全自動體況評分與人工評分的對比研究

文/劉 燕

〔利拉伐（天津）有限公司〕

體況評分（Body Condition Scoring，BCS）是奶牛飼養(yǎng)管理（尤其是營養(yǎng)技術(shù)管理）中的一項非常實用的技術(shù)，可以用于衡量奶牛的能量儲備，從而判斷其胖瘦程度。同時，BCS是分析奶牛健康、采食量和產(chǎn)犢以及首次授精之間的最佳時間間隔的重要管理工具。奶牛在不同生理時期和泌乳階段具有不同的體況，而不合理的體況表現(xiàn)將會影響奶牛的健康水平、繁殖率、泌乳持續(xù)力，也會導(dǎo)致其終生產(chǎn)奶量的下降。體況評分最通用的方法是5分制，即1分代表過瘦，5分代表過肥。本文分別使用利拉伐BCS自動體況評分系統(tǒng)和人工在國內(nèi)試驗?zāi)翀鰧ν慌Ｈ哼M行評分，通過數(shù)據(jù)分析，對比二者在評分一致性、穩(wěn)定性上的表現(xiàn)情況。

1 人工評分

目前，國內(nèi)牧場日益重視奶牛的體況評分，其中多數(shù)中小規(guī)模的牧場是由飼料公司或其他第三方服務(wù)人員對奶牛進行體況評估，而大規(guī)模牧場則會由專門負責飼養(yǎng)的技術(shù)人員對奶牛進行體況評分。這些人員一般使用傳統(tǒng)方法獲取奶牛體況評分，但這是一項非常耗時的任務(wù)，對奶牛的應(yīng)激比較大，需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員。人工評分的缺點大致可總結(jié)如下5 點。

1.1 可能存在數(shù)據(jù)不準

人工評分方式是主觀的，可能會受人員水平、天氣、光線、視角以及奶牛花片的影響，導(dǎo)致主觀評判的分數(shù)不能很好地反映皮下能量儲備量。

對于數(shù)據(jù)不準的原因可以按照多角度進行解讀，即BCS評分人員判斷的誤差、數(shù)據(jù)不及時、數(shù)據(jù)傳輸中易出錯。數(shù)據(jù)是管理的依據(jù)和度量，而不及時的數(shù)據(jù)具有滯后性，錯誤的數(shù)據(jù)會誤導(dǎo)生產(chǎn)。

1.2 工作量大

大規(guī)模牧場奶牛存欄量大，評分的工作量很大。體況評分一般由2 人進行，1 人負責評分，1人負責抄錄牛號和評分值。評分前需要保證提前立好牛舍頸枷，使用頸枷夾住待進行體況評分的牛只。手法成熟的技術(shù)人員需要20～30 s，通過觀察和觸摸完成1 頭奶牛的體況評分，而生疏的技術(shù)人員可能會耗時更長。以1 個舍區(qū)120 頭牛為例，所有牛至少要夾40 min～1 h才可全部完成評分工作，若以2 400 頭泌乳牛的牧場進行計算，則至少需要耗時13～20 h。

1.3 部分數(shù)據(jù)無法代表整體情況

由于體況評分工作量大，因此一些大規(guī)模牧場會采用一些減少工作量的方案。以本次試驗?zāi)翀觯▏鴥?nèi)華北地區(qū)1 個牧場）為例，牧場具有關(guān)于BCS的標準化操作流程，要求技術(shù)員在為奶牛進行體況評分時以牛舍為單位，體況評分牛頭數(shù)不得低于整個牛舍存欄量的10%，單獨記錄特殊肥胖或消瘦的牛號。這樣在某些層面上能為牧場管理進行一些基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)的堆砌，但是無論是10%還是20%，部分數(shù)據(jù)是不能很好地用于代表整體情況的。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸過程中易出錯

在人工評分工作結(jié)束后，數(shù)據(jù)員需要將對應(yīng)的紙質(zhì)數(shù)據(jù)錄入電腦中。但從在牛舍評分到辦公室錄入，這個過程中很難保證牛號、BCS數(shù)據(jù)的抄錄完全正確，也無法保證數(shù)據(jù)錄入是完全準確的，這就會造成數(shù)據(jù)的缺失或錯位，喪失數(shù)據(jù)的意義。

1.5 牧場人員流動性大

目前，國內(nèi)牧場的人員流動性較大，很多技術(shù)人員可能非專業(yè)院校畢業(yè)，或者沒有接受很好的培訓(xùn)就接手工作，這是牧場不可避免的現(xiàn)狀之一。而且，不同技術(shù)人員對奶牛的體況感官經(jīng)驗是不同的，這也難免會在人員更替中出現(xiàn)感官經(jīng)驗評價不一致，造成數(shù)據(jù)的偏差，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可用的情況。

2 全自動體況評分系統(tǒng)

除了人工評分以外，全自動體況評分系統(tǒng)是牧場進行體況評分的另一種選擇。利拉伐 BCS自動體況評分系統(tǒng)于2015年發(fā)布，是全球首個商用全自動體況評分系統(tǒng)。系統(tǒng)由3D攝像頭以及帝波羅牧場管理軟件構(gòu)成。3D攝像頭通常架設(shè)在分隔門或者擠奶機器人上，在奶牛通過或擠奶時自動為奶牛拍攝3D照片，并計算每頭奶牛的體況評分。目前該系統(tǒng)可以為多品種的牛進行體況評分，如荷斯坦奶牛、西門塔爾牛（弗萊克維赫）、挪威紅牛和新西蘭雜交牛。

BCS攝像頭采集的奶牛體況評分會傳輸至帝波羅牧場管理系統(tǒng)，供牧場管理人員查看，也可通過帝波羅的監(jiān)控面板和報告設(shè)置提醒牧場奶牛體況評分的異常情況。

利拉伐BCS自動評分系統(tǒng)的主要特色有5 點：可以每天為所有泌乳牛進行評分；采用一致的評分標準；評分過程不會對奶牛產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)；通過牧場管理軟件自動生成關(guān)于奶牛健康情況的評估報告；體況評分結(jié)果可以直接分享給獸醫(yī)及營養(yǎng)師使用。

3 試驗設(shè)計和方法

3.1 試驗?zāi)翀龅倪x擇

試驗?zāi)翀鑫挥谌A北地區(qū)，使用利拉伐PR3100重型轉(zhuǎn)臺、利拉伐帝波羅牧場管理系統(tǒng)，并于2019年1月13日安裝利拉伐BCS自動評分系統(tǒng)。

3.2 試驗方法

3.2.1 驗證人工評分的相關(guān)性

參與人員為飼養(yǎng)經(jīng)理、技術(shù)員；試驗地點為牛舍；試驗牛頭數(shù)為117 頭。

具體方法：在奶牛下奶廳采食階段，給奶牛上夾，每人為該舍的牛只進行體況評分。在獲得數(shù)據(jù)后，采用Pearson相關(guān)系數(shù)和Kappa系數(shù)來衡量相關(guān)性與一致性。對于各方評分差異大的牛只，需要在現(xiàn)場再次共同評分，找到共識的分數(shù)（奶牛BCS的5 個關(guān)鍵點評判標準是一致的，因此可以達到共識）。

本試驗r值可接受范圍為0.8～1.0極強相關(guān)，0.6～0.8 強相關(guān)。kappa系數(shù)計算結(jié)果預(yù)期范圍為0.61～0.80 高度一致性，0.81～1.00幾乎完全一致性。

3.2.2 驗證人工評分的一致性

參與人員為飼養(yǎng)經(jīng)理、技術(shù)員；試驗地點為牛舍；試驗牛頭數(shù)為13 頭牛。

具體方法：在奶牛下奶廳采食階段，隨機選取一定數(shù)量的奶牛進行第2次體況評分。在獲得數(shù)據(jù)后，用Pearson相關(guān)系數(shù)和Kappa系數(shù)來衡量相關(guān)性與一致性；對于各方評分差異大的牛只，現(xiàn)場再次共同評分，找到共識的分數(shù)（奶牛BCS的5個關(guān)鍵點評判標準是一致的，因此可以達到共識）。

本試驗r值可接受范圍為0.8～1.0 極強相關(guān)，0.6～0.8 強相關(guān)。kappa系數(shù)計算結(jié)果預(yù)期范圍為0.61～0.80 高度一致性，0.81～1.00幾乎完全一致性。

3.2.3 驗證BCS 攝像頭與人工評分的相關(guān)性

接上一步試驗，選取3 組人工評分的平均值進行分析，采用Pearson相關(guān)系數(shù)與kappa系數(shù)來衡量人工與設(shè)備評分的相關(guān)性。

本試驗r值預(yù)期范圍為0.8～1.0 極強相關(guān)，0.6～0.8 強相關(guān)。kappa系數(shù)計算結(jié)果預(yù)期范圍為0.61～0.80 高度一致性，0.81～1.00幾乎完全一致性。

3.2.4 驗證BCS 攝像頭評分一致性

參與人員為牧場方負責BCS的人員；試驗地點為奶廳；試驗時間為擠奶結(jié)束；試驗牛頭數(shù)為1頭。

具體方法：選取1 頭牛連續(xù)過分隔門（20 次），累計獲得單頭牛的20 個評分，繪制BCS攝像頭評分曲線，用Pearson相關(guān)系數(shù)來衡量。

本試驗r值可接受范圍為0.8～1.0 極強相關(guān)，0.6～0.8 強相關(guān)。

4 試驗過程及結(jié)果

2019年4月，利拉伐人員與2 名牧場人員依照上述試驗思路進行試驗。在試驗第一階段，3名人員分別對選定區(qū)域（5 舍）的117 頭奶牛進行1次人工體況評分，再針對部分奶牛（共13 頭）進行第2次體況評分。具體評分數(shù)據(jù)見圖1。在奶牛擠奶完成后下奶廳采食階段進行評分，這是由于考慮該階段上夾率最高，對牛產(chǎn)生的應(yīng)激更小。第2次評分選取的奶牛數(shù)量有限，主要是考慮長時間上夾會影響奶牛的休息。整個試驗過程累計人工評分130 頭次，共計40 min。在評分過程中奶牛一直處于上夾狀態(tài)，影響了采食，并對奶牛造成了較大的應(yīng)激反應(yīng)。

4.1 驗證人工之間評分的相關(guān)性

圖1 試驗牛只的體況評分情況

圖2 三組人工評分分布情況

圖3 人工評分Pearson系數(shù)分布情況

圖4 人員1與人員2的Kappa系數(shù)

圖5 人工評分穩(wěn)定性評估

圖2是3組人工評分分布圖，其中Delaval代表的是利拉伐的工作人員，人員1是牧場的飼養(yǎng)經(jīng)理，人員2是牧場的技術(shù)員，從中可以看出人工評分的相關(guān)性。結(jié)果表明，各組人工評分的趨勢大致是相近的，說明參與評分的3 人都具有良好的專業(yè)經(jīng)驗，但是也可以看出，不同人對不同牛只的評分差異較大。人工體況評分依靠感官來給奶牛的體脂儲備做評，差異性大。此外，大多數(shù)奶牛的體況評分存有差異，根據(jù)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，90%的人工評分差異集中分布在-0.75～0.50。而這個數(shù)據(jù)差異范圍在體況評分中是不能被接受的。

由圖3所示，人工評分的Pearson系數(shù)主要處于0.6～0.8 ，有較強的相關(guān)性。結(jié)果說明，3位評分人員在體況評分方面上具有扎實的基礎(chǔ)知識，但是由于不同人具有不同的眼光和觸覺差異，造成個別評分的Pearson系數(shù)偏低，差異值較大。

圖4結(jié)果顯示，r值為0.66，結(jié)果表明2 組人工評分有比較強的相關(guān)性，這也再次驗證了評分人員對BCS是比較了解且比較專業(yè)的。

4.2 驗證人工評分的一致性

在完成第1次體況評分后，隨機選取其中13 頭奶牛進行第2次評分。從圖5評分結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在針對單頭牛的評分中，同一人兩次評同一頭牛的評分結(jié)果會有較大差異（0～0.5分）。但由于奶牛體況不會在一兩天內(nèi)有大幅度變化，評分差異大的數(shù)據(jù)對實際生產(chǎn)不僅沒有指導(dǎo)意義，還會在很大程度上誤導(dǎo)飼養(yǎng)及分群決策。

圖6 人工評分與BCS攝像頭評分的分布情況

圖7 BCS攝影頭與人工評分之間的Pearson系數(shù)

圖8 BCS 攝像頭與人工評分（三組評分平均值）的Kappa系數(shù)

4.3 驗證 BCS 攝像頭與人工評分的相關(guān)性

在試驗第二階段進行利拉伐BCS自動體況評分系統(tǒng)的對比試驗。利用BCS自動體況評分系統(tǒng)對同一牛群的117 頭牛進行體況評分，大約用時10 min，全程無人為干擾，奶牛只需通過分隔門即可完成自動評分。將利拉伐BCS體況評分系統(tǒng)獲得的評分數(shù)據(jù)和人工評分數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如下。

從圖6中可以看出，BCS 攝像頭的評分基本分布在3 組人工評分曲線之間，符合預(yù)期，其中90%的BCS 攝像頭評分與人工評分差異集中在-0.30～0.52。

根據(jù)本試驗Pearson相關(guān)系數(shù)的可接受范圍，從圖7、表1和表2中可以看出，BCS 攝像頭評分與人工評分相關(guān)性遠高于人員之間評分的相關(guān)性，且有44%的BCS 攝像頭與人工評分的Pearson相關(guān)系數(shù)處于0.8～1.0，有極強相關(guān)性。

圖8顯示r值為0.85，Kappa系數(shù)中，0.81～1.00幾乎完全一致性，再次印證BCS 攝像頭評分與人工評分有極強的相關(guān)性。

4.4 驗證 BCS 攝像頭評分一致性

原有試驗思路是在班次擠奶結(jié)束時，選取1 頭牛連續(xù)過分隔門（20 次），累計獲得單頭牛的20 個評分，繪制BCS 攝像頭評分曲線。但為了避免留1 頭奶牛會造成動物恐慌，因此本試驗選取了2 頭奶牛。但是在實際操作中發(fā)現(xiàn)，單獨留2 頭奶牛連續(xù)過分隔門同樣會造成奶牛產(chǎn)生很大應(yīng)激，加之工人交接班，趕牛的速度比較快，奶牛沒有以正常的步態(tài)經(jīng)過分隔門，導(dǎo)致此次試驗失敗。

因此，此處僅以歐洲進行的BCS 攝像頭一致性試驗的數(shù)據(jù)做參考，結(jié)果見圖9。該試驗選取了1頭奶牛連續(xù)且自然地通過分隔門17次，得出1 個平緩的分布，且評分之間的差異在0.25分以內(nèi)。該結(jié)果很好地印證了BCS 攝像頭評分的穩(wěn)定性和一致性。

表1 BCS 攝像頭與人工評分的Pearson系數(shù)占比情況

表2 人工之間評分的Pearson系數(shù)

5 小結(jié)

本次試驗為首次在中國牧場進行的全自動體況評分系統(tǒng)與人工體況評分的對比試驗。

首先，可以肯定的是，人工評分的主觀因素會導(dǎo)致評分差異性較大，如試驗數(shù)據(jù)揭示了多人評分相關(guān)性不高，單人重復(fù)評分的一致性也有較大差異。從這兩方面來看，BCS 自動評分系統(tǒng)在可靠性和一致性方面的表現(xiàn)優(yōu)于人工評分，在為同一群牛進行評分時，BCS 自動評分系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)更能反映奶牛的實際膘情。同時，BCS 自動評分系統(tǒng)相比人工奶牛評分的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。

其次，在BCS自動評分系統(tǒng)與人工評分的相關(guān)性分析中，可以發(fā)現(xiàn)BCS自動評分系統(tǒng)與人工評分的平均值有很強的相關(guān)性，其r值為0.85；在Kappa系數(shù)中，0.81～1.00幾乎完全一致性，結(jié)果說明，BCS 自動評分系統(tǒng)與人工評分有極強的相關(guān)性，可以很好地替代人工。

最后，BCS自動評分系統(tǒng)測評1 頭牛耗時2～3 s，在奶牛經(jīng)過分隔門時自動實現(xiàn)體況評分數(shù)據(jù)的獲取，對奶牛造成的應(yīng)激反應(yīng)小。評分數(shù)據(jù)可直接上傳至帝波羅系統(tǒng)，不會存在數(shù)據(jù)傳輸錯誤，同時能保證數(shù)據(jù)的及時性。BCS自動評分系統(tǒng)既能覆蓋所有待評分牛只，也能跟蹤單頭牛的體況變化趨勢。通過帝波羅軟件生成的報告和及時提醒，可以為牧場的營養(yǎng)、繁殖、健康、淘汰等決策做出有效參考。