DHI采樣信息化系統(tǒng)及應(yīng)用

薛光輝，李建斌，張汝美，李榮嶺，王晨，鮑鵬，楊君，侯明海

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院奶牛研究中心，濟(jì)南 250131；2.山東奧克斯畜牧種業(yè)有限公司，濟(jì)南250131； 3.鄭州奇飛特電子科技有限公司，鄭州 450000）

奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定（DHI）技術(shù)能顯著提高奶牛場(chǎng)牛群遺傳品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)被世界奶業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用。我國(guó)自2008年開始大規(guī)模開展DHI工作，《中國(guó)奶業(yè)白皮書（2017）》數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，全國(guó)參加DHI的牛場(chǎng)數(shù)已達(dá)1 543個(gè)，參測(cè)奶牛頭數(shù)由2008年的24.5萬頭增加至100.5萬頭。采樣作為DHI工作的第一步，其準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的，傳統(tǒng)的奶樣采集方法是采樣時(shí)預(yù)先在樣品瓶上貼上空白標(biāo)簽，登記樣品瓶序號(hào)，采樣員手工抄寫奶牛耳號(hào)，然后將采樣瓶序號(hào)與奶牛耳號(hào)一一對(duì)應(yīng)（或直接在采樣瓶上登記奶牛耳號(hào)），奶樣到達(dá)DHI實(shí)驗(yàn)室后由技術(shù)人員根據(jù)樣品瓶序號(hào)（或奶牛耳號(hào)）進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)與樣品瓶序號(hào)（或奶牛耳號(hào)）一一對(duì)應(yīng)，最后數(shù)據(jù)處理人員將牛只信息和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來。為保證奶樣的準(zhǔn)確性，采樣員需要遵守規(guī)范的采樣流程，但全程一直是人工操作，包括記錄牛號(hào)、規(guī)范取樣、搖勻奶樣等，中間難免出現(xiàn)失誤，如耳號(hào)記錄錯(cuò)誤、牛號(hào)暈染、采樣瓶序號(hào)錯(cuò)亂、數(shù)據(jù)丟失等[1]，致使奶樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性降低，樣品的檢測(cè)和分析出現(xiàn)偏差，最終對(duì)牛場(chǎng)的管理產(chǎn)生誤導(dǎo)[2]。為了優(yōu)化DHI工作流程，提高采樣效率，保證樣品的準(zhǔn)確性，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)初步研發(fā)了一套基于奶牛電子耳標(biāo)和采樣瓶條形碼識(shí)別的信息化采樣系統(tǒng)。

1 DHI采樣信息化系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

DHI采樣信息化系統(tǒng)是由RFID電子耳標(biāo)、RFID電子耳標(biāo)識(shí)別器、手持采集終端、條形碼打印機(jī)（條形碼）、條形碼掃描器、本地服務(wù)器六部分硬件及網(wǎng)絡(luò)配置構(gòu)成（圖1）。

圖1 硬件配置

1.2 硬件及功能介紹

1.2.1 RFID電子耳標(biāo)

RFID電子耳標(biāo)內(nèi)置電子芯片和天線，主要功能是承載奶牛的個(gè)體信息[3]。具有ID唯一，安全性高，不易掉落等優(yōu)點(diǎn)，芯片采用母扣式設(shè)計(jì)，可重復(fù)使用，可被反復(fù)讀寫10萬次以上，使用壽命可達(dá)10年以上；外觀采用TPU封裝，具有良好的防曬、防塵、防浸泡性能。

1.2.2 RFID電子耳標(biāo)識(shí)別器

具有識(shí)別RFID電子耳標(biāo)的功能，可快速讀取低頻及超高頻電子耳標(biāo)。讀取距離為5～60cm，可選芯片有TK4100、EM4200、EM4305、Hitag s256等；配備4000mAh可充電鋰聚合物電池，正常工作8h以上，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)達(dá)200h。

1.2.3 手持采集終端

是架起信息化、自動(dòng)化管理平臺(tái)與奶牛個(gè)體之間的橋梁，具有奶牛耳號(hào)、欄位號(hào)等數(shù)據(jù)的顯示、錄入和存儲(chǔ)以及識(shí)別條形碼的功能。內(nèi)置Android5.0以上操作系統(tǒng)、Qualcomm 8909 1.2G雙核CPU、8GB ROM及1GB RAM的存儲(chǔ)空間，并配置7寸高清LCD電容式觸摸屏，分辨率為1024×600，攝像頭為800/1300萬像素，可支持北斗和GPS定位，精度在10m以內(nèi)。

1.2.4 條形碼標(biāo)簽及條形碼打印機(jī)

條形碼標(biāo)簽用白色PET防水不干膠標(biāo)簽紙制成，具有防水、防油、不可撕破、耐高溫、耐刮擦的特點(diǎn)，尺寸可根據(jù)采樣瓶大小進(jìn)行調(diào)整，主要功能是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空白標(biāo)簽。條形碼打印機(jī)尺寸為297mm×226mm×177mm，重量2.5kg，最大介質(zhì)直徑為127mm，介質(zhì)芯尺寸25mm×38mm，寬度為25～110mm，打印分辨率203dpi，為標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備接口和USB主機(jī)接口，碳帶選用全樹脂基碳帶。

1.2.5 條形碼掃描器

為實(shí)驗(yàn)室配制，與檢測(cè)儀器相兼容，主要用于測(cè)樣時(shí)快速讀取采樣瓶上的條形碼數(shù)據(jù)。尺寸為16.3cm×9.1cm×4.1cm，重量145g，影像感應(yīng)器為Wide VGA 752×480 pixels，分辨率為0.102mm/4mils。

1.2.6 本地服務(wù)器和計(jì)算機(jī)

牛場(chǎng)配置電腦一臺(tái)，主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，如采樣數(shù)據(jù)備份、存儲(chǔ)和上傳等。硬件要求CPU 2G以上，內(nèi)存1G，運(yùn)行環(huán)境為Windows XP或以上，后臺(tái)安裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server。

1.3 采樣流程

1.3.1 采樣前準(zhǔn)備

所有牛只尤其是泌乳牛只安裝電子耳標(biāo)；清點(diǎn)所需的貼有條形碼的采樣瓶數(shù)量，數(shù)量與采樣牛只相應(yīng)；檢查RFID電子耳標(biāo)識(shí)別器、手持采集終端、本地服務(wù)器的運(yùn)行及通訊情況，安裝奶樣取樣器。

1.3.2 采樣

奶牛進(jìn)入擠奶廳后，采樣員使用電子耳標(biāo)識(shí)別器按欄位順序依次識(shí)別牛只耳號(hào)，并將識(shí)別的牛號(hào)傳至手持采集終端；牛號(hào)識(shí)別結(jié)束后，利用手持采集終端按順序掃描采樣瓶條形碼，每批次掃描完成后將牛只耳號(hào)及條形碼數(shù)據(jù)一并上傳至本地服務(wù)器；按規(guī)范采集奶樣，每頭牛奶量不少于40mL，充分混勻，確保防腐劑完全溶解；采樣時(shí)注意保持奶樣的清潔，奶樣采集結(jié)束，裝箱后送至DHI測(cè)定中心；資料員統(tǒng)計(jì)牛群檔案信息，包括牛號(hào)、出生日期、父母號(hào)、產(chǎn)犢日期、產(chǎn)奶量等，通過e-mail發(fā)送至DHI測(cè)定中心。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)與報(bào)告制作

奶樣到達(dá)DHI測(cè)定中心后，樣品檢測(cè)組檢查奶樣完整情況，利用乳成分測(cè)定儀器進(jìn)行樣品檢測(cè)，條形碼掃描器直接識(shí)別奶樣瓶上的條形碼數(shù)據(jù)并自動(dòng)記錄條形碼信息；奶樣檢測(cè)結(jié)束，數(shù)據(jù)處理組將乳成分、條形碼及牛群檔案信息進(jìn)行整理，制作DHI報(bào)告，報(bào)告完成后返給牛場(chǎng)，技術(shù)服務(wù)人員幫助牛場(chǎng)進(jìn)行DHI數(shù)據(jù)分析。

DHI信息化采樣流程見圖2。

圖2 DHI信息化采樣流程

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)在使用過程中，表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：①牛號(hào)獲取自動(dòng)化，不用人工記錄，提高了牛號(hào)獲取的速度和準(zhǔn)確度；②采樣流程規(guī)范化，通過系統(tǒng)將牛號(hào)與欄位號(hào)、欄位號(hào)與采樣瓶條形碼進(jìn)行對(duì)應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)牛號(hào)與采樣瓶條形碼的一一對(duì)應(yīng)，保證樣品不會(huì)“張冠李戴”，每份奶樣采集后，樣品瓶可隨意擺放；③帶有條形碼的采樣瓶可重復(fù)使用，節(jié)省了制作和重復(fù)粘貼空白標(biāo)簽的人力、物力和時(shí)間；④網(wǎng)絡(luò)化、信息化采樣有效地保護(hù)了樣品數(shù)據(jù)，減少了奶樣數(shù)據(jù)的人為丟失；⑤方便了歷次采樣數(shù)據(jù)的集中管理；⑥樣品檢測(cè)不受擺放順序的限制，提高了檢測(cè)的自由度。

1.5 誤差處理

利用RFID電子耳標(biāo)識(shí)別器識(shí)別電子耳標(biāo)，理論上可以達(dá)到100%準(zhǔn)確率，但奶牛電子耳標(biāo)偶有脫落的情況發(fā)生，或部分奶牛在識(shí)別掃描時(shí)頭部擺動(dòng)劇烈，使得電子耳標(biāo)較難識(shí)別。為避免識(shí)別誤差的發(fā)生，可用如下方案處理：①手持采集終端，手動(dòng)錄入未識(shí)別到的電子耳標(biāo)，此時(shí)識(shí)別器能自動(dòng)判斷手動(dòng)錄入耳號(hào)的準(zhǔn)確性；②牧場(chǎng)及時(shí)補(bǔ)打脫落的電子耳標(biāo)，減少手動(dòng)錄入牛號(hào)的情況，提高識(shí)別速度，減少人為誤差；③識(shí)別器內(nèi)部設(shè)定好每批次擠奶的奶牛頭數(shù)，當(dāng)識(shí)別總數(shù)不夠時(shí)，識(shí)別器會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)聲，提示采樣員重新檢查，補(bǔ)充漏掃的牛只。

2 應(yīng)用前景

DHI早已成為奶業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)代化綜合管理的代名詞，作為主流的生產(chǎn)性能測(cè)定手段被廣泛應(yīng)用，我國(guó)應(yīng)以DHI大數(shù)據(jù)統(tǒng)領(lǐng)奶業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展，將其作為重大民生工程列入國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略[4]。雖然我國(guó)奶牛DHI參測(cè)率仍很低，但這也反映出DHI技術(shù)還有廣闊的推行空間，DHI采樣信息化系統(tǒng)會(huì)有很好的應(yīng)用前景。主要表現(xiàn)在：①奶牛場(chǎng)對(duì)DHI重要性的認(rèn)識(shí)及參測(cè)積極性提高，加之中央財(cái)政持續(xù)進(jìn)行專項(xiàng)資金支持，將會(huì)有更多奶牛場(chǎng)主動(dòng)參加DHI工作；②牛場(chǎng)規(guī)模化、規(guī)范化程度逐步提高，基于應(yīng)用電子耳標(biāo)、計(jì)步器識(shí)別的各類信息化服務(wù)軟件進(jìn)行牛群管理的牛場(chǎng)越來越多，這為DHI采樣信息化系統(tǒng)在奶牛場(chǎng)的推廣提供了重要基礎(chǔ)；③由于奶牛場(chǎng)技術(shù)人才水平的提高，對(duì)智能化、信息化采樣的需求增大；④未來DHI可能作為第三方實(shí)驗(yàn)室，檢測(cè)結(jié)果成為原料乳按質(zhì)定價(jià)的重要依據(jù)，因此DHI數(shù)據(jù)的可靠性顯得尤為重要，而信息化采樣系統(tǒng)減少了人為操作的誤差，從源頭上保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 討論

DHI工作是涉及行政主管部門、DHI測(cè)定中心、奶牛場(chǎng)等各單位的一項(xiàng)過程繁瑣而效果顯著的系統(tǒng)性工作。對(duì)于采樣環(huán)節(jié)監(jiān)管起來較難，易受牧場(chǎng)管理者積極性、采樣員責(zé)任心、奶廳環(huán)境等主觀和客觀因素的影響，又因其范圍的局限性，在技術(shù)上難有重大的、突破性的改進(jìn)。不過隨著DHI技術(shù)被越來越多的科技人員所認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了對(duì)DHI技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化的研究，如：利用SAS程序制作DHI報(bào)告[5]；將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與牛只標(biāo)識(shí)技術(shù)（二維碼與電子腿標(biāo)等）相結(jié)合的智能管理信息系統(tǒng)[6]的研究等。后者為解決采樣數(shù)據(jù)錄入提供了很好的思路，但研究是將牛號(hào)編成二維碼標(biāo)識(shí)系于牛后腳踝上進(jìn)行掃碼采樣，識(shí)別極易受奶牛肢蹄衛(wèi)生的影響。還出現(xiàn)了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下奶牛DHI數(shù)據(jù)互通互聯(lián)的DHI系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]，但其主要意圖是拓展DHI測(cè)定中心的業(yè)務(wù)范圍，而針對(duì)Android智能手機(jī)如何在牧場(chǎng)客戶端進(jìn)行采樣應(yīng)用，并沒有成功的技術(shù)設(shè)計(jì)。參加DHI測(cè)定的奶牛場(chǎng)無論規(guī)模大小，若人工采樣操作，需要手動(dòng)進(jìn)行耳號(hào)記錄、奶樣采集、奶樣擺放等操作，中間不免容易發(fā)生人為操作失誤的情況，而DHI采樣信息化系統(tǒng)，深入優(yōu)化了奶牛生產(chǎn)性能測(cè)定中關(guān)鍵的采樣環(huán)節(jié)，降低了奶樣采集的人為失誤和不確定性，提升了DHI的工作效率。今后隨著萬頭存欄規(guī)模的牧場(chǎng)開始參加DHI工作，信息化采樣的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。