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Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

Prof. ing. Pasquale CatalanoDipartimento AAA - Università degli Studi del Molise

Università degli Studi del MoliseDipartimento Agricoltura, Ambiente e Alimenti

Università incontra tecnici e studenti

Bologna, 8 novembre 2018

From Industry 1.0 to 4.0

Agricultural technology

revolution• Agriculture 1.0

➢ Animal power

• Agriculture 2.0➢ Combustion engine

• Agriculture 3.0➢ Guidance systems and

precision farming

• Agriculture 4.0➢ Connected farming

(CLOUD)

• Agriculture 5.0➢ Digitally Integrated

Enterprise (FOG?)

Industria 1.0 e 2.0

• La prima rivoluzione industriale inizia

intorno al 1780 attraverso l’introduzione di

impianti di produzione meccanici mossi da

acqua allo stato liquid o di vapore

• La seconda rivoluzione industriale nasce

30 anni più tardi quando fu costruita la

prima linea di assemblaggio meccanico

alimentata mediante energia elettrica: l’era

della produzione di massa era iniziata

Industria 3.0

• La terza rivoluzione industriale inizia alla

fine degli anni ‘60 quando fu realizzato il

primo controllore a logica programmabile

(PLC). Da quell momento fu possibile

automatizzare la produzione attraverso

l’uso dell’elettronica e dell’Information

Technology (IT)

Industria 4.0

• La quarta rivoluzione industriale inizia nel

2011 in Germania ed è quella odierna e fa

uso di sistemi cibernetici (nati ufficialmente

nel 1948 ma solo oggi realmente utilizzati)

Industria 4.0 è un termine

“collettivo”• Raggruppa tecnologie e concetti tipici della

“catena del valore” (Value Chain)

• È basata su concetti quali Internet of Things,

Internet of Services, ecc.

• Determina la vision della cosiddetta “Smart

Factory” (Fabbrica Intelligente) e di

conseguenza della Smart Agricolture

• Connette macchine, lavoro, sistemi in generale

attraverso reti intelligenti, create lungo tutta la

Value Chain, che possono controllarsi

autonomamente e l’un l’altra

Industria 4.0

È un concetto che risuona ovunque: qualunque economista,

politico, giornalista analista, ingegnere, ecc., ne parla.

• Riassumiamo: è la VERA connessione tra esseri umani,

macchine, oggetti di ogni tipo,…

• Un concetto molto lontano in realtà dall’Information

Tchnology (IT) del secolo scorso considerata, al contrario,

nell’industria italiana ancora oggi innovativa.

Industria 4.0

Industry 4.0 ha origine in Germania nel 2011 da un

progetto del Governo Tedesco per promuovere una

profonda informatizzazione e innovazione concettuale delle

produzioni. In questi pochi anni le aziende tedesche (e non

solo) hanno trasformato la teoria (nata in realtà durante la

seconda guerra mondiale) in applicazioni di successo.

L’Italia in realtà è pronta da tempo per questa rivoluzione

(alcuni programmi di finanziamento ministeriale spingono in

questa direzione) ma questo (come mi hanno riferito

diverse aziende) deve passare non solo attraverso l’utilizzo

massivo dei Social Networks, ma attraverso un profondo

cambiamento di mentalità

Architettura generale di una

moderna azienda agricola

Agricoltura 4.0: cosa vuol dire?


Rappresenta una grande opportunità (come avviene

nell’industria) di tenere conto della variabilità e delle

incertezze che coinvolgono la catena produttiva agro-

alimentare, soprattutto la fase di campo e la incostanza del

consumatore e l’affacciarsi di nuove mode.

• Una Smart Farm (“Fattoria Intelligente”) deve essere in

grado di adattarsi autonomamente ed in tempo reale a

tali cambiamenti per riuscire a rimanere competitive sul

mercato.

• Una delle esigenze primarie da soddisfare è

rappresentata da una costante comunicazione tra

mercato e produzione ed internamente alla stessa

azienda.

• La metodologia utilizzata per poter connettere in modo

efficace tutti gli attori di questa comunicazione continua

e ricca di dati è quella della virtualizzazione.


DIGITAL TWIN

Il Gemello digitale (digital twin) è:

• una rappresentazione virtuale di un prodotto, di

una macchina, ecc. Che può essere anche

utilizzata per simulare, riprogettare, ottimizzare il

corrispondente oggetto fisico.

• Fa uso di sensori real-time che consentono di

avere a disposizione una realtà virtuale del

corrispondente fisico.

Rappresentazione schematica del digital farming

(fattoria digitale) e di un frutteto virtuale con

particolare enfasi sul ruolo dei robot agricoli

Cyber-Physical Systems (CPS)

(Sistemi Cyber-Fisici)• Definizione: un Sistema di elementi

computazionali che collaborano tra loro e

controllano corrispondenti entità fisiche.

• Pertanto i CPS sono sistemi fisici ingegnerizzati

le cui operazioni sono monitorate, coordinate e

controllate attraverso un sistema di calcolo e

comunicazione.

• Consentono di aggiungere abilità e capacità ai

sistemi fisici attraverso l’integrazione di tali

sistemi di calcolo e comunicazione con gli

oggetti fisici reali.

• Monitorare e controllare processi reali

(fisici).

• Creare una copia (gemello) virtuale del

mondo reale.

• Decentralizzare le decisioni.

• Consentire la cooperazione tra l’uomo e i

processi attraverso l’IoT.

Cyber-Physical Systems (CPS)

(Sistemi Cyber-Fisici)

CPS Benefits

• Realizzare sistemi più efficienti e che

operino in condizioni di maggiore

sicurezza sia per l’ambiente che per

l’uomo stesso.

• Ridurre i costi di esercizio dei processi,

ovvero consentendo la realizzazione di

processi più complessi a costi uguali.

CPS in Manufacturing

• Includono:

– Macchine intelligenti

– Impianti di produzione e trasformazione dei

prodotti agricoli

– Sistemi avanzati di stoccaggio

• Possono:

– Scambiare autonomamente informazioni tra

loro e con il mondo esterno attraverso l’IoT.

– Innescare azioni correttive, in caso di

necessità anche in tempi brevi.

Virtualizzazione di una filiera agro-alimentare

Il termine vituale è, come abbiamo visto, contrapposto ai termini reale e

fisico. La Virtualizzazione consente dunque di annullare alcuni

importanti limiti della realtà fisica:

• Luogo: la rappresentazione virtuale non richiede la presenza in loco

per osservare, elaborare, controllare e agire di consdeguenza.

• Tempo: la rappresentazione di oggetti reali in un mondo virtuale

consente non solo la storicizzazione dei dati (e ovviamente la loro

visualizzazione) ma soprattutto simulare le possibili evoluzioni nel

future e immaginare risposte a stimoli esterni estremi per effettuare

prove di sensibilità (ad esempio verificare gli effetti di un fermo

macchina, improvvisa, anche se temporanea, mancanza di materie

prime causata da eventi climatici avversi locali, ecc.

La possibilità di applicare gli stessi concetti a realtà anche molto

diverse tra loro Realtà virtualeconsente di realizzare ambienti virtuali

del tipo:

• Team virtuale: un luogo di lavoro virtuale nel quale ciascuno degli

attori del processo produttivo collabora con gli altri e con il Sistema

fisico (non è necessario incontrarsi fisicamente).

• Virtual reality: ha lo scopo di creare un ambiente virtuale che deve

essere percepito dall’uomo come reale attraverso interface che

consentono di simulare esperienze visive, auditive e tattili.


• Oggetti virtuali: entità fisiche, come i prodotti e le risorse, sono

accompagnati da una ricca controparte virtuale, accessibile a livello

globale, che collega tutte le informazioni pertinenti dell'oggetto

fisico, attuali e storiche, sulle proprietà dell'oggetto stesso, della sua

origine, il contesto sensoriale, ecc.

• Organizzazione virtuale: strutture organizzative dinamiche che

riuniscono temporaneamente risorse di diverse organizzazioni per

rispondere meglio alle opportunità di business.;

• Macchina e/o impianto virtuale: una replica software di un sistema o

componente, che esegue programmi che simulano una macchina

fisica (o un intero impianto) fornendo una visione completa

dell'hardware sottostante indipendente dall'implementazione

specifica

• ;

La possibilità di applicare gli stessi concetti a realtà anche molto

diverse tra loro Realtà virtualeconsente di realizzare ambienti virtuali

del tipo:


Stati ed eventi in

una linea di

produzione di

surgelati


attraverso l’Internet of Things (IoT)

• La Struttura ad oggetti virtuali è legata al concetto di Internet of

Things (IoT). L’IoT combina i concetti di “Internet” e “cosa” e può

quindi essere semanticamente definito come “una rete mondiale

(World Wide Network) di oggetti indirizzabili in modo univoco e

interconnessi attraverso protocolli di comunicazione standard”.

• Pertanto Internet funge da infrastruttura di archiviazione e

comunicazione che contiene una rappresentazione virtuale di cose

che collegano informazioni rilevanti con gli oggetti fisici.



Pertanto, gli oggetti virtuali fungono da hub centrali delle informazioni

sugli oggetti, che combinano e aggiornano i dati continuamente da una

vasta gamma di fonti. Gli oggetti virtuali possono essere utilizzati per

coordinare e controllare i processi di business in remoto tramite Internet

Virtualizzazione dal punto di vista dell’Internet of Things



La virtualizzazione delle filiere agro-alimentari ha a che fare con una

elevata complessità di rete, di oggetti, processi, ecc.

Panoramica semplificata di una filiera agro-alimentare virtualizzata



• Interconnettività: tutto può essere interconnesso con l'informazione

globale e le infrastrutture di comunicazione.

• Servizi correlati agli oggetti: L'IoT è in grado di fornire servizi

correlati agli oggetti, entro i limiti definiti dagli stessi come la

protezione della privacy e la coerenza semantica tra gli oggetti fisici

e quelli virtuali associati.

• eterogeneità: I dispositivi nell'IoT sono eterogenei in quanto basati

su piattaforme e reti hardware diverse. Possono interagire con altri

dispositivi o piattaforme di servizio attraverso reti diverse.


Le caratteristiche fondamentali dell’IoT

• Cambiamenti dinamici: Lo stato dei dispositivi può cambiare in

modo dinamico, ad esempio la connessione e/o la disconnessione,

nonché il contesto in cui operano i dispositivi, inclusi posizione,

velocità, quantità di prodotto, ecc. Anche il numero di dispositivi può

cambiare in modo dinamico.

• Alta scalabilità: Il numero di dispositivi che devono essere gestiti e

che comunicano tra loro può essere estremamente grande.



• Risorse, dispositivi, prodotti o macchine intelligenti:

– Tecnologia potenziata con sensori, processori, memoria, comunicazioni

– Comportamento definito dal software

– Reattivo, predittivo, e sociale

– Potenzialmente consapevole e autonomo

• Trasferimento dati & Infrastrutture:

– Basato sul Cloud

– Memorizzazione di grandi quantità di dati (Big Data)

– Catena del valore anche molto complessa

• Analisi dei dati:

– Ottimizzazione delle risorse e ottimizzazione di sistema

– “Informazione Intelligente” quando e dove se ne ha bisogno

• Persone, processi e sistemi:

– Sociale, connesso, etc.



Gli elementi costitutivi sono trasformazioni, prodotti che fluiscono tra le

trasformazioni e gli attori. Il modello contiene I seguenti componenti:

• Attori: produttori agricoli, trasformatori di prodotti, commercianti (compresi

importatori ed esportatori), dettaglianti e fornitori di servizi specializzati

(vale a dire imprese di imballaggio, trasportatori e imprese di stoccaggio e

trasbordo).

• Trasformazioni: coltivazione e raccolta, lavaggio, selezione e

classificazione, trasformazione, imballaggio ed etichettatura, stoccaggio,

distribuzione e vendita al dettaglio.

• Prodotti: input (pesticidi, fertilizzanti, ecc.), prodotti agricoli maturati,

raccolti, spediti e ordinati, confezioni, eventuali ingredienti per la

trasformazione, ecc.


Modellizzazione del flusso dei prodotti

Esempio di flusso in una filiera ortofrutticola



Il seguente modello visualizza la produzione e la consegna di mele

preconfezionate in un negozio specializzato in frutta.



Farm Management System (FMS)Local

Data Base

Data Collector Data Analizer

Local

CoordinationConfiguration

And

Communication

Local Notifier Local Execution

SensorsTracking/Tracing

Systems

Farm/Process

MachineriesActuators


Struttura di un sistema di gestione (FMS)

È passato meno di un decennio da quando si è iniziato

a parlare di Industry 4.0 che già si ci si muove verso la

prossima rivoluzione: Industry 5.0. Se l’attuale

rivoluzione enfatizza la trasformazione delle

fabbriche in strutture intelligenti abilitate a IoT che

utilizzano l’elaborazione cognitiva e

l’interconnessione tramite i server cloud, Industry 5.0

si concentra sul ritorno delle mani e delle menti

umane nel contesto industriale

Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

https://www.yourceo.it/marketing/industry-4-0-iot/

Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

I progressi nella tecnologia di guida autonoma per le automobili - comprese le capacità di rilevamento degli oggetti mediante sistemi multicamera, radar e tecnologia lidar – hanno già ridotto i costi di sviluppo di macchine agricole autonome.

Alcuni dei nuovi sensori che ci aiutano a parcheggiare autonomamente la nostra auto, telecamere, sensori di prossimità, ecc. ci ha permesso di sfruttarlo maggiormente nelle macchine agricole.

Secondo Goldman Sachs, i contenuti e le tecnologie per passare alle auto senza conducente costano circa $ 2.700 per veicolo. Nell'agricoltura, le attrezzature di guida autonoma richiederebbero una tecnologia in cui esiste una complessità leggermente superiore, ma non sproporzionatamente più elevata.

Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

Tuttavia la guida autonoma non è limitata alle grandi macchine agricole. C'è anche interesse (sono già una realtà) per trattori più piccoli e robot che lavorano in gruppi in un'azione simile a sciami.

Per alcuni agricoltori, l'automazione è già una realtà. Le macchine per la mungitura robotiche sono abbastanza diffuse utilizzate, molte delle operazioni di campo possono essere automatizzate, ma la raccolta di colture orticole e frutta in alcune aree geografiche anche di paesi avanzati dipendono in gran parte dal lavoro manuale.

Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

sviluppo di un sistema integrato con capacità di autoapprendimento per il raggiungimento di un elevato grado di autonomia nelle sue funzioni quali ad esempio il riconoscimento automatico della rotta e il tracciamento dei confini operativi (buona parte già nei progetti degli attuali robot), guida autonoma in sicurezza, ecc., ad esempio:

● swarm-robotics (Sciame di robot): collaborazione tra più rover di terra e piccoli droni aerei con ruoli specializzati) e di altri

veicoli agricoli che «parlano» e collaborano tra loro

mentre sono in costante comunicazione.

Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

L’operatore manuale si trasforma da semplice conduttore dell’impianto

a convogliatore di esperienza e conoscenza. L’utilizzo della realtà

virtuale è importante in tal senso per potersi “immergere”

completamente nella macchina simulata, sia durante le fasi di design

che in quelle di programmazione, messa a punto ed utilizzo.

i robot hanno a bordo differenti sensori ottici, alcuni anche di tipo

endoscopico, iperspettrale, ecc.

Una maggiore interazione con l’ambiente passa non solo attraverso il

senso della vista, ma anche attraverso quello del tatto, vera chiave di

volta per garantire un’alta adattabilità della macchina alle variazioni

ambientali. L’uso di sensori di forza, ad esempio, permette ai robot di

ultima generazione di manipolare oggetti fragili o di forma variabile.

Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

Unendo collaboratività, visione artificiale, tatto, sensibilità e

aggiungendo anche solo un minimo di capacità decisionale (ma la

tendenza è verso una autonomia sempre più spinta), si possono

ottenere risultati sorprendenti.

Le ultime generazioni di sistemi di visione, ad esempio, non solo sono

dotate di capacità di tracking in tempo reale degli oggetti, ma hanno

già acquisito capacità di classificazione e concettualizzazione, per cui

sono in grado di autoapprendere figure e oggetti, di distinguerli in

base ai dettagli ponendoli in diverse categorie.

Una delle pietre miliari dell’industria moderna fu l’introduzione, nei

primi anni del novecento, della catena di montaggio, da parte di Henry

Ford. La trasformazione di questo concetto in una catena intelligente è

la chiave di volta dell’industria del nuovo millennio.

Smart Agriculture

dal 4.0 al 5.0

• Indipendentemente da quanto velocemente o lentamente alcune

aziende implementino i modelli Industry 4.0 e Industry 5.0, i principi di

base determineranno senza dubbio il mondo produttivo del futuro.

• Le aziende che implementeranno in modo corretto tali nuovi principi

potranno sperimentare una crescita esponenziale grazie alle capacità

fornite dai dispositivi IoT, dai sistemi informatici e dal calcolo cognitivo.

• Tra qualche anno, lavoratori e robot di fabbrica potrebbero finire per

collaborare alla progettazione e alla condivisione dei carichi di lavoro

attraverso una varietà di processi produttivi

CONCLUSIONI

• Mentre i robot sono eccellenti per la produzione di prodotti standard in

processi standardizzati in un volume di produzione elevato, la

personalizzazione di ogni singolo prodotto può rappresentare una

sfida in cui i robot necessitano di una guida.

• Quindi, è fondamentale mantenere il contatto umano all’interno dei

processi di produzione.

• Nei processi di produzione, l’automazione può essere sfruttata al

massimo potenziale solo quando c’è una scintilla di creatività

umana che influenza i processi: I robot collaborativi o “cobots“,

infatti, funzionano in sincronia con le persone.

CONCLUSIONI

I maggiori progressi previsti da Industry 5.0 riguardano l’interazione tra

intelligenza umana e calcolo cognitivo. Ci si aspetta che l’interazione tra

macchinari, Iot e persone porti la produzione a nuovi livelli di velocità e

accuratezza.

Nel complesso, gli sviluppi di Industry 5.0 potrebbero rivelarsi la piena

realizzazione di ciò che gli architetti di Industry 4.0 avevano solo sognato

all’alba degli anni 2010. Man mano che l’intelligenza artificiale migliora

e i robot assumono più capacità, l’interazione tra computer, robot e

lavoratori alla fine diventerà più significativa.

Man mano che le innovazioni tecnologiche diventano sempre più

rapide, le rivoluzioni potrebbero alla fine susseguirsi in rapida

successione nei prossimi 10 anni. Mentre le prime tre rivoluzioni

industriali hanno richiesto decenni, le rivoluzioni odierne durano solo

fino a quando l’implementazione a livello industriale si completa.

CONCLUSIONI

La quarta rivoluzione industriale consente alle

aziende di combinare produttività e rapidità per

rispondere al mercato, rendendo il sistema più

produttivo e competitivo. È chiaro che chi non

intraprenderà questo percorso rischia di essere

escluso dalla competizione globale.

Industry 5.0 rappresenta il futuro immediato

How far is Italian Agro-Food Industry

from Industry 4.0?

CONCLUSIONI

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