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Digitale Agrarprozesse für eine nachhaltige und verordnungskonforme Landwirtschaft am Beispiel einer kooperativen Flüssigmistausbringung

Authors:
  • University of Applied Sciences Osnabrueck

Abstract

Eine zunehmende Anzahl von Agrarprozessen wird in Kooperation verschiedener Akteure bearbeitet. Eine Silomaisernte verlangt nach einem optimierten Zusammenspiel von Erntemaschine, abfahrenden Traktorgespannen, Waage und Siloverdichtung. Bei einer teilflächenspezifischen Flüssigmistausbringung müssen Ausbringwagen, Zubringer, Analysewerkzeuge sowie Applikationskartenberechnung, Maschinenauftragserstellung und Nährstoffdokumentation aufeinander abgestimmt werden. In der Praxis fehlt es an ganzheitlich digitalisierten Agrarprozessen, die kooperierende Akteure in ihren Tätigkeiten unterstützen. Dieser Beitrag veranschaulicht an den Ergebnissen des dreijährigen Forschungsprojektes OPeRAte, wie durch teilautomatisierte und medienbruchfrei umgesetzte Prozesse Anwender in ihren Tätigkeiten unterstützt werden können. Ganzheitlich digitalisierte Agrarprozesse begünstigen Umweltaspekte beispielsweise durch die Einhaltung von gesetzlichen Verordnungen, die Bereitstellung automatisierter Dokumentationen und die Durchführung von Optimierungsanalysen für ein effizientes Nährstoffmanagement.
M. Gandorfer et al.: Digitalisierung für Mensch, Umwelt und Tier,
Lecture Notes in Informatics (LNI), Gesellschaft für Informatik, Bonn 2020 217
Digitale Agrarprozesse für eine nachhaltige und verord-
nungskonforme Landwirtschaft am Beispiel einer koopera-
tiven Flüssigmistausbringung
Frank Nordemann1, Thorben Iggena1, Franz Kraatz1, Maik Fruhner1, Heiko Tapken1 und
Ralf Tönjes1
Abstract: Eine zunehmende Anzahl von Agrarprozessen wird in Kooperation verschiedener Ak-
teure bearbeitet. Eine Silomaisernte verlangt nach einem optimierten Zusammenspiel von Ernte-
maschine, abfahrenden Traktorgespannen, Waage und Siloverdichtung. Bei einer teilflächenspezi-
fischen Flüssigmistausbringung ssen Ausbringwagen, Zubringer, Analysewerkzeuge sowie
Applikationskartenberechnung, Maschinenauftragserstellung und Nährstoffdokumentation aufei-
nander abgestimmt werden. In der Praxis fehlt es an ganzheitlich digitalisierten Agrarprozessen,
die kooperierende Akteure in ihren Tätigkeiten unterstützen. Dieser Beitrag veranschaulicht an den
Ergebnissen des dreijährigen Forschungsprojektes OPeRAte, wie durch teilautomatisierte und
medienbruchfrei umgesetzte Prozesse Anwender in ihren Tätigkeiten unterstützt werden können.
Ganzheitlich digitalisierte Agrarprozesse begünstigen Umweltaspekte beispielsweise durch die
Einhaltung von gesetzlichen Verordnungen, die Bereitstellung automatisierter Dokumentationen
und die Durchführung von Optimierungsanalysen für ein effizientes Nährstoffmanagement.
Keywords: Kooperative Agrarprozesse, Prozessmodellierung, Prozesssteuerung, integrierte Da-
tenhaltung, automatisierte Dokumentation, BPMN, MQTT, ISOXML, ISOBUS, OPeRAte
1 Motivation und Problemstellung
Die Digitalisierung hat in der Agrartechnik zu Effizienzsteigerungen bei der Produktion
landwirtschaftlicher Güter geführt. Allerdings sind die erhofften Erleichterungen und
Verbesserungen für die ausführenden Menschen und die Umwelt vielfach nicht eingetre-
ten: Aufgrund fehlender oder inkompatibler Daten und Formate, nicht medienbruchfreier
und aufwendiger Prozessabläufe sowie komplexer Bediensoftware werden IT-Systeme
oftmals nicht als unterstützende Werkzeuge, sondern als Hindernisse von den Anwen-
dern wahrgenommen. Zusätzlich erschweren ausgeprägte rechtliche Verordnungen,
deren Einhaltung und deren Dokumentation den Arbeitsprozess, wie dies beispielsweise
novellierte Vorschriften zur Reduzierung der Nitratbelastung des Grundwassers verlan-
gen. Vielfach kann die tatsächliche Ausführung der Arbeiten diesen Ansprüchen nicht
genügen – mit negativen Folgen für den verantwortlichen Landwirt und die Umwelt.
Auf Basis der Ergebnisse des dreijährigen BMEL-Forschungsprojektes OPeRAte [OP19]
wird nachfolgend veranschaulicht, wie die Digitalisierung den Menschen bei der Bear-
1 Hochschule Osnabrück, Fakultät Ingenieurwissenschaften und Informatik, Albrechtstr. 30, 49076 Osnabrück,
{f.nordemann;t.iggena;f.kraatz;m.fruhner;h.tapken;r.toenjes}@hs-osnabrueck.de
Published in: 40. GIL-Jahrestagung, Gesellschaft für Informatik in der Land-, Forst-, und
Ernährungswirtschaft, Weihenstephan, Februar 2020.
218 Frank Nordemann et al.
beitung und Dokumentation von kooperativen Agrarprozessen unterstützen und gleich-
zeitig negative Belastungen für die Umwelt reduzieren kann.
2 Kooperative Agrarprozesse
Stellvertretend für kooperative Agrarprozesse wird nachfolgend ein Prozess zur Flüs-
sigmistausbringung genutzt, um die Herausforderungen und Potenziale der Digitalisie-
rung von kooperativen Prozessen darzustellen.
2.1 Gängiger Prozess zur Flüssigmistausbringung
An der Ausbringung von Flüssigmist sind neben dem Landwirt (LW) oftmals weitere
Akteure beteiligt: Precision-Farming-Anbieter erstellen Applikationskarten für eine
teilflächen- und nährstoffspezifische Düngung, digitale Dienste wandeln Applikations-
karten in Maschinenaufträge um, Lohnunternehmer (LU) führen die Düngung durch,
Behörden nehmen die Dokumentation entgegen (vgl. Abb. 1). Die Koordination der
Akteure erfolgt telefonisch, mittels E-Mails oder in Briefform. Aufgrund der Diversität
der Informationskoordination und der zeitlichen Abstände zwischen den Prozessschrit-
ten, die sich über ein ganzes Anbaujahr hinziehen können, entspricht die Düngedoku-
mentation nicht immer den an sie gestellten Ansprüchen. Auch die komplexer werdende
Ausführung unter Einhaltung der Düngeverordnung bietet Fehlerpotenziale. Abb. 1 fasst
mögliche Fehlerpotenziale in den Prozessschritten grafisch zusammen.
LW plant
Düngeaus-
bringung
LU plant
Auftrag
Fahrer
konfiguriert
Maschine
Düngeaus-
bringung
LU stellt
Rechnung (ggf.
mit Ausbring-
menge)
LW erstellt
Dokumentation
Behörde prüft
Stoffstrombilanz
ab ab
Fehlerpotentiale
Fahrer schließt
Auftrag ab
Abb. 1: Heute gängiger Prozess zur Düngeausbringung ohne durchgehende Digitalisierung
Die Digitalisierung hat bereits einzelne Prozessabschnitte erreicht, wie z. B. die steigen-
de Verwendung von Farmmanagementsystemen zeigt. Herausfordernd bleibt, die einzel-
nen Prozessschritte nicht mit Insellösungen zu bedienen, sondern durchgehende und
akteurübergreifende Lösungen für kooperative Prozesse bereitzustellen.
2.2 Ganzheitlich digitalisierter Prozess zur Flüssigmistausbringung
Eine Steigerung des Nutzens der Digitalisierung für die Anwender und die Umwelt kann
durch eine Optimierung kooperativer Prozessabläufe erreicht werden. Dabei sollen An-
wender durch eine geführte Teilautomation in ihren Arbeiten unterstützt und geleitet
Digitale Agrarprozesse für eine nachhaltige und verordnungskonforme Landwirtschaft 219
werden. Ein ganzheitlicher, medienbruchfreier Flüssigmistprozess mit automatisierter
Dokumentation ist in Abb. 2 darstellt. Er basiert auf den Forschungsergebnissen des
OPeRAte-Projektes.
LW pl ant
Düng eaus-
bring ung
LU pl ant
Auftrag
PF-D L errechnet
Applikationskarte
OPeRA te erste llt
Masc hinena uftra g
Düng eaus-
bring ung LU erstellt
Rechnung
LW erstellt
Dokumentation
Behörde prüft
Stof fstro mbila nz
Maschi ne erhält
Konfiguration
OPeRA te analys iert
Datenbestände
Automatisierte OPeRAte Operation OPeRAte Anwender-
unterstützung
Automatisierte OPeRAte Über tragung
Abb. 2: Ganzheitlich digitalisierter Düngeprozess mit automatisierter Dokumentation in OPeRAte
Der Prozess umfasst neben einem beauftragenden Landwirt einen Precision-Farming-
Dienstleister (PF-DL), einen ausführenden Lohnunternehmer, Dienste zur Datenverar-
beitung und Dokumentation sowie eine Behörde. Bei der Prozessausführung wird der
Anwender durch automatisierte Abläufe entlastet, was die Fehleranfälligkeit der Ausfüh-
rung und Dokumentation reduziert. Auf manuelle Eingaben von Auftragsdaten und Kon-
figurationen wird verzichtet. Automatisierte Prozessabläufe unterstützen bei der Daten-
erfassung, Datenbereitstellung, Prozessvisualisierung und Prozessüberwachung. Mittels
einer ISOBUS-basierten Maschinenbeschreibung [IS07] können Agrarprozesse bei der
Maschinenkopplung erkannt werden, ohne dass eine vorherige Detailplanung zwingend
notwendig ist. Durch die Aufnahme und Verarbeitung von Prozessdaten können Berichte
für Behörden automatisiert und verordnungskonform erstellt und später auch digital
übertragen werden (z. B. in Niedersachsen mittels ENNI, vgl. [LN19]). Die in OPeRAte
unter Einbeziehung des Datenschutzes erstellte Datenarchitektur ermöglicht es dem
Anwender, seine Aufträge mit zugehörigen Daten für andere Akteure digital bereitzu-
stellen. Dies ermöglicht neben einem vereinfachten Ablauf auch die Durchführung von
ökologischen und ökonomischen Optimierungsanalysen zum Nährstoffeinsatz.
3 Technische Realisierung digitaler Agrarprozesse
Die in OPeRAte erarbeitenden Methoden und Lösungskonzepte basieren auf freien,
nicht proprietären Technologien, die von allen Akteuren eingesetzt werden können.
Während die Schnittstellen zwischen den Akteuren eindeutig definiert werden, verblei-
ben sie frei in der Ausgestaltung der einzelnen Prozessschritte und den dazu eingesetzten
Technologien und Vorgehensweisen.
3.1 Akteurübergreifende Prozessdefinition und -steuerung
Auf Basis der Modellierungssprache Business Process Model and Notation 2.0 (BPMN,
[OM11]) werden Abläufe strukturiert und Medienbrüche vermieden, ohne dass die Ak-
220 Frank Nordemann et al.
teure Details ihrer Arbeitsweise und IT-Struktur offenlegen müssen. Das Prozessmodell
integriert den Informationsaustausch zwischen IT-Diensten (z.B. mittels REST) und die
Anbindung von Agrarmaschinen (mittels MQTT, [OA19]). Aus den einzelnen Prozess-
schritten ergibt sich ein gemeinsames Prozessmodell, das Abb. 3 aus Sicht eines koordi-
nierenden OPeRAte-Prozessmanagements darstellt. Das Prozessmodell beschreibt die
Kooperation der Akteure sowie einzelne Prozessschritte und kann mit BPMN Runtime
Engines zur Ausführung erweitert werden.
Abb. 3: Gemeinsame BPMN-Prozesssicht verschiedener Akteure auf einen Flüssigmistprozess
Innerhalb des OPeRAte-Projektes wurde eine BPMN-Erweiterung konzeptioniert, um
auch bei unterbrechungsbehafteter Kommunikation eine robuste Prozessausführung
gewährleisten zu können. Mit Hilfe des Microservice-Architekturstils [SN15] können in
sich gekapselte, verschiebbare Funktionseinheiten entworfen werden, die Prozessschritte
lokal auf der Maschine fortsetzen, wenn externe Akteure durch Kommunikationsunter-
brechungen nicht erreichbar sind [NTP20].
Ein BPMN-Modell bildet die Basis für den kooperativen Prozess. Der Landwirt und der
Lohnunternehmer mit seinen beteiligten Mitarbeitern steuern und überwachen den Pro-
zess über benutzerfreundliche Oberflächen, ohne technische Details von Modell und
Implementierung kennen zu müssen. Auf der ausführenden Landmaschine steht dem
Anwender ein Landmaschinenterminal zur Verfügung, das ihn bei der verordnungskon-
formen Durchführung beispielsweise durch Einblendung von Abstands- und Sperrflä-
chen unterstützt.
3.2 Datenschutzkonforme Integration von Prozessdaten
Ein wichtiger Bestandteil zur digitalen Unterstützung von Agrarprozessen ist die Daten-
haltung und deren Integration in den Prozess bei gleichzeitiger Einhaltung des Daten-
schutzes. Durch die Nutzung von Technologien wie Row-Level-Security [Po19] und
Privacy-by-Design-Ansätzen im Datenbankmanagementsystem ist dies im OPeRAte-
Projekt gegeben. Die Rechte an den Daten verbleiben beim jeweiligen Nutzer und sind
nur von diesem einsehbar. Gezielte Freigaben während eines Prozessablaufs ermögli-
Digitale Agrarprozesse für eine nachhaltige und verordnungskonforme Landwirtschaft 221
chen die benötigte Kommunikation zwischen den verschiedenen Akteuren, wie z. B.
Landwirt und Lohnunternehmer.
Neben den manuell eingegebenen Daten und den bei der Durchführung generierten Sen-
sor- und Statusdaten werden externe Daten zur Anreicherung bestehender Datensätze
kontinuierlich importiert. Die Datenhaltung ist z. B. darauf ausgelegt, historische Wet-
terdaten des Deutschen Wetterdienstes und multispektrale Satellitenbilder des Sentinel-
2-Programms der ESA [ES19] aus öffentlichen Schnittstellen zu integrieren. Diese kön-
nen durch geo-temporale Metadaten mit den in der Datenbank vorhandenen Auftragsda-
ten verknüpft werden. Dadurch bieten sich neue Möglichkeiten, wie etwa Big-Data-
Analysen zur Optimierung von ähnlichen Prozessabläufen in der kommenden Saison.
4 Prototypische Evaluierung
Prototypische Tests der OPeRAte-Werkzeuge zur Prozessplanung und -steuerung (vgl.
Abb. 4) belegen die Unterstützung der ausführenden Anwender und vermindern durch
die Einhaltung von Verordnungen negative Umwelteinflüsse. Langfristig sind durch
Datenanalysen vergangener Anbaujahre weitere Verbesserungen bei der nachhaltigen
Düngung zu erwarten.
Abb. 4: Prozessstatus a) im Web und b) auf der Landmaschine, c) OPeRAte-Flüssigmistwagen
5 Zusammenfassung und Ausblick
Ganzheitlich digitalisierte Agrarprozesse können durch Teilautomatisierung dem An-
wender fehlerbehaftete Arbeitsschritte abnehmen und Hilfestellung bei der verordnungs-
konformen Prozessausführung geben. Die Reduzierung negativer Umwelteinflüsse kann
durch kontinuierliche Optimierungsanalysen zum Nährstoffeinsatz auf Basis automati-
sierter Prozessdatenintegration und der Datenverarbeitung verschiedener Anbaujahre
unterstützt werden.
222 Frank Nordemann et al.
Die Erfahrungen aus dem OPeRAte-Projekt zeigen, dass für eine Akzeptanz der entwi-
ckelten Konzepte eine hohe Benutzerfreundlichkeit hinsichtlich der Werkzeugbedienung
und der Nachvollziehbarkeit automatisierter Arbeitsschritte kritische Faktoren sind.
Weiterhin sind freie, nicht proprietäre Technologien wie BPMN, REST, MQTT,
ISOBUS / ISOXML von hoher Bedeutung, um einen durchgängigen, akteurübergreifen-
den Prozess modellieren und ausführen zu können. In diesem Hinblick sind insbesondere
die Standardisierungsbemühungen der AEF für ein einheitliches Format zur drahtlosen
Übertragung von Agrardaten (EFDI, [AI19]) positiv zu bewerten. Die Weiterentwick-
lung der in OPeRAte prototypisch evaluierten Konzepte und Werkzeuge zu einer markt-
reifen Produktlösung wird von den Projektpartnern in einem Folgeprojekt angestrebt.
Die Förderung des OPeRAte-Projektes erfolgt aus Mitteln des Bundesministeriums für
Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bun-
destages. Die Projektträgerschaft erfolgt über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und
Ernährung (BLE) im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung.
Literaturverzeichnis
[AI19] Agricultural Industry Electronics Foundation (AEF): Extended FMIS Data Interface
(EFDI), Project Team 09, www.aef-online.org, Stand: 22.10.2019.
[ES19] European Space Agency (ESA): Copernicus Sentinel-2 Mission, http://sentinel.esa.int/
web/sentinel/missions/sentinel-2, Stand: 22.10.2019.
[IS07] ISO 11783 Part 1-14, Tractors and machinery for agriculture and forestry - Serial
control and communications data network, Beuth Verlag, 2007.
[LN19] Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Elektronische Nährstoffmeldungen Nieder-
sachsen (ENNI), www.lwk-niedersachsen.de/index.cfm/portal/
meldeprogrammwirtschaftsduenger/nav/2378.html, Stand: 22.10.2019.
[NTP20] Nordemann, F., Tönjes, R., Pulvermüller, E.: Resilient BPMN – robust process model-
ing in unreliable communication environments, MODELSWARD, Malta, 2020.
[OA19] Organization for the Advancement of Structured Information Standards (OASIS),
Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), www.oasis-open.org/committees/
tc_home.php?wg_abbrev=mqtt, Stand: 22.10.2019.
[OM11] Object Management Group (OMG), Business Process Model and Notation (BPMN)
v2.0 Spezifikation, 2011, www.bpmn.org, Stand: 22.10.2019.
[OP19] OPeRAte-Forschungsprojekt, Orchestrierung von Prozessketten für eine daten-
getriebene Ressourcenoptimierung in der Agrarwirtschaft und -technik,
www.operate.edvsz.hs-osnabrueck.de, Stand: 22.10.2019.
[Po19] PostgreSQL: Row Level Security, www.postgresql.org/docs/10/ddl-rowsecurity.html,
Stand: 22.10.2019.
[SN15] Sam Newman: Building Microservices, O’Reilly Media, Sebastopol, California, 2015.
... For instance, before MGMT deploys a task to a slurry spreader in S4-Exe, a farmer may instruct an agricultural contractor to perform the slurry application using its machinery and workers. As outlined in [120], trucks may support the application by transporting the slurry to the corresponding fields. Finally, the applied slurry amounts have to be reported to a local authority. ...
... Using information of the tractors' machine bus, the composition of tractor and slurry spreader may be analyzed for its technical capabilities (e.g., the capability of applying slurry to partfields, cf. [120]). This may be used to initiate and configure a slurry process model, controlling and documenting the application process. ...
Thesis
Full-text available
Business processes define workflows by structuring sets of activities according to given objectives. Process Modeling Languages (PMLs) provide graphical elements to define process models. Apart from use cases in finance and commerce, PMLs gain popularity in application domains such as Cyber-Physical Systems, the Internet of Things, ubiquitous computing, mobile devices, and scenarios happening in rural, restricted, or disasteraffected regions. Many of the domains are exposed to delayed, intermittent, or broken connectivity. Existing PMLs show limitations in considering connectivity-related issues, leading to failures and breakdowns at process runtime. This thesis addresses connectivity-related issues regarding the modeling and execution of resilient business processes taking place in unreliable communication environments. With resilient BPMN (rBPMN), an extension for the Business Process Model and Notation (BPMN) addressing environments with delayed, intermittent, or broken connectivity is introduced. rBPMN extends the BPMN metamodel by new elements for resilient process models. Domain experts may define alternatives for possibly failing message flows based on priorities or characteristics of the alternatives. Functionality offered by remote participants may be moved to other participants for local execution. This thesis illustrates approaches for the graph-based analysis of business processes regarding their resilient operation. By translating process models into directed graphs, graph algorithms allow to dynamically find the most suitable process path. Domain experts are enabled to identify non-resilient parts of a process model, allowing them to optimize the involved segments before runtime. Multi-criteria analysis approaches optimize process operation according to a chosen set of criteria. A real-world scenario of an environmental-friendly slurry application illustrates the use of rBPMN’s concepts and approaches for modeling and executing resilient processes. Technical approaches realizing rBPMN’s resilience strategies using a BPMN runtime engine and microservices are illustrated. The proof-of-concept implementations may be extended and adapted, serving as guides for other application domains.
Conference Paper
Full-text available
Process modeling languages help to define and execute processes and workflows. The Business Process Model and Notation (BPMN) 2.0 is used for business processes in commercial areas such as banks, shops, production and supply industry. Due to its flexible notation, BPMN is increasingly being used in non-traditional business process domains like Internet of Things (IoT) and agriculture. However, BPMN does not fit well to scenarios taking place in environments featuring limited, delayed, intermittent or broken connectivity. Communication just exists for BPMN - characteristics of message transfers, their priorities and connectivity parameters are not part of the model. No backup mechanism for communication issues exists, resulting in error-prone and failing processes. This paper introduces resilient BPMN (rBPMN), a valid BPMN extension for process modeling in unreliable communication environments. The meta model addition of opportunistic message flows with Quality of Service (QoS) parameters and connectivity characteristics allows to verify and enhance process robustness at design time. Modeling of explicit or implicit, decision-based alternatives ensures optimal process operation even when connectivity issues occur. In case of no connectivity, locally moved functionality guarantees stable process operation. Evaluation using an agricultural slurry application showed significant robustness enhancements and prevented process failures due to communication issues.
Elektronische Nährstoffmeldungen Niedersachsen (ENNI)
  • Landwirtschaftskammer Niedersachsen
Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Elektronische Nährstoffmeldungen Niedersachsen (ENNI), www.lwk-niedersachsen.de/index.cfm/portal/ meldeprogrammwirtschaftsduenger/nav/2378.html, Stand: 22.10.2019.
Orchestrierung von Prozessketten für eine datengetriebene Ressourcenoptimierung in der Agrarwirtschaft und -technik
  • Operate-Forschungsprojekt
OPeRAte-Forschungsprojekt, Orchestrierung von Prozessketten für eine datengetriebene Ressourcenoptimierung in der Agrarwirtschaft und -technik, www.operate.edvsz.hs-osnabrueck.de, Stand: 22.10.2019.