淺談奶牛智慧牧場信息化技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計
——以科湃騰智慧牧場管理信息系統(tǒng)為例

王建輝 王冰清 何慶玲 李濤 王慧 李莉 朱紅賓 蔡亞非

（1，江蘇省睢寧縣畜牧獸醫(yī)技術(shù)指導(dǎo)站 221200；2，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院 210095；3，上?？婆闰v信息科技有限公司 200436）

上世紀(jì)80 年代以來，隨著社會發(fā)展和城鎮(zhèn)化，我國奶業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、組織化水平大幅提升，已是健康中國、強(qiáng)壯民族不可或缺的產(chǎn)業(yè)，是食品安全的代表性產(chǎn)業(yè)，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)和一二三產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)[1，2]。但隨著現(xiàn)代智慧信息化技術(shù)快速發(fā)展，信息化技術(shù)在牧場運營過程中逐漸展露優(yōu)勢，并被廣泛應(yīng)用。

1 發(fā)展?fàn)顩r

智慧農(nóng)業(yè)正處于市場教育及技術(shù)攻堅階段，各項運用目前還是一片藍(lán)海。隨著牧場規(guī)?；⒓s化發(fā)展，對管理人員和技術(shù)人員提出了新的要求，需要同時管理的牛頭數(shù)大大增加。因此，智能化、數(shù)字化養(yǎng)殖是牧場未來發(fā)展的主要目標(biāo)之一，簡練而明細(xì)的數(shù)字化管理工具可以給牧場的決策提供理論支持，避免牧場走彎路，加速傳統(tǒng)牧業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級。這些管理工具在奶牛養(yǎng)殖發(fā)達(dá)國家如美國、以色列等早已應(yīng)用，并成為其單產(chǎn)提高的主要因素之一。當(dāng)前我國很多牧場都開始逐步進(jìn)行牧場的信息化升級，但在實際使用過程中，很多功能應(yīng)用并沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，存在諸多弊端。

1.1 各個信息化系統(tǒng)無法完美兼容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)孤島

一座現(xiàn)代化管理的牧場使用的信息化系統(tǒng)非常繁雜，系統(tǒng)種類及本身的易用性參差不齊。既會有如博美特、GEA 等國外的管理軟件，也會有國內(nèi)的管理系統(tǒng)。由于缺乏必要的手段，導(dǎo)致牧場管理環(huán)節(jié)中各個數(shù)據(jù)無法匯總統(tǒng)一，形成數(shù)據(jù)孤島，對牧場管理與決策帶來影響。

1.2 數(shù)據(jù)采集來源不精準(zhǔn)，造成數(shù)據(jù)誤差

牧場使用了先進(jìn)的信息化軟件進(jìn)行牛群管理、奶臺管理，但發(fā)現(xiàn)并沒有帶來明顯的管理效果。采用人工錄入、時段錄入等方式導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集來源不精準(zhǔn)，造成數(shù)據(jù)誤差，牧場無法準(zhǔn)確捕獲到牧場的實時運營情況，無法通過數(shù)據(jù)對牧場每個環(huán)節(jié)每個時間的情況進(jìn)行監(jiān)控和分析，進(jìn)而有可能導(dǎo)致決策失誤或管理疏漏。

1.3 人員考核困難，人工成本增加

現(xiàn)如今，牧場在人員管理方面依然面對著人員考核問題和人員流動問題。在牧場生產(chǎn)過程中，仍然缺乏對一線操作員工的考核。由于相關(guān)數(shù)據(jù)在底層難以對員工進(jìn)行有效考核。尤其是在牧場TMR 環(huán)節(jié)中，TMR 相關(guān)設(shè)備的操作人員流動性較大，新員工操作上手慢，無法快速滿足牧場上料需求，不僅嚴(yán)重影響配方的準(zhǔn)確執(zhí)行，而且導(dǎo)致牧場人工成本增加。

1.4 飼喂過程損耗大，飼料成本居高不下

飼料成本約占生產(chǎn)總成本的70%，其中剩料過多、飼料加工浪費現(xiàn)象普遍而嚴(yán)重，牧場無法做好對剩料和加工過程的有效監(jiān)管。

2 市場需求分析

2.1 國內(nèi)外競爭

國外發(fā)達(dá)國家（以色列和美國）把奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特別是畜牧業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[3-6]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在國外奶牛養(yǎng)殖中得到大量應(yīng)用，大大提高了奶牛養(yǎng)殖的精準(zhǔn)化、信息化水平，使奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了質(zhì)的飛越[7]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在奶牛養(yǎng)殖方面的研究與應(yīng)用在我國起步較晚。國內(nèi)的研究主要集中在奶牛場生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測、奶牛生理監(jiān)測、奶牛精細(xì)飼喂、溯源信息采集4 個方面[8]。目前，本課題組研制的一些相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)已開始在一些奶牛養(yǎng)殖示范基地運用。

2.2 產(chǎn)業(yè)化前景

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平不斷提高，乳制品逐漸成為廣大民眾日常飲食的主要食品之一。由于乳品本身的特性，產(chǎn)品品質(zhì)容易出現(xiàn)問題，我國食品安全問題特別是不斷發(fā)生的乳品安全事件嚴(yán)重影響消費者的健康，危及行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。為挽回消費者對奶產(chǎn)品的消費信心，促進(jìn)乳品生產(chǎn)企業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，增強(qiáng)監(jiān)管部門對乳制品生產(chǎn)的有力監(jiān)督，迫切需要建立原料奶生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息可追溯、風(fēng)險可評估的追溯與預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)對奶牛養(yǎng)殖安全風(fēng)險的可預(yù)測、可控制，全面降低乳業(yè)安全風(fēng)險。因此，本設(shè)計不僅可以本次課題內(nèi)部應(yīng)用，還可示范推廣到整個乳業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場需求。

3 總體架構(gòu)和設(shè)計本系統(tǒng)按功能模塊

3.1 感知層

主要功能是采集牧場環(huán)境及牲畜相關(guān)數(shù)據(jù)，感知層主要的硬件組成部分為不同功能的智能傳感器和NB-IoT 模塊。運行原理為通過智能傳感器采集環(huán)境及牲畜相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后通過RS485 總線傳輸?shù)絅B-IoT 模塊，或者通過4G/5G 的移動網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要分為兩部分，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)和Internet 網(wǎng)絡(luò)組成。NB-IoT 模塊通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至Internet網(wǎng)絡(luò)，通過Internet 網(wǎng)絡(luò)完成現(xiàn)場及平臺層的數(shù)據(jù)交互。

3.3 平臺層

平臺層主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集分析，為應(yīng)用層提供需要的數(shù)據(jù)。后臺服務(wù)器通過Internet 網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場采集上傳的數(shù)據(jù)，按照特定的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，存儲及分析。

3.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是用戶和系統(tǒng)的交互層。用戶在應(yīng)用層可以通過Internet 網(wǎng)絡(luò)訪問用戶終端系統(tǒng)，根據(jù)管理員設(shè)定好的權(quán)限正常使用系統(tǒng)。

4 當(dāng)前行業(yè)內(nèi)管理系統(tǒng)不足

4.1 全鏈數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一收集，匯總分析

一座現(xiàn)代化管理的牧場使用的信息化系統(tǒng)非常繁雜，必然會在牧場內(nèi)部形成多個數(shù)據(jù)孤島，目前現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)的管理系統(tǒng)無法匯聚多端數(shù)據(jù)，只能通過手工錄入的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無論數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還是時效性都存在問題，嚴(yán)重影響牧場管理效率。

4.2 系統(tǒng)靈活性差，不能自由匹配復(fù)雜的牧場現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的管理系統(tǒng)靈活性和拓展性不足，系統(tǒng)內(nèi)置了固定的管理流程，無法進(jìn)行調(diào)整。但牧場實際需求不同，會產(chǎn)生多樣化的業(yè)務(wù)流程，無法和系統(tǒng)進(jìn)行緊密結(jié)合，導(dǎo)致牧場無法在管理上進(jìn)行深入細(xì)化，只能使用基礎(chǔ)的功能，無法使用系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)進(jìn)階功能。

4.3 數(shù)據(jù)管理混亂，缺少層層鉆取，問題無法溯源

現(xiàn)有行業(yè)內(nèi)的管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理混亂，基本上只做到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的圖表展現(xiàn)。沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)層層下鉆，導(dǎo)致在牧場生產(chǎn)出現(xiàn)問題時，管理層無法從海量數(shù)據(jù)中快速定位問題，也無法進(jìn)行問題的精準(zhǔn)溯源，找不到問題的根本原因，治標(biāo)不治本。

5 系統(tǒng)改進(jìn)點

5.1 即插即用，兼容性高

可以和國內(nèi)外主要的奶廳軟件系統(tǒng)、TMRWatch 系統(tǒng)、奶牛個體識別系統(tǒng)、牧場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等牧場常用信息系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成，如科湃騰、利拉伐、GEA、博美特、阿菲金等，解決牧場數(shù)據(jù)分散，孤島問題。

5.2 系統(tǒng)參數(shù)可配置，使用靈活

有效的通過軟件指導(dǎo)實際生產(chǎn)，如在軟件里設(shè)定好PG、GnRH 等同期程序，系統(tǒng)將在軟件上實時提醒繁殖人員，繁殖人員做好業(yè)務(wù)后在手機(jī)上確認(rèn)，即保存好數(shù)據(jù)。

5.3 多樣化的數(shù)據(jù)錄入手段

為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時性，系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)采集方式，包括操作員錄入，手機(jī)App 錄入，設(shè)備自動采集，Excel導(dǎo)入等方式，充分滿足牧場的實際生產(chǎn)管理需要，無縫匹配不同牧場的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，減少上手難度。

5.4 功能模塊化設(shè)計，嚴(yán)密的數(shù)據(jù)權(quán)限分割

系統(tǒng)按照牧場的實際生產(chǎn)需求分成牛群管理、繁殖管理、產(chǎn)奶管理、犢牛管理、獸醫(yī)保健、飼喂管理、系統(tǒng)管理等近10個模塊，可以覆蓋目前絕大部分牧場的業(yè)務(wù)需求，功能設(shè)計合理且充分。同時為了保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全，通過用戶，角色的關(guān)聯(lián)設(shè)置了嚴(yán)密的數(shù)據(jù)權(quán)限，確保每個用戶能且僅能看到自己負(fù)責(zé)模塊的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

5.5 管理透明化、可視化，精準(zhǔn)KPI 考核

通過設(shè)備互聯(lián)、系統(tǒng)互通，實現(xiàn)牧場管理過程透明化、質(zhì)量管控數(shù)字化、成本控制精細(xì)化。隨著管理的不斷細(xì)化，可以對牧場生產(chǎn)工作進(jìn)行360 度的KPI 考核，通過多層級的核心指標(biāo)評估，每位工作人員的績效數(shù)據(jù)一目了然，從根本上幫助牧場降本增效，推動行業(yè)整體升級。

5.6 嚴(yán)格控制3 個配方的統(tǒng)一

實現(xiàn)3 個配方統(tǒng)一，準(zhǔn)確監(jiān)控飼喂的整個過程。通過系統(tǒng)監(jiān)控大屏，所有牛舍所需飼料一目了然；同時，采用精確的數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)，記錄每一步投料發(fā)料操作，為牧場考核提供清晰的考核依據(jù)。

5.7 提升流程效率，降低運營費用

牧場管理流程規(guī)范化、系統(tǒng)化，作業(yè)驅(qū)動模式：自動待辦→自動預(yù)警→事件錄入→自動分析。能依據(jù)計劃自動分配任務(wù)，并監(jiān)控整個任務(wù)進(jìn)程，可以精確到每天；通過App 推送工單進(jìn)行遠(yuǎn)程管理及考核，并以信息推送提醒的形式對員工單位時間的工作進(jìn)行提醒和監(jiān)管，保障任務(wù)實施。

5.8 友好的用戶界面和交互方式

結(jié)合奶牛行業(yè)多年的信息化經(jīng)驗，提供符合牧場用戶習(xí)慣的界面及交互方式。便捷、靈活的報表查詢，除了內(nèi)置的近百種圖表外，所有的用戶可以自定義想要的統(tǒng)計圖表，系統(tǒng)強(qiáng)大的檢索與查詢功能可以讓用戶隨時隨地對牧場的運營情況了如指掌。

6 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢

6.1 軟硬件一體化解決方案，加速數(shù)字化進(jìn)程

把信息化技術(shù)引進(jìn)到生產(chǎn)管理過程中，采用與牛只生長、繁育密切相關(guān)的計步器、奶臺、溫濕度傳感器、TMR 車等設(shè)備，利用傳感器、無線通信、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并分析。24h 全天候?qū)εＶ贿M(jìn)行各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)測統(tǒng)計，包括運動數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、產(chǎn)奶數(shù)據(jù)等。通過數(shù)據(jù)采集程序?qū)?shù)據(jù)實時傳輸?shù)街悄苄畔⒒夹g(shù)系統(tǒng)平臺上，進(jìn)行可視化展示，從而可以遠(yuǎn)程通過手機(jī)或電腦對牛只的生長情況進(jìn)行實時跟蹤、發(fā)情監(jiān)測，對牛群產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測等。設(shè)備采用無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，施工靈活、快速、便捷，節(jié)省人員，提高效率。

6.2 跨系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，精準(zhǔn)溯源

系統(tǒng)內(nèi)匯聚了牧場生產(chǎn)涉及的所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理后，對所有牧場相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括關(guān)聯(lián)性分析，讓牧場的沉默數(shù)據(jù)變現(xiàn)，一旦牧場生產(chǎn)質(zhì)量出現(xiàn)問題時，可以快速定位問題，并且對問題相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行層層追溯，做到精準(zhǔn)溯源，提高牧場問題處理效率。

6.3 云、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等最新IT 技術(shù)的深度使用

通過數(shù)據(jù)上云的方式，使參與牧場的管理人員能實時掌握牧場狀況，實現(xiàn)互聯(lián)互通，提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度與及時性；通過利用新技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等）、新理念降低牛只死亡率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提升管理效率，實現(xiàn)更加精細(xì)化的智慧養(yǎng)殖。基于機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)的深度價值，加速牧場沉睡數(shù)據(jù)的變現(xiàn)。如利用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法構(gòu)建牛群預(yù)測、奶量預(yù)測，對未來牧場情況進(jìn)行洞察。

6.4 全模塊全鏈條信息化綜合管理平臺

從牛只在牧場內(nèi)的全部考察維度，覆蓋牧場的業(yè)務(wù)執(zhí)行，實現(xiàn)信息化，全方位、立體化數(shù)據(jù)分析能力；對接第三方系統(tǒng)，打破信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通；牧場財務(wù)結(jié)算逐步落地，助力牧場建立財務(wù)經(jīng)營理念。

6.5 集成產(chǎn)業(yè)鏈上下游多方資源，打造智慧牧業(yè)生態(tài)圈

保持高擴(kuò)展性，高兼容性，提供標(biāo)準(zhǔn)API 接口的方式和第三方進(jìn)行集成，如集成國家相關(guān)監(jiān)管平臺，配合牧業(yè)相關(guān)法律法規(guī)的要求；如集成中國牧業(yè)權(quán)威網(wǎng)站，實時獲取最新的行業(yè)信息，給牧場運營提供數(shù)據(jù)支撐。

7 未來發(fā)展方向

目前本系統(tǒng)已滿足行業(yè)用戶對牧場精準(zhǔn)管理，全范圍功能覆蓋的需求，在可視化及流程化層面可以達(dá)到非常好的效果，可以提高牧場管理效率，幫助牧場降本增效。

系統(tǒng)未來的發(fā)展方向分為橫向和縱向，橫向是擴(kuò)展更多特色功能，縱向是不斷提高系統(tǒng)的功能深度。

橫向是在覆蓋牧場牛只相關(guān)管理功能后，去擴(kuò)展其他更多維度的功能，盡可能覆蓋牧場及牧業(yè)集團(tuán)的全部業(yè)務(wù)模塊，軟件功能上包括從入庫到出庫的庫存管理，和財務(wù)系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行成本核算，系統(tǒng)內(nèi)部功能的審計模塊等，硬件上也需要不斷增加對更多品牌的擠奶機(jī)、計步器、噴淋設(shè)備等牧場生產(chǎn)設(shè)備的支持。

縱向是在滿足牧場日常生產(chǎn)管理需求的基礎(chǔ)上，在自動化和智能化上進(jìn)行進(jìn)一步迭代升級，如目前系統(tǒng)中已有了工作計劃安排的功能，接下來可以通過歷史數(shù)據(jù)的挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的支持，自動生成牧場工作計劃；如通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不斷積累，不斷優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提高發(fā)情預(yù)測、奶量預(yù)測、疾病預(yù)測等功能的準(zhǔn)確率。

最終目標(biāo)是將本系統(tǒng)打造成牧場的核心信息系統(tǒng)，管理所有牧場涉及的數(shù)據(jù)，對接牧場全部的軟硬件系統(tǒng)，覆蓋所有的業(yè)務(wù)功能，成為牧場智能化改革的推動力，加速牧場的數(shù)字化升級。

8 小結(jié)

本文基于借助物聯(lián)網(wǎng)、信息化手段，對牧場及奶牛遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了有益的探索，進(jìn)一步整合了牧場各種設(shè)備與軟件的信息，進(jìn)行智能分析與決策，從而實現(xiàn)牧場生產(chǎn)動態(tài)、經(jīng)營動態(tài)、疫病防控、免疫檔案、奶源追溯等方面的數(shù)字化管理，幫助牧場管理方隨時隨地通過PC 及手機(jī)端訪問，遠(yuǎn)距離獲取相關(guān)牧場信息，為構(gòu)建奶業(yè)提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展新模式，健全優(yōu)質(zhì)、安全、高效、綠色乳業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，全面提升奶業(yè)綜合競爭力創(chuàng)造了條件，促進(jìn)畜牧業(yè)更科學(xué)地持續(xù)發(fā)展，是牧場管理發(fā)展過程中的一次質(zhì)變，加速傳統(tǒng)牧業(yè)向智慧牧業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級。

（1）本設(shè)計解決奶牛生理信息采集系統(tǒng)模塊單一，產(chǎn)品兼容性差的問題。目前，國內(nèi)奶牛智慧化調(diào)控集成技術(shù)研究和應(yīng)用處于初級階段，奶牛現(xiàn)代化精準(zhǔn)養(yǎng)殖領(lǐng)域大多數(shù)集中在單一檢測數(shù)據(jù)的采集分析，尚缺少各項數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)。本研究是一項集成技術(shù)，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。本研究建立智慧養(yǎng)殖管理系統(tǒng)，通過信息化手段統(tǒng)一智能養(yǎng)殖管理路徑，并在繁殖育種、后備牛養(yǎng)殖、成母牛生理信息采集與分析（泌乳，發(fā)情）；犢牛、青年牛生理信息采集與分析環(huán)節(jié)通過系統(tǒng)和工業(yè)移動終端，進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)操作，實現(xiàn)移動化、智能化的目的。

（2）本設(shè)計解決奶牛TMR 信息系統(tǒng)適用性問題。目前，國內(nèi)TMR 配方設(shè)計系統(tǒng)大多針對成母牛尤其是泌乳牛，缺乏對犢牛及青年牛的TMR 設(shè)計。本系統(tǒng)針對奶牛各個時期營養(yǎng)需要及其生長指標(biāo)分別設(shè)計TMR 配方，解決奶牛TMR 信息系統(tǒng)適用性問題。