Sistemas de Cultivo

Gemelo digital en la piscicultura de la trucha arcoíris

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By Milthon Lujan

Italia – Investigadores proponen un gemelo digital para la gestión de una piscigranja de trucha arcoíris. Esto podría revolucionar la piscicultura, y la acuicultura en general.

Imagina este escenario, estás en tu casa y desde tu móvil, o laptop, puedes monitorear y tomar decisiones de gestión de tu piscigranja. Futurista, ¿verdad? A continuación te contamos de una investigación en donde implementan el internet de las cosas en el cultivo de trucha arcoíris.

La industria 4.0 y los cultivos sostenibles son factores clave para hacer avanzar la producción acuícola y para responder a la visión de crecimiento de la industria acuícola para alimentar a una creciente población mundial.

En la actualidad, la reducción del coste de los dispositivos de monitorización y el aumento de la potencia de las computadoras viene revolucionando la gestión de las granjas acuícolas. 

En el marco emergente de la acuicultura de precisión, que aporta principios de ingeniería de control a la crianza de peces, los investigadores de la Università Ca’ Foscari Venezia configuraron prototipos de gemelos digitales para piscigranjas de trucha arcoíris en tierra. 

El gemelo digital tiene como objetivo ayudar a los productores a optimizar las prácticas de alimentación, el suministro de oxígeno y la gestión de la población de peces con respecto a:

i) el rendimiento del crecimiento de los peces;

ii) el bienestar de los peces; y,

iii) las cargas ambientales.

Los investigadores presentan una aplicación conceptual dirigida a los criclos de cría de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) en una piscicultura en Italia.

Acuicultura de precisión

Originalmente limitada principalmente a cultivos en jaulas de granjas de salmón (Salmo salar), las prácticas de acuicultura de precisión se han implementado recientemente en cultivo en tierra de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss), carpa (Cyprinus carpio), lubina europea (Dicentrarchus labrax) y dorada (Sparus aurata).

La acuicultura de precisión se viene ampliando a los bivalvos como ostras (Magellana gigas) y mejillones (Mytilus edulis, Mytilus galloprovincialis).

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La implementación del enfoque de la acuicultura de precisión tiene como objetivo mejorar la exactitud, la precisión y la repetibilidad en las operaciones acuícolas mediante la entrega de herramientas confiables de apoyo a la toma de decisiones para los piscicultores.

En resumen la acuicultura de precisión se basa en i) grandes conjuntos de datos cuantitativos proporcionados por sensores que alimentan ii) modelo y algoritmos basados en datos y mecanismos que finalmente suministran 3) herramientas de apoyo a la toma de decisiones y sistemas de gestión inteligente basados en internet de las cosas.

Gemelo digital

La contraparte virtual y digital de un objeto físico, denominado gemelo digital, se deriva del Internet de la cosas (IoT), e implica la adquisición y el procesamiernto en tiempo real de grandes conjuntos de datos.

Un sistema totalmente implementado permite la gestión remota y en tiempo real, así como la reproducción de escenarios reales y previstos.

Los gemelos digitales se basan en modelos matemáticos integrados que se alimentan con datos de sensores in situ y de fuentes externas, y simular varios procesos dinámicos, lo que permite la estimación de parámetros clave que describen el entorno ambiental y los peces.

A pesar de su potencial y avances notables, el desarrollo de Gemelos Digitales aúun se encuentra en la infancia, debido a que las simulaciones aplicadaos a los largo de la fase operativa de un sistema implementado ha recibido poca atención.

Aplicación en la piscicultura de la trucha arcoíris

Los investigadores desarrollaron un gemelo digital para la piscicultura en tierra, basado en las fases de gestión de la acuicultura de precisión, e incluye el uso de sensores, Big Data, internet de las cosas y modelos matemáticos predictivos.

Ellos reportan que los objetos físicos y las actividades de producción que reflejará el gemelo digital deben definirse con precisión y deben encajar adecuadamente en los marcos de los gemelos digitales. En este sentido, la metodología empleada por ellos incluyó las siguientes acciones:

1) Estructuración de las actividades acuícolas para ser incorporadas en el marco del gemelo digital,

2) desarrollo de una tipología para el gemelo digital de acuerdo al nivel deseado de predicción y control,

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3) definición de los componentes físicos específicos que serán emulados por el gemelo digital, y

4) definición de cómo el objeto físico se transforma en la contraparte digital en términos de variables y modelado.

El flujo de trabajo de los investigadores para desarrollar el gemelo digital de la piscigranja de trucha arcoíris se basa en cuatro fases: observación, interpretación, decisión y actuación.

Fase de observación

El objetivo de esta fase es extraer información cuantitativa y cualitativa sobre las respuestas de los peces, la misma que es realizada vía observaciones directas y herramientas de adquisición de datos.

La fase de observación, junto con la fase de actuación, están directamente vinculado al objeto físico.

La caracterización cualitativa puede incluir observaciones del comportamiento de los peces, el color, transparencia y olor del agua, y puede ser usada en la fase de interpretación.

Fase de interpretación

El modelo de granja simula la evolución de la biomasa de los peces y de un grupo estable de variables vinculadas con el metabolismo de los peces, y la solución nuúméerica es obtenida mediante el acoplamiento de un móodulo que estimula la evolución de la biomasa de peces y un móodulo que predice las variables de calidad de agua que afectan el metabolismo de los peces.

Un componente clave del sistema de control de gemelo digital es el modelo matemático que unifica datos dispares y provee pronóstico en tiempo real del estado del objeto físico.

Fase de decisión

Basado en las intervenciones propuestas de la fase de interpretación, estados futuros alternativos del gemelo digital son construidos usando el modelo matemático.

Fase de actuación

Según los autores del estudio, en la actualidad, en la piscigranja piloto, los controles del suministro de alimento y oxígeno son completamente manuales o controles mecanizados que se activan manualmente.

Ellos indican que esta condición asociada a las herramientas de apoyo a la decisión proporcionadas desde el modelo matemático configuraría un gemelo digital prescriptivo.

“Para evolucionar hacia el nivel autónomo, donde los operadores están desvinculados de los controles físicos, el avance preliminar más plausible en la piscigranja piloto sería la instalación de válvulas automáticas para controlar el suministro de oxígeno”, reportan.

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Conclusión

“En este informe, el enfoques de gemelo digital empleados en la industria y la agricultura fueron identificados y combinados con técnicas de Piscicultura de Precisión para construir un gemelo digital conceptual para el control del oxígeno disuelto, el control de la alimentación y la gestión de la población de peces en un sistema de recirculación para trucha arcoíris”, reportan los investigadores.

El gemelo digital se creó mediante la agregación de varios desarrollos de última generación en la piscicultura de precisión, como sensores y sistemas de adquisición de datos, asimilación de datos, modelado matemático y el internet de las cosas.

Referencia (acceso abierto):
Lima AC, Royer E, Bolzonella M et al. Digital twins for land-based aquaculture: A case study for rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) [version 1; peer review: awaiting peer review]. Open Research Europe 2022, 2:16 (https://doi.org/10.12688/openreseurope.14145.1)

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