奶牛運動行為智能監測方法的局限性與技術趨勢

奶牛運動行為蘊含著諸多健康信息，對養殖業的發展具有重要意義。信息化、智能化技術的應用有助于養殖場及時掌握奶牛健康狀況，提高養殖效率。針對奶牛運動行為智能監測技術，西北農林科技大學機械與電子工程學院聯合農業農村部農業物聯網重點實驗室、陜西省農業信息感知與智能服務重點實驗室，組成跨學科、跨專業的科研團隊，對奶牛躺臥、行走、站立、發情、呼吸、反芻及跛行等行為展開研究。

國內外研究者對奶牛運動行為智能監測的研究已經證明了利用傳感器、視頻圖像等技術進行奶牛運動行為監測的有效性。然而現有技術大多停留在實驗室階段，成熟的商業產品較少，且各方法也有其局限性。

一、接觸式監測方法的局限性

接觸式監測設備是最先商業化應用的奶牛監測設備，隨著實際推廣逐漸發現一些問題。

(1)現有的接觸式奶牛行為監測設備主要包括項圈、腳環和電子耳標等，該類設備主要依靠高精度傳感器，成本較高且安裝較為困難。以腳環計步器為例，其在安裝時步驟較為繁瑣，且對佩戴位置及松緊程度均有較高要求;奶牛佩戴后，需人工進行定期巡視，若計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，其安裝與維護會對人力物力帶來較大挑戰。

(2)作為外來設備，接觸式監測設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，牛蹄會不斷長粗，因此頭胎牛停奶時，必須將計步器剪下，以免將牛蹄勒腫。當計步器綁帶與牛蹄縫隙間充滿雜物時，也易對牛蹄造成磨損，導致奶牛跛行。因此，接觸式監測設備在使用和維護的過程中，易引起奶牛的應激反應，輕則導致行為記錄準確性下降，重則使奶牛發生疾病。

(3)奶牛養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備造成影響，由于設備長期暴露在較為惡劣的環境下，奶牛日?；顒訉υO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)當前接觸式設備往往功能單一，大多只能監測奶牛一種生理指標或運動行為，若對多種行為進行監測，需佩戴多種不同功能的傳感器，不符合實際養殖情況。

二、非接觸式監測方法的局限性

非接觸式奶牛行為監測設備安裝簡單、不易引起奶牛應激行為，是未來奶牛行為監測的主要發展方向，引起越來越多研究者的關注，且隨著大數據及硬件加速設備的發展，基于計算機視覺的奶牛行為識別方法也相繼被提出。但由于發展時間較短，存在如下問題與挑戰。

(1)相較于工業界的流水線作業，基于視覺的行為識別在農業、畜牧業中會遇到更多的挑戰，復雜光照、天氣變化等環境問題以及同類遮擋與干擾、自身運動等因素均會對識別結果產生影響。宋懷波等利用視頻對奶牛呼吸行為進行監測，發現奶牛在受到遮擋和自身劇烈運動等影響下，監測結果準確率有所降低。

(2)在數據獲取與處理方面，基于傳統圖像的奶牛行為識別方法需要對特征進行人工提取，效率較低且識別準確率不高;基于深度學習技術的奶牛行為識別則需要大量數據，且數據集的質量會直接影響模型準確率，因此對高質量數據集的采集及準確標注需投入大量人力;對于基于計算機視覺的奶牛運動評分系統，標注受主觀影響較大，也會導致自動評分結果的準確率降低。

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

三、技術趨勢

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

(1)接觸式監測設備小型化、集成化。針對接觸式傳感器設備，應向小型化、輕量化、功能集成化方向發展，同時由于現代化養殖場規模較大，還需考慮制造成本與使用壽命等問題。但作為接觸式設備，奶牛對其的應激反應還需進一步研究。

(2)提高計算機視覺技術的魯棒性。針對基于計算機視覺的奶牛行為識別，現有算法在實驗室條件下運行效果尚可，但是對于實際養殖環境，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算設備，算法輕量化是其研究的重點。

(3)利用有限設備進行多目標監測。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監測，成本較高，如何利用有限的監控設備對更多奶牛進行監測，是未來需要考慮的問題之一。

(4)推動技術落地。商業化應用中，不僅需要實現對奶牛行為的準確監測，還需要對奶牛個體身份進行精準識別，對于行為異常的奶牛需要進行跟蹤并產生警報信息?？梢?，奶牛行為識別只是實際應用的一環，只有將各項技術有機結合，形成閉環的管理系統，才能真正將奶牛行為智能監測技術市場化。同時，由于新興產業的發展前期投入較大，因此在技術落地的同時還需控制成本，避免為了“落地”而“落地”，需保證在滿足商業功能的前提下實現效益最大化。

隨著社會的發展，世界農業就業人口總體呈下降趨勢，農業勞動力老齡化問題愈發突出，其中以中國最為明顯。中國畜牧養殖業雖然已經初步形成規?；?、集約化生產，但較畜牧業發達國家仍有很大差距。實現低成本、多功能、小型化動物信息采集及診療，研發替代人工作業的畜牧機器人，設計多生產環節、設備、系統間數據的實時采集、動態匯聚、全面共享、信息高度融合分析及決策、系統調控，仍然面臨諸多問題。將物聯網、大數據、人工智能以及智能裝備與機器人等關鍵技術相結合，實現更透徹的信息感知、更深入的智能調控、更全面地互聯互通是未來智慧畜牧業發展的核心，是促進中國由畜牧業大國向畜牧業強國轉變的關鍵。

審核編輯 黃宇