奶牛運(yùn)動行為蘊(yùn)含著諸多健康信息，對養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有重要意義。信息化、智能化技術(shù)的應(yīng)用有助于養(yǎng)殖場及時(shí)掌握奶牛健康狀況，提高養(yǎng)殖效率。針對奶牛運(yùn)動行為智能監(jiān)測技術(shù)，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院聯(lián)合農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，組成跨學(xué)科、跨專業(yè)的科研團(tuán)隊(duì)，對奶牛躺臥、行走、站立、發(fā)情、呼吸、反芻及跛行等行為展開研究。

國內(nèi)外研究者對奶牛運(yùn)動行為智能監(jiān)測的研究已經(jīng)證明了利用傳感器、視頻圖像等技術(shù)進(jìn)行奶牛運(yùn)動行為監(jiān)測的有效性。然而現(xiàn)有技術(shù)大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，成熟的商業(yè)產(chǎn)品較少，且各方法也有其局限性。

一、接觸式監(jiān)測方法的局限性

接觸式監(jiān)測設(shè)備是最先商業(yè)化應(yīng)用的奶牛監(jiān)測設(shè)備，隨著實(shí)際推廣逐漸發(fā)現(xiàn)一些問題。

(1)現(xiàn)有的接觸式奶牛行為監(jiān)測設(shè)備主要包括項(xiàng)圈、腳環(huán)和電子耳標(biāo)等，該類設(shè)備主要依靠高精度傳感器，成本較高且安裝較為困難。以腳環(huán)計(jì)步器為例，其在安裝時(shí)步驟較為繁瑣，且對佩戴位置及松緊程度均有較高要求;奶牛佩戴后，需人工進(jìn)行定期巡視，若計(jì)步器滑落到牛蹄小腳趾以下，需剪下重新佩戴。對于大型牧場，其安裝與維護(hù)會對人力物力帶來較大挑戰(zhàn)。

(2)作為外來設(shè)備，接觸式監(jiān)測設(shè)備往往會對奶牛舒適度帶來影響。例如，頭胎牛處在生長期時(shí)，牛蹄會不斷長粗，因此頭胎牛停奶時(shí)，必須將計(jì)步器剪下，以免將牛蹄勒腫。當(dāng)計(jì)步器綁帶與牛蹄縫隙間充滿雜物時(shí)，也易對牛蹄造成磨損，導(dǎo)致奶牛跛行。因此，接觸式監(jiān)測設(shè)備在使用和維護(hù)的過程中，易引起奶牛的應(yīng)激反應(yīng)，輕則導(dǎo)致行為記錄準(zhǔn)確性下降，重則使奶牛發(fā)生疾病。

(3)奶牛養(yǎng)殖場中的污物相對較多，糞便和草料的堆積往往會對接觸式設(shè)備造成影響，由于設(shè)備長期暴露在較為惡劣的環(huán)境下，奶牛日常活動對設(shè)備的劃傷、水分滲入和天氣變化等因素都會造成傳感器損壞，影響其使用壽命。

(4)當(dāng)前接觸式設(shè)備往往功能單一，大多只能監(jiān)測奶牛一種生理指標(biāo)或運(yùn)動行為，若對多種行為進(jìn)行監(jiān)測，需佩戴多種不同功能的傳感器，不符合實(shí)際養(yǎng)殖情況。

二、非接觸式監(jiān)測方法的局限性

非接觸式奶牛行為監(jiān)測設(shè)備安裝簡單、不易引起奶牛應(yīng)激行為，是未來奶牛行為監(jiān)測的主要發(fā)展方向，引起越來越多研究者的關(guān)注，且隨著大數(shù)據(jù)及硬件加速設(shè)備的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺的奶牛行為識別方法也相繼被提出。但由于發(fā)展時(shí)間較短，存在如下問題與挑戰(zhàn)。

(1)相較于工業(yè)界的流水線作業(yè)，基于視覺的行為識別在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)中會遇到更多的挑戰(zhàn)，復(fù)雜光照、天氣變化等環(huán)境問題以及同類遮擋與干擾、自身運(yùn)動等因素均會對識別結(jié)果產(chǎn)生影響。宋懷波等利用視頻對奶牛呼吸行為進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)奶牛在受到遮擋和自身劇烈運(yùn)動等影響下，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確率有所降低。

(2)在數(shù)據(jù)獲取與處理方面，基于傳統(tǒng)圖像的奶牛行為識別方法需要對特征進(jìn)行人工提取，效率較低且識別準(zhǔn)確率不高;基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的奶牛行為識別則需要大量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)集的質(zhì)量會直接影響模型準(zhǔn)確率，因此對高質(zhì)量數(shù)據(jù)集的采集及準(zhǔn)確標(biāo)注需投入大量人力;對于基于計(jì)算機(jī)視覺的奶牛運(yùn)動評分系統(tǒng)，標(biāo)注受主觀影響較大，也會導(dǎo)致自動評分結(jié)果的準(zhǔn)確率降低。

(3)目前基于計(jì)算機(jī)視覺的奶牛行為識別方法尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，部分算法僅對所研究的特定環(huán)境有效，不具有通用性，魯棒性和精確度也有待提高。

三、技術(shù)趨勢

奶牛運(yùn)動行為的智能化監(jiān)測是精準(zhǔn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵，不論是接觸式監(jiān)測方法還是非接觸式監(jiān)測方法，對提高奶牛福利、提升養(yǎng)殖效率、減少養(yǎng)殖場損失都具有重要意義。針對上述所提出的問題，未來研究方向應(yīng)聚焦于以下方面。

(1)接觸式監(jiān)測設(shè)備小型化、集成化。針對接觸式傳感器設(shè)備，應(yīng)向小型化、輕量化、功能集成化方向發(fā)展，同時(shí)由于現(xiàn)代化養(yǎng)殖場規(guī)模較大，還需考慮制造成本與使用壽命等問題。但作為接觸式設(shè)備，奶牛對其的應(yīng)激反應(yīng)還需進(jìn)一步研究。

(2)提高計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的魯棒性。針對基于計(jì)算機(jī)視覺的奶牛行為識別，現(xiàn)有算法在實(shí)驗(yàn)室條件下運(yùn)行效果尚可，但是對于實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境，其魯棒性、精確性還需提高;對于一些特殊場景，還需將算法部署到邊緣計(jì)算設(shè)備，算法輕量化是其研究的重點(diǎn)。

(3)利用有限設(shè)備進(jìn)行多目標(biāo)監(jiān)測。目前利用視頻圖像的方法對奶牛采食、反芻、呼吸和跛足等行為的研究大多還停留在單目標(biāo)監(jiān)測，成本較高，如何利用有限的監(jiān)控設(shè)備對更多奶牛進(jìn)行監(jiān)測，是未來需要考慮的問題之一。

(4)推動技術(shù)落地。商業(yè)化應(yīng)用中，不僅需要實(shí)現(xiàn)對奶牛行為的準(zhǔn)確監(jiān)測，還需要對奶牛個(gè)體身份進(jìn)行精準(zhǔn)識別，對于行為異常的奶牛需要進(jìn)行跟蹤并產(chǎn)生警報(bào)信息。可見，奶牛行為識別只是實(shí)際應(yīng)用的一環(huán)，只有將各項(xiàng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成閉環(huán)的管理系統(tǒng)，才能真正將奶牛行為智能監(jiān)測技術(shù)市場化。同時(shí)，由于新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前期投入較大，因此在技術(shù)落地的同時(shí)還需控制成本，避免為了“落地”而“落地”，需保證在滿足商業(yè)功能的前提下實(shí)現(xiàn)效益最大化。

隨著社會的發(fā)展，世界農(nóng)業(yè)就業(yè)人口總體呈下降趨勢，農(nóng)業(yè)勞動力老齡化問題愈發(fā)突出，其中以中國最為明顯。中國畜牧養(yǎng)殖業(yè)雖然已經(jīng)初步形成規(guī)模化、集約化生產(chǎn)，但較畜牧業(yè)發(fā)達(dá)國家仍有很大差距。實(shí)現(xiàn)低成本、多功能、小型化動物信息采集及診療，研發(fā)替代人工作業(yè)的畜牧機(jī)器人，設(shè)計(jì)多生產(chǎn)環(huán)節(jié)、設(shè)備、系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、動態(tài)匯聚、全面共享、信息高度融合分析及決策、系統(tǒng)調(diào)控，仍然面臨諸多問題。將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及智能裝備與機(jī)器人等關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更透徹的信息感知、更深入的智能調(diào)控、更全面地互聯(lián)互通是未來智慧畜牧業(yè)發(fā)展的核心，是促進(jìn)中國由畜牧業(yè)大國向畜牧業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

審核編輯 黃宇