Co znajdziesz w artykule?
Czwarta rewolucja technologiczna dostarczyła i nadal dostarcza wielu ciekawych rozwiązań technicznych i technologii, które znajdują coraz szersze zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w rolnictwie.
Wzrost mocy obliczeniowych komputerów, prędkości i przepustowości Internetu, coraz większej dostępności różnego rodzaju czujników umożliwiających zbieranie różnorodnych danych pozwoliły urzeczywistnić wizję wirtualnego świata odwzorowującego otaczającą nas rzeczywistość.
Wirtualne kopie fizycznych obiektów, procesów i systemów – nazwane cyfrowe bliźniaki – znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle, energetyce i innych sektorach gospodarki. Technologia cyfrowych bliźniaków okazuje się przydatna również w rolnictwie, o czym piszemy poniżej.
Czym jest cyfrowy bliźniak?
Cyfrowy bliźniak (z ang. digital twin) to wirtualna reprezentacja fizycznego obiektu, systemu lub procesu. Może ona dotyczyć zarówno pojedynczej maszyny, jak i całych zakładów produkcyjnych, a nawet złożonych sieci obiektów (np. aglomeracje miejskie).
Działanie cyfrowego bliźniaka opiera się na zbieraniu danych z czujników zamontowanych na fizycznym obiekcie, którego wirtualną replikę tworzy ów bliźniak. Dane te są wykorzystywane do budowy i ciągłej aktualizacji modelu komputerowego, który działa w czasie rzeczywistym. Coraz częściej wykorzystuje się również optyczne systemy pomiarowe analizujące obrazy i nagrania wideo, co pozwala jeszcze dokładniej odwzorować rzeczywistość.
Cyfrowe bliźniaki to modele dynamiczne, które stale reagują na zmieniające się warunki. Dzięki temu można symulować różne scenariusze pracy i działania obiektów, analizować wydajność systemów i przebieg produkcji, przewidywać usterki i zagrożenia, jak również optymalizować procesy bez ingerencji w rzeczywisty obiekt.
Technologia cyfrowego bliźniaka wiąże się z dwukierunkową wymianą danych. Dane przepływają tam i z powrotem między obiektem fizycznym i jego cyfrowym sobowtórem. Jeśli nastąpi zmiana w rzeczywistym zasobie, zostanie ona odzwierciedlona w cyfrowym bliźniaku. I odwrotnie, zmiany wprowadzone do cyfrowego bliźniaka można wdrożyć w świecie rzeczywistym.
Cyfrowe bliźniaki eliminują potrzebę budowania fizycznych prototypów, skracają czas projektowania i poprawiają jakość dzięki połączeniu wielodomenowych symulacji, analiz danych i uczenia maszynowego w celu zademonstrowania wpływu zmian projektowych, scenariuszy użytkowania, warunków środowiskowych i innych zmiennych.
To sprawia, że cyfrowe bliźniaki stają się kluczowym narzędziem w koncepcji Przemysłu 4.0, jak i innych sektorów gospodarki. Okazują się one również przydatne w rolnictwie, o czym mowa będzie poniżej.
Koncepcja cyfrowych bliźniaków ma stosunkowo długą historię. Już w latach 60. XX wieku NASA wykorzystywała naziemne repliki statków kosmicznych, by w razie problemów w kosmosie móc testować ich rozwiązania na Ziemi.
Koncepcja cyfrowych bliźniaków w kontekście przemysłowym została wprowadzona w 2002 roku przez dr Michaela Grieves’a. Natomiast termin „cyfrowy bliźniak” zaproponował i spopularyzował John Vickers z NASA w 2010 r.
Obecnie cyfrowe bliźniaki znajdują zastosowanie w różnych sektorach gospodarki. Korzysta z nich przemysł, gdzie w fabrykach cyfrowe bliźniaki maszyn i procesów produkcyjnych umożliwiają m.in. optymalizację harmonogramów pracy, wczesne wykrywanie usterek maszyn – pozwala to zapobiegać awariom, jak również zwiększać efektywność produkcji i redukować przestoje.
W sektorze energetycznym cyfrowe bliźniaki elektrowni i instalacji OZE (np. farm wiatrowych i słonecznych) pomagają optymalizować produkcję energii, prognozować usterki i planować konserwację, jak również utrzymywać stabilność sieci energetycznej.
Cyfrowe odwzorowania infrastruktury miejskiej w koncepcji inteligentnych miast – jak sieci transportowe, energetyczne czy wodociągowe – umożliwiają zarządzanie ruchem ulicznym w czasie rzeczywistym, kontrolowanie zużycia energii i wody, jak i poprawę jakości i dostępności usług publicznych.
Cyfrowe bliźniaki w rolnictwie
W erze Rolnictwa 4.0 nowoczesne technologie – jak czujniki, Internet Rzeczy (IoT), przetwarzanie danych w chmurze czy zaawansowane systemy analityczne – odgrywają kluczową rolę w zarządzaniu gospodarstwem. Umożliwiają one zbieranie i analizowanie danych w czasie rzeczywistym, co przekłada się na bardziej świadome i precyzyjne decyzje dotyczące produkcji rolnej i zarządzania gospodarstwem.
Wszystkie te narzędzia technologiczne często są integrowane z jedną spójną platformą cyfrową, na bazie której może powstać szczegółowe, dynamiczne odwzorowanie gospodarstwa, czyli inaczej mówiąc – cyfrowy bliźniak. Cyfrowy bliźniak jest wirtualną reprezentacją rzeczywistego systemu, obejmującą zasoby, procesy i infrastrukturę rolną. Dzięki niej możliwe staje się kompleksowe planowanie, prognozowanie i optymalizacja działań w gospodarstwie z niespotykaną dotąd dokładnością.
Funkcjonowanie cyfrowego bliźniaka opiera się na stałym dopływie wiarygodnych danych z rzeczywistego środowiska. W rolnictwie są to m.in. informacje z czujników glebowych i umieszczonych na maszynach, stacji pogodowych, systemów monitorujących zwierzęta, a także dane z dronów i satelitów. Uzupełnieniem mogą być wyniki analiz laboratoryjnych, dane agronomiczne oraz wiedza ekspercka dotycząca uprawy roślin i hodowli zwierząt.
W rolnictwie technologia cyfrowych bliźniaków pozwala jej użytkownikom tworzyć cyfrowy model całego ekosystemu rolniczego, w tym pól, obiektów, upraw, zwierząt i maszyn. Cyfrowe odpowiedniki aktywów gospodarstwa rolnego można wykorzystać do śledzenia stanu gleby, upraw lub zwierząt gospodarskich, analizowania różnego rodzaju operacji rolniczych, działania na podstawie spostrzeżeń w czasie rzeczywistym i przewidywania przyszłych wyników.
Cyfrowa kopia gospodarstwa rolnego staje się nieocenionym narzędziem wspierającym nowoczesne rolnictwo, umożliwiającym szybkie reagowanie na wszelakie zmiany i anomalie, minimalizowanie strat i zwiększanie efektywności całej produkcji rolnej. Cyfrowe bliźniaki są potężnym narzędziem symulacyjnym, umożliwiającym wizualizację wpływu praktyk rolniczych i sił natury na rozwój upraw i zwierząt.
Koncepcja cyfrowych bliźniaków w rolnictwie dopiero zaczyna się rozwijać. Rozwój tej technologii związany jest z powszechnością w gospodarstwach rolnych przede wszystkim rozwiązań Internetu Rzeczy, umożliwiających pozyskiwanie znacznych zasobów danych. Jednakże na potrzeby cyfrowego bliźniaka przydatne mogą okazać się dane z satelitów i dronów oraz informacje historyczne dotyczące m.in. wzorców pogodowych.
Podobnie jak w innych sektorach gospodarki, technologia cyfrowego bliźniaka może oferować szereg korzyści również w rolnictwie. Posiadając cyfrowego bliźniaka, rolnicy mogą przeprowadzać symulacje online i testować różne scenariusze w uprawie i hodowli bez ingerencji w rzeczywiste procesy. Dzięki symulacjom i testom gospodarstwa mogą wprowadzać zmiany w procesach produkcyjnych przed ich rzeczywistym wdrożeniem, co przekładać się może na wyższe plony, jak i lepszą jakość pozyskanych płodów rolnych.
PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ: Autonomiczne roboty w rolnictwie. Poznaj najciekawsze maszyny!
Obszary zastosowania cyfrowych bliźniaków w rolnictwie
Technologia cyfrowego bliźniaka w rolnictwie ma szerokie spektrum zastosowania. Jednym z obszarów, w którym cyfrowy bliźniak może być przydatny, jest uprawa roślin. W cyfrowym modelu danej uprawy – zasilanym stale danymi dotyczącymi warunków glebowych, pogodowych i bieżącej kondycji roślin – możliwa byłaby symulacja danych praktyk rolniczych i ocena ich wpływu na wielkość plonów i ich jakość.
Cyfrowy bliźniak uprawy pozwoliłby symulować skutki niekorzystnych zjawisk pogodowych i efektywność działań mających na celu redukcję ich niekorzystnych skutków. Na podstawie tych spostrzeżeń rolnicy mogą dostosowywać płodozmian, terminy siewu, sadzenia, nawadniania i innych zabiegów agrotechnicznych oraz poziom nawożenia i ochrony chemicznej. Cyfrowe bliźniaki mogą zoptymalizować wykorzystanie wody, nawozów i innych środków do produkcji, jednocześnie minimalizując wielkość odpadów. Prowadzi to do wzrostu plonów, redukcji kosztów produkcji i zoptymalizowanego wykorzystania zasobów naturalnych w gospodarstwie.
Integracja danych w czasie rzeczywistym z czujników i urządzeń IoT i danych historycznych w cyfrowym bliźniaku umożliwia symulacje warunków pogodowych i zmian klimatu, jak i wystąpienia chorób i szkodników. Pozwala to rolnikom przewidywać problemy, zanim one wystąpią, i podejmować odpowiednie działania w celu złagodzenia ryzyka niekorzystnych czynników.
Cyfrowe bliźniaki stają się jednym z najbardziej obiecujących narzędzi dla gospodarstw rolnych zajmujących się produkcją zwierzęcą. Wspierają one nie tylko opłacalność produkcji, lecz także poprawę dobrostanu zwierząt oraz ograniczenie negatywnego wpływu gospodarstw na środowisko naturalne.
Dzięki integracji danych z różnych źródeł – jak czujniki, kamery, systemy zarządzania stadem, urządzenia IoT czy bazy wiedzy – możliwe jest precyzyjne odwzorowanie rzeczywistego środowiska hodowlanego w przestrzeni cyfrowej.
Jednym z najważniejszych zastosowań cyfrowych bliźniaków jest bieżące monitorowanie zdrowia i dobrostanu zwierząt. Dzięki nowoczesnym sensorom (np. obrożom GPS z czujnikami biomedycznymi), systemy zbierają informacje o parametrach życiowych, aktywności, poziomie stresu i nietypowych zachowaniach. Dane są analizowane w czasie rzeczywistym, a wszelkie odchylenia mogą wskazywać na choroby, urazy lub problemy środowiskowe.
Cyfrowy bliźniak każdego zwierzęcia może również gromadzić dane historyczne, co umożliwia budowanie modeli predykcyjnych (np. wykrywanie ryzyka wystąpienia mastitis u krów mlecznych jeszcze przed pojawieniem się widocznych objawów). Wczesna interwencja ogranicza straty i redukuje konieczność stosowania antybiotyków.
Cyfrowe bliźniaki umożliwiają personalizację planów żywieniowych na podstawie danych o kondycji, wieku, genotypie, wydajności produkcyjnej czy składzie pasz. Dodatkowo, dzięki symulacjom „co-jeśli”, hodowcy mogą testować różne scenariusze żywieniowe bez ryzyka i kosztów (np. sprawdzić, jak zmiana dawki czy rodzaju paszy wpłynie na wyniki produkcyjne).
Cyfrowe bliźniaki okazują się niezwykle przydatne już na etapie projektowania obór, chlewni czy innych obiektów. Pozwalają na wirtualne testowanie układu stanowisk, rozmieszczenia urządzeń czy systemów wentylacyjnych jeszcze przed rozpoczęciem budowy. Dzięki temu można uniknąć błędów projektowych i stworzyć optymalne warunki dla zwierząt, ludzi i maszyn.
Jaka jest przyszłość cyfrowych bliźniaków w rolnictwie?
Początki prac nad stworzeniem cyfrowych bliźniaków dla rolnictwa już są dostrzegalne, a prawdziwy cyfrowy bliźniak prawdopodobnie pojawi się za kilka lat.
Stworzenie rolniczych cyfrowych bliźniaków wymaga kosztownej kombinacji ekspertów, aby je opracować: ekspertów domenowych, ekspertów ds. czujników i IoT, ekspertów ds. uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji oraz wielu innych. W rezultacie, tworzenie cyfrowych bliźniaków nie będzie prostym ani tanim działaniem. Ze względu na ich koszt i złożoność, pierwsze cyfrowe bliźniaki prawdopodobnie pojawią się w organizacjach z dużymi budżetami na badania i rozwój oraz znacznym potencjałem zwrotu z inwestycji.
Cyfrowe bliźniaki prawdopodobnie zostaną opracowane przez start-upy lub duże organizacje z dużymi budżetami na badania i rozwój.
Cyfrowe bliźniaki zmienią sposób zarządzania gospodarstwem. Pozwolą działać szybciej, dokładniej i bardziej przewidywalnie. Mogą one wykrywać problemy, zanim się pojawią i rekomendować działania, które zwiększą opłacalność i zrównoważenie produkcji rolnej.
W erze cyfryzacji i zmian klimatycznych technologia cyfrowych bliźniaków może stać się kluczowym elementem budowania nowoczesnego, wydajnego i ekologicznego rolnictwa.
ZOBACZ RÓWNIEŻ NASZE WIDEO: PIERWSZY TAKI TRACTOR PULLING W POLSCE
.
