Digitale kopie van The Greenhouse: Digital-Twins in Horticulture

Digital Twin: Het kan eenvoudig zijn, zoals een kaart van een kas met realtime informatie, of gedetailleerder, zoals een virtuele rondleiding waarbij je 3D-modellen van planten kunt bekijken.

De tuinbouw wordt steeds meer datagestuurd en maakt steeds meer gebruik van innovatieve digitale technologieën, zoals cloud computing, Internet of Things, machine learning en robotica.

Bij de Greentech in Amsterdam was dit heel duidelijk. Op één na waren bijvoorbeeld alle genomineerde innovaties digitale data-oplossingen. Bessen, een oogstrobot voor aardbeien, won de conceptprijs. Andere genomineerden waren een sensornetwerk van digitale insectenvallen (Trap-Eye), een autonoom teeltsysteem voor binnenlandbouw (Gronos), en een softwaretool om CO2-voetafdrukken te berekenen (HortiFootprint-rekenmachine). Op de stands werden ook veel digitale oplossingen gepromoot. Een kleine selectie: broeikasdrones (VERLEDEN, Corvus), robots voor het oogsten van tomaten (de winnaar van de Robot Challenge) GroW, en EGA Matic), sensoren voor het meten van plantstress (Levend) en bladtemperatuur (Sigrow), detectiesystemen voor digitale fenotypering (Hiphen), rendementsvoorspellingen op basis van computervisie (Opbrengstcomputer, ecatie), autonome teeltsystemen (Blauwe Radix, IO-gewassen, Koidra), en nog veel meer.

Op afstand kweken met Digital Twins

Deze technologische ontwikkelingen veranderen de tuinbouwproductie ingrijpend.

In plaats van dat ervaren telers persoonlijk de toestand van het gewas in de gaten houden ('management by walking around'), kunnen teeltbeslissingen worden gebaseerd op realtime gegevens en intelligente algoritmen.

Telers kunnen hun activiteiten op afstand monitoren en besturen, mogelijk gemaakt door zogenaamde Digital Twins. Zo'n virtuele tweeling is een digitale kopie van bijvoorbeeld een kas die gekoppeld is aan de echte kas en continu wordt bijgewerkt.

Een Digital Twin kan worden verrijkt met slimme algoritmen en machines of robots kunnen met elkaar worden verbonden. Zo krijgen telers via de Digital Twin meldingen als er (verwachte) problemen zijn en kunnen ze vanachter hun bureau of smartphone de situatie in de kas bekijken door de betrokken planten of machines digitaal te bekijken. Ze kunnen de Digital Twin ook gebruiken om de effecten van interventies vooraf digitaal te simuleren, vervolgens op afstand de beste actie te ondernemen en daarna te controleren of het probleem daadwerkelijk is opgelost.

Wat zijn Digital Twins?

De term Digital Twin werd in 2012 door NASA geïntroduceerd voor het 'spiegelen' van de exacte toestand van een echt ruimtevoertuig tijdens een missie. In essentie is een Digital Twin dus een virtuele, digitale weergave van een fysiek object, daar in (bijna) realtime aan gekoppeld. Deze weergave kan een eenvoudig overzicht zijn van bijvoorbeeld een kas met live data. Het kan ook een realistische omgeving zijn, waar je bijvoorbeeld virtueel door de kas kunt lopen en 3D-planten kunt inspecteren. Maar alle Digital Twins hebben deze vijf kenmerken:

1. Tijdigheid: een Digital Twin vertegenwoordigt zijn fysieke tweelingbroer in (bijna) realtime, veranderingen van het fysieke object worden (onmiddellijk) geïdentificeerd en gesynchroniseerd en omgekeerd;
2. Trouw: de betrouwbaarheid en veiligheid van een Digital Twin moet onbetwistbaar zijn, zodat je blind kunt vertrouwen op Digital Twins voor de besluitvorming;
3. Integratie: een Digital Twin integreert verschillende soorten gegevens van het fysieke object en zorgt voor een eenduidige weergave ervan;
4. Intelligentie: Digital Twins reflecteren niet alleen objectgegevens, maar gebruiken ook algoritmen voor het beschrijven, analyseren en voorspellen van het gedrag van de fysieke tegenhanger;
5. Complexiteit: Digital Twins kan verschillende fysieke objecten met verschillende granulariteitsniveaus weerspiegelen, variërend in de tuinbouw van de genetica van individuele planten tot een bedrijf of waardeketen.

Hoewel de term Digital Twin een nieuw modewoord lijkt, beschouw ik het als een voortdurende ontwikkeling van slimme, datagestuurde tuinbouw. In de praktijk bestaan er al Digital Twins, al worden ze vaak nog niet zo genoemd. EEN literatuuronderzoek van een van mijn studenten aan de Wageningen Universiteit laat zien dat de meeste nog steeds relatief 'eenvoudige' Digital Twins zijn die zich richten op bewaking en bediening op afstand. Er zijn echter meer 'geavanceerde' Digital Twins in opkomst, zoals voor (bijna) realtime voorspellingen.

Een andere conclusie van het onderzoek is dat Digital Twins in de tuinbouw zich nu vooral richt op teeltmanagement in de kas met betrekking tot klimaat, energie en verlichting. Er is nog steeds weinig onderzoek gedaan naar Digital Twins voor individuele planten, hoewel dat detailniveau belangrijk is voor bijvoorbeeld de veredeling. Volledig afwezig in de review waren Digital Twins voor de bedrijfsprocessen en de prestaties van tuinbouwbedrijven als geheel.

Bedrijfsgegevens zijn cruciaal

Digital Twins dienen als een middel om bedrijfsresultaten te verbeteren, in plaats van een einddoel te zijn. Ik voorzie een gelaagde Digital Twin voor de toekomst, die bedrijfs-, teelt- en individuele planten omvat. Een managementdashboard toont realtime en verwachte bedrijfsprestatie-indicatoren, waarbij gegevens van ERP-systemen, kas-/veldautomatisering en externe bronnen worden geïntegreerd. Door AI aangedreven algoritmen simuleren de prestaties en maken diepgaande analyses mogelijk van specifieke processen, locaties, variëteiten en productiepartijen.

Voor de teelt kun je inzoomen op een Digital Twin van een kas met minder dan geplande opbrengsten. Hier kunnen telers klimaatomstandigheden, teeltvariabelen, plantenfysiologie (bijv. stress) en genetische profielen van referentieplanten beoordelen. Verschillende Digital Twins bieden beslissingsondersteunende instrumenten, waarbij acties worden aanbevolen, zoals het vrijlaten van 8.000 roofmijten in specifieke gebieden via een drone na goedkeuring van de teler.

Overigens zal de Greenhouse Digital Twin de meeste teeltactiviteiten autonoom beheren, op basis van vooraf bepaalde normen. Hierdoor kunnen telers zich richten op uitzonderingen en de zakelijke kant van de teelt.

'Layered' Digital Twins vraagt om geïntegreerde bedrijfssoftware

De virtualisatie van de tuinbouw met Digital Twins lijkt nu in een stroomversnelling te komen en zal een grote impact hebben op de productiviteit, efficiëntie, kwaliteit en duurzaamheid.

Naar mijn mening is het succesvolle Autonome broeikasuitdaging is heel voorbeeldig. In dit geval besturen de deelnemende teams de teelt in hun compartiment volledig op afstand op basis van sensorgegevens en slimme algoritmen.

De winnaar (sla) had dit jaar een 30% hogere nettowinst dan ervaren telers. Vorig jaar (cherrytomaatjes) presteerden alle teams veel beter, waarbij de nettowinst van de winnaar meer dan verdubbelde. Digital Twins kan de kennis van tuinbouwexperts benutten en helpen het tekort aan groen personeel aan te pakken. Ze zijn een veelbelovend instrument voor het beheer van internationale productielocaties. Verwacht dat Digital Twins een grotere rol zal spelen in bedrijfsbeheer, met onderling verbonden niveaus van bedrijf tot fabriek. Dit vereist echter betrouwbare gegevensintegratie, waaronder teelt-, plant-, bedrijfs- en externe gegevens, en een goed geïntegreerd bedrijfsbeheersysteem.