Растительные фабрики с искусственным освещением, будь то сельскохозяйственные теплицы или сити-фермы, могут увеличить производство продуктов питания на единицу площади, но требуют таких ресурсов, как углекислый газ и энергия, для поддержания оптимальных условий роста растений. Ученые выяснили роль искусственного интеллекта в оптимизации расходов важных ресурсов.
эксклюзив 🔹
Инженеры Корнелльского университета обнаружили, что интеграция искусственного интеллекта в современные системы контроля окружающей среды может сократить потребление энергии в сельском хозяйстве в закрытых помещениях на 25%, что имеет большое значение для прокормления растущего населения мира, пишет Блейн Фридлендер в релизе университета.
«Если мы включим ИИ в сельскохозяйственные фабрики растений — крупные крытые фермы с полным освещением и климат-контролем — по всему миру, то сможем облегчить фотосинтез, транспирацию и дыхание растений в этих зданиях. Мы можем ожидать существенного сокращения потребления энергии при одновременном повышении эффективности и экономии ценных ресурсов», — сказал Бенджамин Декарди-Нельсон, научный сотрудник в лаборатории Фэнци Ю, профессора энергетических систем им. Роксанны Э. и Майкла Дж. Зака в Корнелльском инженерном институте.
Исследование «Искусственный интеллект может регулировать световые и климатические системы для сокращения потребления энергии на фабриках по производству растений и поддержки устойчивого производства продуктов питания» опубликовано в журнале Nature Food.
По данным ООН, к 2050 году население мира, как ожидается, увеличится до 9,7 млрд человек. Этот рост в сочетании с изменением климата и урбанизацией требует исправления недостатков в нынешних мировых системах производства продовольствия, говорят исследователи.
Методы ведения сельского хозяйства в закрытых помещениях, такие как фабрики по выращиванию растений с искусственным освещением, менее уязвимы к изменению климата, но они энергоемки и требуют тщательного управления ресурсами для обеспечения устойчивости.
«Существующие системы контроля окружающей среды недостаточно интеллектуальны», — говорит Фэнци Ю, содиректор Корнелльского института цифрового сельского хозяйства и содиректор Института искусственного интеллекта для науки Корнелльского университета.
Так, вентиляция может снизить потребление энергии, но усложняет рост растений, влияя на уровень углекислого газа и баланс влажности. Инструменты ИИ могут помочь методам регулирования учитывать этот критерий.
«Искусственный интеллект предлагает многообещающее решение, позволяя справиться с несколькими сложностями», — сказал Декарди-Нельсон.
Используя такие методы искусственного интеллекта, как глубокое обучение с подкреплением и вычислительная оптимизация, ученые проанализировали салат, выращенный в закрытых сельскохозяйственных помещениях в восьми различных регионах США: Лос-Анджелесе, Чикаго, Майами, Сиэтле, Милуоки, Финиксе, Фарго (Северная Дакота) и Итаке (Нью-Йорк), а также в Рейкьявике (Исландия) и Дубае (Объединенные Арабские Эмираты).
ИИ снижает потребление энергии за счет оптимизации систем освещения и регулирования климата. Потребление энергии снизилось до 6,42 киловатт-часов на килограмм свежего веса (энергия, необходимая или используемая для производства одного килограмма салата, выращенного в помещении) с 9,5 киловатт-часов на килограмм свежего веса в местах, где используются технологии без ИИ. Исследователи обнаружили, что для более теплых регионов, таких как Дубай или южные районы США, ИИ снизил потребление энергии до 7,26 киловатт-часов на килограмм свежего веса по сравнению с 10,5 киловатт-часов на килограмм свежего веса.
Низкая вентиляция в светлые периоды (16 часов искусственного солнечного света) и высокая вентиляция в темные периоды (восемь часов искусственного света) обеспечили энергоэффективное решение для оптимального уровня углекислого газа в помещении для фотосинтеза, кислорода для дыхания и роста растений, а также сбалансировали другие требования к вентиляции.
Схематическая диаграмма для производства салата. Фото: Nature Food (2024). DOI: 10.1038/s43016-024-01045-3
«Это очень похоже на концепцию умных домов. Мы хотим чувствовать себя комфортно дома, одновременно сокращая потребление энергии; то же самое делают и сельскохозяйственные культуры. Эта работа сосредоточена на интеллектуальной системе, которая сделает производство продуктов питания оптимальным, устойчивым и снизит углеродный след. Это то, что ИИ делает очень хорошо. Мы можем сэкономить немало, если будем использовать ИИ для тщательной оптимизации искусственного освещения и других энергетических систем», — пояснил Фэнци Ю.
По словам Декарди-Нельсона, благодаря оптимизации операций с использованием искусственного интеллекта для снижения потребления энергии крытые фермы растений становятся жизнеспособными даже в регионах с ограниченными возможностями энергосбережения.
«Стратегически согласовывая технологию системы контроля окружающей среды с биологией растений, можно экономить энергию с помощью вентиляции, минимизируя при этом выбросы углекислого газа и поддерживая идеальные условия для роста», — заключил он.
Источник: Cornell University. Автор: Блейн Фридлендер.
