智慧畜牧服務(wù)及關(guān)鍵技術(shù)研究

劉國(guó)萍 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)部高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理

楊明川 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)部主任

周 路 中國(guó)電信股份有限公司北京研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)部產(chǎn)品經(jīng)理

1 引言

在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，農(nóng)耕文明經(jīng)歷了3次飛躍：傳統(tǒng)農(nóng)耕時(shí)代，牲畜成為主要生產(chǎn)工具；農(nóng)業(yè)機(jī)械化時(shí)代，牲畜變成重要生產(chǎn)對(duì)象；農(nóng)業(yè)信息化時(shí)代，智慧畜牧開啟新的篇章，農(nóng)業(yè)信息化成為畜牧業(yè)革命性的助推器。

中國(guó)是人口大國(guó)，13億的“人口紅利”曾經(jīng)推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。如今，“人口紅利”消耗殆盡。同時(shí)，我國(guó)也是農(nóng)業(yè)大國(guó)，主要牲畜的存欄規(guī)模超過10億頭，其中牛、馬、駱駝等大型牲畜的存欄規(guī)模超過1.2億。隨著“智慧畜牧”、“智慧養(yǎng)殖”等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大規(guī)模發(fā)展，中國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)將迎來“牲口紅利”的新一波增長(zhǎng)浪潮。“牲口紅利”將成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。農(nóng)業(yè)信息化時(shí)代，中國(guó)將獲得重新超越的新機(jī)遇。與此同時(shí)，《中央一號(hào)文件》、《全國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃》、《“十三五”全國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》等國(guó)家政策的接踵而至，“智慧畜牧”將迎來快速增長(zhǎng)和蓬勃發(fā)展。更重要的是，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的出現(xiàn)及逐步落地應(yīng)用也為構(gòu)建智慧畜牧服務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

2 畜牧行業(yè)存在的問題及需求分析

當(dāng)前大型牲畜牧養(yǎng)方式主要有放牧飼養(yǎng)（放養(yǎng)）、舍飼飼養(yǎng)（圈養(yǎng)）、半放牧半舍飼養(yǎng)（半放養(yǎng)）3種，大型畜牧企業(yè)的主流方式是半放牧半舍飼養(yǎng)。目前，在畜牧養(yǎng)殖、消費(fèi)和監(jiān)管等多個(gè)環(huán)節(jié)都存在痛點(diǎn)，智慧畜牧需求將覆蓋畜牧業(yè)的“全流程”。

（1）養(yǎng)殖環(huán)節(jié)存在人工成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、看管難等痛點(diǎn)

傳統(tǒng)放牧方法需要牧人成天跟隨、放牧成本高、風(fēng)險(xiǎn)大。牛、馬、駱駝?lì)惔笮蜕蟾鬃呱ⅰ⒆呤Щ虮槐I，且追蹤、尋回困難，特別是出現(xiàn)惡劣天氣時(shí)，如不能及時(shí)找回牲畜，更易出現(xiàn)走失、意外死亡等情況，同時(shí)惡劣天氣也讓牧民放牧生活更加艱難。在大范圍規(guī)模化放牧場(chǎng)景，牲畜回欄數(shù)目統(tǒng)計(jì)難度較大，且無法監(jiān)測(cè)到每頭牲畜的基本生命體征，對(duì)于生病、亞健康或落坑的牲畜，檢測(cè)難度大，耗費(fèi)的人力、物力多。

一方面，一些牧民為了減少牲畜意外死亡導(dǎo)致的損失，購(gòu)買牲畜保險(xiǎn)，但通常保險(xiǎn)公司對(duì)于“死不見尸”情況是免保的；另一方面，一些牧戶為了騙保，將牲畜故意殺死謊報(bào)保險(xiǎn)賠償。這些情況的存在導(dǎo)致保險(xiǎn)理賠的糾紛不斷，也影響了牧戶和保險(xiǎn)公司畜牧投保的積極性。

（2）消費(fèi)環(huán)節(jié)缺乏直觀可信的綠色溯源途徑，消費(fèi)者/認(rèn)養(yǎng)者難以為產(chǎn)品增值服務(wù)買單

“綠色產(chǎn)品”一度泛濫，以次充好導(dǎo)致國(guó)民消費(fèi)信任危機(jī)。中國(guó)企業(yè)一直缺乏一種直達(dá)認(rèn)養(yǎng)者/消費(fèi)者心底、打消其消費(fèi)顧慮的手段，畜牧行業(yè)也是如此。產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)或畜牧養(yǎng)殖企業(yè)，如何向認(rèn)養(yǎng)者/消費(fèi)者提供一種從牲畜出生、放養(yǎng)、防疫、出欄、加工、消費(fèi)全環(huán)節(jié)的透明開放式展示手段，以實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品的有效增值，這個(gè)問題不僅困擾著畜牧相關(guān)企業(yè)，也困擾著消費(fèi)者/認(rèn)養(yǎng)者。消費(fèi)者/認(rèn)養(yǎng)者從不知道自己買來的牲畜肉品到底來自哪里、是什么品種、是否散養(yǎng)吃草、是否健康安全等信息，而因?yàn)闆]有這些直觀有效的數(shù)據(jù)可供查詢，消費(fèi)者/認(rèn)養(yǎng)者不愿意為更高的牲畜肉品買單，養(yǎng)殖企業(yè)也很難獲取應(yīng)有的利潤(rùn)。

（3）監(jiān)管環(huán)節(jié)缺乏切實(shí)有效、高效便捷的信息化手段

目前，畜牧廳局對(duì)畜牧業(yè)的數(shù)據(jù)采集主要采用人工統(tǒng)計(jì)的方式，耗時(shí)耗力且關(guān)聯(lián)性分析難，對(duì)畜牧業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來源分散、相對(duì)粗略，也無法準(zhǔn)確對(duì)比國(guó)內(nèi)、省內(nèi)各主要牧區(qū)的畜牧情況，難以相互協(xié)調(diào)，使得牧場(chǎng)輪休等統(tǒng)籌安排難度加大，造成資源利用不科學(xué)，整體行業(yè)效率下降，整體上缺乏科學(xué)規(guī)?；谋O(jiān)管手段。同時(shí)，缺乏從出生、出欄、加工、消費(fèi)環(huán)節(jié)有效一致的牲口身份標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)肉品質(zhì)量監(jiān)督溯源難。

3 總體方案及技術(shù)架構(gòu)

針對(duì)上述痛點(diǎn)，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈和人工智能等新技術(shù)，結(jié)合中國(guó)電信燈塔大數(shù)據(jù)能力，通過養(yǎng)殖環(huán)節(jié)牲畜和牧場(chǎng)的各位數(shù)據(jù)采集、控制、分析處理、存儲(chǔ)、可視化，實(shí)現(xiàn)掌上放牧、綠色溯源、科學(xué)監(jiān)管等業(yè)務(wù)功能，幫助牧民和養(yǎng)殖企業(yè)利用信息化手段降本增效，幫助畜牧生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)企業(yè)和保險(xiǎn)企業(yè)提升產(chǎn)品附加值，助力政府實(shí)現(xiàn)畜牧行業(yè)科學(xué)監(jiān)管。智慧畜牧服務(wù)總體方案參見圖1。

圖1 智慧畜牧服務(wù)總體方案

基于成熟的中國(guó)電信燈塔大數(shù)據(jù)平臺(tái)能力，從養(yǎng)殖環(huán)節(jié)牲畜和牧區(qū)物聯(lián)大數(shù)據(jù)切入，結(jié)合中國(guó)電信自有行業(yè)大數(shù)據(jù)積累和政府畜牧大數(shù)據(jù)，打造可適配多種應(yīng)用場(chǎng)景的彈性智慧畜牧服務(wù)平臺(tái)。圖2中從下往上各層技術(shù)能力說明如下：

（1）物理設(shè)施層：負(fù)責(zé)采集和通信，包括各種物聯(lián)終端（牲畜的穿戴式物聯(lián)終端、牧區(qū)埋植式物聯(lián)終端等）、移動(dòng)終端及通信網(wǎng)絡(luò)等。

（2）云資源池層：基于電信自有云資源池部署，便于按業(yè)務(wù)需要彈性擴(kuò)充。

（3）Docker服務(wù)層：具有良好的資源隔離能力，同時(shí)又有很低的虛擬化開銷，可以滿足客戶的定制化應(yīng)用的快速部署需求。

（4）資源組件層：部署了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、持久化所需的各類計(jì)算、集群、存儲(chǔ)組件。

（5）核心能力組件層：部署了支持上層應(yīng)用所需的通用能力組件，主要是多個(gè)項(xiàng)目積累下來的核心算法和業(yè)務(wù)模型，包括地圖引擎、實(shí)時(shí)計(jì)算、關(guān)聯(lián)挖掘、數(shù)據(jù)可視化、流式ETL、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

（6）應(yīng)用服務(wù)層：面向業(yè)務(wù)的層，側(cè)重于可視化和用戶體驗(yàn)，可根據(jù)底層能力組件和客戶需求按需提供。其中，API接口包括對(duì)外的能力開放，也包括一些內(nèi)部前瞻性技術(shù)研發(fā)成果的輸入能力，如區(qū)塊鏈提供的可信溯源能力及AI提供的畜臉圖像識(shí)別能力。隨著這些能力的不斷成熟，也將逐步納入到核心能力組件層。

圖2 基于燈塔大數(shù)據(jù)能力的智慧畜牧服務(wù)平臺(tái)總體技術(shù)架構(gòu)

4 核心服務(wù)與關(guān)鍵技術(shù)分析

該智慧畜牧服務(wù)，從平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)上可以看出有機(jī)融合了人工智能（Artificial Intelligence）、區(qū)塊鏈（Block Chain）、云計(jì)算（Cloud Compute）、大數(shù)據(jù)（BiG Data）和物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings），具體參見圖3。本文將基于解決的問題和平臺(tái)核心服務(wù)闡述涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 基于“ABCDI”技術(shù)的智慧畜牧服務(wù)

4.1 NB-IoT、AI技術(shù)在智慧畜牧上的應(yīng)用分析

低功耗、低成本、長(zhǎng)待機(jī)、廣覆蓋、低流量的需求催生了NB-IoT技術(shù)的出現(xiàn)。NB-IoT系統(tǒng)具備深度覆蓋、低功耗、低成本和海量連接四大優(yōu)勢(shì)。中國(guó)電信已在國(guó)內(nèi)建成全球首個(gè)覆蓋最廣的商用新一代物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）網(wǎng)絡(luò)，并具備規(guī)模最大、范圍最廣、頻段最優(yōu)三大優(yōu)勢(shì)。

在“智慧畜牧”上應(yīng)用NB-IOT可謂珠聯(lián)璧合：智慧畜牧的關(guān)鍵是對(duì)養(yǎng)殖過程中各類數(shù)據(jù)的采集及控制，如健康監(jiān)測(cè)、駱駝定位、全程溯源等應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)是該類應(yīng)用的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在傳統(tǒng)的組網(wǎng)模式中，通常傳感器或物聯(lián)網(wǎng)終端通過短距無線通信接入網(wǎng)關(guān)，同時(shí)網(wǎng)關(guān)再通過有線或2G/3G上聯(lián)應(yīng)用服務(wù)器。在應(yīng)用中，往往存在偏遠(yuǎn)地區(qū)供電受限、局域網(wǎng)絡(luò)部署不靈活且維護(hù)成本高、部分地區(qū)無線信號(hào)覆蓋問題、海量終端接入管理成本高等問題，NB-IoT的出現(xiàn)很好地解決了以上問題。首先，NB-IoT直接部署到單體目標(biāo)，無局域組網(wǎng)問題，同時(shí)低功耗特征又可以避免供電問題；其次，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)支持海量終端接入并支持遠(yuǎn)程跨域管理；另外，在低頻段部署的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋好，并且可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分布進(jìn)行優(yōu)化；最后，該類組網(wǎng)有利用采用云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚，也有利于后續(xù)政府監(jiān)管及保險(xiǎn)監(jiān)控。

AI技術(shù)是一門既古老又熱門的技術(shù)，其研究領(lǐng)域包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等，這些領(lǐng)域的核心是深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）算法，這也是智慧畜牧中基于視頻圖像的畜臉識(shí)別分析的基礎(chǔ)。

針對(duì)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的牲畜易失、易盜、看管難、養(yǎng)殖成本高等問題，智慧畜牧服務(wù)利用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集牲畜、牧場(chǎng)數(shù)據(jù)，與牧場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)一起上傳于云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程放牧的同時(shí)，基于AI視覺技術(shù)，將畜臉或身體側(cè)紋作為牲畜唯一標(biāo)識(shí)，結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景收集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析挖掘，可實(shí)現(xiàn)牲畜養(yǎng)殖精細(xì)化管理，包括采食次數(shù)的獲取與分析、奶牛飲水次數(shù)的獲取與分析，以及奶牛采奶次數(shù)、產(chǎn)奶量的采集與匹配等（見圖4）。另一方面，依據(jù)牲畜歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)采集的病畜圖片AI分析，為牲畜健康檢測(cè)提供有效手段。

圖4 基于AI構(gòu)建健康檢測(cè)和精細(xì)化養(yǎng)殖管理服務(wù)

4.2 區(qū)塊鏈（BlockChain）技術(shù)在智慧畜牧上的應(yīng)用分析

區(qū)塊鏈也叫作分布式賬本，是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它是分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，具有去中心化、信息不可篡改、公開透明、集體維護(hù)性、可靠數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)。

近些年，由于食品安全（瘋牛病、口蹄疫、禽流感等畜禽疾病，以及嚴(yán)重的農(nóng)產(chǎn)品殘藥、進(jìn)口食品材料激增等）危機(jī)頻繁發(fā)生，引起了政府和民眾廣泛關(guān)注，同時(shí)政府也針對(duì)食品安全建立追溯體系，但因生產(chǎn)、養(yǎng)殖、加工、運(yùn)輸、經(jīng)營(yíng)等環(huán)節(jié)信息處理的不透明性和易篡改性，民眾對(duì)追溯體系存在不信任感。

區(qū)塊鏈具有信息不可篡改、公開透明、集體維護(hù)性等天然特性為食品綠色可信溯源帶來新的思路。在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，通過將穿戴于牲畜的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，可以真實(shí)地記錄養(yǎng)殖過程中牲畜地理位置、生長(zhǎng)牧場(chǎng)環(huán)境等信息，利用電信積累的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)并自主研發(fā)的改進(jìn)貝葉斯和泊松分布算法，通過計(jì)算牲畜的軌跡和運(yùn)動(dòng)量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行疾病預(yù)警，形成可信生態(tài)指數(shù)，確保肉品的綠色有機(jī)；在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，通過RFID和PDA采集數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)商品的密封和精確標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)存入?yún)^(qū)塊鏈時(shí)對(duì)時(shí)間和位置同時(shí)記錄；在消費(fèi)環(huán)節(jié)，通過物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈對(duì)食品在銷售前進(jìn)行確權(quán)登記，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)售盤活流動(dòng)資金。消費(fèi)者通過掃碼，可實(shí)現(xiàn)原料采集、生產(chǎn)包裝、檢驗(yàn)資質(zhì)、物流運(yùn)輸、商店銷售、產(chǎn)品防偽溯源信息全程追溯。區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智慧畜牧不僅幫助養(yǎng)殖企業(yè)通過打造高端消費(fèi)品品牌提升消費(fèi)品價(jià)值，也可幫助政府和消費(fèi)者構(gòu)建可信食品溯源。

區(qū)塊鏈不僅可提供綠色可信溯源，同時(shí)針對(duì)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)牲畜保險(xiǎn)糾紛多、理賠說不清等難題，智慧畜牧服務(wù)提供可信軌跡回放及數(shù)據(jù)查詢等功能，也為保險(xiǎn)理賠提供切實(shí)有效的證據(jù)。

4.3 大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)在智慧畜牧上的應(yīng)用分析

早在2014年，大數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，大數(shù)據(jù)在公共服務(wù)中的政務(wù)、交通、醫(yī)療、教育、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。中國(guó)電信早在大數(shù)據(jù)起步階段就加強(qiáng)了對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用落地建設(shè)，中國(guó)電信燈塔大數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)布了許多的大數(shù)據(jù)產(chǎn)品，推出精準(zhǔn)營(yíng)銷、風(fēng)險(xiǎn)防控、區(qū)域洞察、咨詢報(bào)告4類數(shù)據(jù)型產(chǎn)品和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)型產(chǎn)品，重點(diǎn)服務(wù)于旅游、金融、廣告、政府、交通等行業(yè)。燈塔大數(shù)據(jù)能力平臺(tái)目前可支持秒級(jí)完成10億級(jí)邊、1000萬級(jí)節(jié)點(diǎn)的子圖查詢運(yùn)算，支持100ms級(jí)的數(shù)據(jù)流處理、支持10億級(jí)多維數(shù)據(jù)的24h內(nèi)基礎(chǔ)演算、支持1000萬級(jí)多維數(shù)據(jù)的秒級(jí)查詢展現(xiàn)，為智慧畜牧服務(wù)提供了靈活高效的大數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和并發(fā)處理等基礎(chǔ)能力服務(wù)。

云計(jì)算技術(shù)更是早已步入落地應(yīng)用的技術(shù)，中國(guó)電信天翼云提供包含云主機(jī)、云服務(wù)器、云存儲(chǔ)、對(duì)象存儲(chǔ)、CDN、內(nèi)容分發(fā)、大數(shù)據(jù)、云桌面等服務(wù)，該智慧畜牧服務(wù)即部署于自有天翼云資源池上。

針對(duì)監(jiān)管環(huán)節(jié)決策難等問題，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合，對(duì)采集到的牲畜和牧區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)擬合分析，輸出各類分析指數(shù)、統(tǒng)計(jì)圖表，并進(jìn)行多種形式的數(shù)據(jù)可視化對(duì)比展示，為草原生態(tài)建設(shè)、高端品牌打造、精細(xì)化養(yǎng)殖、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、監(jiān)管決策等提供科學(xué)手段（見圖5）。

圖5 畜牧大數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值

5 結(jié)束語

融合“ABCDI”技術(shù)的智慧畜牧服務(wù)賦予牧場(chǎng)和草原智能，助力傳統(tǒng)畜牧轉(zhuǎn)型，在為養(yǎng)殖企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為政府和民眾帶來了社會(huì)效益。

隨著AI等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可以利用牲畜面部表情、聲音和動(dòng)作的識(shí)別系統(tǒng)，自動(dòng)評(píng)估牲畜生命體征指數(shù)，并及時(shí)對(duì)生病個(gè)體進(jìn)行醫(yī)治；也可通過三維視覺智能測(cè)重系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牲畜體重，及時(shí)掌握生長(zhǎng)情況，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化飼養(yǎng)，提高養(yǎng)殖效益。另一方面，通過大數(shù)據(jù)與金融保險(xiǎn)相結(jié)合，可多維化展示牧民/企業(yè)金融畫像，實(shí)現(xiàn)可靠的畜牧資產(chǎn)抵押，輕松借貸，可有效解決牧民/畜牧企業(yè)融資難等問題，實(shí)現(xiàn)畜牧資產(chǎn)數(shù)字化、流動(dòng)化。