郭博健，魏霖靜

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

馬鈴薯在全世界有150 多個(gè)國家和地區(qū)種植，是人們傳統(tǒng)的主糧作物之一。2015年馬鈴薯主糧化發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)將其確定為繼水稻、小麥和玉米后的世界第四大主糧［1］。截至2020 年，我國馬鈴薯種植面積約為5.6×106hm2，鮮薯產(chǎn)量約1.23×1011kg，面積和產(chǎn)量均占全球1/4 左右，已經(jīng)成為馬鈴薯生產(chǎn)第一大國［2］。

馬鈴薯種植成功與否，收獲是重要環(huán)節(jié)之一。按照工序步驟，可將馬鈴薯收獲簡單劃分為收獲、運(yùn)輸、清洗、分級4個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作環(huán)節(jié)均存在對馬鈴薯塊莖造成潛在損傷的因素?，F(xiàn)階段，國內(nèi)馬鈴薯機(jī)械化收獲普遍以分段式收獲為主，多利用拖曳式或自走式的中小型馬鈴薯挖掘機(jī)，會(huì)使馬鈴薯在薯土分離裝置篩面上反復(fù)跳躍拋送、翻滾和前后移動(dòng)，導(dǎo)致其表面發(fā)生碰撞、摩擦、剮蹭；運(yùn)輸環(huán)節(jié)馬鈴薯從運(yùn)輸臂轉(zhuǎn)移到車輛，存在跌落沖擊的情況，運(yùn)輸過程中也會(huì)發(fā)生碰撞擠壓；在清洗與機(jī)械化分級過程中，塊莖會(huì)長時(shí)間與機(jī)械裝置發(fā)生摩擦、碰撞等情況。綜上可知，一旦發(fā)生上述情況會(huì)造成馬鈴薯塊莖表皮破損、組織褐斑等問題，既影響了馬鈴薯的外觀、品質(zhì)、儲(chǔ)存和銷售，也在一定程度上制約了馬鈴薯機(jī)械化收獲技術(shù)的快速發(fā)展。

以機(jī)械化收獲環(huán)節(jié)為例，農(nóng)業(yè)部2015 年發(fā)布的《馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》中，就對收獲機(jī)傷薯率和破皮率提出明確要求。具體的，性能指標(biāo)總體要求馬鈴薯挖掘機(jī)不超過1.5%，馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)不超過2%；破皮率性能指標(biāo)總體要求馬鈴薯挖掘機(jī)不超過2%，馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)不超過3%［3］。然而，在實(shí)際收獲時(shí)收獲機(jī)械的操作人員通常根據(jù)前年的數(shù)據(jù)與每個(gè)操作人員的直覺設(shè)置機(jī)器，因此每臺機(jī)器的生產(chǎn)率高度依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，并未完全實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，只有當(dāng)收獲機(jī)械操作員事先接受過制造商提供的培訓(xùn)，且具備豐富的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，并正確調(diào)試機(jī)器后，才有可能達(dá)到所需的低損傷高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

因此，傳統(tǒng)方式存在兩個(gè)明顯的缺陷：面對復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境時(shí)，對操作人員綜合素質(zhì)的要求較高，例如土壤環(huán)境、馬鈴薯品種發(fā)生變化時(shí)難以在短時(shí)間內(nèi)確定機(jī)器調(diào)試參數(shù)；收獲環(huán)境變化與收獲機(jī)械調(diào)試間的關(guān)系往往僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，缺乏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋和以量化為導(dǎo)向的標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)，難以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與總結(jié)，導(dǎo)致目前尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化的操作規(guī)范。

1 相關(guān)研究

近年來，馬鈴薯在收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械損傷問題已引起了國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。張建華［4］通過分析馬鈴薯在不同速率下的擠壓損傷，提出馬鈴薯損傷分級方法。鄧偉剛［5］基于粘彈性碰撞理論和沖量定理分析，提出馬鈴薯碰撞接觸力的量化計(jì)算模型。郭世魯?shù)龋?］建立馬鈴薯機(jī)械碰撞模型并進(jìn)行有限元分析，獲得了馬鈴薯在不同碰撞高度的極限應(yīng)力值。與此同時(shí)，國外學(xué)者也進(jìn)行了諸多實(shí)踐研究。Zahara 等［7］通過田間試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、分析4 個(gè)品種馬鈴薯在收獲過程中5 個(gè)不同環(huán)節(jié)的損傷情況。Bentini 等［8］采用球狀儀器模擬馬鈴薯收獲過程中的碰撞沖擊信號，以研究馬鈴薯收獲機(jī)前進(jìn)速度與土壤含水率對馬鈴薯造成損傷的影響。Alves 等［9］設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的原型，以感知包括土壤濕度、空氣溫度和濕度在內(nèi)的田間條件，并將其進(jìn)行可視化展示。Skobelev 等［10］提出一種開發(fā)植物數(shù)字孿生體方法，通過一個(gè)模仿馬鈴薯生命周期的計(jì)算機(jī)模型與環(huán)境條件（天氣、土壤等）數(shù)據(jù)、活體植物進(jìn)行同步。

綜上所述，目前圍繞馬鈴薯收獲期塊莖損傷的問題，相關(guān)研究仍存在以下不足：①圍繞馬鈴薯收獲期塊莖損傷的研究主要以室內(nèi)試驗(yàn)為主，主要集中在對不同品種、工況環(huán)境下的馬鈴薯力學(xué)進(jìn)行特性試驗(yàn)，分析馬鈴薯碰撞特性與其損傷之間的關(guān)系，僅僅是真實(shí)環(huán)境到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的單向模擬映射，研究成果主要側(cè)重于分析損傷機(jī)理，無法直接應(yīng)用于收獲場景；②智慧農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，提出了更實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析要求，農(nóng)業(yè)收獲現(xiàn)場信息采集技術(shù)雖然已較為成熟，但在馬鈴薯塊莖收獲階段鮮有涉及，進(jìn)一步的精細(xì)化農(nóng)業(yè)需要掌握不同品種、機(jī)械、土壤條件下馬鈴薯塊莖收獲現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，甚至能實(shí)時(shí)分析外力是否突破損傷臨界值；③傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用以表格、電子看板為代表的二維數(shù)據(jù)和圖形展示方式不夠直觀，展示信息量過少，無法直觀展示作物實(shí)時(shí)情況，難以呈現(xiàn)出后續(xù)可能拓展的數(shù)據(jù)收集與判斷系統(tǒng)成果。

2 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生的本質(zhì)是制造一個(gè)現(xiàn)實(shí)物體的數(shù)字等價(jià)物，即數(shù)字孿生體，它反映了現(xiàn)實(shí)物體在虛擬空間中的行為和狀態(tài)。數(shù)字孿生體的一個(gè)關(guān)鍵特征是它與物理實(shí)體實(shí)時(shí)相連，這種動(dòng)態(tài)性質(zhì)包括對現(xiàn)實(shí)生活中物體當(dāng)前行為的表示，也可能包括對未來行為的模擬預(yù)測及對歷史行為的總結(jié)，還可能具備反過來影響物理實(shí)體的能力。以上連接通常使用傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所建立。

為此，本文提出一種基于數(shù)字孿生設(shè)計(jì)思維的馬鈴薯塊莖數(shù)字孿生系統(tǒng)，用于處理與優(yōu)化收獲期塊莖損傷問題。首先，制作真實(shí)馬鈴薯的仿真模型，在實(shí)際收獲場景中該模型緊挨馬鈴薯種植在田地里，收獲過程中收獲機(jī)拾起該模型將與馬鈴薯經(jīng)歷相同的過程，使用各種傳感器實(shí)時(shí)傳輸、顯示真實(shí)狀況，尤其重點(diǎn)監(jiān)測受到的沖擊和打擊。然后，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)字孿生體進(jìn)行可視化展示，在收獲過程中根據(jù)當(dāng)前條件調(diào)整機(jī)器參數(shù)設(shè)置，并及時(shí)進(jìn)行后期總結(jié)分析，減少在收獲過程中因機(jī)械沖擊對馬鈴薯塊莖造成的損傷。

在技術(shù)路線層面，建立高保真塑料塊莖模型和物聯(lián)網(wǎng)傳感器、控制器完成監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，確定現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)水平具備實(shí)現(xiàn)收獲期間馬鈴薯塊莖受力被實(shí)時(shí)監(jiān)測的條件，并在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下建立高保真模型的數(shù)字孿生體同步運(yùn)行模式，然后研究該數(shù)字孿生體的三維可視化和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，最后設(shè)計(jì)并開發(fā)整套馬鈴薯塊莖收獲階段的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

馬鈴薯塊莖數(shù)字孿生系統(tǒng)框架包括物理空間和數(shù)字空間兩部分，如圖1所示。其中，物理空間主要為馬鈴薯塊莖和物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備。為了適應(yīng)在真實(shí)場景中的應(yīng)用要求，通過制作重量、大小與真實(shí)馬鈴薯塊莖相當(dāng)?shù)母弑Ｕ嫠芰夏Ｐ?，并在表面配備物?lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)，通過壓力傳感器檢測碰撞沖擊力度，將相應(yīng)的受力位置、外力值等動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)通過無線系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。數(shù)字空間主要構(gòu)成馬鈴薯塊莖高保真模型的數(shù)字孿生體，高保真模型通過接收實(shí)時(shí)壓力動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)，為該數(shù)字孿生體提供數(shù)據(jù)支撐，并在三維數(shù)字孿生體中直觀呈現(xiàn)結(jié)果。因此，數(shù)字模型馬鈴薯代表了真實(shí)馬鈴薯在收獲期間的數(shù)字孿生體，數(shù)字空間還能比較分析實(shí)時(shí)映射的受力數(shù)據(jù)與前期研究的馬鈴薯表皮破損受力平均值，設(shè)定臨界值彈窗預(yù)警等操作，將結(jié)果傳遞至農(nóng)民或機(jī)械操作人員，指導(dǎo)其調(diào)整收獲機(jī)械。

Fig.1 Digital twin framework design圖1 數(shù)字孿生框架設(shè)計(jì)

3 物理空間模型構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

3.1 高仿真模型構(gòu)建

高仿真塑料模型以甘肅地區(qū)廣泛種植的隴薯7 號為藍(lán)本制作。隴薯7 號馬鈴薯塊莖的三軸尺寸、質(zhì)量和薯形指數(shù)服從正態(tài)分布，經(jīng)測算均值為長度63.5 mm，寬度50.87 mm，高度73.4 mm，重量130.9 g，薯形指數(shù)1.43，形狀接近于球形［11］。模型以硬塑料為材質(zhì)，按照均值尺寸制作，模型中空可放置傳感器供電系統(tǒng)與電池。

如圖2 所示，馬鈴薯在收獲過程中塊莖受到的磕碰、擠壓可能來自各個(gè)角度。為了盡可能在真實(shí)場景中準(zhǔn)確、全面獲取相關(guān)受力數(shù)據(jù)，選用柔性薄膜壓力傳感器包覆塑料馬鈴薯塊莖模型。柔性薄膜壓力傳感器主體材料為PET（聚對苯二甲酸乙二酯），因此很容易做成幾毫米到幾十厘米的各種形狀，具有體積小、厚度小、重量輕、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)。從柔性傳感器受力方向可分為一維單點(diǎn)壓力傳感器、二維單點(diǎn)壓力傳感器、三維單點(diǎn)壓力傳感器、三維多點(diǎn)壓力傳感器，各傳感器間的差異如表1所示。

Fig.2 Force situation of flexible sensor圖2 柔性傳感器受力情況

由表1 可知，為了真實(shí)反應(yīng)馬鈴薯塊莖在收獲場景下的受力情況，多點(diǎn)陣分布式柔性薄膜壓力傳感器最優(yōu)（見圖3）。本文為了保證傳感器感應(yīng)點(diǎn)尺寸大小適中，密度較高，設(shè)置每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)尺寸為3.3×3.3 mm。優(yōu)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，將單點(diǎn)量程范圍控制在0.01～1.5 kg，測試響應(yīng)時(shí)間小于20 ms，以及時(shí)、精確反饋被測物的受壓力情況。在傳送壓力數(shù)值時(shí)，同步傳送受壓位置的坐標(biāo)數(shù)值，將傳感器包裹模型表面后再包覆柔性塑料來進(jìn)一步固定、保護(hù)內(nèi)部線路與壓力傳感器。

Fig.3 Multi-point array distributed flexible thin film pressure sensor圖3 多點(diǎn)陣分布式柔性薄膜壓力傳感器

3.2 高仿真模型制作

如圖4 所示，模型的無線傳輸系統(tǒng)由柔性壓力傳感器、傳感器控制器（壓力感應(yīng)模塊，數(shù)據(jù)收集）、傳輸模塊3部分組成。其中，柔性薄膜壓力傳感器包裹模型；壓力采集板壓阻隨壓力發(fā)生變化，測量的外力值、區(qū)域位置坐標(biāo)信息通過電流信號傳輸至傳感器控制器；控制器ADC 模塊采集傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以無線信號形式發(fā)送至指定服務(wù)器或顯示終端。

Fig.4 Wireless transmission system design圖4 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于馬鈴薯模型的高保真要求，小型單片機(jī)將是傳感器控制器的最佳選擇。行業(yè)內(nèi)使用的控制器硬件規(guī)格主要包括arduino 單片機(jī)、STM32 單片機(jī)、atmegaU4 系列單片機(jī)、大型9DAQ 數(shù)據(jù)采集卡等。為提高系統(tǒng)的通用性，要求壓力傳感器控制器應(yīng)具備微型、精密、運(yùn)行速度快、實(shí)時(shí)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，因此選用STM32F103C8T6 單片機(jī)為傳感器控制器核心。由于并未要求系統(tǒng)圖形顯示數(shù)據(jù)，本文以STM32最小系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過可充電電池進(jìn)行供電。

在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，使用藍(lán)牙或Wi-Fi 信號系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。其中，藍(lán)牙模塊以HC05 為代表，該模塊從主一體配置簡單，但存在傳輸距離較近的缺陷；Wi-Fi模塊配置相對復(fù)雜，但傳輸距離遠(yuǎn)信號穩(wěn)定。綜合比較后，本文選取樂鑫ESP8266EX 模塊作為無線傳輸模塊與STM32 單片機(jī)適配。ESP8266EX 模塊價(jià)格便宜，適合測試與廣泛普及，內(nèi)置低功耗32 位CPU，具備強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路。同時(shí)，ESP8266EX 兼具低功率特性，包含激活模式、睡眠模式、深度模睡眠式3 種運(yùn)行模式，通過電源管理技術(shù)與邏輯系統(tǒng)調(diào)低非必需功能功率，可實(shí)現(xiàn)在預(yù)定情況發(fā)生后實(shí)現(xiàn)睡眠模式與工作模式之間的轉(zhuǎn)換。

馬鈴薯收獲季節(jié)期間田間普遍溫度適宜，可忽略低溫對電池供電的影響。以供電采用2 500 mAh 容量普通可充電鋰電池為例，其輸出電壓為3.7～5 V，經(jīng)過DC-DC 降壓電路轉(zhuǎn)換到3.3 V 工作電壓。ESP8266EX 平均工作電流為80 mA，功率約為264 mW，理論工作時(shí)間可以達(dá)到31 h。綜合考慮傳感器及無線傳輸系統(tǒng)等硬件部分的電量消耗，實(shí)際應(yīng)用中每天一充電即可，完全可以滿足在真實(shí)收獲場景中的應(yīng)用需求。

同時(shí)，ESP8266EX 具備完整且自成體系的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)功能，擁有極其豐富的語言開發(fā)環(huán)境、板卡支持和開發(fā)者社群，有利于系統(tǒng)優(yōu)化更新，既能獨(dú)立應(yīng)用也可作為從機(jī)搭載其他主機(jī)MCU 運(yùn)行，戶外極限測試連接距離可達(dá)到300 m。通過串口連接STM32F103 與ESP8266，將ESP8266配置為服務(wù)端，通過Wi-Fi傳送數(shù)據(jù)。

4 數(shù)字孿生體構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

4.1 技術(shù)路線

物理馬鈴薯模型到數(shù)字馬鈴薯的映射是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯收獲期塊莖三維可視化監(jiān)測的核心。這種數(shù)字孿生的架構(gòu)設(shè)計(jì)模式可視為數(shù)字孿生的監(jiān)控器模式，即數(shù)字孿生體連續(xù)或在給定時(shí)間間隔內(nèi)監(jiān)測物理對象。因此，必須建立真實(shí)的映射過程對馬鈴薯模型建模，并準(zhǔn)確反應(yīng)外皮受力位置。如圖5 所示，該三維數(shù)字孿生體及其可視化監(jiān)測，依據(jù)三維建?！獔鼍氨O(jiān)測—行為評估的流程分為虛擬馬鈴薯三維靜態(tài)模型、實(shí)時(shí)監(jiān)測受力數(shù)據(jù)可視化、馬鈴薯塊莖損傷狀態(tài)評估3個(gè)部分。

靜態(tài)模型主要包括幾何維度的三維模型，用于提供模型、數(shù)據(jù)等支持。其中，實(shí)時(shí)受力監(jiān)測數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生體的核心，基于數(shù)據(jù)交互技術(shù)實(shí)時(shí)獲取模型遭遇碰撞擠壓跌落等狀態(tài)的受力大小、承受位置等數(shù)據(jù)，并將其存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，作為數(shù)字孿生體狀態(tài)展示更新的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)源。

損傷狀態(tài)評估由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、臨界值指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成，其中臨界值指標(biāo)數(shù)據(jù)N0相對固定，依照前期研究成果以可能造成馬鈴薯表皮損傷的外力值進(jìn)行定義，例如馬鈴薯表皮最大穿刺力平均值為5.14 N，表皮斷裂最大拉力范圍為4.2～8.1 N，表皮斷裂最大剪切力范圍為17.2～28.7 N 等［5］。本文模型中，N0取可能造成馬鈴薯塊莖損傷的最小值4.2 N，后期應(yīng)用中當(dāng)馬鈴薯品種發(fā)生較大變化，也可經(jīng)過穿刺、抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)定不同品種馬鈴薯塊莖的損傷臨界數(shù)值。

在充分考慮系統(tǒng)成熟度、可拓展性等因素后，本文選用Unity3D 平臺開發(fā)數(shù)字孿生體，基于三維造型軟件3ds Max 繪制馬鈴薯高保真模型，并將其導(dǎo)出至Unity3D 中制作數(shù)字孿生體，如圖6 所示。考慮到在真實(shí)收獲場景下電腦設(shè)備性能較低，為確保流暢運(yùn)行與后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化工作，在3ds Max建模時(shí)對模型進(jìn)行減面處理。

Fig.6 Potato model digital twin圖6 馬鈴薯模型數(shù)字孿生體

同時(shí)，實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的交互需要構(gòu)建行為邏輯模型，賦予數(shù)字孿生體受力和預(yù)警的判定標(biāo)準(zhǔn)和具體動(dòng)作。通過傳感器及Wi-Fi 通訊實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，將其以表格形式存儲(chǔ)在服務(wù)器中，并關(guān)聯(lián)模型綁定的臨界值變量，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)孿生體觸發(fā)所預(yù)設(shè)的行為動(dòng)作。為使數(shù)字空間更直觀，系統(tǒng)還構(gòu)建了由文本顯示框、三維模型和臨界值預(yù)警彈窗構(gòu)成的數(shù)據(jù)可視化面板，可根據(jù)需要獨(dú)立打開或關(guān)閉，也可集中顯示在其他顯示器，以數(shù)據(jù)形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)模型受到?jīng)_擊擠壓碰撞的位置與受力強(qiáng)度。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理數(shù)據(jù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間正常運(yùn)行的基礎(chǔ)［12］。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)既是數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要組成部分，又是驅(qū)動(dòng)馬鈴薯塊莖數(shù)字孿生體監(jiān)測損傷的動(dòng)力源泉。本文系統(tǒng)物理空間數(shù)據(jù)僅包含碰撞點(diǎn)位置信息、外力值和時(shí)間信息，數(shù)據(jù)量較小，因此向數(shù)字空間傳輸可采用以下兩條傳輸路徑：通過Arduino IDE 將相關(guān)數(shù)據(jù)由ESP8266EX 傳輸至Unity3D，并在數(shù)字空間中進(jìn)行呈現(xiàn)；通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫，再轉(zhuǎn)送至Unity3D。在傳感器調(diào)測階段，本文采用前者；在整體開發(fā)完成后基于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析因素，采用后者的數(shù)據(jù)傳輸方式。

數(shù)據(jù)庫可采用基于MySQL 關(guān)系型的本地?cái)?shù)據(jù)庫，在Unity3D 中利用C#語言編寫腳本調(diào)用相關(guān)SQL 語句與MySQL數(shù)據(jù)庫交互連接，利用便攜式電腦作為本地服務(wù)器。在真實(shí)收獲場景下，塊莖碰撞摩擦的數(shù)據(jù)由傳感器采集后通過ESP8266以Wi-Fi形式發(fā)送至本地?cái)?shù)據(jù)庫Sensor，存儲(chǔ)于表Harvest_info（馬鈴薯收獲損傷信息表，記錄真實(shí)收獲場景中馬鈴薯模型的受力情況數(shù)據(jù)）、表Warning（預(yù)警數(shù)據(jù)表，記錄超過預(yù)設(shè)閾值的預(yù)警信息）中。同時(shí)，通過本地?cái)?shù)據(jù)庫與Unity3D 平臺的接口完成物理空間數(shù)據(jù)到數(shù)字空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信，便于操作人員隨時(shí)掌握監(jiān)測結(jié)果。本地服務(wù)器可置于收獲機(jī)械上或田間，在后期數(shù)據(jù)量增加、需要多終端多形式呈現(xiàn)結(jié)果和引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行作物損害分布判斷時(shí)，可將本地服務(wù)器升級為云服務(wù)器。

5 結(jié)語

由于馬鈴薯收獲機(jī)械的設(shè)置高度依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，尚未形成規(guī)范的量化指標(biāo)，因此每年在收獲階段由機(jī)械損傷造成的損失巨大。本文通過對被種植在田地里的馬鈴薯塊莖模型進(jìn)行數(shù)字孿生，通過覆蓋在模型外的多點(diǎn)陣分布式柔性薄膜壓力傳感器收集馬鈴薯承受的沖擊與碰撞，以呈現(xiàn)其真實(shí)受力情況。同時(shí)，比較無線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)損傷臨界數(shù)值，進(jìn)行外皮破損預(yù)警，根據(jù)當(dāng)前情況調(diào)整機(jī)器設(shè)置，以避免此類原因?qū)︸R鈴薯造成損失。

可預(yù)見到，分析所采集到的馬鈴薯碰撞數(shù)據(jù)與地域、土壤濕度、馬鈴薯品種、收獲機(jī)械類型等數(shù)據(jù)，能為馬鈴薯收獲保護(hù)與規(guī)范量化收獲機(jī)械提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。此外，損傷監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)為數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品收獲階段的應(yīng)用提供了一個(gè)可行性方案，能有效促進(jìn)新技術(shù)可持續(xù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

然而，系統(tǒng)現(xiàn)階段仍受到設(shè)備、技術(shù)等方面限制，尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間對物理空間的自動(dòng)反饋與作用。同時(shí)，由于物理模型影響了數(shù)字孿生體的保真度，后續(xù)將進(jìn)一步完善兩次建模精度與壓力傳感器精度判斷，并研究如何結(jié)合智能算法分析、預(yù)測、優(yōu)化作物損害。