虛擬體驗式生豬疾病培訓系統

陳 洪，王 慶，朱德海，蒙明梟，唐盛松

（中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 海淀 100083）

1 引言

培訓系統是以傳播知識，提高技能為主的教育方式。我國農村人口眾多，教育水平低下成為制約農業快速發展的原因之一。為了加快農業發展，提高農業生產力，農民培訓勢在必行。然而，中國的農民培訓存在諸多問題，例如，表現形式單一，缺乏針對性。有些農民培訓活動還是以傳統的課堂講授，或者是向農民散發資料為主，不利于激發農民學習的積極性。考慮農民對知識理解和接受的方式不同于傳統教學模式，一些研究提出一種基于游戲化任務的體驗式農民培訓方法。

計算機和虛擬現實技術的快速發展帶動了全球的信息化革命?；谔摂M現實技術進行農民培訓具有一定的研究價值，但也存在諸多問題，例如如何模擬虛擬牲畜成長過程、如何評價等等。本文基于游戲引擎開發一個面向農民培訓的體驗式生豬疾病治療培訓系統，用來模擬種植生豬養殖以及疾病治療過程。

2 系統設計

本文提出的培訓系統是基于游戲引擎作為開發平臺，以表現層、控制層、邏輯層和持久層四層架構實現培訓內容、知識邏輯與人機控制功能相分離，如圖1所示。

圖1 虛擬體驗式生豬疾病農民培訓系統四層架構

2.1 開發平臺-游戲引擎 游戲引擎是指一些已編寫好的可編輯電腦游戲系統或者一些互交式實時圖像應用程序的核心組件。這些系統為游戲設計者提供各種編寫游戲所需的各種工具，其目的在于讓游戲設計者能容易和快速地做出游戲程式而不用從零開始。游戲引擎提供的基本功能，如渲染引擎、物理引擎、音樂音效、腳本引擎、網絡引擎以及場景管理等。

2.2 培訓系統四層架構 本系統采用4層架構如圖1所示。其中，持久層，又稱存儲層，是通過機器中的文件集合來對系統的關鍵數據進行存儲。邏輯層承擔系統的運行邏輯，支撐培訓內容，是科學知識的理論基礎，邏輯層實現了知識的獨立，滿足了對原有科學知識的進一步擴充需求?？刂茖影ㄏ到y行為、用戶行為和其他行為等。其中，系統行為指系統的數據更新或系統狀態轉換；用戶行為指培訓者交互操作；其他行為指系統參數設置或屬性修改?？刂茖拥姆蛛x可以降低系統復雜度，與系統和用戶行為的分離可以實現軟件復用，便于維護開發。表現層是最終用戶感官上的表現，包括用戶界面及聲音等，同時還包括特效處理，如料子效果、模型特效等。

3 虛擬豬生長及疾病治療計算模型

系統中采用愛丁堡虛擬豬生長模型來支撐運算，其中參數集組成包括豬仔品種信息、飼料信息以及環境信息。其中豬仔信息有：（1）Max PD，蛋白值最高沉積率，因品種而異。（2）Weight，豬初始體重（由5部分組成，water水分，protein蛋白質，ash灰分，fat脂肪，消化道內容）。飼料信息則包括：（1）DE，消化能；（2）DCP，可消化粗蛋白。（3）BV，蛋白質的生物學價值。（4）消化率。（5）Amount，日糧重量。環境信息主要指圈舍的最適宜溫度。

飼養過程中，健康豬隨著體重增長，體內各部分含量也滿足圖2中模型所示。其中橫軸為豬的活重（單位：kg），縱軸為各成分含量（單位：kg）。

當健康豬飼養不當或某種隨機事件發生時，系統就會暴發疾病。其中疾病以寄生蟲類為例。模型相關參數包括：疾病信息，例如暴發幾率、患病程度、體重日損影響因子、易患初始日齡以及結束日齡、對應藥物等，以及藥品信息，如藥品名稱、價格等。另外還有豬圈信息，例如豬圈清潔程度、清潔度日減量、消毒程度以及日減量、圈舍溫度、氣溫等。

圖2 健康豬各成分的重量隨年齡及活重增長情況

疾病模型參數之間的計算關系如圖3所示。通過疾病信息中的暴發幾率參數和圈舍信息中的清潔消毒相關參數度，系統計算是否暴發疾病。在時間軸的推動下，根據圈舍日變化情況以及農民操作（是否采用藥品以及是否清潔消毒豬圈等）來判斷疾病是否治愈，同時根據患病程度和疾病信息中日損體重參數來計算當前豬的體重等相關信息。

圖3 豬疾病治療計算模塊

4 系統模塊組成

培訓系統以養豬及常見疾病的治療為主要內容。其中包括豬生長模塊以及疾病治療模塊組成。豬生長模塊是基于愛丁堡虛擬豬生長模型而設計的，如圖4所示。

其中，農業專家可以通過界面輸入豬仔和飼料相關參數信息，例如某種飼料的蛋白質生物學價值、消化能、以及可消化粗蛋白以及某種品種的蛋白質沉積率、生長最適宜溫度以及初始體重。農民則通過飼養操作模塊提供的交互操作來實現虛擬喂養過程，例如：設定圈舍溫度、輸入每日飼料的總量、根據系統提供的基礎飼料來配比、打掃圈舍等。模塊中的核心部分是每日計算體重增重，得出蛋白質增量、脂肪每日增量以及體重每日增量。

圖4 虛擬健康豬生長模塊

在健康豬生長模塊的基礎上，系統添加了疾病治療控制模塊，如圖5所示。圖中藥物信息模塊中藥品名稱、簡介和價格同樣由農業專家輸入。同時，專家還需輸入常見的幾種疾病信息，例如對應該疾病的治療方法，即采取何種藥物以及疾病的傳播率和暴發幾率。而農民飼養過程中的交互操作影響豬健康程度的判斷，例如豬圈的溫度、清潔度以及是否經常消毒等。當發生某種疾病時，農民需根據系統中關于藥品的信息幫助來采用合適藥物進行治療，操作的正確與否同樣決定了豬健康的判斷。另外，在病豬未治愈的階段，體重也會受到影響，系統會自動計算期間造成的體重、蛋白質以及脂肪的損失。

圖5 豬疾病治療控制模塊

5 系統實現及界面

系統關于疾病的核心對象關系如圖6所示。

圖6 豬疾病對象關系圖

其中Neat為清潔度對象，它包含于每個Pig Disease House里，負責豬舍清潔度的數據存儲以及邏輯實現。Pig Disease House為圈舍疾病管理對象。PigInfo為豬舍里個體豬對應的疾病信息對象。Pig Disease Manager為更上層的管理對象。

另外，Pig Disease House同時還與分別保存豬疾病屬性Pig Disease和藥物屬性的對象Pig Drugs的進行交互，以至完成邏輯計算。

主要界面如圖7～11顯示。

圖7 豬舍狀態查詢

6 結語

體驗式培訓以游戲化任務為驅動，提供了知識技能的應用情景，同時知識表述多樣化、趣味化，可以培養農業知識的綜合運用和技能掌握，適合于農民生產生活實際，具有很大的應用前景，同時也為體驗式學習培訓系統應用于其他領域提供了參考。此外，使用先進的游戲引擎技術開發培訓系統，也是互動式教學模式的一次大膽嘗試。

圖11 專家輸入藥品信息參數

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