Business process model for the interoperability improvement in the agriculture domain with the Use of digital twins

Abstract

Agriculture is one of the most important practices for humanity and has been revolution izing itself to keep up with the population growth and the new demands of the modern world and it is currently going through digital transformation. The fundamental data for the management of a farm originates from tasks performed by different machines or employees, systems of different providers and, are then, stored in a distributed man ner and usually with non-standardized formats. That facilitates the occurrence of data incompatibilities and inconsistencies in a farm’s processes, as a farmer commonly may need more than one system to manage all the specific steps involved. On this matter, the Fraunhofer Institute of Experimental Software Engineering (IESE) project Cognitive Agriculture, COGNAC, aims at the improvement of the interoperability between these distinct systems and machines by building an Agricultural Data Space (ADS) that imple ments the concept of Digital Twin. This work focuses on demonstrating with BPM that the use of DTs by COGNAC can improve the agriculture domain interoperability between these and other services. Such enhancement is demonstrated by applying the three steps - Process Discovery, Process Analysis, and Process Redesign - from the BPM lifecycle to a sugar beet farming process use case in Germany. First, modelling the as-is busi ness process model without DT, analyzing it and then redesigning it into the to-be model accordingly with the DT integration. The analysis was made with the Waste Analysis methodology and identified the problems already pointed by the farmers, hence confirm ing them. Moreover, the redesign step shows a reduction on the number of tasks needed to be performed by the farmer and, thus, an improvement on the process data quality, interoperability and efficiency. Finally, a web farm management information system pro totype capable of connecting to the DT was implemented to help validate the to-be model.

A agricultura é uma das práticas mais importantes para a humanidade e tem se revolu cionado para acompanhar o crescimento da população e as novas exigências do mundo moderno, passando, atualmente, pela transformação digital. Os dados fundamentais para a gestão de uma fazenda originam-se de tarefas realizadas por diferentes máquinas ou trabalhadores, sistemas de diferentes provedores e então são armazenados de forma dis tribuída e geralmente com formatos não padronizados. Isto facilita a ocorrência de in compatibilidades e inconsistências de dados nos processos de uma fazenda, uma vez que um agricultor pode necessitar mais do que um sistema para gerir etapas específicas. Neste contexto, o projeto Cognitive Agriculture, COGNAC, do Instituto Fraunhofer de Enge nharia de Software Experimental (IESE), visa a melhoria da interoperabilidade entre es tes distintos sistemas e máquinas através da construção de um Espaço de Dados Agrícola (ADS) que implementa o conceito de Gêmeos Digitais. Este trabalho tem como objetivo demonstrar que a utilização de Gêmeos Digitais pelo COGNAC pode melhorar a inte roperabilidade do domínio da agricultura entre estes e outros serviços. Esta melhoria é demonstrada através da aplicação das três etapas - Descoberta do Processo, Análise do Processo e Remodelagem do Processo - do ciclo de vida do BPM em um caso de uso do processo de cultivo da beterraba na Alemanha. Primeiro, o modelo de processo de negó cio as-is, sem Gêmeos Digitais, é feito, analisado e, em seguida, remodelado no modelo to-be, de acordo com a integração dos Gêmeos Digitais. A análise foi feita com a meto dologia de Análise de Resíduos (Waste Analysis) e identificou os problemas já apontados pelos agricultores, portanto os confirmando. Além disso, a etapa de remodelagem mostra uma redução do número de tarefas a serem realizadas pelo agricultor e uma melhoria da qualidade e interoperabilidade dos dados do processo. Finalmente, foi implementado um protótipo web de sistema de gestão de fazendas capaz de se conectar aos Gêmeos Digitais para ajudar a validar o modelo to-be.