信息技術在放牧綿羊福利中應用的研究進展

張　玉，齊景偉*，金　曉，斯日古楞，高　靜，曹琪娜，阿麗瑪，曹曉波

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.云南大學，云南 昆明 650034)

近幾年中國政府提出“互聯(lián)網(wǎng)+”的行動計劃，為發(fā)展智慧畜牧業(yè)明確了前進的方向。將畜牧業(yè)建設和互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術進行有效融合，提升畜牧業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務水平，形成網(wǎng)絡化、實時化、便利化、感知化、智能化、物聯(lián)化、精細化的現(xiàn)代畜牧業(yè)新模式。內(nèi)蒙古地區(qū)是我國畜牧業(yè)主要的生產(chǎn)基地，是現(xiàn)代集約化生產(chǎn)與傳統(tǒng)放牧養(yǎng)殖重要的樞紐地帶，其中綿羊養(yǎng)殖在國民經(jīng)濟中占有重要位置。利用智能監(jiān)測技術對內(nèi)蒙古地區(qū)的綿羊生存環(huán)境進行監(jiān)控，分析不同環(huán)境條件下放牧綿羊生命體征、健康狀況、行為狀況等福利情況，進而探討優(yōu)化內(nèi)蒙古地區(qū)放牧綿羊養(yǎng)殖方案。這對降低綿羊應激反應、提高福利水平和經(jīng)濟效益，具有十分重要的科學意義和現(xiàn)實意義。

1　智慧畜牧業(yè)在國內(nèi)外的發(fā)展

國外智慧畜牧業(yè)發(fā)展速度很快，尤其是以澳大利亞領先，澳大利亞政府大力支持農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術的應用和普及，推動了澳大利亞畜牧業(yè)的發(fā)展。澳大利亞政府還開展了“智能農(nóng)場”、“數(shù)字農(nóng)莊”、“傳感塔斯馬尼亞(Sense-T)”等一系列項目的建設，其中傳感塔斯馬尼亞(Sense-T)系統(tǒng)作為澳大利亞國家寬帶網(wǎng)絡計劃的重要部分，建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息管理平臺和信息處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了在農(nóng)場利用無線網(wǎng)和傳感網(wǎng)對畜禽生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)采集和利用，畜禽的各項生產(chǎn)指標可以通過傳感器進行實時監(jiān)測，再通過計算機信息操作系統(tǒng)和數(shù)學模型模擬動物的生長過程，并優(yōu)化設計動物的生產(chǎn)，通過專家系統(tǒng)來確定畜禽最佳飼養(yǎng)方式，最優(yōu)化數(shù)量、出欄體重和出欄時間等。澳大利亞的綿羊合作社利用電腦網(wǎng)絡的便捷性幫助牧民進行綿羊拍賣、合同簽訂、貨款清繳，維護公平交易和市場秩序；并利用網(wǎng)絡平臺為牧民提供期貨套期保值、遠程合同拍賣等業(yè)務服務[1]。中國的智慧畜牧業(yè)是依托動物產(chǎn)品安全追蹤平臺的基礎上發(fā)展和建立起來的。目前，互聯(lián)網(wǎng)信息鑒于其更新速度快而逐漸成為畜牧行業(yè)信息傳播的主流渠道，并已在畜牧業(yè)上得到廣泛應用，成為畜牧業(yè)生產(chǎn)、疫病防治、動物產(chǎn)品流通的重要平臺。例如，大北農(nóng)集團創(chuàng)建的“智慧大北農(nóng)”、新希望集團的“希望之光”計劃、通威集團推出的“通心粉社區(qū)”、偉嘉集團創(chuàng)立的“嘉農(nóng)在線”、禾豐牧業(yè)開發(fā)的“逛大集”電商平臺等農(nóng)牧業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項目陸續(xù)啟動實施，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+畜牧業(yè)”的智慧型畜牧業(yè)發(fā)展新模式。

2　智能監(jiān)測技術在放牧綿羊中的應用

在信息技術日益發(fā)展的今天，計算機被賦予更大的生命力，可以幫助甚至代替人類完成很多復雜的工作。在內(nèi)蒙古草原，智能監(jiān)視技術廣泛應用在畜牧業(yè)生產(chǎn)中，科技人員利用自動識別、聲音采集、視頻收集以及無線信息輸送等技術進行綿羊放牧。利用智能監(jiān)視技術實現(xiàn)人與畜交流、人與人交流，通過人機協(xié)同，科學飼養(yǎng)、環(huán)境控制、疾病防治，促進人與畜、人與自然的和諧，進而維護和實現(xiàn)放牧綿羊的福利，達到“畜禽健康、環(huán)境良好、人畜安全、產(chǎn)品綠色”現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展目的。

2.1　音頻分析技術

綿羊叫聲主要體現(xiàn)了其情緒狀態(tài)，能反映出動物的生理健康狀況如饑餓、疼痛等，以及外部因素對動物機體所造成的應激。利用音頻分析技術處理綿羊叫聲可實現(xiàn)動物健康、動物福利水平的自動評估，也可實現(xiàn)放牧綿羊采食行為智能監(jiān)測的目標。聲音識別技術是一種非接觸式、實時在線監(jiān)測的技術手段，是未來動物行為監(jiān)測的必要技術手段。研究者Jahns[2]針對己知的牛饑餓和發(fā)情叫聲信號提取出先驗特征矩陣及其參考模式，利用數(shù)據(jù)模式匹配方法識別牛群日常叫聲中所蘊含的饑餓及發(fā)情信息。Ikeda等[3]利用線性判別分析方法處理聲音信號的頻譜結構變化特征，進而智能識別母牛饑餓以及與仔牛分隔時產(chǎn)生的兩種焦慮狀態(tài)。在我國，于天福[4]以狗為研究對象，研究了對其叫聲特征中功率譜、MFCC、基音頻率等特征[4]。余禮根等[5]以海蘭雞為試驗動物，研究了雞的各種鳴叫的聲音寓意。蘇健民等[6]提出了智能仿真系統(tǒng)，它能夠自動監(jiān)測動物生存的狀態(tài)，并在數(shù)字信號處理技術、前沿信號采集技術、模式識別理論的基礎上來實現(xiàn)對動物聲音的識別和輸出。綿羊的不同行為習性會產(chǎn)生相對應的音頻，利用這些特征提取技術對采集的綿羊聲音進行頻譜分析，從中提取出能夠反映不同行為習性的發(fā)聲特征。模式匹配須在標準環(huán)境下建立綿羊的標準行為發(fā)聲音頻譜矢量序列，再對采集提取的綿羊特征音頻進行匹配，從而鑒別綿羊的行為習性，研究放牧綿羊的福利化養(yǎng)殖[7]。

2.2　視覺檢測技術

機器的視覺應用主要分為測量、檢測、定位和識別。機器視覺技術在各個不同的領域內(nèi)得到廣泛的應用。在國外，20世紀80年代初對機器視覺的研究己經(jīng)廣泛開展，如加拿大的DALSA Coreco集團就將這種技術應用于檢測工業(yè)零件[8]；巴西學者在研究剛體的運動情況時運用CCD視覺檢測系統(tǒng)[9]等。我國的機器視覺檢測技術的研發(fā)比國外晚10年，源于20世紀90年代初。但有很多產(chǎn)品面世，并得到了廣泛的研究與應用。內(nèi)蒙古科技大學岳偉[10]通過背景標識法準確無誤地確定了羊體尺測量的特征測點，而且減少了羊體分割方法帶來的一些問題。解決了光照對羊體背部輪廓完整性的影響，使得羊的理想站姿、臀部測點和肩腳點的準確顯著提高，羊體體尺測量的誤差顯著降低。機器視覺檢測技術在畜牧業(yè)上的應用，實現(xiàn)了計算機通過利用圖像處理、計算機科學、人工智能、心理物理學、模式識別以及神經(jīng)生物學的方法來模擬羊的外顯和對宏觀視覺功能的研究。它主要是運用計算機技術從客觀事物的圖像中模擬人的視覺功能來提取自己所需要的信息，并對所提取的信息進行處理以及加以一定的理解，從而達到控制和檢測測量實際的應用對象。機器視覺的優(yōu)勢在于非接觸測量和精度高，速度快，所以適于在牧區(qū)放牧綿羊福利中的應用[10]。

2.3　行為監(jiān)測技術

放牧綿羊的行為直接影響到草場資源的合理利用，也關系到綿羊的各項福利，因此，近年來人們開始對放牧綿羊在草場的食草行為進行分析研究，并迅速發(fā)展成為放牧生態(tài)學和草地生態(tài)學研究中最引人注目、最活躍的領域。從一開始的視頻記錄(Video recording)到現(xiàn)在人們廣泛使用的IGER記錄儀、GPS以及Acoustictechnique(聲學技術)等都是較早的監(jiān)測儀器等。IGER記錄儀是一種數(shù)字化的記錄儀，可以有效地記錄放牧綿羊的食草行為。因此，我國在最近幾年針對家畜的食草行為的一系列研究投入了極大的支持，發(fā)展的速度較快，并取得了喜人的成果。

2.4　行為特征識別技術

由于牧場養(yǎng)殖環(huán)境惡劣和天然草場的不可控性，使得放牧綿羊的福利受到了一定的影響，綿羊多處于亞健康或不健康狀態(tài)，疾病也頻繁發(fā)生。而發(fā)病初始階段或者小病往往不易被肉眼察覺。而且目前關于羊的行為特征研究卻僅局限于晝夜間活動節(jié)律的統(tǒng)計學研究，這就促使科技人員研究放牧綿羊的行為特征，以此判斷其健康與否。國外對動物行為智能檢測與分析的研究起步于本世紀，Med Associates公司的動物視頻跟蹤系統(tǒng)只注重于識別與分析小白鼠簡單的移動和部分肢體動作[11]。Biobserve公司2001年研制出了Trackit系統(tǒng)[12]，該系統(tǒng)通過自動跟蹤動物在二維和三維空間的位置和朝向來進行動物行為的分析，其特點是具有極高的處理能力(50 f/s ) 。

2.5　衛(wèi)星定位技術

早在80年代，衛(wèi)星定位技術就被用在動物定位上，主要針對野生動物的追蹤、觀察等方面做了一些研究。研究者們將衛(wèi)星定位設備綁在野生動物身上，通過定位系統(tǒng)追蹤這些動物的具體位置、運動軌跡，從而研究野生動物的生活習性、活動范圍等情況。1989年，加拿大安大略自然資源管理部門就將衛(wèi)星定位技術應用到了對野生糜鹿的追蹤研究中，主要用來探究森林砍伐、莊稼收割等實際生產(chǎn)活動對糜鹿生存環(huán)境的影響。美國蒙大拿州立大學北方農(nóng)業(yè)研究中心的Bailey在1997年到2000年間，通過GPS和GIS技術，記錄了在不同飼養(yǎng)條件下牛群的運動分布情況，該研究分析了牛群品種以及牧草放置的位置對牛群運動分布的影響，研究得出牛群品種的選擇和有計劃的放置牧草，可以將牧群引導到地形較高的地方進食，從而避免牧群聚集在河流等水源地附近，因過度放牧而造成這些地方的水土流失等生態(tài)環(huán)境破壞[13]。內(nèi)蒙古地區(qū)首次利用衛(wèi)星定位技術在內(nèi)蒙古庫布齊沙漠地區(qū)進行放牧的監(jiān)測，研究者們利用衛(wèi)星放牧系統(tǒng)，使牧民通過電腦、手機等設備就能觀察和掌握牧群動態(tài)，減少外出放牧，從而達到對放牧工作的智慧化管理。解決了當?shù)啬撩駸o法確定牧場邊界和放牧范圍；牛、羊、駱駝等牧群被放養(yǎng)以后，自行在沙漠中尋找食物，放養(yǎng)時間可能長達幾個月或一兩年，其運動軌跡不定；牧民在需要時才去沙漠中尋找牧群，這需要耗費大量的時間和精力；在遇到風沙、暴雪等惡劣天氣情況，還有可能導致牧群死亡，造成巨大的經(jīng)濟損失等生產(chǎn)難題。衛(wèi)星放牧系統(tǒng)是以GNSS、移動通信、GIS技術為核心的軟硬件相結合的一體化平臺，由對牧群位置進行采集數(shù)據(jù)的GPS項圈、終端服務器、通信鏈路和針對牧民的衛(wèi)星定位放牧Web平臺、手機移動平臺共同組成[13]。衛(wèi)星放牧系統(tǒng)的運行在互聯(lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)了牧群具體位置信息的立體化及可視化顯示、運動軌跡可查詢播放、建有虛擬圍欄等功能，牧民可在牧群離開牧區(qū)的情況下通過系統(tǒng)提示和短信的方式及時得到通知。系統(tǒng)同時具有智能電源管理功能和遠程設備設定功能，允許牧民根據(jù)實際情況需求設定多樣的牧群位置采集計劃。該系統(tǒng)在實驗室和現(xiàn)場經(jīng)過了多次的試驗，于2011年10月在庫布齊沙漠正式投入了使用。衛(wèi)星放牧系統(tǒng)在我國的成功應用，驗證了沙漠牧區(qū)應用衛(wèi)星定位導航技術的可行性，開啟了衛(wèi)星定位導航技術在我國畜牧業(yè)生產(chǎn)實踐中的應用開端，為牧區(qū)放牧工作的智能化、信息化提供了強有力的手段。隨著社會物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等概念的興起，該系統(tǒng)可進一步載入無線傳感、RrID等先進技術，將畜牧場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、畜牧業(yè)產(chǎn)品的流通數(shù)據(jù)等集成到系統(tǒng)，真正實現(xiàn)畜牧業(yè)的智能化、信息化。

2.6　無人機巡航技術

無人機按照應用領域的不同，劃分為軍用無人機和民用無人機。1995年無人機就被應用在畜牧業(yè)養(yǎng)殖上，“牧羊機器人”(Robot Sheepdog Project)是由英國牛津大學和其他一些高校聯(lián)手研發(fā)的一個項目，這個項目在當時研發(fā)出了一種設備，它可以將十幾只鴨子同時趕到指定區(qū)域。之后英國和瑞典的研究人員研究將一個跟蹤設備綁定在羊群和牧羊犬身上，研究人員通過這一方法來觀察雙方的移動活動方式，然后探究這種移動活動方式背后存在的規(guī)律。澳大利亞的研究人員開發(fā)了一個四輪機器人，據(jù)報道這個機器人能夠在正常行走速度的情況下使處于亢奮狀態(tài)的牧群快速安靜下來。愛爾蘭人保羅-布瑞南(Paul Brennan)利用中國制造的Q500 Typhoon無人機進行放牧取得了和牧羊犬放牧一樣的效果。2015年3月第一臺無人機和運營系統(tǒng)在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯杭錦旗落地，2015年4月無人機和運營系統(tǒng)在錫林郭勒盟正藍旗、呼倫貝爾市陳巴爾虎旗相繼運營，2015年6月1日運營建立平臺徹底完成使用。無人機巡航系統(tǒng)利用國內(nèi)自主研發(fā)的持久續(xù)航八旋翼無人機，該機型主要特點是飛行時間較長，設計簡約輕巧，使用便捷，維護簡單方便，極大的降低了使用成本。該機型還可裝載專用的GH3、GH4、攝像、數(shù)字圖傳、5D 云臺、模擬圖傳等設備，從而可以實現(xiàn)空中動態(tài)偵查、測繪應用、安全監(jiān)控、攝影航拍等多功能多用途。該機型具備了強大的負載量，更長續(xù)航時，機動力富足，機型零部件相互兼容等優(yōu)點。結合地面站(GCS)的實際具體時間飛行數(shù)據(jù)以及具體化可見地圖，飛機操控系統(tǒng)可根據(jù)地圖精確無誤地完成全自動起飛/降落任務、飛機航線飛行任務以及繞點飛行等許多專業(yè)航拍任務，使無人機在無人干預的整個飛行的過程中完全實現(xiàn)自動化和程序化，極大程度地降低了無人機專業(yè)的復雜操作環(huán)節(jié)，從而能夠廣泛的應用到更多的專業(yè)航拍領域。

3　展　望

目前，畜禽的個體信息監(jiān)測的研究多數(shù)是圍繞自動化福利養(yǎng)殖來展開的，其主要集中在動物行為監(jiān)測智能裝備的研發(fā)、動物行為模型的構建以及動物健康分析和動物福利養(yǎng)殖信息化管理系統(tǒng)上，研究人員通過研究提高了動物個體之間的信息監(jiān)測的智慧化程度和精度，極大程度的降低了信息監(jiān)測時所消耗的人力和物力。中國對畜牧業(yè)養(yǎng)殖動物的個體信息監(jiān)測技術研究仍然處于探索研究階段，對于該方面的實際生產(chǎn)應用案例幾乎沒有。中國的研究者們應從實際出發(fā)，結合中國畜牧業(yè)養(yǎng)殖的實際情況，綜合利用各個學科的交叉知識，進行研究更穩(wěn)定、更高效、低成本、低功耗的畜牧業(yè)養(yǎng)殖動物的個體信息監(jiān)測系統(tǒng)，從而極大程度地提高畜牧業(yè)養(yǎng)殖效益。內(nèi)蒙古草原畜牧業(yè)通過智能監(jiān)控技術實現(xiàn)放牧綿羊的福利化養(yǎng)殖，利用北斗衛(wèi)星定位技術、數(shù)據(jù)傳輸技術、無人機巡航技術、結合產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動通訊、云計算等信息技術先進手段優(yōu)化組合搭建一個技術平臺，解決傳統(tǒng)草原畜牧業(yè)的信息化自動化問題，使傳統(tǒng)畜牧業(yè)向高科技、高效率邁進。實現(xiàn)畜牧業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈追溯、食品安全體系的保障。通過這一技術平臺可以使草原牧民的牛羊變成都市市民掌上的公眾產(chǎn)品。全面完成掌上畜牧產(chǎn)業(yè)運營系統(tǒng)落地。對整個產(chǎn)業(yè)鏈流程進行重塑，將加快產(chǎn)品的改革和創(chuàng)新與商業(yè)模式的改變，必將成為畜牧產(chǎn)業(yè)未來的一片新藍海。放牧綿羊養(yǎng)殖業(yè)天上有北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)；地下有三種不同類別的牲畜信息采集傳輸設備(項圈)和多種環(huán)境信息采集系統(tǒng)；通過移動通訊系統(tǒng)、固定綜合信息采集系統(tǒng)的連接，研發(fā)了云計算操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、信息化管理系統(tǒng)和服務平臺現(xiàn)代信息業(yè)服務系統(tǒng)，配套現(xiàn)代草原畜牧業(yè)生產(chǎn)精加工、物流倉儲、線上線下組合銷售推廣系統(tǒng)，進而實現(xiàn)草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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