智慧畜牧服務及關鍵技術研討范文

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《青海畜牧獸醫雜志》2018年第2期

摘要：云計算和大數據已從概念走向應用，窄帶-物聯網（NB-IoT）、人工智能和區塊鏈等技術廣受關注。本文從政策背景和傳統畜牧行業存在的問題和需求入手，提出融合上述五大技術的智慧畜牧服務總體方案，并給出服務平臺總體技術架構，并進一步結合智慧畜牧提供的核心服務對涉及到的關鍵技術進行分析闡述。

關鍵詞：NB-IoT；區塊鏈；大數據；云計算；人工智能；智慧畜牧

1引言

在科學技術的推動下，農耕文明經歷了3次飛躍：傳統農耕時代，牲畜成為主要生產工具；農業機械化時代，牲畜變成重要生產對象；農業信息化時代，智慧畜牧開啟新的篇章，農業信息化成為畜牧業革命性的助推器。中國是人口大國，13億的“人口紅利”曾經推動了我國經濟的高速發展。如今，“人口紅利”消耗殆盡。同時，我國也是農業大國，主要牲畜的存欄規模超過10億頭，其中牛、馬、駱駝等大型牲畜的存欄規模超過1.2億。隨著“智慧畜牧”、“智慧養殖”等物聯網應用的大規模發展，中國的信息產業將迎來“牲口紅利”的新一波增長浪潮。“牲口紅利”將成為農業經濟發展的重要支柱。農業信息化時代，中國將獲得重新超越的新機遇。與此同時，《中央一號文件》、《全國農業現代化規劃》、《“十三五”全國農業農村信息化發展規劃》等國家政策的接踵而至，“智慧畜牧”將迎來快速增長和蓬勃發展。更重要的是，物聯網、云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等技術的出現及逐步落地應用也為構建智慧畜牧服務奠定了堅實的技術基礎。

2畜牧行業存在的問題及需求分析

當前大型牲畜牧養方式主要有放牧飼養（放養）、舍飼飼養（圈養）、半放牧半舍飼養（半放養）3種，大型畜牧企業的主流方式是半放牧半舍飼養。目前，在畜牧養殖、消費和監管等多個環節都存在痛點，智慧畜牧需求將覆蓋畜牧業的“全流程”。（1）養殖環節存在人工成本高、風險大、看管難等痛點傳統放牧方法需要牧人成天跟隨、放牧成本高、風險大。牛、馬、駱駝類大型牲畜更易走散、走失或被盜，且追蹤、尋回困難，特別是出現惡劣天氣時，如不能及時找回牲畜，更易出現走失、意外死亡等情況，同時惡劣天氣也讓牧民放牧生活更加艱難。在大范圍規模化放牧場景，牲畜回欄數目統計難度較大，且無法監測到每頭牲畜的基本生命體征，對于生病、亞健康或落坑的牲畜，檢測難度大，耗費的人力、物力多。一方面，一些牧民為了減少牲畜意外死亡導致的損失，購買牲畜保險，但通常保險公司對于“死不見尸”情況是免保的；另一方面，一些牧戶為了騙保，將牲畜故意殺死謊報保險賠償。這些情況的存在導致保險理賠的糾紛不斷，也影響了牧戶和保險公司畜牧投保的積極性。（2）消費環節缺乏直觀可信的綠色溯源途徑，消費者/認養者難以為產品增值服務買單“綠色產品”一度泛濫，以次充好導致國民消費信任危機。中國企業一直缺乏一種直達認養者/消費者心底、打消其消費顧慮的手段，畜牧行業也是如此。產業鏈龍頭企業或畜牧養殖企業，如何向認養者/消費者提供一種從牲畜出生、放養、防疫、出欄、加工、消費全環節的透明開放式展示手段，以實現其產品的有效增值，這個問題不僅困擾著畜牧相關企業，也困擾著消費者/認養者。消費者/認養者從不知道自己買來的牲畜肉品到底來自哪里、是什么品種、是否散養吃草、是否健康安全等信息，而因為沒有這些直觀有效的數據可供查詢，消費者/認養者不愿意為更高的牲畜肉品買單，養殖企業也很難獲取應有的利潤。（3）監管環節缺乏切實有效、高效便捷的信息化手段目前，畜牧廳局對畜牧業的數據采集主要采用人工統計的方式，耗時耗力且關聯性分析難，對畜牧業的數據統計來源分散、相對粗略，也無法準確對比國內、省內各主要牧區的畜牧情況，難以相互協調，使得牧場輪休等統籌安排難度加大，造成資源利用不科學，整體行業效率下降，整體上缺乏科學規模化的監管手段。同時，缺乏從出生、出欄、加工、消費環節有效一致的牲口身份標識數據，對肉品質量監督溯源難。

3總體方案及技術架構

針對上述痛點，基于移動互聯網、物聯網、大數據、云計算、區塊鏈和人工智能等新技術，結合中國電信燈塔大數據能力，通過養殖環節牲畜和牧場的各位數據采集、控制、分析處理、存儲、可視化，實現掌上放牧、綠色溯源、科學監管等業務功能，幫助牧民和養殖企業利用信息化手段降本增效，幫助畜牧生產經營企業和保險企業提升產品附加值，助力政府實現畜牧行業科學監管。智慧畜牧服務總體方案參見圖1。基于成熟的中國電信燈塔大數據平臺能力，從養殖環節牲畜和牧區物聯大數據切入，結合中國電信自有行業大數據積累和政府畜牧大數據，打造可適配多種應用場景的彈性智慧畜牧服務平臺。圖2中從下往上各層技術能力說明如下：（1）物理設施層：負責采集和通信，包括各種物聯終端（牲畜的穿戴式物聯終端、牧區埋植式物聯終端等）、移動終端及通信網絡等。（2）云資源池層：基于電信自有云資源池部署，便于按業務需要彈性擴充。（3）Docker服務層：具有良好的資源隔離能力，同時又有很低的虛擬化開銷，可以滿足客戶的定制化應用的快速部署需求。（4）資源組件層：部署了業務數據采集、處理、分析、持久化所需的各類計算、集群、存儲組件。（5）核心能力組件層：部署了支持上層應用所需的通用能力組件，主要是多個項目積累下來的核心算法和業務模型，包括地圖引擎、實時計算、關聯挖掘、數據可視化、流式ETL、機器學習等。（6）應用服務層：面向業務的層，側重于可視化和用戶體驗，可根據底層能力組件和客戶需求按需提供。其中，API接口包括對外的能力開放，也包括一些內部前瞻性技術研發成果的輸入能力，如區塊鏈提供的可信溯源能力及AI提供的畜臉圖像識別能力。隨著這些能力的不斷成熟，也將逐步納入到核心能力組件層。

4核心服務與關鍵技術分析

該智慧畜牧服務，從平臺技術架構上可以看出有機融合了人工智能（ArtificialIntelligence）、區塊鏈（BlockChain）、云計算（CloudCompute）、大數據（BiGData）和物聯網（InternetofThings），具體參見圖3。本文將基于解決的問題和平臺核心服務闡述涉及的關鍵技術。

4.1NB-IoT、AI技術在智慧畜牧上的應用分析

低功耗、低成本、長待機、廣覆蓋、低流量的需求催生了NB-IoT技術的出現。NB-IoT系統具備深度覆蓋、低功耗、低成本和海量連接四大優勢。中國電信已在國內建成全球首個覆蓋最廣的商用新一代物聯網（NB-IoT）網絡，并具備規模最大、范圍最廣、頻段最優三大優勢。在“智慧畜牧”上應用NB-IOT可謂珠聯璧合：智慧畜牧的關鍵是對養殖過程中各類數據的采集及控制，如健康監測、駱駝定位、全程溯源等應用，物聯網是該類應用的重要基礎設施。在傳統的組網模式中，通常傳感器或物聯網終端通過短距無線通信接入網關，同時網關再通過有線或2G/3G上聯應用服務器。在應用中，往往存在偏遠地區供電受限、局域網絡部署不靈活且維護成本高、部分地區無線信號覆蓋問題、海量終端接入管理成本高等問題，NB-IoT的出現很好地解決了以上問題。首先，NB-IoT直接部署到單體目標，無局域組網問題，同時低功耗特征又可以避免供電問題；其次，NB-IoT網絡支持海量終端接入并支持遠程跨域管理；另外，在低頻段部署的網絡信號覆蓋好，并且可以根據物聯網應用分布進行優化；最后，該類組網有利用采用云服務進行數據匯聚，也有利于后續政府監管及保險監控。AI技術是一門既古老又熱門的技術，其研究領域包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等，這些領域的核心是深度學習（DeepLearning）算法，這也是智慧畜牧中基于視頻圖像的畜臉識別分析的基礎。針對養殖環節的牲畜易失、易盜、看管難、養殖成本高等問題，智慧畜牧服務利用NB-IoT物聯網技術采集牲畜、牧場數據，與牧場視頻數據一起上傳于云計算服務平臺，在實現遠程放牧的同時，基于AI視覺技術，將畜臉或身體側紋作為牲畜唯一標識，結合業務場景收集數據并對數據做進一步分析挖掘，可實現牲畜養殖精細化管理，包括采食次數的獲取與分析、奶牛飲水次數的獲取與分析，以及奶牛采奶次數、產奶量的采集與匹配等（見圖4）。另一方面，依據牲畜歷史數據及實時采集的病畜圖片AI分析，為牲畜健康檢測提供有效手段。

4.2區塊鏈（BlockChain）技術在智慧畜牧上的應用分析

區塊鏈也叫作分布式賬本，是一種互聯網數據庫技術，它是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式，具有去中心化、信息不可篡改、公開透明、集體維護性、可靠數據庫等特點。近些年，由于食品安全（瘋牛病、口蹄疫、禽流感等畜禽疾病，以及嚴重的農產品殘藥、進口食品材料激增等）危機頻繁發生，引起了政府和民眾廣泛關注，同時政府也針對食品安全建立追溯體系，但因生產、養殖、加工、運輸、經營等環節信息處理的不透明性和易篡改性，民眾對追溯體系存在不信任感。區塊鏈具有信息不可篡改、公開透明、集體維護性等天然特性為食品綠色可信溯源帶來新的思路。在養殖環節，通過將穿戴于牲畜的物聯網設備產生的數據與區塊鏈平臺進行對接，可以真實地記錄養殖過程中牲畜地理位置、生長牧場環境等信息，利用電信積累的大數據處理技術并自主研發的改進貝葉斯和泊松分布算法，通過計算牲畜的軌跡和運動量等數據，進行疾病預警，形成可信生態指數，確保肉品的綠色有機；在生產加工環節，通過RFID和PDA采集數據，可以實現對商品的密封和精確標識，數據存入區塊鏈時對時間和位置同時記錄；在消費環節，通過物聯網+區塊鏈對食品在銷售前進行確權登記，實現產品預售盤活流動資金。消費者通過掃碼，可實現原料采集、生產包裝、檢驗資質、物流運輸、商店銷售、產品防偽溯源信息全程追溯。區塊鏈技術應用于智慧畜牧不僅幫助養殖企業通過打造高端消費品品牌提升消費品價值，也可幫助政府和消費者構建可信食品溯源。區塊鏈不僅可提供綠色可信溯源，同時針對養殖環節牲畜保險糾紛多、理賠說不清等難題，智慧畜牧服務提供可信軌跡回放及數據查詢等功能，也為保險理賠提供切實有效的證據。

4.3大數據和云計算等技術在智慧畜牧上的應用分析

早在2014年，大數據在國內迅速發展，大數據在公共服務中的政務、交通、醫療、教育、農業等多個領域得到廣泛應用。中國電信早在大數據起步階段就加強了對大數據技術的研發與應用落地建設，中國電信燈塔大數據已經了許多的大數據產品，推出精準營銷、風險防控、區域洞察、咨詢報告4類數據型產品和大數據云平臺型產品，重點服務于旅游、金融、廣告、政府、交通等行業。燈塔大數據能力平臺目前可支持秒級完成10億級邊、1000萬級節點的子圖查詢運算，支持100ms級的數據流處理、支持10億級多維數據的24h內基礎演算、支持1000萬級多維數據的秒級查詢展現，為智慧畜牧服務提供了靈活高效的大數據分析、存儲和并發處理等基礎能力服務。云計算技術更是早已步入落地應用的技術，中國電信天翼云提供包含云主機、云服務器、云存儲、對象存儲、CDN、內容分發、大數據、云桌面等服務，該智慧畜牧服務即部署于自有天翼云資源池上。針對監管環節決策難等問題，通過物聯網、大數據、云計算等技術相結合，對采集到的牲畜和牧區數據進行統計擬合分析，輸出各類分析指數、統計圖表，并進行多種形式的數據可視化對比展示，為草原生態建設、高端品牌打造、精細化養殖、產業鏈協同、監管決策等提供科學手段（見圖5）。

5結束語

融合“ABCDI”技術的智慧畜牧服務賦予牧場和草原智能，助力傳統畜牧轉型，在為養殖企業帶來經濟效益的同時，也為政府和民眾帶來了社會效益。隨著AI等技術的進一步發展，可以利用牲畜面部表情、聲音和動作的識別系統，自動評估牲畜生命體征指數，并及時對生病個體進行醫治；也可通過三維視覺智能測重系統，實時監測牲畜體重，及時掌握生長情況，實現精細化飼養，提高養殖效益。另一方面，通過大數據與金融保險相結合，可多維化展示牧民/企業金融畫像，實現可靠的畜牧資產抵押，輕松借貸，可有效解決牧民/畜牧企業融資難等問題，實現畜牧資產數字化、流動化。

作者：1劉國萍；2楊明川；3周路 單位：1中國電信股份有限公司北京研究院云計算與大數據部高級產品經理，2中國電信股份有限公司北京研究院云計算與大數據部主任，3中國電信股份有限公司北京研究院云計算與大數據部產品經理