Обзор и анализ биотехнических систем, методов и алгоритмов управ­ления животноводческим комплексом

В настоящий момент на рынке информационных технологий существует несколько широко распространенных биотехнических систем, ориентиро­ванных на решение задач предприятий животноводческой направленности.

В работах [29, 120, 150, 176]проанализирован комплекс компьютерных решений для молочного животноводства Delaval от компании-лидера рынка Alpro. Рассматриваемая компания предлагает полный спектр решений для компьютеризации предприятия. Предлагается несколько видов автоматиче­ских и полуавтоматических залов доения, видов доильного оборудования; систем автоматического кормления с программированием рациона для каж­дой особи или группы; системы контроля активности животных, включаю­щие различные типы датчиков движения животных, и другое. В качестве ос­новных функций в [176] указан контроль за биологическим состоянием жи­вотного, но механизмы и подробное описание реализации данной функции в работе не приведено. На сайте предприятия отдельной функцией контроля вынесен пункт о регистрации мастита животного, в качестве идентификато­ров заболевания предлагается оборудование для контроля соматических кле­

ток и калифорнийский мастит-тест, который фактически применяется в руч­ном режиме.

датчиков представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Интерфейс биотехнической системы управления животновод­ческим предприятием Delaval

Представленный на рисунке экран мониторинга отображает информа­цию о текущем местоположении животного, величине надоя, а также специ­альном показателе вероятности возникновения мастита MDI. Алгоритм рас­чета коэффициента MDI не приведен ни в существующих по данной темати­ке работах, ни на сайте производителя и, как следствие, является коммерче­ской тайной, поэтому оценить результаты его работы на реальном предприя­тии не представляется возможным. Проведенный анализ и результаты иссле­дований авторов [176] показали, что комплексный продукт Delaval полно­стью и частично решает следующие задачи животноводческого предприятия:

- контроль за надоями для каждого животного с расчетом коэффициен­тов среднесуточного периода и за весь период лактации;

- контроль за количеством съеденного корма;

- контроль за биологическим состоянием;

- выявление особей, находящихся в периоде охоты;

- возможность формирования календаря ветеринарных проверок.

Из недостатков системы можно отметить отсутствие функции измерения веса; отсутствие описания алгоритма автоматического определения живот­ных, больных маститом и невозможность его настройки; фрагментарность экрана мониторинга.

Еще одной широко распространенной системой на западноевропейском и российском рынках является Westfalia Landtechnik от производителя Dairy Plan. Производители поставляют оборудование для доильного зала, поения и кормления; а также средства для отслеживания состояния животных и их идентификации: ножной и нашейный чипы, антенны, для установки в залах доения и кормления; системы автоматического додаивания; проходные весы. Набор поставляемого оборудования является стандартным, тем не менее, в работах [121, 165, 176]отмечается расширенный функционал программной части поставляемого комплекса.

Результаты анализа данных, поступающих с датчиков в биотехнической системы Westfalia представлены на рисунке 1.2. Мониторинговый экран справа на рисунке 1.2 показывает диаграмму рассеяния значений признаков, где визуализируются группы животных с найденными отклонениями призна-

ков.

Рисунок 1.2 - Интерфейс биотехнической системы управления животновод­ческим предприятием Westfalia

Проведенный анализ системы и результаты, приведенные в работах [121, 165, 176], показали, что система Westfalia Landtechnik позволяет решить следующие задачи предприятия:

- контроль за надоями для каждого животного с расчетом коэффициен­тов для каждой минуты дойки, среднесуточного периода, за весь период лак­тации, за год.

- измерение электропроводности получаемого во время дойки молока и идентификация мастита;

- компьютеризация процесса запрета доения животных, находящихся в периоде сухостоя, а также для больных животных, которым назначены вред­ные для содержания в молоке антибиотики.

- компьютеризация процесса снятия аппарата доения после завершения дойки;

- контроль за количеством съеденного корма, назначение индивидуаль­ного рациона каждому животному

- выявление особей, находящихся в периоде охоты;

- измерение веса животного;

- компьютеризация процесса отсеивания особей, не допущенных к дойке с помощью их регистрации на сортировочных воротах;

- функции планирования продаж молока, расчет себестоимости надоев, формирование рабочих планов.

Несмотря на широкий спектр функций нужно отметить недостатки си­стемы: невозможность тонкой настройки и отсутствие знаний об алгоритмах идентификации животных с подозрением на заболевание конечностей и ма­стита; фрагментарность экрана мониторинга.

Система Crystal от компании Fullwood не так распространена на россий­ском рынке, но является одной из самых используемых биотехнических си­стем для животноводства в мире.

вотным корма, а также данные о молочной продуктивности и электропровод­ности. поступающих с сенсоров оборудования доения. Согласно проведен­ному анализу системы и исследованиям, представленным в [58, 122, 176, 199,212], данный продукт решает следующие задачи предприятия:

- Контроль и регистрация надоев.

- Ведение календаря ветеринарных мероприятий на основе анализа дан­ных, поступающих с сенсоров.

- Идентификация мастита животного (метод не указан).

- Возможность формирования групп животных (вручную).

- Компьютерное отсечение животное от дойки на сортировочных рабо­тах на основе ветеринарного статуса животного.

Экран мониторинга рассматриваемой системы приведен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Интерфейс биотехнической системы управления животновод­ческим предприятием Crystal

Как видно из рисунка 1.3. Экран мониторинга визуализирует данные, поступающие с сенсоров, но никак их не интерпретирует. Таким образом, ре­зультаты обработки информации с сенсоров активности, молочной продук­тивности и крови на экране мониторинга отсутствуют.

В качестве недостатков системы можно отметить отсутствие информа­ции об изменении на экране мониторинга информации о состоянии животно­го, на основе обработки данных с сенсоров; отсутствие механизма тонкой

настройки программных модулей, ответственных за обработку сенсорных данных.

Система Afifarm Израильского поставщика решений компьютеризации животноводческих предприятий Afimilk не имеет широкого распространения на российских фермах, тем не менее, обладает широким функционалом и рассматривается в ряде работ [30, 89, 153, 154, 176], посвященных тематике компьютеризации сельского хозяйства.

Поставщик предлагает оборудование широкого профиля: для компьюте­ризации доильных залов; боксы с индивидуальной раздачей и дозировкой корма; систему контроля веса животных; а также датчики активности живот­ногои набор антенн для взаимодействия с ними. Также компания предлагает компьютерное решение идентификации случаев потенциального появления мастита на основе параметра электропроводности молока, что указано на сайте производителя оборудования. Одним из главных преимуществ рас­сматриваемой биотехнической системы является автоматическое выявление случаев аборта у животных, не предусмотренное больше ни в одной из вы­шеприведенных биотехнических системах. Также Afimilk на основе биологи­ческого статуса животного помогает выявлять и сортировать животных, не­пригодных для дойки, на входе в доильный зал.

Таким образом использование биотехнических систем управления жи­вотноводческим комплексом Afimilk позволяет решить следующие задачи предприятия:

- контроль и регистрация надоев;

- контроль за количеством съеденного корма, индивидуальное кормле­ние и дозирование пищи;

- ведение календарного плана обслуживания животного;

- идентификация мастита на основе анализа измеряемого параметра электропроводности молока;

- выявление охоты животных на основе измеряемого параметра активно­сти животного;

- выявление случаев аборта животных на основе резких колебаний пара­метра активности в дни после осеменения животного;

- ведение графика ветеринарных мероприятий;

- выявление болезней конечностей животных;

- машинную сортировку животных на дойке.

Экраны мониторинга системы биотехнической системы Afimilk пред­ставлены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Интерфейс биотехнической системы управления животновод­ческим предприятием Afimilk

Рисунок 1.4 (а) предоставляет пользователю экран мониторинга зала до­ения, где показывается общее время ожидания животных до и после доения, а также индикаторы, которые изменят цвет в случае неисправности оборудо­вания в доильном зале.

Отметим, что на сайте производителя указывается на основании измене­ния каких параметров животное считается больным, тем не менее, в системе отсутствует механизм тонкой настройки программных модулей для увеличе­ния или варьирования метрик точности и полноты поиска, что в зависимости

от типа предприятия и его индивидуальной стратегии является важным кри­терием.

Отметим также еще одну существующую современную, но малораспро­страненную биотехническую систему от компании S . A . Christensen & Со. Компания предоставляет стандартный набор приборов и датчиков: оборудо­вание для доения, кормления и поения животных, а также сенсоры молочной продуктивности, электропроводности, активности, температуры тела живот­ного. В [176]указывается, что данная система способна решить следующие задачи предприятия:

- компьютерный контроль и регистрация надоев с расчетом средних ко­эффициентов за разные периоды;

- измерение электропроводности и температуры молока;

- контроль за количеством съеденного корма, назначение индивидуаль­ного рациона каждому животному;

- идентификация проблем двигательной активности животных;

- измерение веса;

- ведение календарного плана животного.

В ходе анализа были выявлены основные задачи компьютеризации предприятий молочного животноводства, которые с разной степенью успеха решают различные биотехнические системы управления. Результаты сравне­ния рассмотренных биотехнических систем управления животноводческими предприятиями сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1. Сравнение функционала биотехнических систем управления животноводческим комплексом

Проведенный сравнительный анализ биотехнических систем управления животноводческим комплексом, показал, что разные системы с разной степе­нью успеха решают задачи компьютеризации предприятия, представленные в таблице 1.1. Тем не менее, даже на компьютеризированных предприятиях остается целый ряд нерешенных проблем:

- нехватка квалифицированного персонала, способного проанализиро­вать и оценить большой объем информации, поступающей в/из биотехниче­ских систем;

- несвоевременное определение больных животных, что значительно снижает оперативность принимаемых решений по ветеринарным мероприя­тиям;

- большие трудозатраты на анализ данных по каждому животному инди­видуально;

- недостаточная степень достоверности получаемых результатов анализа состояния животных в результате использования неинвариантных ко време­ни данных с сенсоров, применяемых для оценки состояния животных;

- отсутствие возможности настройки существующих биотехнических си­стем с учетом особенностей конкретного фермерского хозяйства (т.е. показа­тели с сенсоров не инвариантны к условиям содержания стада);

- отсутствие экрана мониторинга для визуализации состояния всего по­головья животноводческого комплекса для выявления групп животных, находящихся в определенных состояниях.

Ряд нерешенных проблем ведет к ухудшению физико-биологического состояния животных, снижению качества выпускаемой продукции и эффективности работы всего животноводческого комплекса в целом. Особенно стоит выделить проблему несвоевременной идентификации больных животных и невозможность гибкой настройки ответственных за это программных модулей. Таким образом, можно констатировать, что существует задача отсутствия оперативного и достоверного мо­ниторинга состояния животных на предприятиях молочного животно­водства и современные биотехнические системы управления животно­водческим комплексом решают ее не в полной мере. Необходима разра­ботка более совершенной биотехнической системы управления молоч­ным производством, обеспечивающей качественный мониторинг состо­яния животных предприятия.

В основе рассмотренных в таблице 1.1 программных продуктов лежит ряд методов и алгоритмов, представленных в работах [21, 31 -35, 51, 82, 83,95].

За мониторинг и подсчет общей активности животного отвественны электронные шагомеры, специальные ошейники, детекторы движений. Большинство из них предназначены для выявления беспокойства и резкого изменения поведения животных. Обнаружение и идентификация случаев резкого увеличения активности и беспокойства животного требует специаль­ного программного обеспечения, поставляемого в составе биотехнических систем управления фермой (например, AlproWinDeLaval).

Данные о поведении животных, анализируемые в работах [21, 31- 33, 35,95]по большей части представляют собой информацию с шагомеров живот­ных. Анализ именно этого пласта данных возможен благодаря практическим исследованиям, проведенным в работе [83], где экспериментально подтвер­ждена гипотеза о зависимости наступления охоты и увеличения двигатель­ной активности животного. На практике в качестве основы для анализа со­стояния животного одного параметра недостаточно, поэтому в работах [31,33 -35], авторы используют комбинацию различных факторов. В [31, 33 -35]показывается, что в ряде биотехнических систем для определения времени охоты стали учитывать различные показатели: активность, надой молока, температура молока, электропроводность, химический состав молока, состо­яние молочных коров (генитальные слизистые выделения, генитальный отек, частое мочеиспускание и беспокойства). Достоверность обнаружения для разных комбинаций этих факторов колебалась между 67% и 90%. На практи­ке, однако, ни одна из представленных комбинаций в итоге не дала заметного снижения числа ошибок идентификации. Фактически, можно констатиро­вать, что только ежедневно измеряемый параметр - двигательная активность - ощутимо влияет на наступление периода охоты животного. Таким образом, для технического обеспечения задачи можно иметь в распоряжении всего один вид датчиков, что существенно снижает затраты на компьютеризацию.

Качество различных типов устройств в плане достоверности выявления течки составляет от 50 до 91%. Поставщиками подобного оборудования яв­ляются Lactivator, NedapAgri BV, Groenlo, theNetherlands, Alpro, DeLaval, Tumba, Sweden. Теоретические работы [8, 21, 32, 82, 83, 104, 156]показыва­ют, что эффективность регистрации случаев повышенной двигательной ак­тивности в значительной степени зависит от сложности метода. В работах [21, 95]предлагается подход к уменьшению неверно идентифицированных случаев выявления мастита и послеродовой охоты за счет построения модели нечеткой логики. Это позволяет сохранить уровень верно определенных слу­чаев на уровне 80-85%. В работе [31]данный подход совершенствуется и для идентификации применяется уже система нечетких функций, что позволило достигнуть точности идентификации 84,5%. В работах [33, 35]разработана модель нечетких признаков для различных комбинаций производственных факторов, используя метод скользящего среднего. Это позволило достигнуть точности идентификации 71%-94%, но при высоком количестве случаев ложного выявления - 24%-51%. Существующие методы и алгоритмы не спо­собны предоставить оператору данные о верно выявленных случаях охоты животного с точностью идентификации более 90% без большого числа лож­ных срабатываний алгоритма, которое иногда приближается к 50%. Таким образом, необходима разработка нового метода, существенно сокращающего процент случаев ложной идентификации случаев охоты животного.

В настоящее время для предварительной идентификации заболевания животных маститом без использования химического анализа существует не­сколько подходов, которые основаны на анализе одного параметра - элек­тропроводности молока. В работе [51]приводятся пороговые значения элек­тропроводности для оценки состояния здоровья животного (таблица 1.2). В большинстве случаев животное является подозрительным на наличие заболе­вания, если порог электропроводности превышает значение 6 мСм/см. Этот подход показывает неплохие результаты, когда нужно, не имея дорогостоя­

щего оборудования, сформировать список животных с подозрением на забо­левание маститом [51].

Таблица 1.2. Проводимость молока у здоровых и больных животных

Тем не менее, экспериментальные результаты показывают, что данный подход для идентификации мастита является весьма условным, так как жир­ность и электропроводность молочного продукта меняется сезонно и отлича­ется на различных предприятиях. В результате достоверность распознавания мастита с помощью данного метода варьируется от 50 до 85% для различных предприятий, при большом числе ложных срабатываний.

Основной задачей мониторинга в общем смысле является оперативный и достоверный поиск некоторых отклонений, возникших в изучаемом процес­се, и способных привести к ухудшению протекания процесса. Над решением проблемы качественного мониторинга работают ряд авторов, использующих агрегирование признаков для увеличения точности результата идентифика­ции отклонений.

Так в работах [46, 53, 54, 75, 92]представлены новые методы агрегиро­вания данных, применяемых в медицине, робототехнике, геологии, области выделения признаков. В [46, 53, 54, 75, 92]показано, что предложенные под­ходы дают хороший результат при решении конкретных узкоспециализиро­ванных задач. Но стоит отметить, что предложенные в [46, 53, 54, 75, 92] ме­тоды имеют специфический математический аппарат, который позволяет решить конкретную задачу, но не может быть применен в области обработки сенсорных данных животноводческого комплекса.

В работах [15, 24]предлагается рассматривать потоки данных с датчи­ков животноводческого предприятия как случайные функции или временные ряды и применять к ним соответствующий математический аппарат. Тем не менее в [15, 24] не решены проблемы качественного мониторинга. Таким об­разом, необходима разработка новых методов, основанных на агрегировании данных и подходах к анализу и обработке временных рядов.

В данном разделе проанализированы средства компьютеризации про­граммного и аппаратного характера для молочного животноводства. Приведен сравнительный анализ биотехнических систем управления животноводческими хозяйствами, и методов, лежащих в основе рас­сматриваемых систем. Выявлен ряд нерешенных посредством рассмот­ренных программных продуктов задач, связанных с качественным мони­торингом процесса производства. Для решения данных задач требуется поиск методов обработки и анализа данных (в нашем случае - временных рядов), полученных с датчиков животноводческого предприятия.

1.3