石山壅羊精細(xì)養(yǎng)殖管理平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用*

肖 強(qiáng)，萬(wàn) 田，王 龑，羅清堯，楊 亮，熊本海※

（1海南中海網(wǎng)農(nóng)科技有限公司，海口570100；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京100193）

0 引言

石山壅羊是目前保持海南黑山羊最原始的母本，是黑山羊較為珍稀物種之一。目前該物種主要飼養(yǎng)在?？谑行阌^(qū)石山鎮(zhèn)，成為石山鎮(zhèn)服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地理標(biāo)志物種［1］。隨著資源、環(huán)境及勞動(dòng)力供求的壓力增加，養(yǎng)殖設(shè)施化技術(shù)快速發(fā)展［2］，壅羊的飼養(yǎng)方式逐漸改變，設(shè)施飼養(yǎng)羊只的比例不斷擴(kuò)大，尤其是在養(yǎng)殖業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)。自2016年以來(lái)，內(nèi)蒙古、新疆、寧夏等地方政府建立了肉羊產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，肉羊的規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖正逐步推進(jìn)，個(gè)別地區(qū)如內(nèi)蒙巴彥淖爾市肉羊規(guī)?；B(yǎng)殖比例高達(dá)69%［3］，而且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。隨著禁牧休牧政策的實(shí)施和推廣，傳統(tǒng)以放牧加補(bǔ)飼為主的飼養(yǎng)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿︷B(yǎng)舍飼為主的飼養(yǎng)模式［4-5］。養(yǎng)殖模式的改變，對(duì)生產(chǎn)管理尤其是種畜的管理提出了新的要求，不能停留在靜態(tài)的電子表格的管理層面，必須按2007年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布實(shí)施的第67號(hào)令《畜禽標(biāo)識(shí)和養(yǎng)殖檔案管理辦法》，對(duì)家畜實(shí)施以個(gè)體標(biāo)識(shí)為切入點(diǎn)的精細(xì)化管理［6］。對(duì)于規(guī)?；昭驁?chǎng)，如果精細(xì)化管理落后，如不能預(yù)測(cè)或鑒定發(fā)情，錯(cuò)過(guò)最佳配種時(shí)間點(diǎn)，將影響種羊繁殖力、服務(wù)年限和綜合經(jīng)濟(jì)效益。管理好一個(gè)種羊場(chǎng)，尤其是其中的繁殖群體，具有一定的技術(shù)難度，因?yàn)檑昭騻€(gè)體不斷發(fā)生各種生理生長(zhǎng)狀態(tài)的變化，且個(gè)體差異較大，必然走數(shù)字化甚至智能化及遠(yuǎn)程化管理模式，在積累大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯模型，進(jìn)行不同目的的比較分析，及時(shí)從繁殖群體中定位異常個(gè)體或群體性問(wèn)題，并進(jìn)行隔離、分群、轉(zhuǎn)群、調(diào)換飼料、繁殖控制以及淘汰等決策，才能保持羊群的正常繁衍與生產(chǎn)［2，7-8］。因此，文章以建立壅羊場(chǎng)模型和壅羊個(gè)體建檔為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，從壅羊的發(fā)情、配種、產(chǎn)羔、哺乳、干奶等個(gè)體或群體行為出發(fā)，建立數(shù)據(jù)整合與分析平臺(tái)，達(dá)到基本數(shù)據(jù)保存、羊群各項(xiàng)參數(shù)在線分析的目的，最終建立數(shù)字化、智能化的石山壅羊精細(xì)養(yǎng)殖管理平臺(tái)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.1 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

開展種羊群個(gè)體或群體的信息化管理與智能預(yù)警，必須以建立壅種羊基本信息及繁殖事件的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)記錄不同屬性數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)表，從而形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以此作為開發(fā)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［7，9-10］。

種羊數(shù)據(jù)表包括繁殖場(chǎng)名、羊ID號(hào)、胎次、性別、品種名稱、父號(hào)、母號(hào)、出生日期、入群日期、出生地、在群否、配種員、記錄人等必要信息，其他相關(guān)信息如羊只分類、雙胎否等可作輔助。

母羊產(chǎn)羔數(shù)據(jù)表主要包括繁殖場(chǎng)名、羊ID號(hào)、胎次、配種日期、產(chǎn)羔日期、羔羊編號(hào)、羔羊性別、羔羊體重、配種員等。

1.2 母羊類型劃分

根據(jù)壅羊種羊的生長(zhǎng)及生理階段的差異、飼養(yǎng)模式特點(diǎn)，該文按種羊全生命周期區(qū)分為后備母羊、妊娠母羊、泌乳母羊3種類型，建立數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 近交系數(shù)計(jì)算

近交系數(shù)指一個(gè)個(gè)體通過(guò)它的某一祖先得到在遺傳上是完全相同基因的概率，也即形成該個(gè)體的兩個(gè)配子間的相關(guān)系數(shù)［11］。利用通徑系數(shù)原理推導(dǎo)，形成個(gè)體x的兩個(gè)配子的相關(guān)系數(shù)，即x的近交系統(tǒng)（Fx）的計(jì)算公式為：

式（1）中，F(xiàn)X為X個(gè)體的近交系數(shù)；FA為共同祖先自身的近交系數(shù)；N1是一個(gè)親本到共同祖先的時(shí)代數(shù)，N2是另一個(gè)親本到共同祖先的時(shí)代數(shù)。

1.4 平臺(tái)功能

根據(jù)壅山羊的繁育、產(chǎn)羔、哺乳及健康管理等需求，確定一級(jí)功能模塊（圖1），主要包括數(shù)據(jù)維護(hù)、羊只管理、繁殖管理、哺乳管理、飼料營(yíng)養(yǎng)、健康管理、數(shù)據(jù)分析和場(chǎng)內(nèi)管理8個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的具體功能如表1所示。

圖1 壅羊精細(xì)養(yǎng)殖管理平臺(tái)功能架構(gòu)Fig.1 Function Infrastructure of precision feeding management platform of yong goats

表1 壅羊精細(xì)養(yǎng)殖管理平臺(tái)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Table 1 Function design of precision feeding management system of yong goats

1.5 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

該研究在Windows Server 2012服務(wù)器桌面操作系統(tǒng)下開發(fā)，采用Microsoft SQL Server 2012標(biāo)準(zhǔn)版網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)［12］。該數(shù)據(jù)庫(kù)支持云技術(shù)、快速構(gòu)建方案且滿足私有云與公有云數(shù)據(jù)擴(kuò)展遷移等特點(diǎn)，有利于該研究構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開展私有云的計(jì)算，與公有云之間數(shù)據(jù)交換帶來(lái)便利。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用Mocrosoft的.Net framework 4.6版本，開發(fā)語(yǔ)言采用 C#［13］。

2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 壅羊個(gè)體基本信息的數(shù)字化管理

以石山鎮(zhèn)第一壅羊場(chǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)為例，在通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)錄入壅羊的基本信息，如編碼、出生日期、系譜、繁殖狀態(tài)信息后，通過(guò)模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)養(yǎng)殖檔案信息的數(shù)字化管理。如圖2所示，指定的第一雍羊場(chǎng)的種羊頭數(shù)317頭，在上述BROW瀏覽頁(yè)面下，表頭的每個(gè)字段都是可按升序或降序索引排序處理的，或者在輸入篩選條件后，快速提取指定繁殖場(chǎng)及滿足不同檢索條件下的壅羊種羊基本信息，滿足管理者不同查詢需求。

圖2 壅羊基本信息的數(shù)字化管理與條件查詢Fig.2 Digital management and inquiry of basic data of yong goats

2.2 對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行未來(lái)事件的智能提醒

在事先設(shè)定的壅羊繁殖基本理論參數(shù)的前提下，在記錄每頭壅羊的基本信息、配種信息、孕檢信息、產(chǎn)羔信息的條件下，按繁殖生產(chǎn)理論，隨著日期的變化，可以預(yù)測(cè)種羊個(gè)體或群體將要發(fā)生的事件并提前做好生產(chǎn)安排及必要的耗材準(zhǔn)備。因此，系統(tǒng)“今日提醒”的功能模塊，實(shí)際上是對(duì)當(dāng)天或者將發(fā)生事件的預(yù)警。內(nèi)容包括：發(fā)情配種、初檢復(fù)檢、產(chǎn)羔泌乳、干奶、淘汰及羔羊斷奶等提醒，當(dāng)預(yù)警與實(shí)際發(fā)生出現(xiàn)差異時(shí)，就要排查原因。

該研究以壅羊的生理及生產(chǎn)特征為基礎(chǔ)，設(shè)定壅羊生產(chǎn)的繁殖理論參數(shù)共13項(xiàng)（圖3），用于提醒淘汰參數(shù)6項(xiàng)（未列出），共19項(xiàng)。利用以上參數(shù)及該生產(chǎn)種羊的預(yù)設(shè)繁殖理論參數(shù)，開展各種繁殖性能參數(shù)分析以及對(duì)未來(lái)事件進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警。

在圖1所示的“場(chǎng)內(nèi)管理”模塊下設(shè)置了二級(jí)模塊——“今日提醒”，選定后可得到預(yù)警分析結(jié)果。如圖4所示“第一雍羊場(chǎng)”分析得到的數(shù)據(jù)既可以直接顯示，也可以導(dǎo)出到excel表。在圖4中，選定“發(fā)情配種”后，提示可配種的壅羊達(dá)到121頭。當(dāng)未淘汰超齡羊，將其繼續(xù)留在群中時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為可配種。如果按“淘汰”作進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)有23頭高胎次（6胎以上）羊應(yīng)被淘汰。必須指出提示或預(yù)警的數(shù)據(jù)是否反映真實(shí)情況，與錄入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性有直接關(guān)系。

圖3 壅羊繁殖理論參數(shù)及生產(chǎn)提醒參數(shù)Fig.3 Setting of breeding parameters and warning events for yong goat production

圖4 指定繁殖場(chǎng)至查詢當(dāng)天的發(fā)情配種提醒Fig.4 The inquired coming estrus breeding on a special herd

2.3 基于種羊個(gè)體或群體的近交模擬預(yù)測(cè)

當(dāng)一個(gè)種羊場(chǎng)運(yùn)行一段時(shí)間后，如果選配不當(dāng)，容易出現(xiàn)較早近交，導(dǎo)致品種性能的退化。而當(dāng)種畜的數(shù)量不斷增加，每年后備母羊不斷留種入群，如果管理不當(dāng)，容易造成系譜混亂，過(guò)早近交。因此在圖1所示的“繁殖管理”下提供了“公羊近交預(yù)測(cè)”的二級(jí)模塊，如圖5所示，選擇“第一壅羊場(chǎng)”，從中選取號(hào)為“9745”公羊且與317頭母羊模擬配種后，計(jì)算可得模擬子代的近交系數(shù)，近交系數(shù)越大，表示近交情況嚴(yán)重（通常近交系數(shù)可能出現(xiàn)0.25，0.187 5，0.125 0，0.062 5及0.05等5種），近交系數(shù)為零則代表非親緣雜交。相反，若選擇一頭種母羊，如果系譜資料齊全，系統(tǒng)也提供了“母羊近交預(yù)測(cè)”模塊，計(jì)算與之可交配的種公羊的模擬子代的近交系數(shù)。

2.4 壅羊個(gè)體資料卡的動(dòng)態(tài)合成

特定的種羊個(gè)體入群后不斷繁育與生產(chǎn)，不斷產(chǎn)生時(shí)空狀態(tài)數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)分別存放在多達(dá)20多個(gè)數(shù)據(jù)表中，因此需要經(jīng)常臨時(shí)整合到同一個(gè)表中，這張表就是“母羊資料卡”（圖6），主要包括來(lái)自不同數(shù)據(jù)表中相同個(gè)體信息。由于壅羊個(gè)體隨時(shí)可能發(fā)生變化，壅羊資料卡及數(shù)據(jù)庫(kù)也應(yīng)是動(dòng)態(tài)的。如圖6所示，該模塊具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集成功能，可集成種羊基本信息及繁殖、轉(zhuǎn)群、健康、譜系及后裔信息等。當(dāng)要售出某個(gè)種羊個(gè)體時(shí)，從該系統(tǒng)中打出它的資料卡提供給買主，便于銷售過(guò)程中種羊信息的順利傳遞。

圖5 公羊近交模擬預(yù)測(cè)Fig.5 The output results of inbreeding indexes for a selected ram

圖6 制定母羊資料卡的動(dòng)態(tài)輸出Fig.6 The dynamic output of the whole data card of a special ewe

2.5 典型群體數(shù)據(jù)的可視化分析

規(guī)?；N羊場(chǎng)的數(shù)據(jù)日積月累后，對(duì)數(shù)據(jù)選擇性提取與挖掘分析的需求不斷突顯?？梢暬治鰧?shí)際上是將各種指標(biāo)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照一定計(jì)算模型處理后形成以時(shí)間軸為基礎(chǔ)的繁殖性能參數(shù)。該系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的壅羊繁殖與生產(chǎn)記錄，在線分析種用壅羊的多個(gè)群體性能參數(shù)，如繁殖率、胎間距、胎次結(jié)構(gòu)等，如圖7所示為第一壅羊場(chǎng)的母羊胎次結(jié)構(gòu)。理論上講，種羊群的胎次結(jié)構(gòu)有一個(gè)合理的比例，不合理的結(jié)構(gòu)為精細(xì)化管理指明改進(jìn)的方向。

圖7 指定繁殖場(chǎng)繁殖種母羊的胎次結(jié)構(gòu)Fig.7 The parities profile of breeding ewes for a special herd

3 討論

3.1 唯一性編碼

羊只的編碼在一個(gè)場(chǎng)內(nèi)應(yīng)具有唯一性。在該系統(tǒng)啟用前期，系統(tǒng)還保留了每個(gè)場(chǎng)原先內(nèi)部的編碼，雖然在場(chǎng)內(nèi)具有唯一性，但編碼有長(zhǎng)短之分不規(guī)范。在過(guò)渡時(shí)期可行，但對(duì)于新生留種的或從外場(chǎng)購(gòu)入的種羊就要按農(nóng)業(yè)部第67號(hào)令［6］采用15位唯一性的數(shù)字編碼。此外，還要考慮今后采用電子耳標(biāo)如低頻RFID耳標(biāo)情況，采購(gòu)的耳標(biāo)一般帶有符合ISO11784［14］的事先寫入的編碼。例如，無(wú)錫富華科技有限公司的RFID標(biāo)簽，其編號(hào)獲得國(guó)際動(dòng)物標(biāo)識(shí)協(xié)會(huì)即ICAR組織的授權(quán)，15位編碼的前3位為“991”，也是ICAR特地授權(quán)給無(wú)錫富華公司的編碼獨(dú)享碼，而且這樣的符合ISO11784的編碼在全世界是唯一的。

壅羊的繁育生產(chǎn)是一個(gè)周期性的生產(chǎn)行為，不斷發(fā)生生理與生長(zhǎng)階段的交替變化，尤其是圍產(chǎn)期的生理不斷發(fā)生巨大變化，不斷產(chǎn)生繁殖狀態(tài)及生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。所有事件及過(guò)程均通過(guò)每頭壅羊的唯一編碼建立關(guān)聯(lián)，例如公羊或母羊的資料卡就是通過(guò)ID號(hào)關(guān)聯(lián)不同數(shù)據(jù)表中的狀態(tài)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的。

3.2 數(shù)值輔助分析

巨量的繁殖狀態(tài)及泌乳數(shù)據(jù)，只有靠更具模塊化和復(fù)雜化的計(jì)算程序才能深入挖掘其價(jià)值［15-16］。如可選擇圖4所示的功能模塊，實(shí)現(xiàn)有選擇地從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出符合要求的羊只記錄，幫助生產(chǎn)管理人員迅速定位需要處理的羊只（群）。事實(shí)上，該系統(tǒng)還包括大量的分析功能模塊，如分析“胎間距”、“應(yīng)配母羊”、“胎次結(jié)構(gòu)”等。此外，該系統(tǒng)中所有顯示字段（數(shù)值型或字符型）都可進(jìn)行正反向排序。將索引排序數(shù)據(jù)導(dǎo)出后再次排序，便可獲得理想順序的排序表，以便管理人員進(jìn)行基本系統(tǒng)管理。這些功能在熊本海等［17，19］、肖建華等［19］及楊亮等［9］開發(fā)的家畜數(shù)字化管理系統(tǒng)有部分考慮，但整體設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮全面，排序的多元組合便利，特別適合大規(guī)模的種畜場(chǎng)臨時(shí)性的排序要求。而在 ALPROTM［20］，Afifarm［21］及 Agritec［22］等系統(tǒng)中未見實(shí)現(xiàn)。

3.3 可視化分析

保持每年對(duì)壅羊群中母羊年齡和胎次結(jié)構(gòu)的更新與調(diào)整，是穩(wěn)定種羊群生產(chǎn)量的必要途徑。有報(bào)道包括羊在內(nèi)的繁殖家畜群中，1～2胎母羊所占比例為40%左右，3～5胎為40%左右，6胎及以上為20%左右［23-24］的繁殖家畜群體相對(duì)合理。在圖7所示的3個(gè)胎次區(qū)間的壅羊種群中，1～2胎比例為45.8%，3～5胎為38.2%，6胎及以上為16.0%。數(shù)據(jù)顯示第一壅羊場(chǎng)的母羊胎次比例總體上相對(duì)合理，但1～2胎次比例偏高一些，3～5胎次比例略低一些，6胎及以上胎次比例偏低一些，表明高胎次羊淘汰較多，可通過(guò)提高管理水平及壅羊的健康水平，延長(zhǎng)種母羊的利用年限，可使群體胎次結(jié)構(gòu)趨于合理。對(duì)其他過(guò)程參數(shù)的可視化分析，可同樣獲得有分析價(jià)值的圖表。

3.4 平臺(tái)拓展性

精細(xì)養(yǎng)殖管理平臺(tái)的研制與運(yùn)行，主要用于整合壅羊繁殖泌乳等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從技術(shù)及管理層面上服務(wù)于壅羊的繁育生產(chǎn)。但是，繁殖性能參數(shù)還必須與經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)融合起來(lái)，以此維持養(yǎng)殖場(chǎng)的高效運(yùn)行與管理，才會(huì)產(chǎn)生數(shù)字經(jīng)濟(jì)的增值效果。為此Bj?rn等［25］，K.Mertens等［26］基于操作變量、策略變量?jī)煞矫?，?gòu)建經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的線性規(guī)劃模型，引入相關(guān)參數(shù)（如原來(lái)價(jià)格、畜群規(guī)模、泌乳量等），建立模型評(píng)估奶牛場(chǎng)運(yùn)行效益，并用實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型精度及可行性。鄭國(guó)生等［8］、熊本海等［18］及張德敏等［27］通過(guò)關(guān)聯(lián)牛群管理模式與提高繁殖率，制定了牛場(chǎng)數(shù)字化管理規(guī)范，再利用體重預(yù)估模型，預(yù)測(cè)每頭奶牛的TMR（Total Mixed Ration）需求量。肖建華等［19］則基于計(jì)算機(jī)技術(shù)與繁殖理論模型，綜合考量牛群繁殖參數(shù)監(jiān)測(cè)和繁殖場(chǎng)整體運(yùn)行狀況。基于現(xiàn)有技術(shù)與特定經(jīng)濟(jì)目標(biāo)進(jìn)行平臺(tái)管理策略制定將是今后規(guī)?；昭驁?chǎng)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)升級(jí)開發(fā)部署的方向。

4 結(jié)論

壅羊場(chǎng)的數(shù)字化管理是以其繁殖生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)參數(shù)的數(shù)字化定義為切入點(diǎn)，以繁殖理論參數(shù)界定為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)繁殖數(shù)據(jù)，計(jì)算分析繁殖個(gè)體及群體各性能參數(shù)（如羊群的受胎率、空懷率、漏情率、繁殖率、死淘率及胎次結(jié)構(gòu)），多角度分析羊群繁殖狀態(tài)。雖繁殖理論較固定，但智能提示參數(shù)可根據(jù)需求設(shè)定，系統(tǒng)還提供了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可視化分析功能，渲染了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，更有助于管理者判斷并做出科學(xué)的決策。