“豬臉識(shí)別”
——京東農(nóng)牧的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧農(nóng)業(yè)

黃靖然，譚夢(mèng)琪，黨璟鈺，馬頌昌，鄒禮緒

（對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京 100000）

將“互聯(lián)網(wǎng)+”與農(nóng)業(yè)相結(jié)合，不僅是更新農(nóng)產(chǎn)品的銷售模式，而是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的改革，這將開(kāi)辟電商發(fā)展的新領(lǐng)域，為我國(guó)農(nóng)業(yè)升級(jí)奠定基礎(chǔ)，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。在我國(guó)鄉(xiāng)村振興政策、國(guó)家數(shù)字農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，京東、百度、騰訊、阿里、中化等互聯(lián)網(wǎng)巨頭以及傳統(tǒng)企業(yè)紛紛布局智慧農(nóng)業(yè)，浮現(xiàn)出成功的互聯(lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)案例。

1.中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀和問(wèn)題

智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展主要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：智慧農(nóng)業(yè)概念的初步形成—研發(fā)并示范階段—推廣階段。我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)起步較晚，仍處在研發(fā)示范階段，沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)和配套機(jī)制，仍未真正的推廣運(yùn)用。目前我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)主要涉及棉花、水稻、玉米等農(nóng)作物種植領(lǐng)域，采用大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)種植的方式進(jìn)行，主要是在灌溉和收割方式上進(jìn)行改進(jìn)，智慧水平仍然處于較低層次，導(dǎo)致我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展相對(duì)滯后的原因是：缺乏“智慧農(nóng)業(yè)”所必須依托的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)和掌握專業(yè)的人才。全國(guó)范圍內(nèi)地域差異較大，地理、氣候等自然條件也不一致，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和科技發(fā)展水平參差不齊，智慧農(nóng)業(yè)設(shè)備無(wú)法廣泛覆蓋；農(nóng)村人口受教育程度普遍偏低，暫時(shí)無(wú)法適應(yīng)智慧農(nóng)業(yè)的要求。

2017年，我國(guó)先后出臺(tái)《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》《“十三五”全國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》等等文件，強(qiáng)調(diào)著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展信息化的重視，使得智慧農(nóng)業(yè)逐漸走入大眾的視野并得到重視。2020年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)言人在國(guó)務(wù)院新聞發(fā)布會(huì)上表示，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部正在組織編制“十四五”農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)圍繞數(shù)字農(nóng)業(yè)、動(dòng)植物疫病防控、重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施等方面，強(qiáng)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備支撐。

2.項(xiàng)目背景

2016年，京東推出了“跑步雞”項(xiàng)目，提倡綠色養(yǎng)雞，要求“跑步雞”放養(yǎng)，并且每只雞的腳上都有計(jì)步器監(jiān)督，只有跑夠一百萬(wàn)步以上的雞才能出欄銷售，每只的價(jià)格可高達(dá)188元，此次試驗(yàn)引起了市場(chǎng)熱烈的響應(yīng)。2018年11月21日，京東在數(shù)字科技全球探索者大會(huì)上，重磅宣布正式進(jìn)軍養(yǎng)豬業(yè)。根據(jù)京東農(nóng)牧公布的數(shù)據(jù)，智能化養(yǎng)豬將幫助大中型養(yǎng)殖企業(yè)降低人工成本30%以上，節(jié)省飼料8%至10%，縮短出欄時(shí)間5天至8天。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，如果國(guó)內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)應(yīng)用這一解決方案，每年至少可以降低行業(yè)成本500億元。

2018年，京東通過(guò)對(duì)“吉林精氣神有機(jī)農(nóng)業(yè)股份有限公司”進(jìn)行戰(zhàn)略投資，“智慧養(yǎng)豬”落地生產(chǎn)。

3.“京東農(nóng)牧-精氣神”智慧養(yǎng)豬項(xiàng)目

3.1 項(xiàng)目概況

2018年12月京東農(nóng)牧與“精氣神”正式簽署合作協(xié)議，“精氣神”位于吉林省長(zhǎng)白山腹地的兩個(gè)養(yǎng)殖園區(qū)，共100多棟山黑豬豬舍，全面應(yīng)用京東農(nóng)牧智能養(yǎng)殖解決方案，這是中國(guó)首批AI養(yǎng)殖基地。在養(yǎng)殖園區(qū)內(nèi)運(yùn)用神農(nóng)大腦（AI）、神農(nóng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（IoT）和神農(nóng)系統(tǒng)（SaaS）所獨(dú)創(chuàng)的養(yǎng)殖巡檢機(jī)器人、飼喂機(jī)器人、3D農(nóng)業(yè)級(jí)攝像頭等先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)，為豬提供了“全生命的管理”。

其中“豬臉識(shí)別”技術(shù)最引人注目，通過(guò)“豬臉識(shí)別”可以觀測(cè)和記錄豬的體重、生長(zhǎng)和健康狀況，根據(jù)每頭豬的狀態(tài)調(diào)配不同的飼料成分，發(fā)放相應(yīng)的豬飼料，保證每頭豬單獨(dú)進(jìn)食，減少體重差異，同時(shí)避免出現(xiàn)成本過(guò)高的情況；“豬臉識(shí)別”和智慧獸醫(yī)結(jié)合，自動(dòng)測(cè)量豬的體溫，監(jiān)控進(jìn)食量，并創(chuàng)造性地引入“聲紋”（觀測(cè)豬的叫聲和咳嗽），第一時(shí)間發(fā)生豬是否生病和懷孕，有效地檢測(cè)出檢測(cè)豬的身體狀況，解決瘟疫等問(wèn)題；系統(tǒng)還針對(duì)每頭豬生成唯一代碼，記錄豬的父母和后代；并且通過(guò)智能感知技術(shù)可以24小時(shí)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)控溫度，濕度，二氧化碳，氨氣，PM10，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水簾和暖氣設(shè)備，控制豬舍的溫度、濕度，有效地保證豬群生活在最佳狀態(tài)中；最后，采取將豬糞經(jīng)過(guò)發(fā)酵后噴灑到玉米地，最終種植出來(lái)的玉米再供給豬吃，既節(jié)約了成本，又解決了污染問(wèn)題，打造了一個(gè)閉合回路。

3.2 初步成果

精氣神方面發(fā)布具體的數(shù)據(jù)：投入AI養(yǎng)殖系統(tǒng)后，平均每頭豬增加了92.5元成本，但是在飼料方面每頭能節(jié)省30-60元 ；人工成本投入可節(jié)省每頭8元；提高成活率方面平均每頭可節(jié)約15元；在精準(zhǔn)控制出欄體重方面能節(jié)省5-8元；合計(jì)節(jié)約91元。從直接的投入產(chǎn)出來(lái)看成本和收益基本相等。

按照京東前期的數(shù)據(jù)測(cè)算，該方案可以將養(yǎng)殖的人工成本減少30%-50%左右，降低飼料使用量8%-10%左右，并且平均可以縮短出欄時(shí)間5-8天，成本顯著降低。而根據(jù)京東農(nóng)牧公布對(duì)照組的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)精準(zhǔn)飼喂管理和粥料供給方案，初步統(tǒng)計(jì)和計(jì)算可幫助每頭豬節(jié)約60元左右的飼料成本，如果全部應(yīng)用智能化養(yǎng)殖技術(shù)，按照每年20萬(wàn)頭山黑豬的產(chǎn)量，全部應(yīng)用智能養(yǎng)殖系統(tǒng)后，可以每年為企業(yè)節(jié)約1200萬(wàn)元的生產(chǎn)費(fèi)用。

2019年11月，京東農(nóng)牧和精氣神進(jìn)一步開(kāi)展智慧合作，建立“AI智能有機(jī)田園綜合體”該項(xiàng)目位于江西省鷹潭市。“AI綜合體”將通過(guò)智能現(xiàn)代化的養(yǎng)殖技術(shù)，打造集生豬養(yǎng)殖、屠宰、加工、研發(fā)、銷售、冷鏈物流為一體的全產(chǎn)業(yè)鏈，該項(xiàng)目總投資20億元，計(jì)劃建設(shè)18000頭核心群及擴(kuò)繁群種豬場(chǎng)、30萬(wàn)頭智能化山黑豬農(nóng)場(chǎng)、年產(chǎn)15萬(wàn)噸飼料加工廠、年屠宰60萬(wàn)頭屠宰場(chǎng)，還涉及熟食加工廠、中央廚房、技術(shù)研究院及院士工作站等。

4.豬臉識(shí)別技術(shù)

4.1 理論意義

未引入面部識(shí)別技術(shù)時(shí)，識(shí)別主要以RFID耳標(biāo)識(shí)別為主，這是一種非常成熟的牲畜識(shí)別方式。但是在使用過(guò)程中依然存在難以克服的問(wèn)題，在場(chǎng)景應(yīng)用上也存在一些限制。

實(shí)際上，RFID耳標(biāo)僅僅勝任區(qū)分和記錄的功能，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在“智慧農(nóng)業(yè)”大數(shù)據(jù)的需求，養(yǎng)殖人員需要關(guān)于生豬的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每時(shí)每刻對(duì)所有生豬的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高數(shù)據(jù)收集的及時(shí)性和準(zhǔn)確性迫在眉睫。面部識(shí)別技術(shù)的重要意義在于能與多種識(shí)別技術(shù)及數(shù)據(jù)分析技術(shù)結(jié)合，形成完整的AI養(yǎng)殖管理，將信息從生產(chǎn)端一直傳輸至銷售端，結(jié)合育種管理、生產(chǎn)管理、健康管理、食品安全、環(huán)境控制等技術(shù)，打通這些環(huán)節(jié)，通過(guò)高效精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，解讀連接這些環(huán)節(jié)，提升養(yǎng)豬水平。

在種豬的購(gòu)銷過(guò)程中，買家無(wú)法確認(rèn)自己購(gòu)入的種豬是否真的是自己看中的那頭有良好測(cè)定成績(jī)的那頭種豬，因?yàn)镽FID電子耳牌可以重寫，耳缺號(hào)可以重打，而豬本身特有的特征無(wú)法作假，因此，豬臉識(shí)別技術(shù)可以為解決該問(wèn)題提供方案。

4.2 技術(shù)介紹

技術(shù)方面，“豬臉識(shí)別”無(wú)疑是這新興項(xiàng)目中最核心，最亮眼的技術(shù)。豬的面部識(shí)別與人的面部識(shí)別類似，主要分為四個(gè)步驟：檢測(cè)、對(duì)齊、編碼、匹配。

首先是檢測(cè)，想要識(shí)別豬臉，首先要找到環(huán)境中，也就是圖片中存在的豬臉，檢測(cè)的目的便是尋找圖片中存在的豬臉的位置，當(dāng)在攝像頭拍攝到的范圍出現(xiàn)豬臉時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)算法自動(dòng)標(biāo)記出豬臉?biāo)嬖诘奈恢米鴺?biāo)，將豬臉切割出來(lái)。

然后是對(duì)齊，檢測(cè)到了豬臉之后，得到了正臉、側(cè)臉等可能從多個(gè)角度存在的豬臉圖像，因此需要將不同角度的豬臉圖像進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”，以方便獲取較為準(zhǔn)確的信息來(lái)進(jìn)行后續(xù)的識(shí)別。這里便需要對(duì)這些圖像進(jìn)行“對(duì)齊”的操作，對(duì)齊是將不同角度的面部圖像對(duì)齊成同一種標(biāo)準(zhǔn)的形狀。先定位豬臉上的特征點(diǎn)，然后通過(guò)幾何變換（仿射、旋轉(zhuǎn)、縮放），使各個(gè)特征點(diǎn)對(duì)齊（將眼睛、嘴等部位移到相同位置），得到標(biāo)準(zhǔn)化后的面部圖像數(shù)據(jù)。

對(duì)齊之后，便需要開(kāi)始從圖像中提取被識(shí)別面部的具體特征數(shù)據(jù)，就像人臉識(shí)別中的特征提取一樣，左眉，右眉，下巴輪廓，鼻子形狀，嘴唇等特征皆會(huì)被量化為一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而由圖像得到一個(gè)反映面部特征的特征向量，這一特征向量也稱為模板，如上圖右圖所示。同時(shí)，與人臉識(shí)別不同的是，豬是多胎生物，個(gè)體之間的差異性不大，反映到面部更是如此，我們可以較為輕松地通過(guò)面相在一群人中認(rèn)出不同的人，卻較難在一群豬中認(rèn)出不同的豬。因此，豬臉識(shí)別相對(duì)于人臉識(shí)別，在面部特征的選取上要更為有難度，同時(shí)，豬在日常生活中也容易出現(xiàn)把臉弄臟等情況，需要確保在類似不同情況下豬臉識(shí)別的可靠性，也是這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐與未來(lái)發(fā)展所要面臨的莫大的挑戰(zhàn)。

圖1 人臉識(shí)別中由圖像數(shù)據(jù)提取面部特征

最后便是匹配，在獲取到了反映圖片里豬臉特征的特征向量后，系統(tǒng)便可以將這一特征向量與先前為豬群建立的面部特征庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而得到一個(gè)相似度分?jǐn)?shù)，該分?jǐn)?shù)給出了兩者屬于同一個(gè)主體的可能性，便可以得到與該特征向量最為匹配的數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而識(shí)別出圖片中的豬臉?biāo)鶎?duì)應(yīng)的身份。

豬臉還正在不斷發(fā)展完善之中。早期在陳瑤生教授的豬臉識(shí)別技術(shù)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中，母豬識(shí)別率為98%，肉豬識(shí)別率則為85%。這個(gè)識(shí)別率并不算高，特對(duì)是對(duì)大規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)而言。而如今的技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到在豬群中實(shí)現(xiàn)98%的識(shí)別準(zhǔn)確率，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以應(yīng)用于實(shí)際的養(yǎng)豬智能化管理中，“精氣神智慧養(yǎng)豬項(xiàng)目”便是一個(gè)很好的實(shí)踐案例。

5.未來(lái)展望

電商野蠻發(fā)展搶占市場(chǎng)份額的熱戰(zhàn)已經(jīng)非常焦灼，農(nóng)村市場(chǎng)已經(jīng)成為電商下沉的目的地。

除了在農(nóng)村銷售商品，如何最大程度開(kāi)發(fā)農(nóng)村市場(chǎng)的效用，以適應(yīng)城市高收入人群對(duì)健康食品的消費(fèi)升級(jí)需求，已經(jīng)吸引了各大電商企業(yè)的眼球，2018年被稱為“智慧農(nóng)業(yè)”元年。這一系列行為很可能成為未來(lái)農(nóng)村和城市的連接和創(chuàng)造平衡點(diǎn)。電商企業(yè)具互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的特點(diǎn)，掌握著高新信息技術(shù)，還有完善的物流、儲(chǔ)藏、銷售渠道，商品和高水平人力資源將通過(guò)電商業(yè)務(wù)和智慧農(nóng)業(yè)，在農(nóng)村和城市之間流動(dòng)，有助于解決就業(yè)問(wèn)題、食品安全問(wèn)題和電商企業(yè)持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。