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 开发了仿真模型并编译了一个仿真 App，可以将模拟结果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跨国联盟支持。

作者 Rachel Keatley
2023 年 9 月

收获后的新鲜农产品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），冷藏配送和储存的问题是造成这些损失的主要原因，尤其是在印度等发展中国家，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跨国联盟的一部分，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）和巴塞尔可持续能源机构（BASE）开发了一款名为 Coldtivate 的手机应用程序来帮助缓解这些问题，用户通过它可以实时地获知不同种类水果的冷却和腐烂过程。这款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。使用该手机应用程序的果农实际上看不到底层的多物理场模型，也不会直接与仿真 App 进行交互：他们只需通过 Coldtivate 移动应用程序，以一种可操作的方式获得结果。

基于仿真预测结果优化食品储存

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

使用已有的 COMSOL Multiphysics 模型创建的仿真 App 具有易于使用的界面，其中 App 设计者可以决定显示哪些输入和输出。尽管仿真 App 可以直接使用，但 Empa 和 BASE 仍希望以一种终端用户（主要是农民）最熟悉的方式传递仿真 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 作为终端用户的用户界面。

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服务器上运行，因此它们之间可以相互传递信息。基于移动应用程序中的输入参数的变化，我们使用 App 开发器自动更新模拟结果。”这样就将 Empa 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™ 将其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，并通过普及多物理场仿真及其结果使更多比如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。每个板条箱的 COMSOL 模型都可以接收冷藏室的实际温度和湿度数据，从而可以更加频繁的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，冷藏室内某一部分的传感器并不一定能反映板条箱内苹果表面的温度，尤其是在板条箱是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^®（图 3）对模型进行扩展，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建模方法，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

对于 App 的用法，Gajardo 介绍说：“比方说，一批新货物抵达冷库。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。然后，Coldtivate会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，用于计算出预期得保质期。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板条箱内货物的剩余保质期，如果他们没有智能手机，“仓库操作员可以通知他们的农产品将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滞销和对未售出农产品的不必要清理。

团队合作带来值得信赖的数据

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调查激发了 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，需要与我们希望帮助的人群有密切联系的其他合作伙伴。”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”（Your Virtual Cold Chain Assistant，VCCA）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，也有助于他们相互信任”。

实地使用中的 Coldtivate

2022 年 8 月，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%，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 应用程序的未来迭代将提供更多相关信息，如市场价格预测，甚至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 的价值带给全球更多的地方（参考文献 4）。

全球作物收获后的损失规模令人生畏，但 Coldtivate 项目的支持联盟已经证明，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 的开发资金部分来自于 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”，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）得支持，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，正在由 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。