摘 要：旨在探討數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用與潛力。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建作物及環(huán)境的虛擬模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境和健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析。概述了數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，包括國(guó)內(nèi)外在智慧農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理方面的應(yīng)用實(shí)例;詳細(xì)闡述了數(shù)字孿生在植物保護(hù)過(guò)程中的應(yīng)用技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與集成、模型構(gòu)建、虛擬仿真與分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控與決策支持，以及預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)管理等方面的具體方法。這一技術(shù)在提高作物產(chǎn)量、保障食品安全和減少環(huán)境影響方面具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)面臨著一些挑戰(zhàn)和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生; 植物保護(hù); 智慧農(nóng)業(yè); 可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：S431.9"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""" 文章編號(hào)：1002-204X（2024）08-0022-04

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.08.005

A Review on Application of Digital Twinning Technology in Plant Protection

Lu Junjie1， Sun Zhu2， Lu Daixing1，2*， Xue Xinyu2

（1.School of Mechanical Engineering， Shanghai University of Applied Technology， Shanghai 201418; 2.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， Jiangsu 210014）

Abstract It aims at exploring the application and potential of digital twin technology in the field of plant protection. By creating virtual models of crops and their environment， digital twin technology can realize real-time monitoring and analysis of their growing environment and health status. The application and development status of digital twin technology in plant protection are summarized， including application examples in smart agriculture and precision agriculture management at home and abroad. The application of digital twin technology in plant protection process is described in detail in data acquisition and integration， model construction， virtual simulation and analysis， real-time monitoring and decision support， as well as prediction and risk management. This technology has advantages in improving crop yields， ensuring food safety and reducing environmental impact， while facing some challenges and great potential for development.

Key words Digital twins; Plant protection; Smart agriculture; Sustainable development

2021年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《“十四五”全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展規(guī)劃》，提出要大力推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化與智能信息技術(shù)相融合。近年來(lái)無(wú)人植保機(jī)械、智能植保機(jī)械得到大力發(fā)展。農(nóng)業(yè)元宇宙加速形成虛實(shí)互動(dòng)的智能制造新模式，提升農(nóng)業(yè)價(jià)值創(chuàng)造，重構(gòu)數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展新生態(tài)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向未來(lái)高級(jí)形態(tài)發(fā)展[1]。作為元宇宙核心技術(shù)之一的數(shù)字孿生技術(shù)是一種通過(guò)創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和優(yōu)化的技術(shù)，正逐漸成為工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力[2]。數(shù)字孿生作為一種集數(shù)字化、可視化、實(shí)時(shí)交互、追溯性、可靠性及高度適應(yīng)性于一體的物理實(shí)體虛擬映射，其影響力貫穿于構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)維至退役的整個(gè)生命周期，展現(xiàn)了在不同階段的廣泛應(yīng)用價(jià)值與潛力[3]。物理模型為虛擬模型提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，虛擬模型為物理模型提供決策支持，極大提升了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化水平。數(shù)字孿生原理如圖1所示[4]。

在植物保護(hù)領(lǐng)域，病蟲(chóng)害的防治、作物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)控，以及農(nóng)業(yè)資源的合理分配等問(wèn)題一直是研究和實(shí)踐的重點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的植物保護(hù)方法往往依賴經(jīng)驗(yàn)判斷和有限的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，這在面對(duì)復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境時(shí)效率低下。因此，如何利用現(xiàn)代技術(shù)提高植物保護(hù)的效率和準(zhǔn)確性，已成為亟待解決的問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)以其高精度的模擬能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，為解決上述問(wèn)題提供了新的視角[5]。通過(guò)構(gòu)建作物的數(shù)字孿生模型，可以在虛擬環(huán)境中模擬作物生長(zhǎng)的全過(guò)程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物健康狀況，預(yù)測(cè)病蟲(chóng)害的發(fā)生，并優(yōu)化植物保護(hù)策略。

本文旨在探討數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)過(guò)程中的應(yīng)用潛力，分析其在病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、作物生長(zhǎng)模擬、資源管理等方面的優(yōu)勢(shì)，并展望其在未來(lái)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用。通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)與植物保護(hù)結(jié)合的深入研究，期望為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變革，提高作物產(chǎn)量，保障食品安全，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的不良影響。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

在中國(guó)，數(shù)字孿生技術(shù)正逐漸成為推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要力量。政府在政策層面給予大力支持，如將數(shù)字孿生技術(shù)納入“十四五”規(guī)劃，并在智能制造、智慧城市等領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用[6]。張瀠心等[7]提出基于數(shù)字孿生的虛實(shí)互操作雙旋翼植保無(wú)人機(jī)的研發(fā)，提高了植保作業(yè)的精準(zhǔn)性和安全性。顧生浩等[8]提出基于信息物理融合思想的作物數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過(guò)作物生產(chǎn)系統(tǒng)全要素、全過(guò)程的交互融合，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展展現(xiàn)出強(qiáng)勁勢(shì)頭。

此外，數(shù)字孿生技術(shù)作為農(nóng)業(yè)數(shù)字化的綜合性設(shè)計(jì)框架，成功整合了從種植、生產(chǎn)到市場(chǎng)營(yíng)銷的全鏈條信息，構(gòu)建了一套完備的農(nóng)業(yè)信息化生態(tài)系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型鋪設(shè)了堅(jiān)實(shí)的基石。中國(guó)聯(lián)通黑龍江省分公司運(yùn)用創(chuàng)新的數(shù)字孿生技術(shù)，有效整合了農(nóng)業(yè)資源，構(gòu)建了先進(jìn)的數(shù)字孿生植物工廠，同時(shí)利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生成高精度3D農(nóng)田地圖，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的精細(xì)化，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)智能化的深度轉(zhuǎn)型與升級(jí)注入了新的活力與動(dòng)力。

相較于國(guó)內(nèi)在數(shù)字孿生領(lǐng)域相對(duì)較短的研究歷程，國(guó)外的研究工作起步更早，歷經(jīng)了較為漫長(zhǎng)的發(fā)展階段[9]。諸多科技先進(jìn)的國(guó)家在該領(lǐng)域的探索之路，為后繼者提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家利用該技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理，通過(guò)模擬作物生長(zhǎng)模型和病蟲(chóng)害發(fā)生模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的精確控制和優(yōu)化[10]。近年來(lái)，這種融合趨勢(shì)愈發(fā)明顯，二者交匯點(diǎn)的增多，預(yù)示著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與數(shù)字孿生技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)正在逐步增強(qiáng)。

2 數(shù)字孿生在植物保護(hù)過(guò)程中的應(yīng)用技術(shù)

植物保護(hù)系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)的核心要素涉及建模技術(shù)、仿真分析、物聯(lián)網(wǎng)集成以及可視化展示。構(gòu)建數(shù)字孿生體本質(zhì)上依賴于先進(jìn)的建模與仿真技術(shù)、虛擬制造工藝以及數(shù)字原型開(kāi)發(fā)方法，并深度融合數(shù)據(jù)科學(xué)策略，旨在廣泛采集現(xiàn)實(shí)世界中的海量數(shù)據(jù)，以促成這一高性能鏡像系統(tǒng)的運(yùn)作[11]。

數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)過(guò)程中的應(yīng)用框架是基于中央處理器設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)用于植物保護(hù)過(guò)程中。系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器和采集設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取溫度、濕度、圖像以及氣象等多種數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)后的可視化展示以及在線控制。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集與集成

數(shù)據(jù)采集主要是通過(guò)各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)通信設(shè)備上傳到云服務(wù)器后利用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與集成。

張寶運(yùn)等[9]通過(guò)部署土壤濕度傳感器等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境和健康狀況數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、光照情況等，為數(shù)字孿生模型提供輸入?yún)?shù)。黃志艷等[12]將機(jī)械動(dòng)力學(xué)傳感器、環(huán)境傳感器串聯(lián)在CAN總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后由ARM微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集處理。杜娟娟等[13]通過(guò)構(gòu)建包括RFID技術(shù)、紅外傳感器、光纖傳感器、激光傳感器的感知控制層，Zigbee、GPRS等網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層，基礎(chǔ)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)、應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集管理。

綜上，該系統(tǒng)結(jié)合張寶運(yùn)、黃志艷等人的方法，利用各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備采集數(shù)據(jù)，將傳感器串聯(lián)到IIC總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且利用onenet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成管理。

2.2 數(shù)字孿生模型構(gòu)建

基于云端服務(wù)器基礎(chǔ)設(shè)施支撐，對(duì)從農(nóng)業(yè)傳感器收集到的各數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與整合，涵蓋了從土壤濕度、養(yǎng)分含量到氣象參數(shù)等多個(gè)維度[14]。王紅軍等[15]利用Unity3D仿真平臺(tái)搭建果園虛擬交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。

數(shù)字孿生模型可視化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)比較UG、SolidWorks等建模軟件，選定3D Studio MAX構(gòu)建物理溫室模型以及模型優(yōu)化[16]，并借助Thingjs平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字孿生平臺(tái)的可視化[17]。以農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域溫室大棚為例，建模步驟如下：①利用3D Studio Max軟件進(jìn)行3D模型建立以及模型渲染、貼圖;②通過(guò)Thingjs物聯(lián)網(wǎng)3D可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行場(chǎng)景、設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、項(xiàng)目發(fā)布等，最終實(shí)現(xiàn)溫室數(shù)字孿生平臺(tái)[17]。

2.3 虛擬仿真與云平臺(tái)

利用數(shù)字孿生模型，在高度逼真的虛擬環(huán)境中搭建云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)領(lǐng)域特殊的地理環(huán)境，在本地搭建服務(wù)器的難度較大，受當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)環(huán)境、氣候等因素影響較大，并且技術(shù)人員維護(hù)成本較高。

因此，基于信息物理融合的思想選擇通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)設(shè)備的集成，將采集到的數(shù)據(jù)利用onenet平臺(tái)“上云”，數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示在UI界面，并且可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的精細(xì)化管理與監(jiān)控。在線農(nóng)業(yè)控制云平臺(tái)如圖3所示。該控制系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)溫、濕度數(shù)據(jù)展示，并且集成天氣信息，幫助用戶預(yù)測(cè)并準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)惡劣天氣條件。該農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)還可以選擇進(jìn)行遠(yuǎn)程控制燈光、風(fēng)扇、專用空調(diào)、遮陽(yáng)棚等農(nóng)業(yè)大棚設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便進(jìn)行農(nóng)業(yè)管理。

基于數(shù)字孿生模型與云平臺(tái)，數(shù)字孿生技術(shù)與農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能控制?？梢愿鶕?jù)實(shí)時(shí)土壤濕度和天氣預(yù)報(bào)，調(diào)節(jié)灌溉系統(tǒng)以及溫、濕度系統(tǒng)[18]。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提前采取預(yù)防措施，減少損失。

3 結(jié)論與展望

本文闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)過(guò)程中的應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建信息物理融合的可視化數(shù)字孿生模型，以及搭建云平臺(tái)在線控制系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能通過(guò)精準(zhǔn)模擬和大數(shù)據(jù)分析，在線控制各個(gè)植保設(shè)備，優(yōu)化植物保護(hù)策略[19]。

數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但它的廣泛應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性、模型的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)處理能力等。未來(lái)，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，提高設(shè)備數(shù)據(jù)采集的精度，打通數(shù)字孿生模型與云平臺(tái)通信，進(jìn)行一體化監(jiān)控與控制，同時(shí)需要加大政策支持力度，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在更廣泛農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

數(shù)字孿生技術(shù)在植物保護(hù)中的應(yīng)用前景廣闊。這一技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)[20]。從政策支持到實(shí)際應(yīng)用案例，都證明了其在提升作物產(chǎn)量、保障食品安全，以及減少環(huán)境影響方面的重要作用。隨著技術(shù)的不斷成熟和創(chuàng)新，數(shù)字孿生技術(shù)最終將會(huì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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