何銳敏，鄭可鋒，張俊，張小斌，尉欽洋，朱怡航，趙懿瀅，顧清*

(1.嵊州陌桑高科股份有限公司，浙江 嵊州 312400；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，浙江 杭州 310021)

中國(guó)是世界蠶絲業(yè)發(fā)源地，蠶業(yè)也是我國(guó)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)[1]。然而，近年來蠶桑繭絲產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)蠶桑生產(chǎn)下滑、繭絲需求增長(zhǎng)的趨勢(shì)，亟需通過蠶業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)來緩解或解決這個(gè)矛盾[2-4]。自2013年始，嵊州陌桑高科股份有限公司與有關(guān)科研院所合作開展了全齡人工飼料工廠化養(yǎng)蠶技術(shù)體系的研究與應(yīng)用實(shí)踐，已在專用蠶品種選育與蠶種繁育周年供種、全齡人工飼料配方、飼料加工車間及裝備集成研發(fā)、飼料加工工藝、養(yǎng)蠶車間基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境監(jiān)測(cè)控制、專用蠶具研制等諸多技術(shù)與裝備方面取得了開創(chuàng)性成果[5]，目前一期項(xiàng)目已建成投產(chǎn)，可日產(chǎn)鮮蠶繭20余t。全齡人工飼料工廠化養(yǎng)蠶改變了五千多年的傳統(tǒng)養(yǎng)蠶方式，克服了傳統(tǒng)養(yǎng)蠶受季節(jié)、氣候等條件的限制，實(shí)現(xiàn)周年循環(huán)高密度飼養(yǎng)，極大地提高了桑蠶的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。

提高飼料利用率是控制工廠化養(yǎng)蠶成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。根據(jù)養(yǎng)蠶盒單元蠶個(gè)體數(shù)量實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制人工飼料投喂量，實(shí)現(xiàn)變量投喂，是一種節(jié)省飼料的有效方法。通過前期的研發(fā)，目前已經(jīng)開發(fā)完成利用機(jī)器視覺和目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行家蠶和殘留人工飼料識(shí)別和計(jì)數(shù)的算法，可實(shí)現(xiàn)飼喂流水線上移動(dòng)養(yǎng)蠶盒單元圖像的實(shí)時(shí)獲取和快速分析，為工廠化養(yǎng)蠶精準(zhǔn)飼喂設(shè)備和信息系統(tǒng)的開發(fā)提供了算法支持。本研究在分析當(dāng)前工廠化養(yǎng)蠶特有模式下對(duì)精準(zhǔn)飼喂信息系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)和基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)訓(xùn)練的蠶和飼料殘留識(shí)別模型，開展了“工廠化養(yǎng)蠶精準(zhǔn)飼喂信息系統(tǒng)”數(shù)據(jù)庫(kù)、功能模塊等的研究和開發(fā)，構(gòu)建了針對(duì)人工飼料工廠化養(yǎng)蠶的精準(zhǔn)飼喂信息系統(tǒng)框架平臺(tái)。通過本系統(tǒng)的開發(fā)，以期實(shí)現(xiàn)工廠化養(yǎng)蠶人工飼料投喂的數(shù)字化管理，達(dá)到人工飼料投喂變量化、精準(zhǔn)化目標(biāo)，提高飼料利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。

1 需求分析與研發(fā)目標(biāo)

工廠化養(yǎng)蠶精準(zhǔn)飼喂信息系統(tǒng)是集機(jī)器視覺系統(tǒng)、深度學(xué)習(xí)模型圖像分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索和分析功能的綜合平臺(tái)，用于掌握工廠化養(yǎng)蠶過程中詳細(xì)的蠶個(gè)體數(shù)、蠶群體生長(zhǎng)發(fā)育狀況、飼料消耗情況以及飼養(yǎng)環(huán)境參數(shù)等信息。要求系統(tǒng)可以配置不同攝像頭，以實(shí)時(shí)獲取不同齡期的養(yǎng)蠶盒單元圖像；可以輸出、分析、保存、實(shí)時(shí)展示后臺(tái)深度學(xué)習(xí)模型運(yùn)算得到的蠶和殘留飼料數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)蠶繭產(chǎn)量數(shù)據(jù)等。可以保存養(yǎng)蠶盒單元圖像和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并提供查詢功能；可以實(shí)時(shí)測(cè)算當(dāng)期家蠶和剩余飼料量數(shù)據(jù)累計(jì)值，獲得齡期、蠶期總體估計(jì)值、養(yǎng)蠶盒單元估計(jì)值等；可以查詢采集的圖片信息，增加蠶病、星標(biāo)、備注等人工輔助分析功能；可以設(shè)置車間環(huán)境參數(shù)、攝像頭參數(shù)、最優(yōu)生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間序列模型參數(shù)等。系統(tǒng)主要功能模塊包括圖像采集模塊、服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和前端用戶模塊。圖1為根據(jù)需求分析設(shè)計(jì)的系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)框架圖。

圖1 系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)框架

1.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊支持相機(jī)實(shí)時(shí)采集養(yǎng)蠶盒單元圖像，并將圖像傳輸至開發(fā)板，通過部署好的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行蠶體和飼料殘留識(shí)別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。多個(gè)開發(fā)板會(huì)向服務(wù)器傳輸圖像分析結(jié)果數(shù)據(jù)。使用工業(yè)相機(jī)獲取流水線上飼喂過程中養(yǎng)蠶盒單元的數(shù)字圖像。相機(jī)通過USB 3.0接口與開發(fā)板相連，通過對(duì)蠶盒的框形結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別達(dá)到自動(dòng)拍攝的目標(biāo)。

1.2 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

獲得不同開發(fā)板傳輸?shù)姆治鰯?shù)據(jù)后，將保存拍攝的圖片和數(shù)據(jù)存至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。前期已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中采集了不同齡期的養(yǎng)蠶盒單元數(shù)字圖像，并選取其中比較理想的250張圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)預(yù)處理、目標(biāo)標(biāo)注、模型訓(xùn)練和預(yù)測(cè)驗(yàn)證等過程，建立了基于深度學(xué)習(xí)模型Mask R-CNN的蠶體和剩余飼料識(shí)別計(jì)數(shù)模型。訓(xùn)練完成后的模型部署在開發(fā)板上，用于實(shí)時(shí)圖像的分析。

1.3 前端用戶模塊

提供交互界面，可進(jìn)行家蠶信息的查詢、檢索、可視化等。具體流程為：

用戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)，并采用心跳連接的形式向服務(wù)端發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)端根據(jù)客戶的請(qǐng)求和客戶等級(jí)提供蠶體信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。管理人員需要在登錄界面輸入用戶名和密碼完成登錄，登錄后可以查看和更新系統(tǒng)參數(shù)。

用戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求以表單形式提交給服務(wù)端，服務(wù)端驗(yàn)證請(qǐng)求正確性后將查詢數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果檢索及圖片檢索。數(shù)據(jù)查詢可以提交查看數(shù)據(jù)請(qǐng)求給服務(wù)端，服務(wù)端接收到請(qǐng)求后，返回選定時(shí)間內(nèi)和固定蠶期范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)信息與單個(gè)盒單元信息，包括總蠶數(shù)、平均盒蠶數(shù)、平均大小、平均勻整度、飼料余量總量、平均飼料余量、平均飼料利用率等。圖片檢索功能可對(duì)已保存的圖片進(jìn)行搜索和查看。圖片分兩種方式保存，自動(dòng)保存(每隔1 000張)和手動(dòng)保存。可根據(jù)養(yǎng)蠶盒單元編碼、蠶期、齡期、日期和時(shí)間、保存方式進(jìn)行圖片檢索。搜索出目標(biāo)圖片后，可對(duì)圖片進(jìn)行放大查看，對(duì)蠶生長(zhǎng)狀況、飼料消耗和蠶病等情況進(jìn)行識(shí)別分析后，可對(duì)圖片添加描述和備注，也可另存為其他路徑，用于進(jìn)一步分析。

用戶可進(jìn)行系統(tǒng)蠶數(shù)設(shè)置，包括每個(gè)蠶期的養(yǎng)蠶盒單元數(shù)(用于對(duì)不同蠶期的跳轉(zhuǎn))、蠶個(gè)體大小區(qū)間定義、圖片存放路徑、圖片自動(dòng)保存間隔等。另外還可以設(shè)置蠶最優(yōu)生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間序列模型，并可以新增和刪減參數(shù)。養(yǎng)蠶車間蠶最優(yōu)生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間序列模型是一個(gè)完整的蠶生長(zhǎng)周期(0～20 d)，按小時(shí)等為間隔的各個(gè)環(huán)境參數(shù)(氣溫、濕度、照度、氣流等)、蠶體生長(zhǎng)發(fā)育參數(shù)(平均飼養(yǎng)盒單元蠶個(gè)體數(shù)量、個(gè)體大小均值、勻整度、平均飼料消耗量等)，基于非等距時(shí)間序列的矩陣模型，是具體飼養(yǎng)過程中的環(huán)境、蠶體、飼料的調(diào)控閾值依據(jù)，并可以在具體的飼養(yǎng)實(shí)踐中以節(jié)能、降耗、節(jié)本、提高單位蠶繭產(chǎn)量為目標(biāo)不斷完善和優(yōu)化。

1.4 變量投喂數(shù)據(jù)接口與投喂設(shè)備耦合模塊

根據(jù)模型分析得出的養(yǎng)蠶盒單元存蠶頭數(shù)，按照蠶最優(yōu)生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間序列模型中對(duì)應(yīng)齡期的單蠶基準(zhǔn)攝食量，確定養(yǎng)蠶盒單元的所需飼料投喂量。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口建立耦合機(jī)制，將量化后的精準(zhǔn)投喂量數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至精準(zhǔn)投喂裝備，投喂裝備按相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整出料量，實(shí)現(xiàn)人工飼料的變量精準(zhǔn)投喂。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工廠化養(yǎng)蠶精準(zhǔn)飼喂控制信息系統(tǒng)包含家蠶圖像采集與機(jī)器視覺分析、家蠶信息查詢和投喂數(shù)據(jù)接口和耦合等3個(gè)子系統(tǒng)。家蠶攝像采集與機(jī)器視覺分析子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)圖像的采集和分析；家蠶信息查詢子系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和檢索；投喂數(shù)據(jù)接口和耦合子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飼料實(shí)時(shí)精準(zhǔn)變量投喂。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工廠化養(yǎng)蠶精準(zhǔn)飼喂控制的信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)《全齡人工飼料工廠化養(yǎng)蠶數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》和《全齡人工飼料工廠化養(yǎng)蠶精準(zhǔn)管理數(shù)據(jù)庫(kù)》規(guī)范開展系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建攝像頭信息表、用戶信息表、后臺(tái)設(shè)置表及家蠶信息表等主要數(shù)據(jù)表。其主要邏輯結(jié)構(gòu)如下：

攝像頭信息表(CameraInfo)：cam_id(攝像頭標(biāo)識(shí))+age(齡期)+date_id(蠶期)+IP(攝像頭IP地址)+iter_id(養(yǎng)蠶盒單元編號(hào))；

用戶信息表(UserInfo)：user(用戶名)+password(用戶密碼)；

后臺(tái)設(shè)置表(Settings)：age_iter_num(養(yǎng)蠶盒單元數(shù)量)+default_image_path(默認(rèn)圖片保存路徑)+can_img_interval(圖片保存間隔)+linqi_1_temp(溫度)+linqi_1_shidu(濕度)+linqi_1_siliao(飼料用量)+can_size_group_max(蠶大小區(qū)間最大值)+can_size_group_min(蠶大小區(qū)間最小值)；

家蠶信息表(CanLog)：id(蠶記錄編號(hào))+time(圖片獲取時(shí)間)+cam_id(攝像頭編號(hào))+age(齡期)+date_id(蠶期)+iter_can(養(yǎng)蠶盒單元編號(hào))+num_can(總參數(shù))+num_siliao(總飼料殘留量)+area_can(蠶面積)+area_siliao(飼料面積)+area_can_size(蠶大小所屬區(qū)間)+ori_image(原圖片存儲(chǔ)路徑)+seg_image(檢測(cè)圖片存儲(chǔ)路徑)+image_saved(圖片是否保存)+is_star(圖片是否星標(biāo))+is_ill(是否患病)+description(圖片描述)。

2.3 運(yùn)行設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶角色類型設(shè)置不同的訪問權(quán)限。當(dāng)運(yùn)行攝像機(jī)數(shù)據(jù)記錄模塊時(shí)，系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)更新模塊，將家蠶信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)瀏覽器端運(yùn)行數(shù)據(jù)查看模塊時(shí)，系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)檢索模塊，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取家蠶信息；該模塊主要使用React進(jìn)行開發(fā)。

如果訪問者未登錄，即為訪客，則只能訪問登錄頁(yè)面，無法訪問任何其他信息。如果用戶已登錄，可以查看不同齡期的家蠶統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖表，也可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、圖片查詢、系統(tǒng)設(shè)置等。

2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于B/S模式開發(fā)，設(shè)置簡(jiǎn)單，安裝方便，不需要安裝任何輔助軟件。服務(wù)器操作系統(tǒng)為Ubuntu 18.04，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。在服務(wù)器上安裝好MySQL和Python后，完成基本網(wǎng)絡(luò)配置即可正常使用。系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，應(yīng)用React JS、PHP等工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。客戶端可以在Windows 7、Windows 10、Mac OS等操作系統(tǒng)中使用Chrome、Firefox、IE等瀏覽器運(yùn)行。圖3為系統(tǒng)首頁(yè)界面，圖4和圖5分別為當(dāng)期蠶生長(zhǎng)狀況評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)模塊和蠶體識(shí)別分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示模塊界面。

圖3 系統(tǒng)的首頁(yè)界面

圖4 當(dāng)期蠶生長(zhǎng)狀況評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)模塊

圖5 蠶體識(shí)別分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展示模塊

3 小結(jié)與討論

本研究從工廠化養(yǎng)蠶對(duì)人工飼料精準(zhǔn)飼喂信息化需求出發(fā)，開展了針對(duì)工廠化養(yǎng)蠶數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)庫(kù)、功能模塊等的研究和開發(fā)，構(gòu)建了人工飼料工廠化養(yǎng)蠶特有模式下的精準(zhǔn)飼喂信息系統(tǒng)框架平臺(tái)。工廠化養(yǎng)蠶精準(zhǔn)飼喂信息系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，使管理人員可以及時(shí)掌握工廠化養(yǎng)蠶過程中詳細(xì)的蠶數(shù)、蠶生長(zhǎng)發(fā)育狀況、飼料消耗情況以及飼養(yǎng)環(huán)境參數(shù)等信息，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化管理，將工廠化養(yǎng)蠶過程中的人工飼料投喂進(jìn)行精準(zhǔn)化、智能化、數(shù)字化，最終達(dá)到提高飼料利用率、節(jié)省成本的目的。

工廠化養(yǎng)蠶技術(shù)體系復(fù)雜，需要各類裝置設(shè)備與管理信息系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)協(xié)同，才能實(shí)現(xiàn)低本、高效地生產(chǎn)蠶繭。這些系統(tǒng)主要涉及飼養(yǎng)環(huán)境和蠶生長(zhǎng)發(fā)育智能調(diào)控信息系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控信息系統(tǒng)、養(yǎng)蠶車間物流管理信息系統(tǒng)和本研究開發(fā)的精準(zhǔn)飼喂控制信息系統(tǒng)等。各類信息系統(tǒng)之間的串聯(lián)集成以及與環(huán)境控制裝備、飼料成形及投喂裝備之間的高效耦合，是實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)、智能裝備和管理信息平臺(tái)高效協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)。養(yǎng)蠶過程管理者通過管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車間飼養(yǎng)環(huán)境、蠶生長(zhǎng)發(fā)育狀況、飼料投喂等過程透明可視，能有效提高飼養(yǎng)效率。

數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化和飼育周年化是全齡人工飼料工廠化養(yǎng)蠶成功的關(guān)鍵，因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)這“五化”才能降低工廠化養(yǎng)蠶的飼料、人工、能源、管理和時(shí)間成本，使規(guī)模效益得到大幅提升，為產(chǎn)業(yè)化建立堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。而基于“五化”的生產(chǎn)和管理都離不開數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化，因此，本信息系統(tǒng)的研發(fā)也具有重要的現(xiàn)實(shí)和實(shí)踐意義。由于是首次提出的系統(tǒng)框架，難免存在問題和不足之處，必須在今后的應(yīng)用和工廠化養(yǎng)蠶技術(shù)體系的發(fā)展中不斷充實(shí)和改進(jìn)。