肖 強，萬 田，王 龑，羅清堯，楊 亮，熊本?！?/p>

（1海南中海網(wǎng)農(nóng)科技有限公司，?？?70100；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京100193）

0 引言

石山壅羊是目前保持海南黑山羊最原始的母本，是黑山羊較為珍稀物種之一。目前該物種主要飼養(yǎng)在海口市秀英區(qū)石山鎮(zhèn)，成為石山鎮(zhèn)服務(wù)社會經(jīng)濟發(fā)展的地理標志物種［1］。隨著資源、環(huán)境及勞動力供求的壓力增加，養(yǎng)殖設(shè)施化技術(shù)快速發(fā)展［2］，壅羊的飼養(yǎng)方式逐漸改變，設(shè)施飼養(yǎng)羊只的比例不斷擴大，尤其是在養(yǎng)殖業(yè)較發(fā)達地區(qū)。自2016年以來，內(nèi)蒙古、新疆、寧夏等地方政府建立了肉羊產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新團隊，肉羊的規(guī)?；?、標準化養(yǎng)殖正逐步推進，個別地區(qū)如內(nèi)蒙巴彥淖爾市肉羊規(guī)模化養(yǎng)殖比例高達69%［3］，而且有繼續(xù)增加的趨勢。隨著禁牧休牧政策的實施和推廣，傳統(tǒng)以放牧加補飼為主的飼養(yǎng)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿︷B(yǎng)舍飼為主的飼養(yǎng)模式［4-5］。養(yǎng)殖模式的改變，對生產(chǎn)管理尤其是種畜的管理提出了新的要求，不能停留在靜態(tài)的電子表格的管理層面，必須按2007年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布實施的第67號令《畜禽標識和養(yǎng)殖檔案管理辦法》，對家畜實施以個體標識為切入點的精細化管理［6］。對于規(guī)模化壅羊場，如果精細化管理落后，如不能預(yù)測或鑒定發(fā)情，錯過最佳配種時間點，將影響種羊繁殖力、服務(wù)年限和綜合經(jīng)濟效益。管理好一個種羊場，尤其是其中的繁殖群體，具有一定的技術(shù)難度，因為壅羊個體不斷發(fā)生各種生理生長狀態(tài)的變化，且個體差異較大，必然走數(shù)字化甚至智能化及遠程化管理模式，在積累大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，通過業(yè)務(wù)邏輯模型，進行不同目的的比較分析，及時從繁殖群體中定位異常個體或群體性問題，并進行隔離、分群、轉(zhuǎn)群、調(diào)換飼料、繁殖控制以及淘汰等決策，才能保持羊群的正常繁衍與生產(chǎn)［2，7-8］。因此，文章以建立壅羊場模型和壅羊個體建檔為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，從壅羊的發(fā)情、配種、產(chǎn)羔、哺乳、干奶等個體或群體行為出發(fā)，建立數(shù)據(jù)整合與分析平臺，達到基本數(shù)據(jù)保存、羊群各項參數(shù)在線分析的目的，最終建立數(shù)字化、智能化的石山壅羊精細養(yǎng)殖管理平臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1.1 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

開展種羊群個體或群體的信息化管理與智能預(yù)警，必須以建立壅種羊基本信息及繁殖事件的元數(shù)據(jù)標準為基礎(chǔ)，設(shè)計記錄不同屬性數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)表，從而形成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以此作為開發(fā)網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［7，9-10］。

種羊數(shù)據(jù)表包括繁殖場名、羊ID號、胎次、性別、品種名稱、父號、母號、出生日期、入群日期、出生地、在群否、配種員、記錄人等必要信息，其他相關(guān)信息如羊只分類、雙胎否等可作輔助。

母羊產(chǎn)羔數(shù)據(jù)表主要包括繁殖場名、羊ID號、胎次、配種日期、產(chǎn)羔日期、羔羊編號、羔羊性別、羔羊體重、配種員等。

1.2 母羊類型劃分

根據(jù)壅羊種羊的生長及生理階段的差異、飼養(yǎng)模式特點，該文按種羊全生命周期區(qū)分為后備母羊、妊娠母羊、泌乳母羊3種類型，建立數(shù)據(jù)描述標準。

1.3 近交系數(shù)計算

近交系數(shù)指一個個體通過它的某一祖先得到在遺傳上是完全相同基因的概率，也即形成該個體的兩個配子間的相關(guān)系數(shù)［11］。利用通徑系數(shù)原理推導(dǎo)，形成個體x的兩個配子的相關(guān)系數(shù)，即x的近交系統(tǒng)（Fx）的計算公式為：

式（1）中，F(xiàn)X為X個體的近交系數(shù)；FA為共同祖先自身的近交系數(shù)；N1是一個親本到共同祖先的時代數(shù)，N2是另一個親本到共同祖先的時代數(shù)。

1.4 平臺功能

根據(jù)壅山羊的繁育、產(chǎn)羔、哺乳及健康管理等需求，確定一級功能模塊（圖1），主要包括數(shù)據(jù)維護、羊只管理、繁殖管理、哺乳管理、飼料營養(yǎng)、健康管理、數(shù)據(jù)分析和場內(nèi)管理8個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)的具體功能如表1所示。

圖1 壅羊精細養(yǎng)殖管理平臺功能架構(gòu)Fig.1 Function Infrastructure of precision feeding management platform of yong goats

表1 壅羊精細養(yǎng)殖管理平臺系統(tǒng)功能設(shè)計Table 1 Function design of precision feeding management system of yong goats

1.5 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

該研究在Windows Server 2012服務(wù)器桌面操作系統(tǒng)下開發(fā)，采用Microsoft SQL Server 2012標準版網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)［12］。該數(shù)據(jù)庫支持云技術(shù)、快速構(gòu)建方案且滿足私有云與公有云數(shù)據(jù)擴展遷移等特點，有利于該研究構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)平臺開展私有云的計算，與公有云之間數(shù)據(jù)交換帶來便利。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用Mocrosoft的.Net framework 4.6版本，開發(fā)語言采用 C#［13］。

2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 壅羊個體基本信息的數(shù)字化管理

以石山鎮(zhèn)第一壅羊場的真實數(shù)據(jù)為例，在通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)錄入壅羊的基本信息，如編碼、出生日期、系譜、繁殖狀態(tài)信息后，通過模塊設(shè)計，實現(xiàn)了對養(yǎng)殖檔案信息的數(shù)字化管理。如圖2所示，指定的第一雍羊場的種羊頭數(shù)317頭，在上述BROW瀏覽頁面下，表頭的每個字段都是可按升序或降序索引排序處理的，或者在輸入篩選條件后，快速提取指定繁殖場及滿足不同檢索條件下的壅羊種羊基本信息，滿足管理者不同查詢需求。

圖2 壅羊基本信息的數(shù)字化管理與條件查詢Fig.2 Digital management and inquiry of basic data of yong goats

2.2 對生產(chǎn)運行未來事件的智能提醒

在事先設(shè)定的壅羊繁殖基本理論參數(shù)的前提下，在記錄每頭壅羊的基本信息、配種信息、孕檢信息、產(chǎn)羔信息的條件下，按繁殖生產(chǎn)理論，隨著日期的變化，可以預(yù)測種羊個體或群體將要發(fā)生的事件并提前做好生產(chǎn)安排及必要的耗材準備。因此，系統(tǒng)“今日提醒”的功能模塊，實際上是對當天或者將發(fā)生事件的預(yù)警。內(nèi)容包括：發(fā)情配種、初檢復(fù)檢、產(chǎn)羔泌乳、干奶、淘汰及羔羊斷奶等提醒，當預(yù)警與實際發(fā)生出現(xiàn)差異時，就要排查原因。

該研究以壅羊的生理及生產(chǎn)特征為基礎(chǔ)，設(shè)定壅羊生產(chǎn)的繁殖理論參數(shù)共13項（圖3），用于提醒淘汰參數(shù)6項（未列出），共19項。利用以上參數(shù)及該生產(chǎn)種羊的預(yù)設(shè)繁殖理論參數(shù)，開展各種繁殖性能參數(shù)分析以及對未來事件進行動態(tài)預(yù)警。

在圖1所示的“場內(nèi)管理”模塊下設(shè)置了二級模塊——“今日提醒”，選定后可得到預(yù)警分析結(jié)果。如圖4所示“第一雍羊場”分析得到的數(shù)據(jù)既可以直接顯示，也可以導(dǎo)出到excel表。在圖4中，選定“發(fā)情配種”后，提示可配種的壅羊達到121頭。當未淘汰超齡羊，將其繼續(xù)留在群中時，系統(tǒng)默認為可配種。如果按“淘汰”作進一步分析，發(fā)現(xiàn)有23頭高胎次（6胎以上）羊應(yīng)被淘汰。必須指出提示或預(yù)警的數(shù)據(jù)是否反映真實情況，與錄入數(shù)據(jù)的準確性、完整性有直接關(guān)系。

圖3 壅羊繁殖理論參數(shù)及生產(chǎn)提醒參數(shù)Fig.3 Setting of breeding parameters and warning events for yong goat production

圖4 指定繁殖場至查詢當天的發(fā)情配種提醒Fig.4 The inquired coming estrus breeding on a special herd

2.3 基于種羊個體或群體的近交模擬預(yù)測

當一個種羊場運行一段時間后，如果選配不當，容易出現(xiàn)較早近交，導(dǎo)致品種性能的退化。而當種畜的數(shù)量不斷增加，每年后備母羊不斷留種入群，如果管理不當，容易造成系譜混亂，過早近交。因此在圖1所示的“繁殖管理”下提供了“公羊近交預(yù)測”的二級模塊，如圖5所示，選擇“第一壅羊場”，從中選取號為“9745”公羊且與317頭母羊模擬配種后，計算可得模擬子代的近交系數(shù)，近交系數(shù)越大，表示近交情況嚴重（通常近交系數(shù)可能出現(xiàn)0.25，0.187 5，0.125 0，0.062 5及0.05等5種），近交系數(shù)為零則代表非親緣雜交。相反，若選擇一頭種母羊，如果系譜資料齊全，系統(tǒng)也提供了“母羊近交預(yù)測”模塊，計算與之可交配的種公羊的模擬子代的近交系數(shù)。

2.4 壅羊個體資料卡的動態(tài)合成

特定的種羊個體入群后不斷繁育與生產(chǎn)，不斷產(chǎn)生時空狀態(tài)數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)分別存放在多達20多個數(shù)據(jù)表中，因此需要經(jīng)常臨時整合到同一個表中，這張表就是“母羊資料卡”（圖6），主要包括來自不同數(shù)據(jù)表中相同個體信息。由于壅羊個體隨時可能發(fā)生變化，壅羊資料卡及數(shù)據(jù)庫也應(yīng)是動態(tài)的。如圖6所示，該模塊具有強大的數(shù)據(jù)集成功能，可集成種羊基本信息及繁殖、轉(zhuǎn)群、健康、譜系及后裔信息等。當要售出某個種羊個體時，從該系統(tǒng)中打出它的資料卡提供給買主，便于銷售過程中種羊信息的順利傳遞。

圖5 公羊近交模擬預(yù)測Fig.5 The output results of inbreeding indexes for a selected ram

圖6 制定母羊資料卡的動態(tài)輸出Fig.6 The dynamic output of the whole data card of a special ewe

2.5 典型群體數(shù)據(jù)的可視化分析

規(guī)?；N羊場的數(shù)據(jù)日積月累后，對數(shù)據(jù)選擇性提取與挖掘分析的需求不斷突顯?？梢暬治鰧嶋H上是將各種指標的狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照一定計算模型處理后形成以時間軸為基礎(chǔ)的繁殖性能參數(shù)。該系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)庫記錄的壅羊繁殖與生產(chǎn)記錄，在線分析種用壅羊的多個群體性能參數(shù)，如繁殖率、胎間距、胎次結(jié)構(gòu)等，如圖7所示為第一壅羊場的母羊胎次結(jié)構(gòu)。理論上講，種羊群的胎次結(jié)構(gòu)有一個合理的比例，不合理的結(jié)構(gòu)為精細化管理指明改進的方向。

圖7 指定繁殖場繁殖種母羊的胎次結(jié)構(gòu)Fig.7 The parities profile of breeding ewes for a special herd

3 討論

3.1 唯一性編碼

羊只的編碼在一個場內(nèi)應(yīng)具有唯一性。在該系統(tǒng)啟用前期，系統(tǒng)還保留了每個場原先內(nèi)部的編碼，雖然在場內(nèi)具有唯一性，但編碼有長短之分不規(guī)范。在過渡時期可行，但對于新生留種的或從外場購入的種羊就要按農(nóng)業(yè)部第67號令［6］采用15位唯一性的數(shù)字編碼。此外，還要考慮今后采用電子耳標如低頻RFID耳標情況，采購的耳標一般帶有符合ISO11784［14］的事先寫入的編碼。例如，無錫富華科技有限公司的RFID標簽，其編號獲得國際動物標識協(xié)會即ICAR組織的授權(quán)，15位編碼的前3位為“991”，也是ICAR特地授權(quán)給無錫富華公司的編碼獨享碼，而且這樣的符合ISO11784的編碼在全世界是唯一的。

壅羊的繁育生產(chǎn)是一個周期性的生產(chǎn)行為，不斷發(fā)生生理與生長階段的交替變化，尤其是圍產(chǎn)期的生理不斷發(fā)生巨大變化，不斷產(chǎn)生繁殖狀態(tài)及生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。所有事件及過程均通過每頭壅羊的唯一編碼建立關(guān)聯(lián)，例如公羊或母羊的資料卡就是通過ID號關(guān)聯(lián)不同數(shù)據(jù)表中的狀態(tài)數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的。

3.2 數(shù)值輔助分析

巨量的繁殖狀態(tài)及泌乳數(shù)據(jù)，只有靠更具模塊化和復(fù)雜化的計算程序才能深入挖掘其價值［15-16］。如可選擇圖4所示的功能模塊，實現(xiàn)有選擇地從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中調(diào)出符合要求的羊只記錄，幫助生產(chǎn)管理人員迅速定位需要處理的羊只（群）。事實上，該系統(tǒng)還包括大量的分析功能模塊，如分析“胎間距”、“應(yīng)配母羊”、“胎次結(jié)構(gòu)”等。此外，該系統(tǒng)中所有顯示字段（數(shù)值型或字符型）都可進行正反向排序。將索引排序數(shù)據(jù)導(dǎo)出后再次排序，便可獲得理想順序的排序表，以便管理人員進行基本系統(tǒng)管理。這些功能在熊本海等［17，19］、肖建華等［19］及楊亮等［9］開發(fā)的家畜數(shù)字化管理系統(tǒng)有部分考慮，但整體設(shè)計上沒有考慮全面，排序的多元組合便利，特別適合大規(guī)模的種畜場臨時性的排序要求。而在 ALPROTM［20］，Afifarm［21］及 Agritec［22］等系統(tǒng)中未見實現(xiàn)。

3.3 可視化分析

保持每年對壅羊群中母羊年齡和胎次結(jié)構(gòu)的更新與調(diào)整，是穩(wěn)定種羊群生產(chǎn)量的必要途徑。有報道包括羊在內(nèi)的繁殖家畜群中，1～2胎母羊所占比例為40%左右，3～5胎為40%左右，6胎及以上為20%左右［23-24］的繁殖家畜群體相對合理。在圖7所示的3個胎次區(qū)間的壅羊種群中，1～2胎比例為45.8%，3～5胎為38.2%，6胎及以上為16.0%。數(shù)據(jù)顯示第一壅羊場的母羊胎次比例總體上相對合理，但1～2胎次比例偏高一些，3～5胎次比例略低一些，6胎及以上胎次比例偏低一些，表明高胎次羊淘汰較多，可通過提高管理水平及壅羊的健康水平，延長種母羊的利用年限，可使群體胎次結(jié)構(gòu)趨于合理。對其他過程參數(shù)的可視化分析，可同樣獲得有分析價值的圖表。

3.4 平臺拓展性

精細養(yǎng)殖管理平臺的研制與運行，主要用于整合壅羊繁殖泌乳等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從技術(shù)及管理層面上服務(wù)于壅羊的繁育生產(chǎn)。但是，繁殖性能參數(shù)還必須與經(jīng)濟性能評價指標融合起來，以此維持養(yǎng)殖場的高效運行與管理，才會產(chǎn)生數(shù)字經(jīng)濟的增值效果。為此Bj?rn等［25］，K.Mertens等［26］基于操作變量、策略變量兩方面，構(gòu)建經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域的線性規(guī)劃模型，引入相關(guān)參數(shù)（如原來價格、畜群規(guī)模、泌乳量等），建立模型評估奶牛場運行效益，并用實際數(shù)據(jù)驗證模型精度及可行性。鄭國生等［8］、熊本海等［18］及張德敏等［27］通過關(guān)聯(lián)牛群管理模式與提高繁殖率，制定了牛場數(shù)字化管理規(guī)范，再利用體重預(yù)估模型，預(yù)測每頭奶牛的TMR（Total Mixed Ration）需求量。肖建華等［19］則基于計算機技術(shù)與繁殖理論模型，綜合考量牛群繁殖參數(shù)監(jiān)測和繁殖場整體運行狀況。基于現(xiàn)有技術(shù)與特定經(jīng)濟目標進行平臺管理策略制定將是今后規(guī)?；昭驁鰯?shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺升級開發(fā)部署的方向。

4 結(jié)論

壅羊場的數(shù)字化管理是以其繁殖生產(chǎn)過程狀態(tài)參數(shù)的數(shù)字化定義為切入點，以繁殖理論參數(shù)界定為驅(qū)動力，通過統(tǒng)計基礎(chǔ)繁殖數(shù)據(jù)，計算分析繁殖個體及群體各性能參數(shù)（如羊群的受胎率、空懷率、漏情率、繁殖率、死淘率及胎次結(jié)構(gòu)），多角度分析羊群繁殖狀態(tài)。雖繁殖理論較固定，但智能提示參數(shù)可根據(jù)需求設(shè)定，系統(tǒng)還提供了統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可視化分析功能，渲染了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化趨勢，更有助于管理者判斷并做出科學(xué)的決策。