劇烈的氣候變化和人口過(guò)剩使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式難以為繼。即使是經(jīng)濟(jì)較為富裕的國(guó)家，家庭糧食安全問(wèn)題也在不斷加劇。

例如，在加拿大，六分之一的家庭難以獲得維持健康和積極生活方式所需的食物，而且情況還在逐年惡化。

糧食不安全是一個(gè)迅速升級(jí)的全球性問(wèn)題，農(nóng)業(yè)公司面臨的挑戰(zhàn)是找到高效的新方法來(lái)生產(chǎn)農(nóng)作物：減少浪費(fèi)、減少殺蟲(chóng)劑、縮短上市時(shí)間，同時(shí)減少能源足跡。

由于傳統(tǒng)的室外耕作無(wú)法應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，室內(nèi)耕作技術(shù)，如受控環(huán)境農(nóng)業(yè)（CEA），正變得格外引人關(guān)注。

然而，這些技術(shù)需要適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)輔助支持。我們?cè)邴溈笋R斯特大學(xué)的可持續(xù)系統(tǒng)與方法（SSM）實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了此類(lèi)計(jì)算機(jī)輔助方法和工具。

引入數(shù)字孿生

受控環(huán)境是指在一個(gè)由復(fù)雜機(jī)器HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）、灌溉和照明系統(tǒng)以及一系列測(cè)量環(huán)境條件的傳感器人為控制的隔離環(huán)境中種植作物的技術(shù)。

由于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，受控環(huán)境比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境能獲得更好的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)還能減少浪費(fèi)。

由于這些改進(jìn)的同時(shí)也增加了復(fù)雜性，因此尋找最佳的生長(zhǎng)策略——即以最合適的速度刺激生長(zhǎng)并降低能耗的環(huán)境條件序列——尤其具有挑戰(zhàn)性。

這是另一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)決策和高精度控制，這些任務(wù)都超出了人類(lèi)能力的極限。

而數(shù)字孿生之類(lèi)的計(jì)算機(jī)輔助支持可以發(fā)揮重要作用。

數(shù)字孿生是物理對(duì)象、人或過(guò)程的數(shù)字呈現(xiàn)，它通過(guò)對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行高保真實(shí)時(shí)模擬來(lái)輔助決策，通常還配備了自主控制能力。

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生通常用于監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境條件，以促進(jìn)作物以最佳的、可持續(xù)的速度生長(zhǎng)。

數(shù)字孿生提供了一個(gè)實(shí)時(shí)儀表板，用于觀察種植區(qū)的環(huán)境條件，數(shù)字孿生還可以以不同的自主程度直接控制環(huán)境。

減少能源消耗——或者說(shuō)提高作物能源比——是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)施的一個(gè)顯而易見(jiàn)的目標(biāo)，因?yàn)榧訜岷屠鋮s設(shè)施需要消耗大量能源。

數(shù)字孿生還可用于設(shè)計(jì)新型溫室。例如，在設(shè)計(jì)新的溫室時(shí)，可將在溫室中長(zhǎng)期收集數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

經(jīng)濟(jì)上可行嗎？

開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)和提高農(nóng)業(yè)公司的數(shù)字成熟度是影響數(shù)字增強(qiáng)型CEA采用成本的主要因素。

開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)的相關(guān)成本主要涉及硬件元件和軟件開(kāi)發(fā)。自制解決方案、嘗試使用廉價(jià)設(shè)備并逐步擴(kuò)展功能是很好的開(kāi)始，有助于采用正確的數(shù)字化思維。

然而，專(zhuān)業(yè)的種植環(huán)境需要工業(yè)級(jí)的子系統(tǒng)，其成本完全不可同日而語(yǔ)，采用這些系統(tǒng)需要精心籌劃組織的數(shù)字化戰(zhàn)略。

農(nóng)業(yè)是數(shù)字化程度最低的部門(mén)之一，數(shù)字化成熟度是采用數(shù)字孿生的絕對(duì)前提。因此，在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，與數(shù)字成熟度相關(guān)的成本往往超過(guò)技術(shù)成本。

一家處于數(shù)字化早期階段的公司必須考慮選擇云提供商、制定數(shù)據(jù)戰(zhàn)略和獲取一系列軟件許可證等問(wèn)題，這還只是眾多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)中的一小部分。

組織成本很難評(píng)估，但可能會(huì)使公司的經(jīng)濟(jì)前景變得暗淡。這是一個(gè)特別痛苦的成長(zhǎng)階段，需要適當(dāng)?shù)淖稍?xún)。

最近有一些成功的產(chǎn)學(xué)合作案例，幫助農(nóng)業(yè)公司拓展了正在進(jìn)行的數(shù)字化工作。

接下來(lái)會(huì)怎樣？

對(duì)糧食安全和可持續(xù)生產(chǎn)的需求與以往一樣迫切。

面對(duì)劇烈的氣候變化、加拿大各地的森林大火、歐洲的極端空氣污染、持續(xù)的能源危機(jī)和人口的不斷增長(zhǎng)，糧食自給自足已成為人類(lèi)的首要目標(biāo)之一。

要實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出的第二個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，即到2030年消除全球饑餓，就必須徹底轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)模式。

實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的途徑之一就是先進(jìn)的數(shù)字化和數(shù)字孿生。

在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)之前，仍有許多障礙需要克服，但隨著硬件和算力價(jià)格的不斷降低，數(shù)字驅(qū)動(dòng)的智能農(nóng)業(yè)正在成為現(xiàn)實(shí)。