Новинка используется для фитотронов — камер, где выращивают растения в условиях полного климатического контроля, тепло и свет при этом извне не поступают. Новый математический аппарат представляет собой систему уравнений, способную предсказывать изменения окружающей среды в камере почти со 100%-ной точностью при определенных управляющих воздействиях.
По словам заведующего лабораторией сити-ферминга СФУ Ивана Тимофеенко, цифровой двойник — это динамическая виртуальная вычислительная модель, которая показывает актуальное состояние умной фермы. Модель формируется с помощью данных, переданных с внутренних датчиков. Изобретение может прогнозировать события, моделировать сценарии и предлагать наиболее выгодные решения по выращиванию той или иной культуры.
Собранная на объекте статистика легла в основу обучения нейросетей. Построенная модель позволяет проводить виртуальные эксперименты с цифровым двойником фитотрона. Это дает возможность менять параметры работы оборудования и оценивать их влияние на условия среды: температуру, влажность и другие факторы.
«Результаты работы показали, что, например, при виртуальном моделировании температура отклонялась не более чем на 0,1 °C от реальных значений, влажность — в пределах 2%, а прогноз энергопотребления совпал с фактическими данными на 99,5%», — рассказал Иван Тимофеенко.
Систему управления сити-фермой построили на простых решениях «интернета вещей» — умных розетках, датчиках и серверах. Благодаря этому цифровой двойник может быть полезным не только в научных экспериментах, но и в повседневной работе городских ферм.
«Применение цифровых двойников для задач по повышению урожайности представляется эффективным. В частности, точность моделей позволяет оптимизировать управление энергопотреблением. Такие технологии особенно значимы в долгосрочно перспективе, когда будет сформирована устойчивая обратная связь, положительно влияющая на урожайность», — отметил глава группы «Цветовая вычислительная фотография» AIRI, руководитель сектора репродукции и синтеза цвета Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича РАН Егор Ершов.
Также цифровые двойники могут служить платформой для цифрового фенотипирования (подход, при котором на основе моделей конкретных растений прогнозируются результаты их скрещивания). Такой метод позволяет избежать затрат на физические эксперименты.
«Выращивание растений с заданными свойствами — современный тренд. Перспектива этих методов — в создании продукции с повышенной питательной ценностью для целевых групп: спортсменов, космонавтов или людей, которые просто следят за здоровьем или нуждаются в специализированном диетическом питании», — объяснил ведущий научный сотрудник лаборатории физиологических и молекулярных механизмов адаптации Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН Павел Пашковский.
«Второй фактор — это питание. Соединяя определенные минеральные составы с особым световым воздействием перед сбором урожая, можно направлять метаболизм растения на усиленную выработку белков или других ценных веществ. В-третьих, добавление специальных штаммов микроорганизмов в гидропонные системы также позволяет влиять на архитектуру корней и биохимию растения без использования методов генной инженерии», — уточнил Павел Пашковский.
Подобные технологии могут помочь в оптимизации энергообеспечения и повышения продуктивности биомассы. Это важно при организации в перспективе долговременных космических экспедиций, а также в процессе будущего освоения других планет, резюмировала ученый секретарь Института медико-биологических исследований РАН Маргарита Левинских.
