奶牛智慧养殖技术装备及其数字孪生系统构建

数字孪生被视为智慧农业新的发展阶段。通过建立农业生产的物理系统和数字空间,数字孪生技术实现了“连接-感知-决策-控制”一体化,可以通过更高水平的智能控制应对农业生产系统的复杂性。我国农业数字孪生系统发展相对较晚,相关研究与技术装备整体处于探索和起步阶段。本文基于奶牛养殖多维信息采集、数据分析和生产仿真模型的研究,面向饲喂管理、繁殖管理、健康管理和环境调控等关键生产场景,建立奶牛场在虚拟空间的数字化映像,构建了奶牛养殖数字孪生系统,实现了对养殖技术流程与生产装备的数据驱动、实时反馈、模拟推演和以虚控实的智能管控,并在江苏省某千头规模奶牛场进行了具体应用和初步验证。

基于数字孪生技术的奶牛场养殖监控平台设计

为应对动物疫情以及非牧场人员对奶牛养殖生产的不利影响,结合奶牛场的需求,采用数字孪生技术,提出构建数字孪生奶牛场养殖监控平台的方案。此平台基于数字孪生奶牛场模型(DDTM)搭建,DDTM由三部分组成,分别为数字奶牛场的几何模型GM、信息模型IM和预测模型PM。对于GM采用3ds MAX三维建模软件对奶牛场内的建筑、奶牛以及设备进行几何建模,最终实现奶牛场的三维可视化效果;对于IM通过特定孪生标识体系、远程数据上传以及解析等方法,实现数字孪生奶牛场与实际物理奶牛场之间的映射;对于PM利用预测模型预测养殖舍内温湿度变化趋势,指导奶牛的养殖健康和生产。这一综合方案为数字孪生奶牛场的建设提供创新的思路和实践参考,将促进数字畜牧的可持续发展、提高奶牛养殖的效益。

作物生长模型研究现状与展望

作物生长模型由最初的作物生长发育模型发展到农业决策支持模型,在科学研究、农业管理、政策制定等方面发挥着越来越重要的作用。本文首先回顾了作物生长模型的发展过程,并按照模型主要驱动因子,将作物生长模型分为土壤因子、光合作用因子和人为因子驱动3类并分别进行了归纳阐述;然后对典型的模型分别从模型模块、时空尺度、可模拟的作物类型等方面进行列表式对比;并对作物生长模型在气候变化评估、生产管理决策支持、资源管理优化等方面的应用,以及面临的极端条件、复杂农业景观和模型复杂度等挑战进行了总结,在此基础上认为遥感数据同化和孪生农场是其发展方向。

基于模型数据混合驱动的大规模双馈风电场并网数字孪生建模

当前双馈风机详细模型具有多时间尺度动态和复杂控制环节,导致建模困难、大规模双馈风电场并网详细仿真建模所需算力庞大的问题。实际风机并网外特性无法实时反馈到仿真系统中,同时风电场功率输出受到多方面如风速、风向、老化等影响,使仿真系统无法精确拟合真实电力系统。针对这一问题,该文构建大规模数字孪生双馈风电场并网的电力系统模数混合驱动模型,实现了风机与电网互动反馈的实时更新,降低了算力需求,同时与风机物理实体实时匹配的虚拟模型具备较高的输出精度,满足精细化仿真需求。文中每台双馈风机采用长短期记忆网络构建数据驱动模型,风电场架构及所并电网选取常用的物理仿真模型,以数字孪生技术实现风机物理模型维护、虚拟数据模型更新的双向反馈。算例通过真实量测数据测试,结果表明在不同工况下该双馈风电场并网数字孪生模型较传统模型具备更优秀的拟合能力与精准度,同时实现了虚拟模型的实时更新能力。该模型有助于在大规模风电场并网中探寻具体某台风机故障、控制方式变化、风速波动等情况,研究风机之间相互影响、电网出现扰动时对风电场的影响。

基于数字孪生的奶牛场三维可视化平台研究与实现

目的:为提升奶牛场生物安全等级,设计一种基于数字孪生的奶牛场三维可视化平台。方法:利用数字孪生技术将物联网、大数据等技术进行融合,实现对奶牛场信息的实时监测。使用三维建模软件构建奶牛场三维模型,结合网页前端和场景渲染等技术,实现实体奶牛场与孪生奶牛场的互联互通,构建虚拟的奶牛场三维可视化平台,对奶牛场的养殖环境、奶牛健康、牛舍实时情况等进行监测。结果:本研究初步实现了奶牛场实时监测、数据实时传输、信息三维可视化等功能。结论:本研究构建的奶牛数字孪生三维可视化平台有助于提高奶牛场智能管理水平,加快奶牛养殖数字化方向发展。

数字孪生技术在现代化猪场生产应用的研究进展

数字孪生根据实物对象建立数值模型,通过增强现实、人工智能、机器视觉、大数据等技术,实现系统仿真、性能优化和预测分析。本文结合演变史分析了数字孪生实施方式;通过总结图像监控、声音监测和精准饲喂控制技术,对精准养猪进行了分析;总结了数字孪生在现代猪场能耗分析、三维可视化、预测模型、环境模拟上的应用;从物理模型成本、养猪数据库、开发资源3个角度分析了局限性;针对技术成熟度,结合多领域应用案例扩展分析;最后分析了现代化猪场生产中数字孪生技术的发展趋势,为智慧猪场建设提供参考。

基于数字孪生的区域气象关联风电预测模型

新型电力系统建设下,风电清洁能源得到大力开发。由于风电的发电功率与风速、风向、气温等气象因素强关联,具有波动性,且新建的风电场缺乏历史气象和发电数据,难以被精确预测。因此,文中提出了一种基于数字孪生的区域气象关联风电预测方法。首先,将风电场系统物理实体与数据驱动模型相结合,实现了数据同步和实时更新;然后,通过灰色关联分析方法筛选出对风电场发电功率影响作用较大的多元气象因素,使用XGB算法对优选后的气象关联数据集进行训练,结合天气预报对风电场发电功率进行预测;最后,利用有历史数据风电场的训练模型对无历史数据新建风电场进行预测。算例对四川某区域风电场数据进行了分析和预测,验证了所提方法的有效性与合理性,能够获得比传统预测方法更准确的预测结果。

全自主漂浮式海上风电场运维系统关键技术与系统架构探讨

风能作为一种清洁的可再生能源,对于实现“双碳”目标以及低碳能源体系转型至关重要。分析和研究了漂浮式海上风电发展面临的挑战和潜在的技术,特别是重点探讨了信息与通信技术(Information and Communication Technology,ICT)和机器人技术在漂浮式海上风电运维中的潜在应用,进而设计了漂浮式海上风电运维系统架构,旨在降低运维成本和提高运营安全性。所提出的解决方案涵盖了浮式平台设计、数字孪生形式的远程操作、自主水下机器人等多个方面。

非啮合双螺杆挤压机三维流场数值模拟

双螺杆挤压机是加工挤压食品的关键设备。利用有限元法,以非啮合双螺杆挤压机为研究对象,采用三维非等温、非牛顿流体模型,对非啮合双螺杆挤压机内物料的速度、压力、温度和螺杆挤出特性参数进行了数值研究。结果表明,从非啮合双螺杆挤压机的入口到出口,物料的压力和温度值逐渐增加;啮合区物料的压力、速度和温度值均大于螺槽区,螺槽区压力值出现了非常明显的波动现象;随着螺杆转速和流道两端压差的增加,双螺杆挤压机内物料的温度和流量也逐渐增加。

规模化猪场智慧生物安全防控系统设计

针对规模化猪场生产中的重要疫病的防控突出问题,该研究采用PHP编写语言、MySQL数据库、B/S结构为基础,数字孪生与知识图谱等物联网技术,同时对猪场重要疫病进行信息收集作为基于知识图谱智能诊断的关系数据库。首先确定生猪生产过程中的生物安全与疫病防控的要点和关键影响因素,然后对规模化猪养殖场中的生物安全信息进行实时监测与记录和分析,设计规模化猪场智慧生物安全与疾病防控系统流程,实现规模化猪场智慧生物安全管理的功能。

农业元宇宙:关键技术、应用情景、挑战与展望

元宇宙这一新兴概念受到了产、学、研各界的广泛关注。农业与元宇宙的结合将极大地推动农业信息化和智能化发展,为农业智能化转型升级提供新动能。为深入分析元宇宙在农业领域的应用研究可行性,本文首先分析了农业元宇宙的概念,以及区块链、非同质化代币、5G/6G、人工智能、物联网、三维重建、云计算、边缘计算和扩展现实等元宇宙农业应用的关键技术。接着讨论了元宇宙在虚拟农场、农业教学系统和农产品追溯系统三个农业应用领域的主要情景,最后总结了农业元宇宙面临的系统建立、通信基础、硬件设备和运营等方面的主要挑战,并展望了未来的发展方向。本文可为元宇宙在农业的应用研究提供指导。

基于数字孪生的农业耕作监控系统

针对农业耕作环境复杂多变、耕作过程切削状态不清晰、耕作方案经验化、主观化等问题,文章构建了基于数字孪生的农业耕作监控系统,以全面、实时地监控整个耕作过程,实现智慧化的农业耕作。该系统由监控模块、虚拟耕作系统和可视化服务3部分组成。监控模块实时采集农业耕作过程的农业机械耕作装备、土壤、田间环境等状态信息;虚拟耕作系统利用监控模块采集的信息实现对农业耕作过程的仿真模拟与分析预测,迭代优化出最佳的耕作策略;可视化服务综合监控模块和虚拟耕作系统的信息实现对农业耕作过程的数据和模型的可视化展示。该农业耕作监控系统可以为智慧化农业耕作的发展提供一定的参考。

含大规模新能源接入的交直流输电系统数字孪生平台架构设计

随着电力电子器件的发展及技术的进步,越来越多的大功率电力电子设备被应用于电力系统柔性直流输电中,以提升电网稳定性和新能源接纳能力,渝鄂柔性直流背靠背联网工程是这一技术的典型应用。但是,由于直流环节和新能源发电过程含有大量的电力电子开关器件和功率模块,为含大规模新能源接入的交直流混合仿真系统分析带来了较大困难。基于数字孪生的概念,将MMC子模块等效为电源与其导通电阻的串联。针对渝东北地区交直流混合电网的具体参数和网络结构,考虑近期该区域新能源规划,在分析、预测负荷、新能源出力的基础上,初步建立了一整套含大规模新能源接入的交直流输电系统数字孪生平台,并将平台运行结果与实际运行状态相比较,证明了所提分析架构的实用性和有效性。

应用双支持向量回归机的风速预测模型

风速对风电场功率输出起着十分重要的作用,但由于风速具有很强的随机性,使得对其预测的精度不高。针对上述问题,以双支持向量回归机为主要工具,结合风电场的实测风速数据建立了风速预测模型;给出了模型的特征以及相关参数的,并与标准支持向量回归机的预测结果进行了比较。实验结果表明:双支持向量回归机在预测精度上优于标准支持向量回归机,为风电场的风速预测提供了参考。

基于EDPF-CP系统进行风电场全量信息采集的监控系统设计

文章提出了"域"的概念,从组态和功能两个方面阐述了EDPF-CP系统。EDPF-CP控制器采用PLC及DPU的双引擎结构,且能够支持多种通讯方式。风机主控程序在PLC中运行,与控制无关的信息网数据可直接上传至监控系统,为风机的后期整体运行分析提供大数据支撑。在保证数据正常接入的情况下,EDPF-CP系统的监控系统在组态上提供了简单方便的途径,适合于不同机型在上位机的批量操作。同时增加故障诊断功能,当发生故障时,可直接进行故障原因的查找,运维人员可以自行组态进行故障库的完善。文章结合某风电场实例,给出了风电场整体监控系统解决方案,并进行现场实施。

基于数字孪生的智慧猪场管理平台设计与应用研究

面向双疫情影响之下的畜牧业数字化转型风口,针对猪场降本增效、提质增产、安全防控等管理核心,提出基于数字孪生的智慧猪场管理平台设计与应用研究。利用数字孪生集成物联网、大数据、人工智能等多信息技术,用于猪流、人流、物流、车流等猪场信息流监测覆盖,实现实体猪场的虚拟孪生猪场映射,构建智慧猪场管理平台,开展对猪场养殖环境、猪只健康、养殖人员行为、猪场出入车物等监测,通过系列模型算法实现平台描述、诊断、预测与决策,利用控制器、设备融合进行智能控制,促进猪场从“有人化”向“无人化”升级,赋能猪场管理。

数字孪生渔场构建方法与应用

为解决智能渔场系统仅能实现环境监测但难以精准化养殖的问题,通过参数采集、位置映射、流体仿真和种群模拟等技术升级为数字孪生渔场,对淡海水养殖环境和养殖过程模型,动态估算得出“在哪养、养什么,养多少”的第一手渔业生产统计数据,为国家渔业宏观管理提供基于场景化、可视化的“一张图、一张网、一本账”决策依据。

基于LCOE最优的数字化风电场及其关键技术研究

数字化风电场是风电场综合利用数字化技术的新阶段。在分析风电场建设管理所面临的挑战的基础上,讨论了平准化度电成本(LCOE)的计算公式和内涵,给出了数字化风电场的定义,阐述了基于LCOE最优的数字化风电场的"风、机、场、网、环"五大特征以及数字化技术在降低LCOE中的作用。最后,总结了实现数字化风电场的风资源、大数据平台、数据分析建模、数字孪生和数据安全五大关键技术。

基于数字孪生理论的智慧农场节能减排系统设计研究

在“双碳”背景下,节能减排已经成为了各行各业的焦点。中国作为第一农业大国,农业碳排量始终高于欧美,尚存较大减排空间。本研究从可持续发展的角度出发,以数字孪生为导向,对智慧农场碳排放问题进行分析,设计出一种节能减排系统的实践方案,以实现对智慧农场实时监控及对作物的经济价值和生态价值进行综合评估,从而选取最减排的种植方法。其探究数字孪生在智慧农场应用中的可能性,对种植业减少碳排放量进行科技创新,实现“碳中和”的目标具有一定参考作用。

碳中和背景下农业能源互联网电能替代综述

农业能源互联网背景下,在农业生产中进行电能替代可有效减少碳排放,提高环境质量,是实现“碳达峰”与“碳中和”目标的重要路径。基于大量新型农业电力负荷数据,分析了电能替代在农业生产中的潜力。提出通过接纳分布式可再生能源,将农业与能源深度耦合,建立低碳农业系统,通过数字孪生技术实现对农作物生产系统的智慧管控,在农业园区中构建虚拟电厂,削弱新能源输送带来的负面影响,提高能源利用率以及园区效益,从而实现农业能源互联网清洁、低碳、高效发展。