構造、溫室內常見物聯網傳感器設備、溫室作物以及相關栽培相關器械進行高精度的三維建模，進行實時監測、控制和可視化組態建模，構建虛擬溫室場景。在虛擬溫室中，接入實時物聯網數據，基于HTC Vive雙目視覺設備，實現用戶與虛擬世界的交互體驗，對現實中的蔬菜溫室場景同步仿真運行、虛實交互，如圖1所示。

圖1 數字孿生蔬菜溫室種植平臺技術架構

數字孿生蔬菜溫室種植平臺是以三維場景為依托、生產數據為核心、生產業務為紐帶，為農業打造數字孿生空間，賦能農業安全生產、高效管理和智慧運營。基于數字孿生的蔬菜智慧種植系統，實時監測作物生長數據，間接地提高了單位時間的生產效率，實現了精確控制溫室環境、遠程智能控制溫室內設備，并對作物生長過程進行分析預測，發掘農作物生長過程的需求規律，沉浸式地展現作物生長過程的實時狀態。實時仿真展示設備的真實實時運行，既實現了孿生世界與物理世界的統一，又實現了人、機、物的互聯互通。

目前，該平臺技術已經成功在多地進行應用，例如北京市農林科學院的溫室數字孿生種植系統，如圖2所示。該系統清晰地展示了人機互聯情況，在北京市農林科學院通州區展示基地（通州國際種業園區）進行了實際應用。

圖2 通州國際種業園區虛擬溫室場景控制

◎數字孿生蔬菜新品種交互系統

數字孿生蔬菜新品種交互系統圍繞蔬菜生長發育過程中蔬菜本身的形態結構、新品種的優勢、種植過程的科技運用，采用數字孿生技術，通過外部硬件設備連接，精準控制蔬菜整個生育期的模型生長。

通過不同生育期的交互界面，可以了解蔬菜某一生育期的特征特性及此期應用的技術措施、品質信息等。通過新穎的交互手段，可全面展示農業園區種植技術水平以及新品種的優良品質，為提升蔬菜溢價能力、青少年蔬菜種植技術科普、受眾了解蔬菜產品品質等提供了重要的技術手段。

該系統主要使用了3種關鍵技術：通過使用計算機增強現實技術，對真實環境進行三維空間重構和注冊系統配準（用戶觀察點和計算機生成的虛擬物體精確匹配定位）；使用電子電路控制技術，對蔬菜品種與生產期形態生長動畫進行精準控制；使用計算機圖形圖像技術，真實還原作物各個生長期的外觀與生長過程的精確展示，搭建蔬菜品種增強現實系統，實現用戶定制和選擇所需內容，配合使用硬件控制設備，即可在電子顯示設備上觀看虛擬物體與真實場景合成的虛擬現實效果。

該系統使用的增強現實技術結合了電子電路技術，對虛擬蔬菜品種生長進行精準控制的展覽展示，在互動展覽展示行業屬于創新型展覽展示手段，不僅解決了傳統的增強現實互動展品展示手段單一、對環境光線要求苛刻、檢測結果不穩定等問題，其精準控制虛擬作物生長的功能，還能顯著提升展品的科普性和科學性。在農業作物品種推廣、農業園區展示展覽宣傳等方面，獲得了普遍的認可和好評。

◎數字孿生蔬菜基地數據管控平臺

數字孿生蔬菜基地數據管控平臺以經過保密處理的農業區域三維虛擬仿真和實景數據為支撐，開發三維綜合展示系統，實現農區的三維地圖顯示、瀏覽、查詢功能，并能提供基于三維電子地圖的地圖書簽服務、查詢服務、地圖標記服務。

該平臺設計物聯網數據接口，通過配置參數對傳入的遠程物聯網數據進行數據解析，最后解析數據調用物聯網數據源，再通過基礎框架中的物聯網數據展示模塊進行聯接和展示。系統提供更加專業、優質的應用、推廣、展示與互動的窗口平臺，與地圖服務數據、物聯網數據、相關企業信息數據相關聯，通過對各關鍵數據的調用、解析、處理，應用虛擬地球技術和三維可視化技術，可以快速、直觀、立體地將目標需求進行動態展示，如圖3所示。該平臺基于物聯網技術改造傳統農業，可提升農業各環節智能化程度，使用戶足不出戶地進行農業管理的相關工作，并提高農產品產量，增加農業產值。

圖3 數字孿生蔬菜基地數據管控平臺效果

該平臺被廣泛應用于全國各地，尤其以國家現代農業產業園應用為主。在山東省蘭陵縣蔬菜國家現代農業產業園，結合電子沙盤，平臺對蔬菜基地的數據、農事操作進行管控和展示。在山西省運城市臨猗縣蘋果種植基地，平臺展示了數字孿生在果園的應用場景，提升了果園的信息化水平。

數字孿生在國外農業領域的應用

目前，數字孿生技術在西方國家的農場管理中已得到廣泛應用。如圖4所示，通過將數字孿生技術作為核心技術，打破了地點、時間和人類觀察的限制，使得農業作業不再受物理距離的束縛，從而可以遠程監控、控制和協調農場作業。此外，利用數字孿生技術，農場經營者不僅可以查看農場當前的實際運營狀態，還可以重現歷史狀態，并根據歷史數據模擬未來狀態。這使得農場管理者能夠在出現預期偏差時立即采取行動，降低損失風險。以歐洲的SmartAgriFood項目和Fractals項目為例，它們依托數字孿生技術，應用于牧場奶牛健康狀況檢測、果園病蟲害防治、農場庫存與補給優化管理、魚菜共生管理、農業機械及田間作業管理以及智慧蜂場管理等方面，推動了農業的高效發展[23]。

圖4 數字孿生在農場管理中的應用

◎數字孿生魚菜共生管理

Tan等[24]基于數字孿生技術提出構建一套魚菜共生生產管控平臺。該平臺通過精密的監測和自動控制裝置，以實現裝置中魚類資源和植物資源的最佳平衡。通過各種傳感器設備，該平臺能夠獲取包括溫度、光強度、水流、pH值和溶解鹽在內的各項感測數據。這些數據經過平臺數據層的處理后，將實時傳遞給系統內部的虛擬單元。虛擬單元則通過精密模擬，對魚飼料、魚增重、pH值、硝酸鹽和植物生長等要素進行預測，以尋求整個系統行為的最佳優化。基于這一平臺，能夠實現魚菜產量最大化、廢物最小化、水資源節約化、高質量標準化以及其他多元化的生產目標。

◎數字孿生果園管理

Moghadam等[25]開發了一套創新的果園管理數字孿生系統AgScan3D+。AgScan3D+由旋轉的3D LiDAR和攝像頭組成，可改裝到農用車輛上，用以監控每株植物的狀況。該系統為果園中的每棵果樹以及果樹周圍環境創建數字孿生對象。這些相機通過捕捉植物的健康狀況、結構和果實質量等指標，以3D方式監控每株植物的狀況。該系統能夠持續監控果園生產系統，預測果園壓力、疾病和作物損失。此外，它可以根據環境和管理參數自動分析和模擬不同的場景。這一創新技術有助于更好地管理果園生產，提高果實質量和產量。目前，該系統已經在澳大利亞的芒果園、夏威夷果園、鱷梨園和葡萄園進行了試驗，共計創建了1.5萬棵果樹的數字孿生體。

◎數字孿生牧場管理

Smith[26]將數字孿生技術引入了牧場的數字化管理過程，建立了牧場的數字孿生模型。一方面從牧場業務管理角度入手，對牧場日常管理流程、人員角色分工、牧場供應鏈等進行數字孿生管理，通過改進檢測和測量內容來提高牧場管理能力和執行效率。另一方面，從牧場牛群數字化角度入手，綜合管控牛群數據。基于牛群數字孿生體的歷史和實時數據進行精準控制和疾病發生趨勢預測。通過全面的數據收集，對牧場數字孿生體模型進行修正，提高其預測的精準度，為牧場數字化管理提出最優化的決策方案。在實際應用中，使用該牧場數字孿生系統實時獲取牧場中奶牛實體的所有數據，并根據歷史數據給出每一個奶牛實體的最佳響應策略。通過系統推薦的智能化的管理措施，可以準確預測牧場中奶牛發情周期，并降低奶牛罹患乳腺疾病的概率。

◎數字孿生智慧蜂場管理

氣候變化會對整個生態系統造成較大的影響，對于養蜂業來說其影響更甚。溫度升高和極端降雨使得花蜜產出的時間不穩定，自然資源也變得稀缺。專業養蜂人的數量和蜂蜜的產量都在下降。為了維持蜂蜜的產量，大多數養蜂人士實行遷徙養蜂的方式，這也需要付出較大代價。為了解決這些問題，BEEZON創建了蜂群的數字孿生體，提供了一個實時連續的蜂場數字孿生監控系統。該系統可幫助養蜂人遠程控制其養蜂場并做出正確的管理決策，盡可能減少對蜂群的不合理干擾。該系統基于GPS跟蹤系統和來自各種傳感器的實時數據，包括濕度、外部和內部溫度、孵化溫度和質量。這使得養蜂人可以遠程監控蜂場周邊的植物的花期情況，確定蜂群是否存在病蟲害感染、農藥接觸和毒性，了解蜂箱菌落狀況、菌落動態和菌落衛生，檢查蜂群狀態、蜂蜜儲備管理以及用戶定單通知等。通過該系統，養蜂人將獲得更多便利和幫助，以便更好地管理和保護蜂場。

數字孿生技術前景展望

目前我國正在邁入數字化時代，繼數字技術率先在工業生產領域實現落地應用后，數字化趨勢正在逐步擴展到農業，農業現正處在向數字化轉型的“風口浪尖”[27]。

作為支撐虛擬制造的數字孿生技術，能夠實現物理世界的精準映射，進而借助人工智能等方法有效解決工藝規劃和生產線優化等問題[28]。在蔬菜種植領域，加入數字孿生與人工智能技術，在蔬菜溫室空間管理、蔬菜新品種仿真推廣、蔬菜深度采摘及整體包裝、蔬菜科普知識展示等方面均有廣闊的前景。

目前，我國國情和農情與西方發達國家還存在一定的差距，智慧農業發展至今，僅20個年頭，真正深入到田間地頭的工作還相對較少，只有將智慧農業進一步提升，引入更多的數字孿生技術和人才，才能保障農民的利益，推動農戶增收，實現農業增產增效，進一步縮小我國城鄉居民收入差距，最終實現共同富裕。