综述：数字孪生在果园管理中应用的机遇与挑战

《Computers and Electronics in Agriculture》：Opportunities and challenges in the application of Digital Twins for orchard management

　　本综述系统梳理了数字孪生（DTs）作为果园管理新兴工具的潜力，指出其通过物联网（IoT）、人工智能（AI）等技术构建物理果园的虚拟映射，实现数据驱动决策，尤其在采收优化、灾害响应等环节展现价值，但当前仍处探索阶段，面临生物过程建模复杂、通信带宽受限等挑战。

　　

数字孪生（Digital Twins, DTs）作为一种创新工具，正为数据驱动的果园管理开辟新的可能性。其核心在于构建物理果园实体的虚拟副本，并实时集成传感器数据与预测模型，从而优化资源分配与决策过程。然而，与一般农业或一年生园艺系统不同，果树生产受固定季节性周期约束，难以在周期外进行实验或干预。加之果树的多年生特性、复杂冠层结构和长生产周期，进一步增加了果园管理的复杂性和变异性。

概念起源与定义

数字孪生的概念最早可追溯至21世纪初，由Michael Grieves与美国国家航空航天局（NASA）的John Vickers共同提出。Grieves将其构想为包含三部分：现实空间中的物理产品、虚拟空间中的虚拟产品，以及连接二者的数据流。在果园管理语境下，数字孪生并非静态的系统表示，而是能够基于实时或模拟数据进行持续监测、未来行为预测（时间尺度依应用而定）的动态工具，旨在提升生产效率、安全性与可持续性。

果园数字孪生的使能与制约因素

尽管数字孪生在农业领域的益处得到认可，但其在实际果园环境中的应用步伐仍慢于工业制造业。这主要源于两大挑战：首先，不同于受明确物理原理支配的制造系统，果园生物过程尚未得到充分建模；其次，大规模果园在有限通信带宽下产生海量数据，亟需边缘计算（Edge Computing）等技术进行本地处理。其发展依赖于一系列使能技术的成熟与融合，包括物联网（IoT）、人工智能（AI）、云计算、边缘计算、扩展现实（XR）、通信技术及区块链等。

应用现状与趋势

文献分析表明，果园数字孪生的应用目前仍处于探索阶段。现有应用主要集中在核果类（如苹果、樱桃、梨）、藤本植物（如葡萄、猕猴桃）及柑橘和热带水果（如柑橘、芒果、荔枝）果园。应用场景覆盖果园建立、日常作业、产量预测与优化、机器人采收、自然灾害响应及果园库存管理等领域，其中采收作业是当前的研究焦点。

值得注意的是，数字孪生已被用于优化特定果园流程，例如模拟喷雾滴在冠层内的运动，以支持喷洒设备的设计。然而，涉及控制系统的应用实例尚属罕见。现有果园数字孪生模型开发中观察到的共性表明，标准化或通用数字孪生模型具有支持扩展自动化操作的潜力。

未来展望与挑战

展望未来，果园数字孪生的推广面临建模精度、数据集成、成本效益平衡等挑战。超越常规管理，其在自然灾害响应等领域的潜在应用亦被强调，为成本共担和更广泛的跨部门效益提供了机遇。推动其发展的关键驱动因素包括劳动力短缺、对可持续实践的需求以及自动化技术的进步。一个值得期待的方向是开发通用数字孪生平台，以支持多家果园自动化设备供应商的集成，从而促进技术的广泛采纳和互操作性。

结论

综上所述，数字孪生为果园管理提供了强大的数据驱动支持框架。尽管当前应用尚处早期，但其在优化决策、提升效率、应对不确定性方面的潜力巨大。未来的成功依赖于对果园特定生物过程的深入理解、使能技术的持续创新以及跨学科的合作，以克服现有挑战，充分释放数字孪生在推动智慧果园发展中的价值。