劇烈的氣候變化和人口過剩使傳統(tǒng)的農業(yè)生產方式難以為繼。即使是經濟較為富裕的國家，家庭糧食安全問題也在不斷加劇。

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。

糧食不安全是一個迅速升級的全球性問題，農業(yè)公司面臨的挑戰(zhàn)是找到高效的新方法來生產農作物：減少浪費、減少殺蟲劑、縮短上市時間，同時減少能源足跡。

由于傳統(tǒng)的室外耕作無法應對這些挑戰(zhàn)，室內耕作技術，如受控環(huán)境農業(yè)（CEA），正變得格外引人關注。

然而，這些技術需要適當的計算機輔助支持。我們在麥克馬斯特大學的可持續(xù)系統(tǒng)與方法（SSM）實驗室開發(fā)了此類計算機輔助方法和工具。

引入數字孿生

受控環(huán)境是指在一個由復雜機器HVAC（供暖、通風和空調）、灌溉和照明系統(tǒng)以及一系列測量環(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。

由于實現了自動化，受控環(huán)境比傳統(tǒng)農業(yè)環(huán)境能獲得更好的產量和質量，同時還能減少浪費。

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

這是另一項復雜的挑戰(zhàn)，需要對環(huán)境進行持續(xù)監(jiān)測、實時決策和高精度控制，這些任務都超出了人類能力的極限。

而數字孿生之類的計算機輔助支持可以發(fā)揮重要作用。

數字孿生是物理對象、人或過程的數字呈現，它通過對物理系統(tǒng)進行高保真實時模擬來輔助決策，通常還配備了自主控制能力。

在精準農業(yè)領域，數字孿生通常用于監(jiān)測和控制環(huán)境條件，以促進作物以最佳的、可持續(xù)的速度生長。

數字孿生提供了一個實時儀表板，用于觀察種植區(qū)的環(huán)境條件，數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——或者說提高作物能源比——是精準農業(yè)設施的一個顯而易見的目標，因為加熱和冷卻設施需要消耗大量能源。

數字孿生還可用于設計新型溫室。例如，在設計新的溫室時，可將在溫室中長期收集數據的數字孿生用于實驗目的。

經濟上可行嗎？

開發(fā)數字孿生系統(tǒng)和提高農業(yè)公司的數字成熟度是影響數字增強型CEA采用成本的主要因素。

開發(fā)數字孿生系統(tǒng)的相關成本主要涉及硬件元件和軟件開發(fā)。自制解決方案、嘗試使用廉價設備并逐步擴展功能是很好的開始，有助于采用正確的數字化思維。

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

農業(yè)是數字化程度最低的部門之一，數字化成熟度是采用數字孿生的絕對前提。因此，在智慧農業(yè)領域，與數字成熟度相關的成本往往超過技術成本。

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

組織成本很難評估，但可能會使公司的經濟前景變得暗淡。這是一個特別痛苦的成長階段，需要適當的咨詢。

最近有一些成功的產學合作案例，幫助農業(yè)公司拓展了正在進行的數字化工作。

接下來會怎樣？

對糧食安全和可持續(xù)生產的需求與以往一樣迫切。

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

要實現聯(lián)合國大會提出的第二個可持續(xù)發(fā)展目標，即到2030年消除全球饑餓，就必須徹底轉變農業(yè)模式。

實現這一宏偉目標的途徑之一就是先進的數字化和數字孿生。

在實現這一目標之前，仍有許多障礙需要克服，但隨著硬件和算力價格的不斷降低，數字驅動的智能農業(yè)正在成為現實。