張博羅維平

(1.武漢紡織大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學(xué)數(shù)字化紡織裝備重點實驗室，湖北 武漢 430200)

引言

在奶牛飼養(yǎng)中，飼料至關(guān)重要，是奶牛獲得營養(yǎng)的主要來源，直接影響著奶牛的健康和生產(chǎn)性能。監(jiān)測與預(yù)測飼料消耗狀態(tài)對于保障奶牛的健康和提高生產(chǎn)管理效率具有重要意義。

目前，飼料的監(jiān)測主要依賴人工目測，存在著工作量大、人力成本高和效率低的問題。同時，由于人工觀測的局限性，巡視頻率和準(zhǔn)確率難以保障。此外，人工難以科學(xué)預(yù)測未來一段時間的飼料消耗狀態(tài)，難以保障飼料供給的及時性。隨著畜牧業(yè)規(guī)模的不斷擴大，規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖日益成為趨勢[1]，給傳統(tǒng)的依靠人工目測的巡視方式帶來了更大的挑戰(zhàn)。U-Net圖像語義分割網(wǎng)絡(luò)具有編碼器-解碼器結(jié)構(gòu)、跳躍連接、適用于小樣本學(xué)習(xí)等特點和優(yōu)勢，使其成為圖像分割任務(wù)中廣泛應(yīng)用的有效模型架構(gòu)之一，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。如，張欣等[2]基于U-Net的改進模型對淡水養(yǎng)殖區(qū)進行提取。此外，長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Long Short-term Memory，LSTM)能夠捕獲序列數(shù)據(jù)中的長期依賴性[3-8]，并被廣泛用于處理時間序列數(shù)據(jù)的分類和回歸問題。因此，本研究利用U-Net圖像語義分割網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對飼料消耗狀態(tài)的自動監(jiān)測，并通過LSTM時間序列預(yù)測網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測未來一段時間的飼料消耗狀態(tài)。

本研究研發(fā)了一套基于監(jiān)控視頻的飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng)，以提高生產(chǎn)管理效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)邏輯層和視圖層。飼料監(jiān)控視頻獲取的視頻數(shù)據(jù)通過交換機傳輸?shù)焦た貦C，工控機對接入的視頻數(shù)據(jù)進行實時處理，并根據(jù)業(yè)務(wù)的需求輸出相應(yīng)的結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)整體框架

1.1 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層作為系統(tǒng)的核心組成部分，在滿足用戶管理、實時飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測和歷史視頻管理等3大需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為了有效地管理和處理數(shù)據(jù)，設(shè)計了用戶信息表、歷史飼料消耗狀態(tài)數(shù)據(jù)表和飼料視頻數(shù)據(jù)表。用戶信息表用于存儲系統(tǒng)中的用戶信息，包括用戶姓名、聯(lián)系方式、權(quán)限等內(nèi)容，以便系統(tǒng)能夠進行用戶身份驗證和管理。歷史飼料消耗狀態(tài)數(shù)據(jù)表用于記錄飼料的消耗狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)，包括時間戳、站點位置、消耗狀態(tài)值等信息，以便系統(tǒng)能夠?qū)崟r預(yù)測飼料消耗情況并生成相應(yīng)的報表和統(tǒng)計信息。飼料視頻數(shù)據(jù)表則用于存儲歷史視頻數(shù)據(jù)，包括攝像頭錄制的飼料視頻，以便用戶可以隨時回放和查看歷史視頻。為了保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，選擇了MySQL數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲方式，因其具有穩(wěn)定性高、性能優(yōu)越等優(yōu)點，能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲和管理的需求。通過這些設(shè)計和選擇，數(shù)據(jù)資源層能夠有效支持系統(tǒng)的各項功能和業(yè)務(wù)需求，為用戶提供穩(wěn)定可靠的服務(wù)。

1.2 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)或應(yīng)用程序中的一個核心組件，其主要功能在于從數(shù)據(jù)資源層獲取數(shù)據(jù)并進行處理，將處理結(jié)果傳輸?shù)揭晥D層和數(shù)據(jù)資源層。在業(yè)務(wù)邏輯層中，涵蓋了多個業(yè)務(wù)單元，包括并行檢測、輪巡、飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測以及飼料消耗狀態(tài)預(yù)測等。具體而言，業(yè)務(wù)邏輯層負責(zé)執(zhí)行并行檢測任務(wù)，以同時處理多個數(shù)據(jù)源或數(shù)據(jù)流，提高系統(tǒng)的處理效率。同時，業(yè)務(wù)邏輯層還包括輪巡功能，用于周期性地輪巡展示監(jiān)測與預(yù)測結(jié)果。另外，飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)單元允許系統(tǒng)實時監(jiān)測飼料的消耗狀態(tài)，提供及時的數(shù)據(jù)反饋。而飼料消耗狀態(tài)預(yù)測業(yè)務(wù)單元則利用歷史數(shù)據(jù)和算法模型對未來一段時間的飼料消耗狀態(tài)進行預(yù)測，幫助用戶作出合理的管理決策。通過這些業(yè)務(wù)單元的組合，業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能和業(yè)務(wù)邏輯，為用戶提供了更加完善和高效的服務(wù)。

1.3 視圖層

視圖層的功能在于提供交互式操作界面，以展示數(shù)據(jù)結(jié)果并接收用戶的輸入。具體來說，視圖層包括飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測畫面、飼料消耗狀態(tài)預(yù)測畫面和用戶信息管理界面等模塊。在飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測畫面中，用戶可以實時查看飼料的消耗狀態(tài)，了解飼料的使用情況。而在飼料消耗狀態(tài)預(yù)測畫面中，系統(tǒng)則提供了對未來飼料消耗狀態(tài)的預(yù)測，幫助用戶作出合理的飼料管理決策。另外，用戶信息管理界面則允許用戶管理系統(tǒng)中的用戶信息，包括添加、編輯和刪除用戶等功能。通過這些交互界面，用戶可以方便地獲取信息、進行預(yù)測和管理系統(tǒng)中的用戶信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)與用戶之間的有效交互。

2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)主要分為視頻傳輸模塊、飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測模塊、飼料消耗狀態(tài)預(yù)測模塊和飼料消耗狀態(tài)可視化模塊，各模塊之間的協(xié)作過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各模塊協(xié)作過程

2.1 視頻傳輸模塊

視頻傳輸模塊主要實現(xiàn)2個功能：將各監(jiān)控站點的視頻數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，自動截斷并保存監(jiān)控視頻；提供監(jiān)控站點輪巡的解決方案。

將飼料監(jiān)控視頻接入系統(tǒng)并展示結(jié)果需要經(jīng)過多個處理步驟，其中視頻流接入是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。視頻接入：使用?？低晹z像頭并采用RTSP(Real Time Streaming Protocol)協(xié)議，通過獲取攝像頭的URL(Uniform Resource Locator)地址即可接入對應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)。為了處理多個站點的視頻流數(shù)據(jù)，采用了多線程技術(shù)，為每個站點創(chuàng)建獨立的線程。視頻保存：系統(tǒng)根據(jù)攝像頭的幀率和圖像幀的計數(shù)，實現(xiàn)對指定視頻時長的截取，從而達到自動截斷保存的目的。具體來說，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)和需求，監(jiān)控攝像頭拍攝的視頻流，并在達到指定的時長后自動截斷并保存視頻。保存后的視頻數(shù)據(jù)可以用于后續(xù)的分析與研究，如對飼料消耗狀態(tài)的趨勢分析等。同時，也可以作為歷史數(shù)據(jù)進行備份和存檔，以便于未來的參考和回顧。通過視頻保存功能，系統(tǒng)能夠有效地記錄和管理視頻數(shù)據(jù)，為用戶提供了豐富的信息和便捷的操作體驗。

此外，自動輪巡時，每隔5s切換對應(yīng)攝像頭的基于RTSP的URL地址，獲取相應(yīng)的視頻源，進而展示相應(yīng)站點的監(jiān)測預(yù)測結(jié)果。具體來說，系統(tǒng)會維護一個攝像頭列表，其中包含每個攝像頭對應(yīng)的URL地址。在自動輪巡時，系統(tǒng)會按照預(yù)先設(shè)置的時間間隔，自動切換到下一個攝像頭的URL地址，并通過URL地址獲取相應(yīng)的視頻源。獲取到視頻源后，展示相應(yīng)站點的監(jiān)測預(yù)測結(jié)果。通過自動輪巡功能，系統(tǒng)能夠高效地管理和展示多個站點的監(jiān)測結(jié)果，為用戶提供全面的監(jiān)測信息。

2.2 飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測模塊

飼料消耗狀態(tài)變化預(yù)測的基礎(chǔ)是精確的實時飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測，飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測模塊的主要作用是使用U-Net圖像語義分割網(wǎng)絡(luò)對飼料視頻幀進行語義分割，分割出飼料消耗區(qū)域與飼料殘余區(qū)域，通過計算飼料消耗區(qū)域的占比，達到監(jiān)測飼料消耗狀態(tài)的目的。具體來說，飼料的消耗狀態(tài)=(飼料消耗區(qū)域的像素點總數(shù)/(飼料消耗區(qū)域的像素點總數(shù)+飼料殘余區(qū)域的像素點總數(shù)))×100%。U-Net語義分割效果圖如圖3所示。

注：圖3b中紅色區(qū)域為飼料殘余區(qū)域，綠色區(qū)域為飼料消耗區(qū)域。

2.3 飼料消耗狀態(tài)預(yù)測模塊

為了科學(xué)指導(dǎo)調(diào)度決策的制定，并提高生產(chǎn)管理效率，利用LSTM時間序列預(yù)測網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控站點未來一段時間的飼料消耗狀態(tài)進行預(yù)測。具體而言，利用歷史飼料消耗狀態(tài)數(shù)據(jù)訓(xùn)練LSTM模型；使用訓(xùn)練好的LSTM模型對未來一段時間的飼料消耗狀態(tài)進行預(yù)測，以獲得對飼料消耗值的預(yù)估值。預(yù)測結(jié)果將作為參考，用于指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)度和決策，幫助優(yōu)化生產(chǎn)計劃、合理安排資源和減少生產(chǎn)成本。通過這種科學(xué)的預(yù)測方法，能夠更加準(zhǔn)確地了解未來的飼料消耗趨勢，從而提高生產(chǎn)管理的效率，實現(xiàn)更加智能和可持續(xù)的生產(chǎn)管理。

2.4 飼料消耗狀態(tài)可視化模塊

飼料消耗狀態(tài)可視化分為監(jiān)測可視化與預(yù)測可視化2個方面。監(jiān)測可視化通過在監(jiān)控畫面上將飼料殘余區(qū)域與飼料消耗區(qū)域分別賦上不同的顏色來展示當(dāng)前飼料的消耗情況。具體而言，使用不同的顏色來區(qū)分飼料殘余區(qū)域和飼料消耗區(qū)域，以直觀展示當(dāng)前飼料的消耗狀態(tài)。此外，監(jiān)測可視化還將飼料消耗狀態(tài)值、飼料消耗等級和監(jiān)控站點位置等信息顯示在監(jiān)控畫面上，以便用戶快速了解監(jiān)控站點的實時情況。預(yù)測可視化則采用一種直觀的方式展示未來一段時間的飼料消耗狀態(tài)值、飼料消耗等級和站點位置，以幫助用戶掌握未來一段時間的飼料消耗情況。通過這種可視化方式，用戶可以清晰地了解監(jiān)控站點的飼料消耗情況，從而更好地進行生產(chǎn)管理和調(diào)度決策。

3 系統(tǒng)實際效果

系統(tǒng)運行在Ubuntu操作系統(tǒng)平臺上，部署在一臺配置為Intel Core i7-12700F 2.10 GHz處理器、16.0 GB RAM內(nèi)存和NVIDIA GeForce RTX 3050顯卡的計算機上。同時，系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲和管理系統(tǒng)，利用其強大的數(shù)據(jù)管理功能和高性能的數(shù)據(jù)處理能力，確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。在用戶界面開發(fā)方面，系統(tǒng)采用PyQt框架進行圖形用戶界面的開發(fā)。PyQt是一個功能強大的Python GUI工具包，提供了豐富的界面設(shè)計組件和易用的編程接口，使得開發(fā)人員能夠快速構(gòu)建出美觀、交互性強的用戶界面。

3.1 飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測

飼料的消耗狀態(tài)值分為5個等級，80%～100%為5級，60%～80%為4級，40%～60%為3級，20%～40%為2級，0%～20%為1級，并根據(jù)等級發(fā)出警報，其中，5級表示飼料消耗情況最嚴(yán)重。通過飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測模塊獲得的飼料消耗狀態(tài)值、監(jiān)測時間和站點名稱需要存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)研究與分析。同時，這些數(shù)據(jù)也將被傳輸至可視化模塊，實時展示監(jiān)測結(jié)果。此外，還需將數(shù)據(jù)傳輸至后續(xù)的預(yù)測模塊，以支持預(yù)測任務(wù)。

由實測可知，系統(tǒng)的監(jiān)測幀率可達FPS(Frames Per Second)，可滿足實時檢測的要求。

為了更直觀地展示飼料消耗情況，將監(jiān)測的結(jié)果進行可視化。將飼料殘余區(qū)域與飼料消耗區(qū)域分別賦上不同的顏色，并將站點的名稱、飼料消耗值、飼料消耗等級顯示在界面的左下方，如圖4所示。

圖4 飼料消耗狀態(tài)實時監(jiān)測畫面

3.2 飼料消耗狀態(tài)預(yù)測

飼料消耗狀態(tài)預(yù)測的界面如圖5所示。飼料消耗狀態(tài)預(yù)測界面直觀展示了未來一段時間的飼料消耗狀態(tài)預(yù)測值，還展示了未來一段時間的飼料消耗等級及站點位置，當(dāng)飼料消耗狀態(tài)預(yù)測值達到預(yù)警水平時，系統(tǒng)會觸發(fā)相應(yīng)的警報，有良好的實用性。

圖5 飼料消耗狀態(tài)預(yù)測界面

4 結(jié)論

針對當(dāng)前落后的飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測手段，結(jié)合人工智能技術(shù)，研發(fā)了一套基于監(jiān)控視頻的飼料消耗狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過監(jiān)控攝像頭獲取視頻數(shù)據(jù)；使用圖像語義分割網(wǎng)絡(luò)U-Net監(jiān)測飼料消耗狀態(tài)；使用時間序列預(yù)測網(wǎng)絡(luò)LSTM對飼料消耗狀態(tài)進行預(yù)測。此外，系統(tǒng)支持多站點并行監(jiān)測、輪巡、自動截斷保存視頻等功能。在內(nèi)蒙古某牧場的試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，對于保障奶牛的健康和提高生產(chǎn)管理效率具有重要意義。