DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.108676
تاريخ النشر: 2024-02-01
المؤلف: Martin Føre وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا مراقبة جودة المياه
نظرة عامة
تُعترف تقنية التوأم الرقمي بشكل متزايد كعنصر محوري في الانتقال إلى الصناعة 4.0، حيث تعمل كتمثيل رقمي للأصول المادية التي تدمج النماذج الرياضية مع بيانات المستشعرات في الوقت الحقيقي. بينما انتشرت تطبيقاتها عبر مختلف القطاعات، لا يزال استخدامها في تربية الأحياء المائية في مراحله الأولى. تهدف هذه الدراسة إلى تحديد المكونات الأساسية وطرق البناء لتوأم رقمي مصمم خصيصًا لتربية الأحياء المائية، مع تقييم المشهد التكنولوجي الحالي لتحديد العناصر الأساسية اللازمة لتطويره.
تقدم الدراسة دراسات حالة تركز على ثلاثة مجالات حيوية: ظروف الأكسجين في الأقفاص البحرية، مراقبة نمو الأسماك، والروبوتات وعمليات المركبات داخل الأقفاص. توضح هذه الأمثلة كيف يمكن الاستفادة من التقنيات الحالية والناشئة لإنشاء توائم رقمية فعالة في تربية الأحياء المائية. ويخلص المؤلفون إلى التأكيد على إمكانيات تقنية التوأم الرقمي لتسهيل التقدم في تربية الأحياء المائية، مقترحين مسارًا للتطوير المستقبلي يتضمن تحسين القدرات التشخيصية والتحكم الذاتي في حلقة مغلقة، مما يعالج التحديات الفريدة التي تواجه هذه الصناعة المتطورة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الأهمية المتزايدة للتوائم الرقمية كتقنية تحويلية عبر مختلف الصناعات، وخاصة في تربية الأحياء المائية. يُعرف التوأم الرقمي بأنه تمثيل رقمي يدمج النماذج الرياضية – سواء كانت قائمة على المعرفة أو مدفوعة بالبيانات – مع البيانات في الوقت الحقيقي من الأنظمة المادية. يتيح هذا الدمج تحسين القدرات لمراقبة وتوقع ديناميات النظام ودعم اتخاذ القرار، خاصة في البيئات الصعبة مثل تربية الأسماك، حيث تحدث العديد من العمليات الحيوية تحت الماء. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تطوير ممارسات فعالة لإدارة المزارع لمراقبة وإدارة إنتاج الأسماك، مشددة على إمكانيات تقنية التوأم الرقمي لمعالجة هذه التحديات.
تحدد المقدمة أيضًا تطبيقات محددة للتوائم الرقمية في تربية الأحياء المائية، مثل مراقبة مستويات الأكسجين المذاب، والتي تعتبر حاسمة لصحة الأسماك وإنتاجيتها. تشير إلى نموذج رياضي موثق يصف انتشار الأكسجين في الأقفاص البحرية، مقترحة أن هذا النموذج يمكن أن يكون أساسًا لتوأم رقمي يهدف إلى تحسين ظروف الأكسجين. علاوة على ذلك، تناقش الورقة أهمية تقدير الكتلة الحيوية لإدارة العمليات وإمكانية استخدام التوائم الرقمية لتعزيز كفاءة التغذية من خلال دمج البيانات في الوقت الحقيقي. أخيرًا، تتناول دور الروبوتات في تربية الأحياء المائية، مشيرة إلى الاهتمام المتزايد بأتمتة المهام التي تتطلب عمالة كثيفة وإمكانية استخدام التوائم الرقمية لتسهيل تطوير واختبار العمليات الروبوتية في البيئات البحرية الصعبة.
الطرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون المنهجية المستخدمة لمعالجة أسئلتهم البحثية المتعلقة بتطوير التوائم الرقمية لتربية الأحياء المائية. بدأوا بإجراء مسح شامل للأدبيات لتحديد المكونات الأساسية لإنشاء توأم رقمي يلبي ستة أدوار محددة. شمل ذلك تلخيص النتائج من ست دراسات رئيسية لاقتراح إطار عمل منظم لتوأم رقمي في تربية الأحياء المائية، موضحين الأدوات والمكونات اللازمة، وتحديد التطبيقات المحددة ضمن تربية الأحياء المائية والحقول ذات الصلة مثل الزراعة والزراعة المائية/الأكوابونيك.
استكشف المؤلفون أيضًا المكونات الرئيسية المطلوبة لتنفيذ التوأم الرقمي من خلال بحث أدبي مستهدف باستخدام كلمات رئيسية محددة تتعلق بتربية الأحياء المائية وأنواع المكونات (مثل “المستشعرات”، “رؤية الكمبيوتر”). أعطوا الأولوية للدراسات بناءً على الصلة والجودة والحداثة، مما أدى في النهاية إلى تحديد ثلاث دراسات حالة توضح تطبيق تقنية التوأم الرقمي في معالجة التحديات الصناعية في تربية الأحياء المائية. تركز هذه الدراسات على تحسين مراقبة الأكسجين في الأقفاص البحرية، وتعزيز المدخلات في الوقت الحقيقي حول نمو الأسماك وتطوير الكتلة الحيوية، واستخدام التوائم الرقمية كمنصات اختبار افتراضية لتطوير التكنولوجيا في سياق زيادة الأتمتة في تربية الأحياء المائية. يختتم القسم بتأملات حول الحالة الحالية وآفاق المستقبل لتقنية التوأم الرقمي في صناعة تربية الأحياء المائية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الأهمية المتزايدة لتربية الأسماك المكثفة، وخاصة في تربية الأحياء المائية، كمصدر حيوي للبروتين للسكان العالميين المتزايدين. بين عامي 2010 و2020، ارتفع إنتاج الأسماك العظمية العالمي من 38 إلى ما يقرب من 60 مليون طن (منظمة الأغذية والزراعة، 2022). تعزز تربية الأسماك المكثفة، التي تتميز بظروف ثقافة محكومة وتغذية آلية، جودة المنتج وقابلية توقع النمو، مما يلبي احتياجات السوق بينما يدير أيضًا التحديات المتعلقة برفاهية الأسماك وتأثيراتها البيئية (فور وآخرون، 2018). توسعت تربية الأسماك في الأقفاص، السائدة في أوروبا، بسرعة، مما يتطلب تحسين استراتيجيات المراقبة والإدارة بسبب حجم وتعقيد العمليات.
يتم تقديم مفهوم تربية الأسماك الدقيقة (PFF) كإطار لدمج التكنولوجيا والأتمتة في ممارسات تربية الأحياء المائية، مما يسهل التواصل الأفضل بين البحث والصناعة. تهدف PFF إلى تعزيز الكفاءة التشغيلية من خلال تقسيم عمليات تربية الأحياء المائية إلى مراحل قابلة للإدارة، مما يسمح بحلول تكنولوجية مستهدفة. تناقش الورقة إمكانيات تقنية التوأم الرقمي، التي تنشئ تمثيلات افتراضية للأصول المادية من خلال دمج بيانات المستشعرات في الوقت الحقيقي في النماذج الرياضية. يمكن أن تحدث هذه التقنية ثورة في تربية الأسماك من خلال تمكين المراقبة في الوقت الحقيقي، والنمذجة التنبؤية، والتحكم الأمثل في أنظمة الإنتاج. تهدف الدراسة إلى استكشاف جدوى تنفيذ التوائم الرقمية في تربية الأحياء المائية القائمة على الأقفاص، وتحديد الأدوات اللازمة، والفجوات المعرفية الحالية، والمسارات المحتملة للتطوير المستقبلي.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.108676
Publication Date: 2024-02-01
Author(s): Martin Føre et al.
Primary Topic: Water Quality Monitoring Technologies
Overview
Digital Twin technology is increasingly recognized as a pivotal component in the transition to Industry 4.0, serving as a digital representation of physical assets that integrates mathematical models with real-time sensor data. While its applications have proliferated across various sectors, its use in aquaculture remains nascent. This research aims to define the essential components and construction methods of a Digital Twin tailored for aquaculture, assessing the current technological landscape to identify foundational elements necessary for its development.
The study presents case studies focused on three critical areas: oxygen conditions in sea-cages, fish growth monitoring, and in-cage robotics and vehicle operations. These examples illustrate how existing and emerging technologies can be leveraged to create effective Digital Twins in aquaculture. The authors conclude by emphasizing the potential of Digital Twin technology to facilitate advancements in aquaculture, proposing a pathway for future development that includes enhanced diagnostic capabilities and closed-loop autonomous control, thereby addressing the unique challenges faced by this evolving industry.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the growing significance of Digital Twins as a transformative technology across various industries, particularly in aquaculture. A Digital Twin is defined as a digital representation that integrates mathematical models—both knowledge-based and data-driven—with real-time data from physical systems. This integration enables enhanced capabilities for monitoring, predicting system dynamics, and decision support, particularly in challenging environments like fish farming, where many critical processes occur underwater. The paper emphasizes the need for developing effective farm management practices to monitor and control fish production, highlighting the potential of Digital Twin technology to address these challenges.
The introduction also outlines specific applications of Digital Twins in aquaculture, such as monitoring dissolved oxygen levels, which are crucial for fish health and productivity. It references a validated mathematical model that describes oxygen propagation in sea cages, suggesting that this model could serve as a foundation for a Digital Twin aimed at improving oxygen conditions. Furthermore, the paper discusses the importance of biomass estimation for operational management and the potential for Digital Twins to enhance feeding efficiency through real-time data integration. Lastly, it touches on the role of robotics in aquaculture, noting the increasing interest in automating labor-intensive tasks and the potential for Digital Twins to facilitate the development and testing of robotic operations in challenging marine environments.
Methods
In this section, the authors outline the methodology employed to address their research questions regarding the development of Digital Twins for aquaculture. They began by conducting a comprehensive literature survey to identify essential components for creating a Digital Twin that fulfills six defined roles. This involved synthesizing findings from six key studies to propose a structured framework for a Digital Twin in aquaculture, detailing necessary tools and components, and identifying specific applications within aquaculture and related fields such as agriculture and hydroponics/aquaponics.
The authors further explored the main components required for Digital Twin implementation through targeted literature searches using specific keywords related to aquaculture and component types (e.g., “sensors,” “computer vision”). They prioritized studies based on relevance, quality, and recency, ultimately leading to the identification of three case studies that illustrate the application of Digital Twin technology in addressing industrial challenges in aquaculture. These case studies focus on improving oxygen monitoring in sea-cages, enhancing real-time inputs on fish growth and biomass development, and utilizing Digital Twins as virtual test benches for technology development in the context of increasing automation in aquaculture. The section concludes with reflections on the current state and future prospects of Digital Twin technology in the aquaculture industry.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the growing significance of intensive fish farming, particularly in aquaculture, as a vital protein source for the increasing global population. Between 2010 and 2020, global finfish production surged from 38 to nearly 60 million tonnes (FAO, 2022). Intensive fish farming, characterized by controlled culture conditions and mechanized feeding, enhances product quality and growth predictability, addressing market demands while also managing challenges related to fish welfare and environmental impacts (Føre et al., 2018). Cage-based farming, prevalent in Europe, has expanded rapidly, necessitating improved monitoring and management strategies due to the scale and complexity of operations.
The concept of Precision Fish Farming (PFF) is introduced as a framework to integrate technology and automation into aquaculture practices, facilitating better communication between research and industry. PFF aims to enhance operational efficiency by breaking down aquaculture processes into manageable phases, allowing for targeted technological solutions. The paper discusses the potential of Digital Twin technology, which creates virtual representations of physical assets by assimilating real-time sensor data into mathematical models. This technology could revolutionize fish farming by enabling real-time monitoring, predictive modeling, and optimal control of production systems. The study aims to explore the feasibility of implementing Digital Twins in cage-based aquaculture, identifying necessary tools, existing knowledge gaps, and potential pathways for future development.