奶牛运动行为智能监测方法的局限性与技术趋势.docx

奶牛运动行为蕴含着诸多健康信息，对养殖业的发展具有重要意义。信息化、智能化技术的应用有助于养殖场及时掌握奶牛健康状况，提高养殖效率。针对奶牛运动行为智能监测技术，西北农林科技大学机械与电子工程学院联合农业农村部农业物联网重点实验室、陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室，组成跨学科、跨专业的科研团队，对奶牛躺卧、行走、站立、发情、呼吸、反刍及跛行等行为展开研究。国内外研究者对奶牛运动行为智能监测的研究已经证明了利用传感器、视频图像等技术进行奶牛运动行为监测的有效性。然而现有技术大多停留在实验室阶段,成熟的商业产品较少，且各方法也有其局限性。接触式监测设备是最先商业化应用的奶牛监测设备，随着实际推广逐渐发现一些问题。现有的接触式奶牛行为监测设备主要包括项圈、脚环和电子耳标等，该类设备主要依靠高精度传感器，成本较高且安装较为困难。以脚环计步器为例，其在安装时步骤较为繁琐，且对佩戴位置及松紧程度均有较高要求;奶牛佩戴后，需人工进行定期巡视，若计步器滑落到牛蹄小脚趾以下，需剪下重新佩戴。对于大型牧场，其安装与维护会对人力物力带来较大挑战。作为外来设备，接触式监测设备往往会对奶牛舒适度带来影响。例如，头胎牛处在生长期时，牛蹄会不断长粗，因此头胎牛停奶时，必须将计步器剪下，以免将牛蹄勒肿。当计步器绑带与牛蹄缝隙间充满杂物时，也易对牛蹄造成磨损，导致奶牛跛行。因此，接触式监测设备在使用和维护的过程中，易引起奶牛的应激反应，轻则导致行为记录准确性下降，重则使奶牛发生疾病。奶牛养殖场中的污物相对较多，粪便和草料的堆积往往会对接触式设备造成影响，由于设备长期暴露在较为恶劣的环境下，奶牛日常活动对设备的划伤、水分渗入和天气变化等因素都会造成传感器损坏，影响其使用寿命。当前接触式设备往往功能单一，大多只能监测奶牛一种生理指标或运动行为,若对多种行为进行监测，需佩戴多种不同功能的传感器，不符合实际养殖情况。二、非接触式监测方法的局限性非接触式奶牛行为监测设备安装简单、不易引起奶牛应激行为，是未来奶牛行为监测的主要发展方向，引起越来越多研究者的关注，且随着大数据及硬件加速设备的发展，基于计算机视觉的奶牛行为识别方法也相继被提出。但由于发展时间较短，存在如下问题与挑战。相较于工业界的流水线作业，基于视觉的行为识别在农业、畜牧业中会遇到更多的挑战，复杂光照、天气变化等环境问题以及同类遮挡与干扰、自身运动等因素均会对识别结果产生影响。宋怀波等利用视频对奶牛呼吸行为进行监测，发现奶牛在受到遮挡和自身剧烈运动等影响下，监测结果准确率有所降低。(2)在数据获取与处理方面，基于传统图像的奶牛行为识别方法需要对特征进行人工提取，效率较低且识别准确率不高;基于深度学习技术的奶牛行为识别则需要大量数据，且数据集的质量会直接影响模型准确率，因此对高质量数据集的采集及准确标注需投入大量人力;对于基于计算机视觉的奶牛运动评分系统，标注受主观影响较大，也会导致自动评分结果的准确率降低。目前基于计算机视觉的奶牛行为识别方法尚处于实验室阶段，部分算法仅对所研究的特定环境有效，不具有通用性，鲁棒性和精确度也有待提高。三、技术趋势奶牛运动行为的智能化监测是精准养殖的关键，不论是接触式监测方法还是非接触式监测方法，对提高奶牛福利、提升养殖效率、减少养殖场损失都具有重要意义。针对上述所提出的问题，未来研究方向应聚焦于以下方面。接触式监测设备小型化、集成化。针对接触式传感器设备，应向小型化、轻量化、功能集成化方向发展，同时由于现代化养殖场规模较大，还需考虑制造成本与使用寿命等问题。但作为接触式设备，奶牛对其的应激反应还需进一步研究。提高计算机视觉技术的鲁棒性。针对基于计算机视觉的奶牛行为识别，现有算法在实验室条件下运行效果尚可，但是对于实际养殖环境，其鲁棒性、精确性还需提高;对于一些特殊场景，还需将算法部署到边缘计算设备，算法轻量化是其研究的重点。利用有限设备进行多目标监测。目前利用视频图像的方法对奶牛采食、反刍、呼吸和跛足等行为的研究大多还停留在单目标监测，成本较高，如何利用有限的监控设备对更多奶牛进行监测，是未来需要考虑的问题之一。推动技术落地。商业化应用中，不仅需要实现对奶牛行为的准确监测，还需要对奶牛个体身份进行精准识别，对于行为异常的奶牛需要进行跟踪并产生警报信息。可见，奶牛行为识别只是实际应用的一环，只有将各项技术有机结合，形成闭环的管理系统，才能真正将奶牛行为智能监测技术市场化。同时，由于新兴产业的发展前期投入较大，因此在技术落地的同时还需控制成本，避免为了“落地而落地，需保证在满足商业功能的前提下实现效益最大化。随着社会的发展，世界农业就业人口总体呈下降趋势，农业劳动力老龄化问题愈发突出，其中以中国最为明显。中国畜牧养殖业虽然已经初步形成规模化、集约化生产，但较畜牧业发达国家仍有很大差距。实现低成本、多功能、小型化动物信息采集及诊疗，研发替代人工作业的畜牧机器人，设计多生产环节、设备、系统间数据的实时采集、动态汇聚、全面共享、信息高度融合分析及决策、系统调控，仍然面临诸多问题。将物联网、大数据、人工智能以及智能装备与机器人等关键技术相结合，实现更透彻的信息感知、更深入的智能调控、更全面地互联互通是未来智慧畜牧业发展的核心，是促进中国由畜牧业大国向畜牧业强国转变的关键。