基于數(shù)據(jù)分析的蠶桑智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蒲 強(qiáng) 陳苗苗 陶 濤 龔大剛 杜 鴻 鮮躍榮

(1成都大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610106；2四川省閬中蠶種場(chǎng)，四川閬中 637400)

傳統(tǒng)手工蠶桑生產(chǎn)效率低，在實(shí)際生產(chǎn)中蠶桑產(chǎn)業(yè)的歷史數(shù)據(jù)未能得到充分利用并用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)有的工作和研究。如何利用信息化技術(shù)提高蠶桑產(chǎn)業(yè)的智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)及科研水平，是目前傳統(tǒng)蠶桑產(chǎn)業(yè)面臨的主要問(wèn)題。雖有研究提出了利用信息化手段改良傳統(tǒng)蠶桑產(chǎn)業(yè)的思路和舉措[1-2]，也有研究將互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在蠶桑作業(yè)中[3-4]，并利用信息化技術(shù)優(yōu)化家蠶育種中的某些關(guān)鍵問(wèn)題[5]，但都沒(méi)有形成一個(gè)在蠶桑生產(chǎn)中系統(tǒng)利用信息化技術(shù)的整體解決方案，對(duì)蠶桑信息化系統(tǒng)的智能性和數(shù)據(jù)分析重視不夠。本文在傳統(tǒng)蠶桑生產(chǎn)中引入信息技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)智能處理與分析，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)據(jù)分析的蠶桑智能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)蠶桑數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、科學(xué)分析，用數(shù)據(jù)引導(dǎo)推動(dòng)蠶桑作業(yè)的精準(zhǔn)、高效、科學(xué)生產(chǎn)?，F(xiàn)將有關(guān)情況報(bào)告如下，供同仁參考。

1 總體架構(gòu)

蠶桑智能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由下向上分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表示層等4層，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。蠶桑智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則如下：底層為上層提供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行支撐和蠶桑數(shù)據(jù)支撐；上層利用底層提供的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)，進(jìn)行蠶桑業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)分析，并向用戶提供業(yè)務(wù)邏輯密切關(guān)聯(lián)的人機(jī)交互界面和蠶桑業(yè)務(wù)所需的智能計(jì)算、分析結(jié)果和決策建議，如作業(yè)報(bào)表、譜系圖和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和建議等。

圖1 蠶桑智能系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 功能模塊

2.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分為互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)2大部分，是蠶桑智能系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。服務(wù)器位于網(wǎng)絡(luò)中心，是蠶桑智能系統(tǒng)的中樞，提供數(shù)據(jù)庫(kù)、通訊、控制、數(shù)據(jù)分析等服務(wù)；另外，基礎(chǔ)層還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)有關(guān)蠶桑作業(yè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集任務(wù)，與之相關(guān)的是各種客戶工位計(jì)算機(jī)、電子秤和傳感器?；A(chǔ)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸，為上層提供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、通訊服務(wù)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集服務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和文件系統(tǒng)，存儲(chǔ)蠶桑作業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和文檔，形成數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，是蠶桑業(yè)務(wù)工作和數(shù)據(jù)處理與分析的基礎(chǔ)。

2.3 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層為蠶桑智能系統(tǒng)的核心平臺(tái)，設(shè)計(jì)包括家蠶選種、品種保存、雜交鑒定、原種繁育等4大業(yè)務(wù)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了基于業(yè)務(wù)和底層數(shù)據(jù)上的各種智能系統(tǒng)，如智能指標(biāo)系統(tǒng)、信息檢索系統(tǒng)、報(bào)表生成系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、物聯(lián)控制系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)。智能指標(biāo)系統(tǒng)從多個(gè)統(tǒng)計(jì)角度分析各類蠶桑數(shù)據(jù)，有利于蠶桑工作人員合理選擇蠶桑指標(biāo)科學(xué)開(kāi)展蠶桑業(yè)務(wù)，為蠶桑業(yè)務(wù)提供增值數(shù)據(jù)和智能決策；信息檢索系統(tǒng)可輔助蠶桑工作人員從海量數(shù)據(jù)中搜索對(duì)生產(chǎn)有用的數(shù)據(jù)資料指導(dǎo)蠶桑業(yè)務(wù)；報(bào)表生成系統(tǒng)可靈活生成各類報(bào)表，將人從繁瑣易錯(cuò)的報(bào)表整理工作中解放出來(lái)。整個(gè)業(yè)務(wù)層核心平臺(tái)中，大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是蠶桑智能系統(tǒng)的核心，物聯(lián)控制系統(tǒng)和滴灌系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)蠶室和桑園的自動(dòng)管理和環(huán)境控制。由于篇幅原因，以下僅以家蠶選種系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行具體闡述。

2.3.1 家蠶選種系統(tǒng) 家蠶選種系統(tǒng)是蠶桑智能系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)，內(nèi)容較多，其設(shè)計(jì)也成為業(yè)務(wù)層中的關(guān)鍵。家蠶選種系統(tǒng)包括選種管理子系統(tǒng)、智能選育子系統(tǒng)和選種譜系子系統(tǒng)(圖2)。(1)選種管理子系統(tǒng)。包括年季作業(yè)計(jì)劃和選種數(shù)據(jù)輸入2大模塊。年季作業(yè)計(jì)劃是每個(gè)年季整個(gè)家蠶選種系統(tǒng)的起始工作，后續(xù)工作的開(kāi)展和數(shù)據(jù)衍生都源于作業(yè)計(jì)劃，因此本模塊功能非常重要，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到作業(yè)計(jì)劃數(shù)據(jù)的加鎖功能，以防刪除計(jì)劃對(duì)后續(xù)管理工作造成嚴(yán)重不良影響。選種數(shù)據(jù)輸入模塊是選種原始數(shù)據(jù)輸入的主要模塊，包括出庫(kù)催青、飼育管理、繭質(zhì)調(diào)查、個(gè)體繭調(diào)查、母種交配型式、母種制種數(shù)據(jù)、原原種制種數(shù)據(jù)、卵質(zhì)調(diào)查、生物學(xué)性狀、區(qū)內(nèi)一?？壗z、區(qū)間多?？壗z等數(shù)據(jù)的輸入。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)根據(jù)其特點(diǎn)和需求彼此間在邏輯上關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)。為了保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、正確性，本模塊需要設(shè)置大量的數(shù)據(jù)自動(dòng)檢查功能和關(guān)聯(lián)檢查功能，并且要做到一處數(shù)據(jù)的變動(dòng)，多處數(shù)據(jù)都要隨之發(fā)生聯(lián)動(dòng)。這種數(shù)據(jù)邏輯上的關(guān)聯(lián)表示也保證了后續(xù)譜系的生成，智能選育工作、大數(shù)據(jù)分析和報(bào)表的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確引自本模塊的輸入數(shù)據(jù)。(2)智能選育子系統(tǒng)。包括選卵、蛾區(qū)選擇、品質(zhì)排隊(duì)、交配蛾區(qū)選配、個(gè)體繭選擇等模塊，各個(gè)模塊按照一定的規(guī)則和算法，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行智能選育工作，大大提高了家蠶選育工作的效率和準(zhǔn)確率。比如，蛾區(qū)選擇模塊按照蛾區(qū)選擇智能算法，自動(dòng)選擇母種當(dāng)選蛾區(qū)和原原種當(dāng)選蛾區(qū)，并給出淘汰意見(jiàn)。品質(zhì)排隊(duì)模塊借助當(dāng)季系統(tǒng)自動(dòng)生成的當(dāng)選母種主要性狀成績(jī)，對(duì)4齡結(jié)繭率、4齡健蛹率、普繭率、全繭量、繭層率、蔟中病死蠶率等指標(biāo)，按照一定的算法規(guī)則進(jìn)行打分排隊(duì)。交配蛾區(qū)選配模塊在母種小系內(nèi)，以品質(zhì)排隊(duì)結(jié)果為依據(jù)，按照強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合和異親異蛾交配的原則，采用成績(jī)優(yōu)良者優(yōu)先互交組合，智能選擇合理的交配型式，充分確保選育蠶種的雜種優(yōu)勢(shì)。(3)選種譜系子系統(tǒng)。自動(dòng)理清蠶種上下代親緣關(guān)系，借助各季系統(tǒng)生成的當(dāng)選母種及相交親本，生成能夠反映蠶種上下代親緣關(guān)系的譜系圖，并標(biāo)明母本及父本的主要性狀成績(jī)，確保選育蠶種譜系清晰。

圖2 家蠶選種系統(tǒng)

2.3.2 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為蠶桑業(yè)務(wù)提供增值數(shù)據(jù)和智能決策，在蠶桑智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占據(jù)絕對(duì)重要地位。大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包含五大子系統(tǒng)，即回歸建模子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)、方差分析子系統(tǒng)、相關(guān)分析子系統(tǒng)和品種性狀自動(dòng)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)等(圖3)。(1)回歸建模子系統(tǒng)?？梢詫?duì)選定年季范圍的某品種，設(shè)定任意一個(gè)性狀指標(biāo)作為因變量Y，然后根據(jù)選定的n個(gè)自變量性狀指標(biāo)[X=(x1，x2，…，xi…，xn)，xi為第i個(gè)自變量性狀指標(biāo)]進(jìn)行回歸建模。對(duì)建立的回歸模型，可以進(jìn)行擬合分析，也可以用自變量性狀指標(biāo)預(yù)測(cè)未來(lái)年季的因變量指標(biāo)值。(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)。對(duì)某個(gè)品種按年季跨度或某些年季區(qū)間，對(duì)所選性狀指標(biāo)進(jìn)行縱向或橫向的統(tǒng)計(jì)比較，明確選種和工作目標(biāo)。(3)方差分析子系統(tǒng)?？梢詫?duì)多個(gè)品種，按不同(單個(gè))年季分析某個(gè)(多個(gè))生物學(xué)性狀指標(biāo)的差異顯著性；或?qū)δ硞€(gè)品種，分析多個(gè)生物學(xué)性狀指標(biāo)在不同年季下的差異顯著性。另外，在研究工作中對(duì)蠶桑獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，也可以靈活進(jìn)行單因素、雙因素和多因素方差分析，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高選種效率。(4)相關(guān)分析子系統(tǒng)。分析選定年季范圍內(nèi)的某一品種的多個(gè)生物學(xué)性狀指標(biāo)間的相關(guān)性，揭示性狀指標(biāo)間的強(qiáng)弱關(guān)系。(5)品種性狀自動(dòng)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。能智能靈活評(píng)價(jià)某一品種與其它品種在設(shè)定年季范圍內(nèi)的性狀指標(biāo)，并自動(dòng)給出性狀趨勢(shì)的比較結(jié)果和品種間最終的性狀評(píng)價(jià)結(jié)論。

圖3 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

2.4 表示層

表示層提供了蠶桑業(yè)務(wù)操作和數(shù)據(jù)分析的人機(jī)交互功能，提供了蠶桑數(shù)據(jù)來(lái)源的操作界面和數(shù)據(jù)分析結(jié)果的顯示界面。包括業(yè)務(wù)操作界面、報(bào)表顯示打印系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)圖形系統(tǒng)、譜系系統(tǒng)和性狀評(píng)價(jià)系統(tǒng)。報(bào)表顯示打印系統(tǒng)顯示和打印蠶桑作業(yè)上報(bào)報(bào)表和存檔報(bào)表等。統(tǒng)計(jì)圖形系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的圖形顯示，包括柱狀圖、折線圖、回歸模型擬合診斷圖、回歸模型預(yù)測(cè)圖、性狀指標(biāo)散點(diǎn)圖矩陣、相關(guān)矩陣圖、相關(guān)系數(shù)表和性狀比較圖等。譜系系統(tǒng)和性狀評(píng)價(jià)系統(tǒng)分別給出具體的譜系圖和性狀評(píng)價(jià)結(jié)論。

3 應(yīng)用效果

蠶桑智能系統(tǒng)已在四川省閬中蠶種場(chǎng)使用了6季，據(jù)我們調(diào)查，蠶桑作業(yè)中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)檢查和自動(dòng)采集功能，減少了員工錄入數(shù)據(jù)的工作量，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率，規(guī)范了操作程序，有效地保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)性和真實(shí)性；使用物聯(lián)網(wǎng)滴灌技術(shù)的桑園單位面積桑葉增產(chǎn)17%左右；蠶桑數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)分析和報(bào)表生成，大大提高了生產(chǎn)效率，完成了傳統(tǒng)紙質(zhì)數(shù)據(jù)無(wú)法完成的工作。隨著存檔歷史數(shù)據(jù)的不斷豐富，大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和譜系生成已顯示了重要作用，為蠶桑作業(yè)和研究提供了數(shù)據(jù)指導(dǎo)、數(shù)據(jù)支撐和決策建議。由于篇幅原因，下面選擇蠶桑智能系統(tǒng)中6個(gè)有代表性的模塊，從數(shù)據(jù)自動(dòng)采集/輸入、個(gè)體繭智能選擇、蛾區(qū)智能選擇、選種譜系、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和回歸建模等模塊的使用情況，簡(jiǎn)要說(shuō)明系統(tǒng)的典型應(yīng)用效果以及蠶桑智能系統(tǒng)的典型模塊的工作情況。

3.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集/輸入

圖4為家蠶選種系統(tǒng)的選種管理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入模塊的使用情況，具體為區(qū)內(nèi)一?？壗z數(shù)據(jù)自動(dòng)采集/輸入情況。從圖4可以看出，輸入工作可以根據(jù)需要，選擇人工輸入或者自動(dòng)從電子秤采集數(shù)據(jù)(電子秤精度可根據(jù)需要設(shè)置)。對(duì)于一粒繅絲業(yè)務(wù)而言，還可以設(shè)置疵點(diǎn)系數(shù)并計(jì)算年季所有品種的凈度。

圖4 2019年春季“芳”的一?？壗z數(shù)據(jù)自動(dòng)采集/輸入圖

3.2 個(gè)體繭智能選擇

圖5為家蠶選種系統(tǒng)的智能選育子系統(tǒng)的個(gè)體繭智能選擇模塊的使用情況。從圖5可以看出，選繭時(shí)可分別設(shè)置雌雄個(gè)體繭選擇指標(biāo)，按照智能淘汰算法自動(dòng)選擇后，將給出品種飼育區(qū)淘汰的雌雄繭號(hào)，淘汰數(shù)量和淘汰比率，方便工作人員快速剔除對(duì)應(yīng)淘汰繭號(hào)的蠶繭。

圖5 2019年春季“7532A”的個(gè)體繭智能選擇圖

3.3 蛾區(qū)智能選擇

圖6為家蠶選種系統(tǒng)的智能選育子系統(tǒng)的蛾區(qū)智能選擇模塊的使用情況。從圖6可以看出，選擇蛾區(qū)時(shí)可根據(jù)需要設(shè)置各小系蛾區(qū)的當(dāng)選數(shù)量、指標(biāo)比例和指標(biāo)權(quán)重，然后按照蛾區(qū)智能選擇算法從供選蛾區(qū)中自動(dòng)選擇規(guī)定數(shù)量的母種蛾區(qū)和原原種蛾區(qū)，并以不同顏色標(biāo)注，同時(shí)給出蛾區(qū)淘汰意見(jiàn)。蛾區(qū)智能選擇克服了手動(dòng)選擇慢，靠經(jīng)驗(yàn)選擇導(dǎo)致的不科學(xué)、不準(zhǔn)確問(wèn)題。

圖6 2018年春季“7532A”的蛾區(qū)智能選擇圖

3.4 選種譜系

圖7為家蠶選種系統(tǒng)的選種譜系子系統(tǒng)的使用情況。從圖7可以看出，設(shè)置品種和起始年季后，系統(tǒng)能按照小系查找選擇年季間所有的上下代親緣關(guān)系，并用譜系圖形的方式繪制出來(lái)。由于譜系圖對(duì)家蠶繁育具有重要的意義，如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制譜系圖，僅靠人工畫(huà)譜系圖，在蠶種譜系年季跨度很大的情況下，則難以理清蠶種譜系正確的上下代親緣關(guān)系。計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制的樹(shù)狀譜系圖，能夠清晰、正確地反映蠶種的上下代親緣關(guān)系。

圖7 2016年早秋至2017年早秋“白”的C小系譜系圖

3.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖8為大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊使用情況，是對(duì)品種“781B”的3個(gè)年季(即2017年早秋蠶期、2018年春蠶期、2018年早秋蠶期)的蔟中病死蠶率、半病態(tài)繭率和同宮繭率等3個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)平均成績(jī)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查比較結(jié)果。從圖8可以看出，模塊按照選擇的統(tǒng)計(jì)年季，統(tǒng)計(jì)比較選擇的指標(biāo)并以選定的某種圖形方式顯示比較結(jié)果，據(jù)此分析品種某個(gè)性狀指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)，以便做出科學(xué)決策，加快蠶品種的選育進(jìn)程。

圖8 2017—2018年3個(gè)年季“781B”的蔟中病死蠶率、半病態(tài)繭率和同宮繭率平均成績(jī)比較圖

3.6 回歸建模

圖9為大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的回歸建模模塊使用情況。從圖9可以看出，可以選擇某個(gè)指標(biāo)作為預(yù)測(cè)分析的因變量指標(biāo)，再根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)選擇自變量指標(biāo)，進(jìn)行回歸建模，發(fā)現(xiàn)因變量和自變量間的某種線性關(guān)系。模型可以進(jìn)行擬合分析，檢查回歸建模的合理性。更重要的是系統(tǒng)可以根據(jù)建立的回歸模型對(duì)因變量指標(biāo)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖9 “734”的回歸建模與預(yù)測(cè)圖

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)蠶桑作業(yè)中引入信息技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理與分析等技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)分析的蠶桑智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)以蠶桑業(yè)務(wù)為主要內(nèi)容，提供了業(yè)務(wù)邏輯上密切聯(lián)系的數(shù)據(jù)表示方式，設(shè)計(jì)了蠶桑業(yè)務(wù)智能算法對(duì)蠶桑數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并產(chǎn)生圖形和文字等分析結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用表明，蠶桑智能系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)和指導(dǎo)了蠶桑精準(zhǔn)、高效、科學(xué)生產(chǎn)，有助于推動(dòng)現(xiàn)代蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。