基于文献计量学的精准奶业研究现状及其热点分析

任秋鸿，彭华，董晓霞

（中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081）

近年来，我国奶业快速发展，其生产已不再局限于只为了获得经济效益。现代社会更多关注食品安全和质量、动物健康与福利、高效和可持续的奶牛养殖及奶业生产对环境的影响。在过去，传统的牧场管理决策几乎完全基于养殖户的观察、判断和经验。随着养殖规模的扩大和相应牛群数量的增加，这种演变导致养殖户的工作量增加，并限制了他们实时监控奶牛的可能性。因此，越来越需要在奶牛养殖过程中采用更为精准的养殖技术，对个体奶牛进行实时监控，以实现奶业生产向低成本、高质量、高效益、环境可持续性的方向发展。

信息通信技术的不断成熟及其价格的大幅下降，使其在奶牛养殖业中的应用成为可能，“精准奶业（Precision Dairy Farming，PDF）”也应运而生。精准奶业一词最早由Spilke 和Fahr提出，但没有给出具体的定义。Eastwood 等将精准奶业定义为“利用信息和通信技术改进对精细规模动物和自然资源变异性的控制，以优化奶牛场的经济、社会和环境绩效”。精准奶业的主要目标是最大限度地发挥个体奶牛的潜力，及早发现疾病，并通过预防卫生措施尽量减少药物的使用。精准奶业的明显好处包括提高效率、降低成本、提高产品质量、最小化不利环境影响以及改善动物健康和福祉。精准奶业使奶牛生产者能够做出更及时、更明智的决策，从而提高生产率和利润率。实时数据可用于监视动物和创建异常报告，以确定有意义的偏差。

目前国内还尚未有学者对该领域进行系统性的研究，通过对精准奶业的研究现状进行分析，能更好了解当前该领域的研究处于哪一阶段和已有研究所存在的不足，并掌握未来该领域的发展方向。鉴于此，本研究运用文献计量方法，借助CiteSpace 可视化软件，绘制精准奶业研究的知识图谱，并结合文献归纳分析，梳理国外精准奶业研究领域的研究进展及研究热点，以期为学者们后续研究精准奶业领域提供一定的借鉴和参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源 本研究数据源于2021 年3 月采集自Web of Science 核心合集数据库。在数据库中定义检索词为TS=（“precision dairy farming” or “precision dairy technology” or “sensor system and dairy ” or “automatic estrus detection system and dairy”or “milk recording system and dairy” or “precision feeding system and dairy” or “precision livestock farming and dairy”），检索时间为1995—2020 年，文献类型设定为“Article”or “Review”or“Proceeding paper”，其余条件不做限制，最终得到2 271 篇文献记录，下载并保存为纯文本文件，作为本文分析的数据样本。

1.2 研究方法 本研究借助CiteSpace 5.7.R5 应用软件对2 271 篇文献进行文献计量分析，CiteSpace 是由美国费城德雷塞尔大学副教授、大连理工大学陈超美博士应用Java 语言开发的一款信息可视化软件，它主要基于共引分析理论和寻径网络算法，对相关文献进行作者合作分析、关键词共词分析、机构合作分析、作者共被引分析、文献共被引分析等来判断特定领域的基础知识和研究前沿，探测该领域的研究特征及演变趋势，以及不同研究主题之间的交叉、互动关系等。本文在运行该软件时，CiteSpace 中的参数设置为：①时间跨度为1995 年至2020 年，时间切片为1；②节点类型为国家、机构、作者、关键词、引用文献；③在协作网络和共现网络分析中，提取每个时间切片内的前50 个节点信息；④使用寻径网络算法并对合并后的网络进行裁剪生成知识图谱；⑤其他设置为默认设置。

2 精准奶业的研究现状

2.1 发文量不断增多，研究视角由技术层面延伸至经济学层面 1995—2020 年精准奶业研究文献数量不断增加，说明精准奶业领域具有重要的研究价值，具有一定的发展潜力（图1）。过去25 年精准奶业领域的研究呈现逐年增长的趋势，可将其分为3 个发展阶段：

图1 1995—2020 年精准奶业领域发文量

1）第1 阶段（1995—1999 年）萌芽阶段，该阶段研究的人较少，研究成果相应也比较少。一方面，探讨传感器系统在自动发情鉴定和乳腺炎检测方面的应用机理；另一方面，通过比较各项技术和人工操作之间的一致性，得出各项技术在监测牧场各项参数方面的灵敏度是该阶段研究较多的内容，如Champion 等研究了传感器和人工监测奶牛躺卧、站立和行走行为方面一致性，研究发现自动监测和人工监测的一致性指数为0.953，自动监测准确性较高；deMol 等研究了传感器在自动发情鉴定和乳腺炎检测方面的应用，并得出传感器在自动发情鉴定的灵敏度高于乳腺炎检测。

2）第2 阶段（2000—2010 年）探索阶段，该阶段仍较多处于各项技术的临床试验期，但是学者不再仅仅关注技术本身的应用机理，他们开始借助精准养殖技术来探讨奶牛生产性状与遗传育种之间的关系，并研究影响奶牛繁育性能的因素。如较高的身体状况评分与奶牛具有良好的繁育性能有关。在该阶段，Spilke 和Fahr首次提出精准奶业这一概念，为后续学者进一步探索精准奶业领域奠定了一定的研究基础。

3）第3 阶段（2011 年至今）快速发展阶段，研究成果十分丰富，研究角度也从前2 个阶段的技术层面延伸到了经济学层面来探讨精准奶业，并将前2 个阶段学者们研究的传感器、自动发情监测、乳腺炎检测等技术明确归类在精准奶业技术里。他们不再只局限于精准奶业技术在牧场中的应用机理研究，更多开始从经济学层面来评估精准奶业技术在优化牧场的经济、社会和环境绩效方面的效果。近年来，随着信息通信技术的快速发展，精准奶业技术类型越来越多，但是其在牧场的采用率还相对较低。有学者研究得出影响养殖户采用精准奶业技术的主要因素有养殖规模、投资回报率、总投资额、技术复杂程度、与现有系统的兼容性、对获取的数据进行处理所需时间等。

2.2 欧美发达国家是研究精准奶业的主力军 WOS 核心合集收录期刊上全球93 个国家对精准奶业进行过研究，具有较高影响力的国家主要集中在欧洲和美洲。如表1所示，论文发表数量最多的10 个国家分别是美国、德国、意大利、加拿大、荷兰、澳大利亚、法国、丹麦、爱尔兰、西班牙，且全是发达国家。前10 国的发文量占总文献量的73%，其中美国文献量占总文献量的17.39%。美国、德国和意大利在精准奶业领域发文量位列前3，表明这3 个国家的奶农在奶牛养殖过程中采用的精准奶业技术较多。而中国累计发文量47 篇，排名第18，与发达国家相比还存在一定的差距。

表1 精准奶业研究发文量排名前10 位的国家

精准奶业领域发文量排名前10 位的研究机构如表2 所示，他们都是来自欧美发达国家的科研机构和高校。其中有2 家研究机构来自加拿大，他们分别是圭尔夫大学和不列颠哥伦比亚大学，共发表了108 篇论文；有2家机构来自爱尔兰，他们分别是爱尔兰农业与食品发展部和都柏林大学，共发表了103 篇论文；有2 家机构来自美国，他们分别是威斯康辛大学和康奈尔大学，共发表了96 篇论文；其他4 家机构即瑞典农业科学大学、法国国家农业科学研究院、奥胡斯大学和瓦赫宁根大学分别来自瑞典、法国、丹麦、荷兰。而中国农业大学累计发文量10 篇，排名第57，是我国在精准奶业方面研究最多的机构。与国外研究机构的发文量相比，我国的高校和科研机构在精准奶业领域方面的研究还有很大的提升潜力。

表2 精准奶业研究发文量排名前10 位的研究机构

作者是一个研究领域的核心要素，也是研究力量的重要体现。1995—2020 年间，共有494 名学者对精准奶业领域发表了相关论文，其中发表论文数量最多的5 位作者分别是Berry（23 篇）、Devries（18 篇）、Bewley（16 篇）、Leblanc（13 篇）、Hogeveen（12 篇），他们都来自欧美发达国家（表3）。Berry 来自爱尔兰农业与食品发展部，致力于精准奶业在奶牛遗传育种方面的研究，其研究主要集中在探讨身体状况评分（BCS）对奶牛遗传性能的影响、不同品系奶牛的遗传性能比较等方面。Devries 和Leblanc 都来自加拿大的圭尔夫大学，Devries 等关注牧场采用自动挤奶系统（AMS）后奶牛的站立和躺卧行为模式，并探讨这些模式对乳房内感染（IMI）发病率、体细胞数（SCC）升高、发生跛行之间的关系。Leblanc致力于研究影响犊牛健康状况的因素，通过采用精准奶业来早期识别这些高风险因素并进行干预，从而提高犊牛的存活率。Bewley 来自美国普渡大学和肯塔基大学，Borchers 等合作探讨了养殖户对精准奶业的看法，得出日产奶量、奶牛行为、乳腺炎监测是最常被选择的技术；乳腺炎、发情行为、日产奶量是最有用的监测参数；效益成本比、总投资成本、简单性和易用性是决定采用一项技术时最为重要的因素。Hogeveen 来自荷兰瓦赫宁根大学，致力于研究牧场中传感器的使用，多次采用决策树模型来研究传感器在监测乳腺炎、体细胞数方面的潜力，还得出减少劳动力、降低劳动成本是投资传感器的主要原因，传感器性能的不确定性会影响奶农对其的采用率。

表3 精准奶业研究发文量排名前5 位的作者

2.3 研究内容丰富，但仍多偏重于技术应用机理研究

2.3.1 关键词共现分析 关键词是论文主题的高度概括，其出现的频次和中介中心性可以揭示该领域的主要研究内容和研究热点。利用CiteSpace 关键词共现分析对该领域的研究内容和研究热点进行科学测度，结果见图2。其中，每个节点代表一个关键词，节点越大，关键词出现的频率越高；连接的宽度表示关键词共现的频率，频率越大，线条越宽。表4 和图2 中，健康（Health，160 次，中介中心性0.4）、身体状况评分（Body Condition Score，126 次，中介中心性0.37）、产奶量（Milk Production，832 次，中介中心性0.29）占据了中心位置和中介位置，并与关键词疾病（Disease，31 次，中介中心性0.27）、体细胞数量（Somatic Cell Count，177 次，中介中心性0.23）、性状（Trait，66 次，中介中心性0.23）、发情监测（Estrus Detection，77 次，中介中心性0.2）、传感器（Sensor，91 次，中介中心性0.18）、性能（Performance，221 次，中介中心性0.17）、躺卧行为（Lying Behavior，47 次，中介中心性0.16）联系密切。同时，系统（System，340 次）、临床乳腺炎（Clinical Mastiti，248 次）、管理（Management，187 次）、福利（Welfare，103 次）、热应激（Heat Stress，90 次）、遗传参数（Genetic Parameter，76 次）由于出现频率较高，也成为了网络中的重要节点。从前20 位关键词可以发现大多数学者在精准奶业领域所研究的内容主要集中在技术类型，以及各项技术的应用机理方面。

表4 精准奶业研究的高中介中心性关键词（前20 位）

图2 精准奶业研究关键词共现网络图

2.3.2 关键词聚类分析 为了进一步更全面地探讨精准奶业领域的研究内容，在关键词共现分析的基础上，使用CiteSpace 进行关键词聚类分析，共生成10 个集群（图3），大致可以分为2 类：纯技术类和技术应用机理类。其中纯技术类包括#0 传感器、#5 身体状况评分；技术应用机理类包括监测#1 遗传参数、#2 热应激、#3产奶量、#4 行为、#6 跛行、#7 畜舍、#8 牛奶尿素氮、#9 体细胞数。可以发现，与关键词共现分析结果一致，大多数学者仍较多集中在对技术及其技术应用机理方面进行研究，虽然近年来也有一部分学者开始从经济学层面研究精准奶业，但是这部分学者的研究文献仍相对较少，所以在使用关键词聚类分析时未能形成独立的集群。本节选取规模最大的5 个集群进行分析（表5），其中剪影值也称聚类轮廓值，一般认为S>0.5 表示聚类是合理的，S>0.7 表示聚类是令人信服的。

表5 关键词聚类集群和集群内主要关键词

图3 精准奶业关键词聚类网络图

第一集群是关于传感器，包括传感器、健康、疾病和自动识别等关键词。传感器系统是精准奶业的核心，自20 世纪80 年代以来，人们一直在努力开发测量单头奶牛参数和健康指标的传感器。常用的传感器设备包括射频识别技术（RFID）、牛奶电导率、加速计和计步器等。相关研究表明射频识别技术用来自动识别个体奶牛，能够提高每头奶牛的可追溯性。牛奶电导率监测乳成分和乳质量，用来诊断奶牛是否发生疾病。该方法包括测定牛奶中离子的浓度，特别是钠、钾和氯。根据Nielen 等的研究，乳腺炎发生时，牛奶中钾的浓度降低，而钠和氯的浓度增加，电导率也随之增加。加速计和计步器测量奶牛的躺卧时间和次数、反刍时间和次数等，实时监测奶牛的健康和福利指标，如跛行、发情情况。还有学者研究得出，对于养殖户来说传感器系统的盈利能力是决定养殖户是否投资该技术的主要因素，牧场的财务状况（如牧场偿债能力）、潜在继承人的存在和牧场规模在一定程度上也会影响养殖户的投资决策。

第二集群是关于遗传参数，包括遗传参数、临床乳腺炎、泌乳曲线、生产性状等关键词。采用精准奶业技术来评估奶牛繁殖性状的遗传参数对提高其生产水平至关重要，管理人员根据这些数据可以及时对牧场进行必要的调整，并制定适当的育种计划。学者们主要关注产奶量、乳成分（脂肪率、蛋白质率、体细胞数等）、泌乳区间、产犊间隔、首次产犊年龄等遗传参数。研究结果表明，定期记录体细胞数，提供一些牛奶质量的信息，被认为是最常见和最合适的识别乳房健康的指标，为乳腺炎抗性遗传评价方法的改进提供了可能。泌乳曲线模型可以用来估计泌乳持续性，即奶牛在泌乳高峰期后继续高水平产奶的能力，较高的持续性通常与泌乳早期较低的产量峰值有关，从而减少由于高日产量造成的生理紧张，以及生殖和代谢紊乱的风险。

第三集群是热应激，包括热应激、蛋白质、模型、温度、乳成分等关键词。奶牛的热应激是一个非常重要的经济问题，它降低了奶牛的生产和繁殖性能以及健康和福利。温湿度指数（THI）将环境温度和相对湿度组合成一个单一值，是评估环境温度对奶牛影响的常用指数。奶牛应对温度变化的第一种方式是行为，有研究得出温湿度指数与躺卧时间、反刍时间、采食量、产奶量呈显著负相关关系，即随着温湿度指数的增加，躺卧时间、反刍时间、采食量、产奶量降低。因此，有必要采取精准奶业技术应对热应激对奶牛养殖带来的负面影响，提高奶牛生产性能和福利。

第四集群是产奶量，包括产奶量、生产性能、管理和效率等关键词。产奶量是衡量奶牛生产性能最关键的指标，是牧场生产效率最直观的体现方式。影响泌乳牛产奶量高低的因素众多，有外部环境（如温湿度指数）、自身遗传参数（体型、体细胞数）和健康状况（乳腺炎、跛行）等。研究结论有，温湿度指数与产奶量呈负相关关系，即温湿度指数越高，产奶量越低；奶牛体型越大，产奶性能越高；患乳腺炎和跛行后，奶牛的产奶性能也会受到抑制，即通过记录产奶量的高低来反映奶牛的健康状态。还有相关研究指出，增加奶牛的产奶量是减少温室气体（GHG）排放的一项策略，因为生产相同数量的牛奶需要更少的奶牛。由于奶牛肠道发酵产生的甲烷（CH）约占奶牛场总温室气体排放的50%，减少奶牛养殖数量是减少温室气体排放的主要策略。牧场通过采用产奶量自动记录、自动挤奶系统等精准奶业技术来记录奶牛的产奶量，管理人员可以及时了解产奶量是否发生异常情况，并采取有效措施对奶牛进行管理。

第五集群是行为，包括行为、饲喂行为、反刍、生长等关键词。对奶牛进行行为监测，包括采食行为、躺卧行为、反刍行为、发情行为等，常用的精准奶业技术有计步器、电子项圈、加速计等。有相关研究表明，奶牛发生异常行为（如躺卧时间太短、采食量降低、站立时间太长等）是奶牛身体处于亚健康状态的体现，管理人员能够在早期发现疾病，尽早采取干预措施，降低牧场损失。

通过关键词共现分析和关键词聚类分析发现，国外学者对精准奶业领域的研究内容丰富，但主要集中在对技术的应用机理方面的研究，在影响技术采用的因素、采用技术后的经济效益评估等方面研究较少。对传感器在牧场的应用、采用精准奶业技术测量遗传参数、评估热应激对奶牛生产性能和福利的影响、借助精准奶业技术探讨影响产奶量高低的因素、实时监测奶牛行为等是国外学者在精准奶业领域研究的主要内容。还有学者探讨了养殖户投资精准奶业技术的主要考虑因素，如牧场的财务状况（如牧场偿债能力）、潜在继承人的存在和养殖规模等。

3 结 论

本文基于对2 271 篇精准奶业相关文献进行可视化分析的基础上，采用文献计量法，借助CiteSpace 5.7.R5应用软件探讨精准奶业领域的研究现状，如发文量，发文国家、机构和作者，主要研究内容、研究热点等，得出如下结论：

1）精准奶业领域的发文量呈逐年上升的趋势，研究角度也随着时间的发展而变化。早期的研究成果比较少，较多学者集中在比较各项技术与人工操作之间监测各项参数的准确性方面进行研究，直到2003 年，Spilke 和Fahr明确提出精准奶业这一概念之后，学者们不再仅仅只停留在将技术与人工操作进行比较来体现技术的优越性和准确性，更多开始借助精准奶业技术来探讨奶牛生产性状与遗传育种之间的关系，并研究影响奶牛繁育性能的因素，为奶牛在繁殖育种方面做出了重要贡献。近年来随着信息通信技术的不断发展，出现的新兴技术也越来越多，基于技术层面的研究也越来越丰富，更多学者开始从经济学层面来研究精准奶业。如有学者指出当前可用的精准奶业技术虽然越来越多，但是其采用率还相对较低，并对此进行了研究，得出效益成本比、总投资额和技术复杂程度等是影响养殖户决定是否采用该技术的主要因素；还有学者提出精准奶业是使牧场的经济、社会和环境保持可持续性发展的重要方式。

2）欧美发达国家是研究精准奶业领域的主力军，研究内容丰富，而我国在该领域研究还比较滞后。随着信息通信技术发展的不断延伸，技术种类越来越多，监测参数越来越全面。国外学者在精准奶业领域已开展了大量的研究，但研究内容较多集中在纯技术类和技术应用机理类。传感器在奶牛养殖过程中的应用是较多学者研究的内容，借助传感器实现对奶牛的自动识别、疾病监测和健康状况监测，在发生异常行为时，能够及时告知养殖户并采取有效干预措施。使用计步器和电子项圈记录奶牛的行为活动，如躺卧时间、站立时间、步数等，通过分析所获取的数据，来判断奶牛是否存在异常行为，并监测奶牛的发情情况，确定最佳授精时间，提高受胎率。采用产奶量自动记录技术记录个体奶牛的产奶量，并分析乳成分和体细胞数，通过所获得的数据来评估个体奶牛的生产性能，为牧场淘汰奶牛提供事实依据，并对乳腺炎进行自动检测。国外牧场非常重视奶牛福利，使用加速计测量奶牛的躺卧时间来判断奶牛在畜舍内躺卧的舒适性，使用射频识别技术或摄像头进行跟踪，监测动物在没有食物和饮水的情况下，在饲喂槽前等待的时间，通过传感器来测量动物的心率和呼吸频率，监控畜舍环境的温度、湿度、通风等参数。

3）通过关键词共现分析和关键词聚类分析发现，国外学者在精准奶业领域研究内容丰富，但主要集中在对技术的应用机理方面的研究，在影响技术采用的因素、采用技术后的经济效益评估等方面研究较少。对传感器在牧场的应用、采用精准奶业技术测量遗传参数、评估热应激对奶牛生产性能和福利的影响、借助精准奶业技术探讨影响产奶量高低的因素、实时监测奶牛行为等是国外学者在精准奶业领域研究的主要内容。还有学者探讨了养殖户投资精准奶业技术的主要考虑因素，如牧场的财务状况（如牧场偿债能力）、潜在继承人的存在和养殖规模等。

近年来研究角度已从技术层面延伸到经济学层面，而国内学者开展的研究还相对较少，尤其从经济学层面来探讨我国精准奶业技术还较为薄弱，应加快研究步伐。一方面，当前我国奶业处于信息化、智能化、消费者需求多样化的动态发展环境中，故该领域有极大的研究空间，值得国内学者进行深入探讨；另一方面，当前我国精准奶业技术相关设备主要依靠进口，价格相对较高，这会在一定程度上影响其在牧场的采用率。且国外相关研究已得出效益成本比、总投资额和技术本身特性会影响其采用率。因此，国内学者可借鉴国外学者已取得的丰富研究成果，从经济学层面来探讨影响我国养殖户精准奶业技术采用的因素，对加快精准奶业技术推广应用，促进奶业可持续发展具有重要意义。