虚拟体验式生猪疾病培训系统

陈 洪，王 庆，朱德海，蒙明枭，唐盛松

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 海淀 100083）

1 引言

培训系统是以传播知识，提高技能为主的教育方式。我国农村人口众多，教育水平低下成为制约农业快速发展的原因之一。为了加快农业发展，提高农业生产力，农民培训势在必行。然而，中国的农民培训存在诸多问题，例如，表现形式单一，缺乏针对性。有些农民培训活动还是以传统的课堂讲授，或者是向农民散发资料为主，不利于激发农民学习的积极性。考虑农民对知识理解和接受的方式不同于传统教学模式，一些研究提出一种基于游戏化任务的体验式农民培训方法。

计算机和虚拟现实技术的快速发展带动了全球的信息化革命。基于虚拟现实技术进行农民培训具有一定的研究价值，但也存在诸多问题，例如如何模拟虚拟牲畜成长过程、如何评价等等。本文基于游戏引擎开发一个面向农民培训的体验式生猪疾病治疗培训系统，用来模拟种植生猪养殖以及疾病治疗过程。

2 系统设计

本文提出的培训系统是基于游戏引擎作为开发平台，以表现层、控制层、逻辑层和持久层四层架构实现培训内容、知识逻辑与人机控制功能相分离，如图1所示。

图1 虚拟体验式生猪疾病农民培训系统四层架构

2.1 开发平台-游戏引擎 游戏引擎是指一些已编写好的可编辑电脑游戏系统或者一些互交式实时图像应用程序的核心组件。这些系统为游戏设计者提供各种编写游戏所需的各种工具，其目的在于让游戏设计者能容易和快速地做出游戏程式而不用从零开始。游戏引擎提供的基本功能，如渲染引擎、物理引擎、音乐音效、脚本引擎、网络引擎以及场景管理等。

2.2 培训系统四层架构 本系统采用4层架构如图1所示。其中，持久层，又称存储层，是通过机器中的文件集合来对系统的关键数据进行存储。逻辑层承担系统的运行逻辑，支撑培训内容，是科学知识的理论基础，逻辑层实现了知识的独立，满足了对原有科学知识的进一步扩充需求。控制层包括系统行为、用户行为和其他行为等。其中，系统行为指系统的数据更新或系统状态转换；用户行为指培训者交互操作；其他行为指系统参数设置或属性修改。控制层的分离可以降低系统复杂度，与系统和用户行为的分离可以实现软件复用，便于维护开发。表现层是最终用户感官上的表现，包括用户界面及声音等，同时还包括特效处理，如料子效果、模型特效等。

3 虚拟猪生长及疾病治疗计算模型

系统中采用爱丁堡虚拟猪生长模型来支撑运算，其中参数集组成包括猪仔品种信息、饲料信息以及环境信息。其中猪仔信息有：（1）Max PD，蛋白值最高沉积率，因品种而异。（2）Weight，猪初始体重（由5部分组成，water水分，protein蛋白质，ash灰分，fat脂肪，消化道内容）。饲料信息则包括：（1）DE，消化能；（2）DCP，可消化粗蛋白。（3）BV，蛋白质的生物学价值。（4）消化率。（5）Amount，日粮重量。环境信息主要指圈舍的最适宜温度。

饲养过程中，健康猪随着体重增长，体内各部分含量也满足图2中模型所示。其中横轴为猪的活重（单位：kg），纵轴为各成分含量（单位：kg）。

当健康猪饲养不当或某种随机事件发生时，系统就会暴发疾病。其中疾病以寄生虫类为例。模型相关参数包括：疾病信息，例如暴发几率、患病程度、体重日损影响因子、易患初始日龄以及结束日龄、对应药物等，以及药品信息，如药品名称、价格等。另外还有猪圈信息，例如猪圈清洁程度、清洁度日减量、消毒程度以及日减量、圈舍温度、气温等。

图2 健康猪各成分的重量随年龄及活重增长情况

疾病模型参数之间的计算关系如图3所示。通过疾病信息中的暴发几率参数和圈舍信息中的清洁消毒相关参数度，系统计算是否暴发疾病。在时间轴的推动下，根据圈舍日变化情况以及农民操作（是否采用药品以及是否清洁消毒猪圈等）来判断疾病是否治愈，同时根据患病程度和疾病信息中日损体重参数来计算当前猪的体重等相关信息。

图3 猪疾病治疗计算模块

4 系统模块组成

培训系统以养猪及常见疾病的治疗为主要内容。其中包括猪生长模块以及疾病治疗模块组成。猪生长模块是基于爱丁堡虚拟猪生长模型而设计的，如图4所示。

其中，农业专家可以通过界面输入猪仔和饲料相关参数信息，例如某种饲料的蛋白质生物学价值、消化能、以及可消化粗蛋白以及某种品种的蛋白质沉积率、生长最适宜温度以及初始体重。农民则通过饲养操作模块提供的交互操作来实现虚拟喂养过程，例如：设定圈舍温度、输入每日饲料的总量、根据系统提供的基础饲料来配比、打扫圈舍等。模块中的核心部分是每日计算体重增重，得出蛋白质增量、脂肪每日增量以及体重每日增量。

图4 虚拟健康猪生长模块

在健康猪生长模块的基础上，系统添加了疾病治疗控制模块，如图5所示。图中药物信息模块中药品名称、简介和价格同样由农业专家输入。同时，专家还需输入常见的几种疾病信息，例如对应该疾病的治疗方法，即采取何种药物以及疾病的传播率和暴发几率。而农民饲养过程中的交互操作影响猪健康程度的判断，例如猪圈的温度、清洁度以及是否经常消毒等。当发生某种疾病时，农民需根据系统中关于药品的信息帮助来采用合适药物进行治疗，操作的正确与否同样决定了猪健康的判断。另外，在病猪未治愈的阶段，体重也会受到影响，系统会自动计算期间造成的体重、蛋白质以及脂肪的损失。

图5 猪疾病治疗控制模块

5 系统实现及界面

系统关于疾病的核心对象关系如图6所示。

图6 猪疾病对象关系图

其中Neat为清洁度对象，它包含于每个Pig Disease House里，负责猪舍清洁度的数据存储以及逻辑实现。Pig Disease House为圈舍疾病管理对象。PigInfo为猪舍里个体猪对应的疾病信息对象。Pig Disease Manager为更上层的管理对象。

另外，Pig Disease House同时还与分别保存猪疾病属性Pig Disease和药物属性的对象Pig Drugs的进行交互，以至完成逻辑计算。

主要界面如图7～11显示。

图7 猪舍状态查询

6 结语

体验式培训以游戏化任务为驱动，提供了知识技能的应用情景，同时知识表述多样化、趣味化，可以培养农业知识的综合运用和技能掌握，适合于农民生产生活实际，具有很大的应用前景，同时也为体验式学习培训系统应用于其他领域提供了参考。此外，使用先进的游戏引擎技术开发培训系统，也是互动式教学模式的一次大胆尝试。

图11 专家输入药品信息参数

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