浅谈奶牛智慧牧场信息化技术应用与系统设计——以科湃腾智慧牧场管理信息系统为例

王建辉 王冰清 何庆玲 李涛 王慧 李莉 朱红宾 蔡亚非

（1，江苏省睢宁县畜牧兽医技术指导站 221200；2，南京农业大学动物科技学院 210095；3，上海科湃腾信息科技有限公司 200436）

上世纪80 年代以来，随着社会发展和城镇化，我国奶业发生了翻天覆地的变化，规模化、标准化、机械化、组织化水平大幅提升，已是健康中国、强壮民族不可或缺的产业，是食品安全的代表性产业，是农业现代化的标志性产业和一二三产业协调发展的战略性产业[1，2]。但随着现代智慧信息化技术快速发展，信息化技术在牧场运营过程中逐渐展露优势，并被广泛应用。

1 发展状况

智慧农业正处于市场教育及技术攻坚阶段，各项运用目前还是一片蓝海。随着牧场规模化、集约化发展，对管理人员和技术人员提出了新的要求，需要同时管理的牛头数大大增加。因此，智能化、数字化养殖是牧场未来发展的主要目标之一，简练而明细的数字化管理工具可以给牧场的决策提供理论支持，避免牧场走弯路，加速传统牧业的转型与升级。这些管理工具在奶牛养殖发达国家如美国、以色列等早已应用，并成为其单产提高的主要因素之一。当前我国很多牧场都开始逐步进行牧场的信息化升级，但在实际使用过程中，很多功能应用并没有发挥应有的作用，存在诸多弊端。

1.1 各个信息化系统无法完美兼容，导致数据孤岛

一座现代化管理的牧场使用的信息化系统非常繁杂，系统种类及本身的易用性参差不齐。既会有如博美特、GEA 等国外的管理软件，也会有国内的管理系统。由于缺乏必要的手段，导致牧场管理环节中各个数据无法汇总统一，形成数据孤岛，对牧场管理与决策带来影响。

1.2 数据采集来源不精准，造成数据误差

牧场使用了先进的信息化软件进行牛群管理、奶台管理，但发现并没有带来明显的管理效果。采用人工录入、时段录入等方式导致数据采集来源不精准，造成数据误差，牧场无法准确捕获到牧场的实时运营情况，无法通过数据对牧场每个环节每个时间的情况进行监控和分析，进而有可能导致决策失误或管理疏漏。

1.3 人员考核困难，人工成本增加

现如今，牧场在人员管理方面依然面对着人员考核问题和人员流动问题。在牧场生产过程中，仍然缺乏对一线操作员工的考核。由于相关数据在底层难以对员工进行有效考核。尤其是在牧场TMR 环节中，TMR 相关设备的操作人员流动性较大，新员工操作上手慢，无法快速满足牧场上料需求，不仅严重影响配方的准确执行，而且导致牧场人工成本增加。

1.4 饲喂过程损耗大，饲料成本居高不下

饲料成本约占生产总成本的70%，其中剩料过多、饲料加工浪费现象普遍而严重，牧场无法做好对剩料和加工过程的有效监管。

2 市场需求分析

2.1 国内外竞争

国外发达国家（以色列和美国）把奶牛养殖产业的发展水平作为现代农业特别是畜牧业发展水平的重要标志[3-6]。物联网技术已在国外奶牛养殖中得到大量应用，大大提高了奶牛养殖的精准化、信息化水平，使奶牛养殖产业产生了质的飞越[7]。物联网技术在奶牛养殖方面的研究与应用在我国起步较晚。国内的研究主要集中在奶牛场生产环境监测、奶牛生理监测、奶牛精细饲喂、溯源信息采集4 个方面[8]。目前，本课题组研制的一些相关设备及系统已开始在一些奶牛养殖示范基地运用。

2.2 产业化前景

随着国民经济的发展和人民生活水平不断提高，乳制品逐渐成为广大民众日常饮食的主要食品之一。由于乳品本身的特性，产品品质容易出现问题，我国食品安全问题特别是不断发生的乳品安全事件严重影响消费者的健康，危及行业的稳定发展。为挽回消费者对奶产品的消费信心，促进乳品生产企业持续健康发展，增强监管部门对乳制品生产的有力监督，迫切需要建立原料奶生产环节的信息可追溯、风险可评估的追溯与预警系统，实现对奶牛养殖安全风险的可预测、可控制，全面降低乳业安全风险。因此，本设计不仅可以本次课题内部应用，还可示范推广到整个乳业，具有广泛的应用前景和市场需求。

3 总体架构和设计本系统按功能模块

3.1 感知层

主要功能是采集牧场环境及牲畜相关数据，感知层主要的硬件组成部分为不同功能的智能传感器和NB-IoT 模块。运行原理为通过智能传感器采集环境及牲畜相关数据，数据采集完成后通过RS485 总线传输到NB-IoT 模块，或者通过4G/5G 的移动网络直接进行数据上传。

3.2 网络层

网络层主要分为两部分，NB-IoT 网络和Internet 网络组成。NB-IoT 模块通过NB-IoT 网络将相关数据传输至Internet网络，通过Internet 网络完成现场及平台层的数据交互。

3.3 平台层

平台层主要进行数据的收集分析，为应用层提供需要的数据。后台服务器通过Internet 网络接收现场采集上传的数据，按照特定的规则进行数据清洗，存储及分析。

3.4 应用层

应用层是用户和系统的交互层。用户在应用层可以通过Internet 网络访问用户终端系统，根据管理员设定好的权限正常使用系统。

4 当前行业内管理系统不足

4.1 全链数据无法统一收集，汇总分析

一座现代化管理的牧场使用的信息化系统非常繁杂，必然会在牧场内部形成多个数据孤岛，目前现有行业内的管理系统无法汇聚多端数据，只能通过手工录入的方式进行数据采集，无论数据的准确性还是时效性都存在问题，严重影响牧场管理效率。

4.2 系统灵活性差，不能自由匹配复杂的牧场现状

目前现有的管理系统灵活性和拓展性不足，系统内置了固定的管理流程，无法进行调整。但牧场实际需求不同，会产生多样化的业务流程，无法和系统进行紧密结合，导致牧场无法在管理上进行深入细化，只能使用基础的功能，无法使用系统提供的业务进阶功能。

4.3 数据管理混乱，缺少层层钻取，问题无法溯源

现有行业内的管理系统中数据管理混乱，基本上只做到基础数据的图表展现。没有进行数据关联性分析，无法进行数据层层下钻，导致在牧场生产出现问题时，管理层无法从海量数据中快速定位问题，也无法进行问题的精准溯源，找不到问题的根本原因，治标不治本。

5 系统改进点

5.1 即插即用，兼容性高

可以和国内外主要的奶厅软件系统、TMRWatch 系统、奶牛个体识别系统、牧场环境监测系统等牧场常用信息系统进行无缝集成，如科湃腾、利拉伐、GEA、博美特、阿菲金等，解决牧场数据分散，孤岛问题。

5.2 系统参数可配置，使用灵活

有效的通过软件指导实际生产，如在软件里设定好PG、GnRH 等同期程序，系统将在软件上实时提醒繁殖人员，繁殖人员做好业务后在手机上确认，即保存好数据。

5.3 多样化的数据录入手段

为了增强数据的准确性、及时性，系统支持多种数据采集方式，包括操作员录入，手机App 录入，设备自动采集，Excel导入等方式，充分满足牧场的实际生产管理需要，无缝匹配不同牧场的业务现状，减少上手难度。

5.4 功能模块化设计，严密的数据权限分割

系统按照牧场的实际生产需求分成牛群管理、繁殖管理、产奶管理、犊牛管理、兽医保健、饲喂管理、系统管理等近10个模块，可以覆盖目前绝大部分牧场的业务需求，功能设计合理且充分。同时为了保证系统的数据安全，通过用户，角色的关联设置了严密的数据权限，确保每个用户能且仅能看到自己负责模块的业务数据。

5.5 管理透明化、可视化，精准KPI 考核

通过设备互联、系统互通，实现牧场管理过程透明化、质量管控数字化、成本控制精细化。随着管理的不断细化，可以对牧场生产工作进行360 度的KPI 考核，通过多层级的核心指标评估，每位工作人员的绩效数据一目了然，从根本上帮助牧场降本增效，推动行业整体升级。

5.6 严格控制3 个配方的统一

实现3 个配方统一，准确监控饲喂的整个过程。通过系统监控大屏，所有牛舍所需饲料一目了然；同时，采用精确的数据自动采集技术，记录每一步投料发料操作，为牧场考核提供清晰的考核依据。

5.7 提升流程效率，降低运营费用

牧场管理流程规范化、系统化，作业驱动模式：自动待办→自动预警→事件录入→自动分析。能依据计划自动分配任务，并监控整个任务进程，可以精确到每天；通过App 推送工单进行远程管理及考核，并以信息推送提醒的形式对员工单位时间的工作进行提醒和监管，保障任务实施。

5.8 友好的用户界面和交互方式

结合奶牛行业多年的信息化经验，提供符合牧场用户习惯的界面及交互方式。便捷、灵活的报表查询，除了内置的近百种图表外，所有的用户可以自定义想要的统计图表，系统强大的检索与查询功能可以让用户随时随地对牧场的运营情况了如指掌。

6 系统设计优势

6.1 软硬件一体化解决方案，加速数字化进程

把信息化技术引进到生产管理过程中，采用与牛只生长、繁育密切相关的计步器、奶台、温湿度传感器、TMR 车等设备，利用传感器、无线通信、大数据、云计算、物联网、人工智能等技术进行数据收集并分析。24h 全天候对牛只进行各项关键数据的监测统计，包括运动数据、环境数据、产奶数据等。通过数据采集程序将数据实时传输到智能信息化技术系统平台上，进行可视化展示，从而可以远程通过手机或电脑对牛只的生长情况进行实时跟踪、发情监测，对牛群产量进行预测等。设备采用无线进行数据传输，施工灵活、快速、便捷，节省人员，提高效率。

6.2 跨系统海量数据关联性分析，精准溯源

系统内汇聚了牧场生产涉及的所有数据，进行统一的数据处理后，对所有牧场相关数据进行数据分析，包括关联性分析，让牧场的沉默数据变现，一旦牧场生产质量出现问题时，可以快速定位问题，并且对问题相关数据进行层层追溯，做到精准溯源，提高牧场问题处理效率。

6.3 云、物联网、大数据等最新IT 技术的深度使用

通过数据上云的方式，使参与牧场的管理人员能实时掌握牧场状况，实现互联互通，提升数据准确度与及时性；通过利用新技术（物联网、人工智能等）、新理念降低牛只死亡率，提升产品质量，降低成本，提升管理效率，实现更加精细化的智慧养殖。基于机器学习等技术，发挥数据的深度价值，加速牧场沉睡数据的变现。如利用机器学习的算法构建牛群预测、奶量预测，对未来牧场情况进行洞察。

6.4 全模块全链条信息化综合管理平台

从牛只在牧场内的全部考察维度，覆盖牧场的业务执行，实现信息化，全方位、立体化数据分析能力；对接第三方系统，打破信息孤岛，实现数据互联互通；牧场财务结算逐步落地，助力牧场建立财务经营理念。

6.5 集成产业链上下游多方资源，打造智慧牧业生态圈

保持高扩展性，高兼容性，提供标准API 接口的方式和第三方进行集成，如集成国家相关监管平台，配合牧业相关法律法规的要求；如集成中国牧业权威网站，实时获取最新的行业信息，给牧场运营提供数据支撑。

7 未来发展方向

目前本系统已满足行业用户对牧场精准管理，全范围功能覆盖的需求，在可视化及流程化层面可以达到非常好的效果，可以提高牧场管理效率，帮助牧场降本增效。

系统未来的发展方向分为横向和纵向，横向是扩展更多特色功能，纵向是不断提高系统的功能深度。

横向是在覆盖牧场牛只相关管理功能后，去扩展其他更多维度的功能，尽可能覆盖牧场及牧业集团的全部业务模块，软件功能上包括从入库到出库的库存管理，和财务系统结合进行成本核算，系统内部功能的审计模块等，硬件上也需要不断增加对更多品牌的挤奶机、计步器、喷淋设备等牧场生产设备的支持。

纵向是在满足牧场日常生产管理需求的基础上，在自动化和智能化上进行进一步迭代升级，如目前系统中已有了工作计划安排的功能，接下来可以通过历史数据的挖掘和机器学习算法的支持，自动生成牧场工作计划；如通过生产数据的不断积累，不断优化机器学习算法，提高发情预测、奶量预测、疾病预测等功能的准确率。

最终目标是将本系统打造成牧场的核心信息系统，管理所有牧场涉及的数据，对接牧场全部的软硬件系统，覆盖所有的业务功能，成为牧场智能化改革的推动力，加速牧场的数字化升级。

8 小结

本文基于借助物联网、信息化手段，对牧场及奶牛远程监测系统的设计进行了有益的探索，进一步整合了牧场各种设备与软件的信息，进行智能分析与决策，从而实现牧场生产动态、经营动态、疫病防控、免疫档案、奶源追溯等方面的数字化管理，帮助牧场管理方随时随地通过PC 及手机端访问，远距离获取相关牧场信息，为构建奶业提质增效、转型升级的发展新模式，健全优质、安全、高效、绿色乳业产业链，全面提升奶业综合竞争力创造了条件，促进畜牧业更科学地持续发展，是牧场管理发展过程中的一次质变，加速传统牧业向智慧牧业的转型和升级。

（1）本设计解决奶牛生理信息采集系统模块单一，产品兼容性差的问题。目前，国内奶牛智慧化调控集成技术研究和应用处于初级阶段，奶牛现代化精准养殖领域大多数集中在单一检测数据的采集分析，尚缺少各项数据集成分析系统。本研究是一项集成技术，在国内处于领先水平。本研究建立智慧养殖管理系统，通过信息化手段统一智能养殖管理路径，并在繁殖育种、后备牛养殖、成母牛生理信息采集与分析（泌乳，发情）；犊牛、青年牛生理信息采集与分析环节通过系统和工业移动终端，进行现场生产数据操作，实现移动化、智能化的目的。

（2）本设计解决奶牛TMR 信息系统适用性问题。目前，国内TMR 配方设计系统大多针对成母牛尤其是泌乳牛，缺乏对犊牛及青年牛的TMR 设计。本系统针对奶牛各个时期营养需要及其生长指标分别设计TMR 配方，解决奶牛TMR 信息系统适用性问题。