農機裝備數字孿生尚處于概念階段，需要相當長時間的發展才能逐漸完善。為了更好地推動農機裝備數字孿生的研究與應用，結合相關理論和實踐經驗，給出以下實現思路。

從數字孿生概念提出到應用落地的宏觀發展角度，農機裝備數字孿生發展過程中需要經歷理論探索、實踐應用和總結凝練三個階段，如表1所示。

表1   農機裝備數字孿生三個發展階段

Table 1  Three developmental stages of digital twin for agricultural machinery

（1）理論探索。該階段是為農機裝備數字孿生今后的發展奠定基礎的關鍵階段，主要任務是回答以下重要問題：農機裝備領域需要什么樣的數字孿生？農機裝備數字孿生應包含哪些內容？如何實現農機裝備數字孿生？研究人員需要依據數字孿生的核心理念，緊密結合現代先進農機裝備和農業生產的需求和發展趨勢，參考其他領域現有數字孿生案例，確定農機裝備數字孿生架構，以及實現方法與核心技術，然后規劃具體的實施路線。

（2）實踐應用。該階段是構建農機裝備數字孿生，并落地實用的關鍵階段。理想的數字孿生應從不同的維度、尺度、領域等方面盡可能完整地描述“人-機器-作物-環境”系統，從而能夠真實、徹底地反映農機裝備的實際狀態、工作機理和運行機制。但是在實際情況中，技術和成本往往不足以支持數字孿生從無到全的直接實現。因此，應遵循農機裝備數字孿生框架，面向由低層級到高層級的應用需求，逐步開展數字孿生構建方法研究，開發滿足每個階段具體需求的數字孿生，在此過程中逐漸積累數字化資產，實現從局部到全面的數字化映射，填充數字孿生模型庫，豐富數字孿生業務應用，完善整個農機裝備數字孿生的內容，擴展數字孿生的深度和廣度。在應用過程中，應充分發揮虛實交互與融合的優勢，整合農機裝備數字孿生的功能，著力解決痛點問題，促進智慧農業生產落地實現。

（3）完善凝練。在農機裝備數字孿生成功運用于實際生產，并取得了良好的收益之后，數字孿生進入完善凝練階段。該階段是對農機裝備數字孿生的進一步發展，標志著數字孿生理念已經在農業機械化生產領域落地并走向成熟。通過該階段，總結先前探索和實踐過程中遇到的問題，完善農機裝備數字孿生理論技術架構，提煉構建和應用農機裝備數字孿生的通用方法，形成可以指導進一步推廣應用的完整體系，同時制定用于規范后續工作的相關標準。

1、數字孿生系統實現路線

農機裝備數字孿生的具體實現路線是不斷完善和發展虛擬模型的數字化映射能力，擴充和豐富數字孿生服務的過程。從數字孿生系統實現的角度，實現過程包括農機裝備智能化升級、開辟信息交互通路、構建數字孿生虛擬模型和開發數字孿生業務應用四個關鍵步驟，最終形成如圖1所示的閉環運行。

圖1   農機裝備數字孿生系統的閉環運行機制

Fig. 1   Closed-loop operation mechanism of digital twin system for agricultural machinery

（1）農機裝備智能化升級。農機裝備的智能化升級是系統實現的準備工作?；诰€控底盤、現場總線、智能傳感等技術，完善農機裝備物理實體的感知與執行功能，包括但不限于：①開發基于現場總線的線控底盤；②開發基于現場總線的傳感采集系統。

（2）開辟信息交互通路。基于物聯網技術，建立農機裝備與服務器間的雙向通信，打通數字孿生感知通路和控制通路，是系統實現的首要工作，包括但不限于：①選定或開發聯網終端設備，實現終端設備與農機裝備和服務器間的雙向通信；②開發農機裝備數字孿生物聯網平臺，用于注冊、接入和管理農機裝備；③開發實時監測功能，實現對農機裝備實時數據的獲取與存儲，通過長時間運行，為后續開發工作積累農機裝備運行數據資源。

（3）構建數字孿生虛擬模型。構建農機裝備數字孿生虛擬模型，通過數據驅動模型實時快速仿真，實現虛擬模型伴隨真實農機裝備同步運行，是系統實現的核心工作，具體包括：①基于分布式數據流處理平臺，開發數據處理算法，建立數據治理機制，為虛擬模型構建等工作提供數據算法和資源支撐；②運用多種建模手段和多學科知識構建描述農機裝備及作業環境，并實現子模型間的有效組織和融合，集成構建多源、多維、多尺度、多領域的數字孿生虛擬模型；③利用模型降階技術和可視化技術，實現虛擬模型在數據驅動下的實時仿真；④開發數字孿生虛實一致性評價方法和虛擬模型校驗更新方法，實現虛擬模型伴隨真實農機裝備的同步演化；⑤綜合考慮可信度、保真度、易用度、輕量化等多個方面，提出數字孿生虛擬模型綜合評價方法，選定典型工況，開展虛擬模型驗證試驗，并進行評價、優化和改進。

（4）開發數字孿生業務應用。農機裝備數字孿生系統具備實時監測、評估診斷、優化決策、智能控制四個層級的業務功能，形成由物理世界到虛擬世界，最后回到物理世界的閉環自主運行機制。數字孿生系統在逐一實現每個層級功能的過程中不斷完善。在實現完全閉環之前，需要發揮人的作用作為補充。

層級Ⅰ：狀態監測。狀態監測是數字孿生最初級的功能，具體效果是數字孿生具備全面感知能力，能夠以虛映實。在空間尺度上，既可以反映事物的外在行為，也可以呈現內在的、難以觀測到的行為與特征。在時間尺度上，既可以在線監測實時狀態，也可以追溯復現歷史狀態。同時，系統提供一個可視化、可交互的用戶界面，采用三維模型、二維圖表等方式直觀動態展示農機裝備運行的狀態和參數。

層級Ⅱ：評估診斷。一方面充分利用孿生數據和模型，可以實現對農機裝備狀態的評估診斷，具體有三條途徑：①直接將感知數據用于評估診斷；②挖掘感知數據中隱含的狀態信息用于評估診斷；③借助高保真的虛擬模型仿真，擴充機器狀態信息，再用于評估診斷。另一方面，評估診斷的依據可以來自人為經驗或者理論模型，也可以來自數據分析得到的知識。這一層級可以實現的效果是，數字孿生具備認知能力，能夠判斷農機裝備和周圍環境的狀態，或預判未來可能出現的狀況等。

層級Ⅲ：優化決策。針對評估和診斷中發現的問題，快速形成若干套解決方案，然后結合虛擬模型驗證和評價方案，最后實現方案整合和優化，從而形成基于人類經驗、數據知識和實時仿真的綜合優化決策。這一層級可以實現的效果是，數字孿生具備完善自主決策能力，可以自主提出應對需求變化的最優方案，提高農機裝備的自適應能力。

層級Ⅳ：智能控制。將優化決策的結果形成控制指令，自主控制物理對象行為。這一層級可以實現的效果是，數字孿生可以準確可靠地自主執行決策方案。至此，數字孿生已具備所有功能，可以自主閉環運行，無需人為干涉。

此外，農機裝備數字孿生系統長時間閉環運行能夠積累大量的數據和模型資源，充分利用這些資源服務于農機裝備設計開發、制造測試、田間作業、運維管控等全生命周期中的各個環節。

2、數字孿生項目實施路線

農機裝備數字孿生項目的實現路線包括預研、規劃、實現和評估四個階段，如圖2所示。

圖2   農機裝備數字孿生項目的實施路線

Fig. 2   Implementation route of digital twin project of agricultural machinery

（1）預研階段。數字孿生的開發需要花費大量的精力和資源，同時農機裝備和農業生產對風險和成本十分敏感。因此，預研階段中首先要明確目標農機裝備、生產場景和需求問題，評估數字孿生可行性和適用性，并預估投資回報，為項目的實施和應用提供堅實的依據。

（2）規劃階段。深入分析目標農機裝備和生產場景的特征，設計項目具備的核心業務功能和預計達到的效果，確定數字孿生虛擬模型涉及的維度、尺度、領域和重點關注的內容，明確系統需要遵循的協議和標準，提出合理的數字孿生系統架構。

（3）實現階段。構建數字孿生的物理實體、虛擬模型、數據與連接、系統服務和業務應用五個要素，集成構建數字孿生系統，完善各項業務功能，最后進行調試和完善。

（4）評估階段。將數字孿生投入實際業務應用，評估數字孿生的應用效果和收益是否達到預期，為系統的維護改進和后續數字孿生的開發和應用提供參考。

本文節選自：

郭大方, 杜岳峰, 武秀恒, 侯思余, 栗曉宇, 張延安, 陳度. 農機裝備數字孿生：從概念到應用[J]. 智慧農業（中英文）