智能奶牛场建设浅析

余文莉，李欣，赵慧秋，谷粟琨，潘兵

（1.石家庄天泉良种奶牛有限公司，石家庄 050400；2.河北省奶源管理办公室，石家庄 050035）

在漫长的人类发展进程中，农业是支撑人类繁衍生息走向文明的基础。从原始时代的茹毛饮血，到农耕时代伊始的刀耕火种，农业实现了由采集向种植发展的第一次革命；从作物轮作及其改良技术的系统使用，到以系统性育种、人造化肥、杀虫剂的使用为特征的“绿色革命”，农业完成了第二次革命向第三次革命的转变。进入21世纪，信息、通信和相关技术（ICT）在农业中的使用呈指数增长，已成为推动农业质量变革、效率变革、动力变革的重要驱动力，农业正在经历着第四次革命，我们称之为“智能农业”。

什么是“智能农业”？智能农业是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续的现代超前农业生产方式。与传统农业不同的是，智能农业把农业技术、作物和牲畜系统及网络和机构(即市场和政策) 结合起来，整合了物联网、大数据、云计算等新技术，并正在不断引入更多的机器人和人工智能技术[1]。智能设备（智能机器和传感器）则以农场系统的实物为节点，将实物与互联网连接起来，自动捕获或人工输入大量数据，经与传感器等智能设备相匹配的决策支持系统（计算机管理软件）的解释、分析，使农业流程被数据驱动和支持，执行自主行动或远程操作。

1 智能奶牛场的发展历程与现状

奶牛场的智能管理起始于应用电导率自动检测异常牛奶指标的研究，该研究最早发表在上世纪60年代。1977年，Charles揭示了牛活动量与发情行为之间的关系[2]，之后人们发明了计步器，以奶牛活动量的相对变化量作为衡量标准，揭发发情期的牛只，提高繁殖人员的工作效率。自上世纪80年代以来，人们一直在努力研发能够测量单个奶牛参数的传感器，但直到自动挤奶系统（AMS）的应用才获得成功。传感器作为一种测量牛与健康或发情有关的生理或行为参数的设备，能够自动对乳房炎、跛行、反刍、发情情况等进行监测，并要求牧场主采取行动（如治疗）。

1983年，西欧各国已普遍使用由自动识别器、产奶量记录器、定量配料器和微处理机组成的自动饲料配给系统。以美国、加拿大和日本为代表的集约化奶牛场，全面地将信息技术与营养模型调控技术结合起来，实现了以个体奶牛体况为基础的精细饲养，使得奶牛场的整体生产水平较传统的管理模式提高了30%以上[3]。

1985年，Rossing等首次研究了自动挤奶系统（AMS）的可行性。1992年，第一个商业农场在荷兰推出了自动挤奶系统(AMS)。截至2009年，全球使用自动挤奶系统的农场数量已增至8 000多家，其中西欧和北欧共占90%，加拿大占9%，美国占1%[4]。目前，使用AMS已成为西欧牧场的发展趋势，这极大地改变了奶牛场的经营管理现状。2010年，瑞典的DeLaval International AB（Tumba）推出了第一个全自动机器人挤奶系统（AMR）的挤奶厅，每台AMR有24个挤奶位，5只机器人手臂，每小时最多可容纳90头奶牛，一共可容纳300～800头奶牛，这意味着机器人挤奶系统可进一步提高牧场的工作效率[5]。

在中国，奶牛场使用的智能化设备主要包括TMR饲喂设备、奶牛发情监控系统、奶量自动上传设备三大板块，且所用设备大都是进口品牌。国内仅有少数奶牛场使用奶牛精料自动饲喂系统，设备也多为进口品牌。奶牛场使用的智能化软件设施主要包括电子识别系统、牧场管理软件系统、奶牛发情自动检测系统、奶牛信息管理系统、TMR精确饲喂系统、奶牛采食量测定系统等。目前牧场对这些软件的应用分析功能掌握度还很差，对其利用呈现模块化，不能全面系统运用信息化技术对奶牛场进行精准饲养管理。

2 “智能农业”引发的奶牛养殖模式变革

奶牛养殖向智能化模式变革着重于两个层面：一是技术层面，集成运用物联网、移动互联、云计算与大数据服务平台等获取、汇聚、分析奶牛生产流程中的客观数据，与管理及技术人员的经验与智慧深度融合，从群体甚至个体水平对奶牛管理、操作与决策；二是目标层面，将创新驱动、提质增效、绿色安全、开放共享作为发展目标[6]。

智能奶牛场的构建模块包括：（1）构建奶牛生产决策支持系统和数据平台，即应用辅助奶牛场生产管理、决策的计算机应用软件系统或平台，进行大数据分析、模块化分类报告、数据挖掘分析，使管理者根据数据分析结果提出更有效更实用的决策，有针对性地及时解决问题，提高奶牛场的经济效益。（2）安装基于射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）和适机无线网络（Opportunistic Wireless Networking）技术的各种传感器装置，以牛、设备、原材料等实物为节点进行数据采集、自动识别、自动控制、硬件集成等。（3）应用移动智能终端，随时随地记录奶牛数据信息，实现生产和技术流程的常态现场管理和动态即时管理，增强奶牛数据信息的及时性、准确性、客观性、全面性。（4）引入人工智能机器，如挤奶机器人、理槽机器人等。目的是减少对人的依赖，实现标准化、程序化、精细化管理。

目前，河北省智能奶牛场软硬件建设主要体现在四个方面：一是自动挤奶设备及匹配的软件管理系统，可进行牛只的自动识别（在位或进门），实现奶量自动读取及上传。二是发情自动检测装置及相应的繁殖决策支持系统，利用硬件装置（脚环、项圈等）来监测牛的活动量，以此为依据判定识别发情，通过软件系统提供分群、转群、繁殖管控、淘汰等决策依据，为牛群的正常繁殖与泌乳提供管理保障。三是TMR自动监控装置及相应的管理系统，可对操作人员实时监控，提高TMR制作精确度，方便牧场草料库存管理。四是安装环境自动感应装置，通过参数设定，实现风机、喷淋装置的自动开启，防暑降温，缓解热应激对牛群的影响。

3 智能奶牛场建设中存在的问题

任何新技术的产生、应用都不是一蹴而就的，新事物会带来新问题，物联网、大数据、云计算等新技术在奶牛场生产流程中的应用也不例外。根据2018年对河北省石家庄、保定、唐山、廊坊、邢台、承德、张家口7个地市64家奶牛场的问卷调查及22家奶牛场的实地调研，本文发现并总结了智能奶牛场建设中几类比较突出的共性问题。

3.1 数据方面

河北省乃至全国的智能奶牛场正处于大数据应用的初始阶段，面临的主要问题：一是各岗位数据采集录入不及时，数据不全面，使管理人员不能随时获得想要的统计数据；二是数据的准确性不佳，其原因主要是自动识别系统或数据上传系统故障、工作人员错误录入、数据采集来源不精确等；三是数据分析结果的可参考价值低，主要原因是牧场信息数据录入中断，不能长期积累，缺乏连续性和完整性，导致分析结果不够全面、宏观；四是信息化数据对实际生产的指导意义低，即使数据采集录入较好的一些牧场，由于对计算机管理系统的性能认识不足，信息化只停留在数据录入、存储、查询等的层面，造成“数据丰富”、“信息贫乏”（DRIP）问题，不能将数据变为有效指令和决策，让数据为生产服务，成为真正有价值的资源。

3.2 计算机管理系统方面

目前用于奶牛生产经营管理的软件、数据平台种类繁多，有国外引进的，有国内自主开发的，有设备自带的，也有各大乳品企业指定的。尽管各种软件的用途大同小异，但界面和区块的设置上各有与众不同之处，再加上各设备的升级更新换代，使得在应用过程中出现各种问题。这些问题主要集中于以下几方面：一是软件所设置的功能不能有效利用。以奶厅管理软件为例，大部分牧场对软件功能的挖掘利用率不足30%，许多设备的奶厅管理系统功能强大，涉及对挤奶流程的监控、牛只混群的监控，以及对反刍情况、采食量、活动量、奶量变化的分析等功能，但多数牧场对此设备的使用仅限于奶量自动计量及数据自动上传。二是牧场管理软件繁多，重复工作量大。目前同一牧场中至少有3种以上的管理软件，包括设备自带软件系统、乳品企业强制要求的软件、省级政府指定的数据管理平台。各数据平台端口不能共享和兼容，数据无法互通，导致数据重复录入，不仅大大增加了工作量，数据分析统计功效也大打折扣。三是各数据平台及智能装置的不兼容、不集成，导致同一牧场各产品服务团队之间沟通、衔接、协调不到位，缺乏集中解决问题的机制，一定程度上影响智能设备和管理系统的高效运行。

3.3 智能装置设备的应用方面

奶牛智能装置和设备的核心技术是传感器技术。传感器系统按照安装位置分为附着传感器，如项圈、脚环，以及非附着传感器，如奶量自动测量、奶样自动采集；按照功能划分则有个体识别、发情监测、健康管理、饲料检测、TMR装置投料监控等百余种系统。用灵敏度和特异度来描述传感器的检测性能差异很大，敏感性和特异性之间存在权衡问题，往往是高敏感性(＞80%)和低特异性结合，或高特异性与低敏感性结合，尚无高灵敏度和高特异性兼顾的传感器产品[4]。

笔者所在团队曾问卷调研64家牧场中TMR自动监控系统及繁殖管理系统的使用情况。

64家牧场中，使用TMR自动监控管理系统的共22家，占调查总数量的34.38%。作为河北省智能奶牛场建设、省级数据管理平台的承担单位，银川奥特信息技术股份公司一直推行自有设备，因此占比相对较大，其次，使用科派腾TMR自动监控设备的牧场数量也比较多（图1）。

图1 问卷调研64家牧场TMR自动监控系统使用情况

在调研牧场中，使用繁殖管理软件系统的共50家，占调查总数量的78.12%。作为牧场繁殖管理软件先行者的阿菲金繁殖管理软件系统，使用者相对较多，与银川奥特持平。其次是以色列SCR、德国GEA等（图2）。越来越多的牧场主认识到了繁殖对于牧场生产的重要性。

图2 问卷调研64家牧场繁殖管理软件系统使用情况

根据调研，在智能装置设备的应用方面存在以下问题：一是智能装置设备的使用效率较低。例如，规模化奶牛场使用的挤奶设备主要有瑞典利拉伐、以色列阿菲金及SCR、德国GEA、美国博美特等，这些设备理论上在位识别率可达98%，过门识别率为95%，但实际生产中，由于牛只站位不规范、阅读器出故障等原因，识别率都达不到90%。这就需要人为配合填补设备的技术漏洞，但是多数人认为自动化、智能化是不需要依靠人力的，也不需要人为的检查监控，这便造成了数据采集错误等现象，影响牧场的生产。二是一些设备的智能化程度非常有限。例如，目前绝大多数牧场安装的TMR自动监控设备主要用于监控饲草、饲料添加量的准确性，但不能辨别添加的原料是否正确。如果搅料人员把原料顺序弄错，监控设备仍会按错误的顺序称取既定的量，并不能给予错误警报。再者，TMR切割的时间、加水量也是靠人的经验来设定的，操作人员的责任心对TMR的加工质量和颗粒度的稳定性会有很大影响。三是智能设备自身的技术缺陷及环境等因素影响其应用效果。例如，发情检测装置脚环的丢失率显著高于项圈，牛只转群、应激会使发情检出率虚高，封闭式牛舍安静发情牛比例高、肢蹄病患牛活动频率下降都影响到发情检测装置的使用效果。

3.4 人的因素

无论奶牛场智能化发展到什么程度，传统的牧场知识和经验绝不会被大数据取代，人仍然是智能奶牛场运营成败的决定因素。调研中发现以下人为因素制约着智能奶牛场的高效运行：一是奶牛场工作人员学历普遍较低，且年龄较高，数据应用意识浅薄，对数据管理和智能设备使用的认识和接受能力较弱。特别是很多中小型牧场缺乏能随时进行牧场数据分析、依据分析统计结果预判和解决问题的称职的管理者，导致智能化管理系统的应用效率低下。二是智能奶牛场管理系统下，数据员、机修工、奶厅领班的责任尤为重大，需要尽快强化其岗位作用。但多数牧场这些人员的意识和工作状态仍停留在传统奶牛场阶段，严重滞后于智能奶牛场的发展速度。三是各智能化设备代理服务团队的业务能力和服务质量有待加强。调查发现，相当一部分代理公司的技术人员对其设备及管理系统还没有完全弄明白，服务的频度远远满足不了牧场的需要，而智能奶牛场如果没有专业技术团队的有力支持，其智能优势将很难展现。在欧美等奶牛业发达的国家，独立的兽医团队要比奶牛场的任何人都能更好地理解整个奶牛场系统，能从挤奶设备到奶牛的生理、行为及小犊牛的需要等各个方面，帮助客户安排工作，建立需要的流程，并培训员工如何去做[7]。在实际生产中急需这样的服务团队。

4 智能奶牛场未来的发展趋势

在2017年12月召开的世界互联网大会乌镇峰会上，阿里巴巴董事局主席马云表示：“未来30年数据将成为生产资料，计算会是生产力，互联网是一种生产关系”。这种新型的生产方式同样适合于智能奶牛场的建设与发展。智能奶牛场的发展趋势应该更智能、更集成、更精细、更高效、更具操作性。

4.1 进一步优化集成数据分析平台

建立牧场人员易操作，技术、应用、服务更趋成熟，兼容性和整合性更强的数据分析平台。这个平台将集成和兼容牧场的各种智能化硬件，所有供应商的产品数据都能实时传输到该平台，牧场管理者、主管部门及社会化技术服务团队可从任何地方访问平台进行数据解释与整合，实现信息共享和数据驱动型服务。

4.2 大数据与传统模式融合，提升管理效率

大数据将通过实时预测、实物追踪，改变牧场的运作和管理方式，彻底改造传统奶牛场的生产流程。大数据将与传统数据管理和治理过程充分集成，可提供可靠、长期的优势分析结果。大数据处理的结果反馈到传统的生产流程中，支持生产的精细化管理，提升运营效率[8]。

4.3 更加先进的传感器系统将应用于奶牛生产各个环节

将应用更先进的传感器系统和智能机器来尽可能地替代人工，通过提高生产流程自动化、智能化程度，最大限度增加人均管理奶牛的数量，减少对人的依赖。传感器系统用于牛群的管理有4个功能层级：第1级为描述——测量牛的状态，仅能测量一个参数和一个假定的关系，如计步器。第2级可进行数据解释——测量数据变化，产生有关奶牛状态的信息，如发情；以及确定两个类别之间的统计检验关系，如CMT与牛奶电导率之间的统计关系。第3级能够将信息整合——单个奶牛的信息可以在群体水平进行聚合，提供关于牛群健康状况的一般信息和建议，如是否给牛授精，是否治疗。第4级进行决策——由农场主做或由传感器系统自动生成，如通知人工授精员、发乳房炎警报、给出不孕概率等。尽管现阶段的传感器系统大多数还处于第1、2级[4]，相信不久的将来会有更多高功能层级的传感器系统和各种人工智能机器运用于奶牛场，如挤奶、喂牛、清扫消毒圈舍的机器人用于各个生产环节[8]。届时将通过机器自动生成采集数据，平台自动整合分析数据，人工智能执行生产流程，建立早期预警系统，提前预防并消除人工作业质量的不确定性造成的显性和隐性损失，而不是对历史数据进行事后分析。

4.4 智能化发展带动产业科技创新

随着由传统奶牛场向智能奶牛场生产模式的转变，将带动相关学科如奶牛育种、营养、管理、设备设施设计等的创新发展。通过奶牛育种培育出乳房和乳头结构、体型大小和行为更适于挤奶机器人操作的群体；培育更高产健康长寿的奶牛，寄希望于用高产出覆盖智能化设备设施的高投入；牛舍及甬道设计帮助牛更自愿地进入自动挤奶系统（AMS）并减少牛之间因社会关系引起的应激；制定与自动挤奶系统（AMS）更匹配的精准饲喂方案，设计更智能化的多功能饲料加工和饲喂设备，确保精准取料、上料、投料，以及精准收集和检测剩料，对搅拌效果实时监测，自动控制切割时间，提高饲喂精准度[5]。

5 智能奶牛场未来面临的挑战

随着奶牛场规模越来越大，养殖成本越来越高，以及劳动力短缺现象日益严重，通过智能奶牛场建设，实现以智能化设备代替部分劳动力，解决劳动力短缺，实现奶牛精细化管理，是牧场提质增效、节约成本的必然选择。但在这一过程中也面临诸多挑战：（1）牧场在智能化设施设备上的高投入能否在短时间内得到回报；（2）如何以一种低成本的方式自动化采集数据[8]；（3）如何解决牧场从业人员与智能化设备之间的科技鸿沟；（4）数据作为有价值的生产资料，如何规避数据共享所引发的数据长期所有权、隐私和安全、访问成本等问题[8]；（5）为实现数据平台最大限度的集成，如何保证所收集数据的质量、格式、标准的一致性和兼容性[8]。

挑战中蕴藏着机遇，机遇来临也不能盲目乐观。有人说，“信息化和智能化就像牧场的‘神经系统和大脑’”，但不要忘了，它是移植到传统奶牛场这个庞大“躯体”上的“器官和组织”，与“机体”完全融为一体，还要经历不断创新、磨合、升华的变革过程！