基于数字孪生的农业耕作监控系统

熊祥盛，许 静，陈平录

（1.江西农业大学 软件学院，江西 南昌 330045；2.江西农业大学 工学院，江西 南昌 330045）

高质量的农业耕作是实现高效、高质量农业生产的关键之一。安全、可靠、全面的农业耕作监控系统不仅要求可以实时监测农业耕作状态信息并及时反馈异常状态，还应当对农业耕作过程进行分析预测，发掘农业耕作过程的运作规律，沉浸式的展现农业耕作过程的实时状态。但是现有的农业耕作监控系统往往无法实现这一目的，不仅缺乏系统性耕作理论知识指导系统搭建，而且监控内容较为单一、片面、不完善。因此对于农业耕作过程亟需一种先进的理论方法来指导农业耕作监控系统的构建。

数字孪生是以数字化的方式建立物理实体的多维度、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等[1]。数字孪生技术在航空航天[2]、产品设计[3]、智慧城市[4]和农业[5]等领域都有广泛的应用。

为了实现系统、全面的农业耕作监控，本文将数字孪生技术融入监控系统中，构建了基于数字孪生的农业耕作监控系统。该系统包括了监控模块、虚拟耕作系统、可视化服务三部分。在耕作过程中，实时的数据流、程序流在监控模块、虚拟耕作系统、可视化服务三者之间迭代，推动三者交互融合，最终迭代出最佳的耕作策略从而实现最好的耕作效果。

1 基于数字孪生的农业耕作监控系统整体架构

在综合考虑农业耕作复杂多变的环境及相关耕作农艺要求后，本文搭建了基于数字孪生的农业耕作监控系统架构，该架构包括了监控模块、虚拟耕作系统和可视化服务三部分。监控模块主要是为实现对实际耕作过程的实时状态监控与状态信息、控制指令的实时、高效传输。虚拟耕作系统主要为利用监控模块，建立与实际耕作过程的交互通道，构建完全映射的虚拟耕作模型，利用虚拟耕作模型对土壤切削进行仿真模拟，对耕作过程进行迭代优化，以实现对耕作过程的细微状态的探究及运动状态的预测，并将预测结果反馈回实际耕作，从而控制实际耕作过程。可视化服务主要为从数据与模型两方面将农业耕作过程实况生动形象的呈现出来，有利于用户掌握实际耕作过程的变化与进度。监控系统整体架构，见图1。

图1 监控系统整体架构Fig.1 The overall architecture of monitoring system

2 监控模块

监控模块作为农业耕作监控系统的底层，肩负着农业耕作过程状态信息的精确采集与状态信息、控制指令实时传输的使命，为此可将监控模块划分为数据采集模块与信息传输模块两部分。

数据采集模块是对整个耕作过程全方位的数据采集，包括了动态数据与静态数据，主要的采集内容为农业耕作机械装备状态数据、土壤状态数据和田间环境数据等。农业耕作机械装备的静态数据包括了农业耕作机械装备组成结构如牵引结构、传动结构、耕作部件等的几何数据、装配数据，也包括了农业耕作机械装备的材料数据、功能数据、属性数据等；农业耕作机械装备的动态数据包括了农业耕作机械装备运作过程中的强度数据、受力变形情况、扭矩变化等。土壤的静态数据包括土壤颗粒含量组成等；土壤的动态数据包括土壤的温湿度、土壤坚实度、pH 值等。田间环境的静态数据包括田间作物分布、田间地形地貌等；田间环境的动态数据包括田间表层温湿度、田间表层风速等。数据采集模块的数据采集方式由现有地理环境等历史数据、人员采集和传感器实时采集三种方式组成，三种方式相互补充协作与完善。

数据传输模块必须准确及时的将采集的数据上传至虚拟耕作系统和将虚拟耕作系统发出的控制指令反馈至农业耕作机械装备。土壤与环境实时数据可以通过高精度农业传感器直接采集，但由于采集面积通常较广，所以需采用无线传输的方式传输数据。此外，农业耕作机械装备需要在田间不断移动，故也需要采用无线传输的方式传输数据。农业耕作地点一般都远离城市，基础网络设施不完善、分布不均匀，考虑到成本与环境要求，数据传输方案无法采用4G、5G等传输方案。而Zigbee 通信模块具有成本低、丢包率低、拓展性强、数据可以通过多跳的方式实现远距离传输等优点[6]，可以构建分布式无线传感器网络，符合农业耕作监控的需要，故本文将Zigbee 模块作为数据传输模块，实现数据的无线传输。

传感器数据采集模块固定安装于土壤、田间环境和农业耕作机械装备相应的采集或控制节点上。每个传感器数据采集模块由电源模块供能并连接一个Zigbee 无线通信模块，该Zigbee 通信模块作为数据传输的子节点，此外在虚拟耕作系统端安装一个Zigbee 通信模块作为协调器，协调器可汇聚各个子节点传输的实时耕作状态数据或者向相应子节点发送虚拟耕作系统给出的控制指令。

3 虚拟耕作系统

农业耕作数字孪生监控系统构建的虚拟耕作系统可与实际耕作过程进行实时映射与交互。实际耕作过程传输的数据指导虚拟耕作系统的构建，虚拟耕作系统发出的指令反馈控制实际耕作过程。

虚拟耕作系统可实现从多维度、多时间尺度、多空间尺度对耕作机械装备及田间环境等实体真实、细微的刻画，刻画的内容包括几何、仿真、规则等方面。对于几何内容，可以通过三维建模软件对土壤、田间环境和农业机械耕作装备的几何信息进行详细的刻画，按照结构、功能和属性分类并编号，导入模型库中。具体工作可以总结为通过对农业耕作机械装备、土壤及田间环境的实地测绘和相关历史数据的查询，绘制农机耕作机械装备和田间环境的CAD 图纸，以此数据利用SolidWorks 绘制三维模型。土壤包括土壤颗粒模型、土壤类型模型；田间环境包括地理位置模型、地形地貌模型等；农业耕作机械装备的三维模型包括拖拉机模型、传动机构模型以及耕作部件模型等。

根据相应的农艺要求和领域知识，在耕作开始前，虚拟耕作系统利用相关算法规划出合理的耕作流程。参照耕作流程，组合配置出需要的耕作机械三维模型，由LS-dyna构建出对应的土壤切削仿真模型，实现在该耕作流程下耕作过程的仿真模拟。同时在该仿真模拟中可以获得虚拟耕作过程中土壤破碎率、土壤粒子位移情况等土壤变化状况和耕作部件的扭矩、受力等农业耕作机械装备的状态，还包括耕作过程的功率消耗、耕作效率等情况。在实际耕作过程展开前，将仿真分析结果转化成控制指令，经监控模块传递至对应控制节点，指导实际农业耕作机械装备的运行，使实际耕作过程更加合理、效率更高、成本更低。此外，在耕作过程中，虚拟耕作系统可以综合对比分析监控模块采集的实况耕作数据与仿真模型的模拟数据，对整个耕作流程进行验证，判断耕作流程规划是否合理，并全面挖掘耕作过程的运行规律，以此构建更加真实的仿真模型，强化对后续耕作的准确预测。农业耕作过程仿真模型，见图2。

图2 农业耕作过程仿真模型Fig.2 The simulation model of agricultural farming process

4 可视化服务

可视化服务是实现数字孪生虚实结合的重要方式之一，基于数字孪生的农业耕作监控系统可以借助可视化服务全面立体的将实际耕作状态信息总结汇聚并展示出来。可视化服务包括两方面内容，即实现数据的可视化及模型的可视化。

数据可视化要求实现数据的实时、多角度和多层次的显示。整个农业耕作过程的数据包括五个方面的数据：①原始数据，包括传感器实时采集的土壤、田间环境、农业耕作机械装备状况数据和仿真模拟过程采集的耕作数据如耕刀受力、土壤破碎情况等；②原始数据信息增值，反应整个耕作过程的实况，展现出耕作过程变化趋势；③预测数据，采用神经网络、深度学习等算法对数据进行计算得出的耕作预测数据，包括最佳耕作策略、预警信息等；④历史数据，包括了地理数据、地形地貌数据、农机历史运行数据等；⑤领域知识，领域知识是对整个耕作过程的规律汇集，包括农艺要求、耕作规律等。所有的数据进行可视化展示可以采用包括但不限于点云、多边形、公式、文本、树状图、图谱和表格等方式[7]。

模型可视化要求实现耕作过程的高逼真度模拟，让用户有沉浸式的农业耕作体验。整个模型可视化包括三个模块：①几何模型展示，将农业耕作机械装备、土壤及田间环境静态的展示出来，包括农业耕作机械装备细致的几何结构、零件装配信息、田间的石块、树木等环境信息。②仿真模拟可视化，仿真模块接入采集的实际耕作状态信息，对耕作过程进行仿真模拟，可展示耕作过程的细微状态变化，实现对后续耕作过程的预测。③农机耕作过程动态展示，将传感器采集的数据实时传入unity3D 中，从宏观角度实时展示耕作状况，同时反馈整个农场的耕作进度。图3 为智慧农业耕作数字孪生监控平台。

图3 智慧农业耕作数字孪生监控平台Fig.3The simulation model of agricultural farming process

5 结论

本文搭建了基于数字孪生的农业耕作监控系统，从监控模块、虚拟耕作系统和可视化服务三部分对监控系统进行了详细的划分和系统的阐述，并进行了相关模型搭建和程序的编写，测试结果表明，该监控系统可靠性高、鲁棒性强、实用性高。