Research-Case · Predictive Analytics

Predictive Analytics in der Landwirtschaft: Qualitätsprognosen aus Sensordaten

Zwischen 2017 und 2026 sind in vier öffentlich geförderten Forschungsvorhaben Prognosesysteme für die Landwirtschaft entstanden, in zwei davon in Projektleitung: Qualitäts- und Erntezeitpunktprognose für Obst (BigApple, Apfel4Null), resilientes KI-gestütztes Monitoring der Pflanzenproduktion (ResKIPP) und ein digitaler Zwilling für den kontrollierten Anbau (SenCEA).

Entstanden sind die Vorhaben an der Professur Regelungstechnik und Systemdynamik der TU Chemnitz, wo ich sie bearbeitet und geleitet habe.

Ausgangslage

Heterogene Datenströme, eine wiederkehrende Frage

Landwirtschaftliche Produktion erzeugt Daten aus unterschiedlichen Quellen und in unterschiedlichen Takten: zerstörungsfreie Sensorik am Produkt, Umwelt- und Klimadaten, Bild- und Spektraldaten, Prozessdaten aus Lagerung und Logistik. Die Frage dahinter ist über alle Vorhaben hinweg dieselbe geblieben: Was passiert mit dieser Charge, diesem Bestand, dieser Kultur, und was ist jetzt zu tun?

Qualitätsverlust im Lager, Krankheitsrisiko im Bestand, der richtige Ernte- oder Auslagerungszeitpunkt: Das waren Erfahrungsentscheidungen. Sie werden prognostizierbar, sobald die Datenlage stimmt und das Modell zur Datenlage passt.

Die schwierige Arbeit liegt selten im Modell. Sie liegt darin, mehrjährige Messkampagnen über viele Standorte und Saisons so aufzubereiten, dass ein Modell darauf überhaupt etwas lernen kann, das im nächsten Jahr noch gilt.

Vorgehen

Sensorfusion, Zeitreihenmodelle und modellprädiktive Regelung

Methodik

Wie gearbeitet wurde

  • Sensorfusion. Zerstörungsfreie Sensorik am Produkt zusammengeführt mit Umwelt- und Prozessdaten zu multivariaten Zeitreihen. Erst die Kombination trägt, einzelne Messgrößen reichen für belastbare Prognosen nicht.
  • Datenpipelines für Feldbedingungen. Mehrjährige Kampagnen über viele Standorte und Saisons, mit Ausfällen, Drift und wechselnder Sensorik. Robuste Aufbereitung statt Laborannahmen ist der Teil, der über den Erfolg entscheidet.
  • Zeitreihenklassifikation und -prognose. Vom klassischen maschinellen Lernen bis zu tiefen Modellen, ausgewählt nach Datenmenge, Signalqualität und Erklärbarkeitsbedarf.
  • Modellbasierte Regelung. Im kontrollierten Anbau schließt ein Wachstumsmodell über Stoff- und Energieströme den Kreis: aus der Prognose wird eine Stellgröße. Damit lässt sich unter anderem der Energiebedarf senken, etwa über das Verhältnis von CO2-Zufuhr zu Belichtungszeit.
Ergebnisse

Was dabei herauskam

  • Qualitätsprognose für gelagertes Obst. Kernhausbräune und Fruchtfestigkeit aus multivariaten Zeitreihen vorhergesagt, statt sie am Ende der Lagerung festzustellen.
  • Erntezeitpunkt und Krankheitsrisiko. Prognose im Bestand statt Reaktion nach Symptombeginn.
  • Inhaltsstoffe im hydroponischen Anbau. Sekundäre Metaboliten in Tomaten in Abhängigkeit abiotischer Klimafaktoren sowie Photosynthese- und Transpirationsraten modelliert.
  • Digitaler Zwilling für den kontrollierten Anbau. Gewächshaus und Vertical Farming als Modell über Stoff- und Energieströme, mit modellprädiktiver Regelung.
Projekte und Publikationen

Vier Vorhaben, referiert publiziert, mit DOI nachprüfbar

Vorhaben Zeitraum Inhalt Rolle und Förderung
BigApple 2017–2023 Erntezeitpunkt- und Krankheitsprognose für Äpfel Bearbeitung
Apfel4Null 2020–2023 Qualitätsprognose für gelagerte Äpfel über multivariate Zeitreihenklassifikation Projektleitung; 350.000 € Förderung der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE)
ResKIPP 2023 Resilientes KI-gestütztes Monitoring pflanzlicher Produktionsprozesse Antragstellung und Einwerbung; 590.000 € Förderung des Freistaats Sachsen, TU Chemnitz
SenCEA 2023–2026 Sensorbasierte Effizienzsteigerung im kontrollierten Anbau, digitaler Zwilling mit modellprädiktiver Regelung Projektleitung

Publikationen

Was das für Ihr Projekt bedeutet

Derselbe Werkzeugkasten, andere Domäne

Sensorfusion, multivariate Zeitreihen und prognosegestützte Entscheidungen sind nicht agrarspezifisch. Dieselbe Methodik trägt dort, wo Maschinen, Prozesse und Anlagen Zeitreihen erzeugen:

Ihr Ansprechpartner

Forschung und Industrie in einer Person

Dr.-Ing. Grigory Devadze. Promotion in Elektrotechnik und Informationstechnik, Studium der Angewandten Mathematik, langjährige Tätigkeit in Forschung, Softwareentwicklung und Lehre.

  • Publiziert und begutachtet. Veröffentlichungen in referierten Fachzeitschriften, unter anderem zu Prognosemodellen in der Agrarproduktion und zu computergestützten Beweisen in der Regelungstechnik.
  • Fördermittel eingeworben und Projekte geleitet. Antragstellung, Projektleitung und Durchführung mehrjähriger geförderter Vorhaben mit Fördersummen von 350.000 € und 590.000 €.
  • In der Industrie angewandt. Dieselben Methoden in Firmenschulungen und Beratungsprojekten für Industrieunternehmen sowie Software- und IT-Firmen.
→ Profil und Referenzen ansehen
Dr.-Ing. Grigory Devadze
Anfrage

Zeitreihen, die eine Entscheidung tragen sollen?

Kurzes Vorgespräch, dann eine Einschätzung, ob Ihre Datenlage für eine Prognose reicht und was der nächste Schritt wäre.

oderE-Mail schreiben