Инженерные решения играют решающую роль в повышении продовольственной безопасности.

По данным Всемирной продовольственной программы ООН, сегодня от голода страдают около 750 миллионов человек. А по прогнозам Всемирного института ресурсов, к 2050 году глобальный спрос на продовольствие, как ожидается, увеличится на 50 процентов по сравнению с уровнем 2010 года.

В специальном выпуске, посвященном интеллектуальному сельскому хозяйству, недавно опубликованном Инициативой IEEE по интеллектуальному агропродовольственному сектору, говорится, что для удовлетворения спроса потребуются технологии, позволяющие расширить производство продуктов питания. В отчете освещаются исследования, тематические исследования и новые способы применения технологий, призванные информировать фермеров, инженеров и политиков.

Инициативу возглавляет член IEEE Джон Вербонкур, председатель программы «умного питания» и профессор электротехники и вычислительной техники в Мичиганском государственном университете в Ист-Лансинге.

«Продовольственная безопасность становится проблемой системной инженерии», — говорит Вербонкур. «Речь идет уже не только о тракторах и ирригации. Мы говорим о взаимодействии датчиков, средств связи, вычислительных систем, автоматизации и принципов устойчивого развития».

Хотя Вербонкур не имел формального образования в области сельского хозяйства, его первое знакомство с интеллектуальным сельским хозяйством произошло во время учебы в Университете Флориды в 1985-86 годах, когда он помогал разрабатывать аэропонную систему SmartAg для НАСА для Международной космической станции. В ней использовался туман для опрыскивания корней растений и легкие пневматические конструкции для удержания растительности на месте.

Он также возглавлял исполнительный комитет инициативы SmartAg Мичиганского государственного университета с момента ее запуска в 2017 году. Он руководил междисциплинарными проектами программы по применению инженерных и цифровых технологий в сельском хозяйстве и продовольственных системах.

Вербонкур связывает переход к использованию инженерных решений в качестве множителя силы в сельском хозяйстве с уроками, извлеченными из программы IEEE Smart Village, которая поддерживает проекты и организации, обеспечивающие электроэнергией, а также образовательными и трудовыми возможностями отдаленные населенные пункты. Сельское хозяйство, утверждает он, требует такого же системного подхода.

«Задача состоит не только в изобретении технологий, — говорит он. — В том, чтобы сделать системы практичными, доступными и пригодными для внедрения».

От цифровых двойников до автономной уборки урожая

Одной из центральных тем отчета «Умные агропродовольственные системы» является сближение автоматизации, анализа данных и устойчивого развития.

В одной из статей, озаглавленной «Умное сельское хозяйство, точное земледелие, цифровые двойники в сельском хозяйстве: сходства и различия», рассматривается путаница в том, как исследователи и практики определяют и применяют эти технологии в сельском хозяйстве.

Статья была написана Диланом Онатом Алакушем, научным сотрудником кафедры разработки программного обеспечения Университета Кыркларели в Турции, и Ибрагимом Тюркоглу, профессором разработки программного обеспечения в Университете Фират в Элязыге, Турция.

Как утверждают два автора, нечеткая терминология может привести к неэффективным инвестициям и низкому уровню внедрения технологий. Они отмечают, что сельскохозяйственные методы, основанные на традиционных практиках и интуиции, не предполагают тщательного анализа их воздействия на окружающую среду и экономику.

Они описывают, как три технологии могут принести пользу фермерам:

• Интеллектуальные системы сельского хозяйства объединяют датчики, искусственный интеллект, робототехнику и аналитику для повышения эффективности и устойчивости в масштабах всего мира.

• Точное земледелие фокусируется на принятии решений с учетом специфики местности. Фермеры используют оборудование с GPS-навигацией для картирования полей, запускают дроны для мониторинга состояния посевов и устанавливают полевые датчики, отслеживающие влажность почвы и уровень питательных веществ в целевых зонах. Эти инструменты позволяют фермерам вносить воду, удобрения и пестициды только там, где это необходимо, что может сократить потери и уменьшить воздействие на окружающую среду.

• Цифровые двойники создают виртуальные копии сельскохозяйственных угодий. Полученные модели имитируют ферму, посевы и ирригационные системы, позволяя фермерам тестировать различные сценарии и прогнозировать результаты до внедрения изменений.

Авторы подчеркивают, что на практике эти категории частично совпадают. Цифровой двойник может получать данные из систем точного земледелия и передавать рекомендации платформам интеллектуального сельского хозяйства.

По их словам, более четкие различия помогают фермерам выбирать подходящие инструменты и избегать ненужной сложности и затрат.

«Это исследование способствовало внедрению осознанных методов ведения сельского хозяйства за счет дифференциации сельскохозяйственных технологий», — написали они, добавив, что более четкие определения могут повысить производительность.

«Умное земледелие» на практике

В докладе теория переходит к практике, и в статье описывается проект «Бустани», что в переводе с арабского означает «мой сад». Проект «Бустани» в Саудовской Аравии представляет собой автоматизированную гидропонную систему вертикального земледелия, разработанную исследователями из Университета принца Мохаммеда бин Фахда в Эль-Хобаре, Саудовская Аравия. Статья «Бустани: автоматизированное гидропонное решение для вертикального земледелия на основе микроконтроллера» была написана Хуссахом Алотаиби, инженером-программистом из Saudi Aramco, национальной нефтяной компании страны; Абулом Башаром, Видадом Карсу и Шехваром Ханом, исследователями из отдела компьютерной инженерии и информатики университета; и Салахудианом Тохме из лаборатории робототехники университета.

Система Бустаницы сочетает гидропонику с аэропоникой, при которой корни растений находятся в воздухе и получают питательные вещества через систему распыления. Вместе эти подходы позволяют выращивать культуры в компактных закрытых помещениях, используя гораздо меньше воды, чем при традиционных методах.

Данный метод объединяет датчики Интернета вещей, которые непрерывно отслеживают химический состав воды и состояние водохранилища.

Система выращивает урожай в контролируемых условиях закрытого помещения. Замкнутый контур обеспечивает рециркуляцию воды для уменьшения потерь. Датчики измеряют уровень pH, концентрацию питательных веществ и уровень воды. Arduino Mega обрабатывает данные с датчиков. NodeMCU ESP8266 — недорогая платформа IoT с открытым исходным кодом — обеспечивает связь по Wi-Fi и подключение к облаку.

Система передает данные через облачную платформу Google Firebase, которая выступает в качестве связующего звена в режиме реального времени между датчиками и системами управления.

Мобильное приложение позволяет пользователям удаленно отслеживать и контролировать систему. Оно отображает данные в режиме реального времени об освещенности, уровне питательных веществ и работе водяных насосов. Когда условия выходят за пределы оптимальных диапазонов, автоматические дозирующие насосы регулируют уровни по мере необходимости.

Инженерное дело не может решить все мировые проблемы. Но оно, безусловно, играет важную роль в обеспечении продовольственной безопасности мира». — Джон Вербонкур, председатель инициативы IEEE Smart Agri-Food.

Система работает по принципу обратной связи, собирая данные, передавая их в облако, анализируя условия и автоматически запуская необходимые корректировки.

Светодиоды имитируют солнечный свет. Ультразвуковые датчики измеряют уровень воды. Датчики электропроводности отслеживают концентрацию питательных веществ. Во время тестирования система поддерживала стабильные условия окружающей среды и динамически корректировала дозировку в зависимости от изменения показаний.

Авторы описывают результат как «полностью функциональную и автоматизированную вертикальную устойчивую ферму, создающую желаемые условия для выращивания, а также приложение для Android, обеспечивающее мониторинг и уведомления в режиме реального времени».

Помимо автоматизации, проект Bustani отражает более широкую тенденцию к слиянию сельского хозяйства с потребительскими технологиями и системами «умного дома». В планах на будущее – интеграция виртуального помощника Amazon Alexa и инструментов машинного обучения для обнаружения болезней растений и анализа их роста.

Робототехника и проблемы труда

В статье «К созданию эффективного робота для сбора томатов» рассматривается автономный сбор урожая — давняя проблема в сельскохозяйственной робототехнике. В полевых условиях томаты сильно различаются по размеру, форме и степени зрелости, и при обработке могут повреждаться. Авторами статьи являются старший член IEEE Хён Иль Сон — профессор биосистемной инженерии и робототехники в Чоннамском национальном университете в Кванджу, Южная Корея, — и его аспиранты Чонпё Джун, Чонгин Ким и Чжэхви Соль.

В статье описывается, как робототехника все чаще используется для обработки сельскохозяйственных культур, которые ранее считались слишком чувствительными или изменчивыми для автоматизации.

Исследователь объединил трехмерное машинное зрение, роботизированные манипуляторы, захваты на основе вакуума и вращающиеся режущие инструменты для создания уборочной машины, способной работать в неструктурированных условиях на открытом воздухе. Система призвана снизить зависимость от ручного труда, одновременно повышая эффективность и стабильность уборки урожая.

Сельское хозяйство как системная проблема

Вербонкур говорит, что события, описанные в документах, отражают масштабную трансформацию в том, как инженеры воспринимают сельскохозяйственную отрасль.

«Раньше сельское хозяйство рассматривалось в первую очередь как решение проблем, связанных с посадкой, поливом и удобрением растений, а также с использованием машин для снижения трудозатрат», — говорит он. «Теперь это также проблема данных, проблема связи, проблема энергетики и проблема устойчивости».

Еще одна представленная статья, «Устойчивое и интеллектуальное сельское хозяйство: целостный подход», рассматривает, как технологии могут помочь справиться с экологическими и демографическими проблемами. Статья написана Сурендером Сингхом и Саннихитом, исследователями из факультетов компьютерных наук и инженерии, а также гражданского строительства Чандигархского университета в Мохали, Индия.

Авторы утверждают, что фермеры должны увеличивать производство продуктов питания, одновременно сокращая ущерб окружающей среде, наносимый истощением водных ресурсов, чрезмерным применением удобрений, вырубкой лесов и выбросами парниковых газов. Они описывают «умное земледелие» как «революцию в производстве продуктов питания», которая может позволить фермерам получать более высокие урожаи из существующих ресурсов благодаря взаимосвязанным технологиям и системам обработки данных.

Авторы подчеркнули проблему стремительной урбанизации. По их данным, к 2050 году почти 70 процентов населения планеты будет жить в городах, что усилит давление на цепочки поставок и системы распределения продуктов питания.

По словам исследователей, беспроводные сенсорные сети сыграют центральную роль в этой трансформации. В сетях используются небольшие подключенные устройства для мониторинга влажности почвы, температуры, влажности воздуха, интенсивности света и состояния посевов. Система передает данные на облачные платформы, где модели машинного обучения анализируют тенденции и рекомендуют действия.

Авторы подчеркивают, что наибольшую ценность урожая представляет не только автоматизация, но и поддержка принятия решений. Фермеры могут интегрировать эту информацию в стратегии управления посевами для повышения производительности и одновременно снижения воздействия на окружающую среду.

Они также отмечают усиление сотрудничества между лидерами отрасли, такими как Caterpillar, CNH, John Deere и Kubota, и технологическими компаниями, включая Bosch, Google, Intel и Microsoft. Однако, по словам авторов, остаются проблемы, связанные с надежностью связи, стоимостью датчиков и масштабируемой инфраструктурой данных.

Разумное сельское хозяйство за пределами фермы

Последствия технологических достижений, повышающих эффективность сельского хозяйства, выходят за рамки самой отрасли. Многие из этих технологий — дистанционное зондирование, беспроводные сенсорные сети, аналитика на основе искусственного интеллекта и облачные платформы — используются в транспортной, энергетической и промышленной сферах.

Сближение объясняет растущее участие IEEE. Современное сельское хозяйство теперь объединяет электронику, связь, вычислительную технику и системы управления.

По словам Вербонкура, сельское хозяйство требует такой интеграции: «Задача состоит не только в изобретении технологий. Важно сделать системы практичными, доступными и пригодными для внедрения».

Что ждет интеллектуальное сельское хозяйство в будущем?

Этот специальный выпуск знаменует собой начало этапа инициативы IEEE Smart Agri-Food, в рамках которой планируется разработка стандартов; создание структурированных механизмов взаимодействия между фермерами, исследователями, правительствами и агробизнесом; а также разработка стратегий внедрения интеллектуальных систем.

В будущем исследования, вероятно, будут сосредоточены на обеспечении совместимости между платформами, обмене данными и масштабируемых моделях развертывания. Ожидается, что цифровые двойники будут играть более значительную роль по мере увеличения вычислительной мощности и плотности датчиков. Эксперты прогнозируют, что моделирование сельскохозяйственных систем до внесения изменений в поле станет обычным явлением.

Однако внедрение зависит не только от технических возможностей. Главное противоречие на пути к будущему заключается в балансе между инновациями и практичностью.

«Фермеры сталкиваются с трудностями при внедрении таких технологий из-за стоимости, доступности электроэнергии, коммуникационной инфраструктуры и уязвимости подключенных устройств», — написали Сингх и Саннихит.

«Умное» сельское хозяйство обеспечивает повышение эффективности, а также сокращает потребление воды, удобрений и времени, которое в противном случае было бы затрачено на задачи, которые машины могут выполнять автономно. Но эти преимущества имеют значение только в том случае, если системы надежно функционируют в различных условиях — от промышленных ферм до небольших семейных хозяйств в регионах с дефицитом продовольствия.

Для IEEE сельское хозяйство теперь входит в число основных инженерных дисциплин. По словам Вербонкура, ставки выходят за рамки самих технологий.

Он добавляет: «Продовольственная нестабильность влияет на стабильность, здоровье, образование и экономическое развитие. Инженерные науки не могут решить все мировые проблемы, но они, безусловно, играют важную роль в обеспечении продовольственной безопасности мира».