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(cè)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(cè)奶牛發(fā)情效果，利用“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)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(shí)選派資深的發(fā)情檢測(cè)人員對(duì)試驗(yàn)所用的318頭牛只做直腸鑒定檢測(cè)，并使用R語(yǔ)言(開源統(tǒng)計(jì)分析軟件){gmodels}包中的CrossTable()函數(shù)和{caret}包中的confusionMatrix()函數(shù)，計(jì)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(yàn)驗(yàn)證“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。試驗(yàn)結(jié)果表明，“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)奶牛疑似發(fā)情檢出率為0.957，正確率為0.903。Accuracy準(zhǔn)確率為0.9465,Sensitivity(覆蓋率或敏感度)值為0.9403,Specificity(負(fù)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(fù)例命中率)值為0.9032，并且Kappa值為0.8865,充分說(shuō)明“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)果與直腸鑒定發(fā)情結(jié)果具有一致性。試驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)；R語(yǔ)言；混淆矩陣；Kappa值

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，必將加快牧場(chǎng)信息化管理建設(shè)的步伐。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為牧場(chǎng)在牛群繁殖管理中，準(zhǔn)確預(yù)警發(fā)情奶牛，幫助牧場(chǎng)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，進(jìn)而適時(shí)配種，提高受胎率，降低奶牛的繁殖障礙，提高牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)收益作技術(shù)支撐[8]。如今，牧場(chǎng)都朝著規(guī)?；较虬l(fā)展，傳統(tǒng)的發(fā)情鑒定檢測(cè)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(cuò)過(guò)奶牛的發(fā)情期，從而導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)最佳的配種時(shí)間[4,6,9]。“精牧”奶牛發(fā)情獨(dú)立檢測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并以短信形式向牧場(chǎng)工作人員提供奶牛發(fā)情信息和活動(dòng)量的系統(tǒng)[7]。

本文作者等利用“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的2016年12月至2017年2月期間內(nèi)山東省泰安市某試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)奶牛的發(fā)情數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)出的發(fā)情牛只數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測(cè)出的發(fā)情數(shù)據(jù)作列聯(lián)表及混淆矩陣分析[11]，以驗(yàn)證“精牧”系統(tǒng)在提高牧場(chǎng)的發(fā)情檢出率和經(jīng)濟(jì)效益上的應(yīng)用價(jià)值。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本為山東省泰安市某試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)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(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的發(fā)情數(shù)據(jù)，并且將系統(tǒng)檢測(cè)出的數(shù)據(jù)和資深的發(fā)情檢測(cè)人員對(duì)其所做的直腸鑒定檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。

試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)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(dú)立發(fā)請(qǐng)檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)步器和讀寫器。讀寫器作為中間媒介，將計(jì)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(duì)接收到牛只實(shí)時(shí)活動(dòng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷其是否發(fā)情[10]。

3 試驗(yàn)分析及評(píng)價(jià)方法

3.1 混淆矩陣(Confusion Matrix)分析

在數(shù)據(jù)分析，或者機(jī)器學(xué)習(xí)中，常用混淆矩陣分析評(píng)價(jià)分類模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值匹配的精準(zhǔn)度[5]，即數(shù)據(jù)一致性分析。本試驗(yàn)將利用此分析方法判斷“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)所報(bào)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，并利用R開源統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)判斷數(shù)據(jù)的一致性。

①準(zhǔn)確率(Accuracy):“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)正確檢測(cè)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(dú)立發(fā)情檢測(cè)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(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的正確的未發(fā)情奶牛數(shù)目與直腸檢測(cè)法檢測(cè)出的未發(fā)情奶?？倲?shù)目比；

④負(fù)例覆蓋率或特異度(Specificity)：“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的正確的發(fā)情奶牛數(shù)目與直腸檢測(cè)法檢測(cè)出的發(fā)情奶?？倲?shù)目比；

⑤命中率(Pos Pred Value)：“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的正確的未發(fā)情奶牛數(shù)目與系統(tǒng)檢測(cè)出的未發(fā)情奶?？倲?shù)目的比；

⑥負(fù)例命中率(Neg Pred Value)：“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的正確的發(fā)情奶牛數(shù)目與系統(tǒng)檢測(cè)出的發(fā)情奶?？倲?shù)目的比。

3.2 理論背景

為了方便計(jì)算和解釋計(jì)算過(guò)程，可利用以下簡(jiǎn)化后的混淆矩陣(2×2列聯(lián)表)，說(shuō)明各指標(biāo)的理論計(jì)算方法。

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

①準(zhǔn)確率:

機(jī)遇一致率

非機(jī)遇一致率=1-Pc；實(shí)際一致率=Po-Pc

3.3 評(píng)價(jià)方法

準(zhǔn)確率,覆蓋率或敏感度,負(fù)例覆蓋率或特異度,命中率和負(fù)例命中率的比率越大，“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出的數(shù)據(jù)與直腸檢測(cè)法檢測(cè)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(yù)測(cè)值與觀察值一致性極低；若在0.21～0.40范圍內(nèi)，表明預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(yù)測(cè)值與觀察值幾乎完全一致[3]。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)全部數(shù)據(jù)是在相同時(shí)間段內(nèi)，采集試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)通過(guò)直腸鑒定的發(fā)情牛數(shù)據(jù)和“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)出的疑似發(fā)情牛數(shù)據(jù)。結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下:

直腸鑒定發(fā)情牛是否發(fā)情否是總計(jì)“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)出的疑似發(fā)情牛否1895194是12112124總計(jì)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(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)共報(bào)出124頭疑似發(fā)情牛，其中報(bào)準(zhǔn)112頭牛，誤報(bào)12頭，漏報(bào)5頭。

4.1 列聯(lián)表分析

利用R語(yǔ)言中{gmodels}包中的CrossTable()函數(shù)對(duì)“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)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(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)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(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)的檢出率與正確率計(jì)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(yǔ)言{caret}包中的confusionMatrix()函數(shù)對(duì)“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)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(jìn)行驗(yàn)證，軟件運(yùn)行結(jié)果如下：

從運(yùn)行結(jié)果可以看出，“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)出的數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測(cè)出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為0.9465，覆蓋率或敏感度值為0.9403,負(fù)例覆蓋率或特異度值為0.9573,命中率值為0.9742和負(fù)例命中率值為0.9032，并且Kappa值為0.8865(0.80～1.00)，說(shuō)明“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)出的數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測(cè)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(guò)提取試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)出的318頭牛只數(shù)據(jù)與直腸鑒定檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析比對(duì)，“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢出率為0.957，正確率為0.903，且與直腸鑒定檢測(cè)出的數(shù)據(jù)幾乎完全一致。意味著“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)牛只疑似發(fā)情的預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度高，對(duì)牧場(chǎng)的科學(xué)化管理以及提高牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益有著深遠(yuǎn)的意義。

[1] 董秀英.奶牛發(fā)情鑒定常用的方法[J].現(xiàn)代畜牧科技.2015,43(6):63-63.

[2] 韓文雄.三種不同方法檢測(cè)奶牛發(fā)情的效率[N].荷斯坦奶農(nóng)俱樂(lè)部網(wǎng).2012.

[3] 魯紹雄.SAS統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)在畜牧科學(xué)中的應(yīng)用[M].昆明:云南科技出版社.2003,49-56.

[4] 馬吉鋒,王建東,李艷艷,等.UCOWS奶牛發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)奶牛發(fā)情效果的研究[J].中國(guó)草食動(dòng)物科學(xué).2014,34(2):17-18.

[5] 使用混淆矩陣(Confusion matrix)對(duì)分類模型進(jìn)行評(píng)估[N].數(shù)據(jù)分析網(wǎng).2016.

[6] 王超麗,王樹杰,姜志濤,等.UCOWS奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果分析[J].中國(guó)奶牛.2015,33(11):21-22.

[7] 夏 婷,李春燕,劉繼峰,等.“精牧”奶牛獨(dú)立發(fā)情檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)奶牛發(fā)情的研究[J].中國(guó)奶牛.2014,32(5):20-23.

[8] 張德偉.奶牛繁殖期間的各項(xiàng)管理措施[J].畜牧獸醫(yī)科技信息.2014,30(3):67-67.

[9] 趙會(huì)萍,馬建成,曹玉魁,等.阿菲金奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用效果分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技.2014,42(1):45-47.

[10] 鄭 偉,年景華,李 軍.奶牛計(jì)步器的應(yīng)用效果分析[J].中國(guó)奶牛.2014,32(22):32-34.

[11] Robert I.Kabacoff.Data analysis and graphics with R[M].Manning Publications Co..2011.

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(guó)國(guó)立忠北大學(xué)信息統(tǒng)計(jì)學(xué)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