用戶案例集錦

借助仿真 App 預測水果保質期

瑞士研究機構 Empa 借助數值仿真開發模型并編譯了一個仿真 App，可以將仿真結果直接反饋到農民和貿易商使用的智能手機應用程序中，來預測新鮮水果和蔬菜的保質期。這項工作由一個致力于改善發展中國家冷藏食品儲存現狀的國際聯盟組織支持。

作者 Rachel Keatley
2023 年 9 月

新鮮農產品在收獲后的運輸過程是全球食品供應鏈中一個非常明顯的薄弱環節。每年，全球供人類消費的食品中約有三分之一被損失或浪費（參考文獻 1），冷藏配送和存儲問題是造成這些損失的主要原因，尤其是在像印度這樣的發展中國家，僅有 6% 的糧食生產進入冷藏“冷鏈”（參考文獻 2），導致大部分糧食很容易腐爛變質。目前，如小型太陽能冷藏室（圖 1）之類的稀缺冷藏空間，可能會被已經過了盛產期的農作物占用，而其他貨物則在等候進入冷藏室的過程中腐爛變質。

作為食品供應鏈利益相關者的國際聯盟的一部分，瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Swiss Federal Labo ratories for Materials Science and Technology, Empa）和巴塞爾可持續能源機構（Basel Agency for Sustain able Energy, BASE）開發了一款名為 Coldtivate 的移動端應用程序來幫助緩解這些問題。通過該應用程序，用戶可以實時獲知不同種類水果的冷卻和腐爛過程。Coldtivate 應用程序由多物理場仿真技術驅動，于 2022 年底在印度的 3 個地區推出，并于 2023 年推廣給尼日利亞的冷庫經營者使用。在手機上使用該應用程序的果農不會看到底層的多物理場模型，也不會直接與仿真 App 進行交互。他們需要做的僅僅是在手機上簡單操作 Coldtivate 應用程序即可獲得結果。

基于仿真預測優化食品儲存

Empa 使用 COMSOL Multiphysics^® 軟件及其內置的 App 開發器創建了仿真 App（圖 2），所獲得的數據可以使 Coldtivate 移動應用程序預測冷藏室中農產品的新鮮度。

基于已有的 COMSOL Multiphysics 模型創建的仿真 App 具有簡潔易用的界面， App 設計者可以決定在用戶界面上顯示哪些信息。雖然仿真 App 也可以直接使用，但 Empa 和 BASE 仍然希望為終端用戶（主要是農民）以他們最熟悉的方式顯示仿真 App 的數據。由于移動應用程序被廣泛用于現代農業實踐中（參考文獻 3），因此他們開發了 Coldtivate 應用程序供終端用戶的使用。

Empa 的數據科學家兼 Coldtivate 項目的技術負責人 Joaquin Gajardo 解釋說：“我們開發的 COMSOL 仿真 App 與移動應用程序在同一臺無外設服務器上運行，因此它們之間可以相互傳遞信息。使用 App 開發器開發的仿真App 能夠基于移動應用程序中的輸入參數，自動更新模擬結果?！边@樣，Empa就將多物理場模型的功能與移動應用程序的便利性結合在了一起。為了能以這種方式使用仿真 App，他們首先使用 COMSOL Compiler™ 將仿真 App 編譯成了獨立的可執行文件。

“如果沒有 App 開發器，我們就不可能將數字孿生推廣到移動應用程序中，也無法通過普及多物理場仿真及其結果使更多像個體農民這樣的人群受益普?！盓mpa 資深科學家、瓦赫寧根大學的教授 Thijs Defraeye 補充道。

仿真 App 背后的模型

環境溫度會直接影響新鮮農產品的保質期。雖然大多數冷藏庫內都有溫度計，但它們提供的數據還不足以預測水果和蔬菜的保質期。

Defraeye 介紹說：“我們無法通過冷藏室的單一溫度或濕度曲線來確定農產品的保質期。每個儲藏箱的 COMSOL 模型都可以接收冷藏室的實際溫度和濕度數據，從而可以頻繁地重新計算剩余保質期?！盓mpa 的仿真 App 正是基于這一模型建立的。

此外，冷藏室內的傳感器并不一定能反映儲藏箱蘋果內部的溫度，尤其是在儲藏箱最近才被搬進室內的情況下。

為了更全面地了解每批農產品如何受到不同儲存條件的影響，Empa 目前正在使用 COMSOL Multiphysics^® 對模型進行擴展（圖 3），以模擬各種水果和蔬菜的整批運輸?！盀榇?，我們需要使用多孔介質的模擬方法，從傳感器讀數中生成可操作的指標?！盌efraeye 提出。

運行中的應用程序

“比方說，一批新貨物抵達冷庫，“ Gajardo 對 App 的用法進行介紹，“ 當操作員打開手機上的 Coldtivate 應用程序，輸入產品類型、當前溫度、收獲天數和其他相關數值后，Coldtivate 會立即生成一個包含這些信息的文本文件。這些值將作為 COMSOL 仿真 App 的輸入參數，用于計算預期得保質期。最后，計算結果被寫入輸出文件，剩余質量和保質期天數隨后便顯示在 Coldtivate 的用戶界面上?！?/p>

每隔 6 小時，Coldtivate 應用程序就會根據最新的冷藏室溫度數據重新進行計算，并更新界面上顯示的預測數值（圖 4）。農民可以直接在手機應用程序上查看儲藏箱內貨物的剩余保質期，如果他們沒有智能手機，“倉庫經營者可以通知他們的農產品在冷庫中還能保鮮多久?！?Gajardo 總結道。最終，這些信息將幫助農民避免廉價拋售貨物以及對滯銷農產品的不必要清理。

團隊合作帶來可靠的數據

Defraeye 和他在 Empa 的團隊花了數年時間來建立他們的數據收集和建模流程。他介紹說，“2021 年初，我們就已經在開發用于分析農產品新鮮度的模型了，但尚未在實際供應鏈中推廣?！狈菭I利性全球發展組織的問詢促進了 Coldtivate 移動應用程序的誕生（圖 5）。

“BASE 公司聯系了我們，他們開發了創新的商業模式，以幫助農民更好地利用現有資源?！盌efraeye 繼續說，“我們的想法是，將付費使用的商業模式與智能技術相結合來改善冷卻系統的使用。要做到這一點，就要將那些有需求的人群與其他合作伙伴緊密聯系在一起?！边@些合作伙伴包括印度比哈爾邦、喜馬偕爾邦和奧迪薩邦的制冷公司和其他利益相關者，他們與 BASE 和 Empa 共同發起了一項名為 “您的虛擬冷鏈助理”的倡議。

“信任是關鍵因素?！盌efraeye 指出，“通過仿真，我們可以獲知農產品在一段時間內的變化情況，而智能手機應用程序則可以將這些信息提供給冷藏室經理或農場主等能夠使用這些信息的人。我們的目標是增加銷售環節的透明度，因為這將帶來巨大的變化。如果農戶和冷藏室經營者能夠相信預測結果，這也將有助于他們相互信任”。

Coldtivate 的實際應用

2022 年 8 月，Empa 及其合作伙伴將 Coldtivate 應用程序向選定的制冷公司發布，并對冷藏室經理進行了培訓，教他們如何使用這個應用程序來跟蹤他們儲藏室中的農產品（圖 6）。迄今為止，這款由仿真驅動的應用程序已在 17 個冷藏室進行試點，為 300 多名農民提供服務。據報道，這些農民的收入增加了 20%，同時收獲后的糧食損失減少了 20%。Empa 及其合作伙伴目前正在努力擴大 Coldtivate 的影響。

Coldtivate 應用程序后續的更新將會提供如市場價格預測等更多相關信息，甚至可以根據農產品照片預測作物質量?，F在，BASE 和 Empa 正在與尼日利亞和菲律賓的組織合作，希望將 Coldtivate 的價值帶到全球更多的地方（參考文獻 4）。

全球作物在收獲后的損失規模令人生畏，但支持 Coldtivate 項目的國際聯盟已經證明，取得進展指日可待。Defraeye 表示：“我們看到了基于仿真的預測工具如何改善冷卻系統的使用情況?，F在我們需要的不僅僅是循序漸進的小步快跑，更需要大膽的行動來擴大我們的影響。我們要做的就是將技術交到更多的人手中，讓他們利用技術來改變現狀?！?/p>

致謝

Coldtivate 的開發由 data.org 包容性增長和恢復挑戰基金（Inclusive Growth and Recovery Challenge grant）“您的虛擬冷鏈助理”提供部分資助，并受到洛克菲勒基金會（The Rockefeller Foundation）和萬事達卡包容性增長中心（Mastercard Center for Inclusive Growth）的支持，還獲得了德國聯邦經濟合作與發展部 (BMZ) 委托的“擴大您的虛擬冷鏈助理 ”項目的資助，目前由 BASE 和 Empa 代表德國國際合作機構 (GIZ) 實施。此外，該項目團隊對主要項目合作伙伴 Koel Fresh Private Ltd.、Oorja Development Solutions India Private Ltd. 和 ColdHubs Ltd. 在測試和調試保質期模型方面做出的貢獻表示感謝。