Cyfrowy Bliźniak (Digital Twin) to cyfrowa technologia, która znajduje coraz szersze zastosowanie w branży przemysłowej ale również rokuje szerokie perspektywy dla rolnictwa.
Czymże jest Cyfrowy Bliźniak? W jaki sposób może wspomagać on rolników? O tym poniżej.
fot. dr Jacek Skudlarski
Odwzorowanie rzeczywistości w wirtualnym świecie
Pojęcie Cyfrowy Bliźniak najłatwiej będą mogły wyobrazić sobie osoby, które grały w tzw. gry symulacyjne np. SimCity. W tej grze gracze mają możliwość tworzenia cyfrowej wersji miasta, które z biegiem czasu rozrasta się do gabarytów wielkiej aglomeracji. Gra umożliwia wykonywanie różnorodnych symulacji i testowania różnych scenariuszy rozwoju miasta z uwzględnieniem możliwości inwestycyjnych itp. A czy w cyfrowej przestrzeni można by umieścić gospodarstwo rolne i symulować w nim różne procesy? Miłośnicy gry Farming Simulator z pewnością się z taką tezą się zgodzą. A gdyby odwzorować prawdziwe gospodarstwo rolne i z pomocą takiego narzędzia zarządzać rzeczywistą farmą? Takie możliwości może zaoferować technologia Cyfrowego Bliźniaka.
Czym jest więc Cyfrowy Bliźniak? Ogólnie można by powiedzieć, że Cyfrowy Bliźniak to cyfrowa reprezentacja odnosząca się do fizycznych obiektów, procesów i systemów. W technologii Cyfrowego Bliźniaka pomiędzy fizycznym obiektem, a jego cyfrowym odwzorowaniem ma miejsce stałe połączenie oraz wymiana i przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym w celu nieustannej aktualizacji odwzorowania fizycznego obiektu, systemu lub procesu. W tym celu niezbędne jest dostarczane danych, które mogą być pozyskane z różnego rodzaju czujników podłączonych do Internetu (zwanego tez Internetem Rzeczy), które są umieszczone na maszynie, linii produkcyjnej czy w infrastrukturze określonego budynku np. centrum logistycznego. Cyfrowy Bliźniak nie tylko na bieżąco odtwarza pracę maszyny czy przebieg procesu (np. procesu produkcyjnego, logistycznego), co można obserwować nawet poprzez Internet na odległość, ale również pozwala na różnego rodzaju symulacje. Na przykład można symulować zachowanie maszyny kiedy zwiększymy jej obciążenie by przekonać się czy jest ona w stanie pracować z wyższą wydajnością. W Cyfrowym Bliźniaku można sprawdzić jakie będzie zużycie elementów roboczych maszyny czy pojazdu po określonym czasie pracy. W rzeczywistości trzeba byłoby ów określony czas przeczekać, by dopiero wtedy przekonać co się zużyło. Cyfrowa technologia pozwala przyspieszyć proces pozyskiwania informacji o przyszłym stanie maszyny. W Cyfrowym Bliźniaku można symulować przebieg procesów produkcyjnych by przekonać się jak będzie przebiegała produkcja gdy zmienimy np. jej organizację. W Cyfrowym Bliźniaku projektuje się nawet całe fabryki i procesy w nich zachodzące, a następnie w wirtualnym świecie sprawdza się prawidłowość projektu zanim przystąpi się do budowy takiej fabryki i montażu instalacji w rzeczywistości.
Ważnym elementem w cyfrowym bliźniaku są dane i sposoby ich pozyskania jak również matematyczne modele umożliwiające poprawne i prawdziwe odwzorowanie zachowania danego obiektu czy procesu.
Jeśli dane będą poprawne to oprogramowanie Cyfrowego Bliźniaka prawdziwy obraz pracy maszyny lub przebiegu procesu jak również obliczy czas cyklu pracy maszyny/urządzenia lub parametry przebiegu procesów.
Dwa rodzaje Cyfrowych Bliźniaków
W praktyce wyróżnia się dwa zasadnicze typy cyfrowych bliźniaków. Pierwszy związany jest z etapem projektowania i pełni funkcję prototypu. W takim Bliźniaku tworzy się jakieś rozwiązanie, produkt, maszynę, proces produkcyjny czy nawet całą fabrykę, a następnie testuje się rozmaite ich warianty przed wdrożeniem, co pozwala oszczędzać zasoby i redukować koszty związane z testami.
Z Cyfrowych Bliźniaków do tworzenia prototypów i testowania nowych samolotów korzystają siły powietrzne Stanów Zjednoczonych. Jak wykazuje praktyka, dzięki temu skrócono czas pracy nad nimi do nieco ponad roku. Cyfrowy Bliźniak zyskuje również na popularności w branży motoryzacyjnej gdzie coraz częściej testuje się prototypy pojazdów w wirtualnej przestrzeni.
Drugi wariant Cyfrowego Bliźniaka dotyczy już istniejących obiektów i rozwiązań. Wykonując symulacje w takim Bliźniaku mając do dyspozycji duże zasoby danych z czujników i innych źródeł można wykrywać wszelkie anomalie, sygnalizujące zbliżającą się awarię czy zakłócenie jakiegoś procesu.
Cyfrowy bliźniak mający zastosowanie w produkcji jest wyróżniającym się elementem czwartej rewolucji przemysłowej (Przemysł 4.0). Czy Cyfrowy Bliźniak może być również wyróżnikiem Rolnictwa 4.0? Oczywiście, ta technologia może być przydatna również dla farmerów.
Cyfrowy Bliźniak w rolnictwie
W dobie czwartej rewolucji technologicznej w rolnictwie towarowe gospodarstwo rolne powinno być traktowane jak przedsiębiorstwo w którym mają miejsce procesy produkcyjne, logistyczne oraz biznesowe. Procesy produkcyjne w rolnictwie podobnie jak w przemyśle mają swoje etapy oraz cykle jednakże z racji tego że jest to produkcja „pod chmurą” (choć nie zawsze również i „pod dachem”) są one zdecydowanie trudniejsze do przewidzenia i zaplanowania. Jednakże procesy te można zapisać w postaci modeli, kontrolować ich przebieg a mając duże zasoby danych można je prognozować i symulować różnego rodzaju warianty. Rolnictwo podobnie jak przemysł wchodzi rozpoczyna transformację cyfrową. Czujniki, Internet Rzeczy (IoT), technologie chmurowe i systemy informatyczne z szeregiem algorytmów podobnie jak w przemyśle zbierają dane, przetwarzają je oraz dostarczają informacji przydatnych dla rolników do podejmowania decyzji czy też wykorzystywanych w automatyzacji sterowania instalacjami (np. deszczownie) bądź autonomicznymi maszynami.
Jeśli połączyć te technologie we wspólną platformę to uzyskamy cyfrową reprezentację gospodarstwa wiejskiego z tym czym ono dysponuje: zasoby, aktywa, procesy i systemy. Taka reprezentacja pozwala analizować, planować, symulować a dzięki temu ulepszać procesy rolnicze na niewyobrażalną wcześniej skalę. To właśnie nazywamy Cyfrowym Bliźniakiem.
Cyfrowy Bliźniak musi być zasilany danymi poprzez cyfrowy pomiar rzeczywistego obiektu. W rolnictwie mogą to być dane pochodzące ze stacji pogodowych, czujników umieszczonych w glebie, na maszynach i zwierzętach, obrazowania plantacji za pomocą satelitów lub dronów, wyniki prób glebowych i innych badań. Do tego dochodzi jeszcze wiedza o roślinach, glebie zwierzętach, chorobach zwierząt i roślin, zachowaniu szkodników itp.
fot. dr Jacek Skudlarski
Do czego konkretnie rolnicy mogą wykorzystać Cyfrowego Bliźniaka?
Wyobraźmy sobie cyfrowe odwzorowanie konkretnej uprawy np. kukurydzy. W Cyfrowym Bliźniaku mamy matematyczny model czy nawet modele rozwoju tej rośliny jak i matematyczne powiązanie tego rozwoju z zasobnością składników w glebie, zawartością wody w glebie, pH gleby, warunkami pogodowymi itp. Zmiana każdego z czynników będzie miała wpływ na rozwój tejże rośliny, który dzięki modelowi można symulować. Mając bieżące dane pochodzące z różnych źródeł informujące o warunkach glebowych, pogodowych i kondycji roślin rolnik może symulować różnorodne scenariusze zadając pytanie „co by było, gdyby?” Na przykład: co może się stać z uprawą gdy przy danych warunkach pogodowych istnieje ryzyko wystąpienia określonej choroby? W jakich miejscach i w jakim tempie może rozwinąć się choroba? Jaki może być koszt jej zwalczania? Jaka będzie kondycja upraw jeśli określone warunki pogodowe utrzymają się dłuższy czas? Jakie będą zbiory?
Jaki będzie koszt uprawy rośliny jeśli zastosuję taką a nie inną agrotechnikę i jakich mogę spodziewać się plonów?
Algorytmy Cyfrowego Bliźniaka wspomagane sztuczną inteligencją przetwarzające znaczne zasoby danych będą w stanie zawczasu wykryć potencjalne anomalie w uprawie polowej, szklarniowej czy w hodowli zwierząt, których rolnik mógłby nie dostrzec.
W Cyfrowym Bliźniaku rolnik mógłby zaplanować uprawę danej rośliny w gospodarstwie, dokonać symulacji by sprawdzić czy przy posiadanych zasobach produkcyjnych będzie mu się ona opłacała.
Jak na razie trwają prace nad rolniczymi Cyfrowymi Bliźniakami. Udaje się naukowcom przenosić do wirtualnego świata pewne rośliny i tworzyć cyfrowe odzwierciedlenie określonych upraw. Pierwsze Bliźniaki już są. Cyfrowy Bliźniak z pewnością przyda się hodowcom zwierząt.
Rolnicy stoją przed wyzwaniem: co i jak mają robić by sprostać restrykcyjnym wymaganiom z zakresu ochrony środowiska, dobrostanu zwierząt jak i bezpieczeństwa żywności a zarazem by ich praca przyniosła wymierne korzyści finansowe. Cyfrowe Bliźniaki mogą w tym przypadku okazać się bardzo pomocne.
Długa z pewnością jest droga do powszechnego wdrożenia tej technologii w rolnictwie. Jednakże Cyfrowe Bliźniaki to z pewnością przyszłość nowoczesnego rolnictwa.
Autor:
dr inż. Jacek Skudlarski - Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
Autor bloga Rolnictwo 4.0 - rolnictwo przyszłości
