奶牛信息智能感知与智慧养殖关键技术创新团队
一、 平台简介
内蒙古自治区奶牛信息智能感知与智慧养殖关键技术高等学校研究创新团队立足于内蒙古农业大学机电工程学院和牧草饲料生产全程智能化装备内蒙古自治区工程研究中心，由张永教授创建，团队现有核心成员12人，其中高级职称9人，青年博士7人，博、硕士研究生平均30人/年，形成了年龄及梯队合理的高质量研究团队。团队紧密结合国家畜牧业发展战略和地区畜牧业发展需求，针对目前自治区奶业发展的关键科学问题，以高效、精准、智能为目标，智慧畜牧业为切入点，开展奶牛信息智能感知技术、奶牛行为分析与疫病智能诊断技术、智能挤奶关键技术、粪污资源化利用技术、养殖智能装备研发等研究，推动奶牛养殖装备智能化升级，夯实自治区“粮仓、肉库、奶罐”战略位置。
二、研究方向与标志性成果
团队主要围绕以下三个方向进行了系统性研究，并取得了多项创新性成果。近5年，团队承担各类科研项目共40余项，其中，国家级项目9项；获内蒙古自治区科技进步一等奖1项；获批发明专利10余项，各类标准3项；发表SCI收录论文30余篇，其中TOP期刊发表3篇；出版教材、专著6部，其中主编“十四五”规划教材2部。团队年均培养博、硕士20余人，研究生去向岗位遍及国内科研院校和电力、智能制造等行业的知名企业。
1. 奶牛信息智能感知技术
利用机器视觉技术采集奶牛脸部生物特征信息，提出了一种基于双分支卷积神经网络（TBCNN）的牛脸识别方法。通过从不同角度对牛面部图像进行综合识别，减少姿势变化对识别结果的影响，最终在数据集上获得99.71%的识别准确率。该研究在奶牛溯源确定方面发挥了重要支撑作用，相关研究成果在奶牛身份识别研究领域达到国内领先水平。
图1 奶牛牛面部识别网络性能
利用无线三维加速度传感器采集奶牛肢蹄加速度信息，提出了基于改进子序列动态时间规整算法的奶牛步幅分割方法，开发了奶牛步态特征提取系统。实现对奶牛单个步幅的分割，分割准确率达到97.96%。该成果为奶牛蹄部病变早期检测、行为识别等研究提供技术支撑。
图2 奶牛步态分割及特征提取
使用多台深度相机获取多视角下的奶牛个体深度信息，提出基于三次NURBS曲线拟合的修补方法。通过点云粗匹以及精匹配，构建完整的奶牛体表三维模型，提取测量关键点，并计算奶牛体尺参数，获得的平均绝对误差为46.29mm，平均相对误差为3.95%。该成果为奶牛体况评分及体重测定奠定了基础。
图3 奶牛体表三维重建结果
2.奶牛行为分析与疫病智能诊断技术
利用机器视觉技术采集奶牛图像信息，提出了一种基于YOLOv4网络的多头奶牛姿态估计算法。首先，构建并微调 YOLOv4模型以输出准确的对象框架。然后，提取奶牛的关键点热图和部分亲和场，并基于关键点估计模型将关键点与同一头奶牛匹配。最后，将不同姿势的牛骨骼输入到分类模型中，实现奶牛站立、行走和躺卧等姿势的估计，获得平均准确率为94.62%。该成果对于识别多头奶牛行为具有重要意义。
图4 奶牛姿态估计结果
为提高早期跛行识别准确率，团队进行了系统性研究。首先，利用机器视觉技术采集奶牛图像信息，提出一种基于改进的ViBe算法目标检测方法，以奶牛行走速度为特征变量，构建了基于支持向量机的奶牛跛行识别模型，获得的平均跛行识别率为95.37%。其次，利用薄膜压力传感器测取奶牛蹄部对地面的应力信号，通过先进的智能算法分离支撑相，采用有限模型的极大似然估计，建立了早期跛行预测模型，开发了奶牛早期跛行识别系统。最后，为进一步提高早期跛行识别率，利用佩戴式传感器采集奶牛肢蹄加速度信息，针对损失函数迭代算法学习率固定的问题，提出了动态调整学习率的小批量梯度下降法。该方法以动态学习率更新梯度，通过训练确定最优模型参数，构建了基于改进逻辑回归的奶牛早期跛行识别模型，并获得了91.82%的识别准确率。该成果对于恢复跛行奶牛生产力、降低牧场经济损失具有十分重要的意义。
图5 奶牛姿态估计结果
3.智慧养殖关键技术装备研发
为加快信息技术与畜牧养殖融合发展，推动畜牧业转型升级，研发了基于加速度传感器的奶牛电子项圈，该项圈可以实时采集奶牛肢体活动量、进食量、反刍量等生理指标，实现奶牛早期跛行、发情行为、反刍行为的识别。
（1）可穿戴式加速度测量装置 （2）三维加速度传感器 （3）无线协调器
图6 奶牛电子项圈
针对目前奶牛场粪便资源化利用率较低的问题，团队研制了一种兼具通气、加热与翻堆功能且保温效果较好的智能化畜禽粪便堆肥设备。通过对设备结构与控制系统的设计，实现了堆肥过程中发酵条件的实时控制。
图7 智能化畜禽粪便堆肥装置
针对传统农业装备依赖石油能源驱动的不足，研发一种用于牧场管理的多功能分布式纯电动微型牵引底盘。该装置引入先进的TD3控制策略。
图8 微型牵引底盘装置
团队将继续坚持基础研究与应用研究并举，以基础研究促进应用开发，从应用研究中探索基础研究，科研工作与地方经济发展紧密结合，在奶牛智慧养殖关键技术与智能装备相关领域进行科学研究与人才培养，助力我国北方重要生态安全屏障和农畜产品生产基地建设。
