Овощи из будущего: цифровой двойник создаёт идеальный урожай, контролируя климат до десятых градуса

Современное сельское хозяйство всё активнее обращается к цифровым технологиям. Сегодня речь идёт не просто об автоматизации, а о создании полноценной "виртуальной копии" аграрных объектов. Такой цифровой двойник был разработан учёными Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий Национальной академии наук Беларуси.

Что такое цифровой двойник фермы

Новинка используется для фитотронов — специальных камер, где растения растут в условиях полного климатического контроля. Солнце туда не проникает, а все параметры — от температуры до освещённости — задаются оборудованием.

Новый математический аппарат представляет собой систему уравнений, которая с почти 100%-ной точностью предсказывает изменения микроклимата при различных управляющих воздействиях.

"Цифровой двойник — это динамическая виртуальная вычислительная модель, которая показывает актуальное состояние умной фермы", — отметил заведующий лабораторией сити-ферминга СФУ Ивана Тимофеенко.

Модель формируется на основе данных датчиков и способна прогнозировать события, моделировать сценарии и подсказывать оптимальные решения для выращивания культур.

Как проводились исследования

Учёные тестировали систему на действующей сити-ферме. Это предприятие оснащено семиярусными стеллажами на 4500 посадочных мест, где ежемесячно получают сотни килограммов продукции. Для работы используются светодиодные лампы, кондиционирование, подогрев и осушение воздуха.

Все собранные данные стали базой для обучения нейросетей. Это позволило проводить виртуальные эксперименты с цифровым двойником: изменять настройки оборудования и наблюдать, как это влияет на температуру, влажность и энергопотребление.

Результаты оказались впечатляющими: температура отклонялась не более чем на 0,1 °C, влажность — в пределах 2 %, а прогноз энергозатрат совпадал с реальными данными на 99,5 %.

Возможности и перспективы

Система управления основана на простых IoT-решениях: умных розетках, датчиках и серверах. Это делает цифровой двойник полезным не только для научных задач, но и для повседневного управления городскими фермами.

"Применение цифровых двойников для задач по повышению урожайности представляется эффективным. В частности, точность моделей позволяет оптимизировать управление энергопотреблением", — подчеркнул глава группы "Цветовая вычислительная фотография" AIRI Егор Ершов.

Цифровое фенотипирование

Технология может применяться и для прогнозирования свойств растений при скрещивании — так называемого цифрового фенотипирования. Это сокращает расходы на реальные эксперименты и открывает путь к созданию продуктов с заданными характеристиками.

"Выращивание растений с заданными свойствами — современный тренд. Перспектива этих методов — в создании продукции с повышенной питательной ценностью для спортсменов, космонавтов или людей с особым диетическим питанием", — пояснил ведущий научный сотрудник Института физиологии растений РАН Павел Пашковский.

Ключевыми инструментами становятся спектральный состав света, минеральное питание и микробиом растений. Их комбинация позволяет без генной инженерии управлять биохимией и архитектурой культур.

Сравнение технологий

Плюсы и минусы цифрового двойника

FAQ

Как цифровой двойник помогает экономить энергию?

Он прогнозирует энергопотребление и позволяет оптимизировать работу систем освещения, кондиционирования и подогрева.

Можно ли применять технологию на обычных теплицах?

Да, но эффективность выше в полностью контролируемой среде, например в фитотронах.

Сколько времени занимает настройка цифрового двойника?

Всё зависит от масштаба фермы, но после сбора статистики модель можно обучить за несколько месяцев.

А что если…

Что будет, если подобные системы станут стандартом? Урожайность городских и промышленных ферм вырастет, а себестоимость продукции снизится. Это даст возможность выращивать экологически чистые овощи и фрукты даже в регионах с суровым климатом или в условиях космических миссий.

3 интересных факта

1. Первые цифровые двойники появились в промышленности, но быстро нашли применение в биологии и сельском хозяйстве.
2. В космических программах NASA уже рассматривают такие технологии для автономного питания экипажей.
3. В России цифровые двойники используют не только в агросекторе, но и в машиностроении, медицине и энергетике.

Цифровой двойник для умных ферм открывает новые горизонты для агротехнологий. Он помогает экономить ресурсы, повышать урожайность и даже формировать продукцию с заданными свойствами. В будущем такие системы станут важным инструментом как для городской экономики, так и для освоения космоса.