規模化肉羊養殖的生產運營虛擬仿真：基于人機交互的實驗設計＊

劉豫杰，寶音都仍

（內蒙古農業大學經濟管理學院，內蒙古 呼和浩特 010011）

近年來，隨著國家對畜牧業的重視度不斷提高，中國的草食動物養殖業已經逐步由農戶分散養殖形式向規模化、集約化、標準化養殖的形式轉變，特別是肉羊養殖業產品產量持續增長，標準化規模穩步推進，中國已初步構建了現代肉羊養殖畜牧業生產經營體系。然而中國的肉羊養殖與畜牧業發達國家相比還有很大差距，仍面臨著規模化程度不高、飼料轉化率低、疾病防控風險大、種養脫節、人才短缺和勞動力成本高等問題，嚴重影響了生產力的提高。

內蒙古自治區是中國最大的畜牧業生產基地和主要畜產品供應基地，肉羊的規模化養殖已經成為內蒙古畜牧業產業發展的主要方向。然而內蒙古現階段在肉羊規模化養殖方面仍急需大量專業化的管理人才和創新型的管理團隊。廣大農業高校、培訓單位肩負著為牧區現代化和鄉村振興提供人才儲備和智力支持的重要任務。但現有的面授培訓與實地認知實習的教育模式面臨著諸多困難與挑戰，如內蒙古自治區的農村牧區地處偏遠，農牧業從業人員居住分散，培訓成本高；規模化養殖基地數量有限，難以容納大量實習學員；動物防疫任務較重，存在人畜共患病問題的風險。因此，需要改變傳統的單一性的專業人才培養模式，將工商管理專業知識和養殖專業技術知識結合，深化專業內涵，拓寬應用領域，在重點培養學員實操能力和解決實際問題能力的總目標下，開創新的教學方式，提高教學與培訓質量。

鑒于工商管理專業與養殖業之間專業距離較遠，專業壁壘較厚，學員深入養殖場實操難度較大，內蒙古農業大學經濟管理學院自2020 年開始，探索了建立一套模擬現代化肉羊規模養殖的生產管理程序的虛擬仿真教學與實驗體系。

本研究就該系統的搭建結構進行介紹與總結，以期為未來的相關實踐教學創新提供支撐。該體系的建立基于網絡平臺建設，學員足不出戶就可學習肉羊規模化現代養殖的技術與方法，解決了內蒙古學員距離遠、較分散、培訓成本高的問題。通過人機交互的虛擬仿真，使學員身臨其境感受肉羊養殖業的生產運營管理流程，并通過學習相關模塊，增強對肉羊規模化養殖業的認識，培養將生產管理知識與肉羊規模化養殖相結合的能力。同時，鍛煉創新精神和解決問題能力，為培育更多的應用創新型人才投身內蒙古畜牧業提供支持。

1 知識背景與文獻綜述

1.1 人機交互虛擬仿真

虛擬仿真技術，又可稱為虛擬現實技術，即用一個電子系統模仿一個真實的生活與生產情境或系統的技術。虛擬仿真由計算機生成，再現現實世界，通過多種傳感形式與虛擬世界進行自然交互，達到身臨其境的效果并進行實際操作模擬。用戶通過觀測與在計算機系統內的情境實操，直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。為了增強體驗感，人機交互虛擬仿真還可通過VR、AR 技術等方式實現其逼真性和實時交互性。

1.2 人機交互虛擬仿真在農業中的應用

近年來，隨著計算機及互聯網技術的快速進步，人機交互虛擬仿真在農業生產管理中的實踐已經得到了廣泛的應用。其實踐應用方面主要包括獸醫學虛擬手術及診斷實操、農學植物種植虛擬生長、園林設計虛擬布局、農業機械虛擬開發設計及操作、農業虛擬雜交繁育、農業經濟管理虛擬經營等。21 世紀隨著AⅠ技術和仿真技術的進步，虛擬仿真技術已經成為農業科學研究與教學中不可缺少的一部分。

1.3 文獻綜述

人機交互虛擬仿真在中國大致興起于2000 年前后，主要集中在工程學和企業生產仿真方面，而在農業方面的虛擬仿真研究還較為稀少。例如，李全龍等[1]（1999）討論了將計算機仿真優化技術應用于敏捷虛擬企業組織建立的有關問題，說明了仿真優化技術的地位。麥錦輝等[2]（2003）研究了基于網絡的仿真系統平臺，將不同類型的設備資源進行在線實時監控，分析了建立人機交互、時空一致、動態調度的交互式仿真的可行性。李媛紅等[3]（2003）探討了基于虛擬現實的供應鏈可視化仿真的方法及策略。王國偉等[4]（2003）研究了虛擬企業模型的基本結構，探討了企業建模體系CEMS 的相關細節。樓亞芳等[5]（2006）應用虛擬仿真技術對服裝縫制流水線的生產過程進行仿真模擬，并用MatLab 進行實例編程計算驗證可行性。周漪清等[6]（2006）對遠程實驗教學中仿真、虛擬技術的應用進行了討論，肯定了其實踐的經濟性與高效性。

2006 年以后，針對農業的虛擬仿真研究和相關應用的開發逐漸受到學界廣泛重視。王昊鵬等[7]（2008）討論了遙感數據融合在實現植被虛擬仿真工作中的作用和基本原理。張園園等[8]（2013）對虛擬仿真設計在觀光農業園中的應用進行了研究。近年來虛擬仿真技術逐漸被應用到了實驗教學中并強調人機交互的重要性，相關研究也逐漸增多。如張煒等[9]（2015）分析了虛擬仿真實驗教學平臺在生物學實驗教學中的獨特優勢，提出了教學建設和管理中的一些亟待解決的問題。周彥珍等[10]（2016）對建設中國農業科教虛擬仿真實驗實訓系統提出了構想，并強調應立足全媒體環境下的信息技術和傳媒技術，進行全方位的系統設計。而張永江等[11]（2017）進一步討論了農科類虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐，并提出要打破時間和空間的限制，實現虛實互補。針對畜牧業教學，關松磊[12]（2018）以吉林農業大學為例，對通過虛擬仿真實驗平臺開展動物性實驗的經驗進行了總結。歐紅萍等[13]（2019）總結了虛擬仿真實訓技術在獸醫臨床教學中的應用研究。李靜等[14]（2020）則直接對動物科學專業學習中虛擬仿真實驗教學的建設與實踐進行了評述。呂丹娜等[15]（2021）對“豬生產”課程中虛擬仿真實訓平臺的建立與應用進行了細致講解。

總體上講，中國在虛擬仿真交互技術方面針對農業的應用還處在發展階段，還有很多針對性的研究需要完成。特別是應用在農業生產管理活動與農業技術相結合方面的應用和實踐還較為稀缺。因此，本研究希望在這一方面增加一定的成果與經驗。

2 人機交互虛擬仿真在規模化肉羊養殖場生產運營管理中的應用

2.1 應用原理

2.1.1 仿真情境

本研究以多于5 000 頭肉羊規模的肉羊養殖場的生產運營管理為對象，模擬從企業設立到肉羊初次出欄的12 個月的生產周期。在周期內的每個關鍵的生產運營管理模塊設定虛擬仿真情境，培養并考察學員將生產運營管理的知識應用于重要實際生產管理工作的能力。要求學員模擬在各仿真情境下所扮演的角色，通過使用生產運營管理知識進行計算和分析，確定決策方案并輸入計算機系統。各決策的結果通過程序的計算得到損益結果。最后指導教師對小組決策進行復盤，確定最優秀學員小組，并分析各組在每個情境下的生產分析和決策，找出問題，提高學員的知識理解程度。依據肉羊養殖的基本工作流程，重點生產仿真環節包括肉羊生長仿真演示、戰略設定、養殖場選址與布置、生產技術設計、設備采購與庫存管理、需求預測、生產計劃、飼料管理、配種管理、育肥管理、疫病防治管理、生產環境控制、質量控制、成本控制、維修管理、環保管理、危機處理等。

2.1.2 主要知識點

生產運營戰略：生產運營戰略設定的全過程包括設定企業使命和主要發展目標、戰略分析、戰略選擇、戰略實施方案。學員應熟練使用相關的戰略分析方法如SWOT 矩陣、明茨伯格5P 理論、學習率理論等。

生產運營系統設計：根據實際的市場發展和生產要求，企業對其生產運作系統進行宏觀和微觀的設計。含生產設施選址與布置決策、設施選址與布置決策的定量分析、生產流程設計與選擇的原則與方法等內容。

需求預測：對企業產品的實際市場需求進行預測，分為定性預測和定量預測2 部分，包含德爾菲法、時間序列模型、因果模型等需求預測方法。

生產計劃：企業對生產任務做出統籌安排，具體擬定生產產品的品種、數量、質量和進度的計劃。

庫存管理：精確分類庫存種類，合理規劃庫存時間，保障庫存的經濟性。

作業排序與生產控制：具體確定每位員工、每臺設備每天的工作任務和工作先后順序的過程。

質量管理：確定控制計劃與標準，并在實施過程中進行連續監視和驗證、糾正不符合計劃與程序的現象、排除質量形成過程中的不良因素與偏離規范現象，恢復其正常狀態。

收入管理：在不同時期，根據不同需求采取不同的定價，以產生最大收入或收益的綜合計劃策略。

危機管理：危機爆發前的預計，預防管理和危機爆發后的應急善后管理。

生產系統的維護與改進：包括人員培訓、業務流程重組、設備和設施的維護、質量管理、精細生產以及其他先進的生產方式。

2.2 應用內容

2.2.1 交互式虛擬仿真流程

具體流程如圖1 所示，共包含以下8 個環節：①養殖過程的靜態虛擬仿真。仿真再現肉羊的生長過程和規模化肉羊養殖廠的生產實景，使學員學習現代化肉羊養殖的標準流程。②生產運營戰略設定。要求學員為新設立的規模化肉羊養殖廠設定生產運營戰略，運用SWOT 矩陣等理論工具模型，進行戰略分析和選擇。③企業建設。模擬設立規模化肉羊養殖場所需要的選址決策、設施布置、飼料基地建設、羊群購買、設備購買、工人雇傭等工作，學員通過人機交互，將決策結果輸入系統。④養殖生產運營管理。要求學員針對系統所設定的養殖工作設計、需求預測等養殖生產情境，運用甘特圖、生產率公式、工時定額等工具，完成養殖生產決策。⑤生產質量管理。要求學員根據系統情境，使用Minitab 軟件，對肉羊的關鍵抽樣數據進行質量統計分析，并根據統計分析結果，運用PDCA 模型等質量管理工具，提出質量改進方案。⑥成本收益管理。根據前幾個環節學員輸入系統的數據，系統驗算出企業的財務數據表，學員根據財務數據，分析生產管理的經濟性，通過量本利分析等模型，提出改進意見。⑦綜合評價與復盤。實驗教師根據學員各組實驗結果進行點評，選取代表性強的組進行復盤演示，學員記錄評價與復盤結果。⑧實驗報告。學員根據所有環節的實驗流程和實驗數據，編寫實驗報告，綜合進行評分。

圖1 虛擬仿真流程

2.2.2 交互活動

2.2.2.1 角色扮演情境交互

學員在各系統情景中，將自己的角色設定為規模化的肉羊養殖企業的生產管理人員。通過小組內部成員的分工，模擬不同崗位的活動。

2.2.2.2 生產決策人機交互

通過人機交互，學員時刻主動干預實驗，變被動為主動地參與實驗。對于如肉羊養殖技術獲得、人員培訓、飼料基地建設等活動的決策在計算機中輸入選擇結果，通過人機交互一步步模擬經營活動。

2.2.2.3 小組間競爭

虛擬仿真活動共分為4 期，每期結束后會進行分數評比，學員在分組競爭中，提升團隊合作能力。與某一期的得失相比，最終的小組間競賽綜合結果更為重要。

2.2.2.4 復盤總結

通過復盤，學員可以看到自己之前決策的理由，回顧決策的做出過程，找到決策的依據，發現決策的問題。同時通過小組間的交流，增強對整個實驗過程的理解，提高對專業知識的記憶，增強實驗效果。

2.2.3 仿真核心要素

2.2.3.1 靜態仿真

通過靜態動畫演示規模化肉羊養殖場所包含的一系列資源，具體內容如下。

資源：包括土地、資金、工人 、技術員、技術顧問等；預計購買種羊、基礎母羊、育肥羊等的具體數量；預計可獲貸款額、利息；預計可獲得政府補貼、條件企業規模達、可依托技術支持等具體數據。

品種：初次購買不小于3 月齡；購買杜泊肉羊的數量大于等于820 只、體重大于等于60 kg、單價1 800元；購買蒙古羊的數量大于等于5 200 只、體重大于等于50 kg、單價1 000 元。

養殖場：羊舍、羊活動場、飼料基地、設備倉庫、辦公室、員工宿舍和食堂等實景還原。

2.2.3.2 動態仿真

肉羊生長過程仿真：通過三維動畫展示肉羊自出生羔羊到出欄羊的全生長過程。學員點擊各個關鍵管理點（如配種、選料、防疫等），以動畫羊的形式，3D 還原出相應的肉羊生長程度（身高、體重等），還原程度要求高。主要技術參數如表1 所示。

表1 主要技術參數

養殖場設立經營決策仿真：在養殖場設立階段，在選址決策、設施布置、人員雇傭、土地租賃、設備購買等方面，設定相應情境，要求根據所給數據和背景信息，結合生產經營管理的專業知識，進行決策分析與選擇。例如在選址決策階段，提供給學員多個選址備選方案，學員根據生產選址決策的成本因素、社會因素、自然因素、交通因素等進行分析，綜合考慮企業的生產規模、生產方式、專業化與協作化水平等要求，確定選址方案。選址方案條件如表2 所示，給出5 個選址方案，學員需要分析方案參數，并運用模型，分析方案中的最優、次優和最劣方案，通過應用生產運營管理中關于選址決策的相關知識和計算模型，作出選址決策。

表2 選址方案條件

表2（續）

設施布置決策仿真：布置方案如圖2 所示。在設施布置的虛擬仿真中，學員可以根據養殖場設施布置需要，進行養殖場的虛擬仿真布置。學員在布置時應考慮生產效率最大化，例如，將圈舍與飼料基地近距離布置，同時留有運輸通道。同時應考慮生產安全的保障，將養殖區和員工生活區分開，并合理布置消防點。最后還應考慮運輸的需要，確保在足夠的空間內進行飼料和肉羊的裝運。總體來說，要求學員的布置方案既滿足生產便利化、安全化的需要，又滿足精細化和經濟最優化的目標。

圖2 布置方案示意圖

養殖生產過程管理仿真：多組學員進行生產管理競爭模擬，精細化把控各重要時間點，合理分配生產管理任務。根據生產管理相關知識，在各生產實驗模塊中輸入決策結果，學員需及時計算生產過程中的投入和產出，權衡市場供需結構的變化，在保證各項生產活動順利進行的前提下，確保生產的經濟性。學員可將養殖生產管理的各項任務按照時間序列排列，并制定相關甘特圖，在養殖生產中確保各項任務的精準完成。例如，每年的3 月、4 月為春羔產羔期，在此期間應該確保母羊飼料的充足，防疫充分。學員應在系統中輸入相關的數據，保證春羔管理的相關任務精準完成。通過模擬肉羊自購進到出欄銷售的整體生產管理過程，強化學員對生產管理知識的運用能力。核心仿真數據還包括人力成本、生產線成本、養殖業收入、副產業收入等。

養殖生產質量管理仿真：根據學員的生產管理決策，提供肉羊在各關鍵生長周期的平均活重、胴體重、凈肉重、屠宰率、凈肉率等指標。每只羊的個體指標間應該有差異，可供抽樣檢驗。學員抽取樣本后，通過使用Minitab 等質量管理軟件，計算出樣本的質量特征，并通過控制圖、帕累托圖等形式表示出來。學員依據質量管理的PDCA 和六西格瑪等質量管理方法，找到改進質量的可行辦法。最后學員將改進的數據輸入系統，比較改進前后的效果。實驗重點考察學員將肉羊養殖生產管理的統計數據進行收集、處理、分析的能力。通過控制圖（如圖3 所示）了解肉羊體重不合格數的變化情況，并分析肉羊體重是否在管理的合格控制范圍內。通過帕累托圖（如圖4 所示）分析影響肉羊體重的主要原因，同時確定質量改進方案。

圖3 肉羊體重不合格數P 的控制圖

圖4 影響肉羊體重主要因素的帕累托圖

危機處理決策仿真：仿真肉羊養殖過程可能產生的實際危機，如傳染病爆發、肉價下跌、飼料價格猛漲、環保不達標、消防不達標等問題。系統設定反應時間較為緊迫，需要立即做出決策。借此培養并考察學員快速、正確做出決策的能力。

成本-收益管理仿真：根據學員的決策，給出成本-收益等財務結果。學員可根據每一期的結果，為下一期的決策提供依據。在最后一期，系統給出總體的財務結果，借此評定每組學員的生產管理決策結果。

3 考核方法

根據實驗界面模塊，學員逐步確定實驗內容，最后根據學員決策的結果，教師進行點評。需要注意的是，本實驗只仿真模擬了企業一年中的生產經營活動，重點放在企業初創期的保證生存方面。成本-收益管理只反映了企業的財務狀況，并不能完全反映企業的未來發展，即使實驗小組期末的財務狀況并不理想，只要符合企業未來的發展方向并保證企業生存，即可認定為決策有效。對于實驗與實踐活動的考核，總分100分，實驗過程70 分（流程環節把控40 分、經營決策30 分），實驗報告30 分（流程重現10 分、決策心得10 分、實驗總結10 分）。考核方式如表3 所示。

表3 考核方式

4 結論與討論

基于以上設計，對規模化肉羊養殖的生產運營管理的交互式虛擬仿真系統進行軟件開發。該系統首先被應用于內蒙古農業大學經濟管理學院的生產與運作管理課程的專業實驗中，通過幾輪磨合，實驗取得了一定的成果。通過“實景仿真—角色扮演—人機交互—分組競爭—復盤討論”，學員轉變為了實驗教學的主體，增強了專業知識的運用，親身體驗到了作為養殖場管理者應擔負的責任，以及應進行的工作，應注意的管理點、應作出的決策和應考慮的問題，切實提高了工作實踐能力。通過本實驗的啟發式教學，學生開始思考并創造新的管理方法與技巧，提高學員的專業創新能力。對于決策，即使作出了錯誤的或者離譜的決策，也可以通過復盤進行回溯，找到決策中的問題，提升實踐教學效果，這是在以往的企業現場實踐教學中難以實現的。由于大量學員來自農村牧區，對肉羊養殖業本身擁有特殊的感情，本實驗進一步激發了學員服務于農村牧區現代化的熱情，為未來鄉村振興貢獻力量奠定了基礎。

該系統在實際操作中仍存在一定的短板，需要進一步完善與改進。首先，現階段僅在高校范圍內進行了測試，尚未在廣大農村牧區大面積推廣，針對不同地區、不同文化背景、不同專業背景的學員來說，還需進一步完善該系統；其次，由于尚處在開發初期，本項目只針對肉羊規模化養殖的生產管理的主干知識和活動進行了虛擬仿真模擬，對于細節性操作尚處在建設階段；再次，本系統尚只設計了按鍵式操作程序，未來擬進一步加入語音交互和VR 模擬；最后，對于內蒙古自治區的肉羊養殖業還存在如天氣、環境等的特殊影響，這些也尚未在系統中完全體現，但在未來的拓展模塊中，會進一步完善。總之，本系統是一個需要長期不斷更新、不斷完善的虛擬仿真系統，其實踐性和互動性還將進一步換代升級，以期為中國畜牧養殖業的發展貢獻力量。