種豬采食行為與生長性狀關(guān)聯(lián)分析與實現(xiàn)

王婷婷，黎煊，，3，趙書紅，雷明剛，劉望宏，劉詩堯

1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部智慧養(yǎng)殖技術(shù)重點實驗室，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種豬質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心（武漢），武漢 430070；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)深圳營養(yǎng)與健康研究院/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心，深圳 518000

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳關(guān)于印發(fā)《國家畜禽良種聯(lián)合攻關(guān)計劃（2019-2022年）》的通知中，明確指出應(yīng)立足于我國現(xiàn)代種業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展需求，積極開展瘦肉型種豬智能測定、種豬大數(shù)據(jù)遺傳評估和豬種質(zhì)資源分子鑒定等理論和應(yīng)用技術(shù)研究，提升我國畜禽種業(yè)國際競爭力。種豬性能測定是客觀評定種豬遺傳育種工作的基礎(chǔ)，歐美等發(fā)達國家已形成較為成熟的種豬性能測定育種體系。我國種豬育種工作尚處于起步階段，當(dāng)前以場內(nèi)測定為主，種豬性能測定設(shè)備主要有美國OSBORNE公司FIRE系統(tǒng)、荷蘭睿保樂Nedap PPT系統(tǒng)和法國ACEMO公司Acema64系統(tǒng)，國產(chǎn)設(shè)備較少[1]，其配套的種豬性能測定信息管理系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)種豬耳標(biāo)建立種豬生長性能測定記錄，根據(jù)種豬的采食和體質(zhì)量數(shù)據(jù)計算種豬的體質(zhì)量變化、飼料轉(zhuǎn)化率和日增重指標(biāo)。

種豬性能測定設(shè)備為種豬采食行為研究提供了有力的量化基礎(chǔ)，正確了解種豬采食行為與生長性能之間的關(guān)系，可以有效提高育種的準(zhǔn)確性，但現(xiàn)有種豬性能測定信息管理系統(tǒng)側(cè)重于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和生長性能指標(biāo)計算，對種豬采食行為分析功能較少[2]。研究表明，生豬采食行為與品種[3]、養(yǎng)殖環(huán)境[4]、飼料[5]以及動物生長階段[6]和生理狀態(tài)[7]等有關(guān)，且具有中度至高度的遺傳性。在進行種豬性能測定時，測定站將獲取測定豬只的采食量和體質(zhì)量信息，通過這些記錄數(shù)據(jù)可以分析采食行為性狀與生長性能性狀之間的關(guān)系[8]，同一個測定站內(nèi)豬只的采食行為也存在差異，造成這種差異的原因可能是群體中個體豬之間的社會等級和社會效應(yīng)引起的[9]。合理挖掘和分析種豬采食信息，有助于了解豬只采食行為習(xí)性，提高養(yǎng)殖效率，因此亟待設(shè)計開發(fā)一套將采食行為分析與生長性狀相結(jié)合的種豬性能測定信息管理系統(tǒng)。

本研究利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Web技術(shù)設(shè)計了集種豬生產(chǎn)性能測定性狀表型值計算、采食行為分析和設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控為一體的信息系統(tǒng)，并基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種豬質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（武漢）杜洛克種豬測定數(shù)據(jù)分析了采食性狀與生長性狀間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了種豬達100 kg體質(zhì)量日齡預(yù)測模型，以期加快我國種豬育種由“經(jīng)驗育種”向“精確育種”轉(zhuǎn)變[10]，為我國生豬育種體系優(yōu)化升級提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 種豬性能測定信息管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本研究在筆者所在課題組研制的種豬性能自動測定站上開展，測定站安裝了RFID射頻模塊、體質(zhì)量和飼料質(zhì)量稱量模塊以及通訊模塊等。采用實時性強、穩(wěn)定性高、擴展方便、被廣泛使用于農(nóng)業(yè)機械數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN總線進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸[11]。

信息系統(tǒng)采用前后端分離的B/S架構(gòu)[12]以及MySQL數(shù)據(jù)庫進行設(shè)計，用戶無需安裝客戶端，使用瀏覽器即可訪問信息系統(tǒng)[13]。信息管理系統(tǒng)設(shè)計后端選用python的輕量級web框架flask[14]，前端頁面選用react框架，組件庫選用Ant Design，圖表庫選用Bizcharts。種豬性能測定信息管理系統(tǒng)分為測定站實時監(jiān)控、用戶、種豬性能測定、采食行為分析、種豬采食行為與生長性狀關(guān)聯(lián)分析5大功能模塊和20個子模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊劃分Fig.1 System junction module division

1.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

1）系統(tǒng)初始化。服務(wù)器與CAN模塊采用UDP協(xié)議連接，并通過socket類函數(shù)[15]進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，初始化時開啟3個threading線程同時完成數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送。在UDP協(xié)議上加入“確認(rèn)”“重發(fā)”和“校驗”機制，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和快速傳輸，節(jié)約系統(tǒng)通訊資源[16]?？紤]到系統(tǒng)數(shù)據(jù)為雙向傳輸，且需對數(shù)據(jù)進行實時處理，系統(tǒng)采用多線程同時進行數(shù)據(jù)接收、處理和發(fā)送，提高系統(tǒng)處理效率。

2）系統(tǒng)用戶模塊。系統(tǒng)采用雙用戶級別，高級管理員具有系統(tǒng)設(shè)置權(quán)限，限制普通用戶查看種豬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時顯示的數(shù)據(jù)列。為保障用戶信息安全，采用hashlib.sha256（）對用戶明文密碼進行哈希加密，基于token的方法驗證用戶登錄狀態(tài)。

3）測定數(shù)據(jù)解析協(xié)議設(shè)計。一條完整的種豬測定數(shù)據(jù)包括耳標(biāo)號、測定站號、采食數(shù)據(jù)、體質(zhì)量數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)長度大于8個字節(jié)，必須將測定數(shù)據(jù)進行分幀封裝發(fā)送。同時接收多臺測定站的測定數(shù)據(jù)，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀順序錯亂，出現(xiàn)“亂幀”現(xiàn)象，因此測定數(shù)據(jù)發(fā)送遵循詢問→校驗→重發(fā)機制，測定數(shù)據(jù)接收流程如圖2所示。JSON格式的測定數(shù)據(jù)傳輸時被拆分為字節(jié)數(shù)組，使用“utf-8”將數(shù)據(jù)幀解碼為字符串，然后再利用“json.load”將字符串解碼為字典。

圖2 測定數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.2 Measurement data reception flow chart

4）種豬性能測定模塊。根據(jù)《種豬登記技術(shù)規(guī)范》（NY/T820）標(biāo)準(zhǔn)，使用15位的種豬號為種豬建立個體測定記錄檔案。將種豬號與耳標(biāo)號、測定站號進行關(guān)聯(lián)，耳標(biāo)號、測定站號更改不影響種豬數(shù)據(jù)鏈。根據(jù)種豬日齡、體質(zhì)量變化和采食量繪制其生長曲線，或計算日增重和飼料轉(zhuǎn)化率，而出欄僅是填充出欄日期，種豬測定數(shù)據(jù)一直保留，有利于后期信息追溯。

5）種豬采食性狀統(tǒng)計。測定數(shù)據(jù)解析成功后，根據(jù)種豬號進行采食次數(shù)、日采食量、日均體質(zhì)量、日采食持續(xù)時長、采食變化量（與相鄰前一日采食量的差值）、采食量變化率（采食變化量與前一天采食量的比值）、體質(zhì)量變化量（與相鄰前一日體質(zhì)量的差值）和體質(zhì)量變化率（體質(zhì)量變化量與前一天體質(zhì)量的比值）進行實時統(tǒng)計并更新至數(shù)據(jù)庫，進而可計算種豬的采食速率、單次采食量等采食性狀。

根據(jù)種豬的基礎(chǔ)測定數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了種豬的個體采食量趨勢、測定站周采食總量統(tǒng)計、每天的采食總量以及每次的采食時段和采食量頻率統(tǒng)計和圖表化。種豬采食行為與飼料水平、豬只體況、環(huán)境等因素相關(guān)，根據(jù)《種豬性能測定規(guī)程》異常個體識別辦法，將采食量和體質(zhì)量下降20%的種豬識別為異常個體，提示育種人員重點關(guān)注，降低種豬疾病感染風(fēng)險。

1.3 種豬采食行為與生長性狀分析

1）數(shù)據(jù)來源。選取農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種豬質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（武漢）采用法國ACEMA種豬性能測定系統(tǒng)所測定的101頭杜洛克種豬個體測定數(shù)據(jù)。種豬正式進行測定前和測定結(jié)束后空腹12 h，使用籠秤稱量種豬體質(zhì)量，測定期間測定設(shè)備自動記錄種豬每次的采食量和采食時間。種豬生長性能測定性狀包括達目標(biāo)體質(zhì)量日齡、測定期日增重（average daily gain，ADG）、目標(biāo)體質(zhì)量背膘厚（back fat，BF）和飼料轉(zhuǎn)化率（feed conversion ration，F(xiàn)CR）。利用EXCEL2019對101頭杜洛克種豬采食數(shù)據(jù)進行整理，根據(jù)《種豬生產(chǎn)性能測定規(guī)程》（NY/T 822—2019）計算101頭種豬的FCR、達30 kg體質(zhì)量日齡（pig 30 kg weight age，AGE30）、達100 kg體質(zhì)量日齡（pig 100 kg weight age，AGE100），并對背膘厚進行校正，生長性能測定性狀數(shù)據(jù)描述見表1。

表1 種豬生長性能數(shù)據(jù)表型統(tǒng)計Table 1 Phenotypic statistics of breeding pig growth performance data

2）采食性狀與生長性狀相關(guān)性分析。計算每頭種豬測定期間平均每天的采食量（average daily feed intake，ADFI）、采食次數(shù)（average daily number of visit to feeder，ANVD）、采食時長（average daily occupation time，AOTD）、采食速率（average daily feeding rate，ADFR）、單次采食量（average feed intake per visit across testing period，AFIV）等5個采食性狀。利用SPSS 22.0計算ADG、BF、FCR和AGE100等4個生長性狀與5個采食性狀之間Pearson相關(guān)性，并進行顯著性檢驗。

3）種豬達100 kg體質(zhì)量日齡預(yù)測模型。ADG和AGE100是衡量種豬生長速度的2個重要指標(biāo)，動物體質(zhì)量隨日齡呈“S”變化趨勢[2]，因此，無法使用ADG評價日齡和體質(zhì)量相差較大的種豬生長速度。但AGE100可用于對比任意生長階段種豬的生長速度，AGE100越短表示種豬的生長速度越快。AGE100傳統(tǒng)測量方法為種豬測定結(jié)束后使用籠秤等稱量其體質(zhì)量，根據(jù)日齡和體質(zhì)量數(shù)據(jù)進行校正計算，無法提前淘汰生長速度緩慢種豬（種豬性能測定周期一般為2～3個月），并且稱量體質(zhì)量時易對種豬造成應(yīng)激。

He等[17]發(fā)現(xiàn)在生豬體質(zhì)量預(yù)測模型中加入采食行為特征時可有效提高模型的準(zhǔn)確率和降低模型預(yù)測誤差，因此選擇開測1月內(nèi)與生長速度具有顯著相關(guān)性的采食性狀特征和生長性狀特征（開始測定時的日齡、體質(zhì)量以及AGE30）結(jié)合，對種豬AGE100進行提前預(yù)測。

采食性狀特征間存在一定自相關(guān)性，PLS模型可以有效解決自變量之間的多重相關(guān)性，是一種集主成分分析和典型相關(guān)分析為一體的多元線性回歸方法[18]。利用Python的 sklearn庫中“kFold”將101頭種豬隨機劃分5折，循環(huán)使用其中4折80條數(shù)據(jù)用于PLS模型建模，1折21條數(shù)據(jù)用于模型測試。使用決定系數(shù)和平均絕對誤差MAE作為預(yù)測模型的評價指標(biāo)，決定系數(shù)反映預(yù)測值與實測值之間的擬合程度，MAE體現(xiàn)模型的預(yù)測值與實測值之間的誤差。使用網(wǎng)格搜索法確定PLS模型的最佳主成分“n_components”，搜索原則為訓(xùn)練集和測試集的準(zhǔn)確率最高，并且測試集的準(zhǔn)確率不高于訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率時所對應(yīng)的成分個數(shù)。建模完成后，使用模型評價指標(biāo)對模型進行評價。

1.4 系統(tǒng)傳輸和功能穩(wěn)定性試驗

1）系統(tǒng)通信可靠性試驗。試驗于2020年11月23日至2021年2月7日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗豬場展開，采用2臺測定站分別測定5頭體質(zhì)量為（42.9±6.1）kg長白豬的生長性能，信息管理系統(tǒng)部署在阿里云ESC服務(wù)器。試驗前在2臺測定站內(nèi)均放置存儲測定數(shù)據(jù)的SD卡，試驗結(jié)束后對比SD卡與信息管理系統(tǒng)MySQL數(shù)據(jù)庫中的測定數(shù)據(jù)數(shù)量。

2）系統(tǒng)功能穩(wěn)定性試驗。試驗于2021年5月1日至2021年6月30日在湖北龍王畜牧有限公司國家級生豬核心育種場展開，采用2臺測定站分別測定11頭杜洛克種豬的生長性能，測定日齡為95～105日齡，測定體質(zhì)量為（35.4±6.5）kg，結(jié)測體質(zhì)量應(yīng)≥85 kg，否則不滿足性狀校正條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 傳輸可靠性測試結(jié)果

第1次試驗期間，MySQL數(shù)據(jù)庫中共采集存儲3 774條采食記錄，與SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)量一致，其中001號測定站采集到1 799條采食記錄，002號測定站采集到1 975條采食記錄。由此可見，由于系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)“重發(fā)”機制，使得試驗豬采食記錄均成功采集存儲，無采食數(shù)據(jù)丟失，表明系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性強。

2.2 功能穩(wěn)定性測試結(jié)果

第2次試驗為一個完整的種豬生長性能測定試驗，試驗期間各功能運行穩(wěn)定，滿足預(yù)期設(shè)計要求。使用本研究所開發(fā)的種豬性能測定信息管理系統(tǒng)中“體質(zhì)量變化趨勢圖”功能繪制試驗期間010號測定站內(nèi)11頭杜洛克種豬的體質(zhì)量變化趨勢曲線，如圖3所示，曲線連續(xù)且完整，無種豬數(shù)據(jù)缺失。

圖3 試驗種豬體質(zhì)量變化趨勢Fig.3 Body weight change trend

使用種豬性能測定信息管理系統(tǒng)中“日增重和飼料轉(zhuǎn)化率統(tǒng)計”功能計算010號測定站內(nèi)11頭杜洛克種豬的ADG和FCR，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗種豬ADG和FCRTable 2 ADG and FCR of test breeding pigs

2.3 建模的種豬采食性狀與生長性狀分析

ADG、BF、AGE100和FCR等4個生長性能測定性狀與ADFI、ANVD、AOTD、AFIV和ADFR等5個采食性狀間Pearson相關(guān)性以及顯著性檢驗結(jié)果如表3所示。

表3 建模的種豬采食性狀與生長性狀相關(guān)性Table 3 The correlation between feeding traits and growth traits in modeled breeding pigs

表3結(jié)果顯示：①生長性狀間相關(guān)性。ADG與BF呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01）、與AGE100呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；BF與AGE100為顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；而FCR與其他生長性狀均未達到顯著水平。②采食性狀與生長性狀相關(guān)性。ADFI與4個生長性能性狀皆呈現(xiàn)極顯著相關(guān)（P＜0.01）；AFIV與ADG呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01）、與AGE100呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；ADFR與ADG呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0.05）、與AGE100呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）、與FCR呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；而ANVD和AOTD與4個生長性狀不存在顯著相關(guān)性。③采食性狀間相關(guān)性。ADFI與AFIV和ADFR存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；ANVD與AFIV存在極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

2.4 種豬達100 kg體質(zhì)量日齡預(yù)測模型

根據(jù)本文結(jié)果與分析“2.3”建模所用的種豬采食性狀與生長性狀間Pearson相關(guān)性，選擇日采食量、單次采食量和采食速率3個與生長速度具有顯著相關(guān)性的采食性狀作為模型輸入的采食特征，進行種豬達100 kg體質(zhì)量日齡預(yù)測PLS建模。

PLS模型的最佳主成分“n_components=3”，5折交叉驗證的訓(xùn)練集平均決定系數(shù)為0.70，平均MAE為3.4 d；測試集平均決定系數(shù)為0.68，平均MAE為3.2 d。選取5折交叉驗證中訓(xùn)練集決定系數(shù)為0.71，MAE為3.2 d，測試集決定系數(shù)為0.69，MAE為3.2 d時作為PLS模型的最優(yōu)解，回歸方程標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)如式（1）所示。

式（1）中A為開始測定日齡；B為采食速率；C為單次采食量；D為日采食量；E為開始測定時體質(zhì)量；F為達30 kg體質(zhì)量時日齡。

本研究中，測試集實測值與PLS模型預(yù)測值之間Spearman秩相關(guān)性為0.796（P＜0.01），表明模型預(yù)測的種豬生長速度排序與種豬實測生長速度排序的相關(guān)性較高。交叉驗證和秩相關(guān)性結(jié)果證明結(jié)合種豬生長、體質(zhì)量與采食行為特征能夠?qū)_100 kg體質(zhì)量日齡進行預(yù)測。

2.5 試驗種豬采食性狀與生長性狀相關(guān)性結(jié)果

第2次試驗結(jié)束時，滿足結(jié)測條件的種豬為14頭。生長性狀與采食性狀之間的Pearson相關(guān)性和顯著性檢驗結(jié)果如表4所示，其中達100 kg體質(zhì)量日齡為校正值。

表4 試驗種豬采食性狀與生長性狀相關(guān)性Table 4 The correlation between feeding traits and growth traits in test breeding pigs

由表4可見：①ADG與AGE100呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），但FCR和ADG、AGE100均無顯著相關(guān)關(guān)系。說明日增重較大的種豬達到目標(biāo)體質(zhì)量所需的日齡較短，雖然日增重與飼料轉(zhuǎn)化率并無顯著相關(guān)性，但日增重和飼料轉(zhuǎn)化率存在一定的遺傳負(fù)相關(guān)，因此在育種工作中，生長速度和飼料轉(zhuǎn)化率通常被同時進行選擇。

②ADFI與ADG、AGE100和FCR均呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），AFIV和ADFR不同程度地顯著影響種豬的生長速度和FCR，而AOTD和ANVD與生長性狀卻無明顯相關(guān)性。說明種豬采食性狀與生長性狀密切相關(guān)，日采食量較高的種豬其生長速度也相對較快，但飼料利用率卻較低。此外，相關(guān)性結(jié)果表明種豬采食次數(shù)和采食時長對其生長性狀無顯著影響，但單次采食量和采食速率卻與4個生長性狀均密切相關(guān)。

③ADFI與AFIV呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與ADFR呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），而與AOTD和ANVD無顯著相關(guān)性。表明日采食量高的種豬其單次采食量和采食速率也相對較高，與每天的采食時長和采食次數(shù)無明顯相關(guān)關(guān)系，但采食時長和采食次數(shù)卻顯著影響單次采食量和采食速率。

2.6 PLS模型驗證

試驗種豬的表型相關(guān)性與建模種豬采食性狀與生長性狀相關(guān)性分析規(guī)律類似，因此可以使用試驗種豬對種豬達目標(biāo)體質(zhì)量日齡PLS預(yù)測模型進行測試。將滿足測定條件的14頭種豬開測后1個月的標(biāo)準(zhǔn)化采食性狀（AFIV、ADFR和ADFI）與生長性狀（開始測定時體質(zhì)量和日齡、AGE30）等特征標(biāo)準(zhǔn)化后，使用式（1）進行AGE100預(yù)測。PLS模型預(yù)測日齡與實際達100 kg體質(zhì)量日齡的平均MAE為5.3 d。

3 討論

本研究在筆者所在課題組研制的種豬性能測定站基礎(chǔ)上開展，使用CAN總線進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，選用web框架開發(fā)了種豬性能測定信息管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性和功能運行穩(wěn)定性展開試驗，試驗結(jié)果表明該信息管理系統(tǒng)與測定站間數(shù)據(jù)傳輸可靠性強，測定數(shù)據(jù)無丟失，試驗期間各功能模塊運行穩(wěn)定，滿足預(yù)期設(shè)計要求。

通過分析種豬采食性狀與生長性狀表型相關(guān)性，建立了種豬達100 kg體質(zhì)量PLS預(yù)測模型，PLS模型5折交叉驗證訓(xùn)練集平均決定系數(shù)為0.70、平均MAE為3.4 d；測試集平均決定系數(shù)為0.68，平均MAE為3.2 d。使用試驗種豬測定數(shù)據(jù)對PLS模型進行測試，平均MAE為5.3 d。測試結(jié)果表明結(jié)合種豬的生長性狀與采食性狀特征，可對其生長速度進行預(yù)測。但試驗種豬的MAE相較于建模數(shù)據(jù)多2 d，其原因可能在于豬的生長速度與品種、環(huán)境、飼養(yǎng)水平等多因素相關(guān)，因此后續(xù)應(yīng)增加建模數(shù)據(jù)量并考慮季節(jié)、飼料營養(yǎng)水平、品種等特征，以提高模型的泛化性，減小預(yù)測誤差，為種豬生長速度預(yù)測提供有力的評估手段，縮短種豬性能測定周期，減少測定成本。