面向数字孪生的智能信息采集方法及应用

□刘伯华（石家庄信息工程职业学院）

□付安楠 李可行 贾宇琛 李丽华⋆（河北农业大学）

□褚素乔⋆（石家庄市畜牧技术推广站）

数字孪生是指在虚拟空间对实体进行多维、 多物理量及多时空尺度的仿真， 通过对实体模型及历史运行数据的映射来反映实体的行为状态， 同时通过仿真模型预测实体的发展趋势，实现对物理对象全生命周期的监控与预测，实现物理对象与数字模型的共生共存， 供系统性支撑。

一、数字孪生的信息采集方法

面向数字孪生的智能信息采集方法是指在数字孪生系统中使用智能技术和方法来获取数据和信息的过程。 数字孪生是一个虚拟的模拟系统，它与现实世界中的实体或过程相对应，并通过收集、 整合和分析数据来提供对实体或过程的深入理解和预测能力。

以下是几种常见的面向数字孪生的智能信息采集方法：

（一）传感器网络

通过在实体或过程中部署传感器网络来实时监测和采集数据。 传感器可以收集各种类型的数据，如温度、压力、湿度等物理量，以及图像、声音等非结构化数据。 这些传感器将数据传输到数字孪生系统中， 供进一步分析和建模使用。

（二）互联网和物联网技术

利用互联网和物联网的技术和基础设施，从各种连接的设备和传感器中收集数据。 这些设备可以是智能手机、智能家居设备、工业传感器等， 通过网络将数据传输到数字孪生系统进行分析和建模。

（三）数据挖掘和机器学习

利用数据挖掘和机器学习算法， 从大量的数据中提取有用的信息。 这些算法可以自动地发现数据中的模式和关联， 并将其应用于数字孪生系统中。 通过学习和分析数据，系统可以获得更深入的理解和预测能力。

（四）多模态数据融合

将来自不同来源和传感器的多模态数据进行融合，以获取更全面和准确的信息。 例如，结合图像数据和传感器数据可以提供更详细的物体识别和跟踪能力， 同时结合声音和运动数据可以提供更准确的行为识别。

二、数字孪生在家禽领域的应用

数字孪生在家禽领域的应用可以帮助提高家禽养殖的效率、生产质量和动物福利。 以下是数字孪生在家禽领域的一些应用示例：

（一）养殖环境模拟和优化

通过建立数字孪生模型， 可以模拟家禽养殖场的环境条件，包括温度、湿度、空气质量等因素。 基于实时采集的环境数据，数字孪生可以帮助优化养殖环境，提供最佳的温度、湿度和通风控制策略， 以提高家禽的生长效率和健康状况。

（二）饲料管理和营养优化

通过数字孪生模型， 可以对家禽的饲料消耗和营养需求进行建模和预测。 结合实时监测的家禽生长数据， 数字孪生可以帮助调整饲料配方和喂养策略， 以实现最佳的饲料利用效率和营养平衡，同时降低饲料成本。

（三）疾病预测和管理

数字孪生可以通过整合家禽健康数据和疾病模型，提供对家禽疾病的预测和管理支持。 通过实时监测家禽的生理参数和行为特征， 数字孪生可以帮助提前识别和预测潜在的疾病风险，并提供相应的预防和治疗建议，以减少疾病的传播和影响。

（四）生产性能监测和改进

数字孪生可以对家禽的生产性能进行监测和评估，包括生长速度、体重增长、产蛋率等指标。 通过实时采集和分析数据，数字孪生可以帮助识别和解决潜在的生产问题， 并提供改进措施和优化策略， 以提高家禽的生产效率和经济效益。

（五）健康管理和行为分析

数字孪生可以帮助监测家禽的健康状况和行为特征。 通过传感器和图像识别技术，数字孪生可以实时监测家禽的行为习惯、 活动水平和社交行为，并识别异常行为或健康问题。 这有助于提供个体化的健康管理和行为干预， 改善家禽的福利和生产性能。

数字孪生在家禽领域的应用可以提供实时的监测、预测和优化能力，帮助养殖者更好地管理和提高家禽养殖的效率、健康和可持续性。 物联网技术， 人工智能和大数据在家禽养殖领域的应用， 对数字孪生的发展和应用起到了重要的推动作用。 以下是物联网技术在家禽领域的主要影响：环境调控、禽病检测、远程诊断和生产效益。

智能管控平台架构。 物联网技术可以通过安装各种传感器， 实时监测家禽养殖环境的温度、湿度、氨气浓度等指标，以及家禽的饮水量、饲料消耗量等数据。 这些数据可以通过物联网技术传输到数字孪生系统中进行分析和建模。物联网技术可以实现家禽养殖过程的远程监控和控制。 通过远程监控摄像头和传感器，及时发现问题并采取相应的措施。 同时，物联网技术还可以实现对养殖设备和系统的远程控制， 例如自动调节温度、湿度，自动喂食和饮水等，提高养殖效率和减少人力成本。 物联网技术可以将大量的家禽养殖数据实时传输到云平台或本地服务器中进行存储和管理。 这些数据可以与数字孪生系统相结合，进行数据分析、模型建立和预测，帮助农户更好地管理家禽养殖过程，提高生产效率和决策能力。

未来，随着人工智能、物联网等技术的不断发展，数字孪生在家禽养殖方面将更加智能化、自动化。 它将能够更准确地预测和响应家禽养殖过程中的异常情况， 提供更精细化的管理和决策支持。 数字孪生还将与其他技术相结合，例如无人机、传感器等，共同推动家禽养殖行业的可持续发展，并为农户提供更多的发展机遇。

三、国内外研究

数字孪生技术对真实世界对象进行数字建模和仿真，连接虚拟世界与现实世界，利用虚拟世界来映射现实世界，实现对设计、制造和运维过程进行准确预测，这种技术可以在产品设计、生产和运维阶段提供有价值的信息。 数字孪生技术可以创建实时仿真模型，对设计、制造和运维过程进行准确预测， 通过数字孪生技术，技术人员可以对实际生产过程进行安全试验和高保真度仿真。 陶飞等提出了数字孪生五维模型的概念，结合相关合作企业的实际应用需求，重点探讨了数字孪生五维模型在数字孪生电厂智能管控等10 个领域的应用思路与方案。

国外研究现状。 在国外，数字孪生的研究主要集中在制造业、 工业物联网和智能城市等领域。 研究人员致力于数字孪生模型的建立、数据集成和模拟仿真等方面的研究。 同时，数字孪生在产品设计、生产优化、设备维护和供应链管理等方面的应用也得到了广泛的探索。 一些国际知名企业和研究机构也在数字孪生领域进行了实际应用和探索。

国内研究现状。 在中国，数字孪生的研究和应用也得到了迅速发展。 许多高校、科研机构和企业积极开展数字孪生研究， 形成了一些具有国内影响力的研究团队。 国内研究主要涵盖制造业、智能制造、物联网、城市管理等领域。 研究人员围绕数字孪生模型的构建、数据集成、边缘计算和人工智能等技术进行探索和创新。 此外，数字孪生在汽车制造、航空航天、医疗健康等领域的应用也受到了广泛关注。

总体而言， 国内外对于数字孪生的研究和应用都处于快速发展阶段。 研究人员致力于解决数字孪生模型的建立、数据融合、实时性和安全性等关键问题， 并将其应用于不同领域的实际场景。 随着技术的进一步发展和应用案例的丰富， 数字孪生有望在产业界得到更广泛地应用和推广。