徐斐飛，夏 婷，徐 剛，李春燕，劉繼峰

(山東成城物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，泰安 271000)

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“精牧”系統(tǒng)檢測奶牛疑似發(fā)情效果的研究

徐斐飛，夏 婷，徐 剛，李春燕，劉繼峰

(山東成城物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，泰安 271000)

為了研究“精牧”系統(tǒng)檢測奶牛發(fā)情效果，利用“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測試驗所用的318頭經(jīng)產(chǎn)荷斯坦奶牛的發(fā)情數(shù)據(jù)，提取并保存，同時選派資深的發(fā)情檢測人員對試驗所用的318頭牛只做直腸鑒定檢測，并使用R語言(開源統(tǒng)計分析軟件){gmodels}包中的CrossTable()函數(shù)和{caret}包中的confusionMatrix()函數(shù)，計算出“精牧”系統(tǒng)奶牛疑似發(fā)情檢出率與正確率，利用混淆矩陣分析檢驗驗證“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測數(shù)據(jù)的一致性。試驗結(jié)果表明，“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測奶牛疑似發(fā)情檢出率為0.957，正確率為0.903。Accuracy準確率為0.9465,Sensitivity(覆蓋率或敏感度)值為0.9403,Specificity(負例覆蓋率或特異度)值為0.9573,Pos Pred Value(命中率)值為0.9742和Neg Pred Value(負例命中率)值為0.9032，并且Kappa值為0.8865,充分說明“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)結(jié)果與直腸鑒定發(fā)情結(jié)果具有一致性。試驗結(jié)果表明，“精牧”系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)的鑒別方法鑒別奶牛是否發(fā)情。

檢出率；正確率；奶牛發(fā)情檢測系統(tǒng)；R語言；混淆矩陣；Kappa值

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)等高新技術的不斷涌現(xiàn)，必將加快牧場信息化管理建設的步伐。利用物聯(lián)網(wǎng)技術為牧場在牛群繁殖管理中，準確預警發(fā)情奶牛，幫助牧場工作人員及時發(fā)現(xiàn)處理，進而適時配種，提高受胎率，降低奶牛的繁殖障礙，提高牧場的經(jīng)濟收益作技術支撐[8]。如今，牧場都朝著規(guī)模化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的發(fā)情鑒定檢測方法[1,2]已不利于提高奶牛繁殖率和牛奶產(chǎn)量，極易漏檢和錯過奶牛的發(fā)情期，從而導致錯過最佳的配種時間[4,6,9]?！熬痢蹦膛０l(fā)情獨立檢測系統(tǒng)是由山東成城物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司研發(fā)的用于奶牛發(fā)情實時監(jiān)測，并以短信形式向牧場工作人員提供奶牛發(fā)情信息和活動量的系統(tǒng)[7]。

本文作者等利用“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測出的2016年12月至2017年2月期間內(nèi)山東省泰安市某試驗牧場奶牛的發(fā)情數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)檢測出的發(fā)情牛只數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測出的發(fā)情數(shù)據(jù)作列聯(lián)表及混淆矩陣分析[11]，以驗證“精牧”系統(tǒng)在提高牧場的發(fā)情檢出率和經(jīng)濟效益上的應用價值。

2 試驗數(shù)據(jù)說明

本試驗數(shù)據(jù)樣本為山東省泰安市某試驗牧場2016年12月至2017年2月期間內(nèi)選取的318頭奶牛，提取其在“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測的發(fā)情數(shù)據(jù)，并且將系統(tǒng)檢測出的數(shù)據(jù)和資深的發(fā)情檢測人員對其所做的直腸鑒定檢測的數(shù)據(jù)進行匯總。

試驗所用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)為山東成城物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司研發(fā)，系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。即，“精牧”奶牛獨立發(fā)請檢測系統(tǒng)，計步器和讀寫器。讀寫器作為中間媒介，將計步器傳輸回的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中，軟件系統(tǒng)對接收到牛只實時活動量數(shù)據(jù)進行分析，判斷其是否發(fā)情[10]。

3 試驗分析及評價方法

3.1 混淆矩陣(Confusion Matrix)分析

在數(shù)據(jù)分析，或者機器學習中，常用混淆矩陣分析評價分類模型預測值與實際值匹配的精準度[5]，即數(shù)據(jù)一致性分析。本試驗將利用此分析方法判斷“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)所報數(shù)據(jù)的精準度，并利用R開源統(tǒng)計分析軟件進行混淆矩陣分析，將使用{caret}包中Confusion Matrix()函數(shù)[11]，利用函數(shù)中的以下幾種評價指標判斷數(shù)據(jù)的一致性。

①準確率(Accuracy):“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)正確檢測未發(fā)情和發(fā)情的數(shù)目與總數(shù)目的比率；

② Kappa 值：“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)與直腸鑒定發(fā)情是否具有一致性[3]；

③ 覆蓋率或敏感度(Sensitivity)：“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測出的正確的未發(fā)情奶牛數(shù)目與直腸檢測法檢測出的未發(fā)情奶?？倲?shù)目比；

④負例覆蓋率或特異度(Specificity)：“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測出的正確的發(fā)情奶牛數(shù)目與直腸檢測法檢測出的發(fā)情奶牛總數(shù)目比；

⑤命中率(Pos Pred Value)：“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測出的正確的未發(fā)情奶牛數(shù)目與系統(tǒng)檢測出的未發(fā)情奶牛總數(shù)目的比；

⑥負例命中率(Neg Pred Value)：“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測出的正確的發(fā)情奶牛數(shù)目與系統(tǒng)檢測出的發(fā)情奶牛總數(shù)目的比。

3.2 理論背景

為了方便計算和解釋計算過程，可利用以下簡化后的混淆矩陣(2×2列聯(lián)表)，說明各指標的理論計算方法。

A結(jié)果項目否是總計B結(jié)果否aba+b是cdc+d總計a+cb+dN=a+b+c+d

①準確率:

機遇一致率

非機遇一致率=1-Pc；實際一致率=Po-Pc

3.3 評價方法

準確率,覆蓋率或敏感度,負例覆蓋率或特異度,命中率和負例命中率的比率越大，“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢測出的數(shù)據(jù)與直腸檢測法檢測出的數(shù)據(jù)匹配度越高。Kappa值若在0.0～0.20范圍內(nèi)，表明預測值與觀察值一致性極低；若在0.21～0.40范圍內(nèi)，表明預測值與觀察值具有一般一致性；若在0.41～0.60范圍內(nèi)，表明預測值與觀察值具有中等的一致性；若在0.61～0.80范圍內(nèi)，表明預測值與觀察值具有高度的一致性；若在0.80～1.00范圍內(nèi)，表明預測值與觀察值幾乎完全一致[3]。

4 試驗結(jié)果及分析

試驗全部數(shù)據(jù)是在相同時間段內(nèi)，采集試驗牧場通過直腸鑒定的發(fā)情牛數(shù)據(jù)和“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的疑似發(fā)情牛數(shù)據(jù)。結(jié)果統(tǒng)計如下:

直腸鑒定發(fā)情牛是否發(fā)情否是總計“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的疑似發(fā)情牛否1895194是12112124總計201117318

根據(jù)列表可知，直腸鑒定法鑒定出共有117頭發(fā)情牛，“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)共報出124頭疑似發(fā)情牛，其中報準112頭牛，誤報12頭，漏報5頭。

4.1 列聯(lián)表分析

利用R語言中{gmodels}包中的CrossTable()函數(shù)對“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的疑似發(fā)情牛數(shù)據(jù)和直腸鑒定的發(fā)情牛數(shù)據(jù)作列聯(lián)表分析，結(jié)果如下：

“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的疑似發(fā)情牛直腸鑒定發(fā)情牛NoYesRowTotalNo189.0005.000194.00035.93161.7280.9740.0260.6100.9400.0430.5940.016Yes12.000112.000124.00056.21596.5740.0970.9030.3900.0600.9570.0380.352ColumnTotal201.000117.000318.0000.6320.368

根據(jù)“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)的檢出率與正確率計算方法，從上表中我們可知發(fā)情檢出率為0.957，正確率為0.903。

4.2 混淆矩陣分析

利用R語言{caret}包中的confusionMatrix()函數(shù)對“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的疑似發(fā)情牛數(shù)據(jù)和直腸鑒定的發(fā)情牛數(shù)據(jù)的一致性進行驗證，軟件運行結(jié)果如下：

從運行結(jié)果可以看出，“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測出的數(shù)據(jù)準確率為0.9465，覆蓋率或敏感度值為0.9403,負例覆蓋率或特異度值為0.9573,命中率值為0.9742和負例命中率值為0.9032，并且Kappa值為0.8865(0.80～1.00)，說明“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測出的數(shù)據(jù)幾乎完全一致。

Accuracy0.946595%CI(0.9158,0.9686)NoInformationRate0.6321P-Value<2e-16Kappa0.8865McNemar'schi-squared2.1176df1Mcnemar'sTestP-Value0.1456Sensitivity0.9403Specificity0.9573PosPredValue0.9742NegPredValue0.9032Prevalence0.6321DetectionRate0.5943DetectionPrevalence0.6101BalancedAccuracy0.9488

Confusion Matrix and Statistics

5 結(jié)論

通過提取試驗牧場“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)報出的318頭牛只數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計分析比對，“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)檢出率為0.957，正確率為0.903，且與直腸鑒定檢測出的數(shù)據(jù)幾乎完全一致。意味著“精牧”奶牛獨立發(fā)情檢測系統(tǒng)對牛只疑似發(fā)情的預報精準度高，對牧場的科學化管理以及提高牧場的經(jīng)濟效益有著深遠的意義。

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Effect Study on Detection of Suspected Cow Estrus by “JING MU” System

XU Fei-fei, XIA Ting, XU Gang, LI Chun-yan, LIU Ji-feng

(TheShandongInternetandTechnologyco.,LTD,Tai'an,Shandong,271000)

In order to study the effect of “JING MU” system on detecting the estrus of dairy cows,the data of 318 multiparous Holstein cows in estrus were extracted and saved by using “JING MU”system,as well as the rectum of 318 Holstein cows were detection and identification by senior testers,repectively.The detection rate and accuracy rate of “JING MU”system werecalculated by CrossTable() function from {gmodels} packages and confusionMatrix() function from {caret} packages in R language.Moreover,the confusion matrix analysis test was used to verify the consistency of test data by using“JING MU” cow independent estrus detection system and rectum identification.The results showed that the detection rate of suspected estrus was 0.957 and the correct rate was 0.903.Accuracy was 0.9465,sensitivity was 0.9403,specificity was 0.9573,Positive Predictive Value was 0.9742,Negative Predicted Value was 0.9032,and the Kappa value was 0.8865,which indicated that the results of the independent estrus detection system were consistent with the results of rectal identification.The results indicated that the “JING MU” system can replace the traditional identification method to identify whether the cow is estrus.

detection rate;correct rate;cow independent estrus detection system;R language;confusion matrix;Kappa value

7-03-09

2017-03-19

徐斐飛(1991-)，男，山東泰安人，碩士研究生，2016年畢業(yè)于韓國國立忠北大學信息統(tǒng)計學專業(yè)，現(xiàn)在山東成城物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司從事聯(lián)網(wǎng)工作。

S814

A

1001-9111(2017)03-0004-04