石山壅羊精細養殖管理平臺開發與應用*

肖 強，萬 田，王 龑，羅清堯，楊 亮，熊本海※

（1海南中海網農科技有限公司，海口570100；2中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京100193）

0 引言

石山壅羊是目前保持海南黑山羊最原始的母本，是黑山羊較為珍稀物種之一。目前該物種主要飼養在海口市秀英區石山鎮，成為石山鎮服務社會經濟發展的地理標志物種［1］。隨著資源、環境及勞動力供求的壓力增加，養殖設施化技術快速發展［2］，壅羊的飼養方式逐漸改變，設施飼養羊只的比例不斷擴大，尤其是在養殖業較發達地區。自2016年以來，內蒙古、新疆、寧夏等地方政府建立了肉羊產業技術創新團隊，肉羊的規模化、標準化養殖正逐步推進，個別地區如內蒙巴彥淖爾市肉羊規模化養殖比例高達69%［3］，而且有繼續增加的趨勢。隨著禁牧休牧政策的實施和推廣，傳統以放牧加補飼為主的飼養模式逐漸轉變為圈養舍飼為主的飼養模式［4-5］。養殖模式的改變，對生產管理尤其是種畜的管理提出了新的要求，不能停留在靜態的電子表格的管理層面，必須按2007年農業農村部頒布實施的第67號令《畜禽標識和養殖檔案管理辦法》，對家畜實施以個體標識為切入點的精細化管理［6］。對于規模化壅羊場，如果精細化管理落后，如不能預測或鑒定發情，錯過最佳配種時間點，將影響種羊繁殖力、服務年限和綜合經濟效益。管理好一個種羊場，尤其是其中的繁殖群體，具有一定的技術難度，因為壅羊個體不斷發生各種生理生長狀態的變化，且個體差異較大，必然走數字化甚至智能化及遠程化管理模式，在積累大量的基礎數據后，通過業務邏輯模型，進行不同目的的比較分析，及時從繁殖群體中定位異常個體或群體性問題，并進行隔離、分群、轉群、調換飼料、繁殖控制以及淘汰等決策，才能保持羊群的正常繁衍與生產［2，7-8］。因此，文章以建立壅羊場模型和壅羊個體建檔為基礎，利用數據庫技術，從壅羊的發情、配種、產羔、哺乳、干奶等個體或群體行為出發，建立數據整合與分析平臺，達到基本數據保存、羊群各項參數在線分析的目的，最終建立數字化、智能化的石山壅羊精細養殖管理平臺。

1 系統設計與開發

1.1 數據表結構

開展種羊群個體或群體的信息化管理與智能預警，必須以建立壅種羊基本信息及繁殖事件的元數據標準為基礎，設計記錄不同屬性數據集的數據表，從而形成系統數據庫，以此作為開發網絡平臺的數據基礎［7，9-10］。

種羊數據表包括繁殖場名、羊ID號、胎次、性別、品種名稱、父號、母號、出生日期、入群日期、出生地、在群否、配種員、記錄人等必要信息，其他相關信息如羊只分類、雙胎否等可作輔助。

母羊產羔數據表主要包括繁殖場名、羊ID號、胎次、配種日期、產羔日期、羔羊編號、羔羊性別、羔羊體重、配種員等。

1.2 母羊類型劃分

根據壅羊種羊的生長及生理階段的差異、飼養模式特點，該文按種羊全生命周期區分為后備母羊、妊娠母羊、泌乳母羊3種類型，建立數據描述標準。

1.3 近交系數計算

近交系數指一個個體通過它的某一祖先得到在遺傳上是完全相同基因的概率，也即形成該個體的兩個配子間的相關系數［11］。利用通徑系數原理推導，形成個體x的兩個配子的相關系數，即x的近交系統（Fx）的計算公式為：

式（1）中，FX為X個體的近交系數；FA為共同祖先自身的近交系數；N1是一個親本到共同祖先的時代數，N2是另一個親本到共同祖先的時代數。

1.4 平臺功能

根據壅山羊的繁育、產羔、哺乳及健康管理等需求，確定一級功能模塊（圖1），主要包括數據維護、羊只管理、繁殖管理、哺乳管理、飼料營養、健康管理、數據分析和場內管理8個子系統，每個子系統的具體功能如表1所示。

圖1 壅羊精細養殖管理平臺功能架構Fig.1 Function Infrastructure of precision feeding management platform of yong goats

表1 壅羊精細養殖管理平臺系統功能設計Table 1 Function design of precision feeding management system of yong goats

1.5 系統開發環境

該研究在Windows Server 2012服務器桌面操作系統下開發，采用Microsoft SQL Server 2012標準版網絡數據庫管理系統［12］。該數據庫支持云技術、快速構建方案且滿足私有云與公有云數據擴展遷移等特點，有利于該研究構建的網絡平臺開展私有云的計算，與公有云之間數據交換帶來便利。系統開發環境采用Mocrosoft的.Net framework 4.6版本，開發語言采用 C#［13］。

2 系統應用分析

2.1 壅羊個體基本信息的數字化管理

以石山鎮第一壅羊場的真實數據為例，在通過數據采集系統錄入壅羊的基本信息，如編碼、出生日期、系譜、繁殖狀態信息后，通過模塊設計，實現了對養殖檔案信息的數字化管理。如圖2所示，指定的第一雍羊場的種羊頭數317頭，在上述BROW瀏覽頁面下，表頭的每個字段都是可按升序或降序索引排序處理的，或者在輸入篩選條件后，快速提取指定繁殖場及滿足不同檢索條件下的壅羊種羊基本信息，滿足管理者不同查詢需求。

圖2 壅羊基本信息的數字化管理與條件查詢Fig.2 Digital management and inquiry of basic data of yong goats

2.2 對生產運行未來事件的智能提醒

在事先設定的壅羊繁殖基本理論參數的前提下，在記錄每頭壅羊的基本信息、配種信息、孕檢信息、產羔信息的條件下，按繁殖生產理論，隨著日期的變化，可以預測種羊個體或群體將要發生的事件并提前做好生產安排及必要的耗材準備。因此，系統“今日提醒”的功能模塊，實際上是對當天或者將發生事件的預警。內容包括：發情配種、初檢復檢、產羔泌乳、干奶、淘汰及羔羊斷奶等提醒，當預警與實際發生出現差異時，就要排查原因。

該研究以壅羊的生理及生產特征為基礎，設定壅羊生產的繁殖理論參數共13項（圖3），用于提醒淘汰參數6項（未列出），共19項。利用以上參數及該生產種羊的預設繁殖理論參數，開展各種繁殖性能參數分析以及對未來事件進行動態預警。

在圖1所示的“場內管理”模塊下設置了二級模塊——“今日提醒”，選定后可得到預警分析結果。如圖4所示“第一雍羊場”分析得到的數據既可以直接顯示，也可以導出到excel表。在圖4中，選定“發情配種”后，提示可配種的壅羊達到121頭。當未淘汰超齡羊，將其繼續留在群中時，系統默認為可配種。如果按“淘汰”作進一步分析，發現有23頭高胎次（6胎以上）羊應被淘汰。必須指出提示或預警的數據是否反映真實情況，與錄入數據的準確性、完整性有直接關系。

圖3 壅羊繁殖理論參數及生產提醒參數Fig.3 Setting of breeding parameters and warning events for yong goat production

圖4 指定繁殖場至查詢當天的發情配種提醒Fig.4 The inquired coming estrus breeding on a special herd

2.3 基于種羊個體或群體的近交模擬預測

當一個種羊場運行一段時間后，如果選配不當，容易出現較早近交，導致品種性能的退化。而當種畜的數量不斷增加，每年后備母羊不斷留種入群，如果管理不當，容易造成系譜混亂，過早近交。因此在圖1所示的“繁殖管理”下提供了“公羊近交預測”的二級模塊，如圖5所示，選擇“第一壅羊場”，從中選取號為“9745”公羊且與317頭母羊模擬配種后，計算可得模擬子代的近交系數，近交系數越大，表示近交情況嚴重（通常近交系數可能出現0.25，0.187 5，0.125 0，0.062 5及0.05等5種），近交系數為零則代表非親緣雜交。相反，若選擇一頭種母羊，如果系譜資料齊全，系統也提供了“母羊近交預測”模塊，計算與之可交配的種公羊的模擬子代的近交系數。

2.4 壅羊個體資料卡的動態合成

特定的種羊個體入群后不斷繁育與生產，不斷產生時空狀態數據，但這些數據分別存放在多達20多個數據表中，因此需要經常臨時整合到同一個表中，這張表就是“母羊資料卡”（圖6），主要包括來自不同數據表中相同個體信息。由于壅羊個體隨時可能發生變化，壅羊資料卡及數據庫也應是動態的。如圖6所示，該模塊具有強大的數據集成功能，可集成種羊基本信息及繁殖、轉群、健康、譜系及后裔信息等。當要售出某個種羊個體時，從該系統中打出它的資料卡提供給買主，便于銷售過程中種羊信息的順利傳遞。

圖5 公羊近交模擬預測Fig.5 The output results of inbreeding indexes for a selected ram

圖6 制定母羊資料卡的動態輸出Fig.6 The dynamic output of the whole data card of a special ewe

2.5 典型群體數據的可視化分析

規模化種羊場的數據日積月累后，對數據選擇性提取與挖掘分析的需求不斷突顯。可視化分析實際上是將各種指標的狀態數據，按照一定計算模型處理后形成以時間軸為基礎的繁殖性能參數。該系統可根據數據庫記錄的壅羊繁殖與生產記錄，在線分析種用壅羊的多個群體性能參數，如繁殖率、胎間距、胎次結構等，如圖7所示為第一壅羊場的母羊胎次結構。理論上講，種羊群的胎次結構有一個合理的比例，不合理的結構為精細化管理指明改進的方向。

圖7 指定繁殖場繁殖種母羊的胎次結構Fig.7 The parities profile of breeding ewes for a special herd

3 討論

3.1 唯一性編碼

羊只的編碼在一個場內應具有唯一性。在該系統啟用前期，系統還保留了每個場原先內部的編碼，雖然在場內具有唯一性，但編碼有長短之分不規范。在過渡時期可行，但對于新生留種的或從外場購入的種羊就要按農業部第67號令［6］采用15位唯一性的數字編碼。此外，還要考慮今后采用電子耳標如低頻RFID耳標情況，采購的耳標一般帶有符合ISO11784［14］的事先寫入的編碼。例如，無錫富華科技有限公司的RFID標簽，其編號獲得國際動物標識協會即ICAR組織的授權，15位編碼的前3位為“991”，也是ICAR特地授權給無錫富華公司的編碼獨享碼，而且這樣的符合ISO11784的編碼在全世界是唯一的。

壅羊的繁育生產是一個周期性的生產行為，不斷發生生理與生長階段的交替變化，尤其是圍產期的生理不斷發生巨大變化，不斷產生繁殖狀態及生產過程數據。所有事件及過程均通過每頭壅羊的唯一編碼建立關聯，例如公羊或母羊的資料卡就是通過ID號關聯不同數據表中的狀態數據而產生的。

3.2 數值輔助分析

巨量的繁殖狀態及泌乳數據，只有靠更具模塊化和復雜化的計算程序才能深入挖掘其價值［15-16］。如可選擇圖4所示的功能模塊，實現有選擇地從基礎數據庫中調出符合要求的羊只記錄，幫助生產管理人員迅速定位需要處理的羊只（群）。事實上，該系統還包括大量的分析功能模塊，如分析“胎間距”、“應配母羊”、“胎次結構”等。此外，該系統中所有顯示字段（數值型或字符型）都可進行正反向排序。將索引排序數據導出后再次排序，便可獲得理想順序的排序表，以便管理人員進行基本系統管理。這些功能在熊本海等［17，19］、肖建華等［19］及楊亮等［9］開發的家畜數字化管理系統有部分考慮，但整體設計上沒有考慮全面，排序的多元組合便利，特別適合大規模的種畜場臨時性的排序要求。而在 ALPROTM［20］，Afifarm［21］及 Agritec［22］等系統中未見實現。

3.3 可視化分析

保持每年對壅羊群中母羊年齡和胎次結構的更新與調整，是穩定種羊群生產量的必要途徑。有報道包括羊在內的繁殖家畜群中，1～2胎母羊所占比例為40%左右，3～5胎為40%左右，6胎及以上為20%左右［23-24］的繁殖家畜群體相對合理。在圖7所示的3個胎次區間的壅羊種群中，1～2胎比例為45.8%，3～5胎為38.2%，6胎及以上為16.0%。數據顯示第一壅羊場的母羊胎次比例總體上相對合理，但1～2胎次比例偏高一些，3～5胎次比例略低一些，6胎及以上胎次比例偏低一些，表明高胎次羊淘汰較多，可通過提高管理水平及壅羊的健康水平，延長種母羊的利用年限，可使群體胎次結構趨于合理。對其他過程參數的可視化分析，可同樣獲得有分析價值的圖表。

3.4 平臺拓展性

精細養殖管理平臺的研制與運行，主要用于整合壅羊繁殖泌乳等基礎數據，從技術及管理層面上服務于壅羊的繁育生產。但是，繁殖性能參數還必須與經濟性能評價指標融合起來，以此維持養殖場的高效運行與管理，才會產生數字經濟的增值效果。為此Bj?rn等［25］，K.Mertens等［26］基于操作變量、策略變量兩方面，構建經濟學領域的線性規劃模型，引入相關參數（如原來價格、畜群規模、泌乳量等），建立模型評估奶牛場運行效益，并用實際數據驗證模型精度及可行性。鄭國生等［8］、熊本海等［18］及張德敏等［27］通過關聯牛群管理模式與提高繁殖率，制定了牛場數字化管理規范，再利用體重預估模型，預測每頭奶牛的TMR（Total Mixed Ration）需求量。肖建華等［19］則基于計算機技術與繁殖理論模型，綜合考量牛群繁殖參數監測和繁殖場整體運行狀況。基于現有技術與特定經濟目標進行平臺管理策略制定將是今后規模化壅羊場數字化網絡平臺升級開發部署的方向。

4 結論

壅羊場的數字化管理是以其繁殖生產過程狀態參數的數字化定義為切入點，以繁殖理論參數界定為驅動力，通過統計基礎繁殖數據，計算分析繁殖個體及群體各性能參數（如羊群的受胎率、空懷率、漏情率、繁殖率、死淘率及胎次結構），多角度分析羊群繁殖狀態。雖繁殖理論較固定，但智能提示參數可根據需求設定，系統還提供了統計數據的可視化分析功能，渲染了關鍵數據的變化趨勢，更有助于管理者判斷并做出科學的決策。