На фона на опасенията относно сушата и разходите за енергия, екип от Андалусия представи инструмент, който позволява на потребителите да знаят от колко вода реколтата всъщност се нуждае всеки ден и да коригират напояването съответно, без да разчитат толкова много на интуицията или фиксираните графици.
Това е AquaCrop-IoT , интелигентна платформа за напояване , която комбинира ежедневни изображения на полето, метеорологични данни и агрономически симулационен модел, за да препоръча оптимално напояване на фермерите чрез мобилните им телефони . Тествана в пшенична ферма в Кордоба, тя е успяла да намали използването на вода с приблизително 32% , без да се прави компромис с добива на реколтата.
Платформа за ежедневно напояване, проектирана за андалуската провинция
Разработването на AquaCrop-IoT произтича от проект, финансиран от Министерството на университетите, изследванията и иновациите на регионалното правителство на Андалусия , с цел по-ефективно използване на напоителната вода в контекста на нарастващ воден стрес в Испания.
Инструментът е разработен от екип от Катедрата по агрономия в Университета в Кордоба и Института за устойчиво земеделие (IAS-CSIC) . Концепцията му е лесна за обяснение, макар и технологично сложна: да предлага ежедневни препоръки за напояване, базирани на реални данни за реколтата и времето, достъпни чрез уеб приложение , достъпно на всяко устройство с браузър.
По този начин, производителят може да осъществи достъп до платформата от своя телефон, таблет или компютър и да види колко вода да използва в този ден , как се развива реколтата или какво въздействие би имало ускоряването или забавянето на напояването. Платформата има за цел да се адаптира към реалния темп на фермата, където решенията се вземат бързо и често с непълна информация.
Основната цел е двойна: да се пести вода и енергия, без да се жертва производството, и да се предложи инструмент, който е достатъчно интуитивен , за да може всеки земеделски производител да го интегрира в рутината си, без да е необходимо да има обширни технически познания.
Цифров близнак: виртуалното копие, което решава напояването
Ядрото на AquaCrop-IoT се основава на концепцията за дигитален близнак - виртуално копие на парцела, което се опитва да отрази точно състоянието на културата и консумацията на вода във всеки даден момент. Използвайки това дигитално копие, системата симулира различни сценарии за напояване и предлага най-ефективния вариант.
Научната основа на платформата е AquaCrop , симулационният модел, разработен от Организацията по прехрана и земеделие на ООН (ФАО) , широко използван за планиране на напоителни стратегии за тревисти култури. Този модел оценява как културата реагира на различни нива на наличност на вода, но първоначално е проектиран за по-статична употреба, а не за ежедневни актуализации въз основа на условията в стопанството.
AquaCrop-IoT автоматизира и разширява този FAO модел, интегрирайки го с физически сензори и изображения в почти реално време . Идеята е, че дигиталният близнак не остава теоретична проекция, а се коригира непрекъснато от случващото се на място.
Както посочва екипът на IAS-CSIC, AquaCrop опростява реалността и не отчита подробно процеси като появата на вредители, болести или хранителни проблеми. Благодарение на връзката си с камери и сензори, платформата позволява на собствената еволюция на културата да коригира модела, когато растението не се държи според очакванията.
Ежедневни изображения, сензори и автоматична корекция на препоръките
При полевите операции, конвенционална камера, инсталирана във фермата, прави снимки на реколтата всеки ден. От тази снимка системата автоматично изчислява растителната покривка , т.е. какъв процент от почвата е покрита с листа. Този показател е тясно свързан с растежа на реколтата и транспирацията.
Ако платформата открие, въз основа на изображенията, че развитието се забавя или се отклонява от очакванията, тя може да отдаде това на воден стрес, вредители или хранителни дефицити . С тази информация дигиталният близнак се пренастройва и препоръките за напояване се променят , за да се избегне прилагането на вода, която не би довела до повишен добив.
В допълнение към изображенията, системата интегрира метеорологична станция с дванадесет сензора, разпределени в цялата ферма. Наред с други параметри, тя записва слънчева радиация , температура на въздуха, относителна влажност, валежи и скорост и посока на вятъра – ключови променливи за оценка на евапотранспирацията и водния баланс.
Наред с тези локални измервания, платформата включва исторически данни и прогнози от Испанската държавна метеорологична агенция (AEMET) . Тези прогнози позволяват предвиждането на валежи, горещи вълни или внезапни температурни промени, което влияе върху решенията за това кога да се ускори, намали или отложи напояването.
Според екипа, целият този набор от данни захранва модела AquaCrop и актуализира цифровия близнак, който се превръща в своеобразен контролен панел, където фермерът може да вижда изображения, графики и прогнози за еволюцията на културата при различни сценарии на напояване.
Метеорология, периферни изчисления и достъп до интернет от всяко устройство
Един от критичните моменти за функционирането на платформа от този тип извън лабораторията е свързаността във фермата . Много ферми в Испания, и особено в селските райони, имат ненадеждно покритие , което усложнява непрекъснатото предаване на големи обеми данни към облака.
За да преодолее този проблем, AquaCrop-IoT използва периферни изчисления . Вместо да разчита на постоянна интернет връзка, системата обработва данни директно на полето , на малък сървър, инсталиран във фермата , и изпраща само информацията, необходима за визуализация и анализ, към уеб платформата.
Тази архитектура намалява уязвимостта към прекъсвания в мрежата и подобрява стабилността на системата , което е от съществено значение за ежедневните решения за напояване. Земеделските производители могат да продължат да използват инструмента, дори ако връзката е прекъсваща или има случайни прекъсвания.
Обработените данни се показват в удобен за потребителя уеб интерфейс , проектиран да бъде ясен и лесен за използване. От всяко устройство с браузър потребителите могат да имат достъп до актуализирани изображения на културите, графики на ключови променливи и персонализирани препоръки за напояване , които автоматично се коригират при промяна на условията.
Както обобщава Франсиско Пуиг , изследовател в Университета в Кордоба, фермерите от години се консултират с климатични прогнози , за да управляват своите ферми; това, което тази платформа сега добавя, е динамична симулация на еволюцията на културите и препоръчително напояване, с цел намаляване на потреблението на вода и енергия, без да се навреди на производството.
Изпитание с твърда пшеница в Кордоба: три напоявания вместо четири
За да валидира функционалността на платформата, екипът проведе тест върху твърда пшеница, засята през януари 2023 г. в частна ферма в провинция Кордоба . Изпитването съвпадна с особено суха година, контекст, представителен за водния натиск, пред който е изправена голяма част от селското стопанство в Андалусия.
По време на цикъла на растеж, дигиталният близнак коригира първоначалните прогнози на модела AquaCrop, като например проверява, че поникването на растенията е станало по-късно от очакваното. Тази на пръв поглед незначителна разлика във времето е повлияла на препоръчителния график за напояване.
Ако беше следван изключително статичният модел, AquaCrop щеше да предложи четири напоявания с общ обем на приложената вода от 64,8 милиметра . Въпреки това, като се вземе предвид информацията от камерите, сензорите и прогнозите за времето, AquaCrop-IoT препоръча три напоявания с общо 44,1 мм.
Сравняването на двете стратегии доведе до икономии от приблизително 32% на вода за напояване, без забележима разлика в крайния добив . С други думи, използвана е по-малко вода, а реколтата остава на същото ниво.
В допълнение към потреблението на вода, намаляването на броя на напояванията доведе до намаляване на потреблението на енергия, свързано с работата на помпените системи. Следователно ефектът беше осезаем както по отношение на околната среда, така и по отношение на икономическите разходи на кампанията.
Приложение за други култури, разходи и бъдещи разработки
Въпреки че пилотният проект е фокусиран върху твърда пшеница, изследователите настояват, че подходът AquaCrop-IoT е приложим и към други тревисти култури , като царевица или зеленчуци, които реагират подобно на стратегии за напояване, основани на връзката между растежа на растителните корони и наличието на вода.
Един от аспектите, върху които екипът акцентира най-много, е относително ниската цена на внедряване . Устройствата, използвани в пробното проучване – главно камери и локален сървър за обработка – струват около 150 евро на камера и по-малко от 200 евро за сървъра , цифри, които според авторите ги правят подходящи за средно големи ферми.
Техническата архитектура е проектирана да бъде модулна и мащабируема . Системата е подготвена да включва нови източници на информация , като например допълнителни сензори за влажност на почвата или изображения, заснети от дронове , което би позволило по-подробен и гъвкав поглед върху състоянието на парцела.
В бъдеще, ръководителите на проекта вече работят по интегрирането на платформата с мобилни приложения , които ще позволят на фермерите да правят обикновена снимка с телефоните си , а системата автоматично да калибрира растежа на културите от това изображение, без да е необходимо да се инсталират фиксирани камери.
Според изследователя от UCO Хуан Антонио Родригес-Диас , селскостопанският сектор е потопен в технологична революция , където сензорите вече генерират огромно количество данни, но тези данни често не са интегрирани в наистина полезни инструменти . Подходът на AquaCrop-IoT е именно да трансформира тази лавина от информация в практическа платформа, която помага на фермерите да вземат по-информирани решения за напояване.
Цялата тази работа позиционира AquaCrop-IoT като пример за дигитализация, приложена към напояването в Испания , във време, когато пестенето на вода и енергия е приоритет за фермите. Чрез интегриране на цифрови близнаци, ежедневни изображения, метеорологични данни и периферни изчисления в един инструмент, достъпен от мобилни устройства, платформата демонстрира, че е възможно да се намали препоръчителната вода за напояване с около една трета, като същевременно се запази производството, нещо особено важно за тревистите култури в европейските региони, предразположени към суша.
