淺談奶牛智慧牧場信息化技術應用與系統設計
——以科湃騰智慧牧場管理信息系統為例

王建輝 王冰清 何慶玲 李濤 王慧 李莉 朱紅賓 蔡亞非

（1，江蘇省睢寧縣畜牧獸醫技術指導站 221200；2，南京農業大學動物科技學院 210095；3，上?？婆闰v信息科技有限公司 200436）

上世紀80 年代以來，隨著社會發展和城鎮化，我國奶業發生了翻天覆地的變化，規模化、標準化、機械化、組織化水平大幅提升，已是健康中國、強壯民族不可或缺的產業，是食品安全的代表性產業，是農業現代化的標志性產業和一二三產業協調發展的戰略性產業[1，2]。但隨著現代智慧信息化技術快速發展，信息化技術在牧場運營過程中逐漸展露優勢，并被廣泛應用。

1 發展狀況

智慧農業正處于市場教育及技術攻堅階段，各項運用目前還是一片藍海。隨著牧場規模化、集約化發展，對管理人員和技術人員提出了新的要求，需要同時管理的牛頭數大大增加。因此，智能化、數字化養殖是牧場未來發展的主要目標之一，簡練而明細的數字化管理工具可以給牧場的決策提供理論支持，避免牧場走彎路，加速傳統牧業的轉型與升級。這些管理工具在奶牛養殖發達國家如美國、以色列等早已應用，并成為其單產提高的主要因素之一。當前我國很多牧場都開始逐步進行牧場的信息化升級，但在實際使用過程中，很多功能應用并沒有發揮應有的作用，存在諸多弊端。

1.1 各個信息化系統無法完美兼容，導致數據孤島

一座現代化管理的牧場使用的信息化系統非常繁雜，系統種類及本身的易用性參差不齊。既會有如博美特、GEA 等國外的管理軟件，也會有國內的管理系統。由于缺乏必要的手段，導致牧場管理環節中各個數據無法匯總統一，形成數據孤島，對牧場管理與決策帶來影響。

1.2 數據采集來源不精準，造成數據誤差

牧場使用了先進的信息化軟件進行牛群管理、奶臺管理，但發現并沒有帶來明顯的管理效果。采用人工錄入、時段錄入等方式導致數據采集來源不精準，造成數據誤差，牧場無法準確捕獲到牧場的實時運營情況，無法通過數據對牧場每個環節每個時間的情況進行監控和分析，進而有可能導致決策失誤或管理疏漏。

1.3 人員考核困難，人工成本增加

現如今，牧場在人員管理方面依然面對著人員考核問題和人員流動問題。在牧場生產過程中，仍然缺乏對一線操作員工的考核。由于相關數據在底層難以對員工進行有效考核。尤其是在牧場TMR 環節中，TMR 相關設備的操作人員流動性較大，新員工操作上手慢，無法快速滿足牧場上料需求，不僅嚴重影響配方的準確執行，而且導致牧場人工成本增加。

1.4 飼喂過程損耗大，飼料成本居高不下

飼料成本約占生產總成本的70%，其中剩料過多、飼料加工浪費現象普遍而嚴重，牧場無法做好對剩料和加工過程的有效監管。

2 市場需求分析

2.1 國內外競爭

國外發達國家（以色列和美國）把奶牛養殖產業的發展水平作為現代農業特別是畜牧業發展水平的重要標志[3-6]。物聯網技術已在國外奶牛養殖中得到大量應用，大大提高了奶牛養殖的精準化、信息化水平，使奶牛養殖產業產生了質的飛越[7]。物聯網技術在奶牛養殖方面的研究與應用在我國起步較晚。國內的研究主要集中在奶牛場生產環境監測、奶牛生理監測、奶牛精細飼喂、溯源信息采集4 個方面[8]。目前，本課題組研制的一些相關設備及系統已開始在一些奶牛養殖示范基地運用。

2.2 產業化前景

隨著國民經濟的發展和人民生活水平不斷提高，乳制品逐漸成為廣大民眾日常飲食的主要食品之一。由于乳品本身的特性，產品品質容易出現問題，我國食品安全問題特別是不斷發生的乳品安全事件嚴重影響消費者的健康，危及行業的穩定發展。為挽回消費者對奶產品的消費信心，促進乳品生產企業持續健康發展，增強監管部門對乳制品生產的有力監督，迫切需要建立原料奶生產環節的信息可追溯、風險可評估的追溯與預警系統，實現對奶牛養殖安全風險的可預測、可控制，全面降低乳業安全風險。因此，本設計不僅可以本次課題內部應用，還可示范推廣到整個乳業，具有廣泛的應用前景和市場需求。

3 總體架構和設計本系統按功能模塊

3.1 感知層

主要功能是采集牧場環境及牲畜相關數據，感知層主要的硬件組成部分為不同功能的智能傳感器和NB-IoT 模塊。運行原理為通過智能傳感器采集環境及牲畜相關數據，數據采集完成后通過RS485 總線傳輸到NB-IoT 模塊，或者通過4G/5G 的移動網絡直接進行數據上傳。

3.2 網絡層

網絡層主要分為兩部分，NB-IoT 網絡和Internet 網絡組成。NB-IoT 模塊通過NB-IoT 網絡將相關數據傳輸至Internet網絡，通過Internet 網絡完成現場及平臺層的數據交互。

3.3 平臺層

平臺層主要進行數據的收集分析，為應用層提供需要的數據。后臺服務器通過Internet 網絡接收現場采集上傳的數據，按照特定的規則進行數據清洗，存儲及分析。

3.4 應用層

應用層是用戶和系統的交互層。用戶在應用層可以通過Internet 網絡訪問用戶終端系統，根據管理員設定好的權限正常使用系統。

4 當前行業內管理系統不足

4.1 全鏈數據無法統一收集，匯總分析

一座現代化管理的牧場使用的信息化系統非常繁雜，必然會在牧場內部形成多個數據孤島，目前現有行業內的管理系統無法匯聚多端數據，只能通過手工錄入的方式進行數據采集，無論數據的準確性還是時效性都存在問題，嚴重影響牧場管理效率。

4.2 系統靈活性差，不能自由匹配復雜的牧場現狀

目前現有的管理系統靈活性和拓展性不足，系統內置了固定的管理流程，無法進行調整。但牧場實際需求不同，會產生多樣化的業務流程，無法和系統進行緊密結合，導致牧場無法在管理上進行深入細化，只能使用基礎的功能，無法使用系統提供的業務進階功能。

4.3 數據管理混亂，缺少層層鉆取，問題無法溯源

現有行業內的管理系統中數據管理混亂，基本上只做到基礎數據的圖表展現。沒有進行數據關聯性分析，無法進行數據層層下鉆，導致在牧場生產出現問題時，管理層無法從海量數據中快速定位問題，也無法進行問題的精準溯源，找不到問題的根本原因，治標不治本。

5 系統改進點

5.1 即插即用，兼容性高

可以和國內外主要的奶廳軟件系統、TMRWatch 系統、奶牛個體識別系統、牧場環境監測系統等牧場常用信息系統進行無縫集成，如科湃騰、利拉伐、GEA、博美特、阿菲金等，解決牧場數據分散，孤島問題。

5.2 系統參數可配置，使用靈活

有效的通過軟件指導實際生產，如在軟件里設定好PG、GnRH 等同期程序，系統將在軟件上實時提醒繁殖人員，繁殖人員做好業務后在手機上確認，即保存好數據。

5.3 多樣化的數據錄入手段

為了增強數據的準確性、及時性，系統支持多種數據采集方式，包括操作員錄入，手機App 錄入，設備自動采集，Excel導入等方式，充分滿足牧場的實際生產管理需要，無縫匹配不同牧場的業務現狀，減少上手難度。

5.4 功能模塊化設計，嚴密的數據權限分割

系統按照牧場的實際生產需求分成牛群管理、繁殖管理、產奶管理、犢牛管理、獸醫保健、飼喂管理、系統管理等近10個模塊，可以覆蓋目前絕大部分牧場的業務需求，功能設計合理且充分。同時為了保證系統的數據安全，通過用戶，角色的關聯設置了嚴密的數據權限，確保每個用戶能且僅能看到自己負責模塊的業務數據。

5.5 管理透明化、可視化，精準KPI 考核

通過設備互聯、系統互通，實現牧場管理過程透明化、質量管控數字化、成本控制精細化。隨著管理的不斷細化，可以對牧場生產工作進行360 度的KPI 考核，通過多層級的核心指標評估，每位工作人員的績效數據一目了然，從根本上幫助牧場降本增效，推動行業整體升級。

5.6 嚴格控制3 個配方的統一

實現3 個配方統一，準確監控飼喂的整個過程。通過系統監控大屏，所有牛舍所需飼料一目了然；同時，采用精確的數據自動采集技術，記錄每一步投料發料操作，為牧場考核提供清晰的考核依據。

5.7 提升流程效率，降低運營費用

牧場管理流程規范化、系統化，作業驅動模式：自動待辦→自動預警→事件錄入→自動分析。能依據計劃自動分配任務，并監控整個任務進程，可以精確到每天；通過App 推送工單進行遠程管理及考核，并以信息推送提醒的形式對員工單位時間的工作進行提醒和監管，保障任務實施。

5.8 友好的用戶界面和交互方式

結合奶牛行業多年的信息化經驗，提供符合牧場用戶習慣的界面及交互方式。便捷、靈活的報表查詢，除了內置的近百種圖表外，所有的用戶可以自定義想要的統計圖表，系統強大的檢索與查詢功能可以讓用戶隨時隨地對牧場的運營情況了如指掌。

6 系統設計優勢

6.1 軟硬件一體化解決方案，加速數字化進程

把信息化技術引進到生產管理過程中，采用與牛只生長、繁育密切相關的計步器、奶臺、溫濕度傳感器、TMR 車等設備，利用傳感器、無線通信、大數據、云計算、物聯網、人工智能等技術進行數據收集并分析。24h 全天候對牛只進行各項關鍵數據的監測統計，包括運動數據、環境數據、產奶數據等。通過數據采集程序將數據實時傳輸到智能信息化技術系統平臺上，進行可視化展示，從而可以遠程通過手機或電腦對牛只的生長情況進行實時跟蹤、發情監測，對牛群產量進行預測等。設備采用無線進行數據傳輸，施工靈活、快速、便捷，節省人員，提高效率。

6.2 跨系統海量數據關聯性分析，精準溯源

系統內匯聚了牧場生產涉及的所有數據，進行統一的數據處理后，對所有牧場相關數據進行數據分析，包括關聯性分析，讓牧場的沉默數據變現，一旦牧場生產質量出現問題時，可以快速定位問題，并且對問題相關數據進行層層追溯，做到精準溯源，提高牧場問題處理效率。

6.3 云、物聯網、大數據等最新IT 技術的深度使用

通過數據上云的方式，使參與牧場的管理人員能實時掌握牧場狀況，實現互聯互通，提升數據準確度與及時性；通過利用新技術（物聯網、人工智能等）、新理念降低牛只死亡率，提升產品質量，降低成本，提升管理效率，實現更加精細化的智慧養殖?；跈C器學習等技術，發揮數據的深度價值，加速牧場沉睡數據的變現。如利用機器學習的算法構建牛群預測、奶量預測，對未來牧場情況進行洞察。

6.4 全模塊全鏈條信息化綜合管理平臺

從牛只在牧場內的全部考察維度，覆蓋牧場的業務執行，實現信息化，全方位、立體化數據分析能力；對接第三方系統，打破信息孤島，實現數據互聯互通；牧場財務結算逐步落地，助力牧場建立財務經營理念。

6.5 集成產業鏈上下游多方資源，打造智慧牧業生態圈

保持高擴展性，高兼容性，提供標準API 接口的方式和第三方進行集成，如集成國家相關監管平臺，配合牧業相關法律法規的要求；如集成中國牧業權威網站，實時獲取最新的行業信息，給牧場運營提供數據支撐。

7 未來發展方向

目前本系統已滿足行業用戶對牧場精準管理，全范圍功能覆蓋的需求，在可視化及流程化層面可以達到非常好的效果，可以提高牧場管理效率，幫助牧場降本增效。

系統未來的發展方向分為橫向和縱向，橫向是擴展更多特色功能，縱向是不斷提高系統的功能深度。

橫向是在覆蓋牧場牛只相關管理功能后，去擴展其他更多維度的功能，盡可能覆蓋牧場及牧業集團的全部業務模塊，軟件功能上包括從入庫到出庫的庫存管理，和財務系統結合進行成本核算，系統內部功能的審計模塊等，硬件上也需要不斷增加對更多品牌的擠奶機、計步器、噴淋設備等牧場生產設備的支持。

縱向是在滿足牧場日常生產管理需求的基礎上，在自動化和智能化上進行進一步迭代升級，如目前系統中已有了工作計劃安排的功能，接下來可以通過歷史數據的挖掘和機器學習算法的支持，自動生成牧場工作計劃；如通過生產數據的不斷積累，不斷優化機器學習算法，提高發情預測、奶量預測、疾病預測等功能的準確率。

最終目標是將本系統打造成牧場的核心信息系統，管理所有牧場涉及的數據，對接牧場全部的軟硬件系統，覆蓋所有的業務功能，成為牧場智能化改革的推動力，加速牧場的數字化升級。

8 小結

本文基于借助物聯網、信息化手段，對牧場及奶牛遠程監測系統的設計進行了有益的探索，進一步整合了牧場各種設備與軟件的信息，進行智能分析與決策，從而實現牧場生產動態、經營動態、疫病防控、免疫檔案、奶源追溯等方面的數字化管理，幫助牧場管理方隨時隨地通過PC 及手機端訪問，遠距離獲取相關牧場信息，為構建奶業提質增效、轉型升級的發展新模式，健全優質、安全、高效、綠色乳業產業鏈，全面提升奶業綜合競爭力創造了條件，促進畜牧業更科學地持續發展，是牧場管理發展過程中的一次質變，加速傳統牧業向智慧牧業的轉型和升級。

（1）本設計解決奶牛生理信息采集系統模塊單一，產品兼容性差的問題。目前，國內奶牛智慧化調控集成技術研究和應用處于初級階段，奶?，F代化精準養殖領域大多數集中在單一檢測數據的采集分析，尚缺少各項數據集成分析系統。本研究是一項集成技術，在國內處于領先水平。本研究建立智慧養殖管理系統，通過信息化手段統一智能養殖管理路徑，并在繁殖育種、后備牛養殖、成母牛生理信息采集與分析（泌乳，發情）；犢牛、青年牛生理信息采集與分析環節通過系統和工業移動終端，進行現場生產數據操作，實現移動化、智能化的目的。

（2）本設計解決奶牛TMR 信息系統適用性問題。目前，國內TMR 配方設計系統大多針對成母牛尤其是泌乳牛，缺乏對犢牛及青年牛的TMR 設計。本系統針對奶牛各個時期營養需要及其生長指標分別設計TMR 配方，解決奶牛TMR 信息系統適用性問題。