奶牛精细饲养与信息技术研究进展

sunmanji

　　摘要：奶牛因其具有繁育和周期性泌乳双重性，对其实施精细饲养是世界各国发展乳牛业生产十分重视的研究与产业化领域。精细饲养水平的高低，不仅影响奶牛繁育后代的质量和效率，也影响到终生泌乳的数量和质量。实施精细饲养的关键则是如何能根据个体体况信息，决定有针对性的饲料、兽药和人力的投入，体现“个体差异”。因此本文就奶牛精细养殖所涉及的自动养殖设备、个体识别技术、全自动挤奶机器人的信息管理，以及奶牛场生产综合决策与信息管理系统的研究进展进行了总结。

一、奶牛挤奶与自动养殖技术与设备
　　为实现奶牛的精细饲养而研究与奶牛养殖有关的自动养殖设备，应从了解奶牛的生产或生理特征出发。首先正确挤奶是保证奶牛高产的前提，这是由奶牛的生理决定的。
千百年来，人们早已认识到正确挤奶的重要性，距今所知最早有关奶牛饲养的描述可以追溯到2300年前，在埃及壁画中对挤奶的有关叙述。早在那时，人们就已经认识到挤奶是个复杂的过程。壁画展示了各种感觉刺激及轻松环境对顺利产奶的重要性。但是，直到1941年人们才开始研究产奶的心理过程。随之而来的是近二十几年对于产奶反射，挤奶规律和技术的系统研究。
产奶是一种神经荷尔蒙反应，由于挤奶或小牛犊哺乳的刺激产生。奶头上有感应器，对抚摸、压力和温度很敏感，这些都是在给小牛犊哺乳时会接受到的刺激。当感应器受到刺激，信号将传递到大脑，脑垂体将释放荷尔蒙，通过血液传递到乳房，乳房的收缩使得鲜奶可以从乳腺中渗出。从接受到刺激到乳房可以接受挤奶需要大约60秒钟时间，但这随不同奶牛个体及群体而变化。

　　正确的挤奶必须注意奶牛，挤奶者和挤奶机械之间的互动性。现场实验证明挤奶工人很重要，他的行为将直接影响产奶量。高产奶牛的挤奶工对待奶牛温柔平和，他们对奶牛说话，好象正在期待着奶牛的回答。相反，低产牛群的挤奶工人对待奶牛粗暴，手中总拿着木棍，经常对奶牛大声的叫嚷。研究结果也表明奶牛在感到压抑时，免疫能力会下降，直接会导致乳房炎的发生。
　　挤奶规程包括三个部分：前处理，挤奶和后处理。这些工序对保证奶牛高产，牛奶优质都有非常寻常的重要意义。
　　前处理包括挤奶前清洗乳房和乳头。这样一来可以减少乳头上的细菌量和防止长孢子。先用湿巾清洗乳头，然后用干毛巾擦干可以有效减少乳头周围及牛奶中的细菌数，这比传统只用干毛巾擦要有效得多。细菌指数是衡量牛奶质量的一个重要指标，减少细菌感染是提高牛奶质量的有效手段。而且，以此可以减少产生乳房炎病原的发生，从长期来看可以降低体细胞数量。但是我们必须强调一条毛巾只给一头奶牛使用，以减少牛群细菌感染的可能性。

　　下一步就是进行前刺激，通常为了刺激产奶的反应，建议这个过程持续30到45秒钟，这样脑垂体中的血压会升高，当使用挤奶设备时，挤奶前期的出奶量大，流量高，挤奶时间少，残留量少。这样可以进一步减少空吸的风险，空吸会造成乳头黏液破坏。建议对所有的奶牛应当日复一日地遵守这个规程。实验表明，前刺激持续30到40秒比1分钟更能提高泌乳量. 如果前刺激与机械挤奶的开始时间相差3~5分钟, 乳房中的残余奶液就会多达25%, 长此以往,会负面影响奶牛的产奶量。
　　研究人员也做了关于如何加强出奶反应的研究，边喂边挤被认为是较好的方法，它可以增加脑垂体的分泌物，减少挤奶时间，得到更大的挤奶流量，提高产奶量，减少奶液残留。除了产出方面的因素之外，边挤边喂可以使得奶牛安静，与其它奶牛有社交互动。挤奶过程结束之后，建议工人用消毒水浸泡一下奶牛乳房，这样可以减少乳房细菌病原数量，减少感染疾病的概率。
　　挤奶过程是要非常小心的，不能挤奶同时还从事类似喂养牛犊的工作，整个挤奶过程需要一直被照管着，比如说如果一个挤奶头被奶牛踢掉了，工人应当迅速装上，以免破坏真空环境，否则有可能造成乳房与乳头细菌的交叉感染。
　　为了保证牛乳房健康，提高奶质，定期对挤奶设备和装置进行检查是很重要的。吸管是挤奶装置与奶牛唯一连通的部分，应当定期更新。过旧的吸管会失去延展性，降低挤奶量，随着时间推移，管道内会有细小的破裂，滋生细菌。

　　通常的做法是一天挤奶两次，但是现今很多奶牛产奶高达每天60千克，如果一天只挤两次会对乳头和整个牛体都不利。在世界上很多国家大量推行一天三次挤奶，挤奶频率的提高可以提高产奶量10—15%，并改善乳房健康。如果一些高产牛群无法得到多于两次的挤奶，可以实行两次挤奶，但原则上间隔时间相同。
总体来说，挤奶过程是要小心的，不要给奶牛施加过大压力，充分做好前刺激，并监控好挤奶过程都是使高产牛群提高奶质的关键。
　　上个世纪六、七十年代，脉动挤奶机就问世了，此后随着电子技术的发展，在九十年代又诞生了全自动奶牛饲养机器人。图1是全自动奶牛饲养机器人示意图。
　　如图1所示，奶牛自由放养在庭院里，对于每头奶牛个体都有详细的档案，记录着奶牛的生育记录、喂饲量、体重、每日增重、产奶量及疫病情况等资料和数据。每头牛每天挤奶2~3次，根据生物钟以及养成的习惯，奶牛会大约在每天固定的期间进入挤奶房单向通道，在入口处前述的电子识别装置会获得奶牛的身份号码，然后调用相关档案资料，确认其身份，如果该奶牛已经完成当天、当班的挤奶，属于误进入，则旁门打开，奶牛直接返回庭院；如果尚未挤奶，挤奶房入口自动打开，奶牛进入挤奶台，全自动挤奶机器人自动检测奶头位置，自动装卡挤奶杯，然后启动机器工作；挤下的奶通过管线流入储存罐。在挤奶的同时，自动测量装置自动计量挤奶量、体重、体型、奶头的相对位置等，并将结果存入档案，以便针对每头奶牛个体的具体情况，进行有针对性的饲料投入和病害防治，实现基于个体差异的精准养殖。

图1  全自动奶牛饲养机器人示意图
　　挤奶后及时按个体体况补充精饲料是奶牛精细饲养的主要环节之一。为此，也离不开自动采集奶牛信息的技术与饲喂设备。图2显示了奶牛挤奶后的自动喂料系统。
    挤奶设备所设计的饲料喂养方式均以精饲料饲喂为主。分为挤奶厅饲喂和运动场补饲两部分。在挤奶厅里，所有奶牛定量给料。在运动场，计算机根据每头奶牛的年龄、泌乳期、妊娠时间、产奶量、气温等因素综合给料。

图２  丹麦SAC挤奶设备公司研制的自动补料设备
图3、图4为爱尔兰dairymaster奶牛场设备制造商生产的自动给料设备，其主要的技术特点有：1）自动饲喂器可以通过输送设备安装连接到贮藏仓或粉料房下.；2）按每20个计量单位进行数字化操作与控制；3）• 与每个自动给料器连接有高效的牛只识别与高速的通讯接口，适合挤奶间的自动化；4）在每个挤奶点进行单个控制是可行的；5）也可以手工控制等。

图3  挤奶厅内精料补给设备(SAC)     图4  挤奶厅外自动补给设备(SAC)
图5是德国Westfalia公司实施的、将奶牛的自动养殖设备同计算机进程控制或管理平台融为一体的示意图。

图5  将养殖设备与计算机控制结合在养殖平台

二、奶牛个体电子识别装置
　　奶牛个体编号电子自动识别器作为获取个体信息的基础，于上个世纪70年代中期就成功研制出商品化产品。例如，过去长期挂在牛脖子上的小型密封无源信号转发器，通过一个固定的激励信号发生器激活转发器后，　再通过发射天线依次地发射出一串不同频率的高频电磁波，挂在牛脖子上的每一个转发器经过调谐，只对其中的两种频率做出响应，从而给转发器中的转发振荡器提供功率，并使振荡器先后转发出两个固定频率的时序信号，该信号被接收机接收后经过解码就可判断出牛的编号。80年代后期则将一种微小信号转发器，在牛产生后可永久性地植入其耳朵的皮下，信号接收距离在60cm以内；更微型的信号转发器被制成圆筒型，可通过注射针管植入皮下。
随着信息技术的发展，奶牛的个体自动识别技术和产品相应成熟，以射频技术（RFID）为基础的电子标签，对动物的跟踪能力大大提高。研究结果表明，这项技术适合于各种场合的动物，无论是集中饲养的还是分散饲养的牛只。图6为德国WestFalia公司生产的项圈式和固定在牛腿上的电子标签和识别应答器；图7是由丹麦 SAC奶牛场设备制造公司生产的ID发情、识别块、项圈等用于奶牛个体识别的产品。

图6  奶牛饲养中的个体标识号的信息采集

图7   ID发情、识别块、项圈

三、全自动挤奶机器人的信息管理流程
　　图8系统给出了全自动挤奶机器人的信息管理流程示意图。自动电子识别装置将奶牛的身份资料传给计算机，计算机利用决策支持系统制定出该头奶牛的以饲料处方为主的饲养管理计划。奶头传感器将奶头的位置坐标传给计算机，计算机则发出装卡或开始挤奶的指令。挤出的鲜奶首先由在线牛奶传感器实时进行品质分析和流量计量，并将分析与计量结果传给计算机，计算机在记录挤奶量的同时，根据品质分析结果，做出对该批牛奶是储存还是废弃的指令。

图８　全自动挤奶机器人的信息管理流程　
　　奶头位置检测一般利用超声波或光学传感器来实现，如图9所示，首先检测奶牛在X和Y两个方向的基准面，然后按照奶牛体格的统计特征以及前一次该头奶牛奶头的坐标数据，将挤奶器移动到大致的位置，接着利用图右边的传感器，精确检测奶头位置。奶头传感器为コ型构造，总共由10对光电传感器构成，其中六对与轴线成直角相对安装，另四对交叉安装，通过被遮断的光线的序号，可以准确的确定奶头的位置。计算机检测到位置信号后，操纵挤奶器总成做相应移动，最后当奶头中心与挤奶器中心一致时，即可装卡奶头，启动挤奶机工作。













图９  奶头位置检测装置 (平田晃ら, 1998)

四、奶牛场计算机管理系统或技术平台研究进展
　　按现代管理模式运行的奶牛场或养殖小区，不仅需要全盘考虑、统筹规划生产计划，而且需要通过监控计划的具体执行，确保生产按预期的目标发展。为此，利用现代信息技术的手段，选择和利用质量记录保持系统，适时记录以奶牛个体为基础的过程信息，成为一个集约化、现代化奶牛场特别重要的日常性工作。传统的手工、非实时记录已经不适应现代化生产与管理的需要，取之以动态、在线、甚至远程信息采集与访问的综合信息技术平台的开发与应用。具体而言，作为服务于奶牛场生产、管理与决策的信息系统，需要收集、贮存和分析的基本信息包括以下方面的类型::
1)  牛群存栏—反映分布在不同区域的当前牛只数量，如泌乳牛、干奶牛、后备母牛及犊牛等；
2)  牛群产量—每天实际装运的牛奶；
3)  牛群牛奶水平—反映不同泌乳胎次的生产水平；
4)  牛奶品质—牛奶温度、导电率、细菌数、体细胞数等；乳脂，乳蛋白，乳干物质等；
5)  牛群淘汰历史—牛只淘汰率和原因；
6)  奶母牛生产水平—当前和以往的产奶的数量和品质（按个体）；
7)  母牛计步器读数—当前的和以往的活动测量；
8)  母牛健康—当前体况、治疗历史和与先前治疗有关的效果；
9)  奶牛转群信息—母牛销售、死亡、转为干奶牛、移动等；
10) 饲料盘点—购买与销售、用量更新、原料采购及调配能力；定期计算饲料库存的收缩价值；
11)  饲养计划—基于奶牛个体体况的日粮设计和配制计划；
12)饲料混合计划反馈—装载和卸载信息；
13) 财务状态—贷款平衡、可接受帐目、应付帐目、工程收入和费用流；
14) 财务细目—所有购买、销售, 往来支付帐目；
15)  市场信息—当前和未来牛奶、犊牛、淘汰母牛、后备牛、饲料等的预期价值；
16) 设备监控—散装罐温度，震动作用和真空稳定性数据；
17)  环境信息—围栏水消费, 畜舍温度信息等。
　　不难看出，上述信息可划分为生产信息和财务信息。当前最进步的牛场主人愿意选择装有管理系统的计算机，因为通过计算机管理各种类型的数据，容易对输入或通过现代信息技术采集的数据进行各种目的的汇总和分析处理。一般情况下，一个大型牛场的财务信息和生产数据信息分别由不同的计算机进行管理，但是这些财务数据与生产数据应该进一步整合，以便牛场决策层能够从中发现问题，并能动态监测企业的生产效率。不断开发的新的生产管理与财务分析系统能够监控动物生产、以精准到以个体为观测单位的体况和行为，自动跟踪后裔的谱系，设备的使用和状态; 和（或）雇员的效率。结合这样信息的计算机系统具有大大增加管理者监控设备和工作人员发挥效用的潜力。
　　采用现代信息采集技术，以计算机（单机）或计算机网络系统( intranet/Internet)为基础，对上述奶牛场各种各种个体参数，环境参数等饲养管理信息存入计算机数据库作为饲养管理的基础信息，对这些基础信息数据的变化规律进行分析，可进行母畜发情监测、生产性能及生理健康状况检测，后裔谱系自动跟踪，并依据采集的奶牛个体信息，实施按奶牛个体制定日粮的饲养方案或补料计划，通过对奶牛实施精细饲养，可以最大限度地发挥个体奶牛的生产水平，包括产乳水平和繁殖效率两个方面。
随着奶牛业的不断发展，养牛业正在从传统的生产管理方式向现代化的管理方式转变，对牛群的管理也正在逐步由传统的粗放型、松散化管理向精养型集约化管理方向发展，这本身就要求对牛群的总体状况有细致的了解，对奶牛的喂养，产乳，繁殖，疾病的预防与诊治有严格的监控，而且，随着我国乳业产业的不断发展，提高奶牛单体产乳量，提高牛群总体经济效益已经是养牛业主要的发展方向，在这种形式下，奶牛场引入计算机管理已成为必然趋势。

　　本文选择了国际上研究开发和推广应用的奶牛场生产管理系统，对其主要特点作简要的介绍，有关更详细的内容，可以登陆相应的网站了解其内容。
——国际上典型奶牛场计算机综合管理系统研究进展
（1）        德国WestFalia公司开发的奶牛群及挤奶间计算机管理系统DairyPlan C21
系统(图10)。该系统在全世界范围内得到比较广泛的应用，支持管理的奶牛头数可达32,000头。DairyPlan C21的主要特色如下：
a)        依靠具有智能的对外围设备的自动控制和自动记录与技术上生产过程有关的性能数据的双重功能，可以轻松地熟知在牛场内发生的一切。
b)        通过软件对生产数据如牛只的行为, 饲料消耗, 挤奶厅的产量等的分析对每头奶牛的生产性能和行为提供持续不断的监测；
c)        根据牛群中特定的动物类别，对每头奶牛作为清晰的评价，为奶牛的繁殖、育种、营养与保健或治疗计划提供早期干预和有预见性的管理。
d)        动物健康总是第一位的。至于在形式上生产性能的高低， DairyPlan C21总是指明了保证得到最佳的产量性能的途径，但同时关心个别的奶牛。


图10   DairyPlan C21 工作示意图
（２）        AfiFarm系统(以色列)
该系统是以色列KIbbutz Afikim公司研制的（图11），系统可以管理的奶牛头数以不超过5,000头为宜。其主要功能特色如下：
1.        建立有完整的育种和个体生态信息的数据库；
2.        遗传学信息数据库；
3.        可产生预期产犊曲线；
4.        可产生预期干奶曲线；
5.        管理各类事件；
6.        在基于参数的基础上，具有自动产生兽医检查计划的功能；
7.        易于产生兽医观察结果报告，包括诊断、药物、处置、计划表和复查等。
8.        以完整的母牛基本信息和在生产过程中采集的信息为基础，具有自动触发事件的智能性，诸如选择母牛、报告、兽医检查和其他目的等。
9.        能便利接受用户的公式，建立交叉的参考数据。
AfiFarm系统目前具有11种语言版本，但还不支持多个牛场的管理，远程数据录入和查询，手持式数据终端及网络化功能等。在未来的版本中，将完善这些必须的功能。AfiFarm目前包括AfiMilk、AfiFeed、AfiAct和AfiSort等4个子系统组成。

图11  AfiFarm系统的主界面
（３）Crystal系统(英国)
该系统是由英国FullFood有限公司研究推出的自动管理牛群的系统。Crystal提供对数据的瞬间访问，使得当接受请求时能按预制程序作出立即的变化。这就允许用户在占有最新信息的基础上通过手指尖就可以管理挤奶系统。
   　Crystal集成了各个管理过程(图12), 如饲养、挤奶、称重、分群、保健和人工授精等，通过采用追加的输入和输出数据的红利进入到其他的主流管理计划和有关的组织中去（如记录牛奶的代理处，牛移动记录）。这为用户提供了有效的记录协调。此外，在系统中，可以预先设置单个奶牛或者每个组的饲养计划（图13），具有灵活性。

图12  Crystal系统工作示意图

图13  Crystal系统中个体或小群体奶牛的饲养计划设置

（４）SAC X-Act controller 计算机控制系统（丹麦）
  该系统是
1.        报警功能
当X-ACT程序发现需要特殊照顾的奶牛时，将会以列表形式及时通告使用者；例如奶牛在产犊时；产奶量或奶质出现较大偏差时；奶牛需要干燥等等。
根据这一显示，用户可以及时预防或提早进行治疗，以获得最佳的效果。
使用者可以调整该通知列表，同时，X-ACT程序允许使用者自己制定需要通告的奶牛的技术参数标准。并可以根据不同的标准进行复查。
用户可以根据需要，选择需要打印的列表内容打印。
2.        监测功能
X-ACT程序利用其特有的算法公式，对其接收到的外围设备采集的数据进行处理，并与数据库中的正确数值进行对比，并将结果进行分析，以判断奶牛和牛奶是否出现异常。
主要监测的数据有：产奶量、饲喂量、牛奶导电率、牛奶温度等等。
3.        奶牛管理功能
通过ID识别、电子计量和MPC2挤奶控制箱，使每只奶牛在X-ACT程序中都有自己唯一的数据库；直接反映每头奶牛的特性及产奶质量。在此基础上，使用者可以对整个兽群进行最大为30组的分组。使兽群信息更加系统，详细。
4.        活动量监测系统（发情期监测）
奶牛发情时，活动量增加为平时的2到3倍。发情时间多介于早上2点到5点，所以人工观察发情效率和可靠行较低。SAC发情期监测系统首先通过ID块记录每头奶牛每天的活动量，当该奶牛进入挤奶厅或补饲机时，信号接收期自动将ID块里的数据接收并传输到工控机里。当奶牛下一次将该对应数据传入系统时，系统自动比较两个数据，如果相差范围明显，计算机和挤奶机控制器面板自动提示管理人员，该奶牛处于强发情期。
5.   SAC X-Act controller 计算机管理系统操作界面
        Daily —— 显示系统日志
        Animal —— 显示牛群总体状况，各组状况，以及个体奶牛的状况，包括：
- calendar and calendar settings —— 日历和日历设定;
- calving —— 产犊情况；
- general data —— 一般的数据；
- activity measurement —— 活动量测定；
- illnesses —— 疾病
        Feeding —— 饲喂
        显示牛群整体及个体奶牛的饲喂水平，包括：
- feed amounts based on predicted lactation curve —— 根据哺乳曲线所要求的饲料水平
- milk-feed table —— 产奶量-饲料对照表
- fixed feed amounts —— 固定的饲料数量
- Feed is dispensed in feeding stations in the barn —— 自动饲喂机的饲料分发情况
        Milk recording —— 产奶记录
显示相关的产奶量，年产量，脂肪、蛋白水平等信息。包括历史记录和当前记录。
        Conductivity —— 牛奶电导率记录
SAC VC-5牛群计算机管理系统界面剪切：

图　SAC 公司研制的NeDop牛场管理系统Internet版本
　　对比以上系统，从计算机系统管理的内容，数据采集的方式，网络和可扩展性，以及针对奶牛的个性化管理和控制方面分析，当属德国WestFalia公司研制的DairyPlan系统最完善，其在全世界范围，特别是在北欧国家应用最为广泛。

王立水

现在中国散户很多，这么好的技术设备很多都用不起

sunmanji

不是理由，富的人先用，积累多了再用！

yuekui001

国产化了，就好了
另外，就想达到同样的目的，就没有省钱的办法吗？
中国的专家要努力啊

sunmanji

共同努力