奶牛精細飼養與信息技術研究進展

sunmanji · 發表于 2010-1-20 07:50:17

　　摘要：奶牛因其具有繁育和周期性泌乳雙重性，對其實施精細飼養是世界各國發展乳牛業生產十分重視的研究與產業化領域。精細飼養水平的高低，不僅影響奶牛繁育后代的質量和效率，也影響到終生泌乳的數量和質量。實施精細飼養的關鍵則是如何能根據個體體況信息，決定有針對性的飼料、獸藥和人力的投入，體現“個體差異”。因此本文就奶牛精細養殖所涉及的自動養殖設備、個體識別技術、全自動擠奶機器人的信息管理，以及奶牛場生產綜合決策與信息管理系統的研究進展進行了總結。

一、奶牛擠奶與自動養殖技術與設備
　　為實現奶牛的精細飼養而研究與奶牛養殖有關的自動養殖設備，應從了解奶牛的生產或生理特征出發。首先正確擠奶是保證奶牛高產的前提，這是由奶牛的生理決定的。
千百年來，人們早已認識到正確擠奶的重要性，距今所知最早有關奶牛飼養的描述可以追溯到2300年前，在埃及壁畫中對擠奶的有關敘述。早在那時，人們就已經認識到擠奶是個復雜的過程。壁畫展示了各種感覺刺激及輕松環境對順利產奶的重要性。但是，直到1941年人們才開始研究產奶的心理過程。隨之而來的是近二十幾年對于產奶反射，擠奶規律和技術的系統研究。
產奶是一種神經荷爾蒙反應，由于擠奶或小牛犢哺乳的刺激產生。奶頭上有感應器，對撫摸、壓力和溫度很敏感，這些都是在給小牛犢哺乳時會接受到的刺激。當感應器受到刺激，信號將傳遞到大腦，腦垂體將釋放荷爾蒙，通過血液傳遞到乳房，乳房的收縮使得鮮奶可以從乳腺中滲出。從接受到刺激到乳房可以接受擠奶需要大約60秒鐘時間，但這隨不同奶牛個體及群體而變化。

　　正確的擠奶必須注意奶牛，擠奶者和擠奶機械之間的互動性。現場實驗證明擠奶工人很重要，他的行為將直接影響產奶量。高產奶牛的擠奶工對待奶牛溫柔平和，他們對奶牛說話，好象正在期待著奶牛的回答。相反，低產牛群的擠奶工人對待奶牛粗暴，手中總拿著木棍，經常對奶牛大聲的叫嚷。研究結果也表明奶牛在感到壓抑時，免疫能力會下降，直接會導致乳房炎的發生。
　　擠奶規程包括三個部分：前處理，擠奶和后處理。這些工序對保證奶牛高產，牛奶優質都有非常尋常的重要意義。
　　前處理包括擠奶前清洗乳房和乳頭。這樣一來可以減少乳頭上的細菌量和防止長孢子。先用濕巾清洗乳頭，然后用干毛巾擦干可以有效減少乳頭周圍及牛奶中的細菌數，這比傳統只用干毛巾擦要有效得多。細菌指數是衡量牛奶質量的一個重要指標，減少細菌感染是提高牛奶質量的有效手段。而且，以此可以減少產生乳房炎病原的發生，從長期來看可以降低體細胞數量。但是我們必須強調一條毛巾只給一頭奶牛使用，以減少牛群細菌感染的可能性。

　　下一步就是進行前刺激，通常為了刺激產奶的反應，建議這個過程持續30到45秒鐘，這樣腦垂體中的血壓會升高，當使用擠奶設備時，擠奶前期的出奶量大，流量高，擠奶時間少，殘留量少。這樣可以進一步減少空吸的風險，空吸會造成乳頭黏液破壞。建議對所有的奶牛應當日復一日地遵守這個規程。實驗表明，前刺激持續30到40秒比1分鐘更能提高泌乳量. 如果前刺激與機械擠奶的開始時間相差3~5分鐘, 乳房中的殘余奶液就會多達25%, 長此以往,會負面影響奶牛的產奶量。
　　研究人員也做了關于如何加強出奶反應的研究，邊喂邊擠被認為是較好的方法，它可以增加腦垂體的分泌物，減少擠奶時間，得到更大的擠奶流量，提高產奶量，減少奶液殘留。除了產出方面的因素之外，邊擠邊喂可以使得奶牛安靜，與其它奶牛有社交互動。擠奶過程結束之后，建議工人用消毒水浸泡一下奶牛乳房，這樣可以減少乳房細菌病原數量，減少感染疾病的概率。
　　擠奶過程是要非常小心的，不能擠奶同時還從事類似喂養牛犢的工作，整個擠奶過程需要一直被照管著，比如說如果一個擠奶頭被奶牛踢掉了，工人應當迅速裝上，以免破壞真空環境，否則有可能造成乳房與乳頭細菌的交叉感染。
　　為了保證牛乳房健康，提高奶質，定期對擠奶設備和裝置進行檢查是很重要的。吸管是擠奶裝置與奶牛唯一連通的部分，應當定期更新。過舊的吸管會失去延展性，降低擠奶量，隨著時間推移，管道內會有細小的破裂，滋生細菌。

　　通常的做法是一天擠奶兩次，但是現今很多奶牛產奶高達每天60千克，如果一天只擠兩次會對乳頭和整個牛體都不利。在世界上很多國家大量推行一天三次擠奶，擠奶頻率的提高可以提高產奶量10—15%，并改善乳房健康。如果一些高產牛群無法得到多于兩次的擠奶，可以實行兩次擠奶，但原則上間隔時間相同。
總體來說，擠奶過程是要小心的，不要給奶牛施加過大壓力，充分做好前刺激，并監控好擠奶過程都是使高產牛群提高奶質的關鍵。
　　上個世紀六、七十年代，脈動擠奶機就問世了，此后隨著電子技術的發展，在九十年代又誕生了全自動奶牛飼養機器人。圖1是全自動奶牛飼養機器人示意圖。
　　如圖1所示，奶牛自由放養在庭院里，對于每頭奶牛個體都有詳細的檔案，記錄著奶牛的生育記錄、喂飼量、體重、每日增重、產奶量及疫病情況等資料和數據。每頭牛每天擠奶2~3次，根據生物鐘以及養成的習慣，奶牛會大約在每天固定的期間進入擠奶房單向通道，在入口處前述的電子識別裝置會獲得奶牛的身份號碼，然后調用相關檔案資料，確認其身份，如果該奶牛已經完成當天、當班的擠奶，屬于誤進入，則旁門打開，奶牛直接返回庭院；如果尚未擠奶，擠奶房入口自動打開，奶牛進入擠奶臺，全自動擠奶機器人自動檢測奶頭位置，自動裝卡擠奶杯，然后啟動機器工作；擠下的奶通過管線流入儲存罐。在擠奶的同時，自動測量裝置自動計量擠奶量、體重、體型、奶頭的相對位置等，并將結果存入檔案，以便針對每頭奶牛個體的具體情況，進行有針對性的飼料投入和病害防治，實現基于個體差異的精準養殖。

圖1  全自動奶牛飼養機器人示意圖
　　擠奶后及時按個體體況補充精飼料是奶牛精細飼養的主要環節之一。為此，也離不開自動采集奶牛信息的技術與飼喂設備。圖2顯示了奶牛擠奶后的自動喂料系統。
擠奶設備所設計的飼料喂養方式均以精飼料飼喂為主。分為擠奶廳飼喂和運動場補飼兩部分。在擠奶廳里，所有奶牛定量給料。在運動場，計算機根據每頭奶牛的年齡、泌乳期、妊娠時間、產奶量、氣溫等因素綜合給料。

圖２  丹麥SAC擠奶設備公司研制的自動補料設備
圖3、圖4為愛爾蘭dairymaster奶牛場設備制造商生產的自動給料設備，其主要的技術特點有：1）自動飼喂器可以通過輸送設備安裝連接到貯藏倉或粉料房下.；2）按每20個計量單位進行數字化操作與控制；3）• 與每個自動給料器連接有高效的牛只識別與高速的通訊接口，適合擠奶間的自動化；4）在每個擠奶點進行單個控制是可行的；5）也可以手工控制等。

圖3  擠奶廳內精料補給設備(SAC)    圖4  擠奶廳外自動補給設備(SAC)
圖5是德國Westfalia公司實施的、將奶牛的自動養殖設備同計算機進程控制或管理平臺融為一體的示意圖。

圖5  將養殖設備與計算機控制結合在養殖平臺

二、奶牛個體電子識別裝置
　　奶牛個體編號電子自動識別器作為獲取個體信息的基礎，于上個世紀70年代中期就成功研制出商品化產品。例如，過去長期掛在牛脖子上的小型密封無源信號轉發器，通過一個固定的激勵信號發生器激活轉發器后，　再通過發射天線依次地發射出一串不同頻率的高頻電磁波，掛在牛脖子上的每一個轉發器經過調諧，只對其中的兩種頻率做出響應，從而給轉發器中的轉發振蕩器提供功率，并使振蕩器先后轉發出兩個固定頻率的時序信號，該信號被接收機接收后經過解碼就可判斷出牛的編號。80年代后期則將一種微小信號轉發器，在牛產生后可永久性地植入其耳朵的皮下，信號接收距離在60cm以內；更微型的信號轉發器被制成圓筒型，可通過注射針管植入皮下。
隨著信息技術的發展，奶牛的個體自動識別技術和產品相應成熟，以射頻技術（RFID）為基礎的電子標簽，對動物的跟蹤能力大大提高。研究結果表明，這項技術適合于各種場合的動物，無論是集中飼養的還是分散飼養的牛只。圖6為德國WestFalia公司生產的項圈式和固定在牛腿上的電子標簽和識別應答器；圖7是由丹麥 SAC奶牛場設備制造公司生產的ID發情、識別塊、項圈等用于奶牛個體識別的產品。

圖6  奶牛飼養中的個體標識號的信息采集

圖7 ID發情、識別塊、項圈

三、全自動擠奶機器人的信息管理流程
　　圖8系統給出了全自動擠奶機器人的信息管理流程示意圖。自動電子識別裝置將奶牛的身份資料傳給計算機，計算機利用決策支持系統制定出該頭奶牛的以飼料處方為主的飼養管理計劃。奶頭傳感器將奶頭的位置坐標傳給計算機，計算機則發出裝卡或開始擠奶的指令。擠出的鮮奶首先由在線牛奶傳感器實時進行品質分析和流量計量，并將分析與計量結果傳給計算機，計算機在記錄擠奶量的同時，根據品質分析結果，做出對該批牛奶是儲存還是廢棄的指令。

圖８　全自動擠奶機器人的信息管理流程　
　　奶頭位置檢測一般利用超聲波或光學傳感器來實現，如圖9所示，首先檢測奶牛在X和Y兩個方向的基準面，然后按照奶牛體格的統計特征以及前一次該頭奶牛奶頭的坐標數據，將擠奶器移動到大致的位置，接著利用圖右邊的傳感器，精確檢測奶頭位置。奶頭傳感器為コ型構造，總共由10對光電傳感器構成，其中六對與軸線成直角相對安裝，另四對交叉安裝，通過被遮斷的光線的序號，可以準確的確定奶頭的位置。計算機檢測到位置信號后，操縱擠奶器總成做相應移動，最后當奶頭中心與擠奶器中心一致時，即可裝卡奶頭，啟動擠奶機工作。

圖９  奶頭位置檢測裝置 (平田晃ら, 1998)

四、奶牛場計算機管理系統或技術平臺研究進展
　　按現代管理模式運行的奶牛場或養殖小區，不僅需要全盤考慮、統籌規劃生產計劃，而且需要通過監控計劃的具體執行，確保生產按預期的目標發展。為此，利用現代信息技術的手段，選擇和利用質量記錄保持系統，適時記錄以奶牛個體為基礎的過程信息，成為一個集約化、現代化奶牛場特別重要的日常性工作。傳統的手工、非實時記錄已經不適應現代化生產與管理的需要，取之以動態、在線、甚至遠程信息采集與訪問的綜合信息技術平臺的開發與應用。具體而言，作為服務于奶牛場生產、管理與決策的信息系統，需要收集、貯存和分析的基本信息包括以下方面的類型::
1)  牛群存欄—反映分布在不同區域的當前牛只數量，如泌乳牛、干奶牛、后備母牛及犢牛等；
2)  牛群產量—每天實際裝運的牛奶；
3)  牛群牛奶水平—反映不同泌乳胎次的生產水平；
4)  牛奶品質—牛奶溫度、導電率、細菌數、體細胞數等；乳脂，乳蛋白，乳干物質等；
5)  牛群淘汰歷史—牛只淘汰率和原因；
6)  奶母牛生產水平—當前和以往的產奶的數量和品質（按個體）；
7)  母牛計步器讀數—當前的和以往的活動測量；
8)  母牛健康—當前體況、治療歷史和與先前治療有關的效果；
9)  奶牛轉群信息—母牛銷售、死亡、轉為干奶牛、移動等；
10) 飼料盤點—購買與銷售、用量更新、原料采購及調配能力；定期計算飼料庫存的收縮價值；
11)  飼養計劃—基于奶牛個體體況的日糧設計和配制計劃；
12)飼料混合計劃反饋—裝載和卸載信息；
13) 財務狀態—貸款平衡、可接受帳目、應付帳目、工程收入和費用流；
14) 財務細目—所有購買、銷售, 往來支付帳目；
15)  市場信息—當前和未來牛奶、犢牛、淘汰母牛、后備牛、飼料等的預期價值；
16) 設備監控—散裝罐溫度，震動作用和真空穩定性數據；
17)  環境信息—圍欄水消費, 畜舍溫度信息等。
　　不難看出，上述信息可劃分為生產信息和財務信息。當前最進步的牛場主人愿意選擇裝有管理系統的計算機，因為通過計算機管理各種類型的數據，容易對輸入或通過現代信息技術采集的數據進行各種目的的匯總和分析處理。一般情況下，一個大型牛場的財務信息和生產數據信息分別由不同的計算機進行管理，但是這些財務數據與生產數據應該進一步整合，以便牛場決策層能夠從中發現問題，并能動態監測企業的生產效率。不斷開發的新的生產管理與財務分析系統能夠監控動物生產、以精準到以個體為觀測單位的體況和行為，自動跟蹤后裔的譜系，設備的使用和狀態; 和（或）雇員的效率。結合這樣信息的計算機系統具有大大增加管理者監控設備和工作人員發揮效用的潛力。
　　采用現代信息采集技術，以計算機（單機）或計算機網絡系統( intranet/Internet)為基礎，對上述奶牛場各種各種個體參數，環境參數等飼養管理信息存入計算機數據庫作為飼養管理的基礎信息，對這些基礎信息數據的變化規律進行分析，可進行母畜發情監測、生產性能及生理健康狀況檢測，后裔譜系自動跟蹤，并依據采集的奶牛個體信息，實施按奶牛個體制定日糧的飼養方案或補料計劃，通過對奶牛實施精細飼養，可以最大限度地發揮個體奶牛的生產水平，包括產乳水平和繁殖效率兩個方面。
隨著奶牛業的不斷發展，養牛業正在從傳統的生產管理方式向現代化的管理方式轉變，對牛群的管理也正在逐步由傳統的粗放型、松散化管理向精養型集約化管理方向發展，這本身就要求對牛群的總體狀況有細致的了解，對奶牛的喂養，產乳，繁殖，疾病的預防與診治有嚴格的監控，而且，隨著我國乳業產業的不斷發展，提高奶牛單體產乳量，提高牛群總體經濟效益已經是養牛業主要的發展方向，在這種形式下，奶牛場引入計算機管理已成為必然趨勢。

　　本文選擇了國際上研究開發和推廣應用的奶牛場生產管理系統，對其主要特點作簡要的介紹，有關更詳細的內容，可以登陸相應的網站了解其內容。
——國際上典型奶牛場計算機綜合管理系統研究進展
（1）       德國WestFalia公司開發的奶牛群及擠奶間計算機管理系統DairyPlan C21
系統(圖10)。該系統在全世界范圍內得到比較廣泛的應用，支持管理的奶牛頭數可達32,000頭。DairyPlan C21的主要特色如下：
a)       依靠具有智能的對外圍設備的自動控制和自動記錄與技術上生產過程有關的性能數據的雙重功能，可以輕松地熟知在牛場內發生的一切。
b)       通過軟件對生產數據如牛只的行為, 飼料消耗, 擠奶廳的產量等的分析對每頭奶牛的生產性能和行為提供持續不斷的監測；
c)       根據牛群中特定的動物類別，對每頭奶牛作為清晰的評價，為奶牛的繁殖、育種、營養與保健或治療計劃提供早期干預和有預見性的管理。
d)       動物健康總是第一位的。至于在形式上生產性能的高低， DairyPlan C21總是指明了保證得到最佳的產量性能的途徑，但同時關心個別的奶牛。

圖10 DairyPlan C21 工作示意圖
（２）       AfiFarm系統(以色列)
該系統是以色列KIbbutz Afikim公司研制的（圖11），系統可以管理的奶牛頭數以不超過5,000頭為宜。其主要功能特色如下：
1.       建立有完整的育種和個體生態信息的數據庫；
2.       遺傳學信息數據庫；
3.       可產生預期產犢曲線；
4.       可產生預期干奶曲線；
5.       管理各類事件；
6.       在基于參數的基礎上，具有自動產生獸醫檢查計劃的功能；
7.       易于產生獸醫觀察結果報告，包括診斷、藥物、處置、計劃表和復查等。
8.       以完整的母牛基本信息和在生產過程中采集的信息為基礎，具有自動觸發事件的智能性，諸如選擇母牛、報告、獸醫檢查和其他目的等。
9.       能便利接受用戶的公式，建立交叉的參考數據。
AfiFarm系統目前具有11種語言版本，但還不支持多個牛場的管理，遠程數據錄入和查詢，手持式數據終端及網絡化功能等。在未來的版本中，將完善這些必須的功能。AfiFarm目前包括AfiMilk、AfiFeed、AfiAct和AfiSort等4個子系統組成。

圖11  AfiFarm系統的主界面
（３）Crystal系統(英國)
該系統是由英國FullFood有限公司研究推出的自動管理牛群的系統。Crystal提供對數據的瞬間訪問，使得當接受請求時能按預制程序作出立即的變化。這就允許用戶在占有最新信息的基礎上通過手指尖就可以管理擠奶系統。
　Crystal集成了各個管理過程(圖12), 如飼養、擠奶、稱重、分群、保健和人工授精等，通過采用追加的輸入和輸出數據的紅利進入到其他的主流管理計劃和有關的組織中去（如記錄牛奶的代理處，牛移動記錄）。這為用戶提供了有效的記錄協調。此外，在系統中，可以預先設置單個奶牛或者每個組的飼養計劃（圖13），具有靈活性。

圖12  Crystal系統工作示意圖

圖13  Crystal系統中個體或小群體奶牛的飼養計劃設置

（４）SAC X-Act controller 計算機控制系統（丹麥）
  該系統是
1.       報警功能
當X-ACT程序發現需要特殊照顧的奶牛時，將會以列表形式及時通告使用者；例如奶牛在產犢時；產奶量或奶質出現較大偏差時；奶牛需要干燥等等。
根據這一顯示，用戶可以及時預防或提早進行治療，以獲得最佳的效果。
使用者可以調整該通知列表，同時，X-ACT程序允許使用者自己制定需要通告的奶牛的技術參數標準。并可以根據不同的標準進行復查。
用戶可以根據需要，選擇需要打印的列表內容打印。
2.       監測功能
X-ACT程序利用其特有的算法公式，對其接收到的外圍設備采集的數據進行處理，并與數據庫中的正確數值進行對比，并將結果進行分析，以判斷奶牛和牛奶是否出現異常。
主要監測的數據有：產奶量、飼喂量、牛奶導電率、牛奶溫度等等。
3.       奶牛管理功能
通過ID識別、電子計量和MPC2擠奶控制箱，使每只奶牛在X-ACT程序中都有自己唯一的數據庫；直接反映每頭奶牛的特性及產奶質量。在此基礎上，使用者可以對整個獸群進行最大為30組的分組。使獸群信息更加系統，詳細。
4.       活動量監測系統（發情期監測）
奶牛發情時，活動量增加為平時的2到3倍。發情時間多介于早上2點到5點，所以人工觀察發情效率和可靠行較低。SAC發情期監測系統首先通過ID塊記錄每頭奶牛每天的活動量，當該奶牛進入擠奶廳或補飼機時，信號接收期自動將ID塊里的數據接收并傳輸到工控機里。當奶牛下一次將該對應數據傳入系統時，系統自動比較兩個數據，如果相差范圍明顯，計算機和擠奶機控制器面板自動提示管理人員，該奶牛處于強發情期。
5. SAC X-Act controller 計算機管理系統操作界面
       Daily —— 顯示系統日志
       Animal —— 顯示牛群總體狀況，各組狀況，以及個體奶牛的狀況，包括：
- calendar and calendar settings —— 日歷和日歷設定;
- calving —— 產犢情況；
- general data —— 一般的數據；
- activity measurement —— 活動量測定；
- illnesses —— 疾病
       Feeding —— 飼喂
       顯示牛群整體及個體奶牛的飼喂水平，包括：
- feed amounts based on predicted lactation curve —— 根據哺乳曲線所要求的飼料水平
- milk-feed table —— 產奶量-飼料對照表
- fixed feed amounts —— 固定的飼料數量
- Feed is dispensed in feeding stations in the barn —— 自動飼喂機的飼料分發情況
       Milk recording —— 產奶記錄
顯示相關的產奶量，年產量，脂肪、蛋白水平等信息。包括歷史記錄和當前記錄。
       Conductivity —— 牛奶電導率記錄
SAC VC-5牛群計算機管理系統界面剪切：

圖　SAC 公司研制的NeDop牛場管理系統Internet版本
　　對比以上系統，從計算機系統管理的內容，數據采集的方式，網絡和可擴展性，以及針對奶牛的個性化管理和控制方面分析，當屬德國WestFalia公司研制的DairyPlan系統最完善，其在全世界范圍，特別是在北歐國家應用最為廣泛。