康建磊 張志宇 劉一揚(yáng) 趙文琪 劉鳳生 谷旭澤 宋嬌 王海峰

基金項(xiàng)目：天津市科技局技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目《知識(shí)密集型企業(yè)的智能化建設(shè)》（項(xiàng)目編號(hào)：20YDTPJC01480）;2020年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《菲菲智能——豬臉識(shí)別智能監(jiān)控管理系統(tǒng)》（項(xiàng)目編號(hào)：202010069028）。

作者簡(jiǎn)介：康建磊（1999—），男，本科在讀，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚砑夹g(shù)。

通信作者：張志宇（1974—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)橹悄芑瘺Q策管理和數(shù)據(jù)分析，E-mail：zhangzhy@tjcu.edu.cn。

摘 ?要：農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的重大任務(wù)。精準(zhǔn)化、智能化養(yǎng)殖成為提高養(yǎng)殖業(yè)管理水平重要手段，多數(shù)中小型養(yǎng)殖場(chǎng)不能像大型企業(yè)一樣投入高的信息化成本，所以一個(gè)高效、低成本、易操作的信息智能化管理方案對(duì)中小型養(yǎng)殖企業(yè)提升智能化尤為重要。該文以生豬養(yǎng)殖為研究對(duì)象，提出一個(gè)基于人工智能的可視化、實(shí)時(shí)共享和易操作的智能監(jiān)控管理平臺(tái)。此平臺(tái)可以應(yīng)用在移動(dòng)端和PC端，旨在對(duì)豬的疾病進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)警。該文描述了平臺(tái)的構(gòu)建和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并指出實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。平臺(tái)將人工智能應(yīng)用于中小型養(yǎng)殖戶(hù)，幫助其提高智能化管理水平。

關(guān)鍵詞：人工智能 ?管理平臺(tái) ??精細(xì)管理 ??深度學(xué)習(xí) ??多維分析

中圖分類(lèi)號(hào)：DF412.3 ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??文章編號(hào)：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： Agricultural and rural modernization is a major task of building a socialist modern country in an all-round way. Accurate and intelligent breeding has become an important means to improve the management level of the breeding industry. Most small and medium-sized farms cannot invest high information costs like large enterprises. Therefore， an efficient， low-cost and easy to operate information intelligent management scheme is particularly important for small and medium-sized breeding enterprises to improve intelligence. Taking pig breeding as the research object， this paper proposes an intelligent monitoring and management platform based on artificial intelligence， which is visual， real-time sharing and easy to operate. This platform can be applied to mobile terminal and PC terminal， aiming at accurate early warning of pig diseases. This paper describes the construction and technical implementation of the platform， and points out the key problems in the implementation process. The platform applies artificial intelligence to small and medium-sized farmers to help them improve their intelligent management level.

Key Words： Artificial intelligence; Management platform; Fine management; Deep learning; Multidimensional analysis

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)找到其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的契合點(diǎn)，引發(fā)了養(yǎng)殖業(yè)的廣泛創(chuàng)新和變革。我國(guó)是生豬養(yǎng)殖和豬肉消費(fèi)大國(guó)，但不是生豬養(yǎng)殖強(qiáng)國(guó)[1]。2021年黨中央指出，把全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興作為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的一項(xiàng)重大任務(wù)，舉全黨全社會(huì)之力加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化[2]。發(fā)展生豬養(yǎng)殖業(yè)信息智能化是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的途徑之一[3-4]，因此基于低成本、易操作的理念，通過(guò)智能監(jiān)控管理等手段不斷提高生豬養(yǎng)殖管理和技術(shù)水平，促進(jìn)養(yǎng)殖理念和模式的更新，提高養(yǎng)殖效率，是該課題解決的主要方面。

該文主要針對(duì)中小型養(yǎng)殖戶(hù)的生豬養(yǎng)殖現(xiàn)狀，基于人工智能建立可視化、實(shí)時(shí)共享和監(jiān)控的智能多維網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理平臺(tái)。通過(guò)檢測(cè)豬只的體溫和其明顯的行為特征來(lái)判別豬只的健康狀況是否存在異常，以期實(shí)現(xiàn)部分疾病的預(yù)警;同時(shí)，又能減少豬與人、物、車(chē)的接觸，做到及時(shí)止損，提高生豬養(yǎng)殖智能化管理水平。

1 生豬養(yǎng)殖業(yè)對(duì)智能化的需求

所謂生豬智能養(yǎng)殖，即借助大數(shù)據(jù)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、人工智能技術(shù)等對(duì)生豬養(yǎng)殖過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化、規(guī)范化管理，達(dá)到降低發(fā)病概率，減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的目的。

從養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向來(lái)看，無(wú)論從歐美的發(fā)展規(guī)律，還是中國(guó)本土畜牧業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，當(dāng)今的養(yǎng)殖業(yè)已從傳統(tǒng)的家庭化的小規(guī)模的養(yǎng)殖方式發(fā)展為更專(zhuān)業(yè)化和工業(yè)化的模式。此外，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)迫使這些中小型養(yǎng)殖戶(hù)不斷加快智能化的步伐，以避免被大型養(yǎng)殖場(chǎng)或者智能化程度高的養(yǎng)殖場(chǎng)所吞并。這些都使中小型養(yǎng)殖企業(yè)對(duì)采用信息化技術(shù)來(lái)提高養(yǎng)殖的智能管理水平產(chǎn)生了極大需求。

生豬養(yǎng)殖中有時(shí)依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確率低，主觀(guān)性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性不夠，這些都會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)估的損失。國(guó)家對(duì)中小型的養(yǎng)豬企業(yè)扶持力度大大增加[5]，也使得更多的中小型養(yǎng)豬戶(hù)愿意投入成本，響應(yīng)國(guó)家號(hào)召的信息智能化養(yǎng)殖，進(jìn)而使智能化在生豬養(yǎng)殖方面的需求大大增加。

相較于中小型的養(yǎng)豬企業(yè)，大型養(yǎng)殖場(chǎng)資金充足、資源廣泛、信息化的程度高。所以，該項(xiàng)目將研究對(duì)象定位在中小型的生豬養(yǎng)殖場(chǎng)，結(jié)合不同地區(qū)和不同用戶(hù)的需求，開(kāi)發(fā)符合用戶(hù)需求的智能管理平臺(tái)。

2 生豬養(yǎng)殖智能監(jiān)控管理平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 生豬養(yǎng)殖智能監(jiān)控管理平臺(tái)組成

將人、豬只、監(jiān)控、企業(yè)通過(guò)各種信息技術(shù)融合為一體，是現(xiàn)代生豬養(yǎng)殖業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化的趨勢(shì)所在[6]。該項(xiàng)目建立智能監(jiān)控管理平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)采集處理中心、生豬管理系統(tǒng)、安全防控系統(tǒng)三大模塊。值得說(shuō)明的是各個(gè)模塊可獨(dú)立運(yùn)行，也設(shè)置了接口可統(tǒng)一運(yùn)行，這樣可以根據(jù)客戶(hù)需求來(lái)進(jìn)行功能定置。

2.1.1數(shù)據(jù)采集處理中心

利用易用監(jiān)控設(shè)備完成樣本和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過(guò)算法的處理后，存儲(chǔ)在云端服務(wù)器，發(fā)布并應(yīng)用于生豬管理系統(tǒng)、安全防控系統(tǒng)。

2.1.2生豬管理系統(tǒng)

其包括生豬環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)與豬臉識(shí)別系統(tǒng)。為了滿(mǎn)足我國(guó)生豬養(yǎng)殖集約化發(fā)展的需要，現(xiàn)階段生豬養(yǎng)殖豬舍大多采用封閉式。而環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)豬舍的溫、濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);預(yù)警系統(tǒng)包括環(huán)境預(yù)警與疾病預(yù)警兩部分，當(dāng)環(huán)境溫、濕度情況或生豬表現(xiàn)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)將提示用戶(hù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警;豬臉識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，經(jīng)過(guò)大量生豬行為圖片的比對(duì)、篩選、標(biāo)注、訓(xùn)練后得到豬臉識(shí)別模型，配合紅外熱成像測(cè)溫，對(duì)體溫或行為異常豬只進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別。

2.1.3安全防控系統(tǒng)

其主要用于疾病的預(yù)防，減少豬與人、物、車(chē)的接觸，做到及時(shí)止損、提高效益。對(duì)于人員和車(chē)輛等進(jìn)出嚴(yán)格把控和行蹤權(quán)限控制，并只對(duì)關(guān)心的對(duì)象進(jìn)行精確報(bào)警，避免大量誤報(bào)引起的無(wú)效管理，建立高效的生物安全防線(xiàn)。

3.2 生豬養(yǎng)殖智能監(jiān)控管理平臺(tái)的處理流程

平臺(tái)的處理流程如下：

（1）各類(lèi)監(jiān)控終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)處理中心存儲(chǔ)至云服務(wù)器來(lái)展開(kāi)算法處理;

（2）生豬管理系統(tǒng)通過(guò)生豬環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，保證豬圈良好的養(yǎng)殖環(huán)境;

（3）豬臉識(shí)別系統(tǒng)對(duì)豬只的體溫和精神狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，識(shí)別出豬只的異常行為;

（4）安全防控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)人員、外來(lái)人員、外來(lái)車(chē)輛、內(nèi)外生物等的控制與追蹤，杜絕人員、車(chē)輛、生物等帶來(lái)的傳染源;

（5）對(duì)應(yīng)各個(gè)不同需求和功能的系統(tǒng)在運(yùn)作工程中相互協(xié)調(diào)工作，最終得到的多方面信息依托于豬臉識(shí)別智能管理平臺(tái)通過(guò)PC端或手機(jī)端進(jìn)行展現(xiàn)，便于用戶(hù)隨時(shí)進(jìn)行查看與管控。

4 豬臉識(shí)別智能監(jiān)控管理平臺(tái)的核心技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

4.1 豬臉識(shí)別智能識(shí)別技術(shù)

豬臉識(shí)別智能監(jiān)控管理平臺(tái)方案中核心技術(shù)的是豬臉識(shí)別系統(tǒng)。豬臉識(shí)別系統(tǒng)，是基于搜集的數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)技術(shù)處理整合各種生物特征，例如溫度、外表、行為特征、吃食狀況等特征，進(jìn)而形成數(shù)據(jù)庫(kù)，最后達(dá)到識(shí)別豬只以及判斷其是否異常的目的。系統(tǒng)以攝像頭+服務(wù)器為主，基于視頻監(jiān)控、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、熱成像技術(shù)進(jìn)行多維分析，自動(dòng)檢測(cè)生豬的體溫以及行為特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一頭生豬的精細(xì)管理。此系統(tǒng)主要針對(duì)生豬各類(lèi)疾病的預(yù)防和管理，將病毒隔斷在生豬的感染初期，及時(shí)實(shí)施隔離并進(jìn)行進(jìn)一步治療，相較于以往的人工檢驗(yàn)，效率倍增。此外，在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)下，此種檢驗(yàn)技術(shù)還是首例，值得研究。該系統(tǒng)通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)得每一頭生豬，通過(guò)熱成像技術(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)生豬體溫、通過(guò)對(duì)欄內(nèi)生豬的異常體溫和行為特征與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)所存正常數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)疫病進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，及時(shí)向養(yǎng)殖人員發(fā)出警報(bào)。

4.2 智能識(shí)別程序的實(shí)現(xiàn)

程序采用了現(xiàn)今較為流行的Python語(yǔ)言，基于Pytorch框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，充分利用了Python的短小精干和智能化數(shù)據(jù)分析的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)采集到的樣本圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，得出精確差別，從而進(jìn)行精準(zhǔn)養(yǎng)殖。部分核心代碼如下：

樣本訓(xùn)練核心算法實(shí)現(xiàn)：

for i in range（10000）： #設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)

random.shuffle（train_set）

sumloss = 0

for j in range（len（train_set））：

im = Image.open（train_set[j][0]） ?#得到每一張圖片的路徑

im = im.resize（（35， 35）， Image.ANTIALIAS）

im = np.array（im）

im = torch.Tensor（TranDatas（im））

智能識(shí)別主要代碼：

total = 0

correct = 0

for j in range（len（test_set））： #測(cè)試數(shù)據(jù)集預(yù)測(cè)效果

import numpy

im = Image.open（test_set[j][0]）

im = im.resize（（35， 35）， Image.ANTIALIAS）

5 豬臉識(shí)別智能監(jiān)控管理平臺(tái)實(shí)施的關(guān)鍵問(wèn)題

為保證管理平臺(tái)的有效實(shí)施，還需要注意以下關(guān)鍵問(wèn)題。

5.1豬臉識(shí)別模型訓(xùn)練

（1）在采集素材時(shí)需將豬欄入口多欄并排設(shè)置，且設(shè)有朝向豬欄入口的攝像頭，同步采集豬只的視頻源數(shù)據(jù)。

（2）將所選豬只圖片進(jìn)行篩選和標(biāo)注，經(jīng)篩選后的生豬圖片進(jìn)行對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息標(biāo)注最后保留下來(lái)作為圖片數(shù)據(jù)源。

（3）豬臉識(shí)別模型的訓(xùn)練需要有嚴(yán)格的流程。將豬欄并排布置并使攝像頭同步采集圖片、視頻資源等。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后形成樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集與測(cè)試集，最終建立用于識(shí)別的模型。

5.2多維監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)有效

采取紅外測(cè)溫與豬臉識(shí)別結(jié)合的方式進(jìn)行多維識(shí)別，不僅需要確保兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與同步性，而且誤差不能超過(guò)一定范圍，準(zhǔn)確做到多方位監(jiān)控。

5.3數(shù)據(jù)處理及管理

平臺(tái)中各個(gè)子系統(tǒng)存有大量的數(shù)據(jù)，單從豬臉識(shí)別系統(tǒng)來(lái)看，系統(tǒng)所獲取的均是生豬行為的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量異常龐大，且需實(shí)時(shí)更新、與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，保留下所有相關(guān)數(shù)據(jù)，所以該平臺(tái)需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐。

6 結(jié)語(yǔ)

該研究積極響應(yīng)國(guó)家發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和振興鄉(xiāng)村的號(hào)召，著眼于鄉(xiāng)村小型生豬養(yǎng)殖企業(yè)，解決在人為飼養(yǎng)的過(guò)程中遇到的生豬疾病防控等問(wèn)題，將人工智能養(yǎng)殖平臺(tái)引入到中小型養(yǎng)豬戶(hù)中，養(yǎng)殖戶(hù)只需花費(fèi)較小成本購(gòu)置檢測(cè)和管理設(shè)備，通過(guò)視頻監(jiān)控對(duì)生豬進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，平臺(tái)就能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、清洗、分析和識(shí)別，用戶(hù)就能實(shí)時(shí)得到各項(xiàng)決策提示或警示。其解決了原人工飼養(yǎng)的豬只個(gè)體跟蹤識(shí)別困難、人為經(jīng)驗(yàn)預(yù)判誤差大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了豬只的識(shí)別監(jiān)測(cè)、疾病的預(yù)警，做到及時(shí)隔離，防患于未然。該平臺(tái)的智能化管理實(shí)現(xiàn)了高效、低成本、易操作等優(yōu)勢(shì)。

人工智能技術(shù)在中小型養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用是國(guó)家政府機(jī)關(guān)和行業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)養(yǎng)殖業(yè)智能化的強(qiáng)烈需求，智能監(jiān)控管理平臺(tái)對(duì)生豬進(jìn)行疾病監(jiān)測(cè)，降低了疫病對(duì)生豬的危害和養(yǎng)殖業(yè)的損失，滿(mǎn)足豬肉需求大國(guó)的需求，有助于智能管理水平的提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮澤猛，張?jiān)迫A，賀玉敏，等.智能養(yǎng)殖：生豬行為研究及其應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2021，42（1）：1-9.

[2] 中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見(jiàn)[J].農(nóng)民文摘，2021（6）：3-14.

[3] 江光輝，胡浩.非洲豬瘟疫情沖擊下生豬養(yǎng)殖戶(hù)生產(chǎn)恢復(fù)行為研究——來(lái)自江蘇省的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)[J].農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理學(xué)報(bào)，2021，20（2）：227-237.

[4] 劉艷昌，趙海生，李澤旭，等.基于機(jī)器人的生豬健康養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2021，42（8）：187-95.

[5] 廖聰玲，李曉宏，羅雪云.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下公立醫(yī)院固定資產(chǎn)智能管理的應(yīng)用研究[J].商業(yè)會(huì)計(jì)，2021（17）：88-90.

[6] 王金環(huán)，陳湘云，褚?guī)浟?，?我國(guó)智能養(yǎng)豬現(xiàn)狀、問(wèn)題及趨勢(shì)[J].中國(guó)豬業(yè)，2018，13（12）：17-23，27.

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