基于數(shù)字孿生技術在智慧農業(yè)領域的應用模式探討

摘要：當前，現(xiàn)代農業(yè)向數(shù)字化、智慧化加速轉型已成為必然趨勢。以數(shù)字孿生技術為代表的新一代信息技術與農業(yè)深度融合，正引領智慧農業(yè)邁向創(chuàng)新發(fā)展新階段。如何有效挖掘并應用數(shù)字孿生技術的潛力，構建適配農業(yè)復雜場景的應用模式，已成為實現(xiàn)智慧農業(yè)高質量發(fā)展的關鍵問題。為此，文章系統(tǒng)研究了數(shù)字孿生技術在相關領域的應用模式體系，闡述數(shù)字孿生應用的理論基礎與技術框架，定義通過集成多物理場仿真、實時傳感數(shù)據(jù)與歷史運行信息，創(chuàng)建物理實體或過程的動態(tài)虛擬映射。該虛擬模型能夠反映物理實體的全生命周期狀態(tài)與行為。將數(shù)字孿生應用于農業(yè)領域，可以實現(xiàn)精準管理、智能決策與資源優(yōu)化，幫助農民進行農業(yè)生產的遠程管理和科學決策。文章對數(shù)字孿生技術目前的研究現(xiàn)狀、技術體系結構與重要使能技術進行了梳理，分析其在智慧城市、智慧農業(yè)及工業(yè)領域的應用進展。

關鍵詞：數(shù)字孿生；智慧農業(yè)；虛擬仿真；數(shù)據(jù)驅動；應用場景

中圖分類號：TP18" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）23-0001-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

大力發(fā)展數(shù)字農業(yè)，實施數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略，推動農業(yè)數(shù)字化轉型，是國家實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要手段[1]。安徽省《加快推進數(shù)字經濟高質量發(fā)展行動方案（2024—2026年） 》提出，“按照數(shù)字中國建設戰(zhàn)略及數(shù)字安徽建設要求，以創(chuàng)新為第一動力，以數(shù)據(jù)為關鍵要素，著力提升數(shù)字產業(yè)發(fā)展能級，賦能產業(yè)加速轉型升級，推動數(shù)字技術創(chuàng)新攻關，提高治理數(shù)字化水平，提速數(shù)字基礎設施建設，完善數(shù)字發(fā)展生態(tài)體系”[2]。在數(shù)字經濟快速發(fā)展的背景下，新一代信息技術與實體經濟的深度融合，不僅推動各行業(yè)向數(shù)字化、網絡化、智能化方向轉型升級，更重塑了傳統(tǒng)產業(yè)格局，并孕育出眾多創(chuàng)新性的數(shù)字化轉型模式和新興業(yè)態(tài)。

作為一項關鍵的數(shù)字化轉型賦能技術，數(shù)字孿生通過構建物理農業(yè)系統(tǒng)（如農田、農機、作物） 的虛擬映射，實現(xiàn)其運行過程與行為的數(shù)字化、可視化與動態(tài)模擬。這為農業(yè)領域提供了前所未有的洞察力，賦能精準管理、優(yōu)化資源配置、預測風險并驅動創(chuàng)新，顯著提升農業(yè)生產的智能化水平和可持續(xù)性。本文對數(shù)字孿生技術的產生及主要內容進行了詳細介紹，旨在探討數(shù)字孿生技術在農業(yè)領域的應用，并梳理其核心概念與技術體系，重點探討其在智慧農業(yè)中的典型應用場景與發(fā)展?jié)摿Γ瑸樽x者提供對數(shù)字孿生技術及其應用的全面理解，并為未來研究與應用提供參考。

1 數(shù)字孿生技術的概念與發(fā)展背景

數(shù)字孿生的力量在于其交叉學科內核。通過融合物理建模、傳感網聯(lián)、數(shù)據(jù)智能和交互可視化，它構建起理解與駕馭物理世界復雜性的綜合能力平臺，為精準決策、效率提升和創(chuàng)新孵化提供核心引擎。其綜合應用了計算機科學、人工智能、數(shù)據(jù)分析、建模與仿真等技術，旨在提供一個數(shù)字化方案，以更好地理解和解決現(xiàn)實世界的問題。該概念的產生背景源于對物理世界與數(shù)字世界融合需求和技術發(fā)展的推動。

“數(shù)字孿生”理念的早期實踐可追溯至20世紀60年代美國NASA的阿波羅登月計劃[3]。為最大限度保障任務成功并預判風險，NASA為執(zhí)行月球任務的航天器創(chuàng)建了一個物理形態(tài)與內部系統(tǒng)高度一致的地面實體模型。該模型被置于地球上的模擬環(huán)境中，通過復現(xiàn)極端太空條件（如真空、熱循環(huán)） 并執(zhí)行完整的任務流程仿真實驗，工程師得以評估、預測并驗證實際飛行器在深空環(huán)境中的狀態(tài)響應、性能邊界及潛在故障模式，為任務控制提供關鍵決策依據(jù)。這一物理孿生體的實踐是現(xiàn)代數(shù)字孿生概念的重要雛形。至2002年前后，密歇根大學Michael Graves教授[4]提出了“物理產品的虛擬數(shù)字化表達”這一前瞻性概念，并構建了一個能夠模擬真實設備運行狀態(tài)的數(shù)字模型。盡管當時尚未采用“數(shù)字孿生”這一術語，但該模型已具備數(shù)字孿生的核心特征，為數(shù)字孿生的進一步發(fā)展奠定了基礎。經過近十年的理論完善和技術發(fā)展，Michael Graves[5]教授在2011年出版的著作《幾乎完美：通過PLM驅動創(chuàng)新和精益產品》中正式采納了John Vickers提出的“數(shù)字孿生”術語，標志著該技術概念的最終確立。

隨后，“數(shù)字孿生”這一概念的提出在學術界和工業(yè)界掀起了持續(xù)的研究與應用浪潮。2011年，美國空軍研究實驗室聯(lián)合NASA首次對該技術進行了明確定義，指出其本質是集成多物理場、多尺度特征的隨機仿真系統(tǒng)，該模型能夠預測飛行器健康狀態(tài)及剩余壽命，并觸發(fā)自修復機制或任務調整策略[4]。Grieves[6]等人在2017年深化了這一理論框架，提出數(shù)字孿生是涵蓋從微觀原子層面到宏觀幾何結構的全域數(shù)字化表達體系，可為產品檢測提供完備的數(shù)據(jù)支持。同時，莊存波[7]和陶飛[8]等人從PLM（產品生命周期管理） 視角切入，強調其通過整合物理數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)及交互數(shù)據(jù)實現(xiàn)產品的實時數(shù)字映射。Hagg[9]等人則提出數(shù)字孿生作為產品的全息數(shù)字化表征，能夠基于模型和數(shù)據(jù)準確復現(xiàn)產品在真實環(huán)境中的行為特征。

數(shù)字孿生技術已成為行業(yè)領軍企業(yè)提升競爭力的重要工具，其應用深度遠超概念階段：

西門子（Siemens） 在制造業(yè)率先實現(xiàn)了“數(shù)字孿生工廠”的規(guī)模化應用。通過建立工廠物理實體的高精度虛擬副本并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)同步，該方案支持對復雜制造過程進行持續(xù)監(jiān)控、仿真推演與自主優(yōu)化，成為推動生產效率提升、運營成本壓縮及資源精準配置的核心引擎。羅蘭貝格（Roland Berger） 將其專業(yè)知識與數(shù)字孿生結合，革新了建筑與基礎設施項目的管理方式。他們開發(fā)的孿生平臺構建了從設計模型到運營數(shù)據(jù)的統(tǒng)一數(shù)字線程，為項目團隊（包括設計師、工程師、業(yè)主方） 提供了貫穿規(guī)劃、建造、運維全過程的協(xié)同決策支持能力，特別是在設計優(yōu)化驗證、施工風險預控及設施智能管理方面成效顯著。

如上所述，數(shù)字孿生技術建立起覆蓋產品全流程的數(shù)據(jù)治理架構，其核心在于構建物理實體與虛擬模型間的動態(tài)、高保真映射[10]。通過實時數(shù)據(jù)驅動，數(shù)字孿生能夠實現(xiàn)對目標對象的智能識別、狀態(tài)監(jiān)測與動態(tài)追蹤，并借助仿真分析能力，進行性能預測、故障診斷與優(yōu)化決策，貫穿產品或系統(tǒng)的整個生命周期。

2 數(shù)字孿生技術架構

數(shù)據(jù)采集與傳輸層是數(shù)字孿生體系的底層，為上層應用提供可靠、持續(xù)的數(shù)據(jù)支持。該層面涵蓋三項關鍵環(huán)節(jié)：高性能傳感器的實時數(shù)據(jù)采集、超高速鏈路的數(shù)據(jù)高速傳輸，以及貫穿全生命周期的數(shù)據(jù)管理[11]。

在此之上，建模分析層接收底層數(shù)據(jù)，并采用多尺度方法建立高精度模型。借助這一模型，系統(tǒng)能夠與對應的物理對象保持虛實聯(lián)動，并對未來運行狀態(tài)、剩余壽命進行預測，同時評估在特定工況下完成任務的可靠性[12]。

數(shù)字孿生功能層進一步釋放數(shù)字孿生的工程價值，提供多樣化的應用服務，包括：分層級壽命預測、集群性能評估、群體維護管理、生產流程監(jiān)控及設計決策支撐等。各功能模塊遵循模塊化設計，可按實際場景靈活組合，從而充分展現(xiàn)數(shù)字孿生技術的實用性與工程意義。

沉浸式體驗層提供先進的人機交互界面（如VR/AR） ，通過多通道感知（視覺、聽覺，未來可能融合觸覺等） 與直觀的數(shù)據(jù)可視化，幫助用戶深入理解復雜系統(tǒng)特性，進行虛擬操作與仿真實驗，支持設計優(yōu)化、運維決策與培訓等活動[13]。用戶友好性與交互便捷性是其關鍵設計原則[14]。未來系統(tǒng)將融合觸覺、動覺等多維感知通道，突破視聽局限。通過AI驅動的隱性知識萃取，用戶可解析實體無法直接獲取的系統(tǒng)參數(shù)與模型特性，在研發(fā)生命周期與運維全周期實現(xiàn)精準優(yōu)化。沉浸式交互層始終以零門檻操作為核心設計準則[15]。數(shù)字孿生技術體系的實現(xiàn)如圖1所示。

3 數(shù)字孿生關鍵使能技術

使能技術（enabling technology） ，在“使能技術”這一概念上，國內外都沒有對其進行嚴格的界定。概括而言，使能技術是為了完成任務而具有廣泛應用、多學科特點、實現(xiàn)目標的一項或一系列技術。

3.1 物聯(lián)網

物聯(lián)網通過部署大量帶有傳感器和執(zhí)行器的設備，這些探測器和執(zhí)行器與其他實體、系統(tǒng)和平臺一起積累、分析和分發(fā)信息。“物聯(lián)網”一詞由凱文·阿什頓（Kevin Ashton） 于1999年引入。物聯(lián)網設備的使用在全球范圍內廣泛普及，對我們的日常生活產生重大影響，無論是在醫(yī)療保健系統(tǒng)、交通還是通信領域都有密切關系，也在智慧城市和智能建筑等新興行業(yè)中獲得應用。由于數(shù)字孿生依賴于物理對象與虛擬模型間的數(shù)據(jù)自動通信，因此物聯(lián)網是創(chuàng)建數(shù)字孿生應用程序過程中的基本組成單元。

3.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是整合來自各種來源的數(shù)據(jù)、推斷和預測決策、實現(xiàn)競爭優(yōu)勢并協(xié)助戰(zhàn)略決策的過程。在電子分析、數(shù)據(jù)挖掘、可視化分析、大數(shù)據(jù)分析和認知分析等多個領域得到了發(fā)展。此外，數(shù)據(jù)分析涉及大量數(shù)據(jù)操作和計算，以識別模式和其他有用信息。由于物聯(lián)網收集了大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析成為DT的又一種使能技術，以便應用程序得出結論并顯示相關信息，從而使用戶能夠做出最優(yōu)決策。

3.3 云計算

云計算技術為數(shù)字孿生提供了可擴展性和可用性，使得計算和控制任務可以從本地環(huán)境轉移到遠程服務器，從而使數(shù)字孿生能夠處理復雜流程并確保高效無縫的可用性。由于數(shù)字孿生模型需要創(chuàng)建與真實世界中對象非常相似的虛擬副本，因此需要具備數(shù)據(jù)采集、存儲和處理能力，用以收集和分析來自各種來源的大量數(shù)據(jù)，包括傳感器、物聯(lián)網設備及其他數(shù)據(jù)生成組件。云計算的彈性確保了數(shù)字孿生能夠適應不斷增加的工作負載，并無縫應對計算需求。

3.4 人工智能

人工智能（AI） 及其子類別（如機器學習和深度學習） 將數(shù)據(jù)和信息提取的操作提升到了更高水平。通過使用人工智能及其子類別，數(shù)字孿生正從單純的數(shù)字對象轉變?yōu)橹悄軐嶓w。此外，人工智能有時可以更有效地解決問題，從而減少用戶在問題處理中所花費的時間和成本。

3.5 數(shù)據(jù)可視化

雖然數(shù)據(jù)可視化本身不是一項技術，但它在實施完整的數(shù)字孿生模型中至關重要。由于數(shù)字孿生提供了大量的數(shù)據(jù)信息，相關數(shù)據(jù)必須以用戶可以理解的方式呈現(xiàn)（例如圖形表示） ，從而使其能夠專注于重要內容，而不會因大量技術數(shù)據(jù)而分散注意力。

4 相關應用領域的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 智慧城市中的數(shù)字孿生

隨著全球城市化加速，數(shù)字孿生技術正成為提升城市韌性的關鍵工具。通過建立城市物理系統(tǒng)（基礎設施與能源網絡） 的高保真虛擬模型，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)變化的實時預測與措施預演。其預測機制基于全域基礎設施歷史數(shù)據(jù)流，并可通過假設情景仿真評估風險，生成預防策略。這使決策者能夠精準認知城市在經濟、環(huán)境、社會多重壓力下的適應能力，主動阻斷系統(tǒng)性失效。

4.2 工業(yè)領域的數(shù)字孿生

目前，數(shù)字孿生技術主要應用于工業(yè)產品全生命周期，實現(xiàn)物理資產的數(shù)字化呈現(xiàn)與操作過程模擬。2016年，通用電氣（GE） 通過專利申請報告了數(shù)字孿生技術的應用。GE開發(fā)了名為“Predix”的工業(yè)物聯(lián)網平臺，可用于創(chuàng)建數(shù)字孿生。Predix用于監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)，其應用包括編程和物流、互連資產、智能環(huán)境、工業(yè)分析、資產和應用程序性能管理以及功能優(yōu)化。秉承工業(yè)4.0理念，西門子開發(fā)了名為“MindSphere”的基于云的平臺，將物理基礎設施和機器連接到數(shù)字孿生。MindSphere能夠提供數(shù)字孿生解決方案，依托數(shù)十億個數(shù)據(jù)流和所有希望實現(xiàn)業(yè)務轉型并提供數(shù)字孿生解決方案的連接設備。

4.3 農業(yè)領域的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術在農業(yè)智能化進程中發(fā)揮著日益重要的作用。在農場經營視角下，該技術正在深刻重塑現(xiàn)代農業(yè)生產模式。通過建立農場三維數(shù)字模型，可以模擬極端天氣事件對農作物產量的影響程度；系統(tǒng)集成多維度生態(tài)因子分析能力，精準監(jiān)測模塊實時獲取兩大關鍵指標——土壤養(yǎng)分剖面和水分保持效能。基于作物生長模型，動態(tài)計算各發(fā)育期對礦質營養(yǎng)、光輻射、灌溉定額的差異化需求，最終構建全鏈路農產品溯源體系[16]。在國際應用方面，全球實踐印證了技術的普適性，如巴斯夫農業(yè)公司在多氣候帶建立試驗田，驗證農資產品區(qū)域適應性；美國IBM農業(yè)數(shù)字鏡像集成環(huán)境匯聚大數(shù)據(jù)，開發(fā)預測性決策引擎。

在我國農業(yè)數(shù)字化升級進程中，浙江率先開展了多項探索。省政府將“三農”數(shù)字化、智能化列為重點工程，并將虛擬仿真深度嵌入現(xiàn)代農業(yè)體系，提出了“生產+文旅+消費”的融合新模式。如圖2所示，智能魚塘場景將養(yǎng)殖與休閑娛樂跨界打通：通過物聯(lián)網終端對接線下魚塘，實現(xiàn)全場景、全生命周期管理；借助數(shù)字孿生平臺，搭建線上線下一體化運營體系。線上方面，電商銷售和直播帶貨等數(shù)字營銷渠道貫通；線下則疊加休閑垂釣、健康餐飲等體驗服務。此外，還推出“云認養(yǎng)”眾籌養(yǎng)殖、虛擬寵物互動游戲等創(chuàng)新功能，最終形成集生產管理、休閑娛樂與消費體驗于一體的農業(yè)元宇宙示范[17]。

5 結束語

本文回顧了數(shù)字孿生在智慧城市、工業(yè)及農業(yè)等領域的應用案例（除醫(yī)療健康領域外） ，如數(shù)字孿生技術助力城市建設、工業(yè)領域以及智慧農業(yè)的發(fā)展。闡述了數(shù)字孿生的研究發(fā)展現(xiàn)狀、技術體系結構以及各種關鍵使能技術的實踐路徑與技術賦能機制。

文中通過分析數(shù)字孿生的關鍵使能技術，介紹了五大使能技術。隨著未來技術的進步，數(shù)字孿生正在經歷前所未有的增長。從已發(fā)表的科學論文以及相關部門的大量應用來看，數(shù)字孿生的應用前景非常廣闊。這些使能技術的進步是數(shù)字孿生得以發(fā)展的關鍵驅動力，也是實現(xiàn)數(shù)字孿生潛力的基礎。雖然目前數(shù)字孿生的大多數(shù)應用都集中在制造工業(yè)領域，但隨著相關使能技術的不斷成熟以及各行業(yè)對數(shù)字孿生技術的需求增長，未來數(shù)字孿生技術將會廣泛應用于各行各業(yè)。在全球化競爭的推動下，數(shù)字孿生市場規(guī)模快速增長，其在農業(yè)領域的應用前景將尤為廣闊。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】