楊祺 余芳強 趙震 高尚 張銘

（上海建工四建集團有限公司，上海 200232）

引言

智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是一個國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化的標(biāo)志之一[1]。作為智慧農(nóng)業(yè)代表的溫室大棚、智能灌溉系統(tǒng)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施廣泛應(yīng)用了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)[2]，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的溫度、濕度、光照等諸多農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3]，支持遠程監(jiān)測和控制。而數(shù)字孿生作為一種充分利用物理模型，傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)的仿真過程，可以在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程，與智慧農(nóng)業(yè)具有較強的耦合性。借由數(shù)字孿生模型的建立可以充分利用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，支持并指揮智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)一般包括溫濕度、二氧化碳含量、光照強度、土壤元素含量及風(fēng)速等，這些數(shù)據(jù)需要使用各種類型的傳感器進行感知，而這些傳感器所采用的通訊協(xié)議往往并不相同，數(shù)據(jù)集成難度高。一般需要專業(yè)人員定制各種不同的集成方法分別對接集成，再由建模人員手工標(biāo)定各生產(chǎn)設(shè)施的位置和基本信息，開發(fā)人員分別針對各生產(chǎn)設(shè)施做數(shù)據(jù)對接與轉(zhuǎn)換程序開發(fā)。當(dāng)這些監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)模從單個大棚擴展到整個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的規(guī)模時，龐大的工作量導(dǎo)致集成工作的準(zhǔn)確性將難以保證[4]。因此需要研發(fā)一套方法和系統(tǒng)，能夠由村民等一般用戶實現(xiàn)大量生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速集成，從而構(gòu)建相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)施模型，減少鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)字孿生建模成本，助力數(shù)字鄉(xiāng)村和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。

鄭蕾娜等[5]提出了一套通過人工智能進行田塊、水渠和溝壑的識別和標(biāo)注，將農(nóng)田信息數(shù)據(jù)進行數(shù)字孿生集成，打造一體化的體驗式農(nóng)業(yè)方法。徐棟梁[1]提出了通過集成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物及各相應(yīng)物理實體數(shù)據(jù)，輔以數(shù)據(jù)分析和仿真模擬，從而近乎實時地呈現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物理實體的實際情況的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)思路。巴斯夫公司通過配備多光譜傳感器的無人機，自動收集優(yōu)化現(xiàn)場農(nóng)業(yè)作物及相關(guān)設(shè)施的數(shù)據(jù)，再利用云平臺自動向量化地理參考微圖，生成各地塊的生物數(shù)據(jù)和作物行為，全力構(gòu)造了全球農(nóng)場“數(shù)字孿生模型”[5]。可見，已有研究在一定程度上解決了傳統(tǒng)手段中數(shù)字孿生集成效率低、準(zhǔn)確性差的缺點，但是其大多停留在理論階段，且所需要的配套設(shè)備較為昂貴，對操控人員的技能掌握程度要求較高。

本文基于我國鄉(xiāng)村數(shù)據(jù)采集情況復(fù)雜，提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)字孿生管控系統(tǒng)，力求在滿足所收集檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性的基礎(chǔ)上，做到費用低、效率高，操作簡單易上手。

1 總體架構(gòu)

為了降低設(shè)備成本，同時減少對設(shè)備使用者的能力要求，團隊設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，其由四個部分組成：鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備、數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端、數(shù)字孿生展示與應(yīng)用終端與中心機房應(yīng)用終端及服務(wù)端。鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)據(jù)檢測設(shè)備是其中的核心，而大多數(shù)鄉(xiāng)村實際使用者所需要參與到的數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端則做了相應(yīng)的簡化處理，使得該系統(tǒng)通過簡單快速的配置，即可將動態(tài)數(shù)據(jù)源高精度匹配到鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)字孿生模型上，為后續(xù)基于數(shù)字孿生的鄉(xiāng)村級生產(chǎn)設(shè)施的監(jiān)測、分析與預(yù)警提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。各部分具體介紹如下：

圖1 數(shù)字孿生管控系統(tǒng)組成

（1）鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要負責(zé)通過MODBUS-RTU 協(xié)議從現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的主機定期查詢各個傳感器的數(shù)據(jù)；并將這些數(shù)據(jù)編碼成包含設(shè)備編號、通道編號、時間戳和傳感器讀數(shù)的JSON 字符串；然后通過4G 網(wǎng)絡(luò)將處理好的數(shù)據(jù)以MQTT 流的形式上傳到服務(wù)端。其中NFC 標(biāo)簽中包含以NDEF格式寫入的設(shè)備編號，方便配置終端從中讀取信息；

（2）數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端，是一種運行特定軟件并帶有NFC 和GPS 功能的手持智能終端，通常為村民的Android 或iOS 操作系統(tǒng)的智能手機。該終端上運行“數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置軟件”，此軟件可掃描NDEF格式的NFC 標(biāo)簽并獲取其中的設(shè)備編號，并可通過GPS 獲取WGS84 坐標(biāo)系下的設(shè)備位置，轉(zhuǎn)換為數(shù)字孿生局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。此外，該軟件還支持用戶通過該界面設(shè)置生產(chǎn)設(shè)施的各種信息，讀取接入的傳感器數(shù)據(jù)等功能；

（3）數(shù)字孿生展示與應(yīng)用終端，能夠在三維視圖中，實時展示生產(chǎn)設(shè)施的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)設(shè)施運行狀態(tài)和故障風(fēng)險，提醒管理人員進行主動維護和管理；

（4）中心機房應(yīng)用終端及服務(wù)端，通過互聯(lián)網(wǎng)和“數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端”“鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備”通訊，接收多個鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)流并提供查詢接口。此外還可提供生產(chǎn)設(shè)施基本信息、位置信息、傳感器配置的增刪查改。

2 數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

團隊在綜合考慮傳感器兼容性、設(shè)備成本、現(xiàn)場條件等多方面因素后，在數(shù)據(jù)采集工作中使用了MODBUS-RTU 協(xié)議。團隊在大棚等生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)部署了多個傳感器，主要包括光照溫濕度變送器與二氧化碳溫濕度變送器。傳感器的溫度精度為±0.5℃（25℃），濕度精度為±3%RH(60%，25 ℃)，光照的精度為±7%，二氧化碳的精度則為±（50ppm±3%F.S）（25℃）。當(dāng)前市面上存在的比較常見的傳輸方式為基于GPRS 的云平臺無線傳感器技術(shù)的傳輸方式。GPRS 具有高速數(shù)據(jù)傳輸、永遠在線及按流量計費等突出優(yōu)點[6,7]，但是無線通訊的方式相對來說不太穩(wěn)定，雖然傳輸距離更長，卻也更容易受到各種自然或者人為因素的影響，且無線傳輸系統(tǒng)的成本較高，不利于大規(guī)模投入使用。而RS485 型作為另一種常見的傳輸方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于安裝等特點，因此也更適合用在鄉(xiāng)村這種采集數(shù)據(jù)情況較為復(fù)雜的地方。綜合上述因素考慮，本研究的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用了MODBUS-RTU 協(xié)議，該協(xié)議通過RS485 接線進行數(shù)據(jù)的采集匯總，是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式[8]。

傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過雙絞線傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)主機中后；再將鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入接口和現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)的主機的數(shù)據(jù)采集口連接。設(shè)備將會對采集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的預(yù)處理操作，去除明顯錯誤的數(shù)據(jù)，以及一些無效重復(fù)數(shù)據(jù)。接下來，設(shè)備每隔預(yù)設(shè)的采集間隔時間，查詢連接到監(jiān)測主機的各個傳感器Si (0

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

考慮到鄉(xiāng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平較低，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差等因素，本團隊在數(shù)據(jù)傳輸方面采用了MQTT協(xié)議[8]，其具有能夠在寬帶、計算和處理能力受限及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境中提供高可靠服務(wù)的特點[9]，從而使得該系統(tǒng)在面對鄉(xiāng)村的各種突發(fā)情況時仍然能夠具有較為不錯的傳輸能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過編寫相應(yīng)的Java 腳本，數(shù)據(jù)采集設(shè)備中對應(yīng)的數(shù)據(jù)被處理成為規(guī)范的json 對象的格式，發(fā)布到了指定的Topic 上。在數(shù)據(jù)接入平臺上，通過賬號密碼和對應(yīng)的消息代理（Broker）地址及主題（Topic）就能接到已經(jīng)格式化過后的傳感器數(shù)據(jù)。

上文提到的數(shù)據(jù)接入平臺是一個實時數(shù)據(jù)倉庫，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)流式接入。數(shù)據(jù)流式接入相較于傳統(tǒng)的API 方式，其時效性更高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入在兩次傳輸?shù)臅r間間隔內(nèi)則無法做到數(shù)據(jù)的有效同步。這里通過采用MQTT 流的方式，解決了上述的問題。在數(shù)據(jù)接入平臺后會經(jīng)過消息隊列的數(shù)據(jù)清洗，刪除重復(fù)信息、糾正存在的錯誤，進一步提高數(shù)據(jù)的可靠性。

為了滿足后續(xù)展示平臺調(diào)用該數(shù)據(jù)倉庫時，能夠在實時顯示當(dāng)下傳感器數(shù)據(jù)的同時，還能統(tǒng)計出當(dāng)天、當(dāng)月的平均值及峰值等統(tǒng)計性信息，該平臺還采用了聯(lián)機分析處理技術(shù)（OLAP）。OLAP 技術(shù)的使用使得該平臺在面對大體量，復(fù)雜度高的數(shù)據(jù)時，能夠以較高的性能處理這些查詢統(tǒng)計的需求；而FLINK 技術(shù)的使用則使該數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能也具有了遠高于一般數(shù)據(jù)倉庫的實時性。

2.3 數(shù)據(jù)集成

為保障數(shù)據(jù)集成工作的有效進行，降低集成工作操作難度，提高集成效率，并在一定程度上降低整體成本，團隊在該系統(tǒng)的集成工作中考慮采用NFC 技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的一一對應(yīng)同時通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將終端的GPS轉(zhuǎn)化為孿生模型中對應(yīng)的地理位置。該鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)據(jù)采集設(shè)備里使用的NFC[10]工作模式為卡模式，即采用一張使用RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術(shù)的卡片，卡片通過內(nèi)線圈與非接觸讀卡器發(fā)生電磁感應(yīng)來完成數(shù)據(jù)交互[11]。整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集成主要可以分為以下幾個步驟。

2.3.1 從NFC 標(biāo)簽讀取設(shè)備信息

使用數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端的NFC 讀取器接觸并讀取鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)據(jù)采集設(shè)備Dc的NFC 標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，從而解析出設(shè)備Dc的編號c，并暫存在生產(chǎn)設(shè)施注冊數(shù)據(jù)r=(c)中。

2.3.2 生產(chǎn)設(shè)施與數(shù)字孿生坐標(biāo)匹配

用戶可以通過數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端的GPS 獲取當(dāng)前地理位置在WGS84 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Pc1，而2.3.1中要求數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端與設(shè)備Dc接觸，且兩步驟之間時間間隔較短。因此，可認(rèn)為Pc1即為設(shè)備Dc的位置坐標(biāo)。根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)，用戶可以將坐標(biāo)Pc1變換為數(shù)字孿生模型局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Pc，并添加到生產(chǎn)設(shè)施注冊數(shù)據(jù)r=(c,Pc)中，相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，m 為兩坐標(biāo)系的尺度比，是均勻的，且與點位和方向無關(guān)，其余各參數(shù)如圖2 所示。

圖2 空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

2.3.3 輸入生產(chǎn)設(shè)施基本信息

用戶在數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端上輸入生產(chǎn)設(shè)施的基本信息，包括名稱sname、類型stype，并添加到生產(chǎn)設(shè)施注冊數(shù)據(jù)r=(c,Pc,sname,stype)中。

2.3.4 匹配并確認(rèn)傳感器基本信息

用戶從數(shù)據(jù)流S中可以獲取到針對每個傳感器Si的最新一條數(shù)據(jù)di=。針對上一步中選擇的生產(chǎn)設(shè)施類型stype，可以查詢到該生產(chǎn)設(shè)施類型對應(yīng)的預(yù)設(shè)傳感器類型集合T，由用戶根據(jù)每條記錄的通道號i和數(shù)值iv，選擇合適的傳感器類型iT，從而將每個傳感器通道號和類型的對應(yīng)關(guān)系添加到集合Ps= {(i,Ti)}，最后再將該集合和對應(yīng)的信息添加到生產(chǎn)設(shè)施注冊數(shù)據(jù)r=(c,Pc,sname,st ype,Ps)中。

2.3.5 提交配置信息

完成上述四個步驟后，數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端會將生產(chǎn)設(shè)施注冊數(shù)據(jù)R提交到服務(wù)端，從而實現(xiàn)該生產(chǎn)設(shè)施與數(shù)字孿生的集成工作。

2.4 模型建立

團隊依托當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)人員提供的圖紙信息，構(gòu)建出了當(dāng)?shù)氐腂IM 模型。結(jié)合之前所提到的已完成集成工作的各個大棚內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)及其對應(yīng)地理位置信息，完成了數(shù)字孿生模型構(gòu)建中的映射操作，將這些數(shù)據(jù)與模型實現(xiàn)了動態(tài)綁定，使得決策者可以直接通過該模型在虛擬空間中進行模擬分析，對可能出現(xiàn)的各種問題采取相應(yīng)的預(yù)防與反制措施，構(gòu)建流程圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程圖

3 運維管控系統(tǒng)實現(xiàn)

為了發(fā)揮鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施數(shù)字孿生模型的價值，完善數(shù)據(jù)從采集到應(yīng)用的整個流程，將數(shù)字孿生從理論推進到應(yīng)用，團隊搭建了一整套數(shù)字孿生運維管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)所包含的組件及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞及展示流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)字孿生運維管控系統(tǒng)組成與數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.1 鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本研究定制了如圖5 所示的鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備。針對鄉(xiāng)村數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)來源雜亂的問題，該設(shè)備帶有一組RS-485 輸入接口，以1 秒的間隔遍歷32 個通道的傳感器讀數(shù)。將傳感器讀數(shù)、設(shè)備編號、傳感器通道號和時間戳等信息編碼為JSON格式后，通過4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到公網(wǎng)上MQTT Broker 上的指定Topic。該設(shè)備帶有NFC 標(biāo)簽，預(yù)先將包含設(shè)備編號參數(shù)的配置頁面URL 以NDEF 格式編碼并寫入到該NFC 標(biāo)簽中。

圖5 鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備

3.2 數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端

本研究最終采取了使用村民的智能手機作為數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端的方式。當(dāng)智能手機讀取到鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備的NFC 標(biāo)簽時，會自動打開應(yīng)用程序并轉(zhuǎn)到如圖6 所示的配置頁面。通過從NFC標(biāo)簽中的URL 參數(shù)獲取設(shè)備編號信息，并從手機的GPS 獲取到對應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)施位置信息，界面上會提供相應(yīng)的表單，由用戶輸入生產(chǎn)設(shè)施基本信息和傳感器類型信息。用戶點擊提交后，以上信息將會被處理、組合為生產(chǎn)設(shè)施注冊信息，并提交到服務(wù)端。

圖6 數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端頁面

3.3 服務(wù)端

該系統(tǒng)基于Flink、Kafka 和ClickHouse 構(gòu)建了一套實時數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)提供動態(tài)數(shù)據(jù)接入和查詢服務(wù)，支持使用MQTT 流傳入生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，其還為生產(chǎn)設(shè)施注冊信息和數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)提供了WebApi 接口。

3.4 應(yīng)用終端的展示與數(shù)據(jù)分析管控

采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過服務(wù)端的計算整理后，與之前所提交的經(jīng)緯度和設(shè)備編號對應(yīng)起來，完成數(shù)字孿生的集成工作，而對應(yīng)的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計匯總結(jié)果也會實時地展示到對應(yīng)的終端上。相關(guān)的展示終端數(shù)據(jù)匯總圖如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)匯總終端展示圖

應(yīng)用終端所收集到的各種數(shù)據(jù)，可以按照決策者的需求實時生成對應(yīng)的圖表，從而讓相關(guān)人員能夠更加清晰直觀地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施中所存在的問題，并對可能發(fā)生的情況做出預(yù)防，從而做到未雨綢繆。

譬如在收集到幾個月的大棚二氧化碳含量數(shù)據(jù)后，決策者可以繪制出二氧化碳含量與實際作物生長速率的關(guān)系圖，從而決定接下來大棚內(nèi)二氧化碳含量的控制范圍；同理當(dāng)大棚內(nèi)的作物生長出現(xiàn)問題時，決策者也可以逐一繪制各種因素與植物生長速率的關(guān)系曲線圖，從而分析出各種作物對于各種因素的喜好范圍，為科學(xué)種植提供思路與指導(dǎo)。

4 應(yīng)用示范

為了驗證該數(shù)字孿生運維管控系統(tǒng)對于鄉(xiāng)村數(shù)字建設(shè)工作效率的提升，證實其設(shè)計的科學(xué)合理及應(yīng)用的真實可行性，在江西省吉安市永新縣龍?zhí)镟l(xiāng)花汀村展開系統(tǒng)測試工作。本次測試共接入了22 個農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)和5 個智能灌溉系統(tǒng)，涉及范圍較廣。為了證明該系統(tǒng)的“操作簡單易上手”，本次實驗發(fā)動花汀村的村民們積極參與了測試工作。村民們使用自己的智能手機按照下述步驟完成了一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的監(jiān)測數(shù)據(jù)到數(shù)字孿生的集成工作。

步驟1：將鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入口連接到生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測主機的數(shù)據(jù)采集口，并插入SIM 卡，接通電源。設(shè)備上的電源指示燈及網(wǎng)絡(luò)連接信號燈均應(yīng)正常亮起，否則需要對采集設(shè)備進行排查；完成該步驟后動態(tài)數(shù)據(jù)開始進入數(shù)據(jù)倉庫。相關(guān)人員可登陸實時數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)查看數(shù)據(jù)接入情況，倘若無數(shù)據(jù)接入，則應(yīng)對設(shè)備的接線方式及服務(wù)器運行狀態(tài)等進行相應(yīng)的檢修排查工作。

步驟2：使用數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端背面（智能手機）觸碰鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備的NFC 標(biāo)簽，此時將會彈出該設(shè)備的配置頁面，設(shè)備編號已通過NFC 標(biāo)簽中的URL 自動填入。

步驟3：數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)配置終端通過GPS 定位獲取當(dāng)前位置WGS84 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并顯示在地圖控件上，村民可審核并調(diào)整自動定位的結(jié)果。該坐標(biāo)會被轉(zhuǎn)換為數(shù)字孿生模型坐標(biāo)系中的坐標(biāo)并暫存。

步驟4：村民在表單上輸入該生產(chǎn)設(shè)施的名稱和類型。

步驟5：村民根據(jù)實際情況分別設(shè)置每個傳感器的傳感器類型。

步驟6：村民點擊提交按鈕，以上信息被提交到服務(wù)端。

完成該農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的監(jiān)測數(shù)據(jù)到數(shù)字孿生的集成后，可在數(shù)字孿生模型可視化終端上查看該生產(chǎn)設(shè)施的位置和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8 所示，圖9 為大棚溫度設(shè)定對比圖。

圖8 數(shù)字孿生模型可視化終端展示頁面

圖9 3 號大棚溫度設(shè)定對比圖

使用傳統(tǒng)的方法預(yù)計數(shù)字孿生模型建模工作量10 人日，數(shù)據(jù)接入開發(fā)工作量20 人日，共30 人日工作量。使用本方法和系統(tǒng)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施的監(jiān)測數(shù)據(jù)到數(shù)字孿生的集成，共花費5 個工作日，減少工作量90%。且其使用方法較為簡單，對村民進行簡單的培訓(xùn)后，大多數(shù)村民都能夠獨立地完成整個數(shù)據(jù)集成步驟。以上種種證明了本系統(tǒng)的設(shè)計是科學(xué)合理的。

5 結(jié)論

通過應(yīng)用實踐得出以下結(jié)論：

（1）該數(shù)字孿生運維管控系統(tǒng)可以對接市面上幾乎所有種類的通信協(xié)議，諸如串口協(xié)議，Modbus 協(xié)議，CAN 協(xié)議及TCP/IP 協(xié)議等。收集到各種諸如二氧化碳含量、溫濕度、光照、土壤元素含量和風(fēng)速等對于農(nóng)業(yè)作物極其重要的參數(shù)，解決了當(dāng)前已存在的數(shù)字孿生集成系統(tǒng)中的各種問題與缺陷；

（2）采用了NFC 技術(shù)的鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備，讓只經(jīng)過簡單培訓(xùn)的一般村民便可以通過自己的智能手機收集采集數(shù)據(jù)，使得原本需要30 個工作日的工作量縮減到僅需5 個工作日，減少了90%的工作量；

（3）搭載了實時數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)的數(shù)據(jù)接入平臺，大大提升了數(shù)據(jù)集成展示的時效性，使得管理者們能夠快捷便利地看到大棚里各種參數(shù)的實時情況。譬如顯示本月溫濕度平均值和作物生長狀況等，能給決策者提供宏觀上的思路，從而作出相應(yīng)的調(diào)整；

（4）由于該套系統(tǒng)的終端可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實時生成相關(guān)圖表，決策者可以根據(jù)實際需求更加直觀地分析研究各因素與各作物生長間的關(guān)系，從而做到提前預(yù)防管控，進一步提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，助力數(shù)字鄉(xiāng)村，智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)。

根據(jù)實際應(yīng)用結(jié)果顯示，本研究所設(shè)計研發(fā)的這套數(shù)字孿生管控系統(tǒng)對于鄉(xiāng)村生產(chǎn)活動效率的提升能夠起到切實的作用，實實在在地改進了鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施的運作方式，對于類似的項目存在一定的借鑒意義。

本次研究中也展現(xiàn)出了該系統(tǒng)存在的一些問題：

（1）由于系統(tǒng)的設(shè)備大多是從性價比方面進行的考慮，因此其質(zhì)量并非頂尖，在面對各種突發(fā)狀況時，設(shè)備容易損壞，數(shù)據(jù)傳輸可能會受阻；

（2）由于該鄉(xiāng)村生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用的為SIM 卡，當(dāng)處于一些較為偏僻、信號較差的區(qū)域時，數(shù)據(jù)往往無法傳出，從而影響整個系統(tǒng)的數(shù)字孿生集成工作。后續(xù)的研究將會考慮針對各種惡劣環(huán)境，突發(fā)狀況的情形下，給該系統(tǒng)增加相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，譬如增加可替換的備用設(shè)備、人工手動傳輸數(shù)據(jù)等；而面對SIM 卡傳輸數(shù)據(jù)可能會受環(huán)境制約的問題，后續(xù)可能會采用有線傳輸?shù)姆绞竭M行替代，進一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。