中小型養(yǎng)殖企業(yè)的信息化智能管理的探索與研究

康建磊 張志宇 劉一揚(yáng) 趙文琪 劉鳳生 谷旭澤 宋嬌 王海峰

基金項(xiàng)目：天津市科技局技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專項(xiàng)基金項(xiàng)目《知識密集型企業(yè)的智能化建設(shè)》（項(xiàng)目編號：20YDTPJC01480）;2020年國家級大學(xué)生創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《菲菲智能——豬臉識別智能監(jiān)控管理系統(tǒng)》（項(xiàng)目編號：202010069028）。

作者簡介：康建磊（1999—），男，本科在讀，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚砑夹g(shù)。

通信作者：張志宇（1974—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)橹悄芑瘺Q策管理和數(shù)據(jù)分析，E-mail：zhangzhy@tjcu.edu.cn。

摘 ?要：農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的重大任務(wù)。精準(zhǔn)化、智能化養(yǎng)殖成為提高養(yǎng)殖業(yè)管理水平重要手段，多數(shù)中小型養(yǎng)殖場不能像大型企業(yè)一樣投入高的信息化成本，所以一個高效、低成本、易操作的信息智能化管理方案對中小型養(yǎng)殖企業(yè)提升智能化尤為重要。該文以生豬養(yǎng)殖為研究對象，提出一個基于人工智能的可視化、實(shí)時共享和易操作的智能監(jiān)控管理平臺。此平臺可以應(yīng)用在移動端和PC端，旨在對豬的疾病進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)警。該文描述了平臺的構(gòu)建和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并指出實(shí)施過程中的關(guān)鍵問題。平臺將人工智能應(yīng)用于中小型養(yǎng)殖戶，幫助其提高智能化管理水平。

關(guān)鍵詞：人工智能 ?管理平臺 ??精細(xì)管理 ??深度學(xué)習(xí) ??多維分析

中圖分類號：DF412.3 ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ??文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： Agricultural and rural modernization is a major task of building a socialist modern country in an all-round way. Accurate and intelligent breeding has become an important means to improve the management level of the breeding industry. Most small and medium-sized farms cannot invest high information costs like large enterprises. Therefore， an efficient， low-cost and easy to operate information intelligent management scheme is particularly important for small and medium-sized breeding enterprises to improve intelligence. Taking pig breeding as the research object， this paper proposes an intelligent monitoring and management platform based on artificial intelligence， which is visual， real-time sharing and easy to operate. This platform can be applied to mobile terminal and PC terminal， aiming at accurate early warning of pig diseases. This paper describes the construction and technical implementation of the platform， and points out the key problems in the implementation process. The platform applies artificial intelligence to small and medium-sized farmers to help them improve their intelligent management level.

Key Words： Artificial intelligence; Management platform; Fine management; Deep learning; Multidimensional analysis

近年來，互聯(lián)網(wǎng)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)找到其優(yōu)勢互補(bǔ)的契合點(diǎn)，引發(fā)了養(yǎng)殖業(yè)的廣泛創(chuàng)新和變革。我國是生豬養(yǎng)殖和豬肉消費(fèi)大國，但不是生豬養(yǎng)殖強(qiáng)國[1]。2021年黨中央指出，把全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興作為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的一項(xiàng)重大任務(wù)，舉全黨全社會之力加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化[2]。發(fā)展生豬養(yǎng)殖業(yè)信息智能化是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的途徑之一[3-4]，因此基于低成本、易操作的理念，通過智能監(jiān)控管理等手段不斷提高生豬養(yǎng)殖管理和技術(shù)水平，促進(jìn)養(yǎng)殖理念和模式的更新，提高養(yǎng)殖效率，是該課題解決的主要方面。

該文主要針對中小型養(yǎng)殖戶的生豬養(yǎng)殖現(xiàn)狀，基于人工智能建立可視化、實(shí)時共享和監(jiān)控的智能多維網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理平臺。通過檢測豬只的體溫和其明顯的行為特征來判別豬只的健康狀況是否存在異常，以期實(shí)現(xiàn)部分疾病的預(yù)警;同時，又能減少豬與人、物、車的接觸，做到及時止損，提高生豬養(yǎng)殖智能化管理水平。

1 生豬養(yǎng)殖業(yè)對智能化的需求

所謂生豬智能養(yǎng)殖，即借助大數(shù)據(jù)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、人工智能技術(shù)等對生豬養(yǎng)殖過程實(shí)現(xiàn)智能化、規(guī)范化管理，達(dá)到降低發(fā)病概率，減少生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率的目的。

從養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展方向來看，無論從歐美的發(fā)展規(guī)律，還是中國本土畜牧業(yè)發(fā)展的趨勢，當(dāng)今的養(yǎng)殖業(yè)已從傳統(tǒng)的家庭化的小規(guī)模的養(yǎng)殖方式發(fā)展為更專業(yè)化和工業(yè)化的模式。此外，市場競爭迫使這些中小型養(yǎng)殖戶不斷加快智能化的步伐，以避免被大型養(yǎng)殖場或者智能化程度高的養(yǎng)殖場所吞并。這些都使中小型養(yǎng)殖企業(yè)對采用信息化技術(shù)來提高養(yǎng)殖的智能管理水平產(chǎn)生了極大需求。

生豬養(yǎng)殖中有時依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確率低，主觀性強(qiáng)，實(shí)時性不夠，這些都會導(dǎo)致不可預(yù)估的損失。國家對中小型的養(yǎng)豬企業(yè)扶持力度大大增加[5]，也使得更多的中小型養(yǎng)豬戶愿意投入成本，響應(yīng)國家號召的信息智能化養(yǎng)殖，進(jìn)而使智能化在生豬養(yǎng)殖方面的需求大大增加。

相較于中小型的養(yǎng)豬企業(yè)，大型養(yǎng)殖場資金充足、資源廣泛、信息化的程度高。所以，該項(xiàng)目將研究對象定位在中小型的生豬養(yǎng)殖場，結(jié)合不同地區(qū)和不同用戶的需求，開發(fā)符合用戶需求的智能管理平臺。

2 生豬養(yǎng)殖智能監(jiān)控管理平臺的構(gòu)建

2.1 生豬養(yǎng)殖智能監(jiān)控管理平臺組成

將人、豬只、監(jiān)控、企業(yè)通過各種信息技術(shù)融合為一體，是現(xiàn)代生豬養(yǎng)殖業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化的趨勢所在[6]。該項(xiàng)目建立智能監(jiān)控管理平臺主要包括數(shù)據(jù)采集處理中心、生豬管理系統(tǒng)、安全防控系統(tǒng)三大模塊。值得說明的是各個模塊可獨(dú)立運(yùn)行，也設(shè)置了接口可統(tǒng)一運(yùn)行，這樣可以根據(jù)客戶需求來進(jìn)行功能定置。

2.1.1數(shù)據(jù)采集處理中心

利用易用監(jiān)控設(shè)備完成樣本和實(shí)時數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)同步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過算法的處理后，存儲在云端服務(wù)器，發(fā)布并應(yīng)用于生豬管理系統(tǒng)、安全防控系統(tǒng)。

2.1.2生豬管理系統(tǒng)

其包括生豬環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)與豬臉識別系統(tǒng)。為了滿足我國生豬養(yǎng)殖集約化發(fā)展的需要，現(xiàn)階段生豬養(yǎng)殖豬舍大多采用封閉式。而環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)通過傳感器對豬舍的溫、濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測;預(yù)警系統(tǒng)包括環(huán)境預(yù)警與疾病預(yù)警兩部分，當(dāng)環(huán)境溫、濕度情況或生豬表現(xiàn)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)將提示用戶風(fēng)險預(yù)警;豬臉識別系統(tǒng)結(jié)合深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，經(jīng)過大量生豬行為圖片的比對、篩選、標(biāo)注、訓(xùn)練后得到豬臉識別模型，配合紅外熱成像測溫，對體溫或行為異常豬只進(jìn)行監(jiān)測識別。

2.1.3安全防控系統(tǒng)

其主要用于疾病的預(yù)防，減少豬與人、物、車的接觸，做到及時止損、提高效益。對于人員和車輛等進(jìn)出嚴(yán)格把控和行蹤權(quán)限控制，并只對關(guān)心的對象進(jìn)行精確報警，避免大量誤報引起的無效管理，建立高效的生物安全防線。

3.2 生豬養(yǎng)殖智能監(jiān)控管理平臺的處理流程

平臺的處理流程如下：

（1）各類監(jiān)控終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)處理中心存儲至云服務(wù)器來展開算法處理;

（2）生豬管理系統(tǒng)通過生豬環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度的監(jiān)測和調(diào)節(jié)，保證豬圈良好的養(yǎng)殖環(huán)境;

（3）豬臉識別系統(tǒng)對豬只的體溫和精神狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，識別出豬只的異常行為;

（4）安全防控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對相關(guān)人員、外來人員、外來車輛、內(nèi)外生物等的控制與追蹤，杜絕人員、車輛、生物等帶來的傳染源;

（5）對應(yīng)各個不同需求和功能的系統(tǒng)在運(yùn)作工程中相互協(xié)調(diào)工作，最終得到的多方面信息依托于豬臉識別智能管理平臺通過PC端或手機(jī)端進(jìn)行展現(xiàn)，便于用戶隨時進(jìn)行查看與管控。

4 豬臉識別智能監(jiān)控管理平臺的核心技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

4.1 豬臉識別智能識別技術(shù)

豬臉識別智能監(jiān)控管理平臺方案中核心技術(shù)的是豬臉識別系統(tǒng)。豬臉識別系統(tǒng)，是基于搜集的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)技術(shù)處理整合各種生物特征，例如溫度、外表、行為特征、吃食狀況等特征，進(jìn)而形成數(shù)據(jù)庫，最后達(dá)到識別豬只以及判斷其是否異常的目的。系統(tǒng)以攝像頭+服務(wù)器為主，基于視頻監(jiān)控、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、熱成像技術(shù)進(jìn)行多維分析，自動檢測生豬的體溫以及行為特征，實(shí)現(xiàn)對每一頭生豬的精細(xì)管理。此系統(tǒng)主要針對生豬各類疾病的預(yù)防和管理，將病毒隔斷在生豬的感染初期，及時實(shí)施隔離并進(jìn)行進(jìn)一步治療，相較于以往的人工檢驗(yàn)，效率倍增。此外，在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢下，此種檢驗(yàn)技術(shù)還是首例，值得研究。該系統(tǒng)通過圖像識別技術(shù)識得每一頭生豬，通過熱成像技術(shù)實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測生豬體溫、通過對欄內(nèi)生豬的異常體溫和行為特征與后臺數(shù)據(jù)庫所存正常數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對疫病進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，及時向養(yǎng)殖人員發(fā)出警報。

4.2 智能識別程序的實(shí)現(xiàn)

程序采用了現(xiàn)今較為流行的Python語言，基于Pytorch框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，充分利用了Python的短小精干和智能化數(shù)據(jù)分析的優(yōu)點(diǎn)，可以對采集到的樣本圖像進(jìn)行實(shí)時分析，得出精確差別，從而進(jìn)行精準(zhǔn)養(yǎng)殖。部分核心代碼如下：

樣本訓(xùn)練核心算法實(shí)現(xiàn)：

for i in range（10000）： #設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)

random.shuffle（train_set）

sumloss = 0

for j in range（len（train_set））：

im = Image.open（train_set[j][0]） ?#得到每一張圖片的路徑

im = im.resize（（35， 35）， Image.ANTIALIAS）

im = np.array（im）

im = torch.Tensor（TranDatas（im））

智能識別主要代碼：

total = 0

correct = 0

for j in range（len（test_set））： #測試數(shù)據(jù)集預(yù)測效果

import numpy

im = Image.open（test_set[j][0]）

im = im.resize（（35， 35）， Image.ANTIALIAS）

5 豬臉識別智能監(jiān)控管理平臺實(shí)施的關(guān)鍵問題

為保證管理平臺的有效實(shí)施，還需要注意以下關(guān)鍵問題。

5.1豬臉識別模型訓(xùn)練

（1）在采集素材時需將豬欄入口多欄并排設(shè)置，且設(shè)有朝向豬欄入口的攝像頭，同步采集豬只的視頻源數(shù)據(jù)。

（2）將所選豬只圖片進(jìn)行篩選和標(biāo)注，經(jīng)篩選后的生豬圖片進(jìn)行對應(yīng)的坐標(biāo)信息標(biāo)注最后保留下來作為圖片數(shù)據(jù)源。

（3）豬臉識別模型的訓(xùn)練需要有嚴(yán)格的流程。將豬欄并排布置并使攝像頭同步采集圖片、視頻資源等。經(jīng)過預(yù)處理后形成樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集與測試集，最終建立用于識別的模型。

5.2多維監(jiān)測實(shí)時有效

采取紅外測溫與豬臉識別結(jié)合的方式進(jìn)行多維識別，不僅需要確保兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時性與同步性，而且誤差不能超過一定范圍，準(zhǔn)確做到多方位監(jiān)控。

5.3數(shù)據(jù)處理及管理

平臺中各個子系統(tǒng)存有大量的數(shù)據(jù)，單從豬臉識別系統(tǒng)來看，系統(tǒng)所獲取的均是生豬行為的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量異常龐大，且需實(shí)時更新、與數(shù)據(jù)庫比對，保留下所有相關(guān)數(shù)據(jù)，所以該平臺需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支撐。

6 結(jié)語

該研究積極響應(yīng)國家發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和振興鄉(xiāng)村的號召，著眼于鄉(xiāng)村小型生豬養(yǎng)殖企業(yè)，解決在人為飼養(yǎng)的過程中遇到的生豬疾病防控等問題，將人工智能養(yǎng)殖平臺引入到中小型養(yǎng)豬戶中，養(yǎng)殖戶只需花費(fèi)較小成本購置檢測和管理設(shè)備，通過視頻監(jiān)控對生豬進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，平臺就能自動進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、清洗、分析和識別，用戶就能實(shí)時得到各項(xiàng)決策提示或警示。其解決了原人工飼養(yǎng)的豬只個體跟蹤識別困難、人為經(jīng)驗(yàn)預(yù)判誤差大等問題，實(shí)現(xiàn)了豬只的識別監(jiān)測、疾病的預(yù)警，做到及時隔離，防患于未然。該平臺的智能化管理實(shí)現(xiàn)了高效、低成本、易操作等優(yōu)勢。

人工智能技術(shù)在中小型養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用是國家政府機(jī)關(guān)和行業(yè)協(xié)會對養(yǎng)殖業(yè)智能化的強(qiáng)烈需求，智能監(jiān)控管理平臺對生豬進(jìn)行疾病監(jiān)測，降低了疫病對生豬的危害和養(yǎng)殖業(yè)的損失，滿足豬肉需求大國的需求，有助于智能管理水平的提高。

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