基于數(shù)字孿生的豬肉智慧生產(chǎn)多尺度協(xié)同智能分析平臺架構(gòu)與應(yīng)用＊

四川云引智創(chuàng)科技開發(fā)有限公司 唐輝榮

本文研發(fā)了可實現(xiàn)豬肉生產(chǎn)供應(yīng)過程的可視化、信息化的豬肉智慧生產(chǎn)多尺度協(xié)同智能分析平臺。利用5G技術(shù)，研發(fā)圖像處理算法，對生豬目標進行實時檢測和跟蹤，繪制生豬目標運動軌跡，識別豬群扎堆狀態(tài)以及評估生豬健康狀況，實現(xiàn)生豬生長過程中的生長信息的管理；利用數(shù)學(xué)模型、數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對豬肉生產(chǎn)過程進行監(jiān)測與評估的豬肉智慧生產(chǎn)系統(tǒng)；將工業(yè)大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生技術(shù)、AR/VR、MR/XR 融合，解決對生豬養(yǎng)殖人機交互及時預(yù)警生豬疫情感染、豬肉質(zhì)量隱患等問題；充分考慮豬肉食品追溯過程的準確性和完整性。建立科學(xué)合理的豬肉產(chǎn)品全程信息可追溯系統(tǒng)，保障豬肉食品安全和提升豬肉食品品質(zhì)。從豬肉生產(chǎn)過程各產(chǎn)區(qū)監(jiān)管不均衡因素角度出發(fā)，研究如何構(gòu)建具備動態(tài)呈現(xiàn)豬肉生產(chǎn)過程和更強魯棒性的豬肉生產(chǎn)過程智能化監(jiān)管模塊。在實施構(gòu)造動態(tài)監(jiān)管模塊過程中，改變原來基于圖紙的構(gòu)型管理模式，逐步建立了基于數(shù)字孿生的數(shù)字化模式，并以之為主線建立產(chǎn)品各環(huán)節(jié)和各組成部分的關(guān)聯(lián)，進行豬肉質(zhì)量的構(gòu)型管理和控制，以助豬肉產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)業(yè)能力。

2020 年國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于構(gòu)建更加完善的要素市場化配置體制機制的意見》，提出加強數(shù)據(jù)資源整合，豐富數(shù)據(jù)產(chǎn)品，推動完善適用于大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)分類分級安全保護制度。我國是全球最大的豬肉生產(chǎn)和消費國，它是關(guān)系國計民生的大事，而生豬產(chǎn)業(yè)作為我國畜牧業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)正朝著集約化、規(guī)模化方向發(fā)展。2017年華為、中國電信、銀川奧特聯(lián)合推出基于NB-IoT 的牛聯(lián)網(wǎng)“小牧童”產(chǎn)品。通過每只奶牛脖上佩戴可穿戴設(shè)備，時時監(jiān)測牛的體溫、脈搏、發(fā)情期、配種、健康、產(chǎn)奶量等信息。2018 年初，阿里云開啟了智能養(yǎng)豬事業(yè)。通過對種豬場的每一豬只打上數(shù)字ID 標簽，對其日齡、體重、進食情況、運動頻次、體征異常情況、懷孕到分娩等，掌握豬只全生命周期數(shù)據(jù)信息，集成ET 農(nóng)業(yè)大腦，不僅能幫豬看病、保健，還能幫母豬多生仔。

國外等多個國家圍繞智慧農(nóng)業(yè)進行了廣泛的布局，出臺了NSTC“國家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略計劃”、產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略白皮書、農(nóng)業(yè)4.0 手冊、農(nóng)業(yè)創(chuàng)新2025、數(shù)字農(nóng)業(yè)、社會5.0 等各種政策，2015-2025 全球智慧農(nóng)業(yè)市值將達到683 億美元。智慧農(nóng)業(yè)包括智能農(nóng)業(yè)裝備、智能傳感器系統(tǒng)、智能無人機、智能機器人、軟件等主要技術(shù)。

為追趕時代智慧科技的步伐，本文擬通過搭建豬肉生產(chǎn)管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺，引入先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)、5G 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、視頻多媒體技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、人工智能機器視覺、云計算技術(shù)等，實現(xiàn)實時監(jiān)測、信息預(yù)警和智能控制，達到精細化養(yǎng)殖、智能化管理，為生豬養(yǎng)殖、屠宰、產(chǎn)品加工等一系列豬肉生產(chǎn)過程提供食品安全保障，降低疾病的發(fā)生，對于提高豬肉產(chǎn)品品質(zhì)，增強生豬養(yǎng)殖及深加工市場競爭力有著重要的意義。

1 智慧生豬養(yǎng)殖加工的內(nèi)涵

新的綠色革命推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)改造升級，智慧生豬養(yǎng)殖加工，應(yīng)是整合農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、信息技術(shù)、智能裝備三大生產(chǎn)力要素，通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI 和智能裝備等現(xiàn)代信息技術(shù)與生豬養(yǎng)殖加工的跨界融合，實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖加工全程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入、個性化服務(wù)的一二三產(chǎn)業(yè)高度融合的全新模式，是畜牧業(yè)信息化發(fā)展從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的高級階段[1]。隨著經(jīng)濟社會高速發(fā)展，人們生活發(fā)生了翻天覆地的變化，以實現(xiàn)城鄉(xiāng)人民對農(nóng)業(yè)產(chǎn)品安全綠色生態(tài)環(huán)保為需求側(cè)改革為引擎，最大限度的滿足人民日益增長的綠色農(nóng)產(chǎn)品的生活需要[2]。依靠傳統(tǒng)的生豬養(yǎng)殖加工難以滿足人民群眾對高品質(zhì)豬肉產(chǎn)品日益增長需要，構(gòu)建智慧生豬養(yǎng)殖加工管理系統(tǒng)，已成為當(dāng)今新時代農(nóng)畜業(yè)發(fā)展重要趨勢。

生豬養(yǎng)殖是智慧農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，豬只的體溫在線檢測技術(shù)產(chǎn)生，觀測豬只生病體溫升高病理特征，及時反饋對癥療治。多維傳感器對豬舍有害氣體監(jiān)測，以利防護處理，也符合我國碳達峰、碳中和政策，減少溫室氣體排放。同時通過動態(tài)視頻攝像頭采集生豬全天侯活動軌跡、時時監(jiān)測生豬異常行為，以利預(yù)防突出事件，實時監(jiān)測營養(yǎng)狀況、健康狀況等。巡檢機器人、防疫消毒機器人，可以代替人從事對身體有害的作業(yè)。一個智慧生豬養(yǎng)殖加工系統(tǒng)，具備以下特征：

1.1 生產(chǎn)加工場景數(shù)字重構(gòu)

通過三維技術(shù)，將生產(chǎn)加工各個環(huán)節(jié)設(shè)備進行數(shù)字孿生，在三維場景中真實還原和呈現(xiàn)。提高管理者對全局的掌控能力，以及用于日常的市場營銷接待講解和展示。

1.2 數(shù)據(jù)集成分析

通過整合車間各方面的運營管理、設(shè)備監(jiān)控等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)統(tǒng)一平臺的管理、數(shù)據(jù)分析等功能。

1.3 可視化管理

實現(xiàn)重點環(huán)節(jié)的監(jiān)控與管理，實現(xiàn)例如對生豬屠宰、加工、冷凍等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析統(tǒng)計和設(shè)備反向控制等功能，例如遠程開關(guān)、設(shè)置等功能。

2 智慧生豬養(yǎng)殖加工態(tài)勢感知智控平臺架構(gòu)與應(yīng)用

高金智慧生豬養(yǎng)殖加工態(tài)勢感知智控平臺，圍繞新型養(yǎng)殖場智能檢測體系下新型生豬養(yǎng)殖過程協(xié)同與評估問題，在視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上實時對生豬目標進行檢測跟蹤。利用網(wǎng)絡(luò)獲取現(xiàn)場生豬的視頻數(shù)據(jù)，進行生豬目標的實時檢測，根據(jù)上述獲取的數(shù)據(jù)對生豬健康情況進行評價，及時對生豬養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)的異常情況進行告警。以豬肉生產(chǎn)過程為研究范圍，以智能綜合評估豬肉生產(chǎn)過程產(chǎn)能為目標，進行基于數(shù)字化的數(shù)字孿生建模，并從虛實映射的角度，通過模型映射、行為映射和狀態(tài)映射3 個遞進層次構(gòu)建性能評估模型，全面表達豬肉生產(chǎn)產(chǎn)能。針對生產(chǎn)過程中不同流程不均衡因素，建立智能豬肉生產(chǎn)監(jiān)管模塊，進行不同生產(chǎn)流程過程的實時監(jiān)控，使用彈性時間窗和動態(tài)容流匹配的方法，以提升監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)健性，最終形成基于數(shù)字孿生[3]的豬肉智慧生產(chǎn)多尺度協(xié)同智能分析平臺。智慧生豬養(yǎng)殖加工態(tài)勢感知智控平臺，如圖1 所示。

圖1 智慧生豬養(yǎng)殖加工態(tài)勢感知智控平臺Fig.1 Intelligent pig breeding and processing situational awareness intelligent control platform

為使平臺功能得到發(fā)揮，必購建豬肉生產(chǎn)管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)挖掘與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測、信息預(yù)警和智能控制，達到精細化養(yǎng)殖、智能化管理。采用大數(shù)據(jù)挖掘與分析技術(shù)手段，實時采集并綜合分析豬肉生產(chǎn)各階段的多維異構(gòu)數(shù)據(jù)，建立新的信息系統(tǒng)，對相關(guān)數(shù)據(jù)集進行標準化與交叉驗證處理，區(qū)別不同的用戶權(quán)限提供可視化應(yīng)用和個性化、智能化操作，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)平臺對豬肉生產(chǎn)的宏觀調(diào)控，具體如下。

2.1 構(gòu)建基于機器視覺的智慧生豬養(yǎng)殖模型

2.1.1 設(shè)計生豬目標實時檢測與跟蹤算法

對現(xiàn)場采集的視頻進行圖像壓縮、直方圖均衡化、感興趣區(qū)域劃分以及自適應(yīng)濾波等處理。針對均值漂移（Mean-Shift）算法對多頭生豬目標檢測的不完整問題，使用Mean-Shift GrabCut 算法，將均值漂移算法進行改進并結(jié)合GrabCut 算法進行目標檢測。針對跟蹤的實時性要求和Vibe 算法進行目標跟蹤時會出現(xiàn)靜止目標丟失的問題，使用改進的Vibe 融合顏色檢測算法對生豬目標進行運動跟蹤。最后，根據(jù)生豬輪廓繪制輪廓質(zhì)心點。

2.1.2 設(shè)計繪制生豬目標運動軌跡算法

基于實時檢測出的生豬目標輪廓質(zhì)心點，繪制生豬目標的運動軌跡，計算其行程量。使用改進的近鄰算法來進行生豬運動軌跡的繪制。根據(jù)相鄰幀的對應(yīng)質(zhì)心點計算生豬的運動行程量。

2.1.3 設(shè)計豬群扎堆狀態(tài)識別算法和生豬健康評估機制

根據(jù)實時檢測出的生豬目標輪廓，提取生豬的輪廓特征，根據(jù)目標檢測的結(jié)果，利用Hu 不變矩和豬群的其他幾何參數(shù)組成特征集，實時判斷豬群的扎堆情況，包括豬群每次扎堆時間、總扎堆時間。根據(jù)得到的生豬運動行程量以及扎堆時間等參數(shù)，結(jié)合資料和飼養(yǎng)員養(yǎng)殖經(jīng)驗，建立生豬健康打分表格，對生豬健康狀況進行打分，得到生豬目標的健康評估，出現(xiàn)異常自動報警。搭建基于數(shù)字孿生技術(shù)的豬肉智慧生產(chǎn)多尺度協(xié)同智能分析平臺研發(fā)與示范。

2.2 構(gòu)建數(shù)字孿生的豬肉智慧生產(chǎn)模型

2.2.1 構(gòu)建數(shù)字孿生的豬肉生產(chǎn)評估機制

虛實映射的角度，通過模型映射、行為映射和狀態(tài)映射3 個遞進層次構(gòu)建性能評估機制，全面表達豬肉生產(chǎn)產(chǎn)能。將架構(gòu)中豬肉生產(chǎn)工廠的虛實映射過程分為模型映射、行為映射和狀態(tài)映射3 個遞進層次。三者在虛擬空間中先通過全方位建模反映工廠靜態(tài)屬性信息，再將實時數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)，反映豬肉生產(chǎn)動態(tài)運行過程/要素，最后在數(shù)據(jù)驅(qū)動下，調(diào)用模塊封裝的各項功能，完成評估分析服務(wù)，使評估具有層次性、全面性，進而使豬肉生產(chǎn)信息得到全方位的表達。

2.2.2 構(gòu)建豬肉生產(chǎn)過程智能化監(jiān)管模塊

圖2 智慧豬肉生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig 2 Architecture of smart pork production big data platform system

以萬維網(wǎng)聯(lián)盟推出的OWL 本體描述語言定義父類本體與子類屬性，解決真實世界中客觀對象所隱含的語義信息全形式化表達，實現(xiàn)豬肉生產(chǎn)過程智能化監(jiān)管的領(lǐng)域本體構(gòu)建。在基于本體的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型建模過程中，構(gòu)建以設(shè)計模型為父類、幾何特征與構(gòu)型數(shù)據(jù)為子類的組織形式，其中幾何特征子類用來描述模型的實體信息和尺寸與公差信息；構(gòu)型數(shù)據(jù)子類描述產(chǎn)品的構(gòu)型技術(shù)狀態(tài)信息，實現(xiàn)豬肉產(chǎn)能注“智”本體客觀對象隱含信息的有效提取與應(yīng)用。

2.2.3 構(gòu)建多尺度卷積的豬肉生產(chǎn)態(tài)勢多維協(xié)同優(yōu)化方法

針對豬肉生產(chǎn)過程中高度動態(tài)與不確定的環(huán)境下產(chǎn)能協(xié)同優(yōu)化目標，解決多元離散數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)聯(lián)問題，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理與權(quán)重組合機理，設(shè)計加權(quán)均值深度網(wǎng)絡(luò)，利用多尺度卷積降維，采用模型運用的貝葉斯概率進行概率優(yōu)化，研究多元離散數(shù)據(jù)的解耦與可解釋性問題。深入分析環(huán)境中不確定性因素的各種組合對模型及機制的影響，研究是否可以采用其他參數(shù)或技術(shù)對受影響部分進行替代。

2.3 解決當(dāng)前應(yīng)用關(guān)鍵瓶頸問題

2.3.1 解決傳統(tǒng)生豬監(jiān)測模式缺乏時效性問題

對生豬進行運動跟蹤以及運動軌跡的繪制、運動距離的計算等，對豬群的扎堆情況進行實時檢測，并進行評估和預(yù)警。

2.3.2 解決豬肉生產(chǎn)過程信息采集不精準等問題

針對豬肉深加工全過程全面實時的系統(tǒng)控制，以智能綜合評估豬肉生產(chǎn)過程產(chǎn)能為目標，進行基于數(shù)字化的數(shù)字孿生建模，從而提升豬肉加工可控性。

2.3.3 突破豬肉生產(chǎn)過程中豬的識別與追蹤難題

基于機器視覺的生豬智慧養(yǎng)殖模型建設(shè)須堅持先進性、實用性、開放性、標準化、可靠性、穩(wěn)定性、安全性、易維護性、可管理性的設(shè)計原則。建設(shè)生豬養(yǎng)殖場為管理科學(xué)、資源節(jié)約、環(huán)境友好、效益顯著的產(chǎn)業(yè)，加快機器視覺技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)生豬養(yǎng)殖的進程。

圖3 項目研究評估架構(gòu)圖Fig.3 Project research evaluation framework diagram

3 結(jié)語

研發(fā)基于數(shù)字孿生技術(shù)的豬肉智慧生產(chǎn)多尺度協(xié)同智能分析平臺，是促進豬肉行業(yè)工業(yè)4.0 和智能化躍升重大舉措，也是強化創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的有機結(jié)合，催生技術(shù)供給和市場需求的互動演進動力。建立基于機器視覺[4]的智慧生豬養(yǎng)殖模型，對豬只生長發(fā)育的運動軌跡全程追蹤；篩查豬只異常及防護，充分應(yīng)用自動精準喂食及多維視頻監(jiān)測，減少人畜接觸的病菌傳播機率，提高養(yǎng)殖效率，節(jié)約綜合成本。構(gòu)建基于數(shù)字孿生的生豬肉養(yǎng)殖加工質(zhì)量安全智能預(yù)警系統(tǒng)，利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、VR[5]、AI 等一系列數(shù)字技術(shù)對真實豬肉生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控；集成智能預(yù)警、智能計算分析、智能優(yōu)化決策能力；標識豬只身份、監(jiān)測豬只生長發(fā)育的動態(tài)，溯源云平臺，預(yù)警動物的疾病、疫情等信息，實現(xiàn)虛擬系統(tǒng)與實際生產(chǎn)間的通訊協(xié)作，日常管理敏捷化。控制只有體溫數(shù)據(jù)顯示健康的豬只方可進入屠宰環(huán)節(jié)，避免病死豬體流入供應(yīng)鏈的現(xiàn)象。建立數(shù)字孿生與模型驅(qū)動的豬肉智慧生產(chǎn)模型，實現(xiàn)豬肉生產(chǎn)流程的動態(tài)化展示；研究設(shè)計產(chǎn)能協(xié)同的優(yōu)化方法，解決多元離散數(shù)據(jù)之間的解耦問題；設(shè)計基于數(shù)據(jù)驅(qū)動與數(shù)字孿生的豬肉生產(chǎn)評估機制，能形成對生產(chǎn)車間高保真的動態(tài)多維/多尺度/多物理觀察、認知、控制及改造。集成智慧豬肉生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺，基于智能控制/5G 通信/視頻多媒體等技術(shù)構(gòu)建了智慧豬肉生產(chǎn)大數(shù)據(jù)挖掘與智能分析平臺關(guān)鍵技術(shù)體系，構(gòu)建豬肉生產(chǎn)大數(shù)據(jù)挖掘與分析模組，形成了數(shù)據(jù)的采集層/資源層/業(yè)務(wù)支撐層，應(yīng)用系統(tǒng)層和用戶層等5 層架構(gòu)的設(shè)計模式，建立大數(shù)據(jù)挖掘的信息采集、數(shù)據(jù)管理、決策分析、虛實融合的智慧豬肉產(chǎn)業(yè)與分析可視化展示中臺，促進經(jīng)濟增長新模式的發(fā)展，貢獻中國智慧。