摘要：為研究不同生長條件對烤煙生長狀態(tài)的影響，對烤煙在植物工廠環(huán)境下的生長特點進行深入研究，并通過植物工廠環(huán)境調(diào)控技術實現(xiàn)對其生長過程的實時監(jiān)測?；诳緹熒L環(huán)境的生理基礎，構建烤煙數(shù)字孿生模型，在虛擬環(huán)境中模擬和預測真實環(huán)境中的種植過程。結果表明，烤煙數(shù)字孿生模型依托數(shù)字孿生技術，能夠實時、精確地模擬烤煙生長狀態(tài)，并根據(jù)反饋信息做出相應的分析、決策，從而對烤煙生長過程進行精準管理和優(yōu)化，提高烤煙的產(chǎn)量和品質。

關鍵詞：烤煙；植物工廠；數(shù)字孿生模型；構建；應用

中圖分類號：S126" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）08-0104-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.08.018 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Construction and application of a flue-cured tobacco plant factory planting model based on digital twin technology

YANG Ruia， SHANG Xiao-jianb，WANG Jingb

（a. College of Architecture and Engineering； b. Yunnan International Joint Ramp;D Center of Smart Agriculture and Water Security，Yunnan Agricultural University， Kunming" 650000， China）

Abstract： In order to study the effects of different growth conditions on the growth status of flue-cured tobacco， the growth characteristics of flue-cured tobacco in the plant factory environment were thoroughly studied， and real-time monitoring of its growth process was achieved through plant factory environmental control technology. Based on the physiological basis of the flue-cured tobacco growth environment， a flue-cured tobacco digital twin model was constructed to simulate and predict the planting process in a virtual environment. The results indicated that the flue-cured tobacco digital twin model， relying on digital twin technology， could simulate the growth status of flue-cured tobacco in real time and accurately， and make corresponding analysis and decisions based on feedback information， in order to accurately manage and optimize the growth process of flue-cured tobacco， and improve the yield and quality of flue-cured tobacco.

Key words： flue-cured tobacco； plant factory； digital twin model； construction； application

烤煙是中國的重要經(jīng)濟作物，其品質和產(chǎn)量易受到自然災害、病蟲害、土壤墑情和季節(jié)等因素的影響。傳統(tǒng)的烤煙種植模式主要依靠人工經(jīng)驗和手動管理，存在生產(chǎn)效率低下、成本較高、質量難以保證等問題［1］。針對傳統(tǒng)烤煙種植模式存在的問題，數(shù)字孿生技術提供了一種新的解決方案。數(shù)字孿生技術是指將現(xiàn)實中的物理對象、過程或系統(tǒng)數(shù)字化，生成精確的三維虛擬模型，并通過數(shù)據(jù)分析、仿真和優(yōu)化等方法實現(xiàn)對實體的全過程管理［2］。數(shù)字孿生技術通過建立真實烤煙種植環(huán)境的數(shù)字化模型，在虛擬環(huán)境中模擬和預測真實環(huán)境中的種植過程，并實現(xiàn)對烤煙生長和質量監(jiān)測、環(huán)境調(diào)控等的管理。

本研究旨在探究數(shù)字孿生烤煙植物工廠種植模型的可行性。首先，對烤煙在植物工廠環(huán)境下的生長特點進行深入研究，并通過植物工廠環(huán)境調(diào)控技術實現(xiàn)對其生長過程的實時監(jiān)測。其次，基于烤煙生長環(huán)境的生理基礎，引入數(shù)字孿生技術，并構建烤煙數(shù)字孿生模型［3］。該模型依托數(shù)字孿生技術進行模擬分析，實現(xiàn)對烤煙生長過程的數(shù)字化調(diào)控，可以實時、精確地了解烤煙的生長狀態(tài)，并根據(jù)模型反饋信息做出相應的分析和決策，提高烤煙產(chǎn)量和品質。最后，對數(shù)字孿生烤煙植物工廠種植模型效果進行驗證。數(shù)字孿生技術在烤煙種植領域的應用，可以實現(xiàn)烤煙生長狀態(tài)可視化，提高烤煙質量，具有廣闊的應用前景。

1 烤煙生長影響因素分析

烤煙在生長過程中經(jīng)歷出苗期、移栽期、團棵期、蕾芽期、開花期、結莢期和成熟期等多個階段［4］，其生長受到光照、溫度、水肥等多種因素的影響［5］。在植物工廠生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)光照、溫度和水肥環(huán)境來控制烤煙的生長和發(fā)育是一項重要技術。因此，需要深入了解在光照、溫度和水肥可控環(huán)境下烤煙的生理特征和生長規(guī)律，以實現(xiàn)有效的生長調(diào)節(jié)和提高烤煙的產(chǎn)量和質量。

1.1 光照對烤煙生長發(fā)育的影響

光照是影響烤煙生長重要的環(huán)境因素，其光強、光質、光周期和紫外輻射均對烤煙的形態(tài)變化產(chǎn)生顯著影響。適當調(diào)節(jié)光強可以有效促進烤煙的光合作用，并提高其養(yǎng)分吸收利用效率，從而促使烤煙葉片變大、變厚、色澤鮮艷［6］。不同光質也具有不同的調(diào)控效應，紅光促進烤煙生長，藍光促進烤煙開花和果實成熟［7］。此外，長日照下的烤煙比短日照下的烤煙生長更加旺盛，葉片更大、花序更多、煙絲含量更高［8］。適宜的紫外輻射能夠促進烤煙葉片的發(fā)育和煙堿含量的增加，但過量會導致葉片受損，甚至死亡［9］。因此，科學地調(diào)節(jié)光強、光質、光照周期和紫外輻射等環(huán)境因素，對促進烤煙的生長發(fā)育和提高其品質具有重要意義。

1.2 溫度對烤煙生長發(fā)育的影響

在烤煙生長初期，過低或過高的溫度都會對幼苗的生長產(chǎn)生不利影響，導致發(fā)育不良和植株死亡［10］。在烤煙生長中期，高溫和低溫都會導致葉片變形，合適的溫度則有利于葉片形態(tài)完整和數(shù)量的增加。在烤煙成熟期，高溫會影響烤煙葉片的色澤和香氣，低溫則會降低烤煙品質。因此，在植物工廠中，對烤煙生長發(fā)育過程中的溫度進行合理的控制和調(diào)節(jié)顯得尤為重要。

1.3 水肥對烤煙生長發(fā)育的影響

水肥是影響烤煙生長發(fā)育和品質形成的關鍵因素。在烤煙種植過程中，土壤含水量應控制在70%～75%［11］，以最大限度地促進煙葉生長。在烤煙生長初期，適量的氮素供應有利于烤煙的生長，增加光合作用效率和養(yǎng)分吸收能力，從而提高煙葉的產(chǎn)量和品質。在烤煙生長中期，應逐漸減少氮素的施用量，避免生長過盛和葉片變薄，有利于煙葉品質的形成。在烤煙生長后期，應適當減少氮素的施用量，促進烤煙進入成熟期，增加含糖量和油分，提高烤煙的質量［12］。植物工廠水肥一體化技術可以有效調(diào)節(jié)烤煙生長環(huán)境，提高煙葉質量，同時避免過度施肥造成的土壤環(huán)境惡化。

植物工廠是一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術，可在受控制的環(huán)境下種植作物，為其提供理想的生長條件［13］。對于烤煙種植而言，植物工廠可通過控制光照、溫度和水肥等因素，為烤煙提供穩(wěn)定、適宜的生長環(huán)境，從而提高其生長速度，縮短生產(chǎn)周期，保證烤煙的產(chǎn)量和質量。

2 烤煙數(shù)字孿生模型

數(shù)字孿生模型是將現(xiàn)實世界物理對象或系統(tǒng)與其數(shù)字化模型相對應的技術。在植物工廠中，數(shù)字孿生模型可以模擬植物的生長過程［14］，因此，建立烤煙數(shù)字孿生模型是植物工廠實現(xiàn)高效生產(chǎn)的重要步驟。

2.1 數(shù)據(jù)采集

首先，通過植物工廠物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術和傳感器技術［15］，實現(xiàn)對烤煙生長環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、分析，主要包括光強、光質、紫外輻射、CO2濃度、濕度、水肥信息（營養(yǎng)液pH、EC及氮、磷、鉀含量）等，傳感器類型和功能如表1所示。其次，通過激光掃描技術［16］結合圖像識別技術［17］、圖像分割算法［18］獲取烤煙表型數(shù)據(jù)，烤煙生長數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

2.2 烤煙三維形態(tài)模型構建

利用三維點云技術［19］構建烤煙三維形態(tài)模型，該模型包括掃描獲取烤煙表型、點云數(shù)據(jù)處理和建立烤煙表型模型3個步驟。

1）掃描獲取烤煙表型?？緹熑S模型具體的參數(shù)包括烤煙植株的株高、莖圍、葉片形態(tài)參數(shù)（葉片的面積、長度、寬度、角度等）、枝干數(shù)量、分支角度、葉片分布密度、葉片覆蓋度及植株的體積、表面積等。

2）點云數(shù)據(jù)處理。通過掃描獲取烤煙的點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進行處理，從中提取出烤煙的表型信息，包括株高、葉片形態(tài)和莖圍等參數(shù)。具體的數(shù)據(jù)分析方法包括點云配準、點云分割、特征提取、表型測量等。

3）建立烤煙表型模型?；邳c云數(shù)據(jù)處理結果，建立烤煙的三維形態(tài)模型，以展示烤煙的整體結構和特征。

通過形態(tài)模型的分析，可以更好地了解烤煙植株的生長情況、產(chǎn)量水平和質量狀況，為烤煙種植和管理提供有力支持。

2.3 烤煙孿生模型建立

烤煙孿生模型的建立包含以下步驟：數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預處理、特征提取、模型選擇、模型訓練、模型驗證、模型調(diào)優(yōu)和模型應用，如圖2所示。

2.4 孿生模型的調(diào)控

孿生模型通過數(shù)字孿生技術討論烤煙不同生長環(huán)境下形成的差異。通過在模型中設置不同的生長條件，如光質、光強、溫度、濕度、CO2濃度等，模擬不同環(huán)境條件下烤煙生長和產(chǎn)量的變化，分析不同因素對烤煙生長和產(chǎn)量的影響，最后確定模型參數(shù)和最佳生長條件。從植物工廠光照、溫度和營養(yǎng)液調(diào)控3個方面討論烤煙數(shù)字孿生模型的應用。

2.4.1 光照調(diào)控 傳統(tǒng)的光照模擬試驗通過改變光源距離獲取不同強度的光照度。當研究不同光質對烤煙生長的影響時，通常會使用濾膜、濾光片或熒光燈來獲取不同的光質條件。使用上述處理方式無法對光照度和光譜組成進行定量分析，這對試驗結果造成一定的影響。

在烤煙的數(shù)字孿生模型中，光照調(diào)節(jié)可以通過調(diào)整LED燈的亮度和色溫來實現(xiàn)。LED燈的亮度和色溫可以影響烤煙的生長速度、品質和化學成分等方面。在烤煙生長初期，需要較強的光照度來促進烤煙的生長，而在后期則需要逐漸降低光照度，以避免烤煙光照過度受到損傷。在數(shù)字孿生模型中，可以通過調(diào)整LED燈的色溫模擬不同光照條件下的烤煙生長。在光照光譜中，藍光可以促進烤煙的生長，而紅光可以促進花芽的形成。比較不同光照方案下烤煙的生長速度、株高、葉面積、花芽形成率、葉片色澤等指標，并根據(jù)這些指標評估不同光照方案的效果。在實際操作中，還可以根據(jù)經(jīng)驗或專家意見制定最佳的光照方案。總之，通過模擬不同光照條件下烤煙的生長過程，評估不同光照方案的效果，并選擇最優(yōu)的光照方案來提高烤煙的生產(chǎn)效率和品質。

2.4.2 溫度調(diào)控 溫度是植物工廠中影響烤煙生長的重要因素。在數(shù)字孿生模型中，可以通過調(diào)節(jié)空氣溫度、水肥溫度等方式來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。溫度調(diào)節(jié)在數(shù)字孿生模型中的應用主要包括3個方面。首先，數(shù)字孿生模型可以模擬不同溫度下烤煙的生長情況，以優(yōu)化烤煙的生長過程。通過建立不同的數(shù)字孿生模型，模擬出不同溫度、濕度、光照等環(huán)境下烤煙的生長情況，以便優(yōu)化烤煙的生長過程，提高烤煙的產(chǎn)量和品質。其次，數(shù)字孿生模型可以實時監(jiān)測溫度變化，通過調(diào)節(jié)加熱、制冷、通風等控制器實現(xiàn)精準調(diào)控，確保溫度的穩(wěn)定性和準確性，避免溫度波動過大對烤煙生長的影響。最后，數(shù)字孿生模型可以模擬不同溫度下烤煙的生長過程，評估溫度對烤煙產(chǎn)量、品質、營養(yǎng)成分等方面的影響。

數(shù)字孿生模型還可以結合其他因素，如光照和CO2濃度等，來優(yōu)化溫度調(diào)節(jié)方案。例如，在植物工廠中，光照和溫度通常會相互影響，調(diào)節(jié)光照可以幫助控制溫度?？偟膩碚f，數(shù)字孿生模型可以通過模擬不同溫度下烤煙的生長過程、精準調(diào)控溫度、評估溫度方案效果等方式優(yōu)化烤煙的生長過程，提高烤煙的產(chǎn)量和品質。

2.4.3 營養(yǎng)液調(diào)控 在營養(yǎng)液組成優(yōu)化方面，數(shù)字孿生模型可以模擬不同營養(yǎng)液配方對烤煙生長的影響，包括氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的含量和比例等。在營養(yǎng)液濃度調(diào)節(jié)方面，數(shù)字孿生模型可以模擬在不同營養(yǎng)元素濃度下烤煙的生長情況，包括不同濃度下烤煙的生長速度、產(chǎn)量、品質等方面的變化。在營養(yǎng)液循環(huán)調(diào)節(jié)方面，數(shù)字孿生模型可以實時監(jiān)測營養(yǎng)液的pH、EC、溫度等參數(shù)，并通過調(diào)節(jié)加水、排水、營養(yǎng)液循環(huán)等控制器來實現(xiàn)營養(yǎng)液的精細調(diào)節(jié)。營養(yǎng)液的循環(huán)調(diào)節(jié)可以確?？緹煾党浞治账璧臓I養(yǎng)元素，同時避免營養(yǎng)液中的污染物和有害物質對烤煙生長的影響。通過數(shù)字孿生模型的應用，可以準確地評估不同營養(yǎng)液配方、營養(yǎng)液元素濃度和營養(yǎng)液的循環(huán)調(diào)節(jié)方式對烤煙產(chǎn)量、品質等方面的影響，并選擇最優(yōu)的營養(yǎng)液方案，提高烤煙的生產(chǎn)效率和品質。

3 烤煙數(shù)字孿生模型的應用研究

烤煙數(shù)字孿生模型能夠模擬烤煙的生長信息。以成熟期烤煙模型為例，首先通過植物工廠收集烤煙生長數(shù)據(jù)，包括烤煙的生長周期、生長環(huán)境參數(shù)（如光照、溫度、濕度、CO2濃度等）、烤煙的形態(tài)結構等方面的數(shù)據(jù)，采用三維建模軟件建立烤煙三維模型。其次將建立的烤煙三維模型導入數(shù)字孿生軟件中，建立烤煙數(shù)字孿生模型。最后將建立的烤煙數(shù)字孿生模型與實際烤煙進行實時交互和仿真，烤煙數(shù)字孿生模型應用如圖3所示。

生成烤煙數(shù)字孿生模型需要經(jīng)過數(shù)據(jù)獲取、三維模型構建、數(shù)字孿生模型生成和數(shù)據(jù)反饋4個步驟，如圖4所示。①數(shù)據(jù)獲?。和ㄟ^植物工廠或田間試驗收集烤煙的生長周期、生長環(huán)境參數(shù)（如光照、溫度、濕度、CO2濃度等）和形態(tài)結構數(shù)據(jù)，并利用傳感器和監(jiān)測設備實時記錄不同生長階段的環(huán)境條件和生長狀態(tài)；②三維模型構建：將獲取的生長數(shù)據(jù)進行整理和分析，提取出株高、葉片形態(tài)、莖圍等關鍵表型信息，并采用三維建模軟件建立烤煙的三維形態(tài)模型，精確描繪其物理特征；③數(shù)字孿生模型生成：將建立的烤煙三維模型導入數(shù)字孿生軟件中，并根據(jù)三維模型和生長數(shù)據(jù)生成與實際烤煙對應的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的對接；④數(shù)據(jù)反饋：通過數(shù)字孿生模型與實際烤煙進行實時交互，模擬和預測烤煙在不同環(huán)境條件下的生長過程，并利用反饋的信息優(yōu)化種植條件和管理措施，以提高烤煙的生長效率和質量。通過上述步驟，烤煙數(shù)字孿生模型可以實現(xiàn)對烤煙生長過程的精確模擬和動態(tài)管理，為烤煙種植提供科學的決策支持。

4 討論

烤煙數(shù)字孿生模型能夠實現(xiàn)烤煙生長可視化，通過建立數(shù)字化的仿真模型，可以對烤煙生長進行動態(tài)監(jiān)測、分析和控制，實現(xiàn)物理空間和虛擬空間的一致性、實時性與閉合性。數(shù)字孿生模型的建立為烤煙種植智能化及生命周期管理提供進一步的解決方案。但是，數(shù)字孿生模型的建立需要大量的物理試驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常需要手動收集和整理，如果數(shù)據(jù)收集不全或不準確，就會影響模型的準確性和可靠性。同時，數(shù)字孿生烤煙模型需要包含各種復雜的物理模型、數(shù)學模型和統(tǒng)計模型，同時需要處理大量的數(shù)據(jù)，這使得該模型的構建和運行非常復雜和耗時，并需要專業(yè)的知識和技能。由于現(xiàn)階段試驗條件有限，數(shù)字孿生烤煙模型只能反饋烤煙實體的農(nóng)藝性狀，針對烤煙的生理信息還無法精確表達。

數(shù)字孿生技術將在植物工廠烤煙種植中發(fā)揮重要作用。數(shù)字孿生模型將變得更加精準和復雜，可以模擬更多的環(huán)境因素，進一步提高烤煙生產(chǎn)的可控性和生產(chǎn)效率。同時，數(shù)字孿生技術還可以結合人工智能技術，自動化實現(xiàn)烤煙生產(chǎn)和管理，大幅提高生產(chǎn)效率和減少人力成本。

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基金項目：云南省重大科技專項（202002AE09010）；云南省教育廳科學研究項目（2022Y292）

作者簡介：楊 睿（1994-），男，湖北潛江人，碩士，主要從事智慧農(nóng)業(yè)研究，（電話）15570081994（電子信箱）414921294@qq.com；通信作者，

王 靜（1973-），女，云南曲靖人，副教授，碩士，主要從事智慧農(nóng)業(yè)技術分析研究，（電話）13668700656（電子信箱）lwj6973@163.com。