農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生尚處于概念階段，需要相當(dāng)長時間的發(fā)展才能逐漸完善。為了更好地推動農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出以下實(shí)現(xiàn)思路。

從數(shù)字孿生概念提出到應(yīng)用落地的宏觀發(fā)展角度，農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生發(fā)展過程中需要經(jīng)歷理論探索、實(shí)踐應(yīng)用和總結(jié)凝練三個階段，如表1所示。

表1   農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生三個發(fā)展階段

Table 1  Three developmental stages of digital twin for agricultural machinery

（1）理論探索。該階段是為農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生今后的發(fā)展奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵階段，主要任務(wù)是回答以下重要問題：農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域需要什么樣的數(shù)字孿生？農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生應(yīng)包含哪些內(nèi)容？如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生？研究人員需要依據(jù)數(shù)字孿生的核心理念，緊密結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求和發(fā)展趨勢，參考其他領(lǐng)域現(xiàn)有數(shù)字孿生案例，確定農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生架構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)方法與核心技術(shù)，然后規(guī)劃具體的實(shí)施路線。

（2）實(shí)踐應(yīng)用。該階段是構(gòu)建農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生，并落地實(shí)用的關(guān)鍵階段。理想的數(shù)字孿生應(yīng)從不同的維度、尺度、領(lǐng)域等方面盡可能完整地描述“人-機(jī)器-作物-環(huán)境”系統(tǒng)，從而能夠真實(shí)、徹底地反映農(nóng)機(jī)裝備的實(shí)際狀態(tài)、工作機(jī)理和運(yùn)行機(jī)制。但是在實(shí)際情況中，技術(shù)和成本往往不足以支持?jǐn)?shù)字孿生從無到全的直接實(shí)現(xiàn)。因此，應(yīng)遵循農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生框架，面向由低層級到高層級的應(yīng)用需求，逐步開展數(shù)字孿生構(gòu)建方法研究，開發(fā)滿足每個階段具體需求的數(shù)字孿生，在此過程中逐漸積累數(shù)字化資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)從局部到全面的數(shù)字化映射，填充數(shù)字孿生模型庫，豐富數(shù)字孿生業(yè)務(wù)應(yīng)用，完善整個農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生的內(nèi)容，擴(kuò)展數(shù)字孿生的深度和廣度。在應(yīng)用過程中，應(yīng)充分發(fā)揮虛實(shí)交互與融合的優(yōu)勢，整合農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生的功能，著力解決痛點(diǎn)問題，促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)落地實(shí)現(xiàn)。

（3）完善凝練。在農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生成功運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)，并取得了良好的收益之后，數(shù)字孿生進(jìn)入完善凝練階段。該階段是對農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生的進(jìn)一步發(fā)展，標(biāo)志著數(shù)字孿生理念已經(jīng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)領(lǐng)域落地并走向成熟。通過該階段，總結(jié)先前探索和實(shí)踐過程中遇到的問題，完善農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生理論技術(shù)架構(gòu)，提煉構(gòu)建和應(yīng)用農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生的通用方法，形成可以指導(dǎo)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的完整體系，同時制定用于規(guī)范后續(xù)工作的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1、數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路線

農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生的具體實(shí)現(xiàn)路線是不斷完善和發(fā)展虛擬模型的數(shù)字化映射能力，擴(kuò)充和豐富數(shù)字孿生服務(wù)的過程。從數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的角度，實(shí)現(xiàn)過程包括農(nóng)機(jī)裝備智能化升級、開辟信息交互通路、構(gòu)建數(shù)字孿生虛擬模型和開發(fā)數(shù)字孿生業(yè)務(wù)應(yīng)用四個關(guān)鍵步驟，最終形成如圖1所示的閉環(huán)運(yùn)行。

圖1   農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)的閉環(huán)運(yùn)行機(jī)制

Fig. 1   Closed-loop operation mechanism of digital twin system for agricultural machinery

（1）農(nóng)機(jī)裝備智能化升級。農(nóng)機(jī)裝備的智能化升級是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)備工作。基于線控底盤、現(xiàn)場總線、智能傳感等技術(shù)，完善農(nóng)機(jī)裝備物理實(shí)體的感知與執(zhí)行功能，包括但不限于：①開發(fā)基于現(xiàn)場總線的線控底盤；②開發(fā)基于現(xiàn)場總線的傳感采集系統(tǒng)。

（2）開辟信息交互通路。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立農(nóng)機(jī)裝備與服務(wù)器間的雙向通信，打通數(shù)字孿生感知通路和控制通路，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的首要工作，包括但不限于：①選定或開發(fā)聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與農(nóng)機(jī)裝備和服務(wù)器間的雙向通信；②開發(fā)農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生物聯(lián)網(wǎng)平臺，用于注冊、接入和管理農(nóng)機(jī)裝備；③開發(fā)實(shí)時監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)裝備實(shí)時數(shù)據(jù)的獲取與存儲，通過長時間運(yùn)行，為后續(xù)開發(fā)工作積累農(nóng)機(jī)裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)資源。

（3）構(gòu)建數(shù)字孿生虛擬模型。構(gòu)建農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生虛擬模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型實(shí)時快速仿真，實(shí)現(xiàn)虛擬模型伴隨真實(shí)農(nóng)機(jī)裝備同步運(yùn)行，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心工作，具體包括：①基于分布式數(shù)據(jù)流處理平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)處理算法，建立數(shù)據(jù)治理機(jī)制，為虛擬模型構(gòu)建等工作提供數(shù)據(jù)算法和資源支撐；②運(yùn)用多種建模手段和多學(xué)科知識構(gòu)建描述農(nóng)機(jī)裝備及作業(yè)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)子模型間的有效組織和融合，集成構(gòu)建多源、多維、多尺度、多領(lǐng)域的數(shù)字孿生虛擬模型；③利用模型降階技術(shù)和可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬模型在數(shù)據(jù)驅(qū)動下的實(shí)時仿真；④開發(fā)數(shù)字孿生虛實(shí)一致性評價方法和虛擬模型校驗(yàn)更新方法，實(shí)現(xiàn)虛擬模型伴隨真實(shí)農(nóng)機(jī)裝備的同步演化；⑤綜合考慮可信度、保真度、易用度、輕量化等多個方面，提出數(shù)字孿生虛擬模型綜合評價方法，選定典型工況，開展虛擬模型驗(yàn)證試驗(yàn)，并進(jìn)行評價、優(yōu)化和改進(jìn)。

（4）開發(fā)數(shù)字孿生業(yè)務(wù)應(yīng)用。農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)具備實(shí)時監(jiān)測、評估診斷、優(yōu)化決策、智能控制四個層級的業(yè)務(wù)功能，形成由物理世界到虛擬世界，最后回到物理世界的閉環(huán)自主運(yùn)行機(jī)制。數(shù)字孿生系統(tǒng)在逐一實(shí)現(xiàn)每個層級功能的過程中不斷完善。在實(shí)現(xiàn)完全閉環(huán)之前，需要發(fā)揮人的作用作為補(bǔ)充。

層級Ⅰ：狀態(tài)監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測是數(shù)字孿生最初級的功能，具體效果是數(shù)字孿生具備全面感知能力，能夠以虛映實(shí)。在空間尺度上，既可以反映事物的外在行為，也可以呈現(xiàn)內(nèi)在的、難以觀測到的行為與特征。在時間尺度上，既可以在線監(jiān)測實(shí)時狀態(tài)，也可以追溯復(fù)現(xiàn)歷史狀態(tài)。同時，系統(tǒng)提供一個可視化、可交互的用戶界面，采用三維模型、二維圖表等方式直觀動態(tài)展示農(nóng)機(jī)裝備運(yùn)行的狀態(tài)和參數(shù)。

層級Ⅱ：評估診斷。一方面充分利用孿生數(shù)據(jù)和模型，可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)裝備狀態(tài)的評估診斷，具體有三條途徑：①直接將感知數(shù)據(jù)用于評估診斷；②挖掘感知數(shù)據(jù)中隱含的狀態(tài)信息用于評估診斷；③借助高保真的虛擬模型仿真，擴(kuò)充機(jī)器狀態(tài)信息，再用于評估診斷。另一方面，評估診斷的依據(jù)可以來自人為經(jīng)驗(yàn)或者理論模型，也可以來自數(shù)據(jù)分析得到的知識。這一層級可以實(shí)現(xiàn)的效果是，數(shù)字孿生具備認(rèn)知能力，能夠判斷農(nóng)機(jī)裝備和周圍環(huán)境的狀態(tài)，或預(yù)判未來可能出現(xiàn)的狀況等。

層級Ⅲ：優(yōu)化決策。針對評估和診斷中發(fā)現(xiàn)的問題，快速形成若干套解決方案，然后結(jié)合虛擬模型驗(yàn)證和評價方案，最后實(shí)現(xiàn)方案整合和優(yōu)化，從而形成基于人類經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)知識和實(shí)時仿真的綜合優(yōu)化決策。這一層級可以實(shí)現(xiàn)的效果是，數(shù)字孿生具備完善自主決策能力，可以自主提出應(yīng)對需求變化的最優(yōu)方案，提高農(nóng)機(jī)裝備的自適應(yīng)能力。

層級Ⅳ：智能控制。將優(yōu)化決策的結(jié)果形成控制指令，自主控制物理對象行為。這一層級可以實(shí)現(xiàn)的效果是，數(shù)字孿生可以準(zhǔn)確可靠地自主執(zhí)行決策方案。至此，數(shù)字孿生已具備所有功能，可以自主閉環(huán)運(yùn)行，無需人為干涉。

此外，農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)長時間閉環(huán)運(yùn)行能夠積累大量的數(shù)據(jù)和模型資源，充分利用這些資源服務(wù)于農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計(jì)開發(fā)、制造測試、田間作業(yè)、運(yùn)維管控等全生命周期中的各個環(huán)節(jié)。

2、數(shù)字孿生項(xiàng)目實(shí)施路線

農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)路線包括預(yù)研、規(guī)劃、實(shí)現(xiàn)和評估四個階段，如圖2所示。

圖2   農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生項(xiàng)目的實(shí)施路線

Fig. 2   Implementation route of digital twin project of agricultural machinery

（1）預(yù)研階段。數(shù)字孿生的開發(fā)需要花費(fèi)大量的精力和資源，同時農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對風(fēng)險和成本十分敏感。因此，預(yù)研階段中首先要明確目標(biāo)農(nóng)機(jī)裝備、生產(chǎn)場景和需求問題，評估數(shù)字孿生可行性和適用性，并預(yù)估投資回報，為項(xiàng)目的實(shí)施和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

（2）規(guī)劃階段。深入分析目標(biāo)農(nóng)機(jī)裝備和生產(chǎn)場景的特征，設(shè)計(jì)項(xiàng)目具備的核心業(yè)務(wù)功能和預(yù)計(jì)達(dá)到的效果，確定數(shù)字孿生虛擬模型涉及的維度、尺度、領(lǐng)域和重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，明確系統(tǒng)需要遵循的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，提出合理的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)。

（3）實(shí)現(xiàn)階段。構(gòu)建數(shù)字孿生的物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)與連接、系統(tǒng)服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用五個要素，集成構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)，完善各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能，最后進(jìn)行調(diào)試和完善。

（4）評估階段。將數(shù)字孿生投入實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用，評估數(shù)字孿生的應(yīng)用效果和收益是否達(dá)到預(yù)期，為系統(tǒng)的維護(hù)改進(jìn)和后續(xù)數(shù)字孿生的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

本文節(jié)選自：

郭大方, 杜岳峰, 武秀恒, 侯思余, 栗曉宇, 張延安, 陳度. 農(nóng)機(jī)裝備數(shù)字孿生：從概念到應(yīng)用[J]. 智慧農(nóng)業(yè)（中英文）