利用数字孪生实现农业食品生产系统和供应链转型 20221218

利 用 数 字 孪 生 实 现 农 业 食 品 生 产 系 统 和 供 应 链 转 型原 作 Asaf Tzachor , Catherine E. Richards, Scott Jeen翻 译 方 建 勇数 字 孪 生 可 以 改 变 农 业 生 产 系 统 和 供 应 链 ， 抑 制 温 室 气 体 排 放 、 食 物浪 费 和 营 养 不 良 。 然 而 ， 这 些 高 级 虚 拟 化 技 术 的 潜 力 尚 未 实 现 。 在 这里 ， 我 们 考 虑 了 数 字 孪 生 在 五 个 典 型 的 农 产 品 供 应 链 步 骤 中 的 前 景 ，并 强 调 了 关 键 的 实 施 障 碍 。

主 要 的目 前 ， 农 产 品 生 产 系 统 和 供 应 链 尚 未 步 入 实 现 可 持 续 发 展 目 标 的 轨 道 。它 们 是 浪 费 和 污 染 的 ， 打 破 了 几 个 所 谓 的 地 球 边 界 ， 并 未 能 在 最 基 本的 前 提 下 为 不 断 扩 大 的 全 球 人 口 提 供 安 全 和 营 养 的 饮 食 ， 导 致 约 9 亿人 营 养 不 良 。作 为 回 应 ， 经 常 提 出 通 过 数 字 技 术 创 新 进 行 转 型 。 在 这 些 提 案 中 ， 计算 机 支 持 的 技 术 ， 包 括 智 能 传 感 器 、 人 工 智 能 （ AI） 和 其 他 嵌 入 式 系

统 ， 是 基 础 。 在 这 里 ， 我 们 讨 论 了 数 字 孪 生 （ DT） 技 术 的 潜 力 ， 尽管 其 潜 力 巨 大 ， 并 且 在 工 业 领 域 中 的 扩 散 越 来 越 大 ， 但 尚 未 将 其 用 于改 善 农 业 食 品 部 门 的 可 持 续 性 ， 即 通 过 缓 解 营 养 不 良 和 营 养 不 足 、 减少 温 室 气 体 （ GHG） 排 放 和 防 止 食 物 浪 费 。

虚 拟 化 农 业 食 品 系 统 和 供 应 链 的 优 势DTs 是 活 体 或 非 活 体 实 体 的 虚 拟 表 示 。 由 于 计 算 能 力 的 提 高 ， 它 们 存在 于 计 算 机 模 拟 模 型 中 。 部 署 传 感 器 ， 检 测 生 物 、 化 学 和 物 理 特 性 实时 测 量 对 象 ， 确 保 这 些 测 量 对 象 的 数 字 副 本 准 确 且 “ 实 时 ” 。 在 这 样的 网 络 物 理 架 构 中 ， 物 理 系 统 中 发 生 的 变 化 正 在 同 时 和 连 续 地 修 改 其虚 拟 孪 生 体 。由 于 卫 星 、 航 天 器 、 城 市 基 础 设 施 和 土 木 工 程 的 实 验 设 计 起 源 广 泛 ，

近 年 来 ， 数 字 地 面 技 术 被 重 新 用 于 应 对 气 候 变 化 和 极 端 天 气 等 困 境 。通 过 模 拟 物 理 系 统 的 状 态 ， 可 以 使 用 高 级 建 模 技 术 查 询 DTs， 以 发 现最 佳 行 为 。 强 化 学 习 （ RL） 是 人 工 智 能 的 一 个 子 领 域 ， 它 使 自 主 代理 能 够 在 复 杂 系 统 中 做 出 决 策 ， 可 以 部 署 在 DT 中 ， 向 物 理 对 手 建 议最 佳 控 制 策 略 。 RL 代 理 将 系 统 的 当 前 状 态 作 为 输 入 ， 并 预 测 优 化 系统 行 为 的 未 来 动 作 序 列 。 DTs 允 许 代 理 模 拟 许 多 控 制 序 列 ， 以 确 定 在建 议 物 理 系 统 之 前 哪 个 与 控 制 目 标 最 一 致 。

将 虚 拟 复 制 品 与 这 种 先 进 的 决 策 技 术 相 结 合 ， 将 对 农 业 食 品 部 门 产 生深 远 的 变 革 影 响 ， 为 营 养 不 良 、 温 室 气 体 排 放 和 食 物 浪 费 问 题 提 供 可能 的 解 决 方 案 。 为 了 了 解 这 些 前 景 ， 我 们 承 认 五 个 供 应 链 步 骤 的 潜 在

应 用 ： （ a） 农 业 投 入 ， （ b） 初 级 农 业 生 产 ， （ c） 储 存 和 运 输 ， （ d） 食品 加 工 ， 以 及 （ e） 分 销 和 零 售 。农 业 生 产 投 入农 业 投 入 通 常 指 农 业 化 学 品 ， 如 氮 （ N） 和 磷 （ P） 肥 料 、 杀 虫 剂 和作 物 种 子 ， 这 些 对 产 量 至 关 重 要 。 这 些 投 入 的 制 造 所 涉 及 的 碳 足 迹 相当 大 。 例 如 ， 中 国 氮 肥 生 产 的 二 氧 化 碳 排 放 量 估 计 为 452 Tg CO2 当量 ， 占 中 国 经 济 温 室 气 体 排 放 总 量 的 7%。 提 高 支 持 氮 肥 生 产 的 发 电

厂 热 转 换 效 率 的 措 施 被 认 为 是 降 低 碳 强 度 的 重 要 措 施 。 在 此 背 景 下 ，RL 代 理 可 以 开 发 和 使 用 “ 虚 拟 电 厂 ” ， 以 找 到 最 大 化 发 电 量 同 时 最 小化 CO2 排 放 的 控 制 策 略 。被 证 明 在 分 子 、 细 胞 、 组 织 和 器 官 水 平 上 运 行 的 DT 可 以 实 现 对 作 物的 精 确 模 拟 。 新 的 “ 虚 拟 作 物 ” 可 以 在 不 同 的 条 件 下 （ 包 括 降 水 、 温度 和 盐 度 ） 在 计 算 机 实 验 室 中 快 速 进 行 压 力 测 试 ， 以 发 现 理 想 的 特 性 ，并 开 发 出 具 有 气 候 适 应 性 的 主 食 的 基 因 工 程 种 子 。

初 级 农 业 生 产除 了 器 官 层 面 ， 复 制 大 气 因 素 、 地 貌 过 程 和 土 壤 条 件 （ 包 括 土 壤 微 生物 ） 的 整 个 农 业 系 统 的 虚 拟 化 将 支 持 前 所 未 有 规 模 的 精 准 农 业 。 这 种

DTs 可 能 会 使 用 摄 像 机 和 传 感 器 ， 每 隔 一 分 钟 对 湿 度 、 含 水 量 、 温 度 、辐 照 度 、 灌 溉 和 养 分 供 应 进 行 采 样 。 RL 代 理 可 以 使 用 这 些 测 量 来形 成 州 代 表 ， 并 建 议 灌 溉 、 照 明 和 养 分 控 制 措 施 ， 以 实 现 某 种 目 标 ，可 能 最 大 限 度 地 减 少 资 源 使 用 ， 同 时 最 大 限 度 地 提 高 作 物 产 量 。 例 如 ，DTs 可 以 建 议 农 药 的 最 佳 应 用 ， 目 前 全 世 界 每 年 使 用 的 农 药 达 350 万吨 ， 而 且 经 常 过 量 。此 外 ， 通 过 在 “ 虚 拟 农 场 ” 中 进 行 快 速 试 验 ， DTs 可 以 促 进 重 建 、 沉

积 物 捕 获 和 其 他 基 于 自 然 的 土 地 管 理 和 恢 复 解 决 方 案 。 在 计 算 机 模 拟中 ， “ 假 设 ” 模 拟 可 能 会 带 来 进 一 步 的 好 处 ， 例 如 测 试 和 确 定 增 加 农田 和 牧 场 碳 固 存 的 途 径 ， 或 者 使 用 农 林 技 术 ， 例 如 用 于 野 火 预 防 的 综合 绿 化 带 。与 其 他 领 域 一 样 ， 包 括 水 和 电 力 基 础 设 施 ， DTs 可 以 支 持 种 植 园 灌 溉系 统 的 预 测 性 维 护 ， 例 如 ， 以 尽 量 减 少 粮 食 损 失 。 在 密 集 型 封 闭 环 境农 业 （ CEA） 中 ， 如 商 业 气 培 温 室 和 水 培 系 统 ， DTs 可 用 于 结 构 设 计和 操 作 ， 以 建 议 最 佳 光 照 强 度 、 湿 度 、 温 度 、 CO2 浓 度 和 水 养 分 循 环 。

储 存 和 运 输将 当 地 产 品 与 市 场 连 接 起 来 的 商 品 链 通 常 涉 及 货 运 火 车 和 散 货 船 的

运 输 ， 以 及 码 头 电 梯 的 临 时 储 存 。 在 铁 路 、 公 路 和 海 运 船 舶 上 ， 以 及储 存 筒 仓 中 ， 谷 物 货 物 容 易 发 霉 、 发 霉 和 过 早 发 芽 。通 风 管 理 对 于 防 止 潮 湿 和 真 菌 感 染 至 关 重 要 ， 如 曲 霉 菌 和 青 霉 菌 ， 它们 经 常 会 降 低 谷 物 散 装 的 质 量 。 已 经 用 于 改 进 的 HVAC 系 统 设 计 的17 个 DT 可 被 重 新 用 于 此 目 的 。 此 外 ， 航 行 中 固 定 电 梯 和 船 舶 的 实 时复 制 品 可 以 跟 踪 通 风 期 和 货 物 的 水 分 含 量 ， 并 提 供 真 菌 毒 素 污 染 的 预警 ， 从 而 保 证 熏 蒸 。

在 易 腐 烂 农 产 品 的 冷 链 中 ， 水 果 、 蔬 菜 、 奶 制 品 、 肉 类 和 海 鲜 产 品 被预 先 冷 却 并 临 时 储 存 在 冷 藏 设 施 中 ， 计 算 机 模 拟 可 能 会 对 降 低 碳 排 放的 能 效 措 施 提 出 建 议 。 同 步 DTs 可 以 监 测 食 物 温 度 、 湿 度 、 配 送 时间 表 、 呼 吸 行 为 和 网 格 碳 强 度 ； RL 代 理 然 后 可 以 优 化 冷 却 设 备 的 控制 ， 以 在 碳 强 度 最 低 时 从 电 网 中 汲 取 电 力 ， 从 而 最 大 限 度 地 减 少 排 放 ，同 时 保 持 食 品 质 量 。食 品 加 工

与 传 感 技 术 相 结 合 ， DTs 可 以 集 成 在 食 品 加 工 和 包 装 设 施 中 ， 将 玉 米或 牛 等 农 产 品 转 化 为 配 料 和 最 终 用 户 食 品 ， 包 括 罐 头 蔬 菜 、 肉 块 、 即食 食 品 和 糖 果 。

这 一 阶 层 的 粮 食 损 失 和 浪 费 在 发 达 地 区 和 发 展 中 地 区 都 很 普 遍 ， 对 粮食 安 全 和 环 境 都 有 影 响 。 例 如 ， 在 英 国 ， 这 一 梯 队 的 食 物 垃 圾 每 年 达到 500 万 吨 。在 这 里 ， DTs 可 以 支 持 工 业 生 态 学 方 法 来 防 止 食 物 损 失 ， 就 像 它 们 被用 于 增 强 建 筑 制 造 业 的 循 环 经 济 应 用 一 样 。 此 类 DTs 可 监 控 配 料 交付 时 间 表 、 工 厂 产 量 、 配 料 浪 费 、 操 作 员 工 作 时 间 表 和 需 求 预 测 。 RL模 型 可 以 被 训 练 来 操 纵 制 造 设 备 ， 以 使 食 品 加 工 与 预 期 需 求 相 匹 配 ，同 时 最 大 限 度 地 减 少 浪 费 。

分 销 和 零 售食 品 分 销 网 络 是 全 球 温 室 气 体 排 放 的 重 要 贡 献 者 ， 仅 食 品 零 售 每 年 就产 生 约 30 亿 吨 二 氧 化 碳 。 例 如 ， 这 一 梯 队 中 丢 弃 的 食 物 也 相 当 多 ，据 估 计 ， 英 国 每 年 有 366 千 吨 食 物 垃 圾 。 这 些 损 失 归 因 于 仓 储 、 大 卖场 和 超 市 运 营 效 率 低 下 ， 包 括 货 架 管 理 以 及 未 能 监 测 和 衡 量 食 品 浪 费 。模 拟 食 品 配 送 系 统 的 DTs 可 用 于 优 化 配 送 时 间 表 ， 以 减 少 碳 排 放 和食 品 浪 费 。 这 类 DTs 可 以 监 测 道 路 网 络 上 配 送 车 辆 的 位 置 、 零 售 店

的 食 品 库 存 、 食 品 排 放 量 、 天 气 和 运 输 中 食 品 的 保 质 期 。考 虑 到 该 州 的 代 表 性 ， RL 代 理 商 可 能 会 决 定 ， 通 过 将 食 品 送 往 离 配

送 中 心 较 远 且 库 存 水 平 较 低 的 零 售 商 ， 而 不 是 距 离 较 近 的 商 店 ， 从 而减 少 食 品 浪 费 ， 从 而 减 少 系 统 级 排 放 。 最 近 的 审 查 表 明 ， 这 些 模 拟 可以 进 一 步 预 测 供 应 链 的 延 误 、 食 物 变 质 的 迹 象 和 潜 在 的 食 物 损 失 ， 并建 议 预 防 措 施 。在 预 计 会 丢 弃 剩 余 食 物 的 地 方 ， 将 DTs 扩 展 到 包 括 食 物 再 分 配 网 络 ，如 社 区 汤 厨 ， 可 以 帮 助 减 少 浪 费 ， 改 善 弱 势 群 体 的 营 养 安 全 。 这 种 扩张 还 可 能 包 括 种 植 者 更 有 效 地 分 配 和 分 配 未 分 配 的 产 品 。

虚 拟 化 农 产 品 价 值 链 的 启 用 和 禁 用 因 素“ 实 时 ” DTs 为 模 拟 作 物 、 农 场 、 农 业 设 备 、 存 储 设 施 、 加 工 厂 和 分销 网 络 提 供 了 全 面 的 计 算 生 态 系 统 。 然 而 ， 农 业 食 品 利 益 相 关 者 必 须认 识 到 ， 如 果 要 成 功 和 大 规 模 地 实 现 DTs 的 部 署 ， 就 必 须 认 识 到 技术 经 济 的 局 限 性 。首 先 ， 稳 健 的 虚 拟 副 本 依 赖 于 两 个 要 素 ： （ a） 适 当 的 传 感 器 覆 盖 范 围和 （ b） 模 型 不 确 定 性 量 化 。 对 于 使 用 DT 推 荐 最 佳 控 制 策 略 的 高 级

决 策 系 统 ， 其 传 感 器 必 须 充 分 预 测 代 理 的 目 标 。 例 如 ， 农 业 食 品 储 存设 施 的 DT 只 有 在 监 测 相 关 变 量 （ 如 温 度 、 食 品 类 型 和 产 品 年 龄 ） 的情 况 下 才 能 用 于 预 测 食 品 变 质 。 即 使 有 足 够 的 传 感 器 覆 盖 ， DT 也 只能 是 物 理 系 统 的 近 似 值 ， 这 意 味 着 其 状 态 表 示 和 未 来 预 测 是 不 确 定 的 。

作 为 回 应 ， 几 位 作 者 建 议 使 用 贝 叶 斯 方 法 构 建 DT， 但 处 理 DT 不 确定 性 和 决 策 的 稳 健 方 法 仍 然 是 一 个 开 放 的 挑 战 。 部 署 明 确 捕 捉 不 确 定性 的 DTs 对 于 缓 解 这 些 问 题 至 关 重 要 。同 样 ， 设 置 包 含 再 配 送 中 心 的 整 个 供 应 链 的 “ 活 ” 复 制 品 ， 如 低 收 入社 区 的 食 品 银 行 和 汤 店 ， 需 要 对 数 据 架 构 进 行 大 量 投 资 ， 包 括 云 计 算和 内 部 传 感 器 。然 而 ， 处 于 DTs 研 发 前 沿 的 私 营 公 司 很 可 能 缺 乏 投 资 于 促 进 生 态 和

人 道 主 义 事 业 （ 如 农 业 生 物 多 样 性 和 粮 食 救 援 ） 的 网 络 物 理 系 统 的 动力 ， 但 不 会 产 生 直 接 的 财 务 回 报 。 这 可 能 会 扼 杀 农 业 食 品 部 门 转 型 的数 字 技 术 传 播 ， 特 别 是 在 最 需 要 数 字 创 新 的 领 域 。第 二 ， 通 过 编 码 中 的 人 为 错 误 或 合 并 无 错 误 但 不 一 致 的 算 法 或 数 据 ，可 能 会 在 设 计 中 引 入 建 模 缺 陷 。 例 如 ， 用 于 灌 溉 系 统 预 测 性 维 护 的 计算 模 型 代 码 中 的 一 个 小 符 号 错 误 可 能 会 导 致 决 策 不 充 分 ， 导 致 作 物 减产 和 产 量 损 失 。

第 三 ， 缺 乏 DTs 的 通 用 建 模 标 准 可 能 会 在 集 成 单 独 创 建 的 模 型 时 造成 兼 容 性 困 难 ， 进 入 现 有 的 以 摄 氏 度 为 单 位 调 节 温 度 的 冷 链 将 导 致 食品 立 即 变 质 。

提 升 障 碍 物国 际 和 公 共 机 构 必 须 集 中 努 力 ， 确 保 在 土 木 工 程 和 机 械 工 程 中 ， 在 其起 源 背 景 之 外 实 施 DTs， 以 实 现 其 在 农 业 食 品 部 门 转 型 中 的 承 诺 。应 资 助 非 营 利 国 际 研 究 中 心 ， 如 CGIAR 及 其 农 业 大 数 据 平 台 ， 以 促进 开 放 获 取 和 标 准 化 数 据 集 ， 从 分 子 到 景 观 层 面 支 持 DTs， 包 括 孤 儿作 物 和 本 地 农 业 生 态 系 统 ， 并 为 农 业 DTs 计 划 开 发 开 源 和 安 全 平 台 。公 共 机 构 应 进 一 步 投 资 于 价 值 链 梯 队 的 基 础 标 准 和 数 据 架 构 ， 部 署 生

物 物 理 和 生 物 化 学 智 能 传 感 器 、 电 信 网 络 和 云 计 算 ， 以 满 足 数 字 终 端的 数 据 存 储 和 处 理 需 求 。同 时 ， 必 须 为 参 与 农 业 食 品 部 门 的 行 为 者 ， 包 括 技 术 和 职 业 教 育 与 培训 （ TVET） 计 划 的 行 为 者 ， 通 过 指 定 的 教 学 大 纲 和 模 拟 软 件 ， 扩 大计 算 机 科 学 培 训 和 技 能 。 这 将 有 助 于 跨 学 科 、 领 域 和 地 区 的 DT 溢 出 。投 资 应 优 先 考 虑 中 低 收 入 经 济 体 ， 在 这 些 经 济 体 中 ， 小 农 数 量 最 多 ，农 村 信 贷 市 场 不 成 熟 ， 农 业 生 产 力 低 ， 食 物 腐 败 和 浪 费 现 象 普 遍 ， 营

养 不 良 现 象 普 遍 。 如 果 没 有 刻 意 的 机 构 努 力 ， 欠 发 达 地 区 可 能 是 从DTs 中 受 益 最 慢 的 地 区 ， 这 与 绿 色 革 命 技 术 绕 过 最 脆 弱 地 区 的 方 式 非常 相 似 。

最 后 ， 已 经 为 其 他 领 域 的 科 学 家 和 工 程 师 提 供 信 息 的 DTs 应 迅 速 进行 调 整 ， 并 进 行 强 有 力 的 治 理 ， 以 实 现 农 业 食 品 生 产 系 统 和 供 应 链 的可 持 续 性 。