规模化肉羊养殖的生产运营虚拟仿真：基于人机交互的实验设计＊

刘豫杰，宝音都仍

（内蒙古农业大学经济管理学院，内蒙古 呼和浩特 010011）

近年来，随着国家对畜牧业的重视度不断提高，中国的草食动物养殖业已经逐步由农户分散养殖形式向规模化、集约化、标准化养殖的形式转变，特别是肉羊养殖业产品产量持续增长，标准化规模稳步推进，中国已初步构建了现代肉羊养殖畜牧业生产经营体系。然而中国的肉羊养殖与畜牧业发达国家相比还有很大差距，仍面临着规模化程度不高、饲料转化率低、疾病防控风险大、种养脱节、人才短缺和劳动力成本高等问题，严重影响了生产力的提高。

内蒙古自治区是中国最大的畜牧业生产基地和主要畜产品供应基地，肉羊的规模化养殖已经成为内蒙古畜牧业产业发展的主要方向。然而内蒙古现阶段在肉羊规模化养殖方面仍急需大量专业化的管理人才和创新型的管理团队。广大农业高校、培训单位肩负着为牧区现代化和乡村振兴提供人才储备和智力支持的重要任务。但现有的面授培训与实地认知实习的教育模式面临着诸多困难与挑战，如内蒙古自治区的农村牧区地处偏远，农牧业从业人员居住分散，培训成本高；规模化养殖基地数量有限，难以容纳大量实习学员；动物防疫任务较重，存在人畜共患病问题的风险。因此，需要改变传统的单一性的专业人才培养模式，将工商管理专业知识和养殖专业技术知识结合，深化专业内涵，拓宽应用领域，在重点培养学员实操能力和解决实际问题能力的总目标下，开创新的教学方式，提高教学与培训质量。

鉴于工商管理专业与养殖业之间专业距离较远，专业壁垒较厚，学员深入养殖场实操难度较大，内蒙古农业大学经济管理学院自2020 年开始，探索了建立一套模拟现代化肉羊规模养殖的生产管理程序的虚拟仿真教学与实验体系。

本研究就该系统的搭建结构进行介绍与总结，以期为未来的相关实践教学创新提供支撑。该体系的建立基于网络平台建设，学员足不出户就可学习肉羊规模化现代养殖的技术与方法，解决了内蒙古学员距离远、较分散、培训成本高的问题。通过人机交互的虚拟仿真，使学员身临其境感受肉羊养殖业的生产运营管理流程，并通过学习相关模块，增强对肉羊规模化养殖业的认识，培养将生产管理知识与肉羊规模化养殖相结合的能力。同时，锻炼创新精神和解决问题能力，为培育更多的应用创新型人才投身内蒙古畜牧业提供支持。

1 知识背景与文献综述

1.1 人机交互虚拟仿真

虚拟仿真技术，又可称为虚拟现实技术，即用一个电子系统模仿一个真实的生活与生产情境或系统的技术。虚拟仿真由计算机生成，再现现实世界，通过多种传感形式与虚拟世界进行自然交互，达到身临其境的效果并进行实际操作模拟。用户通过观测与在计算机系统内的情境实操，直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。为了增强体验感，人机交互虚拟仿真还可通过VR、AR 技术等方式实现其逼真性和实时交互性。

1.2 人机交互虚拟仿真在农业中的应用

近年来，随着计算机及互联网技术的快速进步，人机交互虚拟仿真在农业生产管理中的实践已经得到了广泛的应用。其实践应用方面主要包括兽医学虚拟手术及诊断实操、农学植物种植虚拟生长、园林设计虚拟布局、农业机械虚拟开发设计及操作、农业虚拟杂交繁育、农业经济管理虚拟经营等。21 世纪随着AⅠ技术和仿真技术的进步，虚拟仿真技术已经成为农业科学研究与教学中不可缺少的一部分。

1.3 文献综述

人机交互虚拟仿真在中国大致兴起于2000 年前后，主要集中在工程学和企业生产仿真方面，而在农业方面的虚拟仿真研究还较为稀少。例如，李全龙等[1]（1999）讨论了将计算机仿真优化技术应用于敏捷虚拟企业组织建立的有关问题，说明了仿真优化技术的地位。麦锦辉等[2]（2003）研究了基于网络的仿真系统平台，将不同类型的设备资源进行在线实时监控，分析了建立人机交互、时空一致、动态调度的交互式仿真的可行性。李媛红等[3]（2003）探讨了基于虚拟现实的供应链可视化仿真的方法及策略。王国伟等[4]（2003）研究了虚拟企业模型的基本结构，探讨了企业建模体系CEMS 的相关细节。楼亚芳等[5]（2006）应用虚拟仿真技术对服装缝制流水线的生产过程进行仿真模拟，并用MatLab 进行实例编程计算验证可行性。周漪清等[6]（2006）对远程实验教学中仿真、虚拟技术的应用进行了讨论，肯定了其实践的经济性与高效性。

2006 年以后，针对农业的虚拟仿真研究和相关应用的开发逐渐受到学界广泛重视。王昊鹏等[7]（2008）讨论了遥感数据融合在实现植被虚拟仿真工作中的作用和基本原理。张园园等[8]（2013）对虚拟仿真设计在观光农业园中的应用进行了研究。近年来虚拟仿真技术逐渐被应用到了实验教学中并强调人机交互的重要性，相关研究也逐渐增多。如张炜等[9]（2015）分析了虚拟仿真实验教学平台在生物学实验教学中的独特优势，提出了教学建设和管理中的一些亟待解决的问题。周彦珍等[10]（2016）对建设中国农业科教虚拟仿真实验实训系统提出了构想，并强调应立足全媒体环境下的信息技术和传媒技术，进行全方位的系统设计。而张永江等[11]（2017）进一步讨论了农科类虚拟仿真实验教学中心的建设与实践，并提出要打破时间和空间的限制，实现虚实互补。针对畜牧业教学，关松磊[12]（2018）以吉林农业大学为例，对通过虚拟仿真实验平台开展动物性实验的经验进行了总结。欧红萍等[13]（2019）总结了虚拟仿真实训技术在兽医临床教学中的应用研究。李静等[14]（2020）则直接对动物科学专业学习中虚拟仿真实验教学的建设与实践进行了评述。吕丹娜等[15]（2021）对“猪生产”课程中虚拟仿真实训平台的建立与应用进行了细致讲解。

总体上讲，中国在虚拟仿真交互技术方面针对农业的应用还处在发展阶段，还有很多针对性的研究需要完成。特别是应用在农业生产管理活动与农业技术相结合方面的应用和实践还较为稀缺。因此，本研究希望在这一方面增加一定的成果与经验。

2 人机交互虚拟仿真在规模化肉羊养殖场生产运营管理中的应用

2.1 应用原理

2.1.1 仿真情境

本研究以多于5 000 头肉羊规模的肉羊养殖场的生产运营管理为对象，模拟从企业设立到肉羊初次出栏的12 个月的生产周期。在周期内的每个关键的生产运营管理模块设定虚拟仿真情境，培养并考察学员将生产运营管理的知识应用于重要实际生产管理工作的能力。要求学员模拟在各仿真情境下所扮演的角色，通过使用生产运营管理知识进行计算和分析，确定决策方案并输入计算机系统。各决策的结果通过程序的计算得到损益结果。最后指导教师对小组决策进行复盘，确定最优秀学员小组，并分析各组在每个情境下的生产分析和决策，找出问题，提高学员的知识理解程度。依据肉羊养殖的基本工作流程，重点生产仿真环节包括肉羊生长仿真演示、战略设定、养殖场选址与布置、生产技术设计、设备采购与库存管理、需求预测、生产计划、饲料管理、配种管理、育肥管理、疫病防治管理、生产环境控制、质量控制、成本控制、维修管理、环保管理、危机处理等。

2.1.2 主要知识点

生产运营战略：生产运营战略设定的全过程包括设定企业使命和主要发展目标、战略分析、战略选择、战略实施方案。学员应熟练使用相关的战略分析方法如SWOT 矩阵、明茨伯格5P 理论、学习率理论等。

生产运营系统设计：根据实际的市场发展和生产要求，企业对其生产运作系统进行宏观和微观的设计。含生产设施选址与布置决策、设施选址与布置决策的定量分析、生产流程设计与选择的原则与方法等内容。

需求预测：对企业产品的实际市场需求进行预测，分为定性预测和定量预测2 部分，包含德尔菲法、时间序列模型、因果模型等需求预测方法。

生产计划：企业对生产任务做出统筹安排，具体拟定生产产品的品种、数量、质量和进度的计划。

库存管理：精确分类库存种类，合理规划库存时间，保障库存的经济性。

作业排序与生产控制：具体确定每位员工、每台设备每天的工作任务和工作先后顺序的过程。

质量管理：确定控制计划与标准，并在实施过程中进行连续监视和验证、纠正不符合计划与程序的现象、排除质量形成过程中的不良因素与偏离规范现象，恢复其正常状态。

收入管理：在不同时期，根据不同需求采取不同的定价，以产生最大收入或收益的综合计划策略。

危机管理：危机爆发前的预计，预防管理和危机爆发后的应急善后管理。

生产系统的维护与改进：包括人员培训、业务流程重组、设备和设施的维护、质量管理、精细生产以及其他先进的生产方式。

2.2 应用内容

2.2.1 交互式虚拟仿真流程

具体流程如图1 所示，共包含以下8 个环节：①养殖过程的静态虚拟仿真。仿真再现肉羊的生长过程和规模化肉羊养殖厂的生产实景，使学员学习现代化肉羊养殖的标准流程。②生产运营战略设定。要求学员为新设立的规模化肉羊养殖厂设定生产运营战略，运用SWOT 矩阵等理论工具模型，进行战略分析和选择。③企业建设。模拟设立规模化肉羊养殖场所需要的选址决策、设施布置、饲料基地建设、羊群购买、设备购买、工人雇佣等工作，学员通过人机交互，将决策结果输入系统。④养殖生产运营管理。要求学员针对系统所设定的养殖工作设计、需求预测等养殖生产情境，运用甘特图、生产率公式、工时定额等工具，完成养殖生产决策。⑤生产质量管理。要求学员根据系统情境，使用Minitab 软件，对肉羊的关键抽样数据进行质量统计分析，并根据统计分析结果，运用PDCA 模型等质量管理工具，提出质量改进方案。⑥成本收益管理。根据前几个环节学员输入系统的数据，系统验算出企业的财务数据表，学员根据财务数据，分析生产管理的经济性，通过量本利分析等模型，提出改进意见。⑦综合评价与复盘。实验教师根据学员各组实验结果进行点评，选取代表性强的组进行复盘演示，学员记录评价与复盘结果。⑧实验报告。学员根据所有环节的实验流程和实验数据，编写实验报告，综合进行评分。

图1 虚拟仿真流程

2.2.2 交互活动

2.2.2.1 角色扮演情境交互

学员在各系统情景中，将自己的角色设定为规模化的肉羊养殖企业的生产管理人员。通过小组内部成员的分工，模拟不同岗位的活动。

2.2.2.2 生产决策人机交互

通过人机交互，学员时刻主动干预实验，变被动为主动地参与实验。对于如肉羊养殖技术获得、人员培训、饲料基地建设等活动的决策在计算机中输入选择结果，通过人机交互一步步模拟经营活动。

2.2.2.3 小组间竞争

虚拟仿真活动共分为4 期，每期结束后会进行分数评比，学员在分组竞争中，提升团队合作能力。与某一期的得失相比，最终的小组间竞赛综合结果更为重要。

2.2.2.4 复盘总结

通过复盘，学员可以看到自己之前决策的理由，回顾决策的做出过程，找到决策的依据，发现决策的问题。同时通过小组间的交流，增强对整个实验过程的理解，提高对专业知识的记忆，增强实验效果。

2.2.3 仿真核心要素

2.2.3.1 静态仿真

通过静态动画演示规模化肉羊养殖场所包含的一系列资源，具体内容如下。

资源：包括土地、资金、工人 、技术员、技术顾问等；预计购买种羊、基础母羊、育肥羊等的具体数量；预计可获贷款额、利息；预计可获得政府补贴、条件企业规模达、可依托技术支持等具体数据。

品种：初次购买不小于3 月龄；购买杜泊肉羊的数量大于等于820 只、体重大于等于60 kg、单价1 800元；购买蒙古羊的数量大于等于5 200 只、体重大于等于50 kg、单价1 000 元。

养殖场：羊舍、羊活动场、饲料基地、设备仓库、办公室、员工宿舍和食堂等实景还原。

2.2.3.2 动态仿真

肉羊生长过程仿真：通过三维动画展示肉羊自出生羔羊到出栏羊的全生长过程。学员点击各个关键管理点（如配种、选料、防疫等），以动画羊的形式，3D 还原出相应的肉羊生长程度（身高、体重等），还原程度要求高。主要技术参数如表1 所示。

表1 主要技术参数

养殖场设立经营决策仿真：在养殖场设立阶段，在选址决策、设施布置、人员雇佣、土地租赁、设备购买等方面，设定相应情境，要求根据所给数据和背景信息，结合生产经营管理的专业知识，进行决策分析与选择。例如在选址决策阶段，提供给学员多个选址备选方案，学员根据生产选址决策的成本因素、社会因素、自然因素、交通因素等进行分析，综合考虑企业的生产规模、生产方式、专业化与协作化水平等要求，确定选址方案。选址方案条件如表2 所示，给出5 个选址方案，学员需要分析方案参数，并运用模型，分析方案中的最优、次优和最劣方案，通过应用生产运营管理中关于选址决策的相关知识和计算模型，作出选址决策。

表2 选址方案条件

表2（续）

设施布置决策仿真：布置方案如图2 所示。在设施布置的虚拟仿真中，学员可以根据养殖场设施布置需要，进行养殖场的虚拟仿真布置。学员在布置时应考虑生产效率最大化，例如，将圈舍与饲料基地近距离布置，同时留有运输通道。同时应考虑生产安全的保障，将养殖区和员工生活区分开，并合理布置消防点。最后还应考虑运输的需要，确保在足够的空间内进行饲料和肉羊的装运。总体来说，要求学员的布置方案既满足生产便利化、安全化的需要，又满足精细化和经济最优化的目标。

图2 布置方案示意图

养殖生产过程管理仿真：多组学员进行生产管理竞争模拟，精细化把控各重要时间点，合理分配生产管理任务。根据生产管理相关知识，在各生产实验模块中输入决策结果，学员需及时计算生产过程中的投入和产出，权衡市场供需结构的变化，在保证各项生产活动顺利进行的前提下，确保生产的经济性。学员可将养殖生产管理的各项任务按照时间序列排列，并制定相关甘特图，在养殖生产中确保各项任务的精准完成。例如，每年的3 月、4 月为春羔产羔期，在此期间应该确保母羊饲料的充足，防疫充分。学员应在系统中输入相关的数据，保证春羔管理的相关任务精准完成。通过模拟肉羊自购进到出栏销售的整体生产管理过程，强化学员对生产管理知识的运用能力。核心仿真数据还包括人力成本、生产线成本、养殖业收入、副产业收入等。

养殖生产质量管理仿真：根据学员的生产管理决策，提供肉羊在各关键生长周期的平均活重、胴体重、净肉重、屠宰率、净肉率等指标。每只羊的个体指标间应该有差异，可供抽样检验。学员抽取样本后，通过使用Minitab 等质量管理软件，计算出样本的质量特征，并通过控制图、帕累托图等形式表示出来。学员依据质量管理的PDCA 和六西格玛等质量管理方法，找到改进质量的可行办法。最后学员将改进的数据输入系统，比较改进前后的效果。实验重点考察学员将肉羊养殖生产管理的统计数据进行收集、处理、分析的能力。通过控制图（如图3 所示）了解肉羊体重不合格数的变化情况，并分析肉羊体重是否在管理的合格控制范围内。通过帕累托图（如图4 所示）分析影响肉羊体重的主要原因，同时确定质量改进方案。

图3 肉羊体重不合格数P 的控制图

图4 影响肉羊体重主要因素的帕累托图

危机处理决策仿真：仿真肉羊养殖过程可能产生的实际危机，如传染病爆发、肉价下跌、饲料价格猛涨、环保不达标、消防不达标等问题。系统设定反应时间较为紧迫，需要立即做出决策。借此培养并考察学员快速、正确做出决策的能力。

成本-收益管理仿真：根据学员的决策，给出成本-收益等财务结果。学员可根据每一期的结果，为下一期的决策提供依据。在最后一期，系统给出总体的财务结果，借此评定每组学员的生产管理决策结果。

3 考核方法

根据实验界面模块，学员逐步确定实验内容，最后根据学员决策的结果，教师进行点评。需要注意的是，本实验只仿真模拟了企业一年中的生产经营活动，重点放在企业初创期的保证生存方面。成本-收益管理只反映了企业的财务状况，并不能完全反映企业的未来发展，即使实验小组期末的财务状况并不理想，只要符合企业未来的发展方向并保证企业生存，即可认定为决策有效。对于实验与实践活动的考核，总分100分，实验过程70 分（流程环节把控40 分、经营决策30 分），实验报告30 分（流程重现10 分、决策心得10 分、实验总结10 分）。考核方式如表3 所示。

表3 考核方式

4 结论与讨论

基于以上设计，对规模化肉羊养殖的生产运营管理的交互式虚拟仿真系统进行软件开发。该系统首先被应用于内蒙古农业大学经济管理学院的生产与运作管理课程的专业实验中，通过几轮磨合，实验取得了一定的成果。通过“实景仿真—角色扮演—人机交互—分组竞争—复盘讨论”，学员转变为了实验教学的主体，增强了专业知识的运用，亲身体验到了作为养殖场管理者应担负的责任，以及应进行的工作，应注意的管理点、应作出的决策和应考虑的问题，切实提高了工作实践能力。通过本实验的启发式教学，学生开始思考并创造新的管理方法与技巧，提高学员的专业创新能力。对于决策，即使作出了错误的或者离谱的决策，也可以通过复盘进行回溯，找到决策中的问题，提升实践教学效果，这是在以往的企业现场实践教学中难以实现的。由于大量学员来自农村牧区，对肉羊养殖业本身拥有特殊的感情，本实验进一步激发了学员服务于农村牧区现代化的热情，为未来乡村振兴贡献力量奠定了基础。

该系统在实际操作中仍存在一定的短板，需要进一步完善与改进。首先，现阶段仅在高校范围内进行了测试，尚未在广大农村牧区大面积推广，针对不同地区、不同文化背景、不同专业背景的学员来说，还需进一步完善该系统；其次，由于尚处在开发初期，本项目只针对肉羊规模化养殖的生产管理的主干知识和活动进行了虚拟仿真模拟，对于细节性操作尚处在建设阶段；再次，本系统尚只设计了按键式操作程序，未来拟进一步加入语音交互和VR 模拟；最后，对于内蒙古自治区的肉羊养殖业还存在如天气、环境等的特殊影响，这些也尚未在系统中完全体现，但在未来的拓展模块中，会进一步完善。总之，本系统是一个需要长期不断更新、不断完善的虚拟仿真系统，其实践性和互动性还将进一步换代升级，以期为中国畜牧养殖业的发展贡献力量。