Cas utilisateurs

Prévoir la durée de conservation des fruits grâce à des applications de simulation

L'organisation de recherche suisse Empa a développé des modèles et créé une application de simulation pour smartphone destinée aux agriculteurs et aux commerçants afin de prévoir la durée de conservation des fruits et des légumes frais. Ces travaux soutiennent une coalition multinationale dont l'objectif est d'améliorer les conditions de stockage des aliments réfrigérés dans les pays en développement.

Par Rachel Keatley
Septembre 2023

Le parcours post-récolte des produits frais est un maillon particulièrement fragile de la chaîne d'approvisionnement alimentaire mondiale. Chaque année, environ un tiers de la nourriture produite pour la consommation humaine est perdue ou gaspillée (Réf. 1). Les problèmes liés à la distribution et au stockage réfrigérés jouent un rôle majeur dans ces pertes, en particulier dans les pays en développement comme l'Inde, où seulement 6 % de la production alimentaire entre dans la "chaîne du froid" (Réf. 2) — ce qui la rend particulièrement sujette à la décomposition. Actuellement, les rares espaces réfrigérés, tels que les petites chambres froides alimentées par l'énergie solaire (Figure 1), peuvent être occupés par des récoltes qui ont déjà dépassé leur pic de maturité, alors même que d'autres cargaisons se détériorent en attendant d'avoir accès à une chambre froide.

Dans le cadre d'un consortium multinational regroupant des acteurs de la chaîne d'approvisionnement alimentaire, le laboratoire fédéral suisse de recherche pour les sciences et le développement de technologies des matériaux (Empa) et l'Agence bâloise pour l'énergie durable (BASE) ont développé Coldtivate pour contribuer à atténuer ces problématiques. Coldtivate est une application mobile qui informe ses utilisateurs du processus de refroidissement et de décomposition de différents types de fruits en temps réel. Cette application a été développée en s’appuyant sur la simulation multiphysique et a été déployée auprès des exploitants d'entrepôts frigorifiques dans trois régions de l'Inde fin 2022 et au Nigeria en 2023. Les agriculteurs qui utilisent l'application ne voient pas les modèles multiphysiques sous-jacents et n'interagissent pas directement avec l'application de simulation : ils obtiennent les résultats sous forme de données exploitables via l'application mobile Coldtivate.

Prévisions basées sur la simulation pour optimiser le stockage des denrées alimentaires

L'application mobile Coldtivate fournit des prévisions basées sur des données concernant la fraîcheur des produits dans une chambre froide. Ces prévisions sont transmises depuis une application de simulation (Figure 2), que l'Empa a développée avec le logiciel COMSOL Multiphysics^® et son Constructeur d’applications intégré.

Les applications de simulation sont des interfaces faciles à utiliser, créées à partir de modèles COMSOL Multiphysics existants, dans lesquelles le développeur de l'application décide des entrées et des sorties à afficher. Ces applications sont prêtes à l'emploi, mais l'Empa et la BASE souhaitaient transmettre les données de leur application de simulation d’une manière qui serait la plus familière possible pour leurs utilisateurs finaux, à savoir principalement des agriculteurs. Comme les applications mobiles sont largement utilisées dans le monde agricole moderne (Réf. 3), ils ont développé Coldtivate pour servir d'interface utilisateur.

"Notre application COMSOL fonctionne sur le même serveur headless que celui qui héberge l'application mobile," explique Joaquin Gajardo, data scientist à l'Empa et responsable technique du projet Coldtivate. C'est ce qui permet à l'application de simulation et à l'application mobile d’échanger des informations entre elles. “Nous avons utilisé le Constructeur d’applications pour automatiser la mise à jour des simulations en fonction des changements de paramètres d'entrée [dans l'application mobile],” indique M. Gajardo. Cela permet de combiner les capacités du modèle multiphysique de l'Empa avec la praticité d'une application mobile spécialement conçue dans ce but. Pour que leur application de simulation puisse être utilisée de cette manière, ils l'ont d’abord compilée en un exécutable autonome à l'aide de COMSOL Compiler™.

"Sans le Constructeur d’applications, il aurait été impossible d'intégrer les jumeaux numériques dans une application mobile et de démocratiser ces simulations multiphysiques, ainsi que leurs résultats auprès d'un plus grand nombre de bénéficiaires, comme des exploitants agricoles," souligne Thijs Defraeye, chercheur senior à l'Empa et professeur à l’Université de Wageningue.

Le modèle derrière l'application de simulation

Les températures ambiantes influencent directement la durée de conservation des produits frais. Cependant, bien que la plupart des unités de stockage réfrigérées soient équipées de thermomètres, les données qu'ils fournissent sont insuffisantes pour prévoir la durée de conservation des fruits et légumes.

"Nous ne pouvons pas déterminer la durée de vie prévue des produits à partir d'une seule courbe de température ou d'humidité provenant d'une chambre froide," explique M. Defraeye. "Le modèle COMSOL de chaque caisse reçoit les données réelles de température et d'humidité des chambres froides, ce qui permet de recalculer régulièrement la durée de conservation restante." C'est sur ce modèle que se base l'application de simulation de l'Empa.

De plus, un capteur situé dans une partie de l'espace de stockage ne reflète pas nécessairement la température à la surface d'une pomme dans une cagette par exemple, surtout si cette caisse vient d'être amenée à l'intérieur.

Afin d'obtenir une image plus précise de la façon dont chaque cargaison de produits peut être affectée par des conditions de stockage variables, l'Empa développe actuellement des modèles pour simuler des cargaisons entières de divers fruits et légumes avec COMSOL Multiphysics^® (Figure 3). "Pour réaliser cela, nous devons utiliser une approche de modélisation des milieux poreux afin de générer des mesures exploitables à partir des relevés des capteurs," développe M. Defraeye.

L'application en action

"Imaginons qu'une nouvelle cargaison arrive dans une chambre froide," propose M. Gajardo. "L'opérateur ouvre l'application Coldtivate sur son téléphone et saisit le type de produit, la température actuelle, les jours écoulés depuis la récolte et d'autres données pertinentes. L'application mobile génère alors un fichier texte contenant ces informations. Les valeurs de ce fichier texte servent de paramètres d'entrée à l'application COMSOL, qui calcule alors la durée de conservation prévue. Ce calcul est ensuite enregistré dans un fichier de sortie, et la qualité résiduelle du produit ainsi que le nombre de jours restants sont ensuite affichés dans l'interface utilisateur de l'application mobile."

Toutes les six heures, les valeurs affichées sur l'application Coldtivate sont recalculées à partir des prévisions actualisées basées sur les dernières données de température de la chambre froide (Figure 4). Les agriculteurs peuvent vérifier directement la durée de conservation restante de leurs caisses dans l'application mobile. S'ils n'ont pas de smartphone, "les opérateurs de l'entrepôt peuvent les informer de la durée pendant laquelle leurs produits resteront frais dans la chambre froide," explique M. Gajardo. Ces informations aideront ainsi les agriculteurs à éviter la vente à perte et la destruction inutile des produits invendus.

Un travail d'équipe pour garantir des données fiables

M. Defraeye et son équipe à l'Empa ont consacré de nombreuses années à mettre au point leur système de collecte de données et de modélisation. "Au début de l'année 2021, nous avions déjà créé des modèles [pour analyser la fraîcheur des produits], mais ils n'étaient pas encore déployés dans les chaînes d'approvisionnement réelles," indique M. Defraeye. Des demandes émanant d'organisations mondiales à but non lucratif, œuvrant dans le domaine du développement, ont été à l'origine de la création de l'application mobile Coldtivate (Figure 5).

"Nous avons été contactés par la BASE, qui développe des modèles économiques innovants pour aider les agriculteurs à mieux utiliser les ressources disponibles," développe M. Defraeye. "L'idée était de combiner un modèle commercial de paiement selon l’utilisation, avec des informations susceptibles d'améliorer l'accès au système de réfrigération. Pour cela, nous avions besoin d'autres partenaires ayant des liens étroits avec les personnes que nous voulions aider." Parmi ces partenaires figuraient des entreprises de réfrigération et d'autres parties prenantes dans les États indiens du Bihar, de l’Himachal Pradesh et de l'Odisha, qui ont rejoint la BASE et l'Empa dans le cadre d'une initiative appelée "Your Virtual Cold Chain Assistant (Your VCCA)".

"La confiance est l'ingrédient clé ," déclare M. Defraeye. "Les simulations nous permettent de voir ce qui arrive aux produits au fil du temps, et l'application pour smartphone met ces informations entre les mains des personnes qui peuvent les utiliser, comme les gestionnaires des chambres froides ou les agriculteurs. L'objectif est d'ajouter de la transparence au point de vente, là où cela peut faire une grande différence. Si les agriculteurs et les exploitants d'entrepôts frigorifiques peuvent se fier aux prévisions, ils pourront également se faire confiance mutuellement."

Coldtivate sur le terrain

En août 2022, l'application Coldtivate a été mise à la disposition d'entreprises de réfrigération préalablement sélectionnées, accompagnée d'une formation pour les gestionnaires de chambres froides afin qu’ils puissent utiliser l'application pour suivre les produits dans leurs installations (Figure 6). À ce jour, l'application a été testée dans 17 chambres froides, servant ainsi plus de 300 agriculteurs. Ces derniers ont constaté une augmentation de 20 % de leurs revenus et une réduction de 20 % de leurs pertes alimentaires après récolte. L'Empa et ses partenaires travaillent maintenant à étendre l'impact de Coldtivate.

Les prochaines versions de l'application fourniront d'autres informations pertinentes, telles que les prévisions des prix du marché, et même des prévisions de la qualité des récoltes sur la base de photos des produits. Aujourd'hui, la BASE et l'Empa travaillent avec des organisations au Nigeria et aux Philippines afin de faire bénéficier de Coldtivate à un plus grand nombre de personnes dans le monde (Réf. 4).

L'ampleur des pertes après récoltes à l'échelle mondiale est impressionnante, mais la coalition à l'origine du projet Coldtivate a prouvé que des améliorations sont possibles. "Nous constatons que la mise à disposition d’outils prédictifs basés sur la simulation peut améliorer l'accès à la réfrigération," conclut M. Defraeye. "Nous avons maintenant besoin de plus que de simples petites avancées ; nous avons besoin d'une action audacieuse pour étendre notre impact. Nous parviendrons à ce résultat en mettant la technologie entre les mains d'un plus grand nombre de personnes qui pourront l'utiliser pour faire la différence."

Remerciements

Le développement de l’application Coldtivate a été financé en partie par la subvention data.org Inclusive Growth and Recovery Challenge "Your Virtual Cold Chain Assistant", soutenue par la Rockefeller Foundation et le Mastercard Center for Inclusive Growth, ainsi que par le projet "Scaling up Your Virtual Cold Chain Assistant", mandaté par le Ministère fédéral allemand de la coopération économique et du développement (BMZ) et mis en œuvre par la BASE et l’Empa pour le compte de l'Agence allemande pour la coopération internationale (GIZ). L'équipe du projet souhaite remercier les principaux partenaires du projet, Koel Fresh Private Ltd, Oorja Development Solutions India Private Ltd et ColdHubs Ltd, pour leur contribution aux tests et à la mise au point du modèle relatif à la durée de conservation.