JT Pasaulio maisto programos duomenimis, beveik 750 milijonų žmonių šiandien kenčia nuo bado. Pasaulio išteklių institutas teigia, kad iki 2050 m. pasaulinė maisto paklausa, palyginti su 2010 m., padidės 50 procentų.
Neseniai IEEE Smart Agri-Food Initiative paskelbtoje išmaniojo žemės ūkio specialiojo klausimo ataskaitoje teigiama, kad norint patenkinti paklausą, reikės technologijos, leidžiančios plėsti maisto gamybą. Ataskaitoje pabrėžiami tyrimai, atvejų studijos ir nauji technologijų taikymo būdai informuoti ūkininkus, inžinierius ir politikos formuotojus.
Iniciatyvai vadovauja IEEE narys Johnas Verboncoeuras, išmaniojo maisto programos pirmininkas ir elektros ir kompiuterių inžinerijos profesorius Mičigano valstijos universitete Rytų Lansinge.
„Maisto saugumas tampa sistemų inžinerijos problema“, – sako Verboncoeur. „Mes nebekalbame tik apie traktorius ir drėkinimą. Mes kalbame apie jutimą, ryšius, skaičiavimus, automatizavimą ir tvarumą, veikiantį kartu.”
Nors oficialiai nebuvo apmokytas kaip žemės ūkio mokslininkas, Verboncoeur pirmą kartą įsitraukė į pažangųjį žemės ūkį, kai 1985–1986 m. studijavo Floridos universitete, kur jis padėjo NASA sukurti SmartAg aeroponikos sistemą Tarptautinei kosminei stočiai. Jis naudojo rūką augalų šaknims purkšti, o lengvas pneumatines konstrukcijas prilaikė augmenijai.
Jis taip pat pirmininkavo Mičigano valstijos SmartAg iniciatyvos vykdomajam komitetui nuo jos pradžios 2017 m. Jis vadovavo tarpdalykinėms programos pastangoms taikyti inžinerines ir skaitmenines technologijas ūkininkavimo ir maisto sistemoms.
„Verboncoeur“ inžinerijos, kaip žemės ūkio jėgos daugiklio, naudojimą sieja su pamokomis, išmoktomis iš IEEE Smart Village programos, kuri remia projektus ir organizacijas, teikiančias elektros energiją ir švietimo bei užimtumo galimybes atokioms bendruomenėms. Jis teigia, kad žemės ūkiui reikalingas toks pat sistemos lygmens mąstymas.
„Iššūkis yra ne tik technologijų išradimas“, – sako jis. „Tai daro sistemas praktiškas, prieinamas ir diegiamas.”
Nuo skaitmeninių dvynių iki savarankiško derliaus nuėmimo
Pagrindinė Smart Agri-Food Systems ataskaitos tema yra automatizavimo, duomenų analizės ir tvarumo konvergencija.
Viename dokumente „Išmanusis žemės ūkis, tikslusis žemės ūkis, skaitmeniniai dvyniai žemės ūkyje: panašumai ir skirtumai“ nagrinėjama painiava dėl to, kaip mokslininkai ir praktikai apibrėžia ir taiko technologijas ūkininkavimui.
Straipsnį parašė Dilan Onat Alakuş, Kırklareli universiteto programinės įrangos inžinerijos skyriaus mokslinis asistentas Turkijoje ir Ibrahim Türkoğlu, programinės įrangos inžinerijos profesorius Fırat universitete Elazığ mieste, Turkijoje.
Abu autoriai teigia, kad neaiški terminija gali lemti neefektyvias investicijas ir prastą technologijų pritaikymą. Jie pažymi, kad žemės ūkio metodai, pagrįsti tradicine praktika ir intuicija, trūksta išsamios jų poveikio aplinkai ir ekonominiam poveikiui analizės.
Jie aprašo, kaip trys technologijos gali būti naudingos ūkininkams:
• Išmaniosios žemės ūkio sistemos integruoja jutiklius, dirbtinį intelektą, robotiką ir analizę, kad padidintų efektyvumą ir tvarumą dideliu mastu.
• Tikslusis žemės ūkis orientuojasi į konkrečios vietos sprendimus. Ūkininkai naudoja GPS valdomą įrangą laukams kartografuoti, dronus pasėlių sveikatai stebėti ir lauko jutiklius, kurie seka dirvožemio drėgmę ir maistinių medžiagų kiekį tikslinėse zonose. Įrankiai leidžia ūkininkams naudoti vandenį, trąšas ir pesticidus tik ten, kur reikia, o tai gali sumažinti atliekų kiekį ir poveikį aplinkai.
• Skaitmeniniai dvyniai sukuria virtualias žemės ūkio paskirties vietovės kopijas. Gauti modeliai imituoja sodybą, pasėlius ir drėkinimo sistemas, todėl augintojai gali išbandyti scenarijus ir numatyti rezultatus prieš įgyvendindami pakeitimus.
Autoriai pabrėžia, kad kategorijos praktiškai sutampa. Skaitmeninis dvynys gali semti duomenis iš tiksliojo žemės ūkio sistemų ir pateikti rekomendacijas išmaniosioms žemės ūkio platformoms.
Pasak jų, aiškesni skirtumai padeda ūkininkams pasirinkti tinkamas priemones ir išvengti nereikalingo sudėtingumo bei išlaidų.
„Šis tyrimas prisidėjo prie sąmoningos žemės ūkio praktikos, diferencijuodamas žemės ūkio technologijas“, – rašė jie ir pridūrė, kad aiškesni apibrėžimai gali padidinti produktyvumą.
Ataskaitoje aprašomame straipsnyje pereinama nuo teorijos prie taikymo bustanio tai reiškia mano sodas arabų kalba. Bustanica projektas Saudo Arabijoje yra automatizuota hidroponinė vertikalaus ūkininkavimo sistema, kurią sukūrė princo Mohammado Bin Fahdo universiteto Al-Khobar mieste, Saudo Arabijoje, mokslininkai. Straipsnį „Bustani: A Microcontroller-Based Automated Hydroponic Verical Farming Solution“ parašė Hussah Alotaibi, šalies nacionalinės naftos bendrovės „Saudi Aramco“ kompiuterių inžinierius; Abul Bashar, Widad Karsou ir Shehvar Khan, universiteto kompiuterių inžinerijos ir informatikos katedros mokslininkai; ir Salahudean Tohmeh iš universiteto robotikos laboratorijos.
Bustanica sistema sujungia hidroponiką su aeroponika, kai augalų šaknys kabo ore ir gauna maistines medžiagas per purškimo sistemą. Kartu šie metodai leidžia auginti pasėlius kompaktiškoje patalpų aplinkoje, naudojant daug mažiau vandens nei naudojant tradicinius metodus.
Metodas integruoja daiktų interneto jutiklius, kurie nuolat stebi vandens chemiją ir rezervuaro sąlygas.
Sistema augina pasėlius kontroliuojamoje patalpų aplinkoje. Uždaro ciklo konstrukcija recirkuliuoja vandenį, kad sumažintų atliekų kiekį. Jutikliai matuoja pH lygį, maistinių medžiagų koncentraciją ir vandens lygį. „Arduino Mega“ apdoroja jutiklio duomenis. „NodeMCU ESP8266“ – nebrangi atvirojo kodo IoT platforma – tvarko „Wi-Fi“ ryšį ir debesies ryšį.
Sistema siunčia duomenis per Google Firebase debesies platformą, kuri veikia kaip realaus laiko tiltas tarp jutiklių ir valdymo sistemų.
Mobilioji programėlė leidžia vartotojams stebėti ir valdyti sistemą nuotoliniu būdu. Jame rodomi realaus laiko duomenys apie apšvietimą, maistinių medžiagų kiekį ir vandens siurblio veiklą. Kai sąlygos išeina už optimalių diapazonų ribų, automatiniai dozavimo siurbliai reguliuoja lygius pagal poreikį.
Inžinerija negali išspręsti visų pasaulio problemų. Tačiau jis neabejotinai turi atlikti savo vaidmenį padedant pasauliui pasimaitinti pačiam“. -John Verboncoeur, IEEE Smart Agri-Food iniciatyvos pirmininkas
Sistema veikia kaip grįžtamojo ryšio kilpa, renka duomenis, perduoda juos į debesį, analizuoja sąlygas ir automatiškai įjungia koregavimus.
Šviesos diodai imituoja saulės šviesą. Ultragarsiniai jutikliai matuoja vandens lygį. Elektros laidumo jutikliai seka maistinių medžiagų koncentraciją. Bandymų metu sistema palaikė stabilias aplinkos sąlygas ir dinamiškai koregavo dozavimą, kai pasikeitė rodmenys.
Autoriai apibūdina rezultatą kaip „visiškai funkcionalų ir automatizuotą vertikalų tvarų ūkį, kuris sukuria pageidaujamas augimo sąlygas, kartu su Android programa, kuri teikia stebėjimą ir pranešimus realiuoju laiku“.
Be automatizavimo, bustani atspindi platesnį perėjimą prie žemės ūkio sujungimo su vartotojų technologijomis ir išmaniųjų namų sistemomis. Ateities planai apima Amazon Alexa virtualaus asistento ir mašininio mokymosi įrankių integravimą augalų ligų aptikimui ir augimo analizei.
Robotika ir darbo iššūkiai
Straipsnyje „Efektyvaus pomidorų derliaus nuėmimo roboto link“ aptariamas savarankiškas derliaus nuėmimas – ilgalaikis žemės ūkio robotikos iššūkis. Pomidorai lauke labai skiriasi dydžiu, forma ir branda, todėl juos tvarkant gali atsirasti mėlynių. Straipsnį parašė IEEE vyresnysis narys Hyoung Il Son – biosistemų inžinerijos ir robotikos profesorius Chonnamo nacionaliniame universitete Gvangju mieste, Pietų Korėjoje – ir jo absolventai Jongpyo Jun, Jeongin Kim ir Jaehwi Seol.
Straipsnyje aprašoma, kaip robotika vis dažniau naudojama norint nukreipti pasėlius, kurie anksčiau buvo laikomi pernelyg subtiliais arba kintamais automatizavimui.
Tyrėjas sujungė 3D mašinos matymą, robotines rankas, siurbimo pagrindu veikiančius griebtuvus ir besisukančius pjovimo įrankius, kad sukurtų derliaus nuėmimo mašiną, galinčią veikti nestruktūrizuotoje lauko aplinkoje. Sistema siekiama sumažinti priklausomybę nuo rankų darbo, kartu gerinant derliaus nuėmimo efektyvumą ir nuoseklumą.
Žemės ūkis kaip sisteminė problema
Verboncoeur teigia, kad dokumentuose paryškinti pokyčiai atspindi platų inžinierių požiūrio į žemės ūkio pramonę pokyčius.
„Anksčiau žemės ūkis pirmiausia buvo vertinamas kaip augalų sodinimo, laistymo ir tręšimo iššūkių valdymas ir mašinų naudojimas, kad procesas būtų mažiau imlus“, – sako jis. „Dabar tai taip pat yra duomenų problema, ryšių problema, energijos problema ir atsparumo problema.”
Kitame straipsnyje „Tvarus ir pažangus žemės ūkis: holistinis požiūris“ nagrinėjama, kaip technologijos gali spręsti aplinkos ir demografinio spaudimo problemą. Straipsnį parašė Surenderis Singhas ir Sannihitas, Čandigarho universiteto (Mohali, Indija) kompiuterių mokslo ir inžinerijos bei civilinės inžinerijos katedrų mokslininkai.
Ūkininkai turi didinti maisto gamybą, kartu mažindami žalą aplinkai dėl senkančių vandens išteklių, per didelio trąšų naudojimo, miškų naikinimo ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimo, teigia autoriai. Jie apibūdina išmanųjį ūkininkavimą kaip „maisto gamybos revoliuciją“, kuri gali leisti ūkininkams gauti didesnį derlių iš esamų išteklių naudojant prijungtas technologijas ir duomenų sistemas.
Autoriai akcentavo greitos urbanizacijos problemą. Jie praneša, kad iki 2050 m. beveik 70 procentų pasaulio gyventojų gyvens miestuose, o tai padidins spaudimą maisto tiekimo grandinėms ir paskirstymo sistemoms.
Belaidžiai jutiklių tinklai atliks pagrindinį vaidmenį transformacijoje, teigia mokslininkai. Tinklai naudoja nedidelius prijungtus įrenginius dirvožemio drėgmei, temperatūrai, drėgmei, šviesos intensyvumui ir pasėlių sąlygoms stebėti. Sistema perduoda duomenis į debesų platformas, kuriose mašininio mokymosi modeliai analizuoja tendencijas ir rekomenduoja veiksmus.
Autoriai pabrėžia, kad sprendimų palaikymas, o ne vien automatizavimas, lemia didžiausią derliaus vertę. Ūkininkai gali integruoti informaciją į pasėlių valdymo strategijas, kad padidintų produktyvumą ir sumažintų poveikį aplinkai.
Jie taip pat atkreipia dėmesį į didėjantį bendradarbiavimą tarp pramonės lyderių, tokių kaip Caterpillar, CNH, John Deere ir Kubota, ir technologijų kompanijų, įskaitant Bosch, Google, Intel ir Microsoft. Tačiau autoriai teigia, kad iššūkiai išlieka ryšio patikimumo, jutiklių kainos ir keičiamo dydžio duomenų infrastruktūros srityse.
SmartAg už ūkio ribų
Technologinės pažangos, dėl kurios ūkininkavimas tampa efektyvesnis, pasekmės apima ne tik žemės ūkį. Daugelis tų pačių technologijų – nuotolinis aptikimas, belaidžiai jutiklių tinklai, AI analizė ir debesų platformos – palaiko transporto, energijos ir pramonės sistemas.
Konvergencija paaiškina didėjantį IEEE dalyvavimą. Šiuolaikinis žemės ūkis dabar sujungia elektroniką, ryšius, skaičiavimus ir valdymo sistemas.
Verboncoeur sako: „Iššūkis yra ne tik technologijų išradimas, bet ir tai, kad sistemos būtų praktiškos, prieinamos ir diegiamos“.
Kas laukia išmaniojo žemės ūkio?
Specialusis leidimas žymi ankstyvą IEEE Smart Agri-Food iniciatyvos, kuri planuoja kurti standartus, etapą; sukurti struktūrizuotus būdus, kaip ūkininkai, mokslininkai, vyriausybės ir žemės ūkio įmonės galėtų dirbti kartu; ir parengti išmaniųjų sistemų diegimo strategijas.
Tikėtina, kad būsimi tyrimai bus skirti platformų sąveikai, dalijimuisi duomenimis ir keičiamo dydžio diegimo modeliais. Tikimasi, kad skaitmeniniai dvyniai vaidins didesnį vaidmenį, nes didėja skaičiavimo galia ir jutiklių tankis. Žemės ūkio sistemų modeliavimas prieš taikant pokyčius lauke taps įprastas dalykas, prognozuoja ekspertai.
Tačiau priėmimas priklauso ne tik nuo techninių galimybių. Pagrindinė įtampa judant į priekį slypi tarp naujovių ir praktiškumo.
„Ūkininkai susiduria su iššūkiais pritaikydami tokią technologiją dėl kainos, elektros prieinamumo, ryšių infrastruktūros ir prijungtų įrenginių pažeidžiamumo“, – rašė Singhas ir Sannihitas.
Išmanusis žemės ūkis užtikrina didesnį efektyvumą, be to, sumažina vandens, trąšų sąnaudas ir laiką, kuris kitu atveju būtų sugaištas atliekant užduotis, kurias mašinos galėtų atlikti savarankiškai. Tačiau nauda svarbi tik tuo atveju, jei sistemos patikimai veikia įvairiose aplinkose – nuo pramoninių ūkių iki mažų, šeimai priklausančių operacijų maisto neužtikrintuose regionuose.
IEEE žemės ūkis dabar patenka į pagrindines inžinerijos sritis. Verboncoeur sako, kad statymai apima ne tik pačias technologijas.
Jis priduria, kad: „Maisto trūkumas turi įtakos stabilumui, sveikatai, švietimui ir ekonomikos vystymuisi. Inžinerija negali išspręsti visų pasaulio problemų, tačiau ji tikrai turi atlikti svarbų vaidmenį padedant pasauliui pasimaitinti.”
Iš jūsų svetainės straipsnių
Susiję straipsniai visame internete
Nuoroda į informacijos šaltinį