Cyfrowa krowa w cyfrowej oborze

Dzięki integracji technologii internetu rzeczy (IoT), sztucznej inteligencji i zaawansowanej analityki danych możliwe jest tworzenie wirtualnych replik zwierząt i ich środowiska, co pozwala na optymalizację procesów hodowlanych i poprawę dobrostanu zwierząt.

tekst: dr inż. Jacek Skudlarski, SGGW w Warszawie
zdjęcia: Marcin Wąż, free pick, firmowe

Rolnictwo, podobnie jak przemysł, przechodzi znaczną transformację technologiczną, a to za sprawą rozwiązań technicznych, jakie dostarcza czwarta rewolucja technologiczna (4.0). W gospodarstwach 4.0 zastosowanie znajdują nie tylko rozwiązania z zakresu automatyki i robotyki, ale w coraz większym zakresie technologie cyfrowe. Kluczowym narzędziem w sektorze przemysłowym są cyfrowe bliźniaki (ang. digital twins), które oferują w tej branży szereg korzyści, w tym zwiększenie efektywności operacyjnej, redukcję kosztów wytwarzania, skrócenie czasu rozwoju produktów oraz poprawę bezpieczeństwa produkcji.

Cyfrowe bliźniaki okazują się ciekawym i bardzo praktycznym narzędziem w zarządzaniu produkcją roślinną, jak i zwierzęcą.

Cyfrowe bliźniaki w rolnictwie

W dobie rolnictwa 4.0 czujniki, internet rzeczy, technologie chmurowe oraz zaawansowane systemy informatyczne analizujące dane w czasie rzeczywistym stają się integralną częścią nowoczesnych gospodarstw rolnych. Umożliwiają one zbieranie danych, ich przetwarzanie oraz dostarczanie rolnikom informacji niezbędnych do podejmowania decyzji produkcyjnych i biznesowych. Gdy te wszystkie technologie zostaną zintegrowane w ramach jednej platformy, powstaje kompleksowa cyfrowa reprezentacja gospodarstwa obejmująca jego zasoby, aktywa, procesy i systemy. Takie właśnie cyfrowe odwzorowanie nosi nazwę cyfrowego bliźniaka (patrz: ramka). Dzięki niemu możliwe jest dokładne analizowanie, planowanie i optymalizowanie wszelakich działań w gospodarstwie rolnym w sposób, który jeszcze niedawno był nieosiągalny.

Aby cyfrowy bliźniak mógł funkcjonować, musi być zasilany rzetelnymi danymi pochodzącymi z rzeczywistego świata. W przypadku produkcji rolniczej dane te pochodzą ze stacji meteorologicznych, czujników umieszczonych w glebie i na maszynach, urządzeń monitorujących zwierzęta itp. Dodatkowym źródłem informacji są obrazy pozyskiwane z dronów i satelitów. Dane te mogą być uzupełnione o wyniki analiz glebowych, inne badania laboratoryjne oraz wiedzę ekspercką dotyczącą roślin, zwierząt, chorób, szkodników czy właściwości gleby.

Cyfrowy bliźniak w produkcji zwierzęcej

Cyfrowe bliźniaki są jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań dla gospodarstw zajmujących się produkcją roślinną, a szczególnie zwierzęcą, zarówno w aspekcie opłacalności produkcji, dobrostanu i wpływu gospodarstw na środowisko naturalne. Dzięki integracji danych pochodzących z różnych źródeł (czujników, kamer, systemów zarządzania stadem, urządzeń IoT i baz wiedzy) możliwe jest dokładne odwzorowanie rzeczywistego środowiska hodowlanego w przestrzeni cyfrowej.

Choć prace nad cyfrowymi bliźniakami zwierząt, jak i całych farm są jeszcze w powijakach, to technologia ta przyniesie znaczne korzyści dla gospodarstw specjalizujących się w produkcji zwierzęcej.
Zastosowania cyfrowych bliźniaków w hodowli zwierząt gospodarskich zaczynają się pojawiać i oczekuje się, że będą one szybko ewoluować w ciągu najbliższych kilku lat. Gdzie dokładnie cyfrowe bliźniaki mogą mieć zastosowanie?

Monitorowanie zdrowia i dobrostanu zwierząt

Jednym z kluczowych zastosowań cyfrowych bliźniaków w produkcji zwierzęcej jest bieżące monitorowanie zdrowia i dobrostanu zwierząt. Dzięki czujnikom noszonym przez zwierzęta (np. obrożom z GPS i sensorami biomedycznymi) systemy informatyczne zbierają dane o podstawowych parametrach życiowych (jak np. tętno, temperatura ciała), aktywności, poziomie stresu czy zachowaniu odbiegających od normy. Informacje te są analizowane w czasie rzeczywistym, a wszelkie odchylenia, jakie system analizujący dane zidentyfikuje, mogą wskazywać na choroby, urazy lub nieprawidłowości w środowisku bytowym.

Cyfrowy bliźniak każdego zwierzęcia może gromadzić dane historyczne, co pozwala na tworzenie modeli predykcyjnych umożliwiających wykrywanie ryzyka mastitis u krów mlecznych na podstawie wcześniejszych symptomów i warunków środowiskowych. Wczesna interwencja może nie tylko poprawić dobrostan zwierząt, ale także zminimalizować straty ekonomiczne i ograniczyć stosowanie antybiotyków.

Optymalizacja żywienia zwierząt

Inna rola cyfrowych bliźniaków to indywidualne zarządzanie żywieniem zwierząt. Analizując dane o kondycji zwierząt, ich wieku, genetyce, wynikach produkcyjnych (np. mleczności), a także składzie paszy i jej dostępności, możliwe jest stworzenie w cyfrowym bliźniaku spersonalizowanych planów żywieniowych dla danej grupy zwierząt.

Dodatkowo, poprzez symulacje „co, jeśli”, hodowcy mogą analizować różne scenariusze żywieniowe w cyfrowym modelu, np. co się stanie, jeśli zmienimy dawkę pokarmową. Ze względu na wiele zmiennych praktycznie niemożliwe jest ustalenie przez samych rolników skutków zastosowania kombinacji różnych pasz. Jednak cyfrowe bliźniaki mogą pomóc w modyfikacji zmiany dawek i składu paszy i przeanalizować scenariusze „co by było, gdyby”.

Zrównoważony rozwój i ochrona środowiska

Do codziennej eksploatacji budynków inwentarskich, systemów grzewczych, wentylacji i oświetlenia potrzeba znacznych ilości energii elektrycznej i paliwa. Cyfrowe bliźniaki mogą wesprzeć optymalizację zużycia energii poprzez monitorowanie zużycia w czasie rzeczywistym i dokonywanie korekt w oparciu o bieżące potrzeby. Na przykład mogą dostosowywać systemy ogrzewania i wentylacji w oparciu o aktualne warunki pogodowe lub potrzeby zwierząt.

Dzięki dostosowaniu zużycia energii do potrzeb produkcji gospodarstwa mogą jeszcze bardziej zmniejszyć swój ślad węglowy, utrzymując jednocześnie efektywność produkcji.

Optymalizacja jeszcze przed powstaniem obory

Cyfrowe bliźniaki okazują się bardzo przydatne w fazie projektowania budynków i procesów produkcji. W cyfrowym świecie możliwa jest analiza infrastruktury budynku i przebiegu procesów produkcyjnych jeszcze przed przystąpieniem do jego budowy. Pozwala to zawczasu uniknąć błędów podczas projektowania.

Generując cyfrowego bliźniaka obory czy chlewni przed jej faktyczną budową, rolnicy mogą testować ustawienie stanowisk, urządzeń, okien, wentylatorów i grzejników w celu stworzenia optymalnych warunków bytowania zwierząt oraz pracy ludzi i maszyn.

Cyfrowe bliźniaki mogą być zintegrowane z systemami zarządzania fermą (FMIS), co umożliwia kompleksowe planowanie pracy, zarządzanie personelem, automatyzację zadań i optymalizację logistyki wewnątrz gospodarstwa.

Wyzwania i przyszłość

Pomimo wielu korzyści wdrożenie cyfrowych bliźniaków w produkcji zwierzęcej wiąże się z wyzwaniami. Wymagana jest odpowiednia infrastruktura cyfrowa, systemy informatyczne, odpowiednia jakość danych oraz kompetencje osób w zakresie analizy i zarządzania informacją. Niestety, inwestycja w czujniki, infrastrukturę informatyczną i oprogramowanie cyfrowych bliźniaków może być zaporowa, szczególnie dla mniejszych gospodarstw. Ponadto wiedza techniczna, wymagana do wdrożenia i utrzymania tych systemów, stanowi kolejną istotną przeszkodę, szczególnie na obszarach wiejskich, gdzie dostęp do szkoleń i zasobów może być ograniczony.

Jednak z uwagi na rosnące wymagania wobec sektora rolnego związane z klimatem, etyką hodowli oraz efektywnością ekonomiczną produkcji cyfrowe bliźniaki stają się nie tylko technologiczną innowacją, ale wręcz koniecznością.

Czym jest cyfrowy bliźniak?

Cyfrowy bliźniak (ang. digital twin) to wirtualna prezentacja fizycznego obiektu, procesu lub systemu, która umożliwia ich monitorowanie, analizowanie i optymalizowanie w czasie rzeczywistym. Powstaje on na podstawie danych zbieranych z fizycznego obiektu, np. za pomocą czujników internetu rzeczy (IoT), które to dane trafiają do modelu cyfrowego, dzięki czemu model ten wiernie odzwierciedla aktualny stan rzeczywistego obiektu. Dzięki integracji danych z sensorów, urządzeń internetu rzeczy oraz zaawansowanym technikom symulacji i modelowania cyfrowy bliźniak odwzorowuje zachowanie i cechy swojego fizycznego odpowiednika.

Cyfrowy bliźniak maszyn, urządzeń czy całych systemów pozwala nie tylko obserwować działanie obiektu zdalnie w czasie rzeczywistym, ale również przeprowadzać symulacje i analizy, które mogą pomóc w przewidywaniu awarii, optymalizacji pracy systemu czy testowaniu różnych scenariuszy bez ryzyka ingerencji w rzeczywisty obiekt. Przykładowo w przypadku maszyny cyfrowy bliźniak pozwala na dokładne monitorowanie jej stanu technicznego, dzięki czemu można wykrywać nieprawidłowości w jej pracy, zanim dojdzie do rzeczywistej awarii. To z kolei prowadzi do zmniejszenia liczby przestojów, obniżenia kosztów konserwacji i wydłużenia żywotności sprzętu.

Cyfrowe bliźniaki umożliwiają podejmowanie bardziej świadomych decyzji opartych na danych oraz zdalne zarządzanie i sterowanie złożonymi systemami. Dzięki integracji z narzędziami analitycznymi i sztuczną inteligencją możliwe jest tworzenie prognoz, które pomagają w planowaniu produkcji, zarządzaniu zasobami czy wdrażaniu strategii biznesowych.

Kolejną istotną korzyścią jest możliwość przeprowadzania symulacji i testowania różnych scenariuszy działania bez ryzyka dla rzeczywistych obiektów. Pozwala to na bezpieczne wprowadzanie zmian, optymalizację procesów produkcyjnych i sprawdzanie, jak system zareaguje na konkretne warunki, zanim zostaną one zastosowane w praktyce.