張　玉，齊景偉*，金　曉，斯日古楞，高　靜，曹琪娜，阿麗瑪，曹曉波

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.云南大學(xué)，云南 昆明 650034)

近幾年中國政府提出“互聯(lián)網(wǎng)+”的行動(dòng)計(jì)劃，為發(fā)展智慧畜牧業(yè)明確了前進(jìn)的方向。將畜牧業(yè)建設(shè)和互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)進(jìn)行有效融合，提升畜牧業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)水平，形成網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化、便利化、感知化、智能化、物聯(lián)化、精細(xì)化的現(xiàn)代畜牧業(yè)新模式。內(nèi)蒙古地區(qū)是我國畜牧業(yè)主要的生產(chǎn)基地，是現(xiàn)代集約化生產(chǎn)與傳統(tǒng)放牧養(yǎng)殖重要的樞紐地帶，其中綿羊養(yǎng)殖在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要位置。利用智能監(jiān)測技術(shù)對內(nèi)蒙古地區(qū)的綿羊生存環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，分析不同環(huán)境條件下放牧綿羊生命體征、健康狀況、行為狀況等福利情況，進(jìn)而探討優(yōu)化內(nèi)蒙古地區(qū)放牧綿羊養(yǎng)殖方案。這對降低綿羊應(yīng)激反應(yīng)、提高福利水平和經(jīng)濟(jì)效益，具有十分重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1　智慧畜牧業(yè)在國內(nèi)外的發(fā)展

國外智慧畜牧業(yè)發(fā)展速度很快，尤其是以澳大利亞領(lǐng)先，澳大利亞政府大力支持農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和普及，推動(dòng)了澳大利亞畜牧業(yè)的發(fā)展。澳大利亞政府還開展了“智能農(nóng)場”、“數(shù)字農(nóng)莊”、“傳感塔斯馬尼亞(Sense-T)”等一系列項(xiàng)目的建設(shè)，其中傳感塔斯馬尼亞(Sense-T)系統(tǒng)作為澳大利亞國家寬帶網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的重要部分，建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái)和信息處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在農(nóng)場利用無線網(wǎng)和傳感網(wǎng)對畜禽生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)采集和利用，畜禽的各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)可以通過傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，再通過計(jì)算機(jī)信息操作系統(tǒng)和數(shù)學(xué)模型模擬動(dòng)物的生長過程，并優(yōu)化設(shè)計(jì)動(dòng)物的生產(chǎn)，通過專家系統(tǒng)來確定畜禽最佳飼養(yǎng)方式，最優(yōu)化數(shù)量、出欄體重和出欄時(shí)間等。澳大利亞的綿羊合作社利用電腦網(wǎng)絡(luò)的便捷性幫助牧民進(jìn)行綿羊拍賣、合同簽訂、貨款清繳，維護(hù)公平交易和市場秩序；并利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為牧民提供期貨套期保值、遠(yuǎn)程合同拍賣等業(yè)務(wù)服務(wù)[1]。中國的智慧畜牧業(yè)是依托動(dòng)物產(chǎn)品安全追蹤平臺(tái)的基礎(chǔ)上發(fā)展和建立起來的。目前，互聯(lián)網(wǎng)信息鑒于其更新速度快而逐漸成為畜牧行業(yè)信息傳播的主流渠道，并已在畜牧業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，成為畜牧業(yè)生產(chǎn)、疫病防治、動(dòng)物產(chǎn)品流通的重要平臺(tái)。例如，大北農(nóng)集團(tuán)創(chuàng)建的“智慧大北農(nóng)”、新希望集團(tuán)的“希望之光”計(jì)劃、通威集團(tuán)推出的“通心粉社區(qū)”、偉嘉集團(tuán)創(chuàng)立的“嘉農(nóng)在線”、禾豐牧業(yè)開發(fā)的“逛大集”電商平臺(tái)等農(nóng)牧業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目陸續(xù)啟動(dòng)實(shí)施，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+畜牧業(yè)”的智慧型畜牧業(yè)發(fā)展新模式。

2　智能監(jiān)測技術(shù)在放牧綿羊中的應(yīng)用

在信息技術(shù)日益發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)被賦予更大的生命力，可以幫助甚至代替人類完成很多復(fù)雜的工作。在內(nèi)蒙古草原，智能監(jiān)視技術(shù)廣泛應(yīng)用在畜牧業(yè)生產(chǎn)中，科技人員利用自動(dòng)識(shí)別、聲音采集、視頻收集以及無線信息輸送等技術(shù)進(jìn)行綿羊放牧。利用智能監(jiān)視技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與畜交流、人與人交流，通過人機(jī)協(xié)同，科學(xué)飼養(yǎng)、環(huán)境控制、疾病防治，促進(jìn)人與畜、人與自然的和諧，進(jìn)而維護(hù)和實(shí)現(xiàn)放牧綿羊的福利，達(dá)到“畜禽健康、環(huán)境良好、人畜安全、產(chǎn)品綠色”現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展目的。

2.1　音頻分析技術(shù)

綿羊叫聲主要體現(xiàn)了其情緒狀態(tài)，能反映出動(dòng)物的生理健康狀況如饑餓、疼痛等，以及外部因素對動(dòng)物機(jī)體所造成的應(yīng)激。利用音頻分析技術(shù)處理綿羊叫聲可實(shí)現(xiàn)動(dòng)物健康、動(dòng)物福利水平的自動(dòng)評估，也可實(shí)現(xiàn)放牧綿羊采食行為智能監(jiān)測的目標(biāo)。聲音識(shí)別技術(shù)是一種非接觸式、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的技術(shù)手段，是未來動(dòng)物行為監(jiān)測的必要技術(shù)手段。研究者Jahns[2]針對己知的牛饑餓和發(fā)情叫聲信號(hào)提取出先驗(yàn)特征矩陣及其參考模式，利用數(shù)據(jù)模式匹配方法識(shí)別牛群日常叫聲中所蘊(yùn)含的饑餓及發(fā)情信息。Ikeda等[3]利用線性判別分析方法處理聲音信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)變化特征，進(jìn)而智能識(shí)別母牛饑餓以及與仔牛分隔時(shí)產(chǎn)生的兩種焦慮狀態(tài)。在我國，于天福[4]以狗為研究對象，研究了對其叫聲特征中功率譜、MFCC、基音頻率等特征[4]。余禮根等[5]以海蘭雞為試驗(yàn)動(dòng)物，研究了雞的各種鳴叫的聲音寓意。蘇健民等[6]提出了智能仿真系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)監(jiān)測動(dòng)物生存的狀態(tài)，并在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、前沿信號(hào)采集技術(shù)、模式識(shí)別理論的基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)對動(dòng)物聲音的識(shí)別和輸出。綿羊的不同行為習(xí)性會(huì)產(chǎn)生相對應(yīng)的音頻，利用這些特征提取技術(shù)對采集的綿羊聲音進(jìn)行頻譜分析，從中提取出能夠反映不同行為習(xí)性的發(fā)聲特征。模式匹配須在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下建立綿羊的標(biāo)準(zhǔn)行為發(fā)聲音頻譜矢量序列，再對采集提取的綿羊特征音頻進(jìn)行匹配，從而鑒別綿羊的行為習(xí)性，研究放牧綿羊的福利化養(yǎng)殖[7]。

2.2　視覺檢測技術(shù)

機(jī)器的視覺應(yīng)用主要分為測量、檢測、定位和識(shí)別。機(jī)器視覺技術(shù)在各個(gè)不同的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。在國外，20世紀(jì)80年代初對機(jī)器視覺的研究己經(jīng)廣泛開展，如加拿大的DALSA Coreco集團(tuán)就將這種技術(shù)應(yīng)用于檢測工業(yè)零件[8]；巴西學(xué)者在研究剛體的運(yùn)動(dòng)情況時(shí)運(yùn)用CCD視覺檢測系統(tǒng)[9]等。我國的機(jī)器視覺檢測技術(shù)的研發(fā)比國外晚10年，源于20世紀(jì)90年代初。但有很多產(chǎn)品面世，并得到了廣泛的研究與應(yīng)用。內(nèi)蒙古科技大學(xué)岳偉[10]通過背景標(biāo)識(shí)法準(zhǔn)確無誤地確定了羊體尺測量的特征測點(diǎn)，而且減少了羊體分割方法帶來的一些問題。解決了光照對羊體背部輪廓完整性的影響，使得羊的理想站姿、臀部測點(diǎn)和肩腳點(diǎn)的準(zhǔn)確顯著提高，羊體體尺測量的誤差顯著降低。機(jī)器視覺檢測技術(shù)在畜牧業(yè)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)通過利用圖像處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、心理物理學(xué)、模式識(shí)別以及神經(jīng)生物學(xué)的方法來模擬羊的外顯和對宏觀視覺功能的研究。它主要是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)從客觀事物的圖像中模擬人的視覺功能來提取自己所需要的信息，并對所提取的信息進(jìn)行處理以及加以一定的理解，從而達(dá)到控制和檢測測量實(shí)際的應(yīng)用對象。機(jī)器視覺的優(yōu)勢在于非接觸測量和精度高，速度快，所以適于在牧區(qū)放牧綿羊福利中的應(yīng)用[10]。

2.3　行為監(jiān)測技術(shù)

放牧綿羊的行為直接影響到草場資源的合理利用，也關(guān)系到綿羊的各項(xiàng)福利，因此，近年來人們開始對放牧綿羊在草場的食草行為進(jìn)行分析研究，并迅速發(fā)展成為放牧生態(tài)學(xué)和草地生態(tài)學(xué)研究中最引人注目、最活躍的領(lǐng)域。從一開始的視頻記錄(Video recording)到現(xiàn)在人們廣泛使用的IGER記錄儀、GPS以及Acoustictechnique(聲學(xué)技術(shù))等都是較早的監(jiān)測儀器等。IGER記錄儀是一種數(shù)字化的記錄儀，可以有效地記錄放牧綿羊的食草行為。因此，我國在最近幾年針對家畜的食草行為的一系列研究投入了極大的支持，發(fā)展的速度較快，并取得了喜人的成果。

2.4　行為特征識(shí)別技術(shù)

由于牧場養(yǎng)殖環(huán)境惡劣和天然草場的不可控性，使得放牧綿羊的福利受到了一定的影響，綿羊多處于亞健康或不健康狀態(tài)，疾病也頻繁發(fā)生。而發(fā)病初始階段或者小病往往不易被肉眼察覺。而且目前關(guān)于羊的行為特征研究卻僅局限于晝夜間活動(dòng)節(jié)律的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究，這就促使科技人員研究放牧綿羊的行為特征，以此判斷其健康與否。國外對動(dòng)物行為智能檢測與分析的研究起步于本世紀(jì)，Med Associates公司的動(dòng)物視頻跟蹤系統(tǒng)只注重于識(shí)別與分析小白鼠簡單的移動(dòng)和部分肢體動(dòng)作[11]。Biobserve公司2001年研制出了Trackit系統(tǒng)[12]，該系統(tǒng)通過自動(dòng)跟蹤動(dòng)物在二維和三維空間的位置和朝向來進(jìn)行動(dòng)物行為的分析，其特點(diǎn)是具有極高的處理能力(50 f/s ) 。

2.5　衛(wèi)星定位技術(shù)

早在80年代，衛(wèi)星定位技術(shù)就被用在動(dòng)物定位上，主要針對野生動(dòng)物的追蹤、觀察等方面做了一些研究。研究者們將衛(wèi)星定位設(shè)備綁在野生動(dòng)物身上，通過定位系統(tǒng)追蹤這些動(dòng)物的具體位置、運(yùn)動(dòng)軌跡，從而研究野生動(dòng)物的生活習(xí)性、活動(dòng)范圍等情況。1989年，加拿大安大略自然資源管理部門就將衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用到了對野生糜鹿的追蹤研究中，主要用來探究森林砍伐、莊稼收割等實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)對糜鹿生存環(huán)境的影響。美國蒙大拿州立大學(xué)北方農(nóng)業(yè)研究中心的Bailey在1997年到2000年間，通過GPS和GIS技術(shù)，記錄了在不同飼養(yǎng)條件下牛群的運(yùn)動(dòng)分布情況，該研究分析了牛群品種以及牧草放置的位置對牛群運(yùn)動(dòng)分布的影響，研究得出牛群品種的選擇和有計(jì)劃的放置牧草，可以將牧群引導(dǎo)到地形較高的地方進(jìn)食，從而避免牧群聚集在河流等水源地附近，因過度放牧而造成這些地方的水土流失等生態(tài)環(huán)境破壞[13]。內(nèi)蒙古地區(qū)首次利用衛(wèi)星定位技術(shù)在內(nèi)蒙古庫布齊沙漠地區(qū)進(jìn)行放牧的監(jiān)測，研究者們利用衛(wèi)星放牧系統(tǒng)，使牧民通過電腦、手機(jī)等設(shè)備就能觀察和掌握牧群動(dòng)態(tài)，減少外出放牧，從而達(dá)到對放牧工作的智慧化管理。解決了當(dāng)?shù)啬撩駸o法確定牧場邊界和放牧范圍；牛、羊、駱駝等牧群被放養(yǎng)以后，自行在沙漠中尋找食物，放養(yǎng)時(shí)間可能長達(dá)幾個(gè)月或一兩年，其運(yùn)動(dòng)軌跡不定；牧民在需要時(shí)才去沙漠中尋找牧群，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力；在遇到風(fēng)沙、暴雪等惡劣天氣情況，還有可能導(dǎo)致牧群死亡，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失等生產(chǎn)難題。衛(wèi)星放牧系統(tǒng)是以GNSS、移動(dòng)通信、GIS技術(shù)為核心的軟硬件相結(jié)合的一體化平臺(tái)，由對牧群位置進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的GPS項(xiàng)圈、終端服務(wù)器、通信鏈路和針對牧民的衛(wèi)星定位放牧Web平臺(tái)、手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)共同組成[13]。衛(wèi)星放牧系統(tǒng)的運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)了牧群具體位置信息的立體化及可視化顯示、運(yùn)動(dòng)軌跡可查詢播放、建有虛擬圍欄等功能，牧民可在牧群離開牧區(qū)的情況下通過系統(tǒng)提示和短信的方式及時(shí)得到通知。系統(tǒng)同時(shí)具有智能電源管理功能和遠(yuǎn)程設(shè)備設(shè)定功能，允許牧民根據(jù)實(shí)際情況需求設(shè)定多樣的牧群位置采集計(jì)劃。該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場經(jīng)過了多次的試驗(yàn)，于2011年10月在庫布齊沙漠正式投入了使用。衛(wèi)星放牧系統(tǒng)在我國的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了沙漠牧區(qū)應(yīng)用衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)的可行性，開啟了衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)在我國畜牧業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用開端，為牧區(qū)放牧工作的智能化、信息化提供了強(qiáng)有力的手段。隨著社會(huì)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等概念的興起，該系統(tǒng)可進(jìn)一步載入無線傳感、RrID等先進(jìn)技術(shù)，將畜牧場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、畜牧業(yè)產(chǎn)品的流通數(shù)據(jù)等集成到系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)的智能化、信息化。

2.6　無人機(jī)巡航技術(shù)

無人機(jī)按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，劃分為軍用無人機(jī)和民用無人機(jī)。1995年無人機(jī)就被應(yīng)用在畜牧業(yè)養(yǎng)殖上，“牧羊機(jī)器人”(Robot Sheepdog Project)是由英國牛津大學(xué)和其他一些高校聯(lián)手研發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目在當(dāng)時(shí)研發(fā)出了一種設(shè)備，它可以將十幾只鴨子同時(shí)趕到指定區(qū)域。之后英國和瑞典的研究人員研究將一個(gè)跟蹤設(shè)備綁定在羊群和牧羊犬身上，研究人員通過這一方法來觀察雙方的移動(dòng)活動(dòng)方式，然后探究這種移動(dòng)活動(dòng)方式背后存在的規(guī)律。澳大利亞的研究人員開發(fā)了一個(gè)四輪機(jī)器人，據(jù)報(bào)道這個(gè)機(jī)器人能夠在正常行走速度的情況下使處于亢奮狀態(tài)的牧群快速安靜下來。愛爾蘭人保羅-布瑞南(Paul Brennan)利用中國制造的Q500 Typhoon無人機(jī)進(jìn)行放牧取得了和牧羊犬放牧一樣的效果。2015年3月第一臺(tái)無人機(jī)和運(yùn)營系統(tǒng)在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯杭錦旗落地，2015年4月無人機(jī)和運(yùn)營系統(tǒng)在錫林郭勒盟正藍(lán)旗、呼倫貝爾市陳巴爾虎旗相繼運(yùn)營，2015年6月1日運(yùn)營建立平臺(tái)徹底完成使用。無人機(jī)巡航系統(tǒng)利用國內(nèi)自主研發(fā)的持久續(xù)航八旋翼無人機(jī)，該機(jī)型主要特點(diǎn)是飛行時(shí)間較長，設(shè)計(jì)簡約輕巧，使用便捷，維護(hù)簡單方便，極大的降低了使用成本。該機(jī)型還可裝載專用的GH3、GH4、攝像、數(shù)字圖傳、5D 云臺(tái)、模擬圖傳等設(shè)備，從而可以實(shí)現(xiàn)空中動(dòng)態(tài)偵查、測繪應(yīng)用、安全監(jiān)控、攝影航拍等多功能多用途。該機(jī)型具備了強(qiáng)大的負(fù)載量，更長續(xù)航時(shí)，機(jī)動(dòng)力富足，機(jī)型零部件相互兼容等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合地面站(GCS)的實(shí)際具體時(shí)間飛行數(shù)據(jù)以及具體化可見地圖，飛機(jī)操控系統(tǒng)可根據(jù)地圖精確無誤地完成全自動(dòng)起飛/降落任務(wù)、飛機(jī)航線飛行任務(wù)以及繞點(diǎn)飛行等許多專業(yè)航拍任務(wù)，使無人機(jī)在無人干預(yù)的整個(gè)飛行的過程中完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和程序化，極大程度地降低了無人機(jī)專業(yè)的復(fù)雜操作環(huán)節(jié)，從而能夠廣泛的應(yīng)用到更多的專業(yè)航拍領(lǐng)域。

3　展　望

目前，畜禽的個(gè)體信息監(jiān)測的研究多數(shù)是圍繞自動(dòng)化福利養(yǎng)殖來展開的，其主要集中在動(dòng)物行為監(jiān)測智能裝備的研發(fā)、動(dòng)物行為模型的構(gòu)建以及動(dòng)物健康分析和動(dòng)物福利養(yǎng)殖信息化管理系統(tǒng)上，研究人員通過研究提高了動(dòng)物個(gè)體之間的信息監(jiān)測的智慧化程度和精度，極大程度的降低了信息監(jiān)測時(shí)所消耗的人力和物力。中國對畜牧業(yè)養(yǎng)殖動(dòng)物的個(gè)體信息監(jiān)測技術(shù)研究仍然處于探索研究階段，對于該方面的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用案例幾乎沒有。中國的研究者們應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合中國畜牧業(yè)養(yǎng)殖的實(shí)際情況，綜合利用各個(gè)學(xué)科的交叉知識(shí)，進(jìn)行研究更穩(wěn)定、更高效、低成本、低功耗的畜牧業(yè)養(yǎng)殖動(dòng)物的個(gè)體信息監(jiān)測系統(tǒng)，從而極大程度地提高畜牧業(yè)養(yǎng)殖效益。內(nèi)蒙古草原畜牧業(yè)通過智能監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)放牧綿羊的福利化養(yǎng)殖，利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、無人機(jī)巡航技術(shù)、結(jié)合產(chǎn)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊、云計(jì)算等信息技術(shù)先進(jìn)手段優(yōu)化組合搭建一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，解決傳統(tǒng)草原畜牧業(yè)的信息化自動(dòng)化問題，使傳統(tǒng)畜牧業(yè)向高科技、高效率邁進(jìn)。實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈追溯、食品安全體系的保障。通過這一技術(shù)平臺(tái)可以使草原牧民的牛羊變成都市市民掌上的公眾產(chǎn)品。全面完成掌上畜牧產(chǎn)業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)落地。對整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈流程進(jìn)行重塑，將加快產(chǎn)品的改革和創(chuàng)新與商業(yè)模式的改變，必將成為畜牧產(chǎn)業(yè)未來的一片新藍(lán)海。放牧綿羊養(yǎng)殖業(yè)天上有北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)；地下有三種不同類別的牲畜信息采集傳輸設(shè)備(項(xiàng)圈)和多種環(huán)境信息采集系統(tǒng)；通過移動(dòng)通訊系統(tǒng)、固定綜合信息采集系統(tǒng)的連接，研發(fā)了云計(jì)算操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)、信息化管理系統(tǒng)和服務(wù)平臺(tái)現(xiàn)代信息業(yè)服務(wù)系統(tǒng)，配套現(xiàn)代草原畜牧業(yè)生產(chǎn)精加工、物流倉儲(chǔ)、線上線下組合銷售推廣系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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