用户案例集锦

借助仿真 App 预测水果保质期

瑞士研究机构 Empa 借助数值仿真开发模型并编译了一个仿真 App，可以将仿真结果直接反馈到农民和贸易商使用的智能手机应用程序中，来预测新鲜水果和蔬菜的保质期。这项工作由一个致力于改善发展中国家冷藏食品储存现状的国际联盟组织支持。

作者 Rachel Keatley
2023 年 9 月

新鲜农产品在收获后的运输过程是全球食品供应链中一个非常明显的薄弱环节。每年，全球供人类消费的食品中约有三分之一被损失或浪费（参考文献 1），冷藏配送和存储问题是造成这些损失的主要原因，尤其是在像印度这样的发展中国家，仅有 6% 的粮食生产进入冷藏“冷链”（参考文献 2），导致大部分粮食很容易腐烂变质。目前，如小型太阳能冷藏室（图 1）之类的稀缺冷藏空间，可能会被已经过了盛产期的农作物占用，而其他货物则在等候进入冷藏室的过程中腐烂变质。

作为食品供应链利益相关者的国际联盟的一部分，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Swiss Federal Labo ratories for Materials Science and Technology, Empa）和巴塞尔可持续能源机构（Basel Agency for Sustain able Energy, BASE）开发了一款名为 Coldtivate 的移动端应用程序来帮助缓解这些问题。通过该应用程序，用户可以实时获知不同种类水果的冷却和腐烂过程。Coldtivate 应用程序由多物理场仿真技术驱动，于 2022 年底在印度的 3 个地区推出，并于 2023 年推广给尼日利亚的冷库经营者使用。在手机上使用该应用程序的果农不会看到底层的多物理场模型，也不会直接与仿真 App 进行交互。他们需要做的仅仅是在手机上简单操作 Coldtivate 应用程序即可获得结果。

基于仿真预测优化食品储存

Empa 使用 COMSOL Multiphysics^® 软件及其内置的 App 开发器创建了仿真 App（图 2），所获得的数据可以使 Coldtivate 移动应用程序预测冷藏室中农产品的新鲜度。

基于已有的 COMSOL Multiphysics 模型创建的仿真 App 具有简洁易用的界面， App 设计者可以决定在用户界面上显示哪些信息。虽然仿真 App 也可以直接使用，但 Empa 和 BASE 仍然希望为终端用户（主要是农民）以他们最熟悉的方式显示仿真 App 的数据。由于移动应用程序被广泛用于现代农业实践中（参考文献 3），因此他们开发了 Coldtivate 应用程序供终端用户的使用。

Empa 的数据科学家兼 Coldtivate 项目的技术负责人 Joaquin Gajardo 解释说：“我们开发的 COMSOL 仿真 App 与移动应用程序在同一台无外设服务器上运行，因此它们之间可以相互传递信息。使用 App 开发器开发的仿真App 能够基于移动应用程序中的输入参数，自动更新模拟结果。”这样，Empa就将多物理场模型的功能与移动应用程序的便利性结合在了一起。为了能以这种方式使用仿真 App，他们首先使用 COMSOL Compiler™ 将仿真 App 编译成了独立的可执行文件。

“如果没有 App 开发器，我们就不可能将数字孪生推广到移动应用程序中，也无法通过普及多物理场仿真及其结果使更多像个体农民这样的人群受益普。”Empa 资深科学家、瓦赫宁根大学的教授 Thijs Defraeye 补充道。

仿真 App 背后的模型

环境温度会直接影响新鲜农产品的保质期。虽然大多数冷藏库内都有温度计，但它们提供的数据还不足以预测水果和蔬菜的保质期。

Defraeye 介绍说：“我们无法通过冷藏室的单一温度或湿度曲线来确定农产品的保质期。每个储藏箱的 COMSOL 模型都可以接收冷藏室的实际温度和湿度数据，从而可以频繁地重新计算剩余保质期。”Empa 的仿真 App 正是基于这一模型建立的。

此外，冷藏室内的传感器并不一定能反映储藏箱苹果内部的温度，尤其是在储藏箱最近才被搬进室内的情况下。

为了更全面地了解每批农产品如何受到不同储存条件的影响，Empa 目前正在使用 COMSOL Multiphysics^® 对模型进行扩展（图 3），以模拟各种水果和蔬菜的整批运输。“为此，我们需要使用多孔介质的模拟方法，从传感器读数中生成可操作的指标。”Defraeye 提出。

运行中的应用程序

“比方说，一批新货物抵达冷库，“ Gajardo 对 App 的用法进行介绍，“ 当操作员打开手机上的 Coldtivate 应用程序，输入产品类型、当前温度、收获天数和其他相关数值后，Coldtivate 会立即生成一个包含这些信息的文本文件。这些值将作为 COMSOL 仿真 App 的输入参数，用于计算预期得保质期。最后，计算结果被写入输出文件，剩余质量和保质期天数随后便显示在 Coldtivate 的用户界面上。”

每隔 6 小时，Coldtivate 应用程序就会根据最新的冷藏室温度数据重新进行计算，并更新界面上显示的预测数值（图 4）。农民可以直接在手机应用程序上查看储藏箱内货物的剩余保质期，如果他们没有智能手机，“仓库经营者可以通知他们的农产品在冷库中还能保鲜多久。” Gajardo 总结道。最终，这些信息将帮助农民避免廉价抛售货物以及对滞销农产品的不必要清理。

团队合作带来可靠的数据

Defraeye 和他在 Empa 的团队花了数年时间来建立他们的数据收集和建模流程。他介绍说，“2021 年初，我们就已经在开发用于分析农产品新鲜度的模型了，但尚未在实际供应链中推广。”非营利性全球发展组织的问询促进了 Coldtivate 移动应用程序的诞生（图 5）。

“BASE 公司联系了我们，他们开发了创新的商业模式，以帮助农民更好地利用现有资源。”Defraeye 继续说，“我们的想法是，将付费使用的商业模式与智能技术相结合来改善冷却系统的使用。要做到这一点，就要将那些有需求的人群与其他合作伙伴紧密联系在一起。”这些合作伙伴包括印度比哈尔邦、喜马偕尔邦和奥迪萨邦的制冷公司和其他利益相关者，他们与 BASE 和 Empa 共同发起了一项名为 “您的虚拟冷链助理”的倡议。

“信任是关键因素。”Defraeye 指出，“通过仿真，我们可以获知农产品在一段时间内的变化情况，而智能手机应用程序则可以将这些信息提供给冷藏室经理或农场主等能够使用这些信息的人。我们的目标是增加销售环节的透明度，因为这将带来巨大的变化。如果农户和冷藏室经营者能够相信预测结果，这也将有助于他们相互信任”。

Coldtivate 的实际应用

2022 年 8 月，Empa 及其合作伙伴将 Coldtivate 应用程序向选定的制冷公司发布，并对冷藏室经理进行了培训，教他们如何使用这个应用程序来跟踪他们储藏室中的农产品（图 6）。迄今为止，这款由仿真驱动的应用程序已在 17 个冷藏室进行试点，为 300 多名农民提供服务。据报道，这些农民的收入增加了 20%，同时收获后的粮食损失减少了 20%。Empa 及其合作伙伴目前正在努力扩大 Coldtivate 的影响。

Coldtivate 应用程序后续的更新将会提供如市场价格预测等更多相关信息，甚至可以根据农产品照片预测作物质量。现在，BASE 和 Empa 正在与尼日利亚和菲律宾的组织合作，希望将 Coldtivate 的价值带到全球更多的地方（参考文献 4）。

全球作物在收获后的损失规模令人生畏，但支持 Coldtivate 项目的国际联盟已经证明，取得进展指日可待。Defraeye 表示：“我们看到了基于仿真的预测工具如何改善冷却系统的使用情况。现在我们需要的不仅仅是循序渐进的小步快跑，更需要大胆的行动来扩大我们的影响。我们要做的就是将技术交到更多的人手中，让他们利用技术来改变现状。”

致谢

Coldtivate 的开发由 data.org 包容性增长和恢复挑战基金（Inclusive Growth and Recovery Challenge grant）“您的虚拟冷链助理”提供部分资助，并受到洛克菲勒基金会（The Rockefeller Foundation）和万事达卡包容性增长中心（Mastercard Center for Inclusive Growth）的支持，还获得了德国联邦经济合作与发展部 (BMZ) 委托的“扩大您的虚拟冷链助理 ”项目的资助，目前由 BASE 和 Empa 代表德国国际合作机构 (GIZ) 实施。此外，该项目团队对主要项目合作伙伴 Koel Fresh Private Ltd.、Oorja Development Solutions India Private Ltd. 和 ColdHubs Ltd. 在测试和调试保质期模型方面做出的贡献表示感谢。