虛擬體驗(yàn)式生豬疾病培訓(xùn)系統(tǒng)

陳 洪，王 慶，朱德海，蒙明梟，唐盛松

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 海淀 100083）

1 引言

培訓(xùn)系統(tǒng)是以傳播知識(shí)，提高技能為主的教育方式。我國(guó)農(nóng)村人口眾多，教育水平低下成為制約農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的原因之一。為了加快農(nóng)業(yè)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，農(nóng)民培訓(xùn)勢(shì)在必行。然而，中國(guó)的農(nóng)民培訓(xùn)存在諸多問題，例如，表現(xiàn)形式單一，缺乏針對(duì)性。有些農(nóng)民培訓(xùn)活動(dòng)還是以傳統(tǒng)的課堂講授，或者是向農(nóng)民散發(fā)資料為主，不利于激發(fā)農(nóng)民學(xué)習(xí)的積極性。考慮農(nóng)民對(duì)知識(shí)理解和接受的方式不同于傳統(tǒng)教學(xué)模式，一些研究提出一種基于游戲化任務(wù)的體驗(yàn)式農(nóng)民培訓(xùn)方法。

計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)了全球的信息化革命?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)民培訓(xùn)具有一定的研究?jī)r(jià)值，但也存在諸多問題，例如如何模擬虛擬牲畜成長(zhǎng)過程、如何評(píng)價(jià)等等。本文基于游戲引擎開發(fā)一個(gè)面向農(nóng)民培訓(xùn)的體驗(yàn)式生豬疾病治療培訓(xùn)系統(tǒng)，用來模擬種植生豬養(yǎng)殖以及疾病治療過程。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的培訓(xùn)系統(tǒng)是基于游戲引擎作為開發(fā)平臺(tái)，以表現(xiàn)層、控制層、邏輯層和持久層四層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)內(nèi)容、知識(shí)邏輯與人機(jī)控制功能相分離，如圖1所示。

圖1 虛擬體驗(yàn)式生豬疾病農(nóng)民培訓(xùn)系統(tǒng)四層架構(gòu)

2.1 開發(fā)平臺(tái)-游戲引擎 游戲引擎是指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統(tǒng)或者一些互交式實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件。這些系統(tǒng)為游戲設(shè)計(jì)者提供各種編寫游戲所需的各種工具，其目的在于讓游戲設(shè)計(jì)者能容易和快速地做出游戲程式而不用從零開始。游戲引擎提供的基本功能，如渲染引擎、物理引擎、音樂音效、腳本引擎、網(wǎng)絡(luò)引擎以及場(chǎng)景管理等。

2.2 培訓(xùn)系統(tǒng)四層架構(gòu) 本系統(tǒng)采用4層架構(gòu)如圖1所示。其中，持久層，又稱存儲(chǔ)層，是通過機(jī)器中的文件集合來對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。邏輯層承擔(dān)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯，支撐培訓(xùn)內(nèi)容，是科學(xué)知識(shí)的理論基礎(chǔ)，邏輯層實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的獨(dú)立，滿足了對(duì)原有科學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步擴(kuò)充需求?？刂茖影ㄏ到y(tǒng)行為、用戶行為和其他行為等。其中，系統(tǒng)行為指系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新或系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換；用戶行為指培訓(xùn)者交互操作；其他行為指系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置或?qū)傩孕薷摹？刂茖拥姆蛛x可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度，與系統(tǒng)和用戶行為的分離可以實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，便于維護(hù)開發(fā)。表現(xiàn)層是最終用戶感官上的表現(xiàn)，包括用戶界面及聲音等，同時(shí)還包括特效處理，如料子效果、模型特效等。

3 虛擬豬生長(zhǎng)及疾病治療計(jì)算模型

系統(tǒng)中采用愛丁堡虛擬豬生長(zhǎng)模型來支撐運(yùn)算，其中參數(shù)集組成包括豬仔品種信息、飼料信息以及環(huán)境信息。其中豬仔信息有：（1）Max PD，蛋白值最高沉積率，因品種而異。（2）Weight，豬初始體重（由5部分組成，water水分，protein蛋白質(zhì)，ash灰分，fat脂肪，消化道內(nèi)容）。飼料信息則包括：（1）DE，消化能；（2）DCP，可消化粗蛋白。（3）BV，蛋白質(zhì)的生物學(xué)價(jià)值。（4）消化率。（5）Amount，日糧重量。環(huán)境信息主要指圈舍的最適宜溫度。

飼養(yǎng)過程中，健康豬隨著體重增長(zhǎng)，體內(nèi)各部分含量也滿足圖2中模型所示。其中橫軸為豬的活重（單位：kg），縱軸為各成分含量（單位：kg）。

當(dāng)健康豬飼養(yǎng)不當(dāng)或某種隨機(jī)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)暴發(fā)疾病。其中疾病以寄生蟲類為例。模型相關(guān)參數(shù)包括：疾病信息，例如暴發(fā)幾率、患病程度、體重日損影響因子、易患初始日齡以及結(jié)束日齡、對(duì)應(yīng)藥物等，以及藥品信息，如藥品名稱、價(jià)格等。另外還有豬圈信息，例如豬圈清潔程度、清潔度日減量、消毒程度以及日減量、圈舍溫度、氣溫等。

圖2 健康豬各成分的重量隨年齡及活重增長(zhǎng)情況

疾病模型參數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系如圖3所示。通過疾病信息中的暴發(fā)幾率參數(shù)和圈舍信息中的清潔消毒相關(guān)參數(shù)度，系統(tǒng)計(jì)算是否暴發(fā)疾病。在時(shí)間軸的推動(dòng)下，根據(jù)圈舍日變化情況以及農(nóng)民操作（是否采用藥品以及是否清潔消毒豬圈等）來判斷疾病是否治愈，同時(shí)根據(jù)患病程度和疾病信息中日損體重參數(shù)來計(jì)算當(dāng)前豬的體重等相關(guān)信息。

圖3 豬疾病治療計(jì)算模塊

4 系統(tǒng)模塊組成

培訓(xùn)系統(tǒng)以養(yǎng)豬及常見疾病的治療為主要內(nèi)容。其中包括豬生長(zhǎng)模塊以及疾病治療模塊組成。豬生長(zhǎng)模塊是基于愛丁堡虛擬豬生長(zhǎng)模型而設(shè)計(jì)的，如圖4所示。

其中，農(nóng)業(yè)專家可以通過界面輸入豬仔和飼料相關(guān)參數(shù)信息，例如某種飼料的蛋白質(zhì)生物學(xué)價(jià)值、消化能、以及可消化粗蛋白以及某種品種的蛋白質(zhì)沉積率、生長(zhǎng)最適宜溫度以及初始體重。農(nóng)民則通過飼養(yǎng)操作模塊提供的交互操作來實(shí)現(xiàn)虛擬喂養(yǎng)過程，例如：設(shè)定圈舍溫度、輸入每日飼料的總量、根據(jù)系統(tǒng)提供的基礎(chǔ)飼料來配比、打掃圈舍等。模塊中的核心部分是每日計(jì)算體重增重，得出蛋白質(zhì)增量、脂肪每日增量以及體重每日增量。

圖4 虛擬健康豬生長(zhǎng)模塊

在健康豬生長(zhǎng)模塊的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)添加了疾病治療控制模塊，如圖5所示。圖中藥物信息模塊中藥品名稱、簡(jiǎn)介和價(jià)格同樣由農(nóng)業(yè)專家輸入。同時(shí)，專家還需輸入常見的幾種疾病信息，例如對(duì)應(yīng)該疾病的治療方法，即采取何種藥物以及疾病的傳播率和暴發(fā)幾率。而農(nóng)民飼養(yǎng)過程中的交互操作影響豬健康程度的判斷，例如豬圈的溫度、清潔度以及是否經(jīng)常消毒等。當(dāng)發(fā)生某種疾病時(shí)，農(nóng)民需根據(jù)系統(tǒng)中關(guān)于藥品的信息幫助來采用合適藥物進(jìn)行治療，操作的正確與否同樣決定了豬健康的判斷。另外，在病豬未治愈的階段，體重也會(huì)受到影響，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算期間造成的體重、蛋白質(zhì)以及脂肪的損失。

圖5 豬疾病治療控制模塊

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及界面

系統(tǒng)關(guān)于疾病的核心對(duì)象關(guān)系如圖6所示。

圖6 豬疾病對(duì)象關(guān)系圖

其中Neat為清潔度對(duì)象，它包含于每個(gè)Pig Disease House里，負(fù)責(zé)豬舍清潔度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及邏輯實(shí)現(xiàn)。Pig Disease House為圈舍疾病管理對(duì)象。PigInfo為豬舍里個(gè)體豬對(duì)應(yīng)的疾病信息對(duì)象。Pig Disease Manager為更上層的管理對(duì)象。

另外，Pig Disease House同時(shí)還與分別保存豬疾病屬性Pig Disease和藥物屬性的對(duì)象Pig Drugs的進(jìn)行交互，以至完成邏輯計(jì)算。

主要界面如圖7～11顯示。

圖7 豬舍狀態(tài)查詢

6 結(jié)語

體驗(yàn)式培訓(xùn)以游戲化任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，提供了知識(shí)技能的應(yīng)用情景，同時(shí)知識(shí)表述多樣化、趣味化，可以培養(yǎng)農(nóng)業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用和技能掌握，適合于農(nóng)民生產(chǎn)生活實(shí)際，具有很大的應(yīng)用前景，同時(shí)也為體驗(yàn)式學(xué)習(xí)培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用于其他領(lǐng)域提供了參考。此外，使用先進(jìn)的游戲引擎技術(shù)開發(fā)培訓(xùn)系統(tǒng)，也是互動(dòng)式教學(xué)模式的一次大膽嘗試。

圖11 專家輸入藥品信息參數(shù)

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