石芳權(quán) ，王 輝，趙一廣，熊本海＊

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193

2 甘肅省西和縣畜牧獸醫(yī)站，甘肅西和 742100

0 引言

牛奶及其制品被認(rèn)為是最具營(yíng)養(yǎng)的食物之一，也是人類(lèi)生活中最重要的食品之一；牛奶幾乎包含所有人體生命所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是蛋白質(zhì)的重要來(lái)源，且富含維生素和礦物質(zhì)，具有較高的生物價(jià)值和消化率，容易被吸收利用，對(duì)改善人們膳食結(jié)構(gòu)具有重要作用，因此，牛奶及其制品在市場(chǎng)消費(fèi)和擴(kuò)展需求方面逐年增加。未來(lái)20 年，全球人口預(yù)計(jì)增長(zhǎng)20 億人，在發(fā)展中國(guó)家人口增長(zhǎng)更為明顯，這必然將促使牛奶需求量加大，同時(shí)人們對(duì)動(dòng)物健康和福利的關(guān)注度也將增強(qiáng)[1]。然而目前奶牛養(yǎng)殖成本不斷走高，對(duì)養(yǎng)殖效益影響較大，促使奶牛場(chǎng)在不斷尋找節(jié)本增效的措施，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的快速發(fā)展，帶動(dòng)了新一代高科技和信息化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域正在或?qū)⒂瓉?lái)一次革命性的飛躍，推動(dòng)奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)和乳制品生產(chǎn)加工、消費(fèi)等產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展；智能化裝備的投入以及數(shù)字信息化管理、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)奶牛養(yǎng)殖高效、精準(zhǔn)和可持續(xù)化，在節(jié)約飼養(yǎng)管理成本的同時(shí)，全面提高了乳制品生產(chǎn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 奶業(yè)的發(fā)展前景

近年來(lái)，隨著人民生活品質(zhì)和消費(fèi)水平的提升，我國(guó)奶牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展正在邁向一個(gè)新的臺(tái)階，我國(guó)奶牛養(yǎng)殖規(guī)模化、機(jī)械化、信息化和智能化水平不斷提高，生產(chǎn)效率大幅度提升，整體素質(zhì)明顯增強(qiáng)，全國(guó)100 頭以上奶牛規(guī)模養(yǎng)殖比重達(dá)到70.0%，奶業(yè)發(fā)展水平呈現(xiàn)出穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)[2]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和中國(guó)海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2020年，我國(guó)牛奶產(chǎn)量為3440.0 萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)7.5%，創(chuàng)歷史新高；乳制品總產(chǎn)量2780.4 萬(wàn)噸，進(jìn)口大包粉、嬰幼兒配方乳粉等乳制品為328.1 萬(wàn)噸，折合原料奶1887.2 萬(wàn)噸（按1：5.8折算），同比增長(zhǎng)9.0%，進(jìn)口增速持續(xù)放緩，間接表明消費(fèi)者對(duì)國(guó)產(chǎn)乳制品信任度的增加（圖1）[3]。未來(lái)10 年生鮮乳產(chǎn)量將穩(wěn)步提高，牛奶消費(fèi)量年均增長(zhǎng)2.0%～3.0%，規(guī)?；B(yǎng)殖比重不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)100 頭以上的奶牛規(guī)模養(yǎng)殖比重將達(dá)到80.0%[4]。

圖1 2014—2020 年全國(guó)牛奶產(chǎn)量及乳制品進(jìn)口量

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)奶業(yè)的快速發(fā)展，智能養(yǎng)殖設(shè)備及擠奶機(jī)器人的推廣應(yīng)用可能會(huì)進(jìn)一步改變奶業(yè)的生產(chǎn)格局，“無(wú)人值守”的未來(lái)牧場(chǎng)也會(huì)很快成為現(xiàn)實(shí)。進(jìn)入21世紀(jì)，數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展為奶業(yè)發(fā)展提供了大量的信息資源，促進(jìn)奶牛智慧養(yǎng)殖邁上一個(gè)新臺(tái)階。目前，我國(guó)在養(yǎng)殖機(jī)械化、信息化方面已取得了重大突破，自動(dòng)飼喂、擠奶機(jī)器人和智能糞便清理等設(shè)備的應(yīng)用，將物理、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)廣泛應(yīng)用到奶業(yè)中，有效降低了飼養(yǎng)成本，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益最大化，保證了奶牛養(yǎng)殖的高效性和可持續(xù)性[5]。但奶業(yè)高質(zhì)量發(fā)展仍然面臨諸如奶牛疾病與健康感知、生產(chǎn)性能改善以及健康福利、產(chǎn)品質(zhì)量安全和環(huán)境等方面的挑戰(zhàn)。

2 智慧奶業(yè)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

智慧奶業(yè)的高效發(fā)展需要依靠現(xiàn)代科技來(lái)提升生產(chǎn)管理水平。以物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新一代信息化關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用在奶牛個(gè)體與健康識(shí)別、精準(zhǔn)飼喂與管理、繁殖管理、環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析等多領(lǐng)域中，將成為實(shí)現(xiàn)奶牛智慧養(yǎng)殖的核心驅(qū)動(dòng)力。

2.1 個(gè)體信息智能識(shí)別

個(gè)體信息識(shí)別是智慧奶業(yè)發(fā)展的第一步，它是奶牛身份的證明，也是動(dòng)物健康跟蹤與溯源的基礎(chǔ)，更是實(shí)現(xiàn)奶業(yè)全程數(shù)字化信息管理的前提。信息識(shí)別系統(tǒng)為每頭奶牛建立了檔案，包括年齡、體況、飼料消耗、發(fā)病情況、產(chǎn)奶量等基本信息。無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）電子耳標(biāo)，內(nèi)置電子芯片和適當(dāng)功率的天線，具有非接觸、遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別與計(jì)數(shù)特點(diǎn)，用來(lái)識(shí)別奶牛個(gè)體信息，也被配套應(yīng)用于奶牛稱(chēng)重分群、智能飼喂、機(jī)器人擠奶等系統(tǒng)中。近年來(lái)，以機(jī)器視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)已逐漸融入到奶業(yè)生產(chǎn)中，顯著提升了奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的管理效率，例如面部檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)主要依靠機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算分析來(lái)檢測(cè)動(dòng)物面部特征，利用非接觸式機(jī)器視覺(jué)鎖定奶牛面部區(qū)域位置進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別，在去除背景信息的基礎(chǔ)上提取特征數(shù)據(jù)，最后通過(guò)預(yù)先構(gòu)建的奶牛面部特征數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相似度計(jì)算，識(shí)別奶牛身份，該技術(shù)是動(dòng)物智能識(shí)別與增強(qiáng)福利備受關(guān)注的領(lǐng)域，也許會(huì)成為未來(lái)監(jiān)測(cè)動(dòng)物情感和RFID標(biāo)簽識(shí)別動(dòng)物身份的低成本替代方案[5]。

2.2 奶牛行為監(jiān)控與疫病預(yù)警

隨著畜牧信息化的發(fā)展，人工智能領(lǐng)域興起的專(zhuān)家系統(tǒng)（ES）擁有豐富的資源知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，奶牛疾病專(zhuān)家系統(tǒng)在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，其將獲取的各類(lèi)資源進(jìn)行分類(lèi)、儲(chǔ)存在云端，方便使用者能夠系統(tǒng)的了解各類(lèi)信息，針對(duì)特定的問(wèn)題做出相應(yīng)的解答[6]。奶牛的個(gè)體信息如體溫、體重、活動(dòng)量、體況評(píng)分以及反芻行為、情緒、姿態(tài)等行為參數(shù)的變化是奶牛疾病發(fā)生和預(yù)警的依據(jù)，通過(guò)對(duì)這些行為狀況的監(jiān)測(cè)可以系統(tǒng)地了解奶牛身體健康情況和生理水平，同時(shí)可根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的大量數(shù)據(jù)信息來(lái)研究和構(gòu)建奶牛健康生長(zhǎng)模型，為奶牛的健康養(yǎng)殖和福利提供技術(shù)支撐[7]。體溫作為重要的生理指標(biāo)，可及時(shí)反映奶牛健康狀況，目前自動(dòng)體溫監(jiān)測(cè)方法主要分為非接觸式、接觸式與植入式3 種，非接觸式體溫監(jiān)測(cè)是利用紅外溫度傳感器與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)測(cè)量奶牛表面發(fā)射的能量進(jìn)而測(cè)定溫度；接觸式體溫監(jiān)測(cè)主要利用接觸式的溫度傳感器監(jiān)測(cè)奶牛的體溫；植入式體溫監(jiān)測(cè)是將測(cè)溫裝置植入動(dòng)物體內(nèi)，通過(guò)無(wú)線遙感技術(shù)傳輸體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]。奶牛的稱(chēng)重系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)奶牛健康情況及生長(zhǎng)指標(biāo)，它與RFID技術(shù)結(jié)合，在識(shí)別牛只信息的同時(shí)對(duì)奶牛進(jìn)行自動(dòng)稱(chēng)重，將獲取到的重量信息與身份信息儲(chǔ)存與傳輸，成為生產(chǎn)管理或營(yíng)養(yǎng)調(diào)控的依據(jù)；在規(guī)模養(yǎng)牛場(chǎng)中，還可使用攝像頭對(duì)牛只進(jìn)行三維照相，通過(guò)紅外線掃描得到牛的粗略體重[9]。

瘤胃是奶牛獨(dú)特的消化器官，也是用來(lái)監(jiān)測(cè)奶牛體質(zhì)的主要場(chǎng)所，可在瘤胃中植入甲烷、pH值測(cè)定傳感器。奶牛反芻量及瘤胃環(huán)境的變化，對(duì)判斷奶牛生理狀態(tài)及預(yù)防早期消化性疾病非常重要。以研究奶牛咀嚼、吞咽、反芻音等為特征的接觸式反芻監(jiān)測(cè)，如Vilchis等[10]選用項(xiàng)圈獲取奶牛反芻行為信息，通過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)與人工觀察進(jìn)行對(duì)比建立相關(guān)性；Adolfo等[11]研究發(fā)現(xiàn)三軸加速度傳感器替代人工觀察法，感知加速度變化分析反芻行為變化規(guī)律；有報(bào)道將三軸加速度傳感器固定在奶牛下顎側(cè)中部自動(dòng)采集奶牛下頜運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，采用3 種機(jī)器學(xué)習(xí)算法同時(shí)識(shí)別奶牛的反芻行為，通過(guò)數(shù)據(jù)收集顯示出反芻識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到93.7%[12]?；谀膛D像、視頻等技術(shù)捕捉奶牛姿態(tài)及其嘴部運(yùn)動(dòng)來(lái)識(shí)別奶牛反芻行為的非接觸式反芻監(jiān)測(cè)，如Yu[13]等提出了一種基于視頻智能監(jiān)測(cè)奶牛反芻方法，采用Mean-Shift算法對(duì)奶牛下頜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確跟蹤，實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶牛反芻行為的監(jiān)控；李通[14]利用Horn-Schunck光流法的奶牛嘴部區(qū)域檢測(cè)，采用幀間差值跟蹤算法，對(duì)每幀圖像中較大光流場(chǎng)數(shù)據(jù)疊加，更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)奶牛嘴部區(qū)域同步檢測(cè)，對(duì)奶牛反芻情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

奶牛疾病的早期預(yù)防與監(jiān)測(cè)非常重要，如通過(guò)監(jiān)測(cè)體細(xì)胞數(shù)的變化判斷是否患有乳房炎，監(jiān)測(cè)奶牛反芻情況預(yù)判消化疾病、蹄病、酮病等的發(fā)展趨向。奶牛各種疾病特征數(shù)據(jù)不僅為管理者提供了信息化管理應(yīng)用手段，也為奶牛病歷信息系統(tǒng)化建設(shè)提供了技術(shù)參考[15]。酮病是奶牛常見(jiàn)的疾病，β-羥基丁酸（β-HBA）濃度升高是亞臨床酮癥（SCK）診斷的關(guān)鍵，Tuteja等[16]使用基于二維二硫化鉬（MoS2）納米結(jié)構(gòu)的電化學(xué)免疫傳感器檢測(cè)牛奶樣品中的β-HBA濃度，顯示出高特異性和靈敏度；Murugan等[17]成功使用釕-氧化石墨烯電化學(xué)生物識(shí)別傳感器來(lái)檢測(cè)β-HBA濃度，具有較高的特異性且能快速進(jìn)行測(cè)定；Hyunwook等[18]利用抗體與酶復(fù)合物結(jié)合顯色原理，提出了一種便攜式診斷閱讀器，可以檢測(cè)牛奶中的孕酮，并用酶聯(lián)免疫吸附劑測(cè)定（ELISA）法進(jìn)行了驗(yàn)證。生物傳感器可用于監(jiān)測(cè)奶牛行為、聲音和生理指標(biāo)（體溫、pH值、病毒病原體等），利用其特異性原則能夠監(jiān)測(cè)重金屬、抗生素的殘留，檢測(cè)如口蹄疫、冠狀病毒等病原體，可廣泛用于判斷奶牛消化系統(tǒng)疾病、乳腺炎、真胃移位、肢蹄病和酮癥等[19,20]，對(duì)減少奶牛疾病傳播、促進(jìn)奶牛健康和福利具有重要作用，在監(jiān)測(cè)動(dòng)物健康領(lǐng)域具有全新的市場(chǎng)。傳感器可部署在飼喂器或擠奶機(jī)周?chē)?，也可穿戴或植入體內(nèi)以監(jiān)測(cè)奶牛體溫、心跳、壓力、血液pH值和檢測(cè)分析病毒等病原體以對(duì)疾病及時(shí)預(yù)警和診斷，提高奶牛健康水平和生產(chǎn)效率，減少體檢和長(zhǎng)期保健成本[20]。

2.3 奶牛精準(zhǔn)飼喂

在奶牛飼養(yǎng)過(guò)程中飼料成本占到70.0%，成為決定養(yǎng)殖效益的主要因素，不同品種或不同階段的奶牛有不同水平的營(yíng)養(yǎng)配方[15]。隨著我國(guó)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和健全，各種飼料資源得到了有效利用，飼養(yǎng)成本有所降低，飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的利用更加充分。同時(shí)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等諸多新興技術(shù)廣泛地應(yīng)用到奶牛精準(zhǔn)飼喂環(huán)節(jié)中，促進(jìn)了奶牛飼喂技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展。全混合日糧（Total mixed ration，TMR）是根據(jù)奶牛不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的營(yíng)養(yǎng)需求按照飼料配方搭配的營(yíng)養(yǎng)均衡的日糧，是奶牛發(fā)揮生產(chǎn)性能的關(guān)鍵因素之一[8]。張德敏等[21]利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種能自動(dòng)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)的TMR智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了飼料配制和投料監(jiān)控，并對(duì)整個(gè)飼喂數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)分析，有效提高了奶牛精準(zhǔn)飼喂程度。由于能給奶牛提供均衡的營(yíng)養(yǎng)，有效減少營(yíng)養(yǎng)代謝病，提高產(chǎn)奶量及生鮮乳品質(zhì)，TMR在牧場(chǎng)中得以廣泛應(yīng)用，特別是精確飼喂機(jī)器人在TMR飼喂技術(shù)的基礎(chǔ)上，智能識(shí)別奶牛個(gè)體并精準(zhǔn)配料，實(shí)現(xiàn)定量分次飼喂，達(dá)到了提高奶牛生產(chǎn)效率、減少飼料消耗的目的[9]。我國(guó)對(duì)奶牛自動(dòng)飼喂設(shè)備和精準(zhǔn)飼喂技術(shù)的研發(fā)起步較晚，但實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼喂是必然趨勢(shì)，隨著國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的引進(jìn)，國(guó)內(nèi)信息化、精細(xì)化、智能化養(yǎng)殖發(fā)展迅速。如北京國(guó)科誠(chéng)泰農(nóng)牧設(shè)備有限公司研發(fā)的可編程自動(dòng)稱(chēng)重分群設(shè)備，能夠?qū)?shí)際數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備與管理軟件聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控，其研發(fā)的自動(dòng)犢牛飼喂設(shè)備系統(tǒng)，可提高犢牛飼喂效率和智能化水平。王玄等[22]設(shè)計(jì)的全自動(dòng)犢牛飼喂裝置，具有犢牛識(shí)別、自動(dòng)攪拌投料、代乳粉設(shè)定量、機(jī)器消毒等功能；許立新等[23]提出傳送帶式自動(dòng)飼喂管理系統(tǒng)，通過(guò)TMR飼喂設(shè)備配套自動(dòng)稱(chēng)t重裝置，將定量的飼料通過(guò)傳送帶投到各個(gè)料槽中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與精準(zhǔn)飼喂；袁玉昊等[24]采用信息化、智能化和機(jī)電一體化等技術(shù)研發(fā)一種新型牛場(chǎng)精料撒料及推草機(jī)器人，替代人工實(shí)現(xiàn)自主推草、精準(zhǔn)供料、磁性尋跡、智能避障等功能。

2.4 繁殖性能監(jiān)測(cè)

奶牛繁殖性能直接關(guān)系著奶牛養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)情判斷的準(zhǔn)確性、配種的及時(shí)性以及受胎率都可以影響奶牛的產(chǎn)犢間隔和產(chǎn)奶量。動(dòng)物發(fā)情是評(píng)估動(dòng)物福利、健康和繁殖行為的重要指標(biāo)之一，奶牛興奮度、活動(dòng)量、采食量、反芻活動(dòng)以及體溫等生理數(shù)據(jù)的變化，是智能監(jiān)測(cè)奶牛發(fā)情和排卵的基本依據(jù)。計(jì)步器是常見(jiàn)的跟蹤記錄奶?；顒?dòng)量的設(shè)備，可安裝在牛腿部，對(duì)奶牛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)信息接收裝置收集奶牛運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，分析判斷奶牛發(fā)情時(shí)間；計(jì)步器發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用可快速反映奶牛的興奮狀況，提高發(fā)情監(jiān)測(cè)效率，同時(shí)能有效監(jiān)測(cè)和揭發(fā)奶牛蹄病[9]。加速度感應(yīng)器發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種通過(guò)佩戴頸環(huán)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，可同時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)、仰臥等行為數(shù)據(jù)，依據(jù)活動(dòng)量的相對(duì)變化，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)演算綜合得出推斷，進(jìn)而對(duì)奶牛發(fā)情進(jìn)行揭發(fā)，如李萌[25]提出了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的奶牛姿態(tài)識(shí)別方法，利用四元數(shù)微分方程求解姿態(tài)角，對(duì)奶牛采食、行走、撓癢、靜態(tài)等7 種動(dòng)作姿態(tài)進(jìn)行識(shí)別，解決了采集信息單一的問(wèn)題，提升了識(shí)別的準(zhǔn)確度；Reith等[26]研究了在奶牛尾根部放置壓力傳感器采集爬跨數(shù)據(jù)判斷奶牛的排卵情況；戶如霞等[27]的研究表明，應(yīng)用智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地兼顧奶?；顒?dòng)量和反芻兩方面的數(shù)據(jù)，從而提高奶牛受胎率、發(fā)情揭發(fā)率，顯著提高21 天懷孕率，有助于改善大型牧場(chǎng)奶牛的繁殖性能。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法已不能適應(yīng)大規(guī)模養(yǎng)殖，通過(guò)電子傳感器、音頻裝置、視頻圖像監(jiān)測(cè)奶牛發(fā)情的方法已被研發(fā)并廣泛應(yīng)用[8]，劉忠超[28]設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云端的奶牛發(fā)情體征監(jiān)測(cè)方案，提出了融合體溫和活動(dòng)量的奶牛發(fā)情預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，準(zhǔn)確率為89.5%，誤判率為3.7%，同時(shí)根據(jù)奶牛發(fā)情時(shí)陰道黏液引起的阻值變化，設(shè)計(jì)了奶牛陰道植入式電阻傳感器，能夠準(zhǔn)確地對(duì)奶牛隱性發(fā)情進(jìn)行鑒定與監(jiān)測(cè)；Randi等[29]通過(guò)電子耳標(biāo)監(jiān)測(cè)耳道溫度變化預(yù)測(cè)奶牛發(fā)情；R?ttgen等[30]研究了通過(guò)機(jī)載聲音麥克風(fēng)監(jiān)視奶牛發(fā)聲信息，對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與比對(duì)自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別奶牛發(fā)情，報(bào)告的靈敏度為87.0%，特異性為94.0%，以上數(shù)據(jù)信息化技術(shù)均為奶牛繁殖性能監(jiān)測(cè)提供了便捷。劉忠超等[31]使用網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭記錄奶牛發(fā)情爬跨行為，提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的奶牛發(fā)情監(jiān)測(cè)法，對(duì)采集的奶牛視頻進(jìn)行分析，識(shí)別準(zhǔn)確率為98.3%。

2.5 養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控

在奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)中，奶牛打嗝、腸胃中以及糞便排泄物會(huì)產(chǎn)生大量的甲烷、二氧化碳、氨氣等氣體，這些有害氣體成為環(huán)境影響的重要因素。甲烷也是引起溫室效應(yīng)的主要成分，它的產(chǎn)生意味著能量的損失；氨氣的產(chǎn)生意味著蛋白質(zhì)的浪費(fèi)，也是奶牛各種疾病的誘因；甲烷、氨氣等有害氣體的排放量是監(jiān)測(cè)空氣污染程度的主要指標(biāo)[32]。溫濕度、光照、通風(fēng)等環(huán)境指標(biāo)對(duì)奶牛生產(chǎn)性能、衛(wèi)生防疫和健康狀況有較大的影響，它們也是評(píng)價(jià)奶牛養(yǎng)殖效益和質(zhì)量的關(guān)鍵，因此對(duì)這些指標(biāo)的監(jiān)測(cè)很必要。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要設(shè)備包括監(jiān)控?cái)z像頭、麥克風(fēng)、射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽和各種傳感器（如溫濕度、氣體、光照）等，奶牛環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與數(shù)字化調(diào)控主要包括五個(gè)方面，一是環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集。依托各種傳感器、視像頭等進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控；二是智能分析、判斷與異常警報(bào)。主要對(duì)采集到的溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析，通過(guò)排除干擾、智能計(jì)算提高判斷的準(zhǔn)確性；三是數(shù)據(jù)傳輸與接收功能。數(shù)據(jù)輸送需要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WiFI等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程服務(wù)端，這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是設(shè)備交匯數(shù)據(jù)的主要通道；四是自動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程操控。根據(jù)需要智能化控制相應(yīng)的設(shè)施設(shè)備；五是信息存儲(chǔ)與查閱。用戶可通過(guò)控制平臺(tái)或移動(dòng)端口查看云端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息[9,33]。如劉忠超等[34]設(shè)計(jì)的基于ZigBee和Android的牛舍環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將ZigBee組網(wǎng)、紅外測(cè)溫、RFID等技術(shù)和ARM技術(shù)結(jié)合在一起，根據(jù)傳感器收集環(huán)境信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破魃?，并借助TCP/IP通信協(xié)議搭建TCP服務(wù)器，得到畜舍內(nèi)的溫濕度、氨氣濃度等參數(shù)，最后智能控制相應(yīng)的設(shè)備（噴霧、降溫、風(fēng)機(jī)等）進(jìn)行維持畜舍環(huán)境的穩(wěn)定，進(jìn)而能夠?qū)π笊岘h(huán)境實(shí)行遠(yuǎn)程無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.6 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

對(duì)奶牛個(gè)體識(shí)別、精準(zhǔn)飼喂、健康行為、繁殖性能和養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)集，包括圖像、文本、網(wǎng)頁(yè)、音頻、視頻等，依托計(jì)算機(jī)、人工智能等技術(shù)通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)資源信息關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行挖掘，其價(jià)值才得以顯現(xiàn)[35]。機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）是人工智能的一個(gè)分支，專(zhuān)門(mén)研究計(jì)算機(jī)怎樣模擬或?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)的學(xué)習(xí)行為，它使用不同算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)和推理，不斷從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)、改進(jìn)和歸納總結(jié)，以獲取新的知識(shí)或技能。大數(shù)據(jù)分析主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)探索與建模和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與應(yīng)用（圖2），探索性分析是從以前的事件中獲取數(shù)據(jù)并通過(guò)各種手段尋求隱含的規(guī)律，實(shí)質(zhì)上是尋找相關(guān)關(guān)系，而預(yù)測(cè)性分析是根據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)事件的可能性[36]；數(shù)據(jù)建模需要循環(huán)迭代更多的數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)的可變性意味著模型中需要考慮許多變量，去除干擾數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)聚類(lèi)是靜態(tài)數(shù)據(jù)分類(lèi)中常用方法，又稱(chēng)無(wú)監(jiān)督數(shù)據(jù)分析（Unsupervised）方法，聚類(lèi)類(lèi)型分K均值算法（K-Means）和K中心點(diǎn)算法（K-Medoids）；從傳感器或智能設(shè)備采集到的龐大數(shù)據(jù)在沒(méi)有類(lèi)別標(biāo)記的前提下，通過(guò)電腦進(jìn)行聚類(lèi)，劃分為多個(gè)聚簇（Cluster），同一聚簇中的數(shù)據(jù)具有相似性。大數(shù)據(jù)技術(shù)引入可以提高奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)整體管理水平，這些包羅萬(wàn)象的、海量的數(shù)據(jù)，需要融合產(chǎn)生比單一信息源更精確、更完全、更可靠的數(shù)據(jù)，目的是消除數(shù)據(jù)間的差異，對(duì)未來(lái)事件的可能性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，在收集大量的歷史資料和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)源的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)建模分析技術(shù)，挖掘奶牛生產(chǎn)、流通和交易之間的數(shù)據(jù)耦合關(guān)系，為智慧管理提供決策依據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖過(guò)程的問(wèn)題并有效控制，達(dá)到人財(cái)物的最優(yōu)化利用[37,38]。

圖2 奶牛養(yǎng)殖大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建與數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用

3 展望

奶業(yè)是富有有挑戰(zhàn)性與具有吸引力的產(chǎn)業(yè)，未來(lái)奶業(yè)的發(fā)展，將在數(shù)字化技術(shù)與設(shè)備應(yīng)用的有效推動(dòng)下，更加智慧化。各種傳感技術(shù)逐漸滲透在奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程中，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及人工智能對(duì)奶牛的健康管理、福利改善及生產(chǎn)性能的提升等具有促進(jìn)作用，能夠很大程度上提升牧場(chǎng)的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。此外，大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，還可實(shí)現(xiàn)畜產(chǎn)品可追溯，確保牛奶的品質(zhì)與安全，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更大的社會(huì)效益和生態(tài)效益[39]。在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的大背景下，對(duì)大數(shù)據(jù)資源的挖掘包含了諸多的信息，成為輔助人們正確決策的依據(jù)，各種傳感器、機(jī)器人及智能設(shè)備替代人們或許成為未來(lái)奶業(yè)的主角。數(shù)字化信息技術(shù)在奶業(yè)中的應(yīng)用有助于減少生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，對(duì)奶牛的健康成長(zhǎng)、產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及奶牛福利的改善起到積極的推動(dòng)作用。