0 引言

全球氣候變暖問題是人類生存面對的巨大挑戰(zhàn)和危險[1]。我國為著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。在此背景下，各行各業(yè)的節(jié)能減排顯得尤為重要。中國作為耕地廣闊的農(nóng)業(yè)大國，有著較大的碳減排空間，農(nóng)業(yè)減排刻不容緩。本研究將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與數(shù)字孿生等數(shù)字技術進行結合，映射出一個數(shù)字模型，監(jiān)測自動化農(nóng)場整體運行的全生命周期過程，觀察農(nóng)作物不同生長過程的變換，還可以綜合評估農(nóng)作物的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，便于管理優(yōu)化，節(jié)能減排。

1 數(shù)字孿生

1.1 數(shù)字孿生的概述

數(shù)字孿生最初是用于飛行器的維護保障，通過在數(shù)字空間建立實物對應的模型，憑借傳感器同步現(xiàn)實狀態(tài)，以此比較是否需要維修[2]。數(shù)字孿生是根據(jù)物理模型、傳感器更新、運行歷史等實體數(shù)據(jù)，利用不同信息技術，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期，觀察項目各過程的實時反饋[3]。其可以為技術管理人員提供直觀的狀態(tài)展示和詳細的數(shù)據(jù)分析，有利于提高整體效率，降低各過程風險，便于后期優(yōu)化[4]。

1.2 數(shù)字孿生的應用價值

數(shù)字孿生具有較強的實際應用價值，經(jīng)濟上，基于數(shù)字孿生理論可以建立現(xiàn)實同步的數(shù)字模型，便于管理人員了解現(xiàn)狀，進行調整，降低風險和成本，還可以向客戶群體詳細介紹產(chǎn)品，吸引消費，有效促進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展；生態(tài)方面，數(shù)字孿生體的構建能夠有效提供生態(tài)環(huán)境決策的科學依據(jù)，實現(xiàn)對環(huán)境管理的各個實體要素進行動態(tài)監(jiān)測、預測，方便工程師進行決策，對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，以此節(jié)能減排；文化領域，數(shù)字孿生為文化遺產(chǎn)的傳播展示提供了更多可行性，提供各種可視化互動體驗，增加文化遺產(chǎn)資源的傳遞性，衍生出更多新興文化資源，給文化遺產(chǎn)保護傳承與開發(fā)利用增加了更多的可行性；社會層面，數(shù)字孿生技術推動城市智能化建設，減少公共資源的浪費，其作為前沿概念，促進多個領域的產(chǎn)業(yè)融合升級，形成更加完整的產(chǎn)業(yè)鏈，推動科技創(chuàng)新，加快各行業(yè)向現(xiàn)代化的方向發(fā)展。

2 智慧農(nóng)場

智慧農(nóng)場以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，與云計算技術、大數(shù)據(jù)技術、人工智能、移動通信技術、自動控制技術等結合，實現(xiàn)了智能化的生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)效率和品質[5]。但在中國，由于人多地少，地輻遼闊，情況復雜，智慧農(nóng)場并沒有得到廣泛運用。

中國農(nóng)業(yè)碳排放占溫室氣體總量的16%-17%，高于全球的平均值[6]，大氣中每年有5%-20%的CO2，15%-30%的CH4，80%-90%的N2O來源于土壤[7]。農(nóng)業(yè)碳排放主要來源于土壤，農(nóng)業(yè)減排重在對作土壤碳排放進行監(jiān)測計算，優(yōu)化種植方法。比起傳統(tǒng)種植，智慧農(nóng)場生產(chǎn)不僅效率高，還產(chǎn)量高，更適合時代綠色可持續(xù)發(fā)展的趨勢，有利于農(nóng)業(yè)減排。但智慧農(nóng)場還存在許多不足，其尚未建立規(guī)范準確的評估體系，缺乏對農(nóng)場的實時反饋，產(chǎn)出作物經(jīng)濟價值的評估，碳排放的測量計算，生態(tài)效益的評估能力。

針對這些問題，本研究基于數(shù)字孿生的理論設計了智慧農(nóng)場節(jié)能減排系統(tǒng)設計評估模型。

3 基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)場節(jié)能減排系統(tǒng)設計方案

在此基礎下，本研究設計一個基于數(shù)字孿生的智慧農(nóng)場系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測，評估農(nóng)場的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，最終為節(jié)能減排優(yōu)化提供參考。

3.1 智慧農(nóng)場數(shù)字投影及硬件搭建

智慧農(nóng)場數(shù)字孿生模型實現(xiàn)流程如圖1所示，計劃使用氣體，溫濕度和光學傳感器檢測農(nóng)作物的生長環(huán)境情況，使用嵌入式系統(tǒng)對傳感器數(shù)據(jù)進行采集處理，并通過無線節(jié)點上傳到服務器[8]。然后進行調試，確保設備工作狀態(tài)正常，編寫接收數(shù)據(jù)的后端平臺，使智慧農(nóng)場的數(shù)據(jù)可以實時接受，利用unity、unity reflect搭建虛擬模型，通過http方式從服務端實時獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，在unityreflect中實時對映射的虛擬設備的驅動，實現(xiàn)智慧農(nóng)場的全生命周期的展現(xiàn)。

3.2 經(jīng)濟效益與生態(tài)效益綜合評估模型

為了建立經(jīng)濟效益與生態(tài)效益綜合評估模型，我們需要對生產(chǎn)過程中排放出的溫室氣體量和農(nóng)作物經(jīng)濟效益進行評估，具體流程如圖2所示。在經(jīng)濟效益方面，本文選取了最為直觀的計算方式，根據(jù)農(nóng)作物單價及產(chǎn)量進行計算，公式如下：

圖2 評估模型流程圖

E=P·Q

式中：

E：經(jīng)濟效益；

P：農(nóng)作物平均售賣單價；

Q：農(nóng)作物對應產(chǎn)量。

在生態(tài)效益方面，根據(jù)現(xiàn)有研究資料顯示，土壤排放出溫室氣體主要為CO2、N2O、CH4，本文主要針對這3種溫室氣體的釋放量進行評估。由于氣體傳感器無法精確測量計算生產(chǎn)過程中的碳排放，所以本研究還采用靜態(tài)箱氣相色譜法結合LGR’S溫室氣體分析儀來測算計算氣體排放通量進而構建評估模型。

3.2.1 靜態(tài)箱——氣象色譜法

靜態(tài)箱法主要原理則是將密閉箱體覆蓋于土壤-植被體系之上，通過測定密閉箱體內氣態(tài)物質濃度的變化速率來計算陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣界面物質的交換通量[9]，該方法操作簡單，采集時間間隔可由實驗者自己決定。氣相色譜具有分離效率高，分析速度快，檢測靈敏度高，結果精度高的優(yōu)點。但因箱內溫度、濕度等因素影響，箱內難以處于長期穩(wěn)定的自然狀，且在采集、存儲和運輸過程中人為誤差難以避免，所以采集氣體性質也可能改變。此外，氣象色譜儀本身價格比較昂貴，管理成本也較為昂貴、操作復雜，所以難以普及。

3.2.2 氣體測定具體操作

本研究設計先使用靜態(tài)箱——氣象色譜法采集樣本氣體，再通過型號為908-0015-0000的LosGatosResearchN2O/COAnalyzer和型號為908-0011-0001的LosGatosResearchCH4/CO2Analyzer的溫室氣體分析儀測出在單位時間內的溫室氣體中的CH4，CO2以及N2O的氣體濃度變化，最后利用公式計算得出氣體釋放通量。

具體操作如下：

本研究設計采用密閉式靜態(tài)箱人工觀測方法，使用直徑38.7cm、高30cm的不銹鋼靜態(tài)箱，進行氣體收集。在進行作物播種之后，于作物行間安裝靜態(tài)箱底座，埋入5cm左右地表下，保證底座周圍土壤緊實，無氣體流通即可。整個作物生長季節(jié)底座不再移動。取樣時，采樣箱垂直安放在底座凹槽內并用水密封，來保證箱內氣體不與大氣進行氣體交換。

設計在作物生長階段，設置同類對照組，每間隔15天進行一次采集氣體樣本，分別于采集日的早上6:00、中午12:00、下午18:00點進行樣本采集，每次抽氣持續(xù)時間10min。采樣前，將箱內頂部風扇打開，使箱內氣體混和均勻，在蓋箱之后的0min、10min、20min和30min的時間點，用50ml注射器從箱中抽取氣體，通過旋轉三通閥轉移到0.5L的氣體采樣袋中備測。箱內插有箱溫計，可測出箱內溫度，箱內地上插有地溫計，也可測出抽氣前后的地溫的變化情況[10]。

最后將采集好的溫室氣體帶回實驗室，用LGR’S溫室氣體分析儀測出溫室氣體CH4、CO2和N2O在單位時間內氣體濃度變化，然后利用如下公式計算得出氣體釋放通量：

式中：

F：排放通量（mg·m-2·h-1）；

V：靜態(tài)箱體積；

A：靜態(tài)箱底座面積；

P0：標準狀況下大氣壓強（101.325kPa）；

Ps：樣品采集地大氣壓強；

ρ：標準大氣壓下的CH4、N2O和CO2密度，分別為0.717kg·m-3、1.978kg·m-3、1.977 kg·m-3；

T0：標準狀態(tài)下的溫度273.2k；

T：是取樣時靜態(tài)箱體內絕對溫度（K）。

3.2.3 模型的建立

農(nóng)業(yè)碳排放主要來源于土壤，其中，在現(xiàn)有技術情況下，土壤碳排放中具有較大影響的主要氣體有CH4，CO2以及N2O。

針對以上三種氣體對溫室效應影響程度進行量化分析，本研究參考了IPCC計算的全球變暖潛能值GWP。GWP以CO2為參考指標評價各溫室氣體對氣候變暖的影響。

表1 20年全球變暖潛能值（GWP）[11]

根據(jù)20年GWP對3種溫室氣體對氣候產(chǎn)生的影響進行量化，由排放氣體量*變暖潛能比值進行總體量化。由于排放溫室氣體對氣候變暖量化值對生態(tài)環(huán)境呈負相關所以生態(tài)效益為負指標。

結合在3.2.2中所測得的氣體排放通量，得出計算公式如下：

式中：

C：生態(tài)效益，即3種溫室氣體對氣候產(chǎn)生影響的量化值；

GWPx：各氣體的全球增溫潛能；

Fx：生產(chǎn)前各氣體排放通量；

Fxn：各氣體各測量時間段氣體排放通量；

txn：各氣體的各測量時間段。

本研究認為經(jīng)濟效益與生態(tài)效益同樣重要，賦予兩者權重皆為0.5，然后將經(jīng)濟效益和生態(tài)效益數(shù)據(jù)分別進行正負向歸一化，乘以權重相加得最終評估得分，計算公式如下：

S=0.5·E+0.5·C

式中：

S：最終評估得分；

E：經(jīng)濟效益；

C：生態(tài)效益。

該評估模型解決了實際中缺乏的問題，完成了對農(nóng)場生產(chǎn)出的作物經(jīng)濟價值進行計算評估，生產(chǎn)排放的溫室氣體進行測量，造成的負面生態(tài)效益進行評估計算。根據(jù)上述模型計算出的綜合得分，可以作為智慧農(nóng)場的綜合評價參考指標，便于管理者選取最減排的種植方法，具有較強的實際應用價值。

4 結語

本研究設計的系統(tǒng)基于數(shù)字孿生技術，通過農(nóng)場各類傳感器的數(shù)據(jù)，在虛擬空間形成交互式映射模型，直觀展現(xiàn)了農(nóng)場作物的實時生長概況，并從經(jīng)濟效益和生態(tài)效益兩方面進行綜合評估，以此選取最減排的種植方法。但系統(tǒng)對于生態(tài)效益評估考慮不夠全面，農(nóng)場溫室氣體測量有可能存在誤差。針對這些誤差，可以選取其他氣體測定方法進行采樣分析或者增加不同時間段和同一時間段采樣次數(shù)以此降低誤差。本研究嘗試將數(shù)字孿生應用于智慧農(nóng)場，建立評估模型，解決了實際中缺乏的問題，促進智慧農(nóng)場節(jié)能減排，向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展。