Цифровое земледелие (Digital Farming) – преемник точного (Precision Farming)

В настоящее время наряду со словосочетанием «Цифровая экономика» появилось словосочетание «Цифровое земледелие» (Digital Farming). Цифровое земледелие описывает эволюцию сельского хозяйства и сельскохозяйственной техники от точного земледелия (ТЗ, Precision Farming) до систем сельскохозяйственного производства, основанных на современных знаниях. Цифровое земледелие использует технологию Precision Farming, кроме того, использует интеллектуальные сети и инструменты управления данными.
Цель Digital Farming – применять всю имеющуюся информацию и экспертизу для автоматизации технологических процессов в сельском хозяйстве. Точное земледелие началось, когда сигналы GPS стали доступны для широкого потребителя. В сочетании с телематикой и управлением данными ТЗ повышает точность операций и позволяет управлять вариабельностью параметров плодородия внутри поля. Цель ТЗ состоит в том, чтобы дать каждому растению то, что ему нужно для оптимального роста, при одновременном сокращении затрат (больше производить продукции с меньшими затратами»).
В начале 2010-х годов возможности ТЗ были расширены благодаря продвижению новых технологий, таких как дешевые и улучшенные датчики и микропроцессоры, высокоскоростная сотовая связь, облачные системы, ИКТ и анализ больших данных. В результате этого, данные больше не поступают только от используемого сельскохозяйственного оборудования, но предлагаются новые услуги с новыми алгоритмами для преобразования данных в эффективный интеллект. Цифровое земледелие по своей структуре аналогично уже используемой концепции «Промышленность 4.0». Однако технологические процессы сельскохозяйственного производства несколько отличаются от промышленных процессов, поскольку сельское хозяйство в значительной степени определяется природными и биологическими факторами. Поэтому мы используем термин «Цифровое земледелие».
Сфера «Цифрового земледелия» охватывает все аспекты сельского хозяйства. Однако основное внимание в настоящей статье уделяется первичной продукции в растениеводстве и животноводстве. Первичное производство в основном реализуется фермерами и сельскохозяйственными подрядчиками (далее именуемыми «конечные потребители»). Вследствие сложности процессов сельскохозяйственного производства в Цифровом земледелии возникает множество вовлеченных деловых партнеров и различные источники информации, обширные и дифференцированные структуры связи.

Чтобы сделать Цифровое земледелие реальным, должны быть в наличии два основных условия. Первое, умные машины: машины должны быть способны принимать, отправлять, генерировать (через датчики) и обрабатывать данные. Второе, подключенные машин: коммуникационные и интерфейсные стандарты должны обеспечивать беспрепятственный обмен данными между машинами, с деловыми партнерами, а также между порталами.
В настоящее время фермеры уже располагают большим объемом данных. Цель Цифрового земледелия использовать эти данные для получения добавленной стоимости. Цифровое земледелие делает другие инструменты ТЗ эффективнее. Например, технология дифференцированного внесения удобрений (Variable Rate Technology (VRT)), основанная на отборе проб почвы, первоначально была ограничена отбором образцов почвы, их анализом и составлением электронных карт распределения элементов питания NPK, была существенно улучшена с помощью данных о вариабельности урожайности по полю, получаемых при помощи мониторов урожайности (Yield Monitors).
Следующим шагом является улучшение карт-заданий для дифференцированного внесения удобрений с помощью алгоритмов, основанных на данных по нескольким полям, и с учетом параметров, не связанных непосредственно с самим полем, таких как характеристика семян и условия окружающей среды.
Цифровое земледелие позволяет улучшить производственные процессы посредством автоматизированного сбора и целенаправленного анализа данных для повышения уровня прозрачности и улучшения оценки текущей ситуации, предоставляя новые возможности для оперативного управления. Для обработки данных и, в частности, их анализа, экспертные системы доступны конечному потребителю, чего было бы трудно или невозможно достичь для отдельных ферм посредством внутренней обработки данных. Другими словами, фермеры теперь могут использовать неизвестные до сих пор знания, поступающие от внешних партнеров.
Сетевое взаимодействие с внешними партнерами, и в частности, автоматизированная интеграция информации и данных, ведет к значительно более широкой базе знаний и, следовательно, к более обоснованному и быстрому принятию решений. Алгоритмы решения создаются на основе данных, собранных в других областях производственной цепочки.
В рамках Цифрового земледелия производится оптимизация выбора семенного материала с учетом полевых условий и окружающей среды, оптимизируется оборудование для работы. Данные используются для повышения эффективности этих входных продуктов за счет дополнительных услуг.
Цифровое земледелие уже является реальностью в некоторых областях: например, системы GPS-навигации для управляемого сельского хозяйства, точного внесения удобрений на конкретные участки или меры по защите растений в рамках полного цикла производства с использованием обратной связи. Это автоматизированная обработка данных и полностью интегрированные, гармонизированные сети представляют не столь отдаленное будущее для сельскохозяйственного производства. Для реализации такого будущего необходимы целенаправленные усилия всех заинтересованных сторон.
Одной из отраслей, обслуживающей фермеров и сельскохозяйственных подрядчиков, является сельскохозяйственное машиностроение, которое полностью отвечает идее внедрения цифрового земледелия и постоянного ее совершенствования и развития.
Производители сельскохозяйственных машин ориентируются, в первую очередь, на разработку высокоэффективных машин, которые подходят для Цифрового земледелия. Другими словами, индустрия фокусируется на разработке машин, которые совместимы с цифровой инфраструктурой фермы и могут внести необходимый вклад в оптимизацию производственных процессов.

Цифровые интеллектуальные сельскохозяйственные машины должны:
- иметь возможность отправлять и получать информацию с помощью соответствующих датчиков и коммуникационного оборудования;
- облегчать автоматизированные операции;
- обеспечивать оптимальное использование механизмов, и оборудования;
- помогать механизатору качественно выполнять технологические операции.
Принимая во внимание, что в прошлом основной упор в отрасли был сделан на оптимизацию самой сельскохозяйственной машины, теперь внимание постепенно переместилось на оптимальную интеграцию сельскохозяйственной машины в производственную систему (оптимизацию процесса).
Кроме того, производители сельскохозяйственных машин переходят с аппаратного на сервисно-ориентированный подход. Данные не только предоставляют дополнительные услуги для производства, но также позволяют службам повысить производительность технических средств. Данные позволяют сделать оборудование более подходящим для работы, с улучшенным обслуживанием, чтобы увеличить время бесперебойной работы машины и сократить незапланированные простои, тем самым снижая эксплуатационные расходы фермера.

Для того чтобы производители сельскохозяйственной техники могли продвигаться по этому пути развития, важно получить, при условии согласия конечного потребителя, доступ к данным, связанным с сельскохозяйственной техникой, чтобы поддерживать использование машин, например, путем предоставления данных для оптимизации оборудования, что позволит:
- оптимизировать проектирование машинного оборудования по данным его использования;
- облегчить связь между машинами, что позволит машинам связываться друг с другом через порталы данных и снабжать их дополнительными знаниями о процессе для повышения эффективности;
- распознавать дополнительные потребности, например, в отношении функциональности или подготовки механизаторов-операторов;
собирать данные из систем управления, например, оптимизировать составление карт-заявок на посев семян, применение удобрений и средств защиты растений;
- использовать полученные данные для документирования проделанной работы, например, через карты урожайности и текущие карты состояния посевов.
Для достижения этих целей производители сельскохозяйственной техники будут взаимодействовать с порталами данных, чтобы обеспечить возможность обмена ими. При необходимости порталы также могут предлагаться самими производителями.

Для обеспечения устойчивого использования со стороны фермеров важно:
- наличие разных систем данных, связанных друг с другом;
- умение показать клиентам, как владельцам данных, как определить объем, тип данных (например, о почве, доходности, оборудовании) период времени и партнеров, с которыми они хотят обмениваться с помощью порталов;
- наличие обработки данных происходящей прозрачным образом.
Элементы данных должны быть четко определены.
Для конечных потребителей основным преимуществом Цифрового земледелия является большая информационная база, полученная от датчиков, машин и других источников.

Конкретные преимущества могут быть обеспечены за счет использования порталов данных, например:
- интегрированный дизайн решений обработки данных производства означает, что данные (например, основные) должны вводиться и поддерживаться только один раз;
- сбор данных может быть автоматизирован без необходимости конечного пользователя вставлять данные вручную;
- качество согласованных данных повышается за счет повышения качества принятия решений;
- снижение сложности поддержки (и затрат на нее) для внутренней обработки данных;
- более быстрое использование высокоэффективных технологий;
- без дополнительных капиталовложений, профессиональные поставщики порталов имеют высокие стандарты безопасности в отношении защиты и безопасности данных;
- мобильность данных значительно увеличивается, например, информация о производстве доступна непосредственно в поле.
Для производителей сельскохозяйственной техники сетевое взаимодействие с порталом данных также может обеспечить дополнительные преимущества, такие как: 
- использование данных от транспортных средств и участников цепочки создания стоимости для оптимизации производства продукции и внутренних процессов в хозяйстве;
- повышение эффективности работы машин с точки зрения затрат на производство и охраны окружающей среды посредством интеллектуальных сетей;
- оптимизация процесса поддержки дилерской деятельности;
- расширение предложений продукции в службах, связанных с оборудованием или агрономическими процессами, например, в областях обслуживания машин, консультационных услуг и т. д.
В обмен на данные фермеры получат сельскохозяйственное оборудование, которое: 
- увеличит время безотказной работы и сократит время незапланированных простоев;
- улучшит функции автоматизации для снижения затрат на производство.
При использовании порталов данных для конечных пользователей важно, чтобы они не ограничивались рамками принятия решений и располагали всеми необходимыми инструментами для извлечения пользы.

При выборе портала данных им следует изучить следующие критерии выбора:
- защита персональных и операционных данных от физических и логических ошибок, а также от несанкционированного доступа;
- прозрачность в управлении данными и контролем доступа;
- проектирование возможностей, открытость портала данных партнерам (например, через перекрестные стандарты производителя) и возможность добавления или отказа от партнеров;
- модульная концепция, допускающая поэтапную реализацию;
- обеспечение постоянной доступности и производительности портала данных;
- автоматизация передачи данных;
- поддержка на месте партнерами сервисной службы;
- переносимость данных;
- использование стандартов;
- предпосылки для организации внутренней обработки данных с помощью портала данных;
- последовательная необходимость обмена данными между порталами.
Для сельскохозяйственного машиностроения жизненно важно, чтобы конечный потребитель, например «фермер», мог свободно выбирать между отдельными продуктами и мог комбинировать машины разных производителей. Это достигается с помощью унифицированных стандартов интерфейса (например, трехточечной сцепки или соединения ISOBUS между трактором и орудием).

Эта свобода выбора с точки зрения свободного выбора при покупке техники и использования программных приложений, имеющих отношение к ориентации фермы, также необходимо поддерживать для конечных потребителей в рамках Цифрового земледелия. Для того чтобы сельское хозяйство 4.0 стало реальностью и в полной мере реализовало свои преимущества в смысле добросовестной конкуренции на всех уровнях (производителей, дилеров и фермеров) и стимулирования инноваций и конкурентоспособности, помимо всего прочего, необходимы стандартизированные интерфейсы для связи (устройства, машины, FMIS, облачная платформа).

Для обеспечения связи между компьютерами широко используется AgGateway. AgGateway считаются ключевым игроком, способствующим интероперабельности в основной цепочке сельскохозяйственного производства. На протяжении последних десятилетий ISO-11783 (ISOBUS) является де-факто стандартом между тракторами и орудиями различных марок. Создан Фонд электроники сельскохозяйственной промышленности (AEF), независимая международная организация, для внедрения и дальнейшего совершенствования ISOBUS.

Но со временем его работа расширилась и включает в себя другие важные области, такие как электрические приводы, системы камер, информационные системы управления фермой, высокоскоростная система ISOBUS и беспроводная связь на местах, разработка руководств и передача полученных знаний на уровень ISO. В настоящее время более 190 членов поддерживают и активно сотрудничают в рамках AEF.

Помимо обмена конкретными сельскохозяйственными данными, касающимися полевых и посевных операций, также необходимо стандартизировать обмен данными о транзакциях с другими участниками цепочки поставок. AgGateway является признанной международной организацией, предоставляющей возможности использования информационных и коммуникационных технологий для сельского хозяйства. AgGateway стремится расширить использование стандартов и руководящих принципов электронного бизнеса на глобальном уровне в рамках концепции сотрудничества. AgGateway собирает и распространяет «то, что сработало» в различных регионах мира, используя интеллектуальную собственность

AgGateway, чтобы продвигать глобальный электронный бизнес и сотрудничать с необходимыми стандартами, в которых существуют конкретные потребности. AEF и AgGateway объединили усилия, чтобы сделать стандарт обмена данными будущим доказательством для Цифрового земледелия. Дополнительное значение сотрудничества между AEF и AgGateway заключается в объединении различных областей знаний. Это позволяет охватить всю область цифрового земледелия.
Права на данные – Обеспечение владения данными фермерами (через публичное правовое регулирование и договорное право);
Соединение – соответствующая цифровая инфраструктура (например, покрытие сети и скорость передачи);
Возможность – возможность доступа к существующим базам данных (для климата / погоды, почвы и т. д.).
Цифровые навыки – обучение, инструменты, сетевое взаимодействие с клиентами, техников по обслуживанию, консультантов; 
Согласование политики для внедрения технологий сельского хозяйства 4,0.
Определение терминов:
Сельское хозяйство 1,0 Ситуация в начале 20-го века. Трудоемкая система сельского хозяйства с низкой производительностью. Оно было в состоянии накормить население, но потребовало, чтобы огромное количество мелких хозяйств и третья часть населения были активными в процессе производства первичной сельскохозяйственной продукции.
Сельское хозяйство 2.0 – Широко известное как «Зеленая революция». Этот этап сельского хозяйства начался в конце 1950-х годов, когда агрономические методы управления, такие как добавление азота и новые инструменты, такие как синтетические пестициды, удобрения и более эффективные специализированные машины, позволили использовать относительно дешевые ресурсы, таким образом, резко увеличивая потенциал урожайности и растущую отдачу от масштаба производства на всех уровнях.
Сельское хозяйство 3.0 «Точное земледелие» началось после того, как GPS-сигналы стали доступны для общественного использования.
Precision Farming включает в себя:
Позиционирование агрегатов: первые пользователи в середине 1990-х годов использовали GPS-сигналы для ручного управления. Они построили дальше технологию, используемую при дифференцированном внесении удобрений и химических средств защиты. Первые решения автоматического управления агрегатов появились в конце 90-х годов. В течение 2000-х годов точность вождения была улучшена до 1 см.
Мониторинг и контроль: в течение 1990-х годов зерноуборочные комбайны были оснащены мониторами урожайности, основанными на местоположении GPS. В то же время началось широкое применение технологий дифференцированного внесения удобрений (VRA). Низкие цены на удобрения и высокие технологические издержки изначально ограничивали внедрение этих технологий.
Телематика: телематика – это технология, используемая для мониторинга парка транспортных средств. Она появилась в начале 2000-х годов и основывалась на технологии сотовой связи и позволяла оптимизировать логистические процессы в сельскохозяйственном производстве.
Управление данными: программное обеспечение для сельского хозяйства стало широко доступным с момента рождения ПК в начале 80-х годов.
Сельское хозяйство 3.0 можно рассматривать как постепенное внедрение все более совершенных и зрелых технологий точного земледелия. Основное внимание уделяется чистой эффективности с точки зрения сокращения затрат и повышения рентабельности, которые можно рассматривать как объективный и творческий поиск путей снижения затрат и повышения качества или разработки дифференцированных продуктов. Ключевым является внедрение интеллекта.
Сельское хозяйство 4.0 Новый импульс в прецизионном сельском хозяйстве можно наблюдать в начале 2010 года на основе эволюции нескольких технологий:
– низкозатратных микропроцессоров
– большей аналитики данных. 
С 2010 года интеллектуальные технологии также все чаще используются в качестве стандартных функций на тракторах, комбайнах и другом оборудовании, например: системные устройства управления (бортовые компьютеры); расширенные возможности автоматизации (руководство, размещение семян, распыление).

Кроме того, появились следующие новые дополнения:
- физические процессы дополняются нефизическими услугами с новыми алгоритмами, которые разрабатываются для преобразования данных с целью - повышения эффективности, снижения риска и ограничения уязвимости от внешних воздействий, таких как поломка машин, погода и болезни.
- Сельскохозяйственные экосистемы, включающие платформы, которые объединяют данные из нескольких источников, будь то датчики или оборудование, в полевых / фермерских или внешних источниках. Фермер контролирует свои операции с приборной панели с информацией в режиме реального времени или почти в реальном времени и принимает решения на основе количественных гипотез для увеличения финансового результата.
- Сотрудничество между различными игроками в сельскохозяйственной и пищевой цепочке. Цифровые данные объединяют участников экосистемы, чтобы обеспечить эффективность цепи поставок продуктов питания. На основе одних и тех же данных поставщики услуг предлагают различные услуги различным заинтересованным сторонам. В результате сельскохозяйственная техника стала одним из многих элементов в полной производственной системе, хотя и чрезвычайно важной. Это не только самый большой генератор данных, но и исполнитель планов и карт, созданных платформами данных и агрономическими моделями. Эта эволюция происходит параллельно с аналогичными эволюциями в промышленном мире, где она отмечена как «Промышленность 4.0», основанная на видении будущего производства.
Соответственно, термин «Сельское хозяйство 4,0» теперь часто используется в сельском хозяйстве. В терминах определений, «Сельское хозяйство 4.0», по аналогии с Промышленностью 4.0, означает интегрированную внутреннюю и внешнюю сеть операций в аграрном производстве. Это означает, что информация в цифровой форме существует для всех секторов и процессов такого производства. Связь с внешними партнерами, такими как поставщики и конечные потребители, также осуществляется в электронной форме и передача, обработка и анализ данных (в основном) автоматизированы. Использование интернет-порталов может облегчить обработку больших объемов данных, а также организацию сети внутри хозяйства и с внешними партнерами. Другие часто используемые термины – «Умное сельское хозяйство» и «Цифровое земледелие». Они основаны на появлении умных технологий в сельском хозяйстве. Умные устройства состоят из датчиков, исполнительных механизмов, цифровой мозговой и коммуникационной технологии. Чтобы не путать существующие термины, термин «Цифровое земледелие» использовался во всем этой статье, ссылаясь на более позднюю эволюцию в области точного земледелия на основе цифровых данных и управления данными. Сельское хозяйство 4.0 открывает путь к следующей эволюции сельского хозяйства, состоящей из беспилотных операций и автономных систем принятия решений. Такое Сельское хозяйство 5.0 будет основываться на робототехнике и (в некоторой форме) искусственном интеллекте.
Г.И. Личман, И.Г.Смирнов (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ),
А.А. Личман (ФГБНУ ВИАПИ),
А.И. Беленков (РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)    f