石山壅羊精细养殖管理平台开发与应用*

肖 强，万 田，王 龑，罗清尧，杨 亮，熊本海※

（1海南中海网农科技有限公司，海口570100；2中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京100193）

0 引言

石山壅羊是目前保持海南黑山羊最原始的母本，是黑山羊较为珍稀物种之一。目前该物种主要饲养在海口市秀英区石山镇，成为石山镇服务社会经济发展的地理标志物种［1］。随着资源、环境及劳动力供求的压力增加，养殖设施化技术快速发展［2］，壅羊的饲养方式逐渐改变，设施饲养羊只的比例不断扩大，尤其是在养殖业较发达地区。自2016年以来，内蒙古、新疆、宁夏等地方政府建立了肉羊产业技术创新团队，肉羊的规模化、标准化养殖正逐步推进，个别地区如内蒙巴彦淖尔市肉羊规模化养殖比例高达69%［3］，而且有继续增加的趋势。随着禁牧休牧政策的实施和推广，传统以放牧加补饲为主的饲养模式逐渐转变为圈养舍饲为主的饲养模式［4-5］。养殖模式的改变，对生产管理尤其是种畜的管理提出了新的要求，不能停留在静态的电子表格的管理层面，必须按2007年农业农村部颁布实施的第67号令《畜禽标识和养殖档案管理办法》，对家畜实施以个体标识为切入点的精细化管理［6］。对于规模化壅羊场，如果精细化管理落后，如不能预测或鉴定发情，错过最佳配种时间点，将影响种羊繁殖力、服务年限和综合经济效益。管理好一个种羊场，尤其是其中的繁殖群体，具有一定的技术难度，因为壅羊个体不断发生各种生理生长状态的变化，且个体差异较大，必然走数字化甚至智能化及远程化管理模式，在积累大量的基础数据后，通过业务逻辑模型，进行不同目的的比较分析，及时从繁殖群体中定位异常个体或群体性问题，并进行隔离、分群、转群、调换饲料、繁殖控制以及淘汰等决策，才能保持羊群的正常繁衍与生产［2，7-8］。因此，文章以建立壅羊场模型和壅羊个体建档为基础，利用数据库技术，从壅羊的发情、配种、产羔、哺乳、干奶等个体或群体行为出发，建立数据整合与分析平台，达到基本数据保存、羊群各项参数在线分析的目的，最终建立数字化、智能化的石山壅羊精细养殖管理平台。

1 系统设计与开发

1.1 数据表结构

开展种羊群个体或群体的信息化管理与智能预警，必须以建立壅种羊基本信息及繁殖事件的元数据标准为基础，设计记录不同属性数据集的数据表，从而形成系统数据库，以此作为开发网络平台的数据基础［7，9-10］。

种羊数据表包括繁殖场名、羊ID号、胎次、性别、品种名称、父号、母号、出生日期、入群日期、出生地、在群否、配种员、记录人等必要信息，其他相关信息如羊只分类、双胎否等可作辅助。

母羊产羔数据表主要包括繁殖场名、羊ID号、胎次、配种日期、产羔日期、羔羊编号、羔羊性别、羔羊体重、配种员等。

1.2 母羊类型划分

根据壅羊种羊的生长及生理阶段的差异、饲养模式特点，该文按种羊全生命周期区分为后备母羊、妊娠母羊、泌乳母羊3种类型，建立数据描述标准。

1.3 近交系数计算

近交系数指一个个体通过它的某一祖先得到在遗传上是完全相同基因的概率，也即形成该个体的两个配子间的相关系数［11］。利用通径系数原理推导，形成个体x的两个配子的相关系数，即x的近交系统（Fx）的计算公式为：

式（1）中，FX为X个体的近交系数；FA为共同祖先自身的近交系数；N1是一个亲本到共同祖先的时代数，N2是另一个亲本到共同祖先的时代数。

1.4 平台功能

根据壅山羊的繁育、产羔、哺乳及健康管理等需求，确定一级功能模块（图1），主要包括数据维护、羊只管理、繁殖管理、哺乳管理、饲料营养、健康管理、数据分析和场内管理8个子系统，每个子系统的具体功能如表1所示。

图1 壅羊精细养殖管理平台功能架构Fig.1 Function Infrastructure of precision feeding management platform of yong goats

表1 壅羊精细养殖管理平台系统功能设计Table 1 Function design of precision feeding management system of yong goats

1.5 系统开发环境

该研究在Windows Server 2012服务器桌面操作系统下开发，采用Microsoft SQL Server 2012标准版网络数据库管理系统［12］。该数据库支持云技术、快速构建方案且满足私有云与公有云数据扩展迁移等特点，有利于该研究构建的网络平台开展私有云的计算，与公有云之间数据交换带来便利。系统开发环境采用Mocrosoft的.Net framework 4.6版本，开发语言采用 C#［13］。

2 系统应用分析

2.1 壅羊个体基本信息的数字化管理

以石山镇第一壅羊场的真实数据为例，在通过数据采集系统录入壅羊的基本信息，如编码、出生日期、系谱、繁殖状态信息后，通过模块设计，实现了对养殖档案信息的数字化管理。如图2所示，指定的第一雍羊场的种羊头数317头，在上述BROW浏览页面下，表头的每个字段都是可按升序或降序索引排序处理的，或者在输入筛选条件后，快速提取指定繁殖场及满足不同检索条件下的壅羊种羊基本信息，满足管理者不同查询需求。

图2 壅羊基本信息的数字化管理与条件查询Fig.2 Digital management and inquiry of basic data of yong goats

2.2 对生产运行未来事件的智能提醒

在事先设定的壅羊繁殖基本理论参数的前提下，在记录每头壅羊的基本信息、配种信息、孕检信息、产羔信息的条件下，按繁殖生产理论，随着日期的变化，可以预测种羊个体或群体将要发生的事件并提前做好生产安排及必要的耗材准备。因此，系统“今日提醒”的功能模块，实际上是对当天或者将发生事件的预警。内容包括：发情配种、初检复检、产羔泌乳、干奶、淘汰及羔羊断奶等提醒，当预警与实际发生出现差异时，就要排查原因。

该研究以壅羊的生理及生产特征为基础，设定壅羊生产的繁殖理论参数共13项（图3），用于提醒淘汰参数6项（未列出），共19项。利用以上参数及该生产种羊的预设繁殖理论参数，开展各种繁殖性能参数分析以及对未来事件进行动态预警。

在图1所示的“场内管理”模块下设置了二级模块——“今日提醒”，选定后可得到预警分析结果。如图4所示“第一雍羊场”分析得到的数据既可以直接显示，也可以导出到excel表。在图4中，选定“发情配种”后，提示可配种的壅羊达到121头。当未淘汰超龄羊，将其继续留在群中时，系统默认为可配种。如果按“淘汰”作进一步分析，发现有23头高胎次（6胎以上）羊应被淘汰。必须指出提示或预警的数据是否反映真实情况，与录入数据的准确性、完整性有直接关系。

图3 壅羊繁殖理论参数及生产提醒参数Fig.3 Setting of breeding parameters and warning events for yong goat production

图4 指定繁殖场至查询当天的发情配种提醒Fig.4 The inquired coming estrus breeding on a special herd

2.3 基于种羊个体或群体的近交模拟预测

当一个种羊场运行一段时间后，如果选配不当，容易出现较早近交，导致品种性能的退化。而当种畜的数量不断增加，每年后备母羊不断留种入群，如果管理不当，容易造成系谱混乱，过早近交。因此在图1所示的“繁殖管理”下提供了“公羊近交预测”的二级模块，如图5所示，选择“第一壅羊场”，从中选取号为“9745”公羊且与317头母羊模拟配种后，计算可得模拟子代的近交系数，近交系数越大，表示近交情况严重（通常近交系数可能出现0.25，0.187 5，0.125 0，0.062 5及0.05等5种），近交系数为零则代表非亲缘杂交。相反，若选择一头种母羊，如果系谱资料齐全，系统也提供了“母羊近交预测”模块，计算与之可交配的种公羊的模拟子代的近交系数。

2.4 壅羊个体资料卡的动态合成

特定的种羊个体入群后不断繁育与生产，不断产生时空状态数据，但这些数据分别存放在多达20多个数据表中，因此需要经常临时整合到同一个表中，这张表就是“母羊资料卡”（图6），主要包括来自不同数据表中相同个体信息。由于壅羊个体随时可能发生变化，壅羊资料卡及数据库也应是动态的。如图6所示，该模块具有强大的数据集成功能，可集成种羊基本信息及繁殖、转群、健康、谱系及后裔信息等。当要售出某个种羊个体时，从该系统中打出它的资料卡提供给买主，便于销售过程中种羊信息的顺利传递。

图5 公羊近交模拟预测Fig.5 The output results of inbreeding indexes for a selected ram

图6 制定母羊资料卡的动态输出Fig.6 The dynamic output of the whole data card of a special ewe

2.5 典型群体数据的可视化分析

规模化种羊场的数据日积月累后，对数据选择性提取与挖掘分析的需求不断突显。可视化分析实际上是将各种指标的状态数据，按照一定计算模型处理后形成以时间轴为基础的繁殖性能参数。该系统可根据数据库记录的壅羊繁殖与生产记录，在线分析种用壅羊的多个群体性能参数，如繁殖率、胎间距、胎次结构等，如图7所示为第一壅羊场的母羊胎次结构。理论上讲，种羊群的胎次结构有一个合理的比例，不合理的结构为精细化管理指明改进的方向。

图7 指定繁殖场繁殖种母羊的胎次结构Fig.7 The parities profile of breeding ewes for a special herd

3 讨论

3.1 唯一性编码

羊只的编码在一个场内应具有唯一性。在该系统启用前期，系统还保留了每个场原先内部的编码，虽然在场内具有唯一性，但编码有长短之分不规范。在过渡时期可行，但对于新生留种的或从外场购入的种羊就要按农业部第67号令［6］采用15位唯一性的数字编码。此外，还要考虑今后采用电子耳标如低频RFID耳标情况，采购的耳标一般带有符合ISO11784［14］的事先写入的编码。例如，无锡富华科技有限公司的RFID标签，其编号获得国际动物标识协会即ICAR组织的授权，15位编码的前3位为“991”，也是ICAR特地授权给无锡富华公司的编码独享码，而且这样的符合ISO11784的编码在全世界是唯一的。

壅羊的繁育生产是一个周期性的生产行为，不断发生生理与生长阶段的交替变化，尤其是围产期的生理不断发生巨大变化，不断产生繁殖状态及生产过程数据。所有事件及过程均通过每头壅羊的唯一编码建立关联，例如公羊或母羊的资料卡就是通过ID号关联不同数据表中的状态数据而产生的。

3.2 数值辅助分析

巨量的繁殖状态及泌乳数据，只有靠更具模块化和复杂化的计算程序才能深入挖掘其价值［15-16］。如可选择图4所示的功能模块，实现有选择地从基础数据库中调出符合要求的羊只记录，帮助生产管理人员迅速定位需要处理的羊只（群）。事实上，该系统还包括大量的分析功能模块，如分析“胎间距”、“应配母羊”、“胎次结构”等。此外，该系统中所有显示字段（数值型或字符型）都可进行正反向排序。将索引排序数据导出后再次排序，便可获得理想顺序的排序表，以便管理人员进行基本系统管理。这些功能在熊本海等［17，19］、肖建华等［19］及杨亮等［9］开发的家畜数字化管理系统有部分考虑，但整体设计上没有考虑全面，排序的多元组合便利，特别适合大规模的种畜场临时性的排序要求。而在 ALPROTM［20］，Afifarm［21］及 Agritec［22］等系统中未见实现。

3.3 可视化分析

保持每年对壅羊群中母羊年龄和胎次结构的更新与调整，是稳定种羊群生产量的必要途径。有报道包括羊在内的繁殖家畜群中，1～2胎母羊所占比例为40%左右，3～5胎为40%左右，6胎及以上为20%左右［23-24］的繁殖家畜群体相对合理。在图7所示的3个胎次区间的壅羊种群中，1～2胎比例为45.8%，3～5胎为38.2%，6胎及以上为16.0%。数据显示第一壅羊场的母羊胎次比例总体上相对合理，但1～2胎次比例偏高一些，3～5胎次比例略低一些，6胎及以上胎次比例偏低一些，表明高胎次羊淘汰较多，可通过提高管理水平及壅羊的健康水平，延长种母羊的利用年限，可使群体胎次结构趋于合理。对其他过程参数的可视化分析，可同样获得有分析价值的图表。

3.4 平台拓展性

精细养殖管理平台的研制与运行，主要用于整合壅羊繁殖泌乳等基础数据，从技术及管理层面上服务于壅羊的繁育生产。但是，繁殖性能参数还必须与经济性能评价指标融合起来，以此维持养殖场的高效运行与管理，才会产生数字经济的增值效果。为此Bjørn等［25］，K.Mertens等［26］基于操作变量、策略变量两方面，构建经济学领域的线性规划模型，引入相关参数（如原来价格、畜群规模、泌乳量等），建立模型评估奶牛场运行效益，并用实际数据验证模型精度及可行性。郑国生等［8］、熊本海等［18］及张德敏等［27］通过关联牛群管理模式与提高繁殖率，制定了牛场数字化管理规范，再利用体重预估模型，预测每头奶牛的TMR（Total Mixed Ration）需求量。肖建华等［19］则基于计算机技术与繁殖理论模型，综合考量牛群繁殖参数监测和繁殖场整体运行状况。基于现有技术与特定经济目标进行平台管理策略制定将是今后规模化壅羊场数字化网络平台升级开发部署的方向。

4 结论

壅羊场的数字化管理是以其繁殖生产过程状态参数的数字化定义为切入点，以繁殖理论参数界定为驱动力，通过统计基础繁殖数据，计算分析繁殖个体及群体各性能参数（如羊群的受胎率、空怀率、漏情率、繁殖率、死淘率及胎次结构），多角度分析羊群繁殖状态。虽繁殖理论较固定，但智能提示参数可根据需求设定，系统还提供了统计数据的可视化分析功能，渲染了关键数据的变化趋势，更有助于管理者判断并做出科学的决策。