奶牛場(chǎng)TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

張德敏 ，李有志 ，張淑二 ，劉志超 ，胡洪杰

（1.山東省畜牧總站，濟(jì)南 250022；2.山東省獸藥質(zhì)量檢驗(yàn)所，濟(jì)南 250022；3.山東省海陽市東村畜牧獸醫(yī)站，海陽 265100）

TMR 是全混合日糧（Total mixed ration，TMR）的英文簡稱，即根據(jù)奶牛不同生長發(fā)育及泌乳階段的營養(yǎng)需求和飼養(yǎng)目的，按照營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)和飼料搭配原則而設(shè)計(jì)出的奶牛均衡營養(yǎng)日糧配方，按此配方把每天飼喂奶牛的各種飼料（粗飼料、青貯飼料、精飼料和飼料添加劑）通過特定的設(shè)備和飼料加工工藝而均勻地混合在一起供奶牛采食［1-2］。自上世紀(jì)90年代TMR技術(shù)從歐美、以色列等國家引入中國以來，經(jīng)過近20年的不斷發(fā)展已經(jīng)成為規(guī)?；膛?chǎng)普遍采用的飼喂技術(shù)。TMR技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)之一是奶牛采食到的飼糧與飼糧配方一致，即理論配方、攪拌配方和采食配方3個(gè)配方一致。但現(xiàn)實(shí)中大多數(shù)牧場(chǎng)的TMR大多由人工操作，造成3個(gè)配方的一致性較差，加料和撒料的誤差也較大，剩料非多即少，造成牧場(chǎng)生產(chǎn)水平不穩(wěn)定，產(chǎn)量和質(zhì)量忽高忽低，嚴(yán)重的甚至造成群發(fā)性的營養(yǎng)代謝病、母?？諔烟鞌?shù)增加和繁殖率降低等問題［3］。同時(shí)，規(guī)?；膛?chǎng)雖大多采用信息系統(tǒng)管理，但生產(chǎn)數(shù)據(jù)大多由人工輸入，影響了數(shù)據(jù)的真實(shí)性與完整性，造成管理軟件對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)性差。通過自動(dòng)設(shè)備采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件處理，進(jìn)而給出科學(xué)的管理方案，可使牧場(chǎng)的管理更為精準(zhǔn)、快捷、方便，在這個(gè)過程中，先進(jìn)的軟硬件工具必不可少。本系統(tǒng)集合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能化管控技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接TMR車載終端、鏟車終端、牧場(chǎng)控制中心及各牧場(chǎng)RFID數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)TMR的實(shí)施調(diào)度及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的下發(fā)、采集上報(bào)，可降低操作工實(shí)施TMR的難度和出錯(cuò)幾率，為飼料管理提供精確的數(shù)字化監(jiān)控，提高奶牛精細(xì)化飼養(yǎng)水平。

1 TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)由TMR車載數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)、裝料車數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。TMR車載終端與裝料車載終端系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)自建無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配對(duì)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不會(huì)掉包丟失。TMR車載終端通過無線網(wǎng)橋向數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳見圖1。

1.2 主要功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)一級(jí)功能模塊主要包括：配方管理，牛只分群，投料單管理，TMR上料流程管理，TMR下料流程管理，TMR監(jiān)控預(yù)警，投入產(chǎn)出分析，奶牛營養(yǎng)分析，員工績效考核。

1.2.1 配方管理 提供對(duì)日糧配方的管理功能，方便營養(yǎng)師查看和調(diào)整日糧配方，要完成配方還需要牛群信息、牛舍信息、飼料信息的定義，日糧配方按照牛群和飼料維度定義。

1.2.2 牛只分群 對(duì)于大型奶牛場(chǎng)，泌乳牛群可根據(jù)泌乳階段分為早、中、后期牛群，干奶早期牛群和干奶后期牛群。

1.2.3 投料單管理 投料單是整個(gè)TMR管理的核心，投料單由日糧配方結(jié)合牛群信息、班次及投料單生成規(guī)則自動(dòng)生成。每日的投料單由定時(shí)任務(wù)服務(wù)根據(jù)配置的調(diào)度周期自動(dòng)調(diào)度生成。

圖1 TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.2.4 TMR上料流程管理 TMR投料單是每日?qǐng)?zhí)行的上料計(jì)劃表，TMR操作人員每次向控制中心申請(qǐng)投料單，然后根據(jù)投料單上的飼料順序執(zhí)行上料操作，上料后引起的重量變化將通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心存儲(chǔ)。在上料過程中，TMR車載終端當(dāng)前的顯示數(shù)據(jù)會(huì)同步到鏟車車載終端上，這樣可以指導(dǎo)操作人員的上料重量和當(dāng)前所上的飼料。

1.2.5 TMR下料流程管理 上料完成后，將進(jìn)入下料程序。在滿載的TMR車進(jìn)入牛舍時(shí)，將讀取當(dāng)前進(jìn)入的飼料總重量，并通過無線網(wǎng)發(fā)送到控制中心，然后在離開牛舍時(shí)，在此讀取總重量，并發(fā)送。由此計(jì)算牛舍中下料的飼料重量，并實(shí)時(shí)將當(dāng)前的重量數(shù)值傳送到控制中心，記錄下來，統(tǒng)計(jì)下料的情況供分析。

1.2.6 TMR監(jiān)控預(yù)警 實(shí)現(xiàn)對(duì)TMR實(shí)施過程的監(jiān)控，向牧場(chǎng)管理員的實(shí)時(shí)監(jiān)控和事后針對(duì)牧場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)監(jiān)控。管理人員可以定制預(yù)警規(guī)則，當(dāng)出現(xiàn)執(zhí)行偏差甚至錯(cuò)誤時(shí)，產(chǎn)生預(yù)警，并通過手機(jī)APP或者短信的渠道推送給業(yè)務(wù)管理人員，根據(jù)預(yù)警情況以采取應(yīng)對(duì)措施。

1.2.7 投入產(chǎn)出比分析 結(jié)合產(chǎn)奶量、投料量、飼料價(jià)格、牛群等因素，計(jì)算牛場(chǎng)喂養(yǎng)的投入產(chǎn)出比、不同牛群的牛頭日平均飼料成本，為牛場(chǎng)的運(yùn)營分析提供有效支撐。

1.2.8 奶牛營養(yǎng)分析 從實(shí)際采食的各飼料品種準(zhǔn)確數(shù)量，計(jì)算奶牛實(shí)際攝入的營養(yǎng)成分和實(shí)際的產(chǎn)能及體重指標(biāo)，對(duì)日糧配方做出相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，最大程度地發(fā)揮TMR的價(jià)值。

1.2.9 員工績效考核 統(tǒng)計(jì)制定時(shí)間段內(nèi)，員工操作的各種誤差信息，自動(dòng)識(shí)別出員工的不規(guī)范操作，按照員工維度進(jìn)行違規(guī)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，對(duì)員工績效進(jìn)行考核。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和相關(guān)技術(shù)

本系統(tǒng)在Windows Server 2008 R2服務(wù)器操作系統(tǒng)下開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫類型及版本為Oracle 11g R2，可在Windows XP/7/10等操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。

2 結(jié)果

2.1 實(shí)現(xiàn)對(duì)飼糧配方執(zhí)行情況的采集

從上料、攪拌、撒料全過程監(jiān)管，設(shè)備自動(dòng)記錄時(shí)間和數(shù)據(jù)，基于TMR車載終端采集到牛舍、員工、車輛和飼料信息，基于裝料車載終端系統(tǒng)采集到配方、投料組、投料單和剩料信息。見圖2、圖3。

圖2 上料過程TMR車載終端顯示效果

圖3 上料過程中裝載車載終端顯示效果

2.2 實(shí)現(xiàn)對(duì)飼料配方執(zhí)行情況的監(jiān)控

數(shù)據(jù)終端采集到的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分析，形成投料過程查詢、撒料均勻度分析、整體投料曲線（圖4）、司機(jī)違章統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目。

圖4 整體投料曲線

2.3 實(shí)現(xiàn)對(duì)飼料配方執(zhí)行情況的統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)終端采集到的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，形成牛舍投喂誤差（圖5）、牛舍采食分析、原料飼喂成本和牛舍飼養(yǎng)效率。

圖5 牛舍投喂誤差

3 討論

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)提高了理論配方和采食配方的一致性

TMR技術(shù)具有提高日糧適口性、保證營養(yǎng)均衡、增加牛群采食量、提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)［2］，是奶牛養(yǎng)殖業(yè)集約化發(fā)展的必然要求。在實(shí)際應(yīng)用過程中，存在奶牛場(chǎng)過分添加補(bǔ)充料或減少粗料喂量，這樣做使得奶牛吃下去的飼料與日糧配方不一致，使本來全價(jià)平衡的飼糧又變回不平衡狀態(tài)，長期下去必然對(duì)奶牛健康、繁殖及泌乳性能產(chǎn)生不利影響。有的奶牛場(chǎng)存在投料順序不正確、水量添加不足和攪拌車加料過量等問題，造成飼料混合不足，致使奶牛采食量不足、反芻時(shí)間和唾液分泌減少、瘤胃pH值降低、瘤胃中乙酸減少進(jìn)而降低乳脂率等問題［3］。運(yùn)用該系統(tǒng)，在上料過程中，TMR車載終端遠(yuǎn)程獲取投料任務(wù)單、形成上料下料任務(wù)提示并記錄操作，裝載車選擇配對(duì)TMR顯示終端、同步獲取TMR顯示終端上料任務(wù)提示、顯示當(dāng)前投料重量信息。飼養(yǎng)人員根據(jù)提示操作，確保上料順序和上料量與配方一致。此外，按規(guī)定時(shí)間對(duì)各種飼料的干物質(zhì)、營養(yǎng)成分及水分進(jìn)行測(cè)定而調(diào)整配方，也是保證奶牛采食到的TMR全混合日糧的營養(yǎng)成分與配方規(guī)定的營養(yǎng)成分一致的重要因素。

3.2 系統(tǒng)可以監(jiān)控到每個(gè)單元（牛舍）

合理分配牛群和及時(shí)調(diào)群，使同一牛舍內(nèi)奶牛產(chǎn)奶量相對(duì)均衡，避免同一牛舍的配方飼糧不能滿足高產(chǎn)奶牛的營養(yǎng)需求而造成奶牛膘情下降，從而影響產(chǎn)奶性能和繁殖性能。為解決此問題，此監(jiān)控系統(tǒng)可較精確執(zhí)行不同的TMR配方，并可監(jiān)控投料過程、撒料均勻度和撒料車中的剩料，確保不同牛舍能得到適合需求的飼糧，使飼喂更精準(zhǔn)、監(jiān)管更到位。在應(yīng)用系統(tǒng)的試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)，依照產(chǎn)奶量高低將奶牛合理分群，并將產(chǎn)奶牛配方分為25、30、35、40、50 kg五類，平均泌乳牛單產(chǎn)提高 1.5 kg左右，乳脂、乳蛋白都有所提高，體細(xì)胞下降實(shí)際平均配方成本比未使用TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)之前減少了10%左右。

3.3 系統(tǒng)具有較大拓展性

奶牛飼養(yǎng)成本約占整體成本的60%～70%，管控好奶牛飼喂對(duì)降低生產(chǎn)成本具有重要意義。為此，Hansen等［4］則從可操作變量及策略變量兩方面，包括飼料價(jià)格、泌乳牛規(guī)模、產(chǎn)奶水平、奶價(jià)及奶牛的繁殖與健康狀況等參數(shù)，提出測(cè)定奶牛場(chǎng)效益的評(píng)估模型，并通過牛場(chǎng)的實(shí)際發(fā)生數(shù)據(jù)驗(yàn)證了構(gòu)建的模型基本可行；楊亮等［5］研究構(gòu)建了規(guī)?；膛?chǎng)繁殖、泌乳及健康等數(shù)據(jù)管理及智能分析平臺(tái)，對(duì)奶牛場(chǎng)生產(chǎn)過程中的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)挖掘，從而提升了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，更有利于奶牛場(chǎng)管理者的科學(xué)決策。熊本海等［6］從保證牛群的精細(xì)化管理效益和提高繁殖效率方面提出了數(shù)字化管理的主要內(nèi)容，更重要的是如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)全混合日糧（TMR）的需要量，并使每頭奶牛獲得需要的TMR的數(shù)量與質(zhì)量等。本系統(tǒng)利用采集到的飼喂數(shù)據(jù)，可統(tǒng)計(jì)分析出牛舍投喂誤差、飼養(yǎng)成本、飼養(yǎng)效率。同時(shí)，系統(tǒng)并可與奶廳管理系統(tǒng)、奶牛發(fā)情智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)接，自動(dòng)調(diào)取管理軟件產(chǎn)奶數(shù)據(jù)，計(jì)算每千克奶的完全飼料成本及產(chǎn)奶效率等核心經(jīng)營指標(biāo)，對(duì)牧場(chǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)，這對(duì)牧場(chǎng)的高效運(yùn)行與管理會(huì)有更多幫助。

4 結(jié)論

本研究開發(fā)出了TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)飼喂過程中配方制作、上料和各牛舍投料過程的監(jiān)控，用戶可在系統(tǒng)的幫助下記錄奶牛飼喂過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并能對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)測(cè)和智能提示。