Projekt “Smarter Weinberg”

Abstract

Das Projekt Smarter Weinberg erzielte Fortschritte in der Digitalisierung und Automatisierung des Steillagenweinbaus, indem es ein ganzheitliches technologisch innovatives Ökosystem erforschte, um die von den Winzern aufgewendete Arbeitszeit und Kosten zu reduzieren, insgesamt zu innovieren, zu digitalisieren und zu automatisieren. Dabei entstanden die folgenden sieben zentralen Bausteine für das gesamtheitliche Ökosystem "Smarter Weinberg": Baustein 1 - Kartierung des Weinbergs: Eine Kartierung des Weinbergs durch mobile Sensorik wie Multi- und Hyperspektralkameras sowie LiDAR Systeme ist Ausgangspunkt für viele Innovationen und Automatisierung. Die Aufnahmen wurden sowohl mittels Drohnen als auch mit einem am Boden bewegten "Demonstrator", der mittels Kameras die Umgebung erfasst, durchgeführt. Zur Auswertung dieser Bilddaten wurden verschiedene Methoden und Verfahren entwickelt, unter anderem zur Einzelstockverortung aus 3D-Daten sowie zur Veränderungserkennung. Weiterhin wurden die mobilen Sensordaten mittels bildgebenden Verfahren in Punktwolken und digitale Abbildungen des Geländes und der im Gelände befindlichen "Objekte" überführt, um daraus KI-basiert digitale Abbilder und Analysen durchzuführen, wie etwa die Wuchsbonitur zu monitoren. Weiterhin ist diese Kartierung Grundlage für die 5G Funknetzplanung und Positionierung der Antennen für die Echtzeitbearbeitung (vgl. Bausteine 3 und 4). Baustein 2 - Rechenzentrum und Datenplattform: Um die umfänglichen Daten aus dem Weinberg sinnvoll verwalten zu können und auch anderen berechtigten Akteuren bereitzustellen, wurde eine Datenplattform aufgebaut, einschließlich feingranularer Data Governance und Rollen- und Rechtekonzept für eine dezentrale Zugriffssteuerung durch den Dateneigentümer. Für die Echtzeitdatenverarbeitung (s. Baustein 3) braucht es vorort eine leistungsfähige Edge Cloud, die in der Kombination mit dem lokalen 5G Campusnetz (s. Baustein 4) konzipiert wurde. Die intelligente Datenplattform unterstützt beim Sammeln, Auswerten und längerfristigen Nutzen klimatischer, ökologischer und weinbautechnischer Daten. Baustein 3 - Robotikplattform: Die Robotikplattform wurde von Clemens aufgebaut und von der Universität mit Multispektralkameras aufgerüstet, die Bilddaten erfassen, um die autonomen Bewegungen in der Folge zu ermöglichen. Diese Kameradaten werden über ein auf dem Rovo ebenfalls von der Universität montiertes 5G Modem und über die Antenne der 5G Campusnetzanlage (s. Baustein 4) übertragen und an eine angeschlossene Edge Cloud (s. Bausteins 2) übertragen, dort gespeichert und ausgewertet. Steuerungsbefehle werden anschließend aus den Auswertungen in der Edge Cloud wiederum über die 5G-Anlage und das 5G Modem an die Robotikplattform zurück übertragen und das Anbaugerät sowie der Rovo bewegt. Die Round-Trip Kommunikation (also Uplink, Auswertung und Downlink) geschehen in einer Zeit <30 ms. Der Uplink erfordert >150 Mbit/s. Die Anforderungen an die Echtzeitbearbeitung sind sehr hoch. Die intelligente Rechenleistung kann nicht auf dem Rovo angebracht werden, da die Robotikplattform sich schnell und in einem unruhigen Umfeld bewegt, daher die Edge Cloud (s. Baustein 2) in der Kombination mit dem 5G Campusnetz (s. Baustein 4). Baustein 4 - 5G Campusnetz: Die Übertragung und Auswertung der Daten zwischen Gerät im Weinberg und Rechenzentrum muss in Echtzeit geschehen. Die unter Baustein 3 genannten Anforderungen eine leistungsfähige Kommunikation zwischen Endgerät und der Basisstation wurden mittels gemietetem lokalem 5G Campusnetz gewährleistet. Die Planung der Funknetzausleuchtung erfolgte auf Basis der Kartierung aus Baustein 1. Baustein 4 - Spritzdrohnen: Neben dem bodenbehafteten Raupengerät waren Spritzdrohnen zum Ausbringen von Düngemittel und Pflanzenschutz in Steillagen im Einsatz, um die Arbeit der Winzer zu erleichtern. Auch die Drohnen bedienen sich der vorherigen Kartierung des Weinbergs (s. Baustein 1), um etwa gezielt vorab die Routenplanung durchführen zu können. Drohnenspritzungen sind ggü den Hubschraubern ebenfalls ökologisch wertvoller, da weniger Abdrift und punktgenauere Spritzungen erfolgen können. Herausforderungen sind jedoch pflanzenschutz- und luftfahrtrechtliche Genehmigungsverfahren und gesetzliche Vorgaben. Baustein 6 - IoT Sensornetzwerk: 36 Blattfeuchte- und Temperatursensoren im Weinberg er-möglichten das Monitoring des Mikroklimas im Weinberg. Hierfür wurden in drei Pilotwein-bergen IoT Sensoren, je eine Wetterstation und LoRaWAN Gateways mit Sim-Karten ausge-bracht, um die Temperatur und Blattfeuchte sowie Wetterbedingungen zu beobachten. Die Daten wurden in der Datenplattform (s. Baustein 2) gespeichert und verwaltet. Auswertungen der Daten erfolgten im KIWI-Modul (s. Baustein 7), um dem Winzer im 10-minütigen Takt ak-tuelle Visualisierungen der Temperatur und Blattfeuchte zu liefern. Diese Informationen sind etwa relevant, um die Risiken von Pilzbildung an den Weinreben besser abschätzen zu können und damit dann auch punktgenauer Drohnenspritzungen für Pflanzenschutz sowie die Ausbringungsmengen zu steuern (verschiedene Module in KIWI - s. Baustein 7). Baustein 7 - KIWI (KI-basiertes Weinbergsinformationsmanagementsystem): Das KI-basierte Weinbergsinformationsmanagementsystems unterstützt den Winzer, die betriebsrelevanten Betriebsdaten, Arbeitsvorgänge und Kennzahlen KI-basiert auszuwerten und übersichtlich in einer digitalen App darzustellen. Damit kann der Winzer einen tagesaktuellen Überblick über die Anlagen und den Betrieb erhalten, sowie über die Temperatur und Feuchtesituation im Weinberg punktgenau informiert werden, um etwa Spritz- oder Düngeapplikationen bzw. Bo-denarbeiten basierend auf der Wettersituation im Weinberg (vgl. Baustein 6) sowie dem Zu-stand der Reben (vgl. Baustein 1) durchzuführen. KIWI bietet verschiedene Module wie Dün-geassistent, Vollkostenrechner, Weinverschnittrechner, Monitoring der Sensoren sowie Aus-wertung der Temperaturdaten, etc. Die Datengrundlage wird in Baustein 2 verwaltet. Durch den Erkenntnisgewinn des Projekts Smarter Weinberg zur geringen öffentlichen 5G Mobilfunkversorgung in den Steillagen an der Mosel konnte im Jahr 2023 ein weiteres Vorhaben in der 5G Forschung akquiriert werden (NoLa), um ein nomadisches 5G Campusnetz für den Smarten Weinberg zu entwickeln, und damit die Lücke der geringen 5G Versorgung zu schließen. Mit dem Schwesterprojekt NoLa wurden weiterhin die Herausforderungen in der Ausleuchtung von 5G in schwierigen und vor allen Dingen kleinteilig bewirtschafteten Weinbergen adressiert.