人工智能驅(qū)動智慧奶牛養(yǎng)殖的思考與實踐

文/夏 雪 侍 嘯 柴秀娟

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點實驗室）

中國作為畜牧業(yè)大國，其畜牧總量一直穩(wěn)居世界前列。隨著政府對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的持續(xù)支持，我國奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)也得到快速發(fā)展，規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化奶牛養(yǎng)殖已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。到“十三五”末期，全國百頭以上奶牛規(guī)模化養(yǎng)殖比例將達到70%[1]，這也給奶牛的養(yǎng)殖管理提出了更高要求。

傳統(tǒng)人工奶牛養(yǎng)殖需要大量的人力投入，養(yǎng)殖全過程都需要人員進行監(jiān)控和管理，不僅費時、費力，而且效率較低，已遠遠不能滿足當(dāng)下規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖的發(fā)展需求。奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化、健康發(fā)展，需要依靠信息技術(shù)來提升奶牛的科學(xué)養(yǎng)殖管理水平，保證奶牛養(yǎng)殖的高效性和可持續(xù)性，提高奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)從傳統(tǒng)粗放式人工養(yǎng)殖向智能化、精準(zhǔn)化養(yǎng)殖的轉(zhuǎn)變[2]。

在信息技術(shù)的推動下，我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)正在經(jīng)歷一場前所未有的巨大變革。信息技術(shù)與奶牛養(yǎng)殖的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)奶牛養(yǎng)殖各個環(huán)節(jié)的信息感知，準(zhǔn)確了解奶牛生長環(huán)境情況和生理情況，精準(zhǔn)監(jiān)測奶牛發(fā)情期，實時掌握奶牛疾病程度，從而對奶牛進行精細的個性化飼養(yǎng)管理，使奶牛養(yǎng)殖過程更加科學(xué)化、智能化和現(xiàn)代化[3]。

本文在分析智慧奶牛養(yǎng)殖核心驅(qū)動力的基礎(chǔ)上，總結(jié)了當(dāng)前奶牛養(yǎng)殖中的智能化技術(shù)，分析了智能化奶牛養(yǎng)殖的成本效益，探討了奶牛身份智能識別的研究實踐，并對智慧奶牛養(yǎng)殖的未來趨勢進行了展望，以期為我國奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型、升級提供技術(shù)和方案上的參考。

1 智慧奶牛養(yǎng)殖的核心驅(qū)動力

奶牛養(yǎng)殖規(guī)模的擴大并不一定帶來成本的降低，在畜群數(shù)量較少時，飼養(yǎng)員能夠輕松跟蹤、管理每一頭奶牛，而當(dāng)畜群數(shù)量增大后，飼養(yǎng)員則很難實現(xiàn)每頭奶牛的精細化跟蹤、管理，導(dǎo)致疏于察覺奶牛體征的異常，進而產(chǎn)生較大經(jīng)濟損失。面對不斷增長的奶牛數(shù)量，需要探索更多有效的技術(shù)手段來改善現(xiàn)有的奶牛管理方式，提升奶牛養(yǎng)殖的智能化程度[4]。

進入新世紀(jì)以來，信息技術(shù)的快速發(fā)展讓人們的生產(chǎn)生活方式有了質(zhì)的改變，數(shù)字化和智能化水平顯著提高。同時，信息技術(shù)也正以前所未有的深度、廣度和速度改變著奶業(yè)發(fā)展的方式。在奶牛養(yǎng)殖方式向知識型、技術(shù)型轉(zhuǎn)變的過程中，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新一代信息技術(shù)，將成為實現(xiàn)智慧奶牛養(yǎng)殖的核心驅(qū)動力[5，6]。

物聯(lián)網(wǎng)將為智慧奶牛養(yǎng)殖提供海量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通了物與物之間的信息交互鏈路，使得萬物實現(xiàn)了互聯(lián)互通。由大量傳感器節(jié)點組成的物聯(lián)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可以實時采集奶牛生長狀況和養(yǎng)殖環(huán)境等信息，同時，通過奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，將會進一步形成“人-機-畜”一體化的奶牛養(yǎng)殖作業(yè)體系。

大數(shù)據(jù)使得智慧奶牛養(yǎng)殖的決策更具可預(yù)測性。借助大數(shù)據(jù)清洗和融合技術(shù)，收集大量奶牛養(yǎng)殖歷史資料數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并形成大規(guī)模奶牛養(yǎng)殖數(shù)據(jù)庫，同時利用大數(shù)據(jù)建模分析技術(shù)，對奶牛產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)進行知識建模，挖掘奶牛生產(chǎn)、流通和交易之間的數(shù)據(jù)耦合關(guān)系，從而為畜牧養(yǎng)殖業(yè)有序發(fā)展提供全面的大數(shù)據(jù)解決方案。

云計算是實現(xiàn)智慧奶牛養(yǎng)殖市場化的關(guān)鍵。通過奶牛養(yǎng)殖業(yè)云設(shè)施、云存儲、云服務(wù)技術(shù)的應(yīng)用，打通奶牛養(yǎng)殖戶、合作社和畜牧企業(yè)的信息壁壘，利用可配置化計算資源共享池優(yōu)化技術(shù)構(gòu)建的奶牛養(yǎng)殖云服務(wù)平臺，可在信息網(wǎng)絡(luò)、存儲、服務(wù)等方面滿足奶牛養(yǎng)殖經(jīng)營主體對于少投入、即得性、便捷性、精準(zhǔn)性的多元需求。

智能裝備是奶牛養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)“機器替人”的主體。奶牛養(yǎng)殖智能裝備的核心是人工智能技術(shù)，涉及機器視覺、語音識別、虛擬現(xiàn)實和可穿戴設(shè)備等多項關(guān)鍵技術(shù)，通過智能儀器設(shè)備的研發(fā)，形成智能產(chǎn)品，能夠多方位融入到奶牛養(yǎng)殖管理的各個方面，最終全面代替人工作業(yè)，實現(xiàn)奶牛智慧養(yǎng)殖的閉環(huán)控制。

2 奶牛養(yǎng)殖中的智能化技術(shù)

奶牛養(yǎng)殖中的智能化技術(shù)包括奶牛養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、奶牛個體身份標(biāo)識技術(shù)、奶牛個性化精準(zhǔn)飼喂技術(shù)和奶牛疫病智能診斷技術(shù)[7，8]。

2.1 奶牛養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

充分利用科技手段有效監(jiān)控奶牛養(yǎng)殖環(huán)境，是智慧奶牛養(yǎng)殖的基本要求，大量科學(xué)實驗和生產(chǎn)實踐都表明，溫度、濕度、光照等環(huán)境因素會影響奶牛生產(chǎn)。隨著無線傳感器、移動通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將實時獲取的牧場環(huán)境參數(shù)傳輸至云服務(wù)端，并通過智能手機、Pad平板電腦和PC計算機等終端實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的圖形化顯示，成為規(guī)模化奶牛牧場普遍采用的信息管理模式。

2.2 奶牛個體身份標(biāo)識技術(shù)

奶牛個體身份的標(biāo)識是實現(xiàn)奶牛行為狀態(tài)監(jiān)控、個性化飼養(yǎng)及奶牛疫病診治、防控的前提和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)奶牛養(yǎng)殖模式中的常見標(biāo)識技術(shù)手段有奶牛身體噴號、剪耳、耳標(biāo)和項圈等。值得注意的是，近年來興起的射頻識別技術(shù)已在我國奶牛身份標(biāo)識中取得了長足發(fā)展，可以方便地集成到奶牛的耳標(biāo)和項圈中使用。隨著人工智能技術(shù)向畜牧業(yè)的不斷滲透，包括面部識別、虹膜識別、姿態(tài)識別在內(nèi)的生物識別技術(shù)逐漸成為奶牛身份標(biāo)識的主流技術(shù)，這也讓奶牛個體健康檔案的建立、奶牛生命體征狀態(tài)的跟蹤與預(yù)警變得更加準(zhǔn)確和科學(xué)。

2.3奶牛個性化精準(zhǔn)飼喂技術(shù)

奶牛的精準(zhǔn)化飼喂涉及自動投喂、自動稱重、自動分群和飼料余量監(jiān)測等一系列工作。奶牛個性化精準(zhǔn)飼喂技術(shù)是奶牛個體識別、多維數(shù)據(jù)分析和智能化控制的集成應(yīng)用，通過結(jié)合奶牛營養(yǎng)知識、養(yǎng)殖知識及奶牛個體生理信息，借助智能化算法準(zhǔn)確推算每頭奶牛不同階段的飼料需求量，并調(diào)動飼喂器實施飼料變量投喂，實現(xiàn)個性化定時、定量的精準(zhǔn)飼喂，滿足奶牛不同階段的動態(tài)營養(yǎng)需求。

2.4 奶牛疫病智能診斷技術(shù)

在全球生態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大變化的同時，奶牛疫病流行態(tài)勢也變得更加復(fù)雜，從最初地影響奶牛健康狀況，逐步擴大到對奶牛養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展等多方面的影響，特別是包括奶牛在內(nèi)的畜牧動物的重大疫病，已經(jīng)威脅到全球公共衛(wèi)生安全和社會經(jīng)濟秩序。現(xiàn)階段，新一代信息技術(shù)已被用于奶牛等畜牧動物的疫病診斷中，出現(xiàn)了多種奶牛遠程智能診斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)奶牛疾病的遠程影像診斷和奶牛疾控信息實時獲取等功能。

3 奶牛智能化養(yǎng)殖的成本效益分析

隨著智能化技術(shù)在畜牧業(yè)的廣泛應(yīng)用，奶牛養(yǎng)殖對智能化的依賴程度會越來越高，而前期用于奶牛養(yǎng)殖智能化建設(shè)的投入將會給奶牛養(yǎng)殖經(jīng)營主體帶來持續(xù)的正面效益。根據(jù)文獻[9]的研究分析可知，在利用發(fā)情檢測器監(jiān)測奶牛發(fā)情狀況后，奶牛的受胎率由之前的20%～30%提升到了40%，奶牛的胎間距由之前的101～103 天縮短至96 天；使用精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)進行裝料和投料作業(yè)可達到98%的精確度，比普通飼喂系統(tǒng)的裝投精確度提高了8 個百分點，飼料耗損每噸可以減少約12.5 千克；通過使用養(yǎng)殖場環(huán)境濕度監(jiān)控系統(tǒng)，使奶牛臥床率提升了15%，日均臥床時間提升了約1 小時。在奶牛疾病診斷預(yù)防方面，通過大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)奶牛的健康異常情況，從而做出及時預(yù)防處理。借助奶廳在位識別系統(tǒng)的奶牛個體識別功能，使得奶牛乳房炎患病率下降了4%～5%，通過分析奶牛養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)，使奶牛年繁殖淘汰率下降了5%。

奶牛飼養(yǎng)方式的好壞直接體現(xiàn)在奶牛泌乳量及乳品品質(zhì)上。通常情況下，奶牛泌乳天數(shù)越低，生鮮乳產(chǎn)量越高，而傳統(tǒng)牧場的奶牛泌乳天數(shù)大多在200 天以上。當(dāng)傳統(tǒng)牧場經(jīng)過智能化改造后，奶牛泌乳天數(shù)縮短到了182 天，奶牛泌乳量由原來的單產(chǎn)30 千克增長至單產(chǎn)31 千克以上，同時乳品品質(zhì)也得到改善，乳脂率由原來的3.9%提升至4.1%，乳蛋白率由原來的3.1%提升至3.5%。

綜上可以看出，智能化技術(shù)對于奶牛養(yǎng)殖的節(jié)本增效有著不可忽視的作用，智能化手段的應(yīng)用在奶牛養(yǎng)殖中起到了明顯的正回饋效應(yīng)，給奶牛養(yǎng)殖經(jīng)營主體帶來了較大的便利與效益。

4 奶牛身份智能識別技術(shù)的探索與實踐

以機器視覺、深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)已融入畜牧業(yè)的許多方面，促進了畜牧養(yǎng)殖過程的精準(zhǔn)化、自動化和智能化。規(guī)模化奶牛牧場中對牛只的精細管理，關(guān)鍵在于對奶牛個體身份的識別。快速、準(zhǔn)確地識別奶牛身份，不僅是奶牛健康狀況追蹤和奶源追溯的基礎(chǔ)，而且也是奶牛生產(chǎn)能力記錄和選種選配的前提條件。牧場管理人員可通過奶牛身份的智能識別對奶牛建立個體記錄檔案，統(tǒng)計查詢奶牛的年齡、性別、健康狀況、疾病史、飼料消耗、產(chǎn)奶量和奶品質(zhì)量等情況[10]。因此，奶牛身份智能識別技術(shù)的研究與應(yīng)用，將大幅緩解規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖過程中人少牛多的管理困境，顯著提升養(yǎng)殖管理效率，對提高奶牛產(chǎn)量和改善乳品質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

目前奶牛個體識別主要通過物理方法在奶牛身體某些部位上做標(biāo)記，或是將微型標(biāo)簽芯片直接嵌入奶牛身體，通過射頻信號讀取標(biāo)簽編號。然而，這些方法仍無法防止欺詐行為（如標(biāo)記被復(fù)制）的產(chǎn)生，同時奶牛的動物福利也受到較大侵害[11]。近年來，基于機器視覺的非接觸式人臉識別技術(shù)已開始逐漸應(yīng)用到動物的身份識別領(lǐng)域，機器視覺的低成本、非接觸、無損傷、易使用等特點，使之成為奶牛身份智能識別的理想解決方案。

針對奶牛身份識別問題，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所開展了深入研究，結(jié)合機器視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)提出了一種新的奶牛身份智能識別方法，技術(shù)思路如圖1所示。首先對待識別奶牛的圖像進行臉部檢測，鎖定奶牛面部區(qū)域位置，去除背景信息；然后對檢測到的奶牛面部區(qū)域圖像進行特征提取；最后，將提取的特征送入預(yù)先構(gòu)建的奶牛面部特征數(shù)據(jù)庫進行相似度計算，得到待識別奶牛的身份。基于核心算法開發(fā)的奶牛身份智能識別原型系統(tǒng)如圖2所示。

奶牛身份智能識別的關(guān)鍵是奶牛的面部檢測與面部識別。相對于奶牛面部識別來說，人類面部識別技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)已趨于成熟。因此，課題組借鑒人類面部識別的思路，根據(jù)奶牛的面部器官和紋理特征定義奶牛面部輪廓，并利用深度學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練奶牛身份智能識別模型。

圖1 奶牛身份智能識別的技術(shù)思路

圖2 奶牛身份智能識別原型系統(tǒng)

要識別奶牛的身份，首先需要檢測圖像中奶牛的面部區(qū)域。在進行模型訓(xùn)練時，大量帶有奶牛面部位置標(biāo)簽的圖像被送入深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于模型的特征學(xué)習(xí)，經(jīng)過訓(xùn)練得到的模型可以自動檢測奶牛的面部區(qū)域。在檢測到奶牛臉部區(qū)域后，需要進一步提取奶牛面部特征并進行識別分類，從而區(qū)分出不同身份的奶牛。為了識別不同身份的奶牛面部，需要獲取奶牛面部中易于區(qū)分的特征，為此采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取奶牛面部的深層特征，這些特征帶有區(qū)分不同奶牛面部的信息。在進行模型訓(xùn)練時，將大量帶有身份標(biāo)簽的奶牛面部圖片作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，生成具有面部特征區(qū)分能力的奶牛面部識別模型。

研究中發(fā)現(xiàn)，奶牛面部與人類面部具有一定相似性（如眼睛等部位相似度較高），所以可以認(rèn)為用于人類面部識別的特征提取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對奶牛面部識別具有一定指導(dǎo)作用。因此，研究中引入遷移學(xué)習(xí)的方法，將人臉識別的先驗知識遷移到奶牛面部識別任務(wù)中，在訓(xùn)練模型時，預(yù)先采用大量人類面部數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上利用奶牛面部圖像數(shù)據(jù)對深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行微調(diào)訓(xùn)練，從而獲取更高性能的深度學(xué)習(xí)模型。

為驗證方法的有效性，對所提出的奶牛身份智能識別模型和系統(tǒng)進行了性能測試。試驗中使用190 頭奶牛共計2 600 幅奶牛面部圖像訓(xùn)練奶牛身份智能識別模型，使用34 頭奶牛共計361 幅奶牛面部圖像構(gòu)建奶牛面部特征數(shù)據(jù)庫，并將來自上述34 頭牛的另外194 幅圖像作為測試集去評價模型的識別準(zhǔn)確率。試驗結(jié)果顯示，模型在測試集上的識別正確率達到了98.45%，僅有3 幅圖片被識別錯誤，在帶有GPU環(huán)境的PC上利用識別系統(tǒng)進行奶牛身份智能識別，耗時僅為0.3 s/幅。結(jié)果表明提出的方法能有效識別不同身份的奶牛面部，且具有較好的識別效果。研究成果可提升奶牛精細養(yǎng)殖管理的智能化水平，為現(xiàn)代奶牛業(yè)精準(zhǔn)、健康、福利養(yǎng)殖提供技術(shù)支撐。

5 未來趨勢展望

展望未來，新一代信息技術(shù)必將成為我國奶牛業(yè)持續(xù)、健康發(fā)展的重要引擎。隨著科技的不斷進步，傳感技術(shù)將更加先進，會帶來更加優(yōu)異的性能和更加智能化的表現(xiàn)；無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，將使信息的交互變得更加便捷；信息處理水平的不斷提高，能夠進一步優(yōu)化系統(tǒng)模型的性能，從而提供更加智慧化的奶牛養(yǎng)殖管理服務(wù)。

人工智能技術(shù)的快速發(fā)展將為奶牛養(yǎng)殖業(yè)帶來前所未有的機遇，人工智能將成為智慧奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展最關(guān)鍵的因素。人工智能將融入奶牛養(yǎng)殖的各個環(huán)節(jié)，智能化技術(shù)的應(yīng)用將對奶牛養(yǎng)殖場的疫病防控、生物安全、精準(zhǔn)飼喂、環(huán)境控制等重大核心問題破解起到巨大的推動作用。促進人工智能與畜牧養(yǎng)殖的深度融合，大力發(fā)展智慧奶牛養(yǎng)殖，是大勢所趨。未來奶牛養(yǎng)殖管理必將向“管理智能化、飼養(yǎng)精準(zhǔn)化”的養(yǎng)殖管理模式發(fā)展。

奶牛養(yǎng)殖業(yè)的智能化發(fā)展不可能一蹴而就，也不可能是簡單地將人工智能與奶牛養(yǎng)殖業(yè)進行疊加，而是需要聚合奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)各方力量共同推進，大力宣傳奶牛養(yǎng)殖智能化發(fā)展理念，使整個行業(yè)都能夠更深刻認(rèn)識到推進奶牛養(yǎng)殖智能化不僅是整個產(chǎn)業(yè)今后發(fā)展的大勢，更是奶牛養(yǎng)殖經(jīng)營主體實現(xiàn)管理科學(xué)化、經(jīng)營現(xiàn)代化和效益最大化的需要。