Использование цифровых технологий в сельском хозяйстве

Введение. Согласно данным ООН, к 2050 году население Земли вырастет до 10 млрд человек, а, следовательно, чтобы обеспечить его продовольствием, необходимо будет увеличить производство продуктов питания на 70%. Решением этой задачи заняты ведущие специалисты во всем мире. Наиболее перспективным направлением является увеличение производства сельскохозяйственной продукции за счет использования современных цифровых информационных технологий.

Долгое время сельское хозяйство не было привлекательным для инвесторов, так как данная отрасль отличается длинным производственным циклом, подверженным природным рискам и большим потерям урожая при выращивании, сборе и хранении, невозможностью автоматизации биологических процессов и отсутствием прогресса в повышении производительности и инноваций. Использование информационных технологий в сельском хозяйстве ограничивалось применением компьютеров и программного обеспечения, в основном, для управления финансами и отслеживания коммерческих сделок.

Современные технологии и их быстрое развитие на современном этапе стали позволять контролировать полный цикл растениеводства или животноводства за счет умных устройств, передающих и обрабатывающих текущие параметры каждого объекта и его окружения (оборудования и датчиков, измеряющих параметры почвы, растений, микроклимата, характеристик животных и т.д.), а также каналов связи между ними и внешними партнерами.

Благодаря объединению объектов в единую сеть, обмену и управлению данными на основе Интернета вещей, возросшей производительной мощности компьютеров, развитию программного обеспечения и облачных платформ стало возможным автоматизировать максимальное количество сельскохозяйственных процессов за счет создания виртуальной (цифровой) модели всего цикла производства и взаимосвязанных звеньев цепочки. Эта система позволяет с математической точностью планировать график работ, принимать экстренные меры для предотвращения потерь в случае зафиксированной угрозы, просчитывать возможную урожайность, себестоимость производства и прибыль.

Цель исследований: рассмотрение использования цифровых технологий в агропромышленном комплексе в мировой и российской практике; обзор технических решений, которые применяют фермеры в России и других странах.

Материалы и методы исследований. При проведении исследования применялся анализ научной литературы на английском языке в области цифровых технологий в сельском хозяйстве.

Результаты и обсуждение. По мнению преподавателя факультета сельского хозяйства, растениеводства и охраны окружающей среды в сельской местности Университета Фессалии, Греция, Антониса Цуниса, растущий спрос на продовольствие, как с точки зрения количества, так и качества, повысил потребность в интенсификации и индустриализации сельскохозяйственного сектора. Интернет вещей (IoT) – это многообещающее семейство технологий, которое способно предложить множество решений для модернизации сельского хозяйства. Научные группы и исследовательские институты, а также промышленность участвуют в гонке, пытаясь поставлять все больше и больше продуктов Интернета вещей заинтересованным сторонам сельскохозяйственного бизнеса и, в конечном итоге, заложить основы для того, чтобы играть важную роль, когда Интернет вещей станет основной технологией.

Структура Интернета вещей основана на трех уровнях; а именно – уровень восприятия (восприятие), сетевой уровень (передача данных) и прикладной уровень (хранение данных и манипулирование ими).

На уровне восприятия мы встречаем такие технологии, как WSN, RFID и, с недавнего времени, Near Field Communications (NFC). Как правило, узел беспроводного датчика состоит из модуля обработки, обычно маломощного микроконтроллера (MCU), одного или нескольких сенсорных модулей (встроенных или внешних аналоговых, или цифровых сенсорных устройств) и модуля радиочастотной связи, обычно поддерживающего маломощную технологию беспроводной связи. Помимо мониторинга и контроля в ходе производственного процесса, существует необходимость мониторинга, идентификации и отслеживания сельскохозяйственной и животноводческой продукции после сбора урожая. WSN часто встречаются в ряде работ, связанных с мониторингом и климат-контролем складских и логистических объектов. Технология RFID считается первым и самым основным примером взаимосвязанных «вещей». RFID-метки содержат данные в форме электронного кода продукта (EPC), а считыватели RFID запускают, считывают и манипулируют большим количеством меток. Предлагая идентификацию объектов, отслеживание и хранение данных на активных или пассивных (без необходимости встроенного источника питания) метках, технологии RFID и NFC играют важную роль в сельскохозяйственной сфере. Типичные пользовательские сценарии включают в себя мониторинг продукции или домашнего скота, отслеживание цепочки поставок и контроля качества, а также оценку жизненного цикла сельскохозяйственной продукции.

На втором уровне Интернета вещей узлы беспроводных датчиков, взаимодействующие с физическими объектами и/или их средой, связываются с соседними узлами или шлюзом, создавая сети, через которые данные обычно пересылаются в удаленную инфраструктуру для хранения, дальнейшего анализа, обработки и передачи данных. распространение ценных знаний, которые можно извлечь.

Уровень приложений – это третий уровень Интернета вещей. Это имеет большое значение и, во многом, именно это облегчает реализацию Интернета вещей. На уровне приложений возникает несколько проблем, которые необходимо решить, например, идентификация устройств как уникальных объектов. Идентификация и адресация миллиардов устройств по всему миру обеспечит прямой Интернет-доступ и контроль над ними через Интернет будущего. Уникальность идентичности, надежность, устойчивость и масштабируемость представляют собой важные особенности схемы адресации [1].

Значительный рост населения мира и растущий спрос на высококачественную продукцию создают необходимость модернизации и интенсификации методов ведения сельского хозяйства. При этом обязательным является и необходимость высокой эффективности использования воды и других ресурсов. Одной из наиболее многообещающих концепций, которая, как ожидается, внесет большой вклад в необходимое устойчивое увеличение производства продуктов питания, является точное земледелие. Точное земледелие направлено на оптимизацию и улучшение сельскохозяйственных процессов для обеспечения максимальной производительности и требует быстрых, надежных и распределенных измерений, чтобы дать производителям более подробный обзор текущей ситуации в их зоне выращивания и/или координировать автоматизированное оборудование таким образом, чтобы оптимизировать потребление энергии, использование воды и использование химикатов для борьбы с вредителями и для роста растений.

В точном земледелии используется большой объем данных для улучшения использования сельскохозяйственных ресурсов, урожайности и качества урожая. Точное земледелие предлагает оптимизированную стратегию управления на уровне полей, которая используется в сельском хозяйстве для повышения полезности ресурсов на сельскохозяйственных полях. Более того, точное земледелие позволяет фермерам оптимизировать такие ресурсы, как вода и удобрения, для повышения качества и урожайности. Внедрение технологий дистанционного зондирования и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) значительно расширило распространение этого метода во всем мире, поскольку точное земледелие использует данные из нескольких источников для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и снижения затрат. Кроме того, приложения дистанционного зондирования со спутников и беспилотных летательных аппаратов позволяют методам точного земледелия использовать мультиспектральные измерения для оценки информации с высоким пространственным разрешением о свойствах почвы, состоянии растений и урожайности сельскохозяйственных культур.

Из данных отчета компании Emergen Research, которая занимается маркетинговыми исследованиями и стратегическим консалтингом и обладает исчерпывающей базой знаний о передовых и потенциально разрушающих рынок технологиях, которые, по прогнозам, станут более распространёнными в ближайшее десятилетие по применению Интернета вещей в сельском хозяйстве, следует, что объем глобального рынка Интернета вещей в сельском хозяйстве достиг 11,20 млрд долларов США в 2021 году, и ожидается, что среднегодовой доход за прогнозируемый период составит 11,4%. Быстрое внедрение методов точного земледелия и растущие технологические достижения в сельскохозяйственной отрасли являются ключевыми факторами, способствующими росту доходов рынка Интернета вещей в сельском хозяйстве. Технология Интернета вещей играет решающую роль в увеличении текущего объема сельскохозяйственного производства для удовлетворения растущего спроса на продовольствие. IoT в сельском хозяйстве объединяет основанные на IoT комплексные технические инструменты, системы, оборудование и решения для повышения операционной эффективности, максимизации производительности и сокращения потерь энергии за счет сбора полевых данных в режиме реального времени, хранения данных, анализа данных и разработки платформ управления. Точное земледелие, мониторинг животноводства, умные теплицы – это лишь некоторые из приложений на основе Интернета вещей, которые помогают ускорить сельскохозяйственные процессы… Наибольшая доля выручки в 2021 году пришлась на сегмент точного земледелия. Точное земледелие – это наука об использовании высокотехнологичных датчиков и инструментов анализа для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и принятия управленческих решений. Это – процесс увеличения производства за счет сокращения рабочего времени и обеспечения эффективного управления удобрениями и орошением.

Кроме того, спектры отражения почвы предоставляют информацию о различных свойствах почвы, таких как влажность почвы и содержание органических веществ. В зависимости от спектрального разрешения прибора также можно измерить конкретные компоненты, такие как глинистые минералы, карбонаты кальция и оксиды железа, которые влияют на плодородие почвы и влагоудерживающую способность.

Еще одним важным направлением является использование систем автоматизации и управления. Автоматизация – это процесс автоматизации задачи или процедуры, которые ранее выполнялись вручную, но теперь выполняются машинами или компьютерами. Фермеры предпочитают системы автоматизации сельского хозяйства, поскольку они сводят к минимуму ручной труд и повышают эффективность ведения сельского хозяйства. Система автоматизации сельского хозяйства оказала значительное влияние на сельскохозяйственную отрасль, поскольку снижает эксплуатационные расходы, экономит время и повышает точность ведения сельского хозяйства. Например, обычные тракторы, используемые фермерами для вспашки полей, посадки сельскохозяйственных культур и так далее, легко заменяются системой автопилота трактора. В случае системы автопилота трактора водитель сидит в кабине и использует контроллер, который связан с различными датчиками, для управления трактором на поле без ручного вмешательства. Автоматизация упростила фермерам все задачи от ирригационных систем до распыления пестицидов. Она повышает точность за счет добавления нужного количества воды, удобрений и пестицидов в посевы. Это также снижает эксплуатационные расходы за счет сокращения затрат на рабочую силу [2].

В своей статье Бенджамин Пингуэт, профессиональный менеджер по продуктам и решениям в компании SenseFly, пишет о вопросе использования цифровых информационных технологий, что методы точного земледелия, которые могут помочь фермерам принимать более обоснованные решения, значительно изменились за последние годы, и, по оценкам, к 2025 году мировой рынок достигнет 43,4 миллиарда долларов. Хотя дроны, также известные как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), еще не вошли в массовое сельское хозяйство, играют все более важную роль в точном земледелии, помогая специалистам сельского хозяйства внедрять методы устойчивого ведения сельского хозяйства, а также защищая и повышая прибыльность. Использование технологии глобальной системы позиционирования (GPS) вместе с инструментами географической информационной системы (ГИС) составляет значительную часть этих методов точного земледелия, позволяющих осуществлять мелкомасштабный мониторинг и составлять карты урожайности и параметров урожая на полях. Они обеспечивают более интенсивные и эффективные методы возделывания, которые могут помочь фермерам скорректировать рецепты удобрений или выявить болезни сельскохозяйственных культур до того, как они получат широкое распространение. Имея под рукой больше данных, фермеры могут принимать решения, основанные на экономических и экологических факторах – например, оптимизируя обработку удобрениями и внося только нужное количество в нужное время, можно добиться значительной экономии затрат и защиты окружающей среды.

Использование беспилотных летательных аппаратов в сельскохозяйственной отрасли неуклонно растет как часть эффективного подхода к устойчивому управлению сельским хозяйством, который позволяет агрономам, инженерам-агротехникам и фермерам оптимизировать свои операции, используя надежную аналитику данных для получения эффективной информации об их урожае. Мониторинг урожая, например, упрощается за счет использования данных с беспилотных летательных аппаратов для точного планирования и внесения текущих улучшений, таких как использование канав и усовершенствование применения удобрений. Продукты можно точно отслеживать от фермы до развилки, используя GPS-координаты для каждой точки пути, а не более традиционный сбор данных, требующий много времени и труда. Беспилотники особенно полезны для тщательного мониторинга больших площадей сельскохозяйственных угодий с учетом таких факторов, как уклон и возвышенность, например, для определения наиболее подходящих рецептур посева. Технология также оказалась полезной для получения подробного обзора всходов и численности растений, поскольку более точные данные могут помочь при принятии решений о пересадке, а также при проведении прореживания и обрезки и улучшении моделей посевов. Важно отметить, что данные с беспилотных летательных аппаратов в высоком разрешении могут использоваться для оценки плодородия сельскохозяйственных культур, что позволяет специалистам сельского хозяйства более точно вносить удобрения, сокращать потери, планировать ирригационные системы и устранять их неисправности. Технология также может быть особенно эффективной после стихийных бедствий, таких как наводнение, помогая фермерам оценивать ущерб на территориях, до которых может быть нелегко добраться пешком.

Потенциал беспилотных летательных аппаратов в улучшении устойчивого сельского хозяйства огромен. По прогнозам, рынок сельскохозяйственных беспилотных летательных аппаратов уже сейчас оценивается в 32,4 миллиарда долларов США – это признак того, что отрасль начинает осознавать преимущества более традиционных методов, таких как картографирование местности. Учитывая обширную местность, требующую обследования, беспилотные летательные аппараты обеспечивают повышенную эффективность, позволяя пользователям делать снимки с высоким разрешением быстрее, чем альтернативные методы. Особенно в нестабильных рыночных условиях оценка годовой урожайности может помочь в принятии решений и управлении ожиданиями. Кроме того, беспилотники в настоящее время рассматриваются как более безопасный вариант для картографирования сложных участков, таких как неровные или обширные поля, которые могут быть опасны для операторов, особенно по сравнению с наземной техникой.

Там, где спутники и пилотируемые летательные аппараты традиционно использовались для мониторинга сельского хозяйства, беспилотники быстро получают признание как более точная и экономичная замена. Исследования показали, что снимки с беспилотных летательных аппаратов обеспечивают более высокую точность и разрешение даже в пасмурные дни. Хотя использование традиционных наземных подходов для сбора данных в сложных погодных условиях потенциально может задержать реализацию проектов на несколько дней, точные оценки состояния сельскохозяйственных культур можно проводить в течение всего года с помощью беспилотных летательных аппаратов [3].

Международный союз электросвязи считает, что «информационнокоммуникационные технологии играют растущую роль, выступая в качестве двигателя развития сельского хозяйства, особенно по мере роста спроса на надежную и легкодоступную информацию на всех уровнях отрасли. Использование ИКТ в сельском хозяйстве породило волну инноваций, сделав стратегию цифрового сельского хозяйства хорошим средством поиска правильного пути вперед» [4].

Профессор Корнельского университета Харольд Ван Эс пишет в своей статье о том, что «цифровое сельское хозяйство может использовать разумное использование данных и коммуникаций для оптимизации системы. Инструменты, обеспечивающие цифровое сельское хозяйство, многочисленны и разнообразны и включают в себя сквозные технологии, такие как инструменты вычислительного принятия решений и аналитики, облака, датчики, роботы и инструменты цифровой связи. Кроме того, разрешена деятельность на местах с помощью технологий геолокации, таких как системы глобального позиционирования (GPS), географические информационные системы, мониторы урожайности, прецизионный отбор проб почвы, ближнее и дистанционное спектроскопическое зондирование, беспилотные летательные аппараты и др.» [5].

Следовательно, информационные технологии в агропромышленном комплексе позволяют производителям максимально автоматизировать все этапы производственного цикла для сокращения потерь, повышения продуктивности бизнеса, оптимального управление ресурсами. Интеграция получаемых данных с различными интеллектуальными приложениями, производящими их обработку в режиме реального времени, осуществляет революционный сдвиг в принятии решений, предоставляя результаты анализа множественных факторов и обоснование для последующих действий [6]. При этом, чем больше датчиков, сенсоров и полевых контроллеров подключены в единую сеть и обмениваются данными, тем более умной становится информационная система и больше полезной информации для пользователя она способна предоставить. На основе научных расчетов информационная система способна создавать рекомендации по обработке и уходу за растениями или инструкции для автоматического исполнения роботизированной техникой. Например, предиктивная аналитическая модель помогает определить, что повышение температуры на 2 градуса способствует вылуплению насекомых, или увеличение влажности выше оптимальной границы может привести к вспышке болезни. Управление этими факторами создает реальную ценность моделирования микроклиматических условий: если это теплица, то можно не допускать повышение температуры, а если поле, то предусмотрительно наблюдать за участком и воздействовать химикатом при появлении паразитов. Появляется возможность контролировать природные факторы, проектировать точные бизнес-процессы, и, кроме того, прогнозировать результат с математической точностью [7].

Среди перспективных областей применения цифровых технологий рассматривается развитие систем автоматического орошения и полива, использование доступного беспилотного транспорта для обработки полей, сбор спутниковых данных по состоянию почвы или запасов водных биологических ресурсов.

Выводы. Таким образом, цифровизация меняет методы ведения сельского хозяйства, повышает эффективность, оптимизирует производство продовольствия, сокращает количество отходов и способствует устойчивому развитию аграрной индустрии. Однако существуют проблемы и вызовы, преодолеть которые можно только при условии значительного финансового инвестирования, а также с помощью поэтапного обучения сельхозтоваропроизводителей новым методам и способам ведения агробизнеса.