Prawidłowe zarządzanie działaniami agronomicznymi gospodarstwa wymaga trafnych decyzji, ograniczających ponoszone koszty przy optymalnej ich efektywności. Szczególnie trudne jest określenie optymalnego czasu wykonania zabiegów chroniących uprawy przed szkodnikami i chorobami, których pojaw jest trudny lub niemożliwy do obserwacji.
Pomocą służą systemy wspierania decyzji (ang. decision supporting systems) , wskazujące rolnikowi prawdopodobny czas i nasilenie ataku patogenów, umożliwiając przygotowanie i wykonanie zabiegów ochroniarskich w minimalnej liczbie, właściwymi środkami i z optymalnym skutkiem. Mogą także pomóc dostosować dawki nawozów mineralnych optymalizując nawożenie w każdym miejscu pola, a nie według wartości uśrednionych. Dzięki systemom wspierania decyzji możemy stosować dużo dokładniej i celowo zarówno działania uprawowe, jak i nawozowe i ochroniarskie.
Systemami wspomagania decyzji mogą być dynamiczne narzędzia programowe, których zalecenia różnią się w zależności od danych początkowych i mogą proponować optymalną ścieżkę decyzyjną. Systemy wspomagania to nie tylko narzędzia oparte o różnego rodzaju systemy komputerowe, to także wiele innych źródeł informacji, które mogą być wykorzystane do procesów decyzyjnych. Dla rolników narzędzia programowe mogą ułatwić efektywne zarządzanie gospodarstwem poprzez rejestrację danych, ich analizę i tworzenie zaleceń. Są także nie dynamiczne narzędzia wspomagania decyzji, działające jako źródła informacji. Systemy wspomagania decyzji mogą być w pełni skomputeryzowane lub też wspomagane przez ludzi, albo być kombinacją obu metod prowadzenia.
Narzędzia do wspomagania decyzji mogą być:
- oparte na pełnym oprogramowaniu działającym on-line lub off-line,
- oparte na różnych aplikacjach elektronicznych,
- w formie narzędzi lub wskazówek drukowanych,
- w formie aktualności w mediach (radio/tv),
- w formie kalkulatorów on-line,
- w formie konsultacji z doradcą.
Cyfrowe rolnictwo. Koncepcja. Technologie. Kierunki rozwoju.
Od mechanizacji do cyfryzacji
Cywilizacja ludzka w wyniku wynalazków i powstałych na ich bazie technologii ulega ciągłym przeobrażeniom zarówno w aspekcie technologicznym, ale także gospodarczym i społecznym. Nowe technologie zmieniają obraz różnych sektorów gospodarki w tym przemysłu jak również i rolnictwa. Skonstruowanie pierwszej maszyny parowej pozwoliło zastąpić pracę ludzi i zwierząt nowym rodzajem napędu, który zaoferował wzrost wydajności maszyn stacjonarnych, ale również stało się przyczynkiem do powstania maszyn mobilnych dysponujących własnym źródłem energetycznym jak np. lokomotywy czy lokomobile. Zastosowanie pojazdów z napędem na parę w gospodarstwach rolnych zapoczątkowało proces mechanizacji rolnictwa. Pojawienie się pierwszego ciągnika rolniczego wyposażonego w silnik spalinowy, który okazał się bardziej efektywny niż maszyna z napędem parowym tym bardziej przyspieszyło przemiany technologiczne w rolnictwie.
Krokiem milowym w rozwoju wielu sektorów gospodarki, a szczególnie przemysłu jak również i rolnictwa okazała się cyfrowa rewolucja zapoczątkowana w drugiej połowie XX wieku rozpowszechnieniem się komputerów cyfrowych wyposażonych w tranzystory i cyfrowego przechowywania danych. Dzięki tym rozwiązaniom powstały zaawansowane systemy informatyczne umożliwiające automatyczne przetwarzanie danych oraz obliczeń matematycznych dotychczas wykonywanych przez człowieka.
Z cyfrową rewolucją wiążą się takie terminy jak cyfryzacja i digitalizacja. Digitalizacja rozumiana jest jako proces przekształcania informacji z formy analogowej na cyfrową. Z jednej strony oznacza ona konwersję danych z tradycyjnych postaci jak np. papierowe dokumenty oraz zdjęcia i analogowe nagrania na formę cyfrową. Z drugiej zaś strony to ogromna zmiana w sposobie zarządzania i przetwarzania informacji. Digitalizacja otwiera nowe możliwości w zakresie przechowania, analizy i udostępniania danych.
Cyfryzacja definiowana jest jako proces wprowadzania technologii cyfrowych w działalność firm i innych organizacji, jak również do środowisk, w których funkcjonuje społeczeństwo. Adaptacja nowoczesnych technologii cyfrowych ma na celu poprawę efektywności i wzrost wydajności procesów produkcyjnych i biznesowych. W efekcie końcowym cyfryzacja ma wspomóc firmy w uzyskaniu zysków z działalności z jednoczesnym spełnieniem regulacji dotyczących środowiska naturalnego.
Cyfrowa transformacja przedsiębiorstw w obecnych czasach staje się nie tylko koniecznością wymuszoną przemianami gospodarczymi, społecznymi czy też zmianami klimatycznymi, ale również jest szansą dla przedsiębiorstw i innych organizacji, które chcą się rozwijać i utrzymać konkurencyjną pozycję na rynku. Cyfrowe narzędzia i technologie mają na celu wsparcie przedsiębiorców w działaniach na rzecz redukcji kosztów produkcji, zapewnienia jakości wyrobów, poprawę warunków pracy oraz zmniejszenia negatywnego oddziaływania firm na środowisko naturalne.
Cyfryzacja zmienia sposób w jakim zarządzane są przedsiębiorstwa. Cyfrowe technologie umożliwiają automatyzację i optymalizację procesów produkcyjnych dzięki czemu przedsiębiorstwa mogą bardziej dopasować się do potrzeb konsumentów.
Cyfrowa transformacja przedsiębiorstw najbardziej widoczna jest w branży przemysłowej, a szczególnie w sektorze motoryzacyjnym. Cyfrowe przemiany mają również miejsce w rolnictwie, w ich wyniku mechanizacja produkcji w gospodarstwach i przedsiębiorstwach rolnych wchodzi na wyższy poziom zaawansowania technologicznego. W ten sposób dotychczasowe rolnictwo staje się rolnictwem cyfrowym zorientowanym na zrównoważony rozwój gospodarki.
Cyfrowe rolnictwo jest też odpowiedzią na wyzwania jakie generuje rozwój cywilizacyjny i zmiany klimatyczne. Wzrost ludności, a tym samym wzrost popytu na żywność generuje potrzebę zwiększenia produkcji rolnej, jednakże ze względu na zmiany klimatyczne i ich skutki dla przyrody i gospodarki musi to nastąpić wraz z odejściem od nadmiernej chemizacji i intensyfikacji produkcji, które mają negatywny wpływ na środowisko naturalne.
Czym jest rolnictwo cyfrowe?
Rolnictwo Cyfrowe (ang. Digital Farming) jest koncepcją produkcji rolnej umożliwiającą zwiększenie wydajności pracy, uzyskanie wyższych plonów o wysokiej jakości oraz maksymalizację zysków poprzez redukcję kosztów wytwarzania, jak również spełnienie wymogów określonych regulacjami prawnymi związanymi z poszanowaniem środowiska naturalnego, z wykorzystaniem najnowszym technologii w tym narzędzi cyfrowych.
Pod pojęciem rolnictwa cyfrowego należy rozumieć przede wszystkim szeroko pojęte gromadzenie różnego rodzaju danych dotyczących procesów produkcyjnych, jak i funkcjonowania samego gospodarstwa. Bogate zasoby danych stanowią podstawę podejmowanych w gospodarstwach decyzji produkcyjnych oraz biznesowych.
W cyfrowych gospodarstwach jest podobnie zarówno ludzie jak i maszyny, rośliny i zwierzęta współdzielą ze sobą (w czasie rzeczywistym) informacje o wszystkich etapach procesów produkcyjnych. Generowane w czasie rzeczywistym dane zwiększają wydajność, produktywność, bezpieczeństwo pracy, dobrostan zwierząt oraz jakość wyrobów.
Cyfrowe rolnictwo to również możliwość kontrolowania procesów zachodzących w gospodarstwie zarówno z poziomu komputerów, jak i urządzeń mobilnych (smartfon, tablet). Dzięki urządzeniom mobilnym rolnicy mają dostęp do danych dotyczących produkcji znajdując się również poza gospodarstwem.
Rolnictwo cyfrowe to również automatyzacja maszyn i urządzeń z jednoczesnym zaangażowaniem najnowszych osiągnięć technologicznych z dziedziny telekomunikacji, sztucznej inteligencji i rozwiązań chmurowych.
Digital Farming wykorzystuje rozwiązania rolnictwa precyzyjnego, ale dodatkowo korzysta również z inteligentnych sieci transferu danych i narzędzi do zarządzania danymi.
Z pojęciem rolnictwa cyfrowego wiąże się termin rolnictwa inteligentnego (z ang. smart farming) w którym zastosowane technologie umożliwiają autonomiczne analizowanie i przetwarzanie danych oraz podejmowanie decyzji w procesach produkcyjnych bez angażowania człowieka. W koncepcji inteligentnego rolnictwa rolnicy wspierani są przez cyfrowych (wirtualnych) asystentów, którzy wykonują zakres prac dotychczas wykonywanych przez człowieka. W inteligentnym rolnictwie ma również miejsce komunikacja pomiędzy maszynami i urządzeniami.
W zaawansowanej formie cyfrowego jak i inteligentnego rolnictwa wszelakie obiekty w tym budynki inwentarskie, szklarnie, uprawy, maszyny i procesy produkcyjne są reprezentowane wirtualnie w czasie rzeczywistym w postaci cyfrowych bliźniaków. Ważną kwestią w koncepcji inteligentnych gospodarstw jest bieżąca wymiana danych pomiędzy rzeczywistymi obiektami, a ich cyfrowym odzwierciedleniem.
Rolnictwo cyfrowe jest częścią szerszej koncepcji określonej mianem Rolnictwa 4.0, które oprócz cyfryzacji obejmuje również zaawansowaną automatyzację procesów wytwarzania oraz robotyzację. Rolnictwo 4.0 strukturalnie jest zbliżone do koncepcji Przemysłu 4.0. jednakże różnica pomiędzy Rolnictwem 4.0, a Przemysłem 4.0 polega na tym, że produkcja rolna ma charakter biologiczny w dużej mierze powiązany z warunkami pogodowymi.
Jakie korzyści niesie za sobą cyfryzacja w gospodarstwach rolnych?
Cyfryzacja w rolnictwie to nie tylko trend, ale przede wszystkim to zestaw narzędzi, które w znacznym stopniu mogą poprawić efektywność produkcji, jak również zwiększyć konkurencyjność gospodarstw rolnych. Cyfrowe narzędzia mogą pomóc w realizacji celów zrównoważonego rozwoju w produkcji rolniczej.
Podstawową korzyścią jaką oferują cyfrowe rozwiązania jest monitoring procesów produkcyjnych w czasie bieżącym. Za pomocą urządzeń pomiarowych i narzędzi analitycznych rolnik uzyskuje na bieżąco dane na temat tego co dzieję się na polu, w budynku inwentarskim, szklarni czy farmie wertykalnej, jak również może monitorować zachowanie zwierząt oraz ich stan zdrowotny. Dane dostarczane na bieżąco pozwalają szybko wykrywać problemy w uprawie lub hodowli, co pozwala szybko je eliminować.
Monitoring warunków pogodowych i glebowych na polach za pomocą cyfrowych narzędzi pozwala wyznaczyć odpowiednie terminy zabiegów agrotechnicznych (co ma szczególne znaczenie w przypadku ochrony chemicznej), ocenić potrzeby roślin w zakresie nawadniania upraw, określić ryzyko występowania chorób roślin oraz szkodników. Przekłada się to z jednej strony na oszczędności w zużyciu nawozów, pestycydów oraz wody, z drugiej zaś przyczynia się do wzrostu plonów.
Cyfrowe narzędzia w szklarni czy farmie wertykalnej umożliwiają kontrolę mikroklimatu w tych obiektach oraz dopasowanie parametrów mikroklimatu do potrzeb roślin również w trybie automatycznym. W tychże obiektach podobnie jak w budynkach inwentarskich cyfrowe narzędzia umożliwiają również monitorowanie zużycia energii i innych mediów, co przekłada się na oszczędności w ich wykorzystaniu.
Monitoring zwierząt za pomocą cyfrowych narzędzi pozwala kontrolować ich zachowanie (np. wykrywanie rui), również to związane jest z warunkami mikroklimatycznymi panującymi w budynkach inwentarskich. Za pomocą cyfrowych rozwiązań możliwe jest monitorowanie spożycia wody i paszy przez poszczególne zwierzęta, co z jednej strony pozwala oceniać zużycie wody i pasz w gospodarstwie z drugiej zaś wykrywać anomalie np. wywołane stanem chorobowym zwierząt.
Duża ilość danych, zebranych i przeanalizowanych dzięki cyfrowym narzędziom dostarcza informacji np. związanych z nadmiernym zużywaniem energii, mediów i środków do produkcji bądź z nieefektywnym wykorzystaniem parku maszynowego. Dysponując wiedzą w których obszarach działalności gospodarstwa zużycie mediów czy środków produkcji jest największe, działania na rzecz oszczędności w tychże obszarach mogą przynieść najwięcej korzyści. To samo dotyczy nieefektywnego wykorzystania parku maszynowego. Znając przyczyny tego stanu można je wyeliminować, poprawiając wykorzystanie ciągników i maszyn, a tym samym obniżając koszty mechanizacji w gospodarstwie.
Rolnictwo cyfrowe poprzez wyeliminowanie papierowych formularzy i gromadzenie danych w postaci papierowych dokumentów umożliwia efektywne zarządzanie danymi. Mając historyczne dane w postaci cyfrowej, odpowiednie algorytmy mogą je analizować i wyszukiwać między nimi korelacji i wysuwać przydatne wnioski, co jest trudne czy wręcz niemożliwe w przypadku dokumentacji papierowej.
Informacje pozyskane za pomocą rozwiązań cyfrowych zastosowanych w gospodarstwie mogą być wykorzystane na potrzeby systemów umożliwiających identyfikowalność produktów w łańcuchu dostaw do klientów końcowych. Za pomocą tych systemów konsumenci będą wiedzieli skąd pochodzi produkt żywnościowy (z jakiego gospodarstwa), czy wytworzono go w gospodarstwie realizującym produkcję w systemie ekologicznym lub zrównoważonym, jaki i czy posiada ono odpowiedni certyfikat.
Cyfrowe technologie dla rolnictwa
Rolnictwo chcąc sprostać szeregowi wyzwań związanym z przemianami gospodarczymi i zmianami klimatycznymi potrzebuje odpowiednich praktyk rolniczych i cyfrowych narzędzi. Co ciekawe, wiele cyfrowych rozwiązań znalazło zastosowanie w branży przemysłowej, a jak się okazuje, po odpowiedniej adaptacji można je wdrożyć również do produkcji rolnej, co zresztą już ma miejsce.
Z jakich cyfrowych rozwiązań cyfrowych mogą skorzystać rolnicy? O tym piszemy poniżej.
Internet Rzeczy (IoT- Internet of Things)
Internet Rzeczy to bardzo szeroka sieć różnego rodzaju urządzeń i oprogramowań, które mogą się ze sobą komunikować. W sieć Internetu Rzeczy wchodzą różnego rodzaju czujniki, sterowniki maszyn, chmury obliczeniowe a także komputery i urządzenia mobilne (smartfon, tablet). Za pośrednictwem Internetu Rzeczy możliwe jest pozyskiwanie różnego rodzaju danych z maszyn, urządzeń, instalacji, budowli, zwierząt a nawet i ludzi i ich transfer do miejsc (centrum danych, chmura obliczeniowa) w których owe dane będą przechowywane i poddawane obróbce i analizie a także dostępne dla upoważnionych użytkowników.
W IoT możliwa jest również dwukierunkowa wymiana danych czyli inaczej mówiąc oprócz pozyskiwania danych z różnych źródeł można je również wysyłać do maszyn i urządzeń wyposażonych w sterowniki lub/i komputery pokładowe. Mogą to być sygnały sterujące umożliwiające uruchamianie/wyłączanie maszyn czy całych instalacji jak również wytyczne w postaci zadań do wykonania przez operatora maszyny i samą maszynę.
W branży przemysłowej takimi zadaniami mogą dokumentacje techniczne danego detalu, który operator maszyny ma wykonać. Mogą być one dostarczone za pośrednictwem Internetu do komputera maszyny.
W przypadku rolnictwa do takich zadań można zaliczyć mapy aplikacji nawozów, nasion i pestycydów przesyłane na terminal znajdujący się w ciągniku lub maszynie.
Podłączone do Internetu czujniki umożliwiają zbierane danych w czasie rzeczywistym z każdego obszaru gospodarstwa zarówno z pola, szklarni czy budynku inwentarskiego. Czujniki podłączone do Internetu Rzeczy mogą zbierać dane na temat aktualnych warunków pogodowych panujących nad danym polem i uprawą, dotyczące warunków glebowych (m.in. wilgotność, temperatura gleby), warunków mikroklimatycznych panujących w szklarniach i budynkach inwentarskich. Na podstawie tych danych rolnicy mogą monitorować przebieg procesów produkcyjnych oraz podejmować decyzje dotyczące produkcji oparte na danych. Co wchodzi w skład rolniczego Internetu Rzeczy? Przede wszystkim są to czujniki mierzące różne parametry w różnych obszarach gospodarstwa rolnego. Najbardziej popularne to stacje pogodowe czyli inaczej mówiąc zestawy czujników mierzących temperaturę i wilgotność powietrza, siłę i kierunek i wiatru, wielkość opadów i szereg innych parametrów.
Stacje pogodowe to także systemy informatyczne w których ma miejsce obróbka danych z tych urządzeń. Systemy te na podstawie zebranych danych generują prognozy pogody oraz określają tzw. „okna pogodowe” czyli okresy (dni i godziny) w których można wykonać zabiegi agrotechniczne np. opryskiwanie pestycydem.
Stacje pogodowe mogą być uzupełnione o systemy wizyjne, które umożliwiają obserwowanie upraw łącznie z oceną ich rozwoju i kondycji (np. występowania chorób i szkodników).
Inne urządzenia Internetu Rzeczy to czujniki umieszczone w glebie mierzące takie parametry jak temperatura i wilgotność gleby, jej przewodność elektromagnetyczna i pH. Dzięki nim na bieżąco można monitorować to co dzieje się w glebie a co ma istotne znaczenie szczególnie w przypadku wykonywania niektórych zabiegów agrotechnicznych takich jak np. siew czy nawożenie mineralne.
Czujniki glebowe odgrywają istotne znaczenie w inteligentnych systemach nawadniania. Na potrzeby deszczowania plantacji czujniki dokonują pomiaru wilgotności gleby na kilku głębokościach. Mogą być one zintegrowane z deszczomierzem co pozwala bardziej efektywnie określić zapotrzebowanie roślin na wodę i dopasować czas nawadniania jak i dawki wody.
Tego typu rozwiązania umożliwiają oszczędność, która w pewnych obszarach kraju może być towarem deficytowym.
Niektóre z czujników glebowych mogą jednocześnie mierzyć ilość składników odżywczych co dostarcza dodatkowych informacji o glebie.
Poprzez Internet mogą być transferowane dane z czujników glebowych wykorzystujące promieniowanie gamma. Czujniki te umieszczone na ciągniku w czasie bieżącym dokonują oceny tekstury gleby i zawartości składników mineralnych i wody w glebie. Dane poprzez magistrale ISOBUS są przekazywane do terminala w ciągniku w którym do wyniku pomiarów dopisuje się pozycję GPS. Tak zgeomapowane dane poprzez sieć IoT wysyłane są do chmury obliczeniowej.
Tego typu dane dostarczają wiedzy dotyczącej gleby, która później może być wykorzystana do planowania nawożenia i innych zabiegów agrotechnicznych.
Internet Rzeczy nie ogranicza się jedynie do produkcji roślinnej. Czujniki IoT znajdują coraz szersze zastosowanie w produkcji zwierzęcej. Urządzenia pomiarowe montowane w budynkach inwentarskich mierzące temperaturę i wilgotność powietrza, zawartość w powietrzu CO2 i amoniaku oraz siłę wiatru pozwalają na bieżąco monitorować warunki bytowania zwierząt. Tego typu dane są niezbędne do zapewnienia dobrostanu zwierząt.
Na popularności zyskują czujniki mierzące aktywność zwierzęcia montowane na szyi, uchu lub kończynie. Dzięki nim możliwe jest wykrywanie rui u krów jak również problemów zdrowotnych u tych i innych zwierząt.
Coraz bardziej powszechne w produkcji zwierzęcej stają się tagi RFID (tzw. chipy) umożliwiające identyfikację zwierząt. Podłączone do Internetu Rzeczy bramki odczytujące tagi RFID dostarczają danych na podstawie których można oceniać przemieszczanie się zwierząt jak i ich zachowanie. Dzięki chipom możliwe jest sterowanie przemieszczaniom się zwierząt np. niedopuszczeniem do robota udojowego krowy z wykrytym stanem zapalnym wymienia.
Do Internetu Rzeczy podłączone mogą być umieszczone na zwierzętach biosensory mierzące parametry zdrowotne jak np. temperatura ciała, ciśnienie krwi, puls itp. Umożliwiają one wczesne wykrywanie stanów chorobowych u zwierząt.
Internet Rzeczy to nie tylko urządzenia pomiarowe umieszczone w gospodarstwie ale również możliwość łączenia się z agronomami, instytucjami administracji rządowej jak również producentami i dystrybutorami sprzętu rolniczego.
Dzięki IoT agronom może ograniczyć inspekcje w gospodarstwie korzystając z danych jakie dostarczają czujniki pomiarowe.
Za pośrednictwem Internetu rolnicy mogą składać wnioski i raporty do instytucji rządowych bez potrzeby składania dokumentacji papierowej.
Internet Rzeczy to również możliwość uzyskania zdalnego wsparcia technicznego ze strony producentów maszyn czy służb serwisowych ich dealerów. Serwisant łącząc się poprzez Internet z terminalem maszyny może dokonać nastaw w tym urządzeniu i usunąć potencjalne błędy. Za pomocą podłączonych do Internetu okularów rzeczywistości rozszerzonej lub wspomaganej (będzie o nich mowa poniżej w tekście) pracownik serwisu może zdalnie wspomóc operatora maszyny w usunięciu awarii. Ogranicza to do minimum konieczność przyjazdu służb serwisowych do gospodarstwa co przekłada się na oszczędnościach czasu i finansów.
Do sieci IoT podłączone mogą być również ciągniki, maszyny rolnicze oraz inne urządzenia. Zamontowane na nich czujniki mogą mierzyć ich parametry pracy oraz stan techniczny. Do jeszcze innych rozwiązań należą montowane w siewnikach czujniki temperatury powierzchniowej gleby w rowie w którym mają być umieszczone nasiona. Dzięki temu układ sterujący naciskiem redlic w siewniku może automatycznie dobrać głębokość siewu do temperatury gleby zapewniając tym samym odpowiednie warunki do kiełkowania roślin. Pozyskane z czujników dane są przekazywane do terminala z którego potem owe dane mogą być przetransferowane do programu do zarządzania gospodarstwem.
Chmury obliczeniowe i przetwarzanie danych
Chmury obliczeniowe (ang. cloud computing) to zarówno rozwiązania techniczne jak i rodzaj usługi umożliwiające przechowywanie oraz przetwarzanie ogromnych ilości danych pozyskiwanych z różnych źródeł w tym czujników IoT oraz szybkie ich udostępnianie. Chmury obliczeniowe stanowią doskonałe narzędzie zarówno dla dużych, jak i małych przedsiębiorstw. Dzięki temu nie muszą one budować zaawanasowanej infrastruktury IT i inwestować środków na jej utrzymanie i obsługę. Tym zajmują się organizacje będące właścicielami chmury.
Chmura obliczeniowa to nie tylko przestrzeń na serwerze, ale również usługi, które można wykorzystać do stworzenia strony internetowej czy systemu informatycznego. Dzięki temu firmy nie muszą dokonywać zakupu oprogramowania i instalować go na komputerach. Mogą one korzystać z systemów informatycznych dostępnych w chmurze.
Dostęp do chmury ma miejsce za pośrednictwem Internetu i urządzeń obsługujących przeglądarkę internetową. Zapewnia to dostęp do systemów informatycznych i danych również poza przedsiębiorstwem. Potrzebny jest jedynie dostęp do Internetu.
Jakie korzyści oferuje chmura obliczeniowa dla rolnictwa? Przede wszystkim w chmurach obliczeniowych gromadzone są dane pozyskiwane z czujników IoT i serwisów informacyjnych jak również dane wprowadzane przez rolnika w postaci plików tekstowych, zdjęć i materiałów video. Tych danych systematycznie przybywa stąd potrzeba znacznych zasobów dyskowych by je przechowywać. Takie „pomieszczenia” na dane oferują chmury obliczeniowe.
Coraz częściej w chmurze obliczeniowej umieszczane są systemy informatyczne dedykowane dla rolnictwa w postaci programów do zarządzania całym gospodarstwem lub określonym jego działem. W programach tych ma miejsce „szufaldkowanie” danych pozyskanych ze wspomnianych wcześniej źródeł do poszczególnych modułów w których ma miejsce ich zestawienie i analiza.
Systemy informatyczne dla rolnictwa
Do jednych z najważniejszych cyfrowych narzędzi, które w sposób bardzo istotny wspierają rolników są systemy informatyczne. Systemy te pojawiły się stosunkowo dawno a ich rozwój nastąpił wraz ze skonstruowaniem komputerów. Znalazły one szerokie zastosowanie w branży przemysłowej i sukcesywnie wkraczają do rolnictwa. Do najpopularniejszych systemów zalicza się: SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition), MES (Manufacturing Execution System) oraz ERP (ang. Enterprise Resource Planning).
SCADA to system informatyczny nadzorujący przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego. Dzięki tym systemom użytkownik ma podgląd na parametry pracy maszyn i urządzeń jak również może nimi zdalnie zmieniać.
Najprostszym przykładem SCADA jest deska rozdzielacza w ciągniku lub innej maszynie samobieżnej za pośrednictwem której operator jest informowany o parametrach jak i prawidłowości jej pracy maszyny. Za pomocą systemów SCADA można monitorować pracę wszelakich urządzeń i instalacji pracujących w szklarniach czy w budynkach inwentarskich jak również nimi sterować. Systemy SCADA umożliwiają również monitoring jak i sterowanie deszczowniami.
Do SCADA zaliczyć można również systemy telematyczne zbierające dane z maszyn i urządzeń dzięki którym zarządzający parkiem maszynowym zna lokalizację poszczególnych maszyn oraz ich parametry jak np. obroty silnika, zużycie paliwa, poziom paliwa z zbiorniku.
MES (Manufacturing Execution System) to system do zarządzania i kontrolowania obszaru produkcji, który ciągle monitoruje wydajność procesu wytwórczego. Ważnym elementem MES jest zbieranie oraz przetwarzanie danych ze stanowisk produkcyjnych (maszyn produkcyjnych) w czasie rzeczywistym na podstawie których określa się stopień realizacji planu produkcyjnego, wydajność poszczególnych maszyn i oblicza zużycie energii i środków do produkcji oraz ilość odpadów.
System ERP to oprogramowanie do kompleksowego zarządzania przedsiębiorstwem obsługujące dział księgowości, finansów, kadr, obsługi klienta itp.
Systemy ERP i MES dostępne są również w wersji dla rolnictwa w postaci najczęściej platform do zarządzania gospodarstwem umieszczonych w chmurze obliczeniowej i dostępnych za pośrednictwem Internetu. Platformy te umożliwiają przede wszystkim rejestrację wszelakich czynności wykonywanych w gospodarstwie np. zabiegów agrotechnicznych wraz z odnotowaniem rodzaju środka do produkcji (nawozy, nasiona, pestycydy itp.), wielkością zużycia i uzasadnieniem. Na podstawie tych danych generowane są raporty zarówno na potrzeby rolnika jak i instytucji administracji państwowej.
Systemy ERP i MES można integrować z systemami SCADA. W przypadku rolnictwa może to integracja programów do zarządzania z systemami telematycznymi i czujnikami IoT oraz serwisami oferującymi zdjęcia satelitarne.
Podstawową korzyść jaką oferują platformy do zarządzania gospodarstwem to obliczenia kosztów produkcji i zysków ze sprzedaży produktów z poszczególnych roślin z każdego pola jak i produktów zwierzęcych. Dzięki temu rolnik zna nie tylko bieżące koszty produkcji ale również ich strukturę. Jest to cenna informacja umożliwiająca rolnikowi identyfikację obszarów produkcji, które w największym stopniu wpływają na koszty wytwarzania.
Analiza kosztów produkcji pozwala stwierdzić czy opłaca się uprawiać w gospodarstwie dane rośliny i na jakich polach ich uprawa jest najbardziej opłacalna. To samo dotyczy produkcji zwierzęcej. Analiza kosztów w tym dziale produkcji daje podstawy do poszukiwania oszczędności.
Programy do zarządzania gospodarstwem mogą zwierać różnorodne moduły. Mogą to być aplikacje do przygotowania map zmiennego dawkowania nawozów, nasion czy pestycydów w systemie rolnictwa precyzyjnego czy też trajektorii poruszania się agregatów maszynowych na podstawie sygnału satelitarnego, które potem będą wgrywane na terminale ciągników i maszyn.
Drony i satelity
Bezzałogowe statki powietrzne (ang. Unmanned Aerial Vehicle – UAV) zwane dronami oraz krążące wokół Ziemi satelity to urządzenia dostarczające cennych informacji na potrzeby cyfrowego rolnictwa.
Fotografie uzyskane z powietrza czy z kosmosu pozwalają przeprowadzić monitoring upraw w zakresie ich kondycji. Na podstawie obrazowania z drona lub satelity pozyskiwane są mapy na których zaznaczony jest m.in. Indeks Roślinności Średniej Różnicy Normalnej (NDVI) czyli wskaźnik, który na podstawie analizy widma elektromagnetycznego wskazuje stan zdrowia roślin na określonej powierzchni.
Jest co cenna informacja pozwalająca na ocenić rozwój upraw i wskazująca na obszary na polu wymagające interwencji rolnika. Dzięki temu rolnik ma możliwości uratowania upraw przed zagrożeniami co prowadzi do zwyżki plonów.
Mapowanie pola z wykorzystaniem wskaźników wegetacji jest wykorzystywane na potrzeby zmiennego dawkowania nawozów mineralnych, nasion oraz pestycydów w systemie Rolnictwa Precyzyjnego. Technologia zmiennego dawkowania umożliwia redukcję zużycia nasion, nawozów i pestycydów a tym samym wydatki na ich zakup. W przypadku redukcji zużycia nawozów i pestycydów dochodzą jeszcze aspekty środowiskowe.
Drony w rolnictwie wykorzystywane są również do oceny szkód wyrządzonych przez zjawiska atmosferyczne i dziką zwierzynę.
Najnowszym trendem w zastosowaniu dronów jest oprysk lokalny. W tej koncepcji nie ma potrzeby opryskiwania całej powierzchni pola a jedynie obszarów wymagających interwencji. Te obszary mogą być identyfikowane za pomocą dronów lub satelitów.
Robotyka w rolnictwie
Roboty przemysłowe, współpracujące i mobilne znajdują coraz szersze zastosowanie w przemyśle. Rozwiązania te wkraczają również do rolnictwa. Początki robotyki w rolnictwie to roboty udojowe, które zyskują na popularności również w polskim rolnictwie.
W ostatnich latach ma miejsce znaczny wzrost liczby mobilnych robotów dedykowanych dla gospodarstw rolnych. W grupie tej dominują roboty przeznaczone do pielenia upraw, siewu punktowego i lokalnego oprysku. Dostępne są również roboty pełniące rolę autonomicznych ciągników rolniczych z którymi można agregować różnego rodzaju sprzęt rolniczy.
Mobilne roboty rolnicze powstają nie tylko w ramach start-upów. Produkcją autonomicznych robotów zainteresowały się również czołowi producenci rolni, którzy testują zaprojektowane w swoich biurach projektowych prototypy tych maszyn.
W ramach start-upów powstają również roboty dedykowane dla gospodarstw sadowniczych i zajmujących się produkcją warzyw.
Rozwiązaniem pochodzącym z przemysłu a które można spotkać w rolnictwie są automatyczne wozy paszowe, które zadają określone ilości paszy danym grupom zwierząt. Automatyczne roboty w przeciwieństwie do maszyn autonomicznych nie mogą zmieniać zaplanowanej trasy ani omijać przeszkód.
Roboty w rolnictwie są odpowiedzią na niedobór siły roboczej z jakim boryka się sektor rolny. Z drugiej strony mają na celu odciążyć rolnika od różnego rodzaju prac dzięki czemu może on zająć się innymi czynnościami.
Niewątpliwie robotyka w sektorze rolnym będzie prężnie się rozwijać. W przyszłości na stan obecny trudnej do określenia zastosowanie w gospodarstwach rolnych znajdą roboty humanoidalne. Z pewnością okażą się one bardzo przydatne jako pracownicy dla rolników.
Sztuczna inteligencja w rolnictwie
Sztuczna inteligencja (ang. Artificial Intelligence – AI) zdobywa szerokie zastosowanie w różnych sektorach gospodarki. Okazuje się ona również przydatna w rolnictwie. Jednym z obszarów zastosowania AI jest agregowanie i analiza dużych ilości danych pochodzących z różnych źródeł. Stąd też algorytmy AI stają się dostępne w programach do zarządzania gospodarstwem rolnym.
Algorytmy AI okazują się przydatne w analizie danych pogodowych, zdjęć satelitarnych i innych danych wejściowych umożliwiając korelacje owych danych z uzyskanym plonem danej rośliny na danym polu. Takie korelacje mogą okazać się przydatne w celu doboru stanowiska do danej uprawy.
Sztuczna inteligencja w połączeniu z systemami wizyjnymi umożliwia indywidualne monitorowanie aktywności każdego ze zwierząt na różnych etapach ich wzrostu. Analizując bardzo duże zasoby danych algorytmy AI mogą wykrywać anomalie w zachowaniu zwierząt oraz stany chorobowe i wskazywać na osobniki, które trzeba poddać badaniom.
Algorytmy AI znajdują zastosowanie w systemach wizyjnych, które umożliwiają rozpoznawanie chwastów. Takie systemy są na wyposażeniu opryskiwaczy w których możliwy jest oprysk lokalny czyli aplikacja pestycydów jedynie tam gdzie występuje zagrożenie. Takie rozwiązanie umożliwia znaczną redukcję pestycydów co ma znaczenie zarówno ekonomiczne jak i środowiskowe.
Cyfrowy Bliźniak w rolnictwie
Cyfrowy bliźniak (digital twin) odnosi się do cyfrowej repliki fizycznych obiektów, procesów i systemów. Odwzorowany w cyfrowym bliźniaku wirtualny obiekt ma te same właściwości co jego rzeczywisty odpowiednik z racji tego że jest non stop zasilany danymi.
Technologia cyfrowego bliźniaka oferuje możliwości symulacji np. zachowania się obiektu w określonej przyszłości. W ten sposób można stwierdzić jakie elementy mogą się zużyć po przepracowaniu określonego czasu jak również określić co może się zepsuć. Pozwala to wcześniej zaplanować przegląd oraz prewencyjne działania naprawcze a tym samym uniknąć awarii.
Technologia Cyfrowego Bliźniaka oferuje również projektowanie w cyfrowej przestrzeni linii produkcyjnych czy nawet całych fabryk i testowanie projektów zanim będą one realizowane w rzeczywistości. Takie rozwiązania stosowane są w branży przemysłowej.
Jak na razie cyfrowe bliźniaki dla rolnictwa dopiero powstają niemniej oferują one szereg korzyści. Cyfrowe odzwierciedlenie może dotyczyć uprawy, maszyny a nawet i zwierzęcia.
Jaką korzyść może oferować cyfrowy bliźniak uprawy? Wyobraźmy sobie cyfrową wersję uprawy truskawki. Stacja pogodowa donosi o potencjalnym przymrozku, który może zaatakować plantację. Rolnik czy jego agronom dokonując symulacji w cyfrowym bliźniaku może ocenić jaka może być skala szkód i jakie mogą być efekty zastosowania odpowiednich działań mających na celu uniknięcie porażenia roślin przez przymrozek.
W cyfrowym bliźniaku upraw możliwe będzie symulowanie wpływu danych czynności agrotechnicznych na rozwój roślin czy też prognozowanie plonów.
Cyfrowe bliźniaki upraw są w fazie opracowania. Pracami nad tymi technologiami zajmują się start-upy oraz jednostki naukowe.
W cyfrowym bliźniaku ciągniki lub maszyny można symulować ich stan techniczny by zawczasu dowiedzieć się co może ulec awarii. Dzięki temu można jeszcze przed sezonem prac wykonać czynności konserwacyjne by uniknąć awarii lub przynajmniej zminimalizować ryzyko ich wystąpienia.
Równie ciekawym rozwiązaniem może być cyfrowy bliźniak zwierząt w którym można np. symulować wpływ żywienia na produktywność zwierzęcia lub wykrywać stan chorobowy. Prace nad takim rozwiązaniem są realizowane przez jeden ze start-upów.
Technologie cyfrowych bliźniaków dla sektora rolnego są jeszcze w fazie rozwoju niemniej przewiduje się ich szerokie zastosowanie w rolnictwie.
Wirtualna i rozszerzona rzeczywistość
W ostatnich latach znaczenia i popularności nabierają technologie wirtualnej rzeczywistości (VR-virtual reality) i rzeczywistości rozszerzonej (AR – augmented reality). Przede wszystkim zawojowały one rynek branży rozrywkowej jednakże dostrzeżono ich zalety również w sektorze przemysłowym i w rolnictwie.
Technologia wirtualnej rzeczywistości (VR) polega na tym, że użytkownik po założeniu specjalnych okularów (gogli) wchodzi w świat cyfrowy odcinając się od świata rzeczywistego. W przypadku rzeczywistości rozszerzonej (AR) użytkownik pozostaje nadal w świecie realnym i widzi rzeczywiste obiekty a przed jego oczami czy to za pośrednictwem smartfonu (tabletu) czy specjalnych okularów wyświetla się różnego rodzaju grafika zarówno w formacie 2D jak i trójwymiarowym.
Technologia wirtualnej rzeczywistości w wielu branżach ma szerokie zastosowanie edukacyjne. W VR można szkolić operatorów maszyn symulując warunki pracy identyczne jak w rzeczywistości. W symulacjach mogą znajdować się sytuacje niebezpieczne dzięki którym szkolona osoba może nauczyć się jak radzić sobie w takich przypadkach by uniknąć ich w rzeczywistości.
Technologia VR oferuje nieograniczone możliwości jeśli chodzi o aplikacje na potrzeby szkoleń również w rolnictwie. Mogą to być np. szkolenia z zakresu pracy ze zwierzętami, wykonywania prac w sadach itp.
W wirtualnym świecie dostępne są cyfrowe bliźniaki np. nowo zaprojektowanych pomieszczeń, linii produkcyjnych, instalacji itp. Osoba zakładając gogle VR może wejść do takiego pomieszczenia, które istnieje tylko w świecie wirtualnym, obejrzeć je i stwierdzić czy projekt odpowiada jej potrzebom.
Z technologii rzeczywistości rozszerzonej (AR) w branży przemysłowej korzystać mogą pracownicy na liniach produkcyjnych, kierownicy produkcji czy specjaliści ze służb utrzymania ruchu. Ci pierwsi za pośrednictwem gogli AR są instruowani jakie czynności mają wykonać w danej chwili i jakie komponenty zastosować. Nie muszą oni korzystać z dokumentacji papierowej.
Gogle AR dla kierowników produkcji to możliwość monitorowania przebiegu procesów produkcyjnych i dostęp do danych bez konieczności korzystania z komputera. Wystarczy że taka osoba w okularach VR spojrzy na maszynę czy urządzenie a przed oczami wyświetlą się jej ich parametry.
Dla pracowników Służb Utrzymania Ruchu (SUR) okulary VR to wsparcie podczas konserwacji maszyn. W trakcie pracy przed oczyma pracownika mogą wyświetlać się schematy urządzeń, układ kabli itp. Takie okulary zastępują dokumentację papierową.
W czym technologia AR może być pomocna dla rolników? Jedna z opcji to zdalne wsparcie operatora. Okulary AR wyposażone są w kamery, mikrofony oraz łącze internetowe. Dzięki kamerom osoba udzielająca wsparcia znajdując się nawet w znacznej odległości od gospodarstwa czy pola na którym znajduje się maszyna widzi to samo co operator. Za pomocą znaków graficznych, które pokażą się operatorowi specjalista może wskazać jemu jakie czynności i gdzie konkretnie ma wykonać. Wyświetlając zdjęcia, schematy czy pliki video specjalista może poinstruować operatora jak usunąć usterkę lub awarię. W przypadku niemożności usunięcia awarii przez operatora specjalista będzie miał pewien zasób informacji odnośnie rodzaju awarii co pozwoli dobrać odpowiednie części zamienne i narzędzia.
Zdalne wsparcie operatora może wyeliminować konieczność przyjazdu serwisanta co przekłada się na oszczędność czasu i finansów.
Okulary AR mogą być też swego rodzaju panelem dla operatora ciągnika czy innej maszyny zastępując pewne funkcje terminala. Operator zamiast spoglądać na terminal pewne informacje będzie miał wyświetlone przed oczami.
Z pewnością z biegiem czasu kiedy gogle staną się bardziej powszechniejsze i tańsze a co ważne lekkie i wygodne w noszeniu będą ciekawym rozwiązaniem, które może zastąpić telewizor i smartfon. Rolnik w okularach AR stojąc na polu będzie spoglądał na pole a przed jego oczami wyświetlać się będą dane dotyczące uprawy. Takie okulary mogą być bardzo przydatne dla hodowców zwierząt. Rolnik spoglądając na zwierzę przez okulary AR będzie miał wyświetlone wszelakie informacje o danym zwierzęciu. W przyszłości rolnik będzie mógł również z poziomu okularów AR uruchamiać i wyłączać maszyny, urządzenia czy całe instalacje jak to obecnie może robić z poziomu smartfonu.