王 維，趙鵬飛，韓 沫，劉 海，劉行易

（北京市農(nóng)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(wǎng)絡、信息、人工智能等高新技術迅猛發(fā)展，在此背景下，數(shù)字化制造技術應運而生。數(shù)字化制造技術是將信息技術應用于產(chǎn)品設計、制造和管理等產(chǎn)品全生命周期中，以達到提高產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量、降低研發(fā)成本、實現(xiàn)快速響應市場目的所涉及的一系列活動的總稱。數(shù)字化制造技術的發(fā)展經(jīng)歷了單項技術和局部系統(tǒng)的應用階段、企業(yè)級集成應用階段、企業(yè)間的集成應用階段以及第四代數(shù)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(fā)展，德國提出“工業(yè)4.0”，通過信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)快速、有效、個性化的產(chǎn)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(zhàn)略的行動綱領。傳統(tǒng)數(shù)字化制造技術強調(diào)全生命周期的數(shù)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(shù)字孿生技術逐漸引起國內(nèi)外學者的關注。

數(shù)字孿生技術的概念及產(chǎn)生背景

數(shù)字孿生技術是數(shù)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(shù)字模型和傳感器來捕獲產(chǎn)品的實時數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品的實時監(jiān)控和優(yōu)化。

“數(shù)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(zhí)行任務的空間飛行器的狀態(tài)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(zhí)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(zhí)行任務的空間飛行器的狀態(tài)，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(nèi)容（通常為對象的結構組成及其宏觀微觀物理特性）和性質(zhì)（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(chǎn)品全生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）課程上提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”的概念，并給出定義：一個或一組特定裝置的數(shù)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(shù)字孿生，但其概念模型卻具備數(shù)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(lián)或接口，因此可以被認為數(shù)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(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》一書中引用了其合作者John Vickers描述該概念模型的名詞--數(shù)字孿生，并一直沿用至今。

數(shù)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(jù)不同研究領域的特點，從多個角度對數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢[4]。2017年，Michael Grieves和莊存波等人分別提出了數(shù)字孿生的不同定義。Michael Grieves等[3]認為數(shù)字孿生是從微觀原子級到宏觀幾何級全面描述潛在生產(chǎn)或?qū)嶋H制造產(chǎn)品的虛擬信息結構。構建數(shù)字孿生的最佳結果是，任何可以通過檢測實際制造產(chǎn)品所獲得的信息，都可以從它的數(shù)字孿生中獲得。莊存波等[5]則提出產(chǎn)品數(shù)字孿生體是指物理實體的工作狀態(tài)和工作進展在信息空間的全要素重建及數(shù)字化映射，是一個集成多物理、多尺度、超寫實、動態(tài)概率的仿真模型，可用來模擬、監(jiān)控、診斷、預測、控制產(chǎn)品物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的生產(chǎn)過程、狀態(tài)和行為。2018年，陶飛等人和Hagg等人也對數(shù)字孿生的定義進行了擴展。陶飛等[6]認為數(shù)字孿生是PLM的一個組成部分，利用產(chǎn)品生命周期中的物理數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行實時映射。Haag等[7]則提出數(shù)字孿生是單個產(chǎn)品的全面數(shù)字化表示，是通過模型和數(shù)據(jù)（包括實際生命對象的屬性、條件以及行為），模擬它在現(xiàn)實環(huán)境中實際行為的模型。此外，2019年，崔一輝等[8]將數(shù)字孿生的概念進一步深化，認為數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，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(shù)字孿生的新定義，他們認為數(shù)字孿生是通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)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(shù)字孿生是一種在信息化平臺上建立物理實體虛擬數(shù)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(shù)據(jù)進行的全過程仿真，真實再現(xiàn)物理實體的全生命周期運行狀態(tài)并兼具擴展功能[10]。數(shù)字孿生不僅在航空航天、產(chǎn)品設計、工程建設等領域發(fā)揮著連接數(shù)字世界和物理世界的橋梁和紐帶作用，同時也是物聯(lián)網(wǎng)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(jù)反饋數(shù)據(jù)，隨著物理實體的變化而自動做出相應的改變。數(shù)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(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決實際問題。在2020年中國工程院發(fā)布的《中國制造2025》中，數(shù)字孿生被列為賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，簡稱CPS）的關鍵技術之一，受到學術界和企業(yè)界的高度關注[12-16]。

數(shù)字孿生技術及其應用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生以數(shù)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(huán)信息交互反饋與數(shù)據(jù)融合，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監(jiān)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(tài)，診斷發(fā)生的問題，預測未來趨勢，優(yōu)化和改變物理世界。數(shù)字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動的仿真、預測、監(jiān)控、優(yōu)化和控制，實現(xiàn)服務的持續(xù)創(chuàng)新、需求的即時響應和產(chǎn)業(yè)的升級優(yōu)化[17]。

數(shù)字孿生關鍵技術

數(shù)字孿生的關鍵技術包括建模、渲染、仿真、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬調(diào)試、可視化等，實現(xiàn)數(shù)字孿生需基于建模仿真技術、虛擬制造技術和數(shù)字樣機技術和數(shù)據(jù)科學方法，收集真實世界中大量的數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生將物理世界的實體在數(shù)字世界中構建出“分身”，能夠與在現(xiàn)實中的物理實體保持實時的交互聯(lián)接。借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型、機器學習等，實現(xiàn)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(huán)境，對實際物理過程進行模擬、優(yōu)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(xiàn)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(huán)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(chǎn)資源的浪費和對環(huán)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(huán)境，通過運行該環(huán)境可以改善制造企業(yè)中各個層次的決策和控制，按統(tǒng)一模型對設計和制造等過程進行集成，將產(chǎn)品制造相關的各種過程與技術集成為一個三維、動態(tài)并且是仿真過程的實體數(shù)字模型。基于虛擬制造技術實現(xiàn)的制造系統(tǒng)稱為虛擬制造系統(tǒng)[18]。虛擬制造系統(tǒng)（Visual Management System，VMS）生產(chǎn)的產(chǎn)品是可視的數(shù)字化虛擬產(chǎn)品，但它具有真實產(chǎn)品所反映的特征，包含動態(tài)結構及決策、控制、調(diào)度、管理等4個機制。虛擬制造作為新出現(xiàn)的技術，它能夠在產(chǎn)品設計開發(fā)的各個階段把握產(chǎn)品制造過程的實況，找出各個階段可能出現(xiàn)的問題，有效地協(xié)調(diào)設計與制造環(huán)節(jié)的關系，以尋求企業(yè)效益的最大化[19]。

◎數(shù)字樣機技術

數(shù)字樣機（Digital mock-up，DMU）技術興起于20世紀90年代。數(shù)字樣機技術是以CAD/CAE/DFx技術為基礎，以機械系統(tǒng)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(xiàn)實技術，將多學科的產(chǎn)品設計開發(fā)和分析過程集中到一起，使產(chǎn)品的設計者、制造者和使用者在產(chǎn)品設計研制的早期就可以直觀形象地對產(chǎn)品數(shù)字原型進行設計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了全新的數(shù)字化設計方法[20]。

數(shù)字孿生應用價值

數(shù)字化技術的變革，推動了數(shù)字孿生技術的發(fā)展，并且為數(shù)字孿生中模型展示、人機交互提供了新的手段，主要體現(xiàn)在支持高效科學的診斷、預測和決策，提高效率，提升各方協(xié)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(shù)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(shù)字孿生技術的雛形。隨著技術的迭代發(fā)展，數(shù)字孿生技術在航空航天產(chǎn)品研發(fā)、故障檢測、系統(tǒng)管控等方面都有著廣泛的應用[21]。

◎數(shù)字孿生工廠

數(shù)字孿生技術能夠?qū)崿F(xiàn)資源調(diào)配、智能化生產(chǎn)，顯著提高生產(chǎn)效率。數(shù)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)對工廠的實時監(jiān)控；同時也可以模擬生產(chǎn)過程，優(yōu)化生產(chǎn)流程；還可以通過數(shù)據(jù)分析支持智能決策和預測分析。

◎智慧農(nóng)業(yè)管控

數(shù)字孿生技術在農(nóng)業(yè)管理方面具有廣泛的應用。在農(nóng)業(yè)上，利用數(shù)字孿生技術收集設施溫室內(nèi)的實時溫度、濕度等數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)設備遠程控制風扇、燈光等設備，保證溫室內(nèi)農(nóng)作物的良好發(fā)育環(huán)境，幫助管理者更加方便、高效地對農(nóng)作物生長環(huán)境進行調(diào)整。

◎智慧交通模擬

數(shù)字孿生技術將實時采集的交通數(shù)據(jù)納入到所建立的交通模型體系中，通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能AI和交通仿真技術，實現(xiàn)真實路面交通和虛擬環(huán)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(guī)劃交通路線，為管理部門優(yōu)化交通管理調(diào)度提供技術支持。

◎智慧城市

利用數(shù)字孿生技術，可以在虛擬網(wǎng)絡空間構建一個與物理世界相對應的孿生城市，通過數(shù)據(jù)全域標識、狀態(tài)精準感知、數(shù)據(jù)實時分析等，來實現(xiàn)城市的模擬、監(jiān)控以及控制，解決城市規(guī)劃、設計、建設、管理、服務過程中的諸多問題[22]。

目前，數(shù)字孿生被廣泛應用于工業(yè)制造、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)等各大行業(yè)領域，作為虛擬仿真的重要領域，數(shù)字孿生正以其強大的能力在各個行業(yè)中創(chuàng)造前所未有的創(chuàng)新與拓展。

數(shù)字孿生在農(nóng)業(yè)中的典型應用案例

國內(nèi)應用案例

◎數(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺

數(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室設施場景內(nèi)外部構造、溫室內(nèi)常見物聯(lián)網(wǎng)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(jiān)測、控制和可視化組態(tài)建模，構建虛擬溫室場景。在虛擬溫室中，接入實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于HTC Vive雙目視覺設備，實現(xiàn)用戶與虛擬世界的交互體驗，對現(xiàn)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(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺技術架構

數(shù)字孿生蔬菜溫室種植平臺是以三維場景為依托、生產(chǎn)數(shù)據(jù)為核心、生產(chǎn)業(yè)務為紐帶，為農(nóng)業(yè)打造數(shù)字孿生空間，賦能農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、高效管理和智慧運營?；跀?shù)字孿生的蔬菜智慧種植系統(tǒng)，實時監(jiān)測作物生長數(shù)據(jù)，間接地提高了單位時間的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了精確控制溫室環(huán)境、遠程智能控制溫室內(nèi)設備，并對作物生長過程進行分析預測，發(fā)掘農(nóng)作物生長過程的需求規(guī)律，沉浸式地展現(xiàn)作物生長過程的實時狀態(tài)。實時仿真展示設備的真實實時運行，既實現(xiàn)了孿生世界與物理世界的統(tǒng)一，又實現(xiàn)了人、機、物的互聯(lián)互通。

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

圖2 通州國際種業(yè)園區(qū)虛擬溫室場景控制

◎數(shù)字孿生蔬菜新品種交互系統(tǒng)

數(shù)字孿生蔬菜新品種交互系統(tǒng)圍繞蔬菜生長發(fā)育過程中蔬菜本身的形態(tài)結構、新品種的優(yōu)勢、種植過程的科技運用，采用數(shù)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(zhì)信息等。通過新穎的交互手段，可全面展示農(nóng)業(yè)園區(qū)種植技術水平以及新品種的優(yōu)良品質(zhì)，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(chǎn)品品質(zhì)等提供了重要的技術手段。

該系統(tǒng)主要使用了3種關鍵技術：通過使用計算機增強現(xiàn)實技術，對真實環(huán)境進行三維空間重構和注冊系統(tǒng)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(chǎn)期形態(tài)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(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶定制和選擇所需內(nèi)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(xiàn)實效果。

該系統(tǒng)使用的增強現(xiàn)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(yè)屬于創(chuàng)新型展覽展示手段，不僅解決了傳統(tǒng)的增強現(xiàn)實互動展品展示手段單一、對環(huán)境光線要求苛刻、檢測結果不穩(wěn)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(nóng)業(yè)作物品種推廣、農(nóng)業(yè)園區(qū)展示展覽宣傳等方面，獲得了普遍的認可和好評。

◎數(shù)字孿生蔬菜基地數(shù)據(jù)管控平臺

數(shù)字孿生蔬菜基地數(shù)據(jù)管控平臺以經(jīng)過保密處理的農(nóng)業(yè)區(qū)域三維虛擬仿真和實景數(shù)據(jù)為支撐，開發(fā)三維綜合展示系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)區(qū)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(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，通過配置參數(shù)對傳入的遠程物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解析，最后解析數(shù)據(jù)調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源，再通過基礎框架中的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)展示模塊進行聯(lián)接和展示。系統(tǒng)提供更加專業(yè)、優(yōu)質(zhì)的應用、推廣、展示與互動的窗口平臺，與地圖服務數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、相關企業(yè)信息數(shù)據(jù)相關聯(lián)，通過對各關鍵數(shù)據(jù)的調(diào)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(tài)展示，如圖3所示。該平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，可提升農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)智能化程度，使用戶足不出戶地進行農(nóng)業(yè)管理的相關工作，并提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。

圖3 數(shù)字孿生蔬菜基地數(shù)據(jù)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園應用為主。在山東省蘭陵縣蔬菜國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，結合電子沙盤，平臺對蔬菜基地的數(shù)據(jù)、農(nóng)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(shù)字孿生在果園的應用場景，提升了果園的信息化水平。

數(shù)字孿生在國外農(nóng)業(yè)領域的應用

目前，數(shù)字孿生技術在西方國家的農(nóng)場管理中已得到廣泛應用。如圖4所示，通過將數(shù)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(nóng)業(yè)作業(yè)不再受物理距離的束縛，從而可以遠程監(jiān)控、控制和協(xié)調(diào)農(nóng)場作業(yè)。此外，利用數(shù)字孿生技術，農(nóng)場經(jīng)營者不僅可以查看農(nóng)場當前的實際運營狀態(tài)，還可以重現(xiàn)歷史狀態(tài)，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)模擬未來狀態(tài)。這使得農(nóng)場管理者能夠在出現(xiàn)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(shù)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(nóng)場庫存與補給優(yōu)化管理、魚菜共生管理、農(nóng)業(yè)機械及田間作業(yè)管理以及智慧蜂場管理等方面，推動了農(nóng)業(yè)的高效發(fā)展[23]。

圖4 數(shù)字孿生在農(nóng)場管理中的應用

◎數(shù)字孿生魚菜共生管理

Tan等[24]基于數(shù)字孿生技術提出構建一套魚菜共生生產(chǎn)管控平臺。該平臺通過精密的監(jiān)測和自動控制裝置，以實現(xiàn)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(nèi)的各項感測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過平臺數(shù)據(jù)層的處理后，將實時傳遞給系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)行為的最佳優(yōu)化?；谶@一平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)魚菜產(chǎn)量最大化、廢物最小化、水資源節(jié)約化、高質(zhì)量標準化以及其他多元化的生產(chǎn)目標。

◎數(shù)字孿生果園管理

Moghadam等[25]開發(fā)了一套創(chuàng)新的果園管理數(shù)字孿生系統(tǒng)AgScan3D+。AgScan3D+由旋轉(zhuǎn)的3D LiDAR和攝像頭組成，可改裝到農(nóng)用車輛上，用以監(jiān)控每株植物的狀況。該系統(tǒng)為果園中的每棵果樹以及果樹周圍環(huán)境創(chuàng)建數(shù)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(zhì)量等指標，以3D方式監(jiān)控每株植物的狀況。該系統(tǒng)能夠持續(xù)監(jiān)控果園生產(chǎn)系統(tǒng)，預測果園壓力、疾病和作物損失。此外，它可以根據(jù)環(huán)境和管理參數(shù)自動分析和模擬不同的場景。這一創(chuàng)新技術有助于更好地管理果園生產(chǎn)，提高果實質(zhì)量和產(chǎn)量。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)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(chuàng)建了1.5萬棵果樹的數(shù)字孿生體。

◎數(shù)字孿生牧場管理

Smith[26]將數(shù)字孿生技術引入了牧場的數(shù)字化管理過程，建立了牧場的數(shù)字孿生模型。一方面從牧場業(yè)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(shù)字孿生管理，通過改進檢測和測量內(nèi)容來提高牧場管理能力和執(zhí)行效率。另一方面，從牧場牛群數(shù)字化角度入手，綜合管控牛群數(shù)據(jù)?；谂Ｈ簲?shù)字孿生體的歷史和實時數(shù)據(jù)進行精準控制和疾病發(fā)生趨勢預測。通過全面的數(shù)據(jù)收集，對牧場數(shù)字孿生體模型進行修正，提高其預測的精準度，為牧場數(shù)字化管理提出最優(yōu)化的決策方案。在實際應用中，使用該牧場數(shù)字孿生系統(tǒng)實時獲取牧場中奶牛實體的所有數(shù)據(jù)，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)給出每一個奶牛實體的最佳響應策略。通過系統(tǒng)推薦的智能化的管理措施，可以準確預測牧場中奶牛發(fā)情周期，并降低奶牛罹患乳腺疾病的概率。

◎數(shù)字孿生智慧蜂場管理

氣候變化會對整個生態(tài)系統(tǒng)造成較大的影響，對于養(yǎng)蜂業(yè)來說其影響更甚。溫度升高和極端降雨使得花蜜產(chǎn)出的時間不穩(wěn)定，自然資源也變得稀缺。專業(yè)養(yǎng)蜂人的數(shù)量和蜂蜜的產(chǎn)量都在下降。為了維持蜂蜜的產(chǎn)量，大多數(shù)養(yǎng)蜂人士實行遷徙養(yǎng)蜂的方式，這也需要付出較大代價。為了解決這些問題，BEEZON創(chuàng)建了蜂群的數(shù)字孿生體，提供了一個實時連續(xù)的蜂場數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可幫助養(yǎng)蜂人遠程控制其養(yǎng)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(tǒng)基于GPS跟蹤系統(tǒng)和來自各種傳感器的實時數(shù)據(jù)，包括濕度、外部和內(nèi)部溫度、孵化溫度和質(zhì)量。這使得養(yǎng)蜂人可以遠程監(jiān)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(nóng)藥接觸和毒性，了解蜂箱菌落狀況、菌落動態(tài)和菌落衛(wèi)生，檢查蜂群狀態(tài)、蜂蜜儲備管理以及用戶定單通知等。通過該系統(tǒng)，養(yǎng)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(shù)字孿生技術前景展望

目前我國正在邁入數(shù)字化時代，繼數(shù)字技術率先在工業(yè)生產(chǎn)領域?qū)崿F(xiàn)落地應用后，數(shù)字化趨勢正在逐步擴展到農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)現(xiàn)正處在向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“風口浪尖”[27]。

作為支撐虛擬制造的數(shù)字孿生技術，能夠?qū)崿F(xiàn)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(guī)劃和生產(chǎn)線優(yōu)化等問題[28]。在蔬菜種植領域，加入數(shù)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(nóng)情與西方發(fā)達國家還存在一定的差距，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)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(nóng)業(yè)進一步提升，引入更多的數(shù)字孿生技術和人才，才能保障農(nóng)民的利益，推動農(nóng)戶增收，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效，進一步縮小我國城鄉(xiāng)居民收入差距，最終實現(xiàn)共同富裕。