智能奶牛場建設淺析

余文莉，李欣，趙慧秋，谷粟琨，潘兵

（1.石家莊天泉良種奶牛有限公司，石家莊 050400；2.河北省奶源管理辦公室，石家莊 050035）

在漫長的人類發(fā)展進程中，農業(yè)是支撐人類繁衍生息走向文明的基礎。從原始時代的茹毛飲血，到農耕時代伊始的刀耕火種，農業(yè)實現了由采集向種植發(fā)展的第一次革命；從作物輪作及其改良技術的系統(tǒng)使用，到以系統(tǒng)性育種、人造化肥、殺蟲劑的使用為特征的“綠色革命”，農業(yè)完成了第二次革命向第三次革命的轉變。進入21世紀，信息、通信和相關技術（ICT）在農業(yè)中的使用呈指數增長，已成為推動農業(yè)質量變革、效率變革、動力變革的重要驅動力，農業(yè)正在經歷著第四次革命，我們稱之為“智能農業(yè)”。

什么是“智能農業(yè)”？智能農業(yè)是指在相對可控的環(huán)境條件下，采用工業(yè)化生產，實現集約高效可持續(xù)的現代超前農業(yè)生產方式。與傳統(tǒng)農業(yè)不同的是，智能農業(yè)把農業(yè)技術、作物和牲畜系統(tǒng)及網絡和機構(即市場和政策) 結合起來，整合了物聯網、大數據、云計算等新技術，并正在不斷引入更多的機器人和人工智能技術[1]。智能設備（智能機器和傳感器）則以農場系統(tǒng)的實物為節(jié)點，將實物與互聯網連接起來，自動捕獲或人工輸入大量數據，經與傳感器等智能設備相匹配的決策支持系統(tǒng)（計算機管理軟件）的解釋、分析，使農業(yè)流程被數據驅動和支持，執(zhí)行自主行動或遠程操作。

1 智能奶牛場的發(fā)展歷程與現狀

奶牛場的智能管理起始于應用電導率自動檢測異常牛奶指標的研究，該研究最早發(fā)表在上世紀60年代。1977年，Charles揭示了?；顒恿颗c發(fā)情行為之間的關系[2]，之后人們發(fā)明了計步器，以奶?；顒恿康南鄬ψ兓孔鳛楹饬繕藴剩野l(fā)發(fā)情期的牛只，提高繁殖人員的工作效率。自上世紀80年代以來，人們一直在努力研發(fā)能夠測量單個奶牛參數的傳感器，但直到自動擠奶系統(tǒng)（AMS）的應用才獲得成功。傳感器作為一種測量牛與健康或發(fā)情有關的生理或行為參數的設備，能夠自動對乳房炎、跛行、反芻、發(fā)情情況等進行監(jiān)測，并要求牧場主采取行動（如治療）。

1983年，西歐各國已普遍使用由自動識別器、產奶量記錄器、定量配料器和微處理機組成的自動飼料配給系統(tǒng)。以美國、加拿大和日本為代表的集約化奶牛場，全面地將信息技術與營養(yǎng)模型調控技術結合起來，實現了以個體奶牛體況為基礎的精細飼養(yǎng)，使得奶牛場的整體生產水平較傳統(tǒng)的管理模式提高了30%以上[3]。

1985年，Rossing等首次研究了自動擠奶系統(tǒng)（AMS）的可行性。1992年，第一個商業(yè)農場在荷蘭推出了自動擠奶系統(tǒng)(AMS)。截至2009年，全球使用自動擠奶系統(tǒng)的農場數量已增至8 000多家，其中西歐和北歐共占90%，加拿大占9%，美國占1%[4]。目前，使用AMS已成為西歐牧場的發(fā)展趨勢，這極大地改變了奶牛場的經營管理現狀。2010年，瑞典的DeLaval International AB（Tumba）推出了第一個全自動機器人擠奶系統(tǒng)（AMR）的擠奶廳，每臺AMR有24個擠奶位，5只機器人手臂，每小時最多可容納90頭奶牛，一共可容納300～800頭奶牛，這意味著機器人擠奶系統(tǒng)可進一步提高牧場的工作效率[5]。

在中國，奶牛場使用的智能化設備主要包括TMR飼喂設備、奶牛發(fā)情監(jiān)控系統(tǒng)、奶量自動上傳設備三大板塊，且所用設備大都是進口品牌。國內僅有少數奶牛場使用奶牛精料自動飼喂系統(tǒng)，設備也多為進口品牌。奶牛場使用的智能化軟件設施主要包括電子識別系統(tǒng)、牧場管理軟件系統(tǒng)、奶牛發(fā)情自動檢測系統(tǒng)、奶牛信息管理系統(tǒng)、TMR精確飼喂系統(tǒng)、奶牛采食量測定系統(tǒng)等。目前牧場對這些軟件的應用分析功能掌握度還很差，對其利用呈現模塊化，不能全面系統(tǒng)運用信息化技術對奶牛場進行精準飼養(yǎng)管理。

2 “智能農業(yè)”引發(fā)的奶牛養(yǎng)殖模式變革

奶牛養(yǎng)殖向智能化模式變革著重于兩個層面：一是技術層面，集成運用物聯網、移動互聯、云計算與大數據服務平臺等獲取、匯聚、分析奶牛生產流程中的客觀數據，與管理及技術人員的經驗與智慧深度融合，從群體甚至個體水平對奶牛管理、操作與決策；二是目標層面，將創(chuàng)新驅動、提質增效、綠色安全、開放共享作為發(fā)展目標[6]。

智能奶牛場的構建模塊包括：（1）構建奶牛生產決策支持系統(tǒng)和數據平臺，即應用輔助奶牛場生產管理、決策的計算機應用軟件系統(tǒng)或平臺，進行大數據分析、模塊化分類報告、數據挖掘分析，使管理者根據數據分析結果提出更有效更實用的決策，有針對性地及時解決問題，提高奶牛場的經濟效益。（2）安裝基于射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）和適機無線網絡（Opportunistic Wireless Networking）技術的各種傳感器裝置，以牛、設備、原材料等實物為節(jié)點進行數據采集、自動識別、自動控制、硬件集成等。（3）應用移動智能終端，隨時隨地記錄奶牛數據信息，實現生產和技術流程的常態(tài)現場管理和動態(tài)即時管理，增強奶牛數據信息的及時性、準確性、客觀性、全面性。（4）引入人工智能機器，如擠奶機器人、理槽機器人等。目的是減少對人的依賴，實現標準化、程序化、精細化管理。

目前，河北省智能奶牛場軟硬件建設主要體現在四個方面：一是自動擠奶設備及匹配的軟件管理系統(tǒng)，可進行牛只的自動識別（在位或進門），實現奶量自動讀取及上傳。二是發(fā)情自動檢測裝置及相應的繁殖決策支持系統(tǒng)，利用硬件裝置（腳環(huán)、項圈等）來監(jiān)測牛的活動量，以此為依據判定識別發(fā)情，通過軟件系統(tǒng)提供分群、轉群、繁殖管控、淘汰等決策依據，為牛群的正常繁殖與泌乳提供管理保障。三是TMR自動監(jiān)控裝置及相應的管理系統(tǒng)，可對操作人員實時監(jiān)控，提高TMR制作精確度，方便牧場草料庫存管理。四是安裝環(huán)境自動感應裝置，通過參數設定，實現風機、噴淋裝置的自動開啟，防暑降溫，緩解熱應激對牛群的影響。

3 智能奶牛場建設中存在的問題

任何新技術的產生、應用都不是一蹴而就的，新事物會帶來新問題，物聯網、大數據、云計算等新技術在奶牛場生產流程中的應用也不例外。根據2018年對河北省石家莊、保定、唐山、廊坊、邢臺、承德、張家口7個地市64家奶牛場的問卷調查及22家奶牛場的實地調研，本文發(fā)現并總結了智能奶牛場建設中幾類比較突出的共性問題。

3.1 數據方面

河北省乃至全國的智能奶牛場正處于大數據應用的初始階段，面臨的主要問題：一是各崗位數據采集錄入不及時，數據不全面，使管理人員不能隨時獲得想要的統(tǒng)計數據；二是數據的準確性不佳，其原因主要是自動識別系統(tǒng)或數據上傳系統(tǒng)故障、工作人員錯誤錄入、數據采集來源不精確等；三是數據分析結果的可參考價值低，主要原因是牧場信息數據錄入中斷，不能長期積累，缺乏連續(xù)性和完整性，導致分析結果不夠全面、宏觀；四是信息化數據對實際生產的指導意義低，即使數據采集錄入較好的一些牧場，由于對計算機管理系統(tǒng)的性能認識不足，信息化只停留在數據錄入、存儲、查詢等的層面，造成“數據豐富”、“信息貧乏”（DRIP）問題，不能將數據變?yōu)橛行е噶詈蜎Q策，讓數據為生產服務，成為真正有價值的資源。

3.2 計算機管理系統(tǒng)方面

目前用于奶牛生產經營管理的軟件、數據平臺種類繁多，有國外引進的，有國內自主開發(fā)的，有設備自帶的，也有各大乳品企業(yè)指定的。盡管各種軟件的用途大同小異，但界面和區(qū)塊的設置上各有與眾不同之處，再加上各設備的升級更新換代，使得在應用過程中出現各種問題。這些問題主要集中于以下幾方面：一是軟件所設置的功能不能有效利用。以奶廳管理軟件為例，大部分牧場對軟件功能的挖掘利用率不足30%，許多設備的奶廳管理系統(tǒng)功能強大，涉及對擠奶流程的監(jiān)控、牛只混群的監(jiān)控，以及對反芻情況、采食量、活動量、奶量變化的分析等功能，但多數牧場對此設備的使用僅限于奶量自動計量及數據自動上傳。二是牧場管理軟件繁多，重復工作量大。目前同一牧場中至少有3種以上的管理軟件，包括設備自帶軟件系統(tǒng)、乳品企業(yè)強制要求的軟件、省級政府指定的數據管理平臺。各數據平臺端口不能共享和兼容，數據無法互通，導致數據重復錄入，不僅大大增加了工作量，數據分析統(tǒng)計功效也大打折扣。三是各數據平臺及智能裝置的不兼容、不集成，導致同一牧場各產品服務團隊之間溝通、銜接、協(xié)調不到位，缺乏集中解決問題的機制，一定程度上影響智能設備和管理系統(tǒng)的高效運行。

3.3 智能裝置設備的應用方面

奶牛智能裝置和設備的核心技術是傳感器技術。傳感器系統(tǒng)按照安裝位置分為附著傳感器，如項圈、腳環(huán)，以及非附著傳感器，如奶量自動測量、奶樣自動采集；按照功能劃分則有個體識別、發(fā)情監(jiān)測、健康管理、飼料檢測、TMR裝置投料監(jiān)控等百余種系統(tǒng)。用靈敏度和特異度來描述傳感器的檢測性能差異很大，敏感性和特異性之間存在權衡問題，往往是高敏感性(＞80%)和低特異性結合，或高特異性與低敏感性結合，尚無高靈敏度和高特異性兼顧的傳感器產品[4]。

筆者所在團隊曾問卷調研64家牧場中TMR自動監(jiān)控系統(tǒng)及繁殖管理系統(tǒng)的使用情況。

64家牧場中，使用TMR自動監(jiān)控管理系統(tǒng)的共22家，占調查總數量的34.38%。作為河北省智能奶牛場建設、省級數據管理平臺的承擔單位，銀川奧特信息技術股份公司一直推行自有設備，因此占比相對較大，其次，使用科派騰TMR自動監(jiān)控設備的牧場數量也比較多（圖1）。

圖1 問卷調研64家牧場TMR自動監(jiān)控系統(tǒng)使用情況

在調研牧場中，使用繁殖管理軟件系統(tǒng)的共50家，占調查總數量的78.12%。作為牧場繁殖管理軟件先行者的阿菲金繁殖管理軟件系統(tǒng)，使用者相對較多，與銀川奧特持平。其次是以色列SCR、德國GEA等（圖2）。越來越多的牧場主認識到了繁殖對于牧場生產的重要性。

圖2 問卷調研64家牧場繁殖管理軟件系統(tǒng)使用情況

根據調研，在智能裝置設備的應用方面存在以下問題：一是智能裝置設備的使用效率較低。例如，規(guī)模化奶牛場使用的擠奶設備主要有瑞典利拉伐、以色列阿菲金及SCR、德國GEA、美國博美特等，這些設備理論上在位識別率可達98%，過門識別率為95%，但實際生產中，由于牛只站位不規(guī)范、閱讀器出故障等原因，識別率都達不到90%。這就需要人為配合填補設備的技術漏洞，但是多數人認為自動化、智能化是不需要依靠人力的，也不需要人為的檢查監(jiān)控，這便造成了數據采集錯誤等現象，影響牧場的生產。二是一些設備的智能化程度非常有限。例如，目前絕大多數牧場安裝的TMR自動監(jiān)控設備主要用于監(jiān)控飼草、飼料添加量的準確性，但不能辨別添加的原料是否正確。如果攪料人員把原料順序弄錯，監(jiān)控設備仍會按錯誤的順序稱取既定的量，并不能給予錯誤警報。再者，TMR切割的時間、加水量也是靠人的經驗來設定的，操作人員的責任心對TMR的加工質量和顆粒度的穩(wěn)定性會有很大影響。三是智能設備自身的技術缺陷及環(huán)境等因素影響其應用效果。例如，發(fā)情檢測裝置腳環(huán)的丟失率顯著高于項圈，牛只轉群、應激會使發(fā)情檢出率虛高，封閉式牛舍安靜發(fā)情牛比例高、肢蹄病患?；顒宇l率下降都影響到發(fā)情檢測裝置的使用效果。

3.4 人的因素

無論奶牛場智能化發(fā)展到什么程度，傳統(tǒng)的牧場知識和經驗絕不會被大數據取代，人仍然是智能奶牛場運營成敗的決定因素。調研中發(fā)現以下人為因素制約著智能奶牛場的高效運行：一是奶牛場工作人員學歷普遍較低，且年齡較高，數據應用意識淺薄，對數據管理和智能設備使用的認識和接受能力較弱。特別是很多中小型牧場缺乏能隨時進行牧場數據分析、依據分析統(tǒng)計結果預判和解決問題的稱職的管理者，導致智能化管理系統(tǒng)的應用效率低下。二是智能奶牛場管理系統(tǒng)下，數據員、機修工、奶廳領班的責任尤為重大，需要盡快強化其崗位作用。但多數牧場這些人員的意識和工作狀態(tài)仍停留在傳統(tǒng)奶牛場階段，嚴重滯后于智能奶牛場的發(fā)展速度。三是各智能化設備代理服務團隊的業(yè)務能力和服務質量有待加強。調查發(fā)現，相當一部分代理公司的技術人員對其設備及管理系統(tǒng)還沒有完全弄明白，服務的頻度遠遠滿足不了牧場的需要，而智能奶牛場如果沒有專業(yè)技術團隊的有力支持，其智能優(yōu)勢將很難展現。在歐美等奶牛業(yè)發(fā)達的國家，獨立的獸醫(yī)團隊要比奶牛場的任何人都能更好地理解整個奶牛場系統(tǒng)，能從擠奶設備到奶牛的生理、行為及小犢牛的需要等各個方面，幫助客戶安排工作，建立需要的流程，并培訓員工如何去做[7]。在實際生產中急需這樣的服務團隊。

4 智能奶牛場未來的發(fā)展趨勢

在2017年12月召開的世界互聯網大會烏鎮(zhèn)峰會上，阿里巴巴董事局主席馬云表示：“未來30年數據將成為生產資料，計算會是生產力，互聯網是一種生產關系”。這種新型的生產方式同樣適合于智能奶牛場的建設與發(fā)展。智能奶牛場的發(fā)展趨勢應該更智能、更集成、更精細、更高效、更具操作性。

4.1 進一步優(yōu)化集成數據分析平臺

建立牧場人員易操作，技術、應用、服務更趨成熟，兼容性和整合性更強的數據分析平臺。這個平臺將集成和兼容牧場的各種智能化硬件，所有供應商的產品數據都能實時傳輸到該平臺，牧場管理者、主管部門及社會化技術服務團隊可從任何地方訪問平臺進行數據解釋與整合，實現信息共享和數據驅動型服務。

4.2 大數據與傳統(tǒng)模式融合，提升管理效率

大數據將通過實時預測、實物追蹤，改變牧場的運作和管理方式，徹底改造傳統(tǒng)奶牛場的生產流程。大數據將與傳統(tǒng)數據管理和治理過程充分集成，可提供可靠、長期的優(yōu)勢分析結果。大數據處理的結果反饋到傳統(tǒng)的生產流程中，支持生產的精細化管理，提升運營效率[8]。

4.3 更加先進的傳感器系統(tǒng)將應用于奶牛生產各個環(huán)節(jié)

將應用更先進的傳感器系統(tǒng)和智能機器來盡可能地替代人工，通過提高生產流程自動化、智能化程度，最大限度增加人均管理奶牛的數量，減少對人的依賴。傳感器系統(tǒng)用于牛群的管理有4個功能層級：第1級為描述——測量牛的狀態(tài)，僅能測量一個參數和一個假定的關系，如計步器。第2級可進行數據解釋——測量數據變化，產生有關奶牛狀態(tài)的信息，如發(fā)情；以及確定兩個類別之間的統(tǒng)計檢驗關系，如CMT與牛奶電導率之間的統(tǒng)計關系。第3級能夠將信息整合——單個奶牛的信息可以在群體水平進行聚合，提供關于牛群健康狀況的一般信息和建議，如是否給牛授精，是否治療。第4級進行決策——由農場主做或由傳感器系統(tǒng)自動生成，如通知人工授精員、發(fā)乳房炎警報、給出不孕概率等。盡管現階段的傳感器系統(tǒng)大多數還處于第1、2級[4]，相信不久的將來會有更多高功能層級的傳感器系統(tǒng)和各種人工智能機器運用于奶牛場，如擠奶、喂牛、清掃消毒圈舍的機器人用于各個生產環(huán)節(jié)[8]。屆時將通過機器自動生成采集數據，平臺自動整合分析數據，人工智能執(zhí)行生產流程，建立早期預警系統(tǒng)，提前預防并消除人工作業(yè)質量的不確定性造成的顯性和隱性損失，而不是對歷史數據進行事后分析。

4.4 智能化發(fā)展帶動產業(yè)科技創(chuàng)新

隨著由傳統(tǒng)奶牛場向智能奶牛場生產模式的轉變，將帶動相關學科如奶牛育種、營養(yǎng)、管理、設備設施設計等的創(chuàng)新發(fā)展。通過奶牛育種培育出乳房和乳頭結構、體型大小和行為更適于擠奶機器人操作的群體；培育更高產健康長壽的奶牛，寄希望于用高產出覆蓋智能化設備設施的高投入；牛舍及甬道設計幫助牛更自愿地進入自動擠奶系統(tǒng)（AMS）并減少牛之間因社會關系引起的應激；制定與自動擠奶系統(tǒng)（AMS）更匹配的精準飼喂方案，設計更智能化的多功能飼料加工和飼喂設備，確保精準取料、上料、投料，以及精準收集和檢測剩料，對攪拌效果實時監(jiān)測，自動控制切割時間，提高飼喂精準度[5]。

5 智能奶牛場未來面臨的挑戰(zhàn)

隨著奶牛場規(guī)模越來越大，養(yǎng)殖成本越來越高，以及勞動力短缺現象日益嚴重，通過智能奶牛場建設，實現以智能化設備代替部分勞動力，解決勞動力短缺，實現奶牛精細化管理，是牧場提質增效、節(jié)約成本的必然選擇。但在這一過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)：（1）牧場在智能化設施設備上的高投入能否在短時間內得到回報；（2）如何以一種低成本的方式自動化采集數據[8]；（3）如何解決牧場從業(yè)人員與智能化設備之間的科技鴻溝；（4）數據作為有價值的生產資料，如何規(guī)避數據共享所引發(fā)的數據長期所有權、隱私和安全、訪問成本等問題[8]；（5）為實現數據平臺最大限度的集成，如何保證所收集數據的質量、格式、標準的一致性和兼容性[8]。

挑戰(zhàn)中蘊藏著機遇，機遇來臨也不能盲目樂觀。有人說，“信息化和智能化就像牧場的‘神經系統(tǒng)和大腦’”，但不要忘了，它是移植到傳統(tǒng)奶牛場這個龐大“軀體”上的“器官和組織”，與“機體”完全融為一體，還要經歷不斷創(chuàng)新、磨合、升華的變革過程！