智慧畜牧服务及关键技术研究

刘国萍 中国电信股份有限公司北京研究院云计算与大数据部高级产品经理

杨明川 中国电信股份有限公司北京研究院云计算与大数据部主任

周 路 中国电信股份有限公司北京研究院云计算与大数据部产品经理

1 引言

在科学技术的推动下，农耕文明经历了3次飞跃：传统农耕时代，牲畜成为主要生产工具；农业机械化时代，牲畜变成重要生产对象；农业信息化时代，智慧畜牧开启新的篇章，农业信息化成为畜牧业革命性的助推器。

中国是人口大国，13亿的“人口红利”曾经推动了我国经济的高速发展。如今，“人口红利”消耗殆尽。同时，我国也是农业大国，主要牲畜的存栏规模超过10亿头，其中牛、马、骆驼等大型牲畜的存栏规模超过1.2亿。随着“智慧畜牧”、“智慧养殖”等物联网应用的大规模发展，中国的信息产业将迎来“牲口红利”的新一波增长浪潮。“牲口红利”将成为农业经济发展的重要支柱。农业信息化时代，中国将获得重新超越的新机遇。与此同时，《中央一号文件》、《全国农业现代化规划》、《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》等国家政策的接踵而至，“智慧畜牧”将迎来快速增长和蓬勃发展。更重要的是，物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链等技术的出现及逐步落地应用也为构建智慧畜牧服务奠定了坚实的技术基础。

2 畜牧行业存在的问题及需求分析

当前大型牲畜牧养方式主要有放牧饲养（放养）、舍饲饲养（圈养）、半放牧半舍饲养（半放养）3种，大型畜牧企业的主流方式是半放牧半舍饲养。目前，在畜牧养殖、消费和监管等多个环节都存在痛点，智慧畜牧需求将覆盖畜牧业的“全流程”。

（1）养殖环节存在人工成本高、风险大、看管难等痛点

传统放牧方法需要牧人成天跟随、放牧成本高、风险大。牛、马、骆驼类大型牲畜更易走散、走失或被盗，且追踪、寻回困难，特别是出现恶劣天气时，如不能及时找回牲畜，更易出现走失、意外死亡等情况，同时恶劣天气也让牧民放牧生活更加艰难。在大范围规模化放牧场景，牲畜回栏数目统计难度较大，且无法监测到每头牲畜的基本生命体征，对于生病、亚健康或落坑的牲畜，检测难度大，耗费的人力、物力多。

一方面，一些牧民为了减少牲畜意外死亡导致的损失，购买牲畜保险，但通常保险公司对于“死不见尸”情况是免保的；另一方面，一些牧户为了骗保，将牲畜故意杀死谎报保险赔偿。这些情况的存在导致保险理赔的纠纷不断，也影响了牧户和保险公司畜牧投保的积极性。

（2）消费环节缺乏直观可信的绿色溯源途径，消费者/认养者难以为产品增值服务买单

“绿色产品”一度泛滥，以次充好导致国民消费信任危机。中国企业一直缺乏一种直达认养者/消费者心底、打消其消费顾虑的手段，畜牧行业也是如此。产业链龙头企业或畜牧养殖企业，如何向认养者/消费者提供一种从牲畜出生、放养、防疫、出栏、加工、消费全环节的透明开放式展示手段，以实现其产品的有效增值，这个问题不仅困扰着畜牧相关企业，也困扰着消费者/认养者。消费者/认养者从不知道自己买来的牲畜肉品到底来自哪里、是什么品种、是否散养吃草、是否健康安全等信息，而因为没有这些直观有效的数据可供查询，消费者/认养者不愿意为更高的牲畜肉品买单，养殖企业也很难获取应有的利润。

（3）监管环节缺乏切实有效、高效便捷的信息化手段

目前，畜牧厅局对畜牧业的数据采集主要采用人工统计的方式，耗时耗力且关联性分析难，对畜牧业的数据统计来源分散、相对粗略，也无法准确对比国内、省内各主要牧区的畜牧情况，难以相互协调，使得牧场轮休等统筹安排难度加大，造成资源利用不科学，整体行业效率下降，整体上缺乏科学规模化的监管手段。同时，缺乏从出生、出栏、加工、消费环节有效一致的牲口身份标识数据，对肉品质量监督溯源难。

3 总体方案及技术架构

针对上述痛点，基于移动互联网、物联网、大数据、云计算、区块链和人工智能等新技术，结合中国电信灯塔大数据能力，通过养殖环节牲畜和牧场的各位数据采集、控制、分析处理、存储、可视化，实现掌上放牧、绿色溯源、科学监管等业务功能，帮助牧民和养殖企业利用信息化手段降本增效，帮助畜牧生产经营企业和保险企业提升产品附加值，助力政府实现畜牧行业科学监管。智慧畜牧服务总体方案参见图1。

图1 智慧畜牧服务总体方案

基于成熟的中国电信灯塔大数据平台能力，从养殖环节牲畜和牧区物联大数据切入，结合中国电信自有行业大数据积累和政府畜牧大数据，打造可适配多种应用场景的弹性智慧畜牧服务平台。图2中从下往上各层技术能力说明如下：

（1）物理设施层：负责采集和通信，包括各种物联终端（牲畜的穿戴式物联终端、牧区埋植式物联终端等）、移动终端及通信网络等。

（2）云资源池层：基于电信自有云资源池部署，便于按业务需要弹性扩充。

（3）Docker服务层：具有良好的资源隔离能力，同时又有很低的虚拟化开销，可以满足客户的定制化应用的快速部署需求。

（4）资源组件层：部署了业务数据采集、处理、分析、持久化所需的各类计算、集群、存储组件。

（5）核心能力组件层：部署了支持上层应用所需的通用能力组件，主要是多个项目积累下来的核心算法和业务模型，包括地图引擎、实时计算、关联挖掘、数据可视化、流式ETL、机器学习等。

（6）应用服务层：面向业务的层，侧重于可视化和用户体验，可根据底层能力组件和客户需求按需提供。其中，API接口包括对外的能力开放，也包括一些内部前瞻性技术研发成果的输入能力，如区块链提供的可信溯源能力及AI提供的畜脸图像识别能力。随着这些能力的不断成熟，也将逐步纳入到核心能力组件层。

图2 基于灯塔大数据能力的智慧畜牧服务平台总体技术架构

4 核心服务与关键技术分析

该智慧畜牧服务，从平台技术架构上可以看出有机融合了人工智能（Artificial Intelligence）、区块链（Block Chain）、云计算（Cloud Compute）、大数据（BiG Data）和物联网（InternetofThings），具体参见图3。本文将基于解决的问题和平台核心服务阐述涉及的关键技术。

图3 基于“ABCDI”技术的智慧畜牧服务

4.1 NB-IoT、AI技术在智慧畜牧上的应用分析

低功耗、低成本、长待机、广覆盖、低流量的需求催生了NB-IoT技术的出现。NB-IoT系统具备深度覆盖、低功耗、低成本和海量连接四大优势。中国电信已在国内建成全球首个覆盖最广的商用新一代物联网（NB-IoT）网络，并具备规模最大、范围最广、频段最优三大优势。

在“智慧畜牧”上应用NB-IOT可谓珠联璧合：智慧畜牧的关键是对养殖过程中各类数据的采集及控制，如健康监测、骆驼定位、全程溯源等应用，物联网是该类应用的重要基础设施。在传统的组网模式中，通常传感器或物联网终端通过短距无线通信接入网关，同时网关再通过有线或2G/3G上联应用服务器。在应用中，往往存在偏远地区供电受限、局域网络部署不灵活且维护成本高、部分地区无线信号覆盖问题、海量终端接入管理成本高等问题，NB-IoT的出现很好地解决了以上问题。首先，NB-IoT直接部署到单体目标，无局域组网问题，同时低功耗特征又可以避免供电问题；其次，NB-IoT网络支持海量终端接入并支持远程跨域管理；另外，在低频段部署的网络信号覆盖好，并且可以根据物联网应用分布进行优化；最后，该类组网有利用采用云服务进行数据汇聚，也有利于后续政府监管及保险监控。

AI技术是一门既古老又热门的技术，其研究领域包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等，这些领域的核心是深度学习（Deep Learning）算法，这也是智慧畜牧中基于视频图像的畜脸识别分析的基础。

针对养殖环节的牲畜易失、易盗、看管难、养殖成本高等问题，智慧畜牧服务利用NB-IoT物联网技术采集牲畜、牧场数据，与牧场视频数据一起上传于云计算服务平台，在实现远程放牧的同时，基于AI视觉技术，将畜脸或身体侧纹作为牲畜唯一标识，结合业务场景收集数据并对数据做进一步分析挖掘，可实现牲畜养殖精细化管理，包括采食次数的获取与分析、奶牛饮水次数的获取与分析，以及奶牛采奶次数、产奶量的采集与匹配等（见图4）。另一方面，依据牲畜历史数据及实时采集的病畜图片AI分析，为牲畜健康检测提供有效手段。

图4 基于AI构建健康检测和精细化养殖管理服务

4.2 区块链（BlockChain）技术在智慧畜牧上的应用分析

区块链也叫作分布式账本，是一种互联网数据库技术，它是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，具有去中心化、信息不可篡改、公开透明、集体维护性、可靠数据库等特点。

近些年，由于食品安全（疯牛病、口蹄疫、禽流感等畜禽疾病，以及严重的农产品残药、进口食品材料激增等）危机频繁发生，引起了政府和民众广泛关注，同时政府也针对食品安全建立追溯体系，但因生产、养殖、加工、运输、经营等环节信息处理的不透明性和易篡改性，民众对追溯体系存在不信任感。

区块链具有信息不可篡改、公开透明、集体维护性等天然特性为食品绿色可信溯源带来新的思路。在养殖环节，通过将穿戴于牲畜的物联网设备产生的数据与区块链平台进行对接，可以真实地记录养殖过程中牲畜地理位置、生长牧场环境等信息，利用电信积累的大数据处理技术并自主研发的改进贝叶斯和泊松分布算法，通过计算牲畜的轨迹和运动量等数据，进行疾病预警，形成可信生态指数，确保肉品的绿色有机；在生产加工环节，通过RFID和PDA采集数据，可以实现对商品的密封和精确标识，数据存入区块链时对时间和位置同时记录；在消费环节，通过物联网+区块链对食品在销售前进行确权登记，实现产品预售盘活流动资金。消费者通过扫码，可实现原料采集、生产包装、检验资质、物流运输、商店销售、产品防伪溯源信息全程追溯。区块链技术应用于智慧畜牧不仅帮助养殖企业通过打造高端消费品品牌提升消费品价值，也可帮助政府和消费者构建可信食品溯源。

区块链不仅可提供绿色可信溯源，同时针对养殖环节牲畜保险纠纷多、理赔说不清等难题，智慧畜牧服务提供可信轨迹回放及数据查询等功能，也为保险理赔提供切实有效的证据。

4.3 大数据和云计算等技术在智慧畜牧上的应用分析

早在2014年，大数据在国内迅速发展，大数据在公共服务中的政务、交通、医疗、教育、农业等多个领域得到广泛应用。中国电信早在大数据起步阶段就加强了对大数据技术的研发与应用落地建设，中国电信灯塔大数据已经发布了许多的大数据产品，推出精准营销、风险防控、区域洞察、咨询报告4类数据型产品和大数据云平台型产品，重点服务于旅游、金融、广告、政府、交通等行业。灯塔大数据能力平台目前可支持秒级完成10亿级边、1000万级节点的子图查询运算，支持100ms级的数据流处理、支持10亿级多维数据的24h内基础演算、支持1000万级多维数据的秒级查询展现，为智慧畜牧服务提供了灵活高效的大数据分析、存储和并发处理等基础能力服务。

云计算技术更是早已步入落地应用的技术，中国电信天翼云提供包含云主机、云服务器、云存储、对象存储、CDN、内容分发、大数据、云桌面等服务，该智慧畜牧服务即部署于自有天翼云资源池上。

针对监管环节决策难等问题，通过物联网、大数据、云计算等技术相结合，对采集到的牲畜和牧区数据进行统计拟合分析，输出各类分析指数、统计图表，并进行多种形式的数据可视化对比展示，为草原生态建设、高端品牌打造、精细化养殖、产业链协同、监管决策等提供科学手段（见图5）。

图5 畜牧大数据应用价值

5 结束语

融合“ABCDI”技术的智慧畜牧服务赋予牧场和草原智能，助力传统畜牧转型，在为养殖企业带来经济效益的同时，也为政府和民众带来了社会效益。

随着AI等技术的进一步发展，可以利用牲畜面部表情、声音和动作的识别系统，自动评估牲畜生命体征指数，并及时对生病个体进行医治；也可通过三维视觉智能测重系统，实时监测牲畜体重，及时掌握生长情况，实现精细化饲养，提高养殖效益。另一方面，通过大数据与金融保险相结合，可多维化展示牧民/企业金融画像，实现可靠的畜牧资产抵押，轻松借贷，可有效解决牧民/畜牧企业融资难等问题，实现畜牧资产数字化、流动化。