基于數(shù)字孿生技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用模式探討

摘要：當(dāng)前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向數(shù)字化、智慧化加速轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢。以數(shù)字孿生技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)深度融合，正引領(lǐng)智慧農(nóng)業(yè)邁向創(chuàng)新發(fā)展新階段。如何有效挖掘并應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的潛力，構(gòu)建適配農(nóng)業(yè)復(fù)雜場景的應(yīng)用模式，已成為實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵問題。為此，文章系統(tǒng)研究了數(shù)字孿生技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用模式體系，闡述數(shù)字孿生應(yīng)用的理論基礎(chǔ)與技術(shù)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以實現(xiàn)精準管理、智能決策與資源優(yōu)化，幫助農(nóng)民進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的遠程管理和科學(xué)決策。文章對數(shù)字孿生技術(shù)目前的研究現(xiàn)狀、技術(shù)體系結(jié)構(gòu)與重要使能技術(shù)進行了梳理，分析其在智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；智慧農(nóng)業(yè)；虛擬仿真；數(shù)據(jù)驅(qū)動；應(yīng)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(xué)（資源服務(wù)） 標識碼（OSID）

0 引言

大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，實施數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略，推動農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)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(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展行動方案（2024—2026年） 》提出，“按照數(shù)字中國建設(shè)戰(zhàn)略及數(shù)字安徽建設(shè)要求，以創(chuàng)新為第一動力，以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素，著力提升數(shù)字產(chǎn)業(yè)發(fā)展能級，賦能產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級，推動數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)，提高治理數(shù)字化水平，提速數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善數(shù)字發(fā)展生態(tài)體系”[2]。在數(shù)字經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，新一代信息技術(shù)與實體經(jīng)濟的深度融合，不僅推動各行業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級，更重塑了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)格局，并孕育出眾多創(chuàng)新性的數(shù)字化轉(zhuǎn)型模式和新興業(yè)態(tài)。

作為一項關(guān)鍵的數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能技術(shù)，數(shù)字孿生通過構(gòu)建物理農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（如農(nóng)田、農(nóng)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(nóng)業(yè)領(lǐng)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(yù)測風(fēng)險并驅(qū)動創(chuàng)新，顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平和可持續(xù)性。本文對數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)生及主要內(nèi)容進行了詳細介紹，旨在探討數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并梳理其核心概念與技術(shù)體系，重點探討其在智慧農(nóng)業(yè)中的典型應(yīng)用場景與發(fā)展?jié)摿Γ瑸樽x者提供對數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用的全面理解，并為未來研究與應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的概念與發(fā)展背景

數(shù)字孿生的力量在于其交叉學(xué)科內(nèi)核。通過融合物理建模、傳感網(wǎng)聯(lián)、數(shù)據(jù)智能和交互可視化，它構(gòu)建起理解與駕馭物理世界復(fù)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(yīng)用了計算機科學(xué)、人工智能、數(shù)據(jù)分析、建模與仿真等技術(shù)，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(chǎn)生背景源于對物理世界與數(shù)字世界融合需求和技術(shù)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(wù)成功并預(yù)判風(fēng)險，NASA為執(zhí)行月球任務(wù)的航天器創(chuàng)建了一個物理形態(tài)與內(nèi)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(fù)現(xiàn)極端太空條件（如真空、熱循環(huán)） 并執(zhí)行完整的任務(wù)流程仿真實驗，工程師得以評估、預(yù)測并驗證實際飛行器在深空環(huán)境中的狀態(tài)響應(yīng)、性能邊界及潛在故障模式，為任務(wù)控制提供關(guān)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(xué)Michael Graves教授[4]提出了“物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化表達”這一前瞻性概念，并構(gòu)建了一個能夠模擬真實設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)字模型。盡管當(dāng)時尚未采用“數(shù)字孿生”這一術(shù)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(chǔ)。經(jīng)過近十年的理論完善和技術(shù)發(fā)展，Michael Graves[5]教授在2011年出版的著作《幾乎完美：通過PLM驅(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》中正式采納了John Vickers提出的“數(shù)字孿生”術(shù)語，標志著該技術(shù)概念的最終確立。

隨后，“數(shù)字孿生”這一概念的提出在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界掀起了持續(xù)的研究與應(yīng)用浪潮。2011年，美國空軍研究實驗室聯(lián)合NASA首次對該技術(shù)進行了明確定義，指出其本質(zhì)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(yù)測飛行器健康狀態(tài)及剩余壽命，并觸發(fā)自修復(fù)機制或任務(wù)調(diào)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(jié)構(gòu)的全域數(shù)字化表達體系，可為產(chǎn)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(chǎn)品生命周期管理） 視角切入，強調(diào)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(chǎn)品的實時數(shù)字映射。Hagg[9]等人則提出數(shù)字孿生作為產(chǎn)品的全息數(shù)字化表征，能夠基于模型和數(shù)據(jù)準確復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品在真實環(huán)境中的行為特征。

數(shù)字孿生技術(shù)已成為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)提升競爭力的重要工具，其應(yīng)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(yīng)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(fù)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(chǎn)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(jié)合，革新了建筑與基礎(chǔ)設(shè)施項目的管理方式。他們開發(fā)的孿生平臺構(gòu)建了從設(shè)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(shè)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(shè)計優(yōu)化驗證、施工風(fēng)險預(yù)控及設(shè)施智能管理方面成效顯著。

如上所述，數(shù)字孿生技術(shù)建立起覆蓋產(chǎn)品全流程的數(shù)據(jù)治理架構(gòu)，其核心在于構(gòu)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(qū)動，數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(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(yù)測、故障診斷與優(yōu)化決策，貫穿產(chǎn)品或系統(tǒng)的整個生命周期。

2 數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

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(yīng)用提供可靠、持續(xù)的數(shù)據(jù)支持。該層面涵蓋三項關(guān)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(yīng)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(yù)測，同時評估在特定工況下完成任務(wù)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(yīng)用服務(wù)，包括：分層級壽命預(yù)測、集群性能評估、群體維護管理、生產(chǎn)流程監(jiān)控及設(shè)計決策支撐等。各功能模塊遵循模塊化設(shè)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(shù)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(fù)雜系統(tǒng)特性，進行虛擬操作與仿真實驗，支持設(shè)計優(yōu)化、運維決策與培訓(xùn)等活動[13]。用戶友好性與交互便捷性是其關(guān)鍵設(shè)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(qū)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(shè)計準則[15]。數(shù)字孿生技術(shù)體系的實現(xiàn)如圖1所示。

3 數(shù)字孿生關(guān)鍵使能技術(shù)

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

3.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)通過部署大量帶有傳感器和執(zhí)行器的設(shè)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(wǎng)”一詞由凱文·阿什頓（Kevin Ashton） 于1999年引入。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用在全球范圍內(nèi)廣泛普及，對我們的日常生活產(chǎn)生重大影響，無論是在醫(yī)療保健系統(tǒng)、交通還是通信領(lǐng)域都有密切關(guān)系，也在智慧城市和智能建筑等新興行業(yè)中獲得應(yīng)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(wǎng)是創(chuàng)建數(shù)字孿生應(yīng)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(yù)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(lǐng)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(wǎng)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(shù)，以便應(yīng)用程序得出結(jié)論并顯示相關(guān)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(shù)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(wù)可以從本地環(huán)境轉(zhuǎn)移到遠程服務(wù)器，從而使數(shù)字孿生能夠處理復(fù)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(wǎng)設(shè)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(yīng)不斷增加的工作負載，并無縫應(yīng)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(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)） 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(zhuǎn)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(shù)，但它在實施完整的數(shù)字孿生模型中至關(guān)重要。由于數(shù)字孿生提供了大量的數(shù)據(jù)信息，相關(guān)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?qū)Ｗ⒂谥匾獌?nèi)容，而不會因大量技術(shù)數(shù)據(jù)而分散注意力。

4 相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)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(shù)正成為提升城市韌性的關(guān)鍵工具。通過建立城市物理系統(tǒng)（基礎(chǔ)設(shè)施與能源網(wǎng)絡(luò)） 的高保真虛擬模型，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)變化的實時預(yù)測與措施預(yù)演。其預(yù)測機制基于全域基礎(chǔ)設(shè)施歷史數(shù)據(jù)流，并可通過假設(shè)情景仿真評估風(fēng)險，生成預(yù)防策略。這使決策者能夠精準認知城市在經(jīng)濟、環(huán)境、社會多重壓力下的適應(yīng)能力，主動阻斷系統(tǒng)性失效。

4.2 工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字孿生

目前，數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)物理資產(chǎn)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(shù)的應(yīng)用。GE開發(fā)了名為“Predix”的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用包括編程和物流、互連資產(chǎn)、智能環(huán)境、工業(yè)分析、資產(chǎn)和應(yīng)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(chǔ)設(shè)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(wù)轉(zhuǎn)型并提供數(shù)字孿生解決方案的連接設(shè)備。

4.3 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化進程中發(fā)揮著日益重要的作用。在農(nóng)場經(jīng)營視角下，該技術(shù)正在深刻重塑現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。通過建立農(nóng)場三維數(shù)字模型，可以模擬極端天氣事件對農(nóng)作物產(chǎn)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(guān)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(zhì)營養(yǎng)、光輻射、灌溉定額的差異化需求，最終構(gòu)建全鏈路農(nóng)產(chǎn)品溯源體系[16]。在國際應(yīng)用方面，全球?qū)嵺`印證了技術(shù)的普適性，如巴斯夫農(nóng)業(yè)公司在多氣候帶建立試驗田，驗證農(nóng)資產(chǎn)品區(qū)域適應(yīng)性；美國IBM農(nóng)業(yè)數(shù)字鏡像集成環(huán)境匯聚大數(shù)據(jù)，開發(fā)預(yù)測性決策引擎。

在我國農(nóng)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(nóng)”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(nóng)業(yè)體系，提出了“生產(chǎn)+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(wǎng)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(wù)。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(chǎn)管理、休閑娛樂與消費體驗于一體的農(nóng)業(yè)元宇宙示范[17]。

5 結(jié)束語

本文回顧了數(shù)字孿生在智慧城市、工業(yè)及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用案例（除醫(yī)療健康領(lǐng)域外） ，如數(shù)字孿生技術(shù)助力城市建設(shè)、工業(yè)領(lǐng)域以及智慧農(nóng)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(shù)體系結(jié)構(gòu)以及各種關(guān)鍵使能技術(shù)的實踐路徑與技術(shù)賦能機制。

文中通過分析數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)，介紹了五大使能技術(shù)。隨著未來技術(shù)的進步，數(shù)字孿生正在經(jīng)歷前所未有的增長。從已發(fā)表的科學(xué)論文以及相關(guān)部門的大量應(yīng)用來看，數(shù)字孿生的應(yīng)用前景非常廣闊。這些使能技術(shù)的進步是數(shù)字孿生得以發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力，也是實現(xiàn)數(shù)字孿生潛力的基礎(chǔ)。雖然目前數(shù)字孿生的大多數(shù)應(yīng)用都集中在制造工業(yè)領(lǐng)域，但隨著相關(guān)使能技術(shù)的不斷成熟以及各行業(yè)對數(shù)字孿生技術(shù)的需求增長，未來數(shù)字孿生技術(shù)將會廣泛應(yīng)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(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將尤為廣闊。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】