區(qū)塊鏈+5G物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)在奶牛智能化生產(chǎn)中的應(yīng)用

胡婷婷，廖晨星，張金夢(mèng)，王翌翀，郭凱軍＊，張仁龍

1 北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京昌平 102206

2 北京三元種業(yè)科技股份有限公司，北京大興，100029

3 北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京昌平 102206

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）技術(shù)在社會(huì)各領(lǐng)域的應(yīng)用，人工智能以及由此形成的大數(shù)據(jù)已經(jīng)深入人們生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，有大約500億個(gè)物體連接到互聯(lián)網(wǎng)上，物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、云計(jì)算等領(lǐng)域[1]。近年來，區(qū)塊鏈+5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和為解決信息孤島而應(yīng)運(yùn)而生的新一代大數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用技術(shù)逐漸得到人們的重視。區(qū)塊鏈+5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在牛只個(gè)體識(shí)別、體重測(cè)定、精準(zhǔn)飼喂、產(chǎn)奶性能、發(fā)情鑒定、環(huán)境監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)可以應(yīng)用到改善牧場(chǎng)經(jīng)營管理、強(qiáng)化奶牛疫病防控、保證牛奶質(zhì)量安全等方面[2]。Dias等論述了精準(zhǔn)奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)數(shù)據(jù)如何為牧場(chǎng)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益[3]。2018年舉行的德國漢諾威國際畜牧業(yè)展覽會(huì)上明確表示，以數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)等為核心的精準(zhǔn)養(yǎng)殖技術(shù)在整個(gè)畜牧養(yǎng)殖業(yè)中已經(jīng)占據(jù)顯著地位[4]。

目前，奶牛養(yǎng)殖的主要任務(wù)之一就是提高奶牛養(yǎng)殖的精準(zhǔn)化水平和牧場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。本文綜述了區(qū)塊鏈+5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，國內(nèi)外奶牛生產(chǎn)中使用的IoT技術(shù)，旨在幫助我國奶業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)奶牛個(gè)體營養(yǎng)管理精準(zhǔn)化、發(fā)情鑒定智能化、設(shè)施操作自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)智慧化以及疫病防控友好化。

1 IoT技術(shù)在奶牛生產(chǎn)各區(qū)塊的應(yīng)用

1.1 個(gè)體識(shí)別

目前，奶牛個(gè)體識(shí)別應(yīng)用最廣泛的是射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）。該技術(shù)能夠檢測(cè)牛只的運(yùn)動(dòng)、位置、體溫等信息[5]，也可以在擠奶廳與擠奶設(shè)備相關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄每一頭奶牛的產(chǎn)奶量和泌乳信息，據(jù)此監(jiān)測(cè)奶牛發(fā)情和健康問題，實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)精細(xì)化管理，提高牧場(chǎng)生產(chǎn)效益[6]。

1.2 體重測(cè)定

奶牛智能化稱重通過和牛只個(gè)體識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，將奶牛重量信息與牛只信息進(jìn)行綁定，便于牧場(chǎng)管理。與RFID技術(shù)相結(jié)合，精準(zhǔn)信息讀取和儲(chǔ)存，也可以直接將測(cè)量的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至管理計(jì)算機(jī)，為管理人員提供基礎(chǔ)信息[7]。

1.3 產(chǎn)奶性能測(cè)定

奶牛305天產(chǎn)奶量預(yù)估值的準(zhǔn)確性直接影響著奶牛遺傳評(píng)估效果[8]，許多模型如Wood、Ali-Schaeffer等都可以有效進(jìn)行估計(jì)。對(duì)于乳品質(zhì)主要測(cè)定乳脂率、乳蛋白率、體細(xì)胞數(shù)、乳中菌落總數(shù)等指標(biāo)，一般利用中紅外光譜（MIR）技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)性能測(cè)定（DHI）[9]以及阿菲金公司推出的實(shí)時(shí)在線乳成分分析儀——魔盒（Afilab）[10]。

1.4 奶牛發(fā)情揭發(fā)技術(shù)

目前，牧場(chǎng)中應(yīng)用的發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有計(jì)步器發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、SCR發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于體溫變化的發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。其中計(jì)步器發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛，依靠跟蹤記錄奶牛的活動(dòng)量來判斷奶牛是否處于發(fā)情期[11]。小型牧場(chǎng)可以采用觀察法、涂色法等人工識(shí)別方法監(jiān)測(cè)，而大型牧場(chǎng)更多依賴計(jì)步器提高發(fā)情揭發(fā)效率[12]。

1.5 奶牛精準(zhǔn)飼喂

全混合日糧（TMR）能夠給奶牛提供均衡的營養(yǎng)，從而有效減少營養(yǎng)代謝病和提高產(chǎn)奶量及乳品質(zhì)，牧場(chǎng)中廣泛應(yīng)用TMR飼喂奶牛[13]。為了更加精準(zhǔn)的配制TMR日糧，TMR智能管理系統(tǒng)逐步在牧場(chǎng)中應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)飼喂工作實(shí)時(shí)監(jiān)管，使飼喂更精準(zhǔn)[14]。在TMR飼喂技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出飼喂機(jī)器人，即PMR技術(shù)，給高產(chǎn)奶牛進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)飼。

1.6 環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)控

奶牛生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生引起溫室效應(yīng)的氣體和氨氣，而氨氣含量過多則會(huì)引起奶牛呼吸道疾病等癥狀，同時(shí)也暗示著蛋白質(zhì)的浪費(fèi)[15，16]。對(duì)于這些氣體的監(jiān)測(cè)也逐漸常規(guī)化，從人工氣候倉到氣體傳感器再到各種環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等，有效監(jiān)測(cè)牛舍內(nèi)的溫、濕度和有害氣體濃度并實(shí)時(shí)做出反應(yīng)，成為奶牛養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展的有力工具。

2 區(qū)塊鏈+IoT技術(shù)在奶牛上的應(yīng)用

2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種數(shù)學(xué)模型，常用于工學(xué)和力學(xué)的建模，后來隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，逐漸被應(yīng)用于畜牧業(yè)發(fā)展。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來預(yù)測(cè)牧場(chǎng)總產(chǎn)奶量[17]、奶牛乳房炎的監(jiān)測(cè)[18]和奶牛305天產(chǎn)奶量監(jiān)測(cè)[19]。

在奶牛生產(chǎn)方面的應(yīng)用需要預(yù)先收集奶牛的產(chǎn)奶量、乳脂率、乳蛋白率、擠奶頻率以及相關(guān)的環(huán)境因子（環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和光周期長度）的信息作為輸入因素，被檢測(cè)的內(nèi)容為輸出因素。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢測(cè)。以預(yù)測(cè)奶牛305天產(chǎn)奶量為例，主要步驟是首先要獲取奶牛胎次及產(chǎn)后100天的各項(xiàng)產(chǎn)奶指標(biāo)數(shù)據(jù)，挑選和305天產(chǎn)奶量關(guān)系較大的測(cè)定指標(biāo)為輸入因素，以奶牛的305天產(chǎn)奶量為輸出因素，建立奶牛305天產(chǎn)奶量的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。通過這個(gè)模擬平臺(tái)，能夠根據(jù)奶牛產(chǎn)后的前100天產(chǎn)奶指標(biāo)預(yù)測(cè)出305天產(chǎn)奶量[20]。

2.2 專家系統(tǒng)（ES）

專家系統(tǒng)是人工智能中最重要、也是最活躍的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。專家系統(tǒng)擁有大量的專家級(jí)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[21]，我國專家系統(tǒng)的研究起步較晚。隨著農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展，專家系統(tǒng)方面的研究取得了重大成果，且動(dòng)物疾病專家系統(tǒng)在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，針對(duì)奶牛疾病的診斷專家系統(tǒng)的研究也不斷深入[22]。

奶牛專家系統(tǒng)通過人工方法獲取各類與奶牛相關(guān)的各板塊知識(shí)進(jìn)行分類、儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)上，使用者能夠系統(tǒng)的了解奶牛生產(chǎn)各區(qū)塊的信息，根據(jù)提出的問題自發(fā)作出解答并提供相應(yīng)的解決辦法。較之前的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更加專業(yè)、系統(tǒng)、現(xiàn)代化；奶牛專家系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，且智能化程度很高，使用方便[23]。如奶牛蹄病診斷專家系統(tǒng)包括蹄病診斷、病歷管理和知識(shí)及多媒體查詢功能，能對(duì)奶牛疾病進(jìn)行精確的診斷[24，25]。馬雪等通過利用專家系統(tǒng)判斷奶牛的發(fā)情情況，為牧場(chǎng)的工作人員提供解決各種奶牛疾病，如乳房炎、奶牛酮病等方法，根據(jù)飼料中干物質(zhì)采食量和繁殖性能的下降預(yù)測(cè)奶牛的生產(chǎn)性能，起到提前預(yù)防的作用[26]。

2.3 奶業(yè)大腦（Dairy Brain）

奶業(yè)大腦是由Cabrera等開發(fā)的一個(gè)實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、連續(xù)決策引擎。

2.3.1 牛群常規(guī)操作、活動(dòng)的記錄

繁殖、產(chǎn)犢、健康事件；接種疫苗、發(fā)生疾病和治療方案；擠奶過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（包括牛奶量、牛奶導(dǎo)電率和擠奶流量）；遺傳學(xué)和基因組學(xué)；奶牛譜系和DNA記錄。

2.3.2 每月試驗(yàn)日訪視變量記錄

產(chǎn)奶量、體細(xì)胞數(shù)、乳脂率和乳蛋白率、泌乳期的脂肪和蛋白質(zhì)總量。

2.3.3 飼料

與動(dòng)物營養(yǎng)有關(guān)的記錄（包括日糧營養(yǎng)飲食成分、每天干物質(zhì)采食量和每千克飼料成本）。這些不同區(qū)塊的數(shù)據(jù)通過IoT技術(shù)整合在一起，經(jīng)提取、轉(zhuǎn)換和加載過程（ETL，ETC進(jìn)程由自動(dòng)化框架管理，該框架在后臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行，監(jiān)視指定的數(shù)據(jù)）儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)倉庫（AGDH）中，進(jìn)行分析對(duì)比得出相應(yīng)的結(jié)果[27]。

奶業(yè)大腦可以通過ANN及其他的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地整合，根據(jù)奶牛的營養(yǎng)需求能夠自動(dòng)將奶牛分配到相應(yīng)的圍欄，從而為奶牛提供更加準(zhǔn)確的日糧。還能有效預(yù)測(cè)臨床乳房炎及其早期風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，通過農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)中心（AGDH）收集的基因組學(xué)、管理學(xué)和DHI等的綜合數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析比較，以確定具有較高臨床乳房炎風(fēng)險(xiǎn)的奶牛。奶業(yè)大腦能夠從收集的信息中預(yù)測(cè)奶牛未來的發(fā)展方向，采用牛群管理和飼養(yǎng)數(shù)據(jù)集相結(jié)合的方法，提高飼喂精準(zhǔn)度和飼料效率，降低飼料成本和營養(yǎng)損失。隨著牧場(chǎng)IoT技術(shù)的普及和5G網(wǎng)絡(luò)的推廣，預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度也將大幅度提高[28]。

3 總結(jié)與展望

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，牧場(chǎng)場(chǎng)智能化的水平越來越高，從剛開始通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)奶牛生產(chǎn)的各種信息；到后來建立了奶牛專家系統(tǒng)或奶業(yè)大腦系統(tǒng)解決實(shí)際生產(chǎn)遇到的各種難題以及通過數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)發(fā)情、產(chǎn)奶量、乳房炎。

當(dāng)前，我國的奶牛養(yǎng)殖業(yè)正處在由傳統(tǒng)向現(xiàn)代智能化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，個(gè)體識(shí)別RFID技術(shù)和DHI檢測(cè)在奶牛養(yǎng)殖中基本得到推廣。計(jì)步器、擠奶設(shè)備也逐漸和國際接軌。近年來，擠奶機(jī)器人也開始在牧場(chǎng)中應(yīng)用，IoT、人工智能技術(shù)融入到奶牛養(yǎng)殖中，形成大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)分析又指導(dǎo)奶牛生產(chǎn)，精準(zhǔn)推動(dòng)奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)代化。

然而，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的智能化發(fā)展仍處于相對(duì)低級(jí)的階段，RFID技術(shù)的編碼尚有局限；體重稱量方面還需要更加成熟的系統(tǒng)；溫室氣體排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍需進(jìn)一步加強(qiáng)；體重稱量、三維照相體況評(píng)分方面還需要更加成熟的系統(tǒng)；傳感器采集到的海量數(shù)據(jù)形成的信息孤島還需要進(jìn)一步有機(jī)融合。我國區(qū)塊鏈+5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)站在世界前列，為我國奶業(yè)大數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供了基礎(chǔ)條件，只有在行業(yè)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，才有可能真正建立精準(zhǔn)有效的模型和數(shù)據(jù)處理、分析、決策系統(tǒng)，從而精準(zhǔn)輸出操作指令，促使我國奶牛養(yǎng)殖智能化生產(chǎn)向智慧化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，加快我國向畜牧業(yè)強(qiáng)國發(fā)展的進(jìn)程。