71、建筑与农业领域的网络物理系统应用与潜力

最新推荐文章于 2025-10-05 13:14:39 发布

Light

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分类专栏：工业物联网与智能制造的未来文章标签：网络物理系统 CPS 建筑机械

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建筑与农业领域的网络物理系统应用与潜力

1. 建筑机械维护规划的重要性

在大型建筑工地，同一时间可能会使用多台相同类型的机器。精确的维护规划能够显著提高现有机械和维护资源的利用率，减少机械的停机时间，尤其是非计划停机时间。这主要通过磨损检测以及磨损和疲劳预测来实现。许多建筑机械制造商将维护规划纳入其车队管理软件工具中，还支持直接通过这些软件工具快速订购备件。

2. 建筑行业网络物理系统（CPS）的现状与潜力

建筑行业中，每个工作步骤都可以利用关键技术和算法进行优化。目前市场上已有许多商业系统和产品，多数产品旨在优化特定的工作步骤，近年来也有一些研究致力于优化更大范围的流程。

未来，进一步的交叉连接、更智能的数据评估以及新型传感器的引入，将通过提高车辆利用率、减少机器停机时间和减少人工规划与控制工作量，大幅提高流程效率。自动化或自主机器还能通过减少不必要的土壤、砾石和其他材料的移动与处理，更快地实现预期结果。

目前，建筑行业在关键技术上投入巨大，如无人机技术。一项研究甚至建议在建筑工地使用增强现实眼镜。大部分建筑行业从业者相信“大数据”和数字化将塑造建筑行业的未来，86%的人认为这些系统将显著提高建筑工地的及时性。

建筑机械制造商和供应商估计，CPS可使建筑工地的总成本降低20 - 30%。相关算法能使燃油成本降低40%以上，土方设备的移动时间减少50%。与已经采用工业4.0的行业相比，CPS可能使建筑行业的生产率提高三倍。

3. 农业领域精准农业（PA）概述

精准农业（PA）是一种基于CPS的全农场管理方法，旨在提高产量的同时确保生态可持续性。PA分为三个应用领域：
- 耕地精准农业（PF）
- 蔬菜、水果和葡萄种植中的PF
- 精准畜牧养殖（PLF）

本文主要关注耕地精准农业，因为它是农民中应用最广泛、最先进的领域。基于作物生长周期，关键技术在农业中的应用如下：

3.1 土壤准备

关键算法 ：可控交通耕作、特定地点土壤耕作
关键技术 ：定位系统、自动引导系统、集成信息和通信技术、地理测绘

土壤准备的主要目标是通过耕作或犁地，为作物快速发芽和出苗创造坚实、无杂草的苗床。在此过程中，会进行两个耕作步骤：
- 第一步控制工作深度，算法根据粘土含量、有机质含量、水成特性、土壤坡度以及在线测量的穿透阻力等数据来控制。
- 第二步减少土块大小，算法使用工作工具上的在线测量力作为控制参数。

例如，条带耕作是一种新兴技术，它只耕作20%的土壤，相比传统犁地，可减少操作次数，节省时间和燃料，还能减少行间自我繁殖和侵蚀。

3.2 播种

关键算法 ：可控交通耕作、特定地点播种
关键技术 ：变量率技术、地理测绘、定位系统、自动引导系统、集成信息和通信技术、传感器技术

精准农业在播种中的主要目标是提高产量和节省种子。算法根据地理地图（如土壤质地）控制种子率或种子密度，通过变量率技术将确定的种子密度应用于田间。播种深度可根据土壤质地或含水量进行控制，算法分别使用地理地图和在线测量距离（如超声波传感器）或土壤水分数据（如红外反射率或电阻测量）。执行器根据在线测量调整开沟器压力。

特定地点播种可使作物生长速度均匀，并在作物生长周期的第三步减少肥料的使用。

mermaid流程图展示农业作物生长周期：

graph LR
    A[土壤准备] --> B[播种]
    B --> C[作物管理]
    C --> D[收获]

3.3 作物管理

在作物管理阶段，作物需要灌溉、施肥和保护。网络物理系统（CPS）能够实现这些操作的特定地点执行，从而以更少的投入实现更高的产量。
- 关键算法 ：可控交通耕作、特定地点喷洒、特定地点杂草控制、精确灌溉管理
- 关键技术 ：变量率技术、地理测绘、定位系统、自动引导系统、集成信息和通信技术、传感器技术

为了实现特定地点的作物管理，对作物属性的感知必不可少。不同的传感器技术发挥着重要作用，例如利用可见光和红外反射率来估计叶片中的叶绿素浓度，或者通过红外反射率和热辐射获取作物水分供应的特定地点信息。在生长季节反复记录作物属性，有助于进行产量预测和改善作物管理。

通过近端和远程传感，可以在更短的时间间隔内记录更大面积的数据。将近端传感器应用于移动机器或机器人，能够实现实时的特定地点控制。例如，配备光学传感器的喷雾器可以进行杂草的点喷；霍恩海姆大学使用的用于侦察和监测的机器人以及阿马松公司的BoniRob用于植物表型分析的机器人，都是成功的应用案例。

远程传感可以通过卫星或无人机（UAV）实现。价格实惠且配备传感器的微型无人机在农业中得到了广泛应用，市场上已经有“PrecisionHawk”和“eBee”等产品。

特定地点喷洒，包括施肥、除草和病虫害防治，对可持续和经济的农业至关重要。以施肥为例，传统的均匀施肥可能导致某些区域肥料过多或过少，而在喷雾器上应用红外光传感器可以测量叶片中的氮含量，结合上一季的产量测绘数据等信息，通过算法和执行器确保在行进过程中提供最佳的营养量。再结合CPS的其他关键技术，如自动转向和GPS数据，可以减少田间喷洒区域的重叠。

精确农业技术还支持特定地点的灌溉，如地下滴灌（SDI）或中心枢轴灌溉系统。有效的灌溉管理需要准确监测田间代表性位置的土壤水分状况，新型的无线地下传感器网络无需在收获前移除，使灌溉过程更加自主。

3.4 收获

收获是农民最为关键的步骤之一，因为时机、速度和准确性在此至关重要。CPS是改善收获过程和实现高产量的关键。
- 关键算法 ：作业规划、导航、可控交通耕作、车队和作业管理、实时产量监测和测绘
- 关键技术 ：定位系统、自动引导系统、集成信息和通信技术、测绘、传感器技术

在收获过程中，需要管理不同的运输和收获机器。CPS通过将这些机器与传感器、集成通信工具和地理定位系统进行交联，实现机器之间的协同工作。车队管理算法评估所有车辆和过程状态的信息，以减少行驶距离、燃料消耗和工作时间，同时提供详细的工作过程文档。

另一个设想是使用小型无人机。有研究探讨了小型个体联合收割机作为远程控制群运行的概念，这种新的机器概念能够实现群操作，具有更强的鲁棒性（由于群元素的冗余性）和安全性（功率较小的车辆在控制失败时造成的损害较小），还能减少土壤压实。

收获时记录产量也非常重要。现代联合收割机具备产量监测功能，能够显示谷物质量流量和水分含量。结合定位系统，可以创建产量地图，用于制定作物轮作策略和确定特定地点的种子和肥料用量。实时监测技术还能对操作员的性能进行实时分析，及时为驾驶员提供机器操作的建议修正。

mermaid流程图展示收获相关流程：

graph LR
    A[机器管理] --> B[减少距离和消耗]
    B --> C[产量记录与分析]
    D[小型无人机设想] --> C

4. 农业领域CPS的未来潜力

农业领域中提到的各项技术目前已经处于先进水平，并且各自构成了一个CPS。这些技术还可以相互结合，形成更强大但也更复杂的CPS。精准农业依赖于信息密集型技术，未来这些技术将变得更加信息密集，并且需要更智能的处理方式。从精准农业向智慧农业的转变正是体现了这一趋势，智慧农业在精准农业的基础上，考虑了所有信息领域，具有更高的知识水平和自动化程度。

目前，CPS在农业中的关键技术贯穿了整个作物生长周期，提高了生产力，确保了可持续性，并带来了经济效益。未来，这些单一的关键技术将进一步交联和融合，形成更大的CPS，实现更多的自动化和自主性，甚至可能实现作物生长周期的自主处理。

从具体算法的应用效果来看，特定地点土壤耕作可减少高达50%的排放，并提高5%的生产力；特定地点喷洒可节省高达14%的肥料，平均产量提高达6%，为农民带来每公顷50 - 110欧元的经济效益；精确灌溉管理在夏季可使水分生产率提高25%。

预计到2025年，CPS在农业中的应用将使生产力提高15%。目前，大型农业公司和农场从CPS中受益最大，占据了当前市场的主导地位。随着CPS的进一步发展，小型农场和公司也将从中受益，甚至可能催生一个全新的产业领域。如今，许多涉足测绘行业或无人机技术的初创公司正在崛起，预计未来还会有专注于整合上述单一技术的新公司出现，进一步扩大市场份额。

5. 总结

网络物理系统（CPS）在建筑和农业机械领域具有巨大的应用潜力。在建筑领域，精准的维护规划能够提高资源利用率，减少机械停机时间。CPS相关技术的应用有望降低建筑工地总成本，提高建筑行业的生产率。在农业领域，精准农业通过一系列关键技术和算法，贯穿作物生长的各个周期，实现了产量提高、资源节约和可持续发展。未来，CPS在这两个领域将实现更高程度的交联和智能化，形成更复杂强大的系统，进一步提升生产效率和经济效益，为行业带来新的发展机遇。