Умный микроклимат: цифровые двойники помогут вырастить вкусные фрукты
Эффективность сельскохозяйственного производства в помещениях с контролируемой средой выходит на новый уровень. Российские и белорусские ученые разработали технологию цифровых двойников для сити-ферм и теплиц.
Датчики и математическая модель
В России растениеводство развивается не только на полях, но и в теплицах, а также сити-фермах (городских фермах, вертикальных фермах) — комплексах, включающих оборудование и технологии для выращивания экологически чистых растений. При таком производстве особенно важны максимальная эффективность использования оборудования.
Ученые Сибирского федерального университета (СФУ) и Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий Национальной академии наук Республики Беларусь сделали технологии еще более эффективными. Они разработали цифрового двойника для специальных камер - фитотронов. Для выращивания растений там обеспечен полный климатический контроль. Разработка выполнена в рамках гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
В основе системы – сочетание физико-математической модели и IoT-датчиков, которые непрерывно отслеживают ключевые параметры - температуру, влажность и уровень углекислого газа. Таким образом у аграриев есть возможность в условиях реального времени не только мониторить, но и автоматически менять условия выращивания. Важно, что система позволяет прогнозировать их изменения, что способствует оптимизации потребления ресурсов.
Практика и виртуальные эксперименты
Практические испытания проводились на действующей вертикальной сити-ферме с промышленными объемами производства - на 4500 посадочных мест. Практика показала, что цифровой двойник эффективно отслеживает суточные колебания климата и энергопотребление системы, подтверждая точность гибридного подхода.
«Цифровой двойник — это динамическая виртуальная вычислительная модель, которая показывает актуальное состояние умной фермы. Она формируется с помощью данных, которые получены с внутренних датчиков. Благодаря работе искусственного интеллекта и аналитике цифровой двойник может прогнозировать события, моделировать сценарии и предлагать наиболее выгодные решения по выращиванию той или иной культуры», - рассказал детали технологии заведующий лабораторией сити-ферминга СФУ Иван Тимофеенко.
Результаты испытаний показали высокую точность работы цифрового двойника при моделировании климата: отклонение температуры не превышало 0,1 градуса, влажность контролировалась в пределах 2%, а прогноз энергопотребления совпал с фактическими данными на 99,5%.
Собранная на объекте информация затем использовалась для обучения нейросетей. Построенная цифровая модель позволяет проводить виртуальные эксперименты с цифровым двойником фитотрона.
У аграриев есть возможность менять параметры работы оборудования, анализировать их влияние на условия среды - температуру, влажность и другие факторы - и оценивать урожайность в новых условиях. Таким образом, технология помогает формированию импортонезависимости России в сегменте управления микроклиматом в закрытых агросистемах.
Доступная технология и стабильное производство
Оборудование для фитотрона включает простые, и, что важно, доступные устройства, которые используются в технологиях «интернета вещей»: умные розетки, датчики и серверы, светодиодное освещение, системы кондиционирования, подогрева, осушения воздуха и другие элементы для управления состоянием среды.
Общая стоимость комплекта оборудования составила около 2900 долларов США, что делает решение доступным для массового производства. Широкое внедрение технологии позволяет масштабировать выращивание зелени, овощей и фруктов, что особенно актуально для отдаленных регионов России и территорий с суровым климатом. Это позволит наладить стабильное производство с прогнозируемым урожаем, а значит, прогнозируемым уровнем цен. При этом цифровые технологии позволят снизить себестоимость. Цифровой двойник фитотрона, моделирующий динамику микроклимата в закрытых агросистемах, позволяет снизить энергозатраты на 20–30 %.
«Применение цифровых двойников для задач по повышению урожайности представляется эффективным. В частности, точность моделей позволяет оптимизировать управление энергопотреблением. Такие технологии особенно значимы в долгосрочной перспективе, когда будет сформирована устойчивая обратная связь, положительно влияющая на урожайность», — отметил глава группы «Цветовая вычислительная фотография» AIRI, руководитель сектора репродукции и синтеза цвета Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН Егор Ершов. Все это даст стабильные качество и стоимость продукции круглый год.
Экспорт на Восток
Следующий шаг развития технологии - интеграция с автоматизированными системами управления агробизнесом. После масштабирования, проверки в условиях массового производства и адаптации к новым условиям, российская цифровая агротехнология имеет серьезный экспортный потенциал.
Сегодня страны Ближнего Востока активно инвестируют в развитие агротехнологий с контролируемым микроклиматом. Emirates Flight Catering, одна из крупнейших в мире компаний общественного питания, приобрела компанию Emirates Bustanica (ранее Emirates Crop One) и ее бренд Bustanica — крупнейшую в мире крытую вертикальную ферму. Цель - реализации национальной стратегии ОАЭ по укреплению продовольственной и водной безопасности.
Российский цифровой двойник для сити-ферм будет полезен для развития в ОАЭ сельского хозяйства в условиях контролируемой среды.
