商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺設計與關鍵技術

摘要：針對當前中國肉牛繁育管理水平和信息化智能化水平不高等問題，本研究借鑒國際先進肉牛養(yǎng)殖國家的經(jīng)驗，建立了適合中國的商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺。該平臺主要完成肉牛種質(zhì)信息資源的整合，在線自動測定肉牛關鍵繁育性狀，全程服務支撐肉牛繁育過程，形成肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)分析決策，并實現(xiàn)肉牛聯(lián)合育種創(chuàng)新模式。本文詳細介紹了商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)軟件平臺開發(fā)思路，包括數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)、軟件平臺前端開發(fā)技術和后端開發(fā)技術等，并總結(jié)了該平臺的關鍵技術創(chuàng)新和模式創(chuàng)新內(nèi)容，包括肉牛種質(zhì)資源與良種管理系譜深度挖掘技術，非接觸式繁育性狀自動獲取評價技術，以及多源異構(gòu)信息融合提供智能決策支持等，為中國肉牛種業(yè)發(fā)展提供可持續(xù)發(fā)展的信息化解決方案，以促進肉牛育種整體水平的提高。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)平臺;信息資源整合;大數(shù)據(jù)分析決策;性狀在線測定;聯(lián)合育種

中圖分類號：F326.3;TP31""""" 文獻標志碼：A"""""""" 文章編號：SA202203005

引用格式：馬為紅， 李嘉位， WANG Zhiquan， 高榮華， 丁露雨， 于沁楊， 余禮根， 賴成榮， 李奇峰.商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺設計與關鍵技術[J].智慧農(nóng)業(yè)（中英文）， 2022， 4（2）：99-109.

MA Weihong， LI Jiawei， WANG Zhiquan， GAO Ronghua， DING Luyu， YU Qinyang， YU Ligen， LAI Chengrong， LI Qifeng. Design and key technologies of big data platform for commercial beef cattle breeding[J]. Smart Agricul‐ ture， 2022， 4（2）：99-109.（in Chinese with English abstract）

1引言

肉牛是畜牧業(yè)的重要產(chǎn)品，良種是肉牛發(fā)展的先決條件和物質(zhì)基礎[1]。《農(nóng)業(yè)部關于促進現(xiàn)代畜禽種業(yè)發(fā)展的意見》（農(nóng)牧發(fā)〔2016〕10號）指出，“全面實施遺傳改良計劃，提升自主育種創(chuàng)新能力，強化科技支撐，形成科技支撐合力，開展聯(lián)合攻關，研發(fā)一批先進實用技術，指導企業(yè)制定完善育種方案，開展經(jīng)常性技術服務，提高畜禽企業(yè)良種繁育技術水平”。《全國肉牛遺傳改良計劃（2021-2025年）》（簡稱《計劃》）指出，“到2025年培育5～8個肉牛新品種，品種登記覆蓋到主要品種實現(xiàn)全部肉牛種公牛的生產(chǎn)性能測定和遺傳評估，肉牛屠宰胴體重提高15%～20%，奠定肉牛業(yè)發(fā)展的優(yōu)良種源基礎”。《計劃》中明確指出建立高效智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，育種信息采集覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈。

在肉牛養(yǎng)殖先進國家，基因組選育技術已廣泛應用于實際生產(chǎn)[2]，并配備全國牛只檔案管理系統(tǒng)，每頭牛都有唯一編號，系統(tǒng)里包括系譜、免疫、交易等情況[3]，普遍利用計算機管理，根據(jù)不同養(yǎng)殖階段進行飼料配置，提高生產(chǎn)效率。加拿大阿爾伯塔大學針對種群優(yōu)化和基因組選育、肉牛繁育數(shù)據(jù)庫建設與應用研究，專注于家畜應用基因組學和育種改良，主導了許多代表性的科研項目，相關研究經(jīng)費總共超過3億元人民幣，并于2017年發(fā)布了第一個面向商業(yè)化肉牛產(chǎn)業(yè)的基因組工具，預訂測試超過1500例，與來自世界各地的研究機構(gòu)、家畜產(chǎn)業(yè)協(xié)會、政府機構(gòu)、相關領域公司進行過合作。美國硅谷農(nóng)業(yè)軟件公司（Valley Ag.software）針對追蹤牛只繁育、產(chǎn)量和健康狀況相關信息的算法機制研究，設計開發(fā)了包含牛只繁育管理在內(nèi)的“Dairy Comp 305”牧場管理軟件包[3]，是世界范圍內(nèi)應用最廣的牛場管理軟件，覆蓋了北美80%的牧場、大學和科研機構(gòu)。加拿大肉牛育種協(xié)會針對種牛登記管理和評估，建立了全國性種牛登記和評估系統(tǒng)和體系，覆蓋整個加拿大的肉牛繁育規(guī)劃。

中國肉牛繁育起步較晚，良種繁育體系相對滯后，尚未形成產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)模式。改革開放以來，中國肉牛業(yè)得到了快速發(fā)展，雖然現(xiàn)在已經(jīng)成為世界上第三大牛肉生產(chǎn)國[4]，但是仍處于肉牛行業(yè)的初級發(fā)展階段[5]，與肉牛養(yǎng)殖發(fā)達國家相比，存在一些突出問題：一是商業(yè)化生產(chǎn)過程中肉牛繁育思路不清晰、缺乏有效的規(guī)劃與指導，良種化程度和覆蓋率低[6];二是繁育過程中信息化程度低，數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和共享方式落后，遺傳改良連續(xù)性差，從而導致生產(chǎn)過程中不斷更換父本品種，造成種群遺傳背景混亂，生產(chǎn)性能停滯不前;三是自主繁育能力較弱，地方品種保護力度差、利用率低，品種性狀亟待提升與優(yōu)化以適應肉牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求;四是繁育育種個人主觀經(jīng)驗依賴度高，缺乏科學的智能化養(yǎng)殖裝備、智慧化生產(chǎn)設施，肉牛繁育缺乏系統(tǒng)性的指導工具和系統(tǒng)，亟需通過構(gòu)建國際合作優(yōu)勢互補和加強國內(nèi)自主繁育投入來提高國內(nèi)良種覆蓋率，建立普惠的肉牛繁育指導技術體系。另外，目前中國大量依賴進口牛肉和活牛等問題突出[7]，2002年進口量為1.1萬噸，2019年的進口量達到165.99萬噸。群體規(guī)模化養(yǎng)殖企業(yè)不多，大多以小牧民形式養(yǎng)殖，規(guī)模以1～9頭，10～49頭和50～99頭居多。繁殖效率不高，生長速度慢，遺傳改良連續(xù)性差，一些優(yōu)良地方品種資源流失等問題較為突出。圖1針對當前中國肉牛繁育養(yǎng)殖存在問題進行了總結(jié)，建立商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺[8-11]從而解決中國面臨的實際問題非常必要。

商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺建設的主要目的是優(yōu)化肉牛的遺傳改良進程和有序解決肉牛育種和繁育過程中存在的實際問題，提供省力、智能和科學的一體化解決方案。針對肉牛育種數(shù)據(jù)信息記錄不全和數(shù)據(jù)存在信息孤島等問題，建立肉牛種質(zhì)信息資源整合平臺，構(gòu)建不同良種肉牛種質(zhì)資源的信息庫;針對繁育性能評定標準模糊、主觀性較強的問題，實現(xiàn)肉牛繁育性狀科學的在線評定技術，實施非接觸式的自動化獲取與智能計算方法;針對養(yǎng)殖戶缺乏科學、系統(tǒng)的繁育規(guī)劃和指導的問題，進行肉牛繁育全程服務支撐系統(tǒng)研發(fā)，提供肉牛繁育過程保姆式繁育指導;針對肉牛種質(zhì)資源數(shù)據(jù)積累缺少有力管理手段的問題，建立肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)分析決策平臺，建立先進的數(shù)字化認知和綜合評判手段;針對育種主體與下游應用企業(yè)結(jié)合不夠緊密問題，探索區(qū)域聯(lián)合的創(chuàng)新性育種模式，實現(xiàn)育繁推一體化、區(qū)域育種合作化模式。

2平臺整體架構(gòu)

商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺的整體目的是實現(xiàn)肉牛繁育性能在線評定、種質(zhì)資源生產(chǎn)性能測定、遺傳價值評估、后裔測定、智慧選育，確定肉牛品種特征性狀及表達特征的度量與評價方法，實現(xiàn)肉牛科學選種和智慧選配，構(gòu)建資源共享、互聯(lián)互通和業(yè)務協(xié)同的區(qū)域性、全國性和國際化的聯(lián)合育種創(chuàng)新模式。平臺的主要用戶群體包括全國種公牛站、核心育種場、育肥養(yǎng)殖場、院校和科研機構(gòu)等，重點在肉牛種質(zhì)信息資源整合，肉牛繁育性狀在線評定，肉牛繁育全程服務支撐系統(tǒng)，肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)分析決策平臺等幾個內(nèi)容取得突破并提供商業(yè)化的育種服務。各內(nèi)容的邏輯關系如圖2所示。

3平臺主要功能

3.1肉牛種質(zhì)信息資源整合

肉牛種質(zhì)資源是肉牛良種繁育和遺傳改良的重要物質(zhì)基礎，針對目前國內(nèi)肉牛良種登記、選育和雜交改良計劃和方案等記錄不全、不清，無法有效地建立肉牛良種登記制度和相應的管理、運行體系等問題，建立肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)全方位信息資源整合和基本信息自動更新入庫，為肉牛種質(zhì)智慧選育提供數(shù)據(jù)資源。肉牛種質(zhì)信息資源整合主要實現(xiàn)以下功能，如圖3所示。

（1） 通過構(gòu)建不同良種肉牛種質(zhì)資源的信息庫，制定肉牛良種繁育、登記、管理體系，實現(xiàn)種牛品種、譜系、特性、繁育性能、生產(chǎn)性能測定、飼養(yǎng)管理、肉質(zhì)測定和市場營銷等全方位資源整合;通過分析肉牛種質(zhì)資源信息對象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式、基本字段名稱、語義模型等特點，構(gòu)建整合數(shù)據(jù)庫和信息庫。

（2） 通過肉牛種質(zhì)資源與良種管理系譜深度挖掘技術，實現(xiàn)免疫、繁育等基本信息自動更新入庫。利用數(shù)據(jù)倉儲技術、中間件技術、數(shù)據(jù)挖掘技術[12]等信息整合實現(xiàn)技術，對位于不同領域、不同系統(tǒng)平臺、不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的種質(zhì)資源信息進行關聯(lián)分析、聚類分析、分類分析、異常分析、特異群組分析和演變分析等深層次的數(shù)據(jù)分析信息整合。

（3） 通過肉牛良種繁育、雜交改良信息資源封裝技術，實現(xiàn)多元化、個性化的繁育方案一站式訪問。基于 ActiveX數(shù)據(jù)對象、Visual Basic宏語言[12]等的肉牛信息自動提取入庫技術與肉牛良種繁育、雜交改良等應用場景中信息資源的封裝格式和封裝策略，實現(xiàn)多元化、個性化的繁育方案一站式訪問，打通不同信息獲取的設備、渠道間數(shù)據(jù)共享障礙，從數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)歸集和數(shù)據(jù)使用三個層面，研究現(xiàn)代肉牛繁育數(shù)據(jù)共享運行模式。

肉牛種質(zhì)資源數(shù)據(jù)平臺主要內(nèi)容涵蓋肉牛基本信息、種母牛數(shù)據(jù)信息、種公牛數(shù)據(jù)信息、商品牛數(shù)據(jù)信息等，功能組成如圖4所示。

3.2肉牛繁育性狀自動在線測定

目前中國肉牛改良水平較低的一個關鍵原因是缺乏準確的生產(chǎn)和繁殖性能測定數(shù)據(jù)，從而失去遺傳改良的依據(jù)。肉牛育種的性能測定是育種中成本較高的工作，如何科學、客觀、準確、快速、低成本地獲得繁育性狀表型基礎數(shù)據(jù)，比如體尺、日增重、飼料轉(zhuǎn)化率和繁殖數(shù)據(jù)等，是中國肉牛遺傳改良的關鍵。

針對目前商業(yè)化生產(chǎn)過程中繁育性能評定標準模糊、育種評定結(jié)果主觀性較強等問題，開展了以下內(nèi)容的研究。

（1） 建立了不同品種肉牛一般外貌、肉用特征、生產(chǎn)性狀特征和肢蹄等評定量化標準，確定了表達品種特征性狀的線性度量與評價方法，實現(xiàn)繁育性狀個性化評價。針對肉牛繁育性狀相關的肉牛體型體況參數(shù)自動化獲取與在線綜合評定問題，制定了肉牛評定量化標準，明確細化定量化肉牛繁育性狀指標體系，并研究了定量化指標與傳統(tǒng)的定性評價之間的層次對應關系。

（2） 研究了肉牛體型參數(shù)計算機視覺監(jiān)測技術，根據(jù)體高、體斜長、管圍、胸圍、腹圍和體重等特征值，實現(xiàn)非接觸式高通量的繁育性狀自動在線評定。如基于機器視覺的肉牛體型參數(shù)的自動測量方法、基于多角度圖像的肉牛體表三維重構(gòu)、基于深度傳感器的肉牛體表三維模型重構(gòu)、基于多角度圖像的數(shù)據(jù)融合與處理、基于肉牛體表三維模型的體況參數(shù)提取與計算、基于動態(tài)圖像序列的肉牛運動特征提取等方法，實現(xiàn)肉牛體尺體重等特征參數(shù)的獲取[13， 14-16]。

（3） 集成計算機視覺、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術[17]，結(jié)合肉牛的自然生長特性和傳統(tǒng)的肉牛繁育性狀評價方法，開發(fā)了肉牛繁育性狀在線測定技術方法體系，建設了肉牛繁育性狀數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)肉牛繁育性狀相關的體型體況參數(shù)自動化獲取與智能分析，以減少人為測量費事費力的問題。肉牛體貌和體況自動采集流程如圖5所示。

（4） 構(gòu)建了肉牛繁育性狀評價模型，開發(fā)了基于移動設備的肉牛繁育性狀在線評定系統(tǒng)平臺，統(tǒng)一數(shù)據(jù)規(guī)范，提升肉牛良種選育的效果。研究了肉牛繁育性狀數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與肉牛繁育性狀

數(shù)據(jù)庫分布式布局、數(shù)據(jù)安全機制和大規(guī)模并發(fā)訪問機制;基于大數(shù)據(jù)和人工智能的肉牛繁育性狀海量數(shù)據(jù)分析和特征提取方法，明確肉牛體高、體直長、管圍、胸圍和腹圍等特征參數(shù)對肉牛繁育性狀評價結(jié)果的影響程度與權重。肉牛繁育性狀在線評定平臺示意圖如圖6所示。

3.3肉牛繁育全程服務支撐

針對肉牛繁育技術推廣服務體系不健全，圍繞肉牛良種擴繁、種質(zhì)資源保護、品種改良、疫病防治、飼料配制和生態(tài)養(yǎng)殖等關鍵技術，實現(xiàn)肉牛繁育全程服務支撐。

（1） 整合不同良種肉牛繁育方法、不同配種方案、繁育性能測定、疫病凈化等圖像與視頻資源，通過分類索引，實現(xiàn)肉牛繁育知識的在線培訓，提高配種人員的繁育技能。

（2） 開發(fā)了掌上繁育 APP ，根據(jù)種牛品種與養(yǎng)殖習性，提供圖形化保姆式一對一配種指導功能，指導一線配種人員科學、有規(guī)劃地開展繁育工作。通過對核心育種場、種公牛站、育種繁育戶需求調(diào)研，針對當前肉牛繁殖的現(xiàn)狀，結(jié)合其余肉牛繁育研究成果實現(xiàn)肉牛信息發(fā)布、肉牛智慧繁育助手平臺和肉牛養(yǎng)殖繁育的知識庫服務。肉牛繁育全程服務支撐系統(tǒng)掌上 APP開發(fā)技術流程如圖7所示。

肉牛繁育全程服務支撐系統(tǒng)如圖8所示，服務云平臺在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)肉牛繁育的服務功能;服務客戶端采用微信小程序的形式，向用戶提供肉牛繁育相關的服務;管理客戶端提供后臺管理功能。

在肉牛繁育全程服務支撐系統(tǒng)研發(fā)方面，通過信息資源整合機制定向在線抓取網(wǎng)絡視頻資源，實現(xiàn)肉牛繁育過程的海量數(shù)據(jù)存儲和視頻源的監(jiān)控與更新等內(nèi)容;建立肉牛繁育圖視資源的關系型數(shù)據(jù)庫，通過爬蟲技術爬取網(wǎng)絡資源將網(wǎng)絡視頻信息，包括檢索字信息、URL信息存入數(shù)據(jù)庫;根據(jù)用戶索引習慣精準推送相關類型在線肉牛繁育學習資源，并使用數(shù)據(jù)索引技術快速自動索引個性化知識推送，提供保姆式在線繁育指導。

3.4肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)分析決策平臺

按照“平臺上移，服務下延”的原則[18]，從繁育性狀感知測定、感知數(shù)據(jù)云存儲、應用資源池構(gòu)建及服務定制、分析決策與智能控制等層面構(gòu)建肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)云平臺，重點挖掘肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)蘊含的豐富信息和潛在知識，研究肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)遠程存儲與智能分析決策等方法。肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)分析決策平臺由存儲層、服務層、接入層和應用層組成，協(xié)同完成不同良種肉牛種牛的品種、譜系、特性等數(shù)據(jù)接入、存儲、分析、監(jiān)控、管理、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)服務發(fā)布，面向育種場、種公牛站和育種管理人員等提供遺傳價值評估、育種值估計和后裔性能預測等分析決策服務。具體功能如下。

（1） 生產(chǎn)性能測定：重點測定肉牛飼料報酬、日增重、體尺、眼肌面積、背膘厚和繁殖性狀等指標。

（2） 遺傳價值評估：根據(jù)種牛的體質(zhì)外貌特征、繁育性狀和系譜信息等，估測種牛的近似價值。

（3） 后裔測定：利用同期同齡比較法，根據(jù)種牛后代生產(chǎn)性能平均值判斷被測種牛生產(chǎn)性能。

（4） 基因組選擇：采用基因組選擇作為肉牛育種的主要手段，采用基因組遺傳評估加速肉牛選育速度和水平。

（5） 多組學信息收集：表達組、代謝組、蛋白組學信息的收集和采集為以后多組學融合提供決策依據(jù)。

（6） 智慧選育：根據(jù)肉牛選育方向，針對不同種公牛站、育種場、繁殖場智能生成科學選種和選配方案。

利用人工智能、機器學習等現(xiàn)代信息技術，融合生產(chǎn)性能測定、遺傳價值評估、后代生產(chǎn)性能測定等多源異構(gòu)信息資源，集成大數(shù)據(jù)處理與分析模型，挖掘肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)蘊含的豐富信息和潛在知識，研究基于大數(shù)據(jù)資源的肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)智能決策服務模型，形成以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的生態(tài)育種全新手段。肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)分析決策平臺架構(gòu)如圖9所示。

3.5肉牛聯(lián)合育種服務

針對當前國內(nèi)肉牛育種模式現(xiàn)狀，建立區(qū)域性和全國性的聯(lián)合服務平臺，依靠政府機構(gòu)和行業(yè)協(xié)會推進肉牛聯(lián)合育種推廣模式，學習借鑒國外先進育種推廣模式，建立以市場為導向，以大型企業(yè)為主題（包括核心育種站、種公牛站、能繁母牛場）開展產(chǎn)學研育種模式，加強科研單位與核心育種場合作，依托有實力的龍頭企業(yè)建立“育繁推一體化”的育種體系，打通產(chǎn)業(yè)鏈原有組織結(jié)構(gòu)瓶頸，形成資源共享的區(qū)域性聯(lián)合育種。

在創(chuàng)新性育種模式方面，針對產(chǎn)學研育種、聯(lián)合育種、縱向協(xié)作和良種擴散的典型育種模式，基于人才、市場、技術、種質(zhì)資源和資金等育種要素，通過比較分析國內(nèi)外現(xiàn)有肉牛良種繁育體系運行方式、模式特征和適用條件，探索出中國肉牛育種協(xié)同發(fā)展機制與技術創(chuàng)新融合模式。肉牛聯(lián)合育種模式框架如圖10所示。

4軟件平臺開發(fā)

4.1數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)

根據(jù)國際肉牛種質(zhì)資源的成熟經(jīng)驗結(jié)合國內(nèi)肉牛繁育現(xiàn)狀，構(gòu)建了肉牛種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫和肉牛繁育性狀數(shù)據(jù)庫。其中對肉牛種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫搭建了31個數(shù)據(jù)表，共390個數(shù)據(jù)字段;對肉牛繁育性狀數(shù)據(jù)庫搭建了12個數(shù)據(jù)表，共198個數(shù)據(jù)字段，分別定義了各個細分的字段名稱、字段英文和字段類型。

采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫進行肉牛信息的數(shù)據(jù)存儲。MySQL 數(shù)據(jù)庫對于不同的數(shù)據(jù)存儲都具備最優(yōu)的數(shù)據(jù)引擎進行數(shù)據(jù)存儲操作，面對肉牛繁育過程數(shù)以萬計的龐大數(shù)據(jù)量操作時，能夠快速、準確地完成相應的數(shù)據(jù)操作，因此，能夠滿足平臺一系列數(shù)據(jù)操作，高效且穩(wěn)定地維持系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)正常運行。在平臺開發(fā)過程中，搭配Redis數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)緩存[19]，最大程度地提高肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)的訪問使用效率。在后臺與數(shù)據(jù)庫建立正常穩(wěn)定的連接后，每次通過平臺查詢數(shù)據(jù)時，都會向數(shù)據(jù)庫發(fā)起請求，數(shù)據(jù)庫會將對應的數(shù)據(jù)返回給后端，這個過程中對每次查數(shù)據(jù)的請求會先訪問緩存數(shù)據(jù)庫，如果緩存數(shù)據(jù)庫有對應的數(shù)據(jù)，會將該數(shù)據(jù)返回給后端，如果沒有該數(shù)據(jù)，請求再訪問 MySQL 數(shù)據(jù)庫，并將 MySQL 數(shù)據(jù)庫查到的對應數(shù)據(jù)在緩存數(shù)據(jù)庫當中也保存一份，同時將該用戶請求的數(shù)據(jù)返回給后臺，后面相同請求到達時，不會頻繁訪問數(shù)據(jù)庫，節(jié)約系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)運行效率。商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)庫調(diào)用流程如圖11所示。

4.2平臺開發(fā)思路

該平臺在設計開發(fā)時考慮了三個角色，分別是總管理員、系統(tǒng)管理員和養(yǎng)殖場管理員，三個角色通過 Sureness權限控制技術，分別使用對應權限的界面。系統(tǒng)管理員的界面使用 Thyme‐ leaf [20] 和 Layui 以及 HTML 、CSS 等進行前端頁面的渲染和交互，主要是系統(tǒng)管理員對于系統(tǒng)的用戶角色以及資源等進行展示和操作。

總管理員在登錄系統(tǒng)后，所展示的都是系統(tǒng)當中所有養(yǎng)殖場數(shù)據(jù)的一個綜合展示與操作的系統(tǒng)。首頁主要對于系統(tǒng)當中的總養(yǎng)殖場數(shù)量以及各個養(yǎng)殖場的存欄數(shù)的一些信息采用 Layui的數(shù)據(jù)表格技術進行展示。除了首頁以外，整個系統(tǒng)當中對于種母牛、種公牛和商品牛的一些信息的表格展示方面均由該技術實現(xiàn)。當進入種母牛數(shù)據(jù)界面觸發(fā) Layui的交互技術，向后端對應的接口發(fā)送數(shù)據(jù)請求，后端在接到對應的請求信息后，通過 Mybatis-Plus和 Spring [21]等技術，拿到數(shù)據(jù)庫對應的數(shù)據(jù)進行篩選、封裝等操作，然后將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給前端。前端 Layui接到返回的數(shù)據(jù)后，將對應的數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)表格進行渲染，即可實現(xiàn)肉牛數(shù)據(jù)的信息展示。

對于系統(tǒng)當中的批量上傳功能，設計好批量上傳的文檔模板，將該模板存放在系統(tǒng)當中，用戶每次批量上傳數(shù)據(jù)之前，下載該模板，將所有需要上傳的數(shù)據(jù)按照模板規(guī)定的方式進行填報，最后選擇批量上傳。將這個文件發(fā)送給后臺對應的批量上傳處理接口，后端拿到批量上傳的文件后，使用 POI （Poor Obfuscation Implementation）技術，將批量文件當中的數(shù)據(jù)與實體類進行一一對應封裝，然后將封裝完成的實體類數(shù)據(jù)利用 Mybatis-Plus和 Spring等技術存入數(shù)據(jù)庫。

對于系統(tǒng)當中的肉牛檔案功能，設計好檔案展示的模板，查詢到檔案當中對應的信息，使用 POI技術，將數(shù)據(jù)和模板進行對應渲染，用實際數(shù)據(jù)取代模板當中的占位符，之后再將該文件使用 JODConverter 技術[22] 搭配 LibreOffice 軟件，實現(xiàn)檔案的 Word 、PDF等文件格式的輸出展示。

養(yǎng)殖場管理員角色除了以上技術以外，還有圖視化展示等功能，該模塊在請求后端得到對應的數(shù)據(jù)后，使用 ECharts 技術對返回的數(shù)據(jù)進行視圖渲染，整個系統(tǒng)運用了多項技術進行搭配開發(fā)實現(xiàn)不同的功能。商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)軟件平臺運行架構(gòu)主要由中央控制器、處理器映射器、處理器適配器和視圖解析器等組成，如圖12所示。

4.3軟件平臺前端開發(fā)技術

商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺在前端頁面開發(fā)時，在靜態(tài)頁面開發(fā)和渲染方面采用了 HTML、CSS以及 Layui和 Thymeleaf等框架。對于平臺和后端的數(shù)據(jù)交互方面，采用了 JavaScript 技術實現(xiàn)，在保證交互過程的高效率且安全、準確的同時，還具備操作簡單、輕量級、易于上手等優(yōu)點，能夠為平臺的運行使用提供可靠、穩(wěn)定的工作條件。

4.4后端開發(fā)技術

商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺后端采用 Java語言進行開發(fā)，同時，搭配 Spring boot框架作為核心架構(gòu)，采用 Sureness技術進行權限管理。Sure‐ness 技術在權限控制方面具備更加細化的優(yōu)點，在數(shù)據(jù)緩存上與 Redis進行配后使用，對于訪問量大且訪問效率高的功能，Redis 的緩存技術很大程度滿足了該平臺的需求。在與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互方面，采用了 Mybatis-Plus和 JPA （ Java Persis‐tence API ）技術，前者主要處理日常的功能交互數(shù)據(jù)，后者主要運用在權限控制相關的數(shù)據(jù)方面，對于肉牛性狀自動獲取設備等接口數(shù)據(jù)，采用了 Socket技術接收接口數(shù)據(jù)，解析以及響應數(shù)據(jù)的返回。同時，平臺還使用了 Docker 技術，實現(xiàn)了平臺的可移植性。

5關鍵技術和模式創(chuàng)新

商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺關鍵技術和模式的創(chuàng)新，主要包括以下內(nèi)容。

5.1肉牛種質(zhì)資源與良種管理系譜深度挖掘技術

針對不同品種的肉牛，基于多途徑收集在場肉牛的多維性狀數(shù)據(jù)與全產(chǎn)業(yè)鏈信息，搭建良種種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，整合種牛品種信息、祖代譜系、生長性能、飼養(yǎng)管理信息、肉質(zhì)測定結(jié)果和市場營銷數(shù)據(jù)等資源。并基于多維度全方位的肉牛種質(zhì)資源數(shù)據(jù)，針對特定品種肉牛譜系與個體信息進行定向抽取，實現(xiàn)肉牛繁育全過程的大數(shù)據(jù)云存儲、特定定時增量更新、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與標準化處理。進一步通過深度信息挖掘技術，對各類肉牛育種數(shù)據(jù)信息進行耦合關系分析與判斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化與隱式關聯(lián)模式開發(fā)，打通育種機構(gòu)、育肥牛場、種公牛站之間的數(shù)據(jù)孤島，構(gòu)建不同肉牛良種的系譜關系模型，完成種牛身份系譜自助追溯、資源目標快速定位，建成肉牛系譜大數(shù)據(jù)中心。

5.2非接觸式繁育性狀自動獲取評價技術

肉牛表型數(shù)據(jù)是肉牛種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫的關鍵組成部分，非接觸式肉牛性狀自動獲取與評價技術可以為肉牛表型數(shù)據(jù)的規(guī)范獲取提供重要支撐，并可以改變?nèi)馀Ｉa(chǎn)與育種的現(xiàn)有模式。基于激光與 TOF （Time of Flight）技術，在肉牛自由前行的瞬間采集其不同角度的深度圖像數(shù)據(jù)，研究復雜環(huán)境下多角度三維點云融合與肉牛目標提取方法，實現(xiàn)了活體肉牛點云的三維重建與虛擬復原。針對復原的肉牛三維點云，開發(fā)算法實現(xiàn)肉牛關鍵部分的自動定位與識別算法，有效提取種牛與后裔牛的關鍵部位外部表型特征，通過自動分析并提取其體況評價結(jié)果和關鍵體尺參數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)肉牛重要表型的自動獲取與評價。進一步建立相關特征與肉牛生產(chǎn)性能關系的探索，實現(xiàn)了評估性狀遺傳價值分析，為配種決策提供依據(jù)。

5.3多源異構(gòu)信息融合提供智能決策支持

整合肉牛表型生產(chǎn)性能測定結(jié)果、遺傳價值評估結(jié)果、后裔性能追蹤結(jié)果和系譜關系數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)信息資源，利用人工智能、機器學習和大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代信息技術深入挖掘表型-遺傳特征之間的影響，探索并闡明其內(nèi)在關聯(lián)。進而針對不同的育種目標需求與不同肉牛個體的情況，基于其表型與性能參數(shù)實現(xiàn)育種值的自動估計，構(gòu)建大數(shù)據(jù)下的肉牛個體選育最優(yōu)化匹配模型，實現(xiàn)匹配選種方案和選配方案的自動決策建議，根據(jù)用戶選育目標，通過交互式逐層決策支持方法推薦與配凍精。匹配算法具備結(jié)果反饋功能，根據(jù)用戶反饋的配種決策效果進行自我學習更新與迭代，逐步實現(xiàn)肉牛的自動科學選種和選配。

6結(jié)論

本研究針對中國肉牛育種和繁育中存在的整體肉牛育種水平不高、繁育性狀數(shù)據(jù)采集困難、系譜混亂、數(shù)據(jù)記錄不清晰、選育選配憑靠經(jīng)驗等問題，通過挖掘肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)蘊含的豐富信息和潛在知識，實現(xiàn)種牛的體質(zhì)外貌特征、系譜鑒定、肉牛后裔測定等育種智能化決策支持服務。

研究借鑒國際肉牛先進國家育種繁育經(jīng)驗，構(gòu)建了融合肉牛種質(zhì)信息資源整合、肉牛繁育性狀自動在線測定、肉牛繁育全程服務支撐系統(tǒng)、肉牛種質(zhì)資源大數(shù)據(jù)分析決策平臺和聯(lián)合育種服務模式的商業(yè)化肉牛繁育大數(shù)據(jù)平臺。平臺當前在內(nèi)蒙古、甘肅和寧夏等肉牛養(yǎng)殖大省有了良好的應用，初步實現(xiàn)了商業(yè)化的運營服務。

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Design and Key Technologies of Big Data Platform for Commercial Beef Cattle Breeding

MA Weihong1，2 ， LI Jiawei1，2 ， WANG Zhiquan3 ， GAO Ronghua1，2 ， DING Luyu1，2 ，

YU Qinyang1，2 ， YU Ligen1，2 ， LAI Chengrong1，2 ， LI Qifeng1，2*

（1. Research Center of Information Technology， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing100097， China;2. National Engineering Research Centerfor Information Technology in Agriculture， Beijing100097， China;3. Agricultural， Life and Environmental Sci - Ag， Food amp; Nutrition Science Department， Universityof Alberta， Edmonton， T6G 2R3， Canada ）

Abstract： Focusing on the low level of management and informatization and intelligence of the beef cattle industry in China， a big data platform for commercial beef cattle breeding， referring to the experience of international advanced beef cattle breeding countries， was proposed in this research. The functions of the platform includes integrating germplasm resources of beef cattle， automatic collecting of key beef cattle breeding traits， full-service support for the beef cattle breeding process， formation of big data analysis and decision-making system for beef cattle germplasm resources， and joint breeding innovation model. Aiming at the backward storage and sharing methods of beef cattle breeding data and incomplete information records in China， an informa‐ tion resource integration platform and an information database for beef cattle germplasm were established. Due to the vagueness and subjectivity of the breeding performance evaluation standard， a scientific online evaluation technology of beef cattle breed‐ ing traits and a non-contact automatic acquisition and intelligent calculation method were proposed. Considering the lack of sci‐ entific and systematic breeding planning and guidance for farmers in China， a full-service support system for beef cattle breed‐ ing and nanny-style breeding guidance during beef cattle breeding was developed. And an interactive progressive decision-mak‐ ing method for beef cattle breeding to solve the lack of data accumulation of beef cattle germplasm was proposed. The main body of breeding and farming enterprises was not closely integrated， according to that， the innovative breeding model of region‐ al integration was explored. The idea of commercial beef cattle breeding big data software platform and the technological and model innovation content were also introduced. The technology innovations included the deep mining of germplasm resources data and improved breed management pedigree， the automatic acquisition and evaluation technology of non-contact breeding traits， the fusion of multi-source heterogeneous information to provide intelligent decision support. The future goal is to form a sustainable information solution for China's beef cattle breeding industry and improve the overall level of China's beef cattle breeding industry.

Key words： big data platform; data resource integration; big data analysis and decision-making; online determination of traits; joint breeding