奶牛健康監(jiān)測(cè)及疾病早期預(yù)警的智能化

奶牛的個(gè)體信息如采食、反芻、發(fā)情、飲水、體溫、活動(dòng)量、呼吸頻率以及體況評(píng)分等，通過(guò)監(jiān)測(cè)這些參數(shù)的變化可以發(fā)現(xiàn)奶牛疾病，并發(fā)出預(yù)警，系統(tǒng)地了解奶牛的身體健康狀況。同時(shí)，可以構(gòu)建健康奶牛的生長(zhǎng)模型，并通過(guò)實(shí)時(shí)采集的大量真實(shí)健康奶牛數(shù)據(jù)信息豐富模型，提高模型容錯(cuò)彈性，降低奶牛養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，為未發(fā)生的疾病預(yù)警提供支撐。應(yīng)用智能化技術(shù)建立奶牛行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅可以監(jiān)測(cè)奶牛異常狀態(tài)并作出預(yù)警從而預(yù)防奶牛疾病發(fā)生，盡早發(fā)現(xiàn)奶牛已發(fā)生的疾病，正確診斷并匹配治療方案，還可以及時(shí)和準(zhǔn)確識(shí)別奶牛的發(fā)情期，便于及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)安排，延長(zhǎng)奶牛產(chǎn)乳期，提高產(chǎn)奶總量。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸融入社會(huì)分工，大數(shù)據(jù)采集、智能化機(jī)械已經(jīng)慢慢融入社會(huì)各領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，大約500億個(gè)物體連接到互聯(lián)網(wǎng)上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、云計(jì)算等領(lǐng)域。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)。

2 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

在奶牛生產(chǎn)領(lǐng)域，研究人員可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)牛奶的生產(chǎn)量、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、消化等生理指標(biāo)進(jìn)行分析，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，并使用這些模型來(lái)預(yù)測(cè)奶牛的健康狀況。由于現(xiàn)代生活水平的提高，人們對(duì)食品的安全和質(zhì)量要求也越來(lái)越高，企業(yè)需要投入更多資源來(lái)應(yīng)對(duì)這些變化。因此，在奶牛精準(zhǔn)育種、群體管理和疾病監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域機(jī)器學(xué)習(xí)具有廣泛的研究和應(yīng)用前景。在這些領(lǐng)域中，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和訓(xùn)練奶牛疾病來(lái)預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)奶牛疾病已成為精準(zhǔn)乳業(yè)的研究方向。應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)奶牛代謝性疾病、乳房炎、傳染病、熱應(yīng)激和跛行等疾病也已成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。

3 國(guó)內(nèi)外奶牛健康監(jiān)測(cè)研究

目前，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)傳感器等信息采集傳輸設(shè)備對(duì)奶牛的直腸溫度、活動(dòng)量、產(chǎn)奶量等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并借助健康指數(shù)和體況評(píng)分等手段建立奶牛健康預(yù)警系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，奶牛的活動(dòng)量、產(chǎn)奶量和體溫都可以作為對(duì)奶牛疾病預(yù)警的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)奶?；顒?dòng)量、產(chǎn)奶量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以及時(shí)了解奶牛的健康狀況，對(duì)疾病的預(yù)防和早期治療具有重要意義。對(duì)奶牛體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以推測(cè)奶牛發(fā)情期，從而合理安排生產(chǎn)活動(dòng)。劉忠超等基于無(wú)線Wi-Fi和STM32單片機(jī)系統(tǒng)，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，可以自動(dòng)接觸測(cè)量奶牛體溫，并能將測(cè)量結(jié)果上傳到Android手機(jī)平臺(tái)。Y.Lee等在奶牛的肩胛骨附近和頸部區(qū)，借助手術(shù)將溫度記錄儀植入奶牛體內(nèi)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奶牛的體溫。何東健等以PT100熱電阻為溫度探頭，設(shè)計(jì)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的植入式奶牛體溫傳感器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奶牛體溫。

4 奶牛疾病的早期預(yù)警

疾病預(yù)警系統(tǒng)可以在疾病發(fā)生前發(fā)出警示信息并采取預(yù)防措施，這樣可以將因疾病造成的損失降到最低。在畜牧業(yè)中，疾病預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在充分收集奶牛疾病相關(guān)方面信息后，已經(jīng)基本確定了奶牛狀態(tài)異常的預(yù)警指標(biāo)。病前監(jiān)測(cè)、早期診斷的觀念幾乎融入奶牛經(jīng)濟(jì)最大化的各個(gè)階段，且隨著牧場(chǎng)中新型設(shè)備如電子項(xiàng)圈、二代計(jì)步器和擠奶監(jiān)控系統(tǒng)等的廣泛應(yīng)用，使奶牛健康監(jiān)測(cè)和信息收集更加便利，能夠更及時(shí)地對(duì)疾病早期預(yù)兆作出預(yù)警。

目前，大部分奶牛場(chǎng)預(yù)警系統(tǒng)的依據(jù)是獸醫(yī)的巡檢經(jīng)驗(yàn)。雖然這種方法較為成熟，但仍然有一些問(wèn)題存在。首先，該預(yù)警系統(tǒng)過(guò)多地依賴獸醫(yī)的觀察和臨床經(jīng)驗(yàn)，其耗費(fèi)資源較多，且需要專業(yè)知識(shí)扎實(shí)的獸醫(yī)。其次，該系統(tǒng)不能很好地滿足大規(guī)模奶牛場(chǎng)所需的快速性和高效預(yù)警需求。

5 奶樣體細(xì)胞數(shù)測(cè)定技術(shù)

奶樣體細(xì)胞數(shù)測(cè)定技術(shù)是國(guó)內(nèi)奶牛場(chǎng)常用的初步診斷隱性乳腺炎的方法之一，通常采用體細(xì)胞檢測(cè)儀進(jìn)行快速檢測(cè)，該技術(shù)方便快捷，但對(duì)于奶樣體細(xì)胞數(shù)陽(yáng)性的樣品仍需要進(jìn)行額外的細(xì)菌培養(yǎng)和檢測(cè)，以確定診斷結(jié)果。

6 奶牛群體改良測(cè)定技術(shù)

奶牛群體改良是用于改進(jìn)奶牛生產(chǎn)性能的系統(tǒng)測(cè)定體系，能夠?qū)ε?chǎng)的不合理管理情況進(jìn)行調(diào)整，有助于提前預(yù)警奶牛乳腺炎和酮病等疾病。脂蛋比和乳脂率都是DHI測(cè)定中最主要的指標(biāo)。脂蛋比大于1.4，乳脂率超過(guò)4.5%，表明奶牛體脂動(dòng)員較多，牛群發(fā)生酮病的風(fēng)險(xiǎn)較高。

7 計(jì)步器及發(fā)情、反芻項(xiàng)圈預(yù)警技術(shù)

計(jì)步器及發(fā)情、反芻項(xiàng)圈預(yù)警技術(shù)在畜牧業(yè)中廣泛應(yīng)用。該技術(shù)最早于1979年研制而成，通過(guò)佩戴在奶牛身上并實(shí)時(shí)記錄，可以準(zhǔn)確記錄奶牛每天行走的步數(shù)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，2006年推出了SCR監(jiān)測(cè)項(xiàng)圈，該技術(shù)不僅可以監(jiān)測(cè)奶牛的發(fā)情情況，而且可以進(jìn)行反芻監(jiān)測(cè)。

8 大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

在動(dòng)物疫病防控領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)扮演著極其重要的角色。該技術(shù)涵蓋了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘與分析等多個(gè)方面，目的在于提供動(dòng)物疫病暴發(fā)的預(yù)警信息。在大面積收集傳染病發(fā)病前兆和規(guī)律數(shù)據(jù)后，通過(guò)特殊算法模擬了相應(yīng)的模型，從而對(duì)疫病可能爆發(fā)的區(qū)域和爆發(fā)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)生產(chǎn)者起警示作用。此類系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證，具有可靠性高、準(zhǔn)確率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而提高奶牛場(chǎng)對(duì)相關(guān)疫病的抵抗力，盡可能減少生產(chǎn)者損失。

9 智能化體溫連續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)

智能化體溫連續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)是一項(xiàng)新穎的疫病監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析動(dòng)物的體溫變化來(lái)預(yù)警口蹄疫等重大傳染病。但無(wú)法完全替代臨床診斷，不能監(jiān)測(cè)病原微生物。

10 基于AI和群體熱成像的奶牛行為分析技術(shù)

通過(guò)可見(jiàn)光與紅外成像設(shè)備，隨時(shí)記錄所監(jiān)控奶牛的體溫和行為，上傳和存儲(chǔ)奶牛數(shù)據(jù)，并將其與正常模型進(jìn)行對(duì)比，篩查與正常模型有差異的奶牛，做到疾病及時(shí)預(yù)警。未來(lái)奶牛疫病預(yù)警技術(shù)將進(jìn)一步融合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，不斷增強(qiáng)奶牛的疾病防控能力，為生產(chǎn)者減少成本，提供便利，促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展。

基金項(xiàng)目：中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)（2023JH6/100100069），遼寧省創(chuàng)新能力提升聯(lián)合基金（2021-NLTS-11-05）。

作者單位：

1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)院

2.斯坦達(dá)伊（蘇州）生物科技有限公司

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