Integrating grassland simulation models into a digital twin concept and life cycle

Abstract

Effektives Grünland- oder Weidemanagement ist essentiell für die Fütterung von Weidetieren.Diese Masterarbeit beschreibt wie Grünlandsimulationsmodelle in Digitale Zwillinge integriert werden können. Damit soll eine technische Lösung im Smart Farming erforscht werden, die es Bäuerinnen und Bauern ermöglichen kann ihr Grünlandmanagement zu unterstüzten und damit die Grünlandproduktivität zu steigern.Zu diesem Zweck befasst sich die erste Forschungsfrage damit, welche drei Grünlandmodell ein der Fachliteratur zur Zeit der Verfassung dieser Arbeit auf Google Scholar am meisten zitiert wurden. Eine systematische Literatursuche ergab die drei Grünlandsimulationsmodelle AgPasture (aus dem Framework APSIM), LPJmL4 und STICS. Aus diesen drei Modellen wurde durch eine Evaluierung hinsichtlich ihrer Transparenz und Bedienung das Model Ag Pasture aus APSIM für die weitere Arbeit ausgewählt.Das Konzept des Digitalen Zwillings wurde gestaltet, um zu beantworten wie ein Grünlandsimulationsmodell in Konzept und Lebenszyklus eines Digitalen Zwillings integriert werden kann. Das resultierende Konzept ist ein Architekturdesign eines Digitalen Zwillings,in dessen Mitte sich das virtuelle Grünlandmodell Ag Pasture befindet. Dieses Gesamtkonzept wurde anschließend in verkleinerter Form als Architektur für eine Proof-of-Concept Implementierung des Digitalen Zwillings verwendet, die Ag Pasture als virtuelles Abbild einer realen Weide integriert.Die Implementierung wurde mittels realer Daten ausgeführt, die vom Forschungspartner Jose Chapa Gonzales von der Abteilung Bestandsbetreuung der Universitätsklinik für Wiederkäuer der VetMed Uni Wien zur Verfügung gestellt wurden. Die erfolgreiche Ausführung konnte zeigen, dass die Integration von Ag Pasture als Grünlandsimulationsmodell in einem solchen Digitalen Zwilling-Konzept möglich ist.Eine zukünftige Verbesserung des derzeitigen PoC könnte die Entscheidungshilfeservices für das Grünlandmanagement aus dem kompletten konzeptuellen Design einarbeiten. Um den gesamte Lebenszyklus des Digitalen Zwillings zu realisieren, muss die notwendige Sensorinfrastruktur in die physischen Weiden und Wetterstationen installiert werden.Damit können Datenmessungen automatisch und regelmäßig durchgeführt werden, um dem virtuellen Modell aktuelle Daten zu übergeben.

Informed grassland or pasture management is essential for farmers that depend on the grass for feeding their livestock. This thesis describes the investigation on how grassland simulation models could be integrated into Digital Twins. The resulting insights should pave the way for smart farming solutions to help farmers with their grassland management there by improving grassland productivity.To that end, the first research objective aimed at finding out which three grassland simulation models were most cited in Google Scholar at the time of writing. A systematic literature search was performed and resulted in the three grassland simulation modelsAgPasture (from the APSIM modeling framework), LPJmL4 and STICS. Upon evaluationof the models regarding their transparency and operation, APSIM with AgPasture waschosen for the integration into a Digital Twin concept.The Digital Twin concept was designed to answer the second research question of how a grassland simulation model can be integrated into a Digital Twin concept and life cycle.The resulting full concept architecture was stripped down to a smaller architecture for the implementation of a Proof-of-Concept Digital Twin system with Ag Pasture as the virtual model of a physical pasture. This implementation was tested with real world data provided by research partner Jose Chapa Gonzales from the Unit of Herd Health Management at the Vetmed University of Vienna. A successful implementation execution was able to show that the integration of Ag Pasture as a grassland simulation model is possible within such a Digital Twin concept.Future work could improve the current PoC by including the grassland management decision support services from the full concept design. Additionally, the full Digital Twinlife cycle could be realized by installing the necessary sensor technology infrastructure at the physical pasture site to provide automatic and regular data measurements for up-to-date input to the virtual model.