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张志勇1,2, 曹姗姗2, 孔繁涛3, 刘继芳2, 孙伟2()
收稿日期:
2024-05-13
出版日期:
2025-01-08
基金项目:
作者简介:
张志勇,研究方向为精准畜牧与智慧养殖,E-mail:jsjzzy@xjau.edu.cn
ZHANG Zhiyong, E-mail: jsjzzy@xjau.edu.cn
通信作者:
ZHANG Zhiyong1,2, CAO Shanshan2, KONG Fantao3, LIU Jifang2, SUN Wei2()
Received:
2024-05-13
Online:
2025-01-08
Foundation items:
Key Research and Development Projects of Jilin Province(20240303079NC)
Corresponding author:
摘要:
【目的/意义】 母牛发情监测与鉴定是牧场养殖繁育管理的重要内容,直接决定了牛群发情率等繁殖力指标统计的客观性与可靠性,对持续改进饲养管理方法、提升牛场管理水平、提高牛群数量和质量等工作至关重要。文章旨在为肉牛/奶牛养殖业的科学管理和现代化生产新技术研究提供参考,亦为中国精准畜牧智慧养殖关键技术研发提供理论方法借鉴。 【进展】 在阐述母牛正常发情与异常发情典型特征的基础上,以发情期生理体征和行为特征关键参数监测与诊断为主线,从基于单因子信息处理和多因子信息融合的技术方法视角,系统性分类总结了物联网、大数据和人工智能等新一代信息技术驱动下的母牛发情监测与鉴定技术的研究进展、发展脉络和方法路径。 【结论/展望】 从系统实用性、稳定性和环境适应性,以及设备成本效益、操作简便性等综合多方面因素的角度,探讨了数字畜牧业高质量发展背景下进一步深化研究母牛发情精准感知与智能鉴定技术亟待解决的若干关键问题,包括提高弱发情条件下监测精准性、突破复杂背景噪声中的音频提取与声纹构建技术难题、提升计算机视觉监测技术的适应能力,以及构建多模态信息融合的综合监测鉴定模型等问题,并针对性论述了上述系列问题对当前技术研究带来的诸多挑战。
中图分类号:
张志勇, 曹姗姗, 孔繁涛, 刘继芳, 孙伟. 母牛发情精准感知与智能鉴定技术研究进展、问题与挑战[J]. 智慧农业(中英文), doi: 10.12133/j.smartag.SA202305005.
ZHANG Zhiyong, CAO Shanshan, KONG Fantao, LIU Jifang, SUN Wei. Advances, Problems and Challenges of Precise Estrus Perception and Intelligent Identification Technology for Cows[J]. Smart Agriculture, doi: 10.12133/j.smartag.SA202305005.
表1
基于多因子信息融合的发情监测与鉴定相关研究
文献 | 年份 | 融合因子数据 类型 | 监测设备类型 | 决策方法 | 研究结果 | 样本量† |
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田富洋等[ | 2013 | 活动量和肢端体表温度 | 腿部穿戴式监测设备(具备活动量与体表温度监测功能) | 学习矢量量化神经网络 | 模型准确率达100%,发情预测率可达70%以上 | 5/25 |
寇红祥等[ | 2017 | 活动量和阴道黏液电阻值 | 腿部穿戴式设备(计步器)、发情排卵仪 | 统计分析法与阈值检测法 | 发情检出率100% | 19/20 |
Gu等[ | 2017 | 爬跨行为和活动量 | 视频监控、腿部穿戴式设备(计步器) | 视频图像分析(图像熵、最小包围盒面积等)结合活动量数据的融合决策 | 发情行为识别准确率≥80%,漏检率最低为3.28% | 3 476/400 |
Minegishi等[ | 2019 | 活动量和反刍时间 | 颈部穿戴式设备 | 逻辑回归模型与阈值检测法 | 结合活动和反刍时间数据的模型在预测发情方面表现最佳,尤其是在冬季条件下。敏感性≥80.4%,特异性≥98.8%,阳性预测值≥71.9% | 1 462/300 |
Fauvel等[ | 2019 | 活动量和体温(瘤胃环境温度) | 颈部穿戴式设备、瘤胃温度传感器 | 局部级联继承算法 | 测试集F 1分数为68.9%,能够有效检测静默发情事件 | 671/125 |
Higaki等[ | 2019 | 阴道温度和阴道电导率 | 侵入式无线阴道传 感器 | 机器学习算法(决策树、支持向量机和人工神经网络) | 人工神经网络(最佳模型)敏感度和精确度均达到94% | 17/17 |
Cairo等[ | 2020 | 采食和饮水行为 数据 | 电子饲料槽和水槽 | 机器学习算法(广义线性模型、人工神经网络和随机森林) | 可对发情事件提前6小时或者12小时进行有效预测,且人工神经网络模型与随机森林算法均具有较好的效果;在即时预测方面,人工神经网络效果最佳,敏感性100%,特异性93.2%,准确性96.5%,阳性预测值93.4% | 99/57 |
Wang等[ | 2020 | 位置和行为参数 | 颈部穿戴式设备、视频监控 | 主成分分析与机器学习算法 | 使用0.5小时时间窗口的反向传播神经网络算法监测效果最佳;其灵敏度93.12%,精确度85.71%,准确度≥88% | 265/12 |
Benaissa等[ | 2020 | 位置和行为参数 | 颈部穿戴式设备 | 逻辑回归模型 | 将多传感器结合使用效果最佳;其灵敏度85%~90%,精确度87%~93% | 未知/12 |
Perez Marquez等[ | 2021 | 体温(外阴皮肤温度)和行为数据 | 红外热成像相机 | 统计分析与相关性分析,广义线性混合模型 | 最优组合(Res IR VtailPM-S-hipAM-S-hipPM)效率77%,诊断优势比26.62,阳性预测值90%,特异性97%,Youden J指数0.32 | 未知/18 |
Schilkowsky等[ | 2021 | 身体活动水平和反刍时间 | 耳部穿戴式加速度计传感器 | 系统内部未知算法 | 在所有发情且排卵的奶牛群体中,系统敏感度92.5%,特异性91.7%,阳性预测值99.4%,准确度94% | 190/216 |
Higaki等[ | 2021 | 体表温度和行为指标(平均活动强度、站立时间和姿势变化等参数) | 尾部穿戴式设备(集测温与行为数据记录于一体) | 机器学习算法(决策树、支持向量机和人工神经网络) | 支持向量机(最佳模型)敏感度92.0%,精确度54.8% | 25/13 |
Yildiz等[ | 2021 | 活动量数据和养殖环境数据(如温度、湿度等) | 计步器、环境温湿度监测仪 | 不同拓扑结构的人工神经网络、尺度共轭梯度反向传播算法等 | 最佳模型准确率≥99%,敏感性为10.32%,精确度为63.34%,F 1分数为0.177 5 | 184/78 |
Kim等[ | 2023 | 体温(瘤胃环境温度)和身体活动量 | 瘤胃胶囊传感器、植入式三轴加速度计 | 单因素方差分析法、卡方检验 | 正确预测发情的比例为88.2%,误预测率为11.8% | 未知/125 |
Mortazavi等[ | 2023 | 牛奶中挥发性有机化合物成分(如甲烷、氨气、硫化氢等) | 挥发性有机化合物传感器(电子鼻技术) | 机器学习算法(主成分分析、线性判别分析和人工神经网络) | 人工神经网络分类准确率为91% | 34/46 |
Cheon等[ | 2023 | 活动量和爬跨行为 | 颈部穿戴式设备 | 逐步判别分析法 | 两小时时间段内记录的活动和爬跨行为在发情接近时显著增加;结合活动和爬跨行为可提高韩牛发情检测率 | 8/20 |
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