Ce protocole présente une stratégie de modélisation et d’optimisation cyber-physique intercalées pour une gestion intelligente des serres, permettant une évaluation reproductible de la fiabilité et de la performance écologique.
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Ce protocole présente une stratégie de modélisation et d’optimisation cyber-physique intercalées pour une gestion intelligente des serres, permettant une évaluation reproductible de la fiabilité et de la performance écologique.
La demande alimentaire croissante et les contraintes climatiques favorisent la mise en œuvre d’une agriculture intelligente, mais les systèmes cyber-physiques (CPS) existants manquent d’une intégration inter-couches fiable et de flexibilité en temps réel, limitant la performance dans des environnements dynamiques. Ce protocole vise à fournir une stratégie de modélisation et d’optimisation cyber-physique intercalée pour une agriculture intelligente en serre. Il démontre un potentiel d’applicabilité pour améliorer la fiabilité et l’adaptabilité des systèmes cyberphysiques agricoles. L’approche intègre une couche physique avec le modèle de continuum sol-plante-atmosphère et l’étalonnage du filtre de Kalman Ensemble (EnKF) pour une prévision précise de l’humidité du sol. Il inclut une couche réseau utilisant la fusion multi-protocole avec la modélisation stochastique du réseau de Petri pour évaluer la fiabilité des communications. Une couche de contrôle s’appuie sur un système hybride stochastique pour coordonner la prise de décision conjointe. La fiabilité est également évaluée à travers un cadre d’indicateurs fonctionnels-temporels-écologiques, tandis que l’optimisation combine l’apprentissage par renforcement multi-objectifs avec des contraintes de sécurité et un méta-apprentissage bayésien pour permettre une adaptation rapide lors du changement de culture. Un déploiement en edge intelligent assure un contrôle robuste lors des interruptions de communication. Les résultats de la culture de tomates en serre à Shouguang, en Chine, montrent des performances reproductibles et stables en matière de prévision du rendement, d’efficacité de l’utilisation de l’eau et de contrôle de la latence dans des conditions difficiles. Cette méthodologie offre un flux de travail pratique et reproductible pour la mise en œuvre de systèmes cyber-physiques agricoles adaptatifs et fiables.
La population mondiale croît rapidement et la disponibilité des ressources diminue, ce qui transforme la manière dont l’agriculture est développée. Les modèles conventionnels de l’agriculture, où la main-d’œuvre et les apports matériels sont élevés, et où la dépendance aux circonstances naturelles est forte, ne peuvent pas offrir efficacité et durabilité. L’agriculture intelligente est, dans ce cas, devenue l’approche transformatrice. Il permet d’obtenir une perception complète du terrain, de prendre des décisions précises et de contrôler intelligemment le domaine grâce à la combinaison de l’Internet des objets, de l’analyse des mégadonnées, de l’intelligence artificielle et des systèmes d’information spatiale, ce qui améliore l’efficacité de l’utilisation des ressources et contribue à une production agricole durable 1,2.
Le marché de l’agriculture intelligente connaît une croissance exponentielle à travers le monde, et les États-Unis progressent dans les technologies de l’agriculture de précision, Israël dans l’irrigation économe de l’eau, et le Japon dans le domaine des systèmes de serreintelligents 3. En Chine, le14e plan quinquennal national de développement de l’agriculture et de l’informatisation rurale a conduit à la transformation numérique de l’agriculture, ce qui a permis des avancées dans la sélection numérique, les machines intelligentes et les projets d’agriculture intelligente à grandeéchelle 4. L’Internet des objets (IoT) désigne un réseau de dispositifs d’actionnement et de détection connectés qui collectent, échangent et traitent des données. Cependant, même avec ces développements, des problèmes subsistent dans la couverture des réseaux IoT, la précision et la fiabilité des capteurs, l’échange d’informations entre les systèmes et l’accès à une compréhension interdisciplinaire qui limitent une mise en œuvreétendue 5,6.
Les systèmes cyber-physiques (CPS) de l’agriculture sont au cœur de ce paysage en reliant la perception de l’environnement au contrôleintelligent 7. CPS combinait à la fois des processus informatiques et physiques connectés à des capteurs, contrôleurs et réseaux de communication. Néanmoins, les méthodes de modélisation existantes reposent généralement sur l’indépendance des couches physique, réseau et de contrôle, restreignant l’interaction des couches et diminuant la capacité prédictive lors des perturbationsdynamiques 8. Les évaluations de fiabilité existantes mettent également l’accent sur les dimensions fonctionnelles et temporelles, tandis que la fiabilité écologique, telle que l’efficacité de l’utilisation de l’eau et les contraintes de salinité du sol, restesous-explorée 9. De plus, de nombreuses stratégies d’optimisation reposent sur un entraînement hors ligne, ce qui entraîne des retards dans l’inférence basée sur les arêtes et des difficultés à s’adapter à des changements rapides d’environnement ou de culture10.
La surveillance en serre par capteurs gagne en popularité, mais rencontre encore de nombreux obstacles empêchant une meilleure acceptation. La scalabilité et la fiabilité du système sont limitées par les coûts de déploiement élevés et la qualité inégale des capteurs. Les méthodes de modélisation utilisées dans la surveillance des serres par capteurs reposent sur le principe de conditions environnementales stables, de schémas de croissance cohérents des cultures et d’une transmission fiable de l’information via les réseaux de communication. Cependant, ces hypothèses ne sont pas valides dans de nombreuses conditions qui se produisent à l’intérieur des serres. Ces limitations indiquent qu’il est nécessaire de concevoir et de mettre en œuvre un cadre capable de gérer des lectures bruitées non constantes des capteurs, des fluctuations de l’alimentation des capteurs au cours de l’utilisation, et des périodes de perte de communication sans compromettre la qualité des performances ou la faisabilité de la mise en œuvre.
Pour remédier à ces limitations, ce protocole introduit un flux de travail reproductible de modélisation et d’optimisation multicouches qui intègre les processus physiques, réseau et de contrôle dans un cadre unifié. La couche physique utilise un modèle de continuum sol-plante-atmosphère avec calibration du filtre de Kalman en ensemble pour une prédiction précise de l’humiditédu sol 11. La couche réseau utilise la fusion multi-protocoles à l’aide d’un modèle de réseau de Petri stochastique pour mesurer la fiabilité de la communication. Au niveau du contrôle, un système hybride stochastique permet une prise de décision inter-couches conjointe. Le système d’indice fonctionnel-temporel-écologique est utilisé pour mesurer la fiabilité, l’apprentissage par renforcement profond multi-objectifs est utilisé pour optimiser ce système, avec des contraintes de sécurité et le méta-apprentissage bayésien, qui permet de s’adapter rapidement au changement de culture. Un déploiement edge-intelligent offre également une robustesse du système face aux interruptions du système lors des communications. En combinant ces éléments, le protocole offre un moyen systématique et reproductible d’améliorer la stabilité et la flexibilité des applications CPS dans le smartfarming 12.
Ce protocole convient aux environnements à effet de serre de taille moyenne à grande (800-1500 m²) avec divers réseaux de capteurs sans fil pour la surveillance du sol, du microclimat et du CO₂. Pour assurer un contrôle en temps réel, une résolution minimale de 5 minutes est recommandée, avec une communication LoRa/NB-IoT nécessaire pour le déploiement multi-nœuds (>200 nœuds). Le flux de travail est démontré pour la production de tomates en serre, mais il peut être appliqué à des cultures comme le concombre, le poivre et les légumes-feuilles via le re-réglage des paramètres et le transfert de méta-apprentissage.
Le protocole repose sur un cycle de travail séquentiel où la modélisation physique détermine l’humidité du sol, la couche réseau détermine la stabilité de transmission des données, et les couches de contrôle + d’optimisation produisent des politiques d’irrigation et de fertilisation assurant une stabilité écologique et opérationnelle. La figure 1 illustre le flux de travail inter-couches du système cyber-physique proposé.
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Il est noté qu’aucune expérience sur des êtres humains ou des vertébrés n’est impliquée dans ce protocole. En cas d’études futures impliquant une intervention humaine ou des échantillons biologiques, cela doit être approuvé par le comité d’examen institutionnel concerné, et le numéro d’approbation doit être enregistré avant la mise en œuvre.
1. Préparation du site et du matériel
REMARQUE : Cette étape construit un réseau de capteurs standardisé, qui fournit des informations précises et synchronisées sur l’environnement à utiliser dans la modélisation physique et le contrôle ultérieurs.
2. Modélisation physique des couches (continuum sol - plante - atmosphère (SPAC) et filtre de Kalman d’ensemble (EnKF))
REMARQUE : Cette phase approxime les interactions entre sol, plante et atmosphère afin de produire des estimations correctes de l’humidité du sol utilisées pour contrôler l’irrigation.
est le taux de variation de la teneur en eau volumétrique θ (m3) par rapport au temps t, h est la charge de pression (cm), et K(θ) est la conductivité hydraulique. L’opérateur ∇ indique le gradient spatial, et l’expression (∇h+1) représente le gradient hydraulique total.
avec n>1).
désigne la saturation effective augmentée au paramètre de connectivité par les pores l. Basé sur la saturation effective Se, le terme
de fonction hydraulique de van Genuchten décrit le comportement non linéaire de rétention d’eau du sol et le paramètre de forme m.3. Modélisation de la couche réseau (réseau hétérogène et réseau de Petri stochastique (SPN))
REMARQUE : Cette section évalue la fiabilité des communications afin de permettre une livraison rapide et continue des données pour les décisions de contrôle.





4. Modélisation de la couche de contrôle (MPC au sein du SHS)
REMARQUE : Ce processus maximise l’alternative de l’irrigation et de la fertilisation, tout en tenant compte des problèmes de communication.
5. Quantification de la fiabilité
REMARQUE : Pour évaluer la robustesse des systèmes en réponse aux perturbations, cette partie évalue à la fois la fiabilité fonctionnelle, temporelle et écologique.
6. Stratégie d’optimisation
REMARQUE : Cette partie maximise les décisions de contrôle pour atteindre une productivité, un coût et une stabilité écologique optimaux, tout en permettant une adaptabilité rapide lors du changement de culture.
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L’humidité du sol et le SNR ont la plus grande influence positive des explications additives SHAP (SHAP) sur les décisions d’irrigation, selon le graphique résumé SHAP (Figure 3). Une latence élevée oriente la politique vers des options de repli conservatrices, démontrant la conformité avec l’architecture de contrôle fiable. Le tableau 4 présente les instructions opérationnelles et les détails de configuration pour les modules de calcul
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Les preuves expérimentales montrent que le cadre CPS proposé et les stratégies d’optimisation excellent dans les trois dimensions : fiabilité, sécurité et efficacité computationnelle. La modélisation par couplage inter-couches permet de surmonter avec succès la séparation historique entre les représentations physiques et réseau. En intégrant le SPAC et le SPN dans un cadre SHS unifié, le système a réduit l’erreur de prédiction du rendement de 32,7 % et raccourci les délais de 45 % sous d...
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Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail a été soutenu par le projet de recherche scientifique du Collège de Huzhou (Subvention n° 2024HXKM15) et le Projet de Démarrage de Recherche sur les Talents du Collège de Huzhou (Subvention n° RK65010). Les auteurs remercient le parc industriel agricole national moderne de Shouguang pour ses installations expérimentales et leur soutien technique. Nous exprimons également notre gratitude à nos collègues du Collège de Huzhou et de l’Université d’Agriculture et de Forêt du Zhejiang pour leurs précieux conseils.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Caméra multispectrale | MicaSense | RedEdge-MX | Capture la réflectance de la canopée pour l’estimation de la LAI |
| NVIDIA Jetson Nano | NVIDIA | 945-13450-0000-100 | Dispositif de périphérie pour l’inférence d’IA locale |
| Capteur d’humidité du sol | Dispositifs Decagon | EC-5 | Mesure la teneur volumétrique en eau dans le sol |
| Station météorologique | Campbell Scientific | CR300 | Records de température, d’humidité et de précipitations |
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