基于奶牛个体体况信息采集的精细日粮配方优化技术

基于奶牛个体体况信息采集的精细日粮配方优化技术

0牛奶精细饲养的技术应用根据个体条件信息的精致喂养是现代奶牛科学饲料的主要研究方向。这种复杂程度也受到国内外同行的影响，因为奶牛的个体繁殖和乳产量的双重性。影响制定集约化奶牛场的整体营养策略的因素是多方面的,首先是牛群的整体结构和总的数量,粗略决定制备饲喂不同牛只类型的饲料类型和饲料数量;其次就奶牛个体而言,因其品种、体重、生理阶段不同,尤其是泌乳奶牛,影响其日营养需要的因素包括环境温度、饲喂方式、成年体重、妊娠胎次、胎儿重量、日产奶数量、牛乳构成(如乳脂、乳蛋白、乳糖成分)等。过去用表格的形式列出奶牛的营养需要量,不能动态反映制约因素的变化对个体需要量的影响,而通过经验调整精饲料的补充量来体现个体饲喂的差异则达不到精准饲养的要求。因此,长期以来,国际上围绕奶牛的精细饲养所涉及的各种关键技术进行了长期不懈的研究与实践,尤其是应用现代信息技术,在奶牛精细饲养上取得了实质性的进展。例如,20世纪80年代后期,以美国、加拿大和日本为代表的集约化奶牛场,全面地将信息技术与营养模型调控技术结合起来,实现了以个体奶牛体况为基础的精细饲养,使得奶牛场的整体生产水平较传统的管理模式提高了30%以上,管理先进的奶牛场个体奶牛平均年产奶水平超过10t已很普遍,充分体现了信息技术与领域知识相结合改造传统畜牧业所带来的生产力的巨大进步。中国乳牛业在近些年来才有了比较快的发展,主要体现在品种引进、改良和牛群数量增加上。而在奶牛精细饲养方面,整体水平与奶牛养殖发达的国家存在明显的差距。尽管一部分合资企业由于引进了先进的饲养技术与设备,包括计算机管理技术,奶牛的平均产奶水平有明显的提高;但是,绝大部分依靠自身技术发展的奶牛养殖场的生产水平仍然相对落后、粗放,远没有达到精准饲养的要求,发展潜力很大,对奶牛的精细饲养技术和设备需求迫切。一方面,在中国具有一定养殖规模的奶牛场在城乡结合部为数不少,这些企业为追求企业的整体效益,迫切需要基于奶牛个体精细饲养的整体解决方案。这不仅是企业自身发展的需要,也是中国奶业向深层次发展的重大需求,以此来提高原奶的数量和最大限度节省饲料用粮;另一方面,在当今信息时代,信息技术的飞速发展,信息技术及其产品应用的日趋成熟,加上对奶牛营养需求的理解及其调控理论模型的不断完善,使得在中国实践基于奶牛个体信息的精准饲养的条件已基本具备。有鉴于此,在国家“十五”后期“863”计划启动的“数字农业精细养殖平台技术研究与示范”课题内容中,将针对动物的精细饲养作为平台建设的核心研究内容,这对于实现中国畜禽养殖业由粗放型向精细、效益型转变,由数量型向质量型转移不失为一条重要的技术措施。本研究在项目构建的“奶牛精细饲养综合技术平台”的基础上,通过应用信息技术采集动物的个体信息,将所得信息作为参数输入到所建平台相应的数据表和预测模型中,由计算机按系统预制的预测模型,由泌乳曲线预测产奶量开始,到预测奶牛对干物质采食量及其它主要养分的需要量,对于处在相同生理阶段或具有相似生产性能的牛只,拟选用相同的精饲料饲喂,按线性规划原理优化出符合条件的奶牛的日粮饲喂系列方案,为实现按个体奶牛的精细饲养探索一套技术解决方案。1材料和方法1.1射频识别应答器组成RFID(RadioFrequencyIdentification,射频识别)是无线电频率识别的简称,是一种非接触的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象、获取相关数据,与其它软硬件信息系统协同实施更高层的目标对象管理。射频识别系统一般由安置在目标识别对象上的应答器(一种电子数据载体)和阅读器两部分构成。目标对象的数据信息存储在应答器之中,它是射频识别系统的数据载体。应答器由耦合元件以及微电子芯片组成。在对畜牧生产对象的管理应用领域,国际标准IS011784和IS011785规定了用射频识别系统进行对动物识别的代码结构和技术准则。应答器的安装有4种不同的基本方法:项圈式应答器、耳牌式应答器、可注射式应答器和所谓药丸式应答器。项圈式应答器能够非常容易地从一头动物身上换到另外一头动物身上。主要应用于自动饲料配给和牛奶产量测定。条型码耳牌不适用于完全自动化过程,而耳牌式射频识别应答器在超过1m的距离内也可把数据读出,适合牛只耳号信息采集。本研究中开发的牛个体识别与称重系统采用远距离射频识别系统,通过适当选配如图1所示门柱型天线,控制射频作用距离从1m到1.5m,选用能量和数据以无线方式传输,阅读器发送频率为13.56MHz,阅读器到电子标签芯片的数据传输率为1.66kbit/s(标准模式),而电子标签芯片到读写器的数据传输率为26.5kbit/s。射频接口符合ISO15693的规范。如图1、2所示,该系统采用的耳牌式射频识别应答器固定在牛头的适当位置上,当牛通过系统的自动称重车时,系统中的阅读器将自动读取耳牌中的牛的唯一编号并通过压力传感器完成称重过程。将这两个一一对应的数据(编号-体重)连同采集时间一起通过无线局域网自动发送到养殖场的上位服务器,为数字化养殖平台提供实时数据。也可通过PDA采集和编辑数据,并经无线网络向上位服务器传输数据。1.2预测祖母奶奶牛个体营养需求的主要预测理论模型1干物质需求模型奶牛干物质的进食量受体重、产奶量、泌乳阶段、饲料能量浓度、日粮类型、饲料类型、饲料加工、喂饲方法、气候等影响。因此干物质进食量变化较大。但为了发挥奶牛的产奶潜力,保持牛只健康,则需要满足一定的干物质进食量。本研究按以下模型计算产奶母牛的干物质参考进食量:干物质进食量=0.062W0.75+0.40Y(适于偏精料型日粮,即精粗比约60∶40)或=0.062W0.75+0.45Y(适于偏粗料型日粮,即精粗比约45∶55)式中Y——标准乳,kg;W——牛的体重,kg。标准乳Y的换算公式为Y=(0.4+0.15×实际乳脂率)×日产奶量日粮中纤维需要量:为了保持正常的消化机能,配合日粮时应考虑粗纤维供给量。由于影响牛对粗纤维需要量的因素很多,故很难规定统一标准。根国内外的试验和生产经验,日粮粗纤维含量以不低于日粮干物质的13%为宜。2对个体的能量需要成年母牛的泌乳净能需要包括维持净能需要、按标准乳计算的产乳净能需要。如果是第一和第二泌乳期,因奶牛生长发育尚未停止,一般应在维持能量需要的基础上分别增加20%和10%的需要量。如果环境温度低于18℃,还需要提高维持需要;如果在泌乳期间出现增重或减重,也应相应调整能量需要;如果到了妊娠6、7、8、9月时,因胎儿能量沉积已明显增加,也需要适当增加能量需要。因后3种情形在本研究中未涉及而不考虑,故仅列出一般维持和产奶的净能需要(kJ)。成年母牛维持净能需要NEm=4.184×(85×BW0.75)产奶的能量需要=4.184×(M×日产奶量)式中M——每kg奶的能量,kJ/kg,可以用不同的回归公式计算。本研究选用的公式:M=4.184×(342.66+99.26×乳脂率)。因此,本研究用模型计算个体奶牛的泌乳净能(kJ)需要的公式为:NEL=4.184×(85×BW0.75+(342.66+99.26×乳脂率×日产奶量)式中BW——体重,kg;乳脂率,%;日产奶量,kg。3稳定剂的选择和用量指标随着奶牛营养科学的不断发展,人们对饲料进入瘤胃后的动态降解特性的研究逐渐深入,使得美国NRC(2001年)发布的奶牛营养需要的第7修订版中,建立了以瘤胃降解蛋白(RDP)和瘤胃非降解蛋白(RUP)为新的蛋白质需要量指标,并结合粗蛋白质需要量,构成新的蛋白质体系。这种体系显然同时考虑了满足瘤胃微生物合成和动物本身对蛋白质的需要量,比单纯的粗蛋白质体系或可消化粗蛋白质体系更符合奶牛的营养特点。但是,中国目前对主要奶牛饲料中降解蛋白质的基础评定工作还不系统,与新体系应用配套的数据不具备,因此在本研究中,暂时采用粗蛋白质体系。维持和产奶的蛋白质需要:维持的可消化粗蛋白质需要为3.0×BW0.75(g/d)或粗蛋白质需要为4.6×BW0.75(g/d);而每kg标准乳粗蛋白质需要为78g或可消化粗蛋白质51g。在以上基础上加10%的安全量,则每kg标准乳需粗蛋白质85g或可消化粗蛋白质55g。4泌乳曲线的建立实现泌乳奶牛的日营养需要量的精确预测,首先必须对日产奶量能作出预测。这就需要使用奶牛的泌乳曲线。而奶牛泌乳曲线的形式及主要参数受控于奶牛的品种(遗传物质)、胎次数以及营养水平等。为此,前人就泌乳曲线的建立进行了长期深入的研究,并提出了不同形式的泌乳曲线方程。考虑到中国荷斯坦奶牛的产乳性能和国际上对各种模型研究的认可程度,本研究选用Wilmink推荐的泌乳曲线模型y=w0+w1×t+w2×e-0.05×t式中y——日产奶量,kg;t——产奶天数;w0、w1、w2——回归参数。w0、w1、w2的值随奶牛305d的总的生产水平及奶牛所处在的泌乳胎次而变化。主要研究结果可见相关参考文献。5保乳性能分析本研究利用项目建立的奶牛养殖平台产生的奶牛场的模拟数据,以预设奶牛所在泌乳期产奶量在7000kg以上的泌乳奶牛为研究对象,选用奶牛精料补充料的营养规格参考DB11/T150.3-2002。6日粮配方研究使用其他函数本研究构建精补料配方和个体奶牛日粮配方模型时,均采用以成本最小化为目标函数的线性规划方法,求解最低成本的奶牛精补料及日粮配方。本研究对信息的接受和饲养方案制定等,均采用SQLServer2000数据库系统作为后台数据库,并采用VB6.0语言实现。系统的架构体系主要为C/S结构。2结果2.1对采集筛选筛选的期性分析利用信息采集技术,获得的奶牛个体信息,先送入到平台中奶牛基本信息库,然后由计算机搜索模块筛选出符合条件的个体奶牛信息数据列入表1。根据(1.2.5)的设定,在模拟数据库中,筛选的符合条件的奶牛有6头,个体奶牛信息包括月龄、胎次、由泌乳曲线预测的或希望达到的日产奶量、乳脂率等。因本研究未考虑妊娠月份、体重变化,相关的数据不予列出。为了按预制模型和相应计算模块计算个体奶牛的营养需要,如表1所示,均设定待配制日粮的精饲料与粗饲料比例为40∶60(干物质基础),也可设置为不同的比例。2.2精补料配方诊断表2所示为计算精补料的配方模型即系数矩阵,按单纯型法理论计算的精料配方列在表3中。经诊断,按表3配方提供的精补料的养分浓度:产奶净能为8.58MJ/kg,粗蛋白23.02%,钙1.3%,总磷0.80%,食盐1.8%。精补料作为一种中间料参与基于个体奶牛的日粮配方。2.3牛奶生活营养消耗量按本研究选用的养分预测模型,计算得到的个体奶牛每日营养需要量汇总在表4中。显然,干物质的需要量划分为由精补料提供的和由粗饲料提供的2个部分。2.4日粮原料养分诊断结果为计算出每头奶牛的日粮配方,同样需要建立计算奶牛日粮的配方模型。本研究除选用如表3所示的精料外,选用的粗料原料有青贮玉米、胡萝卜、苜蓿干草等3种原料,由此构成的日粮原料主要养分数据和价格信息列在表5中。将表5与表4的数据,按线性规划的原理可产生6组奶牛日粮配方模型,经优化计算后,所得基于奶牛个体日粮配方结果列在表6中。因每一日粮均能满足日粮的养分需要,其养分诊断结果未列出。由表6优化结果可以看出,可通过为奶牛提供苜蓿干草和精补料的不同(其它给量相同),实现相同泌乳阶段不同奶牛的个体差异,同时在饲喂上具有可操作性。3是应用成功的1)通过利用信息技术的手段,按个体体况信息,借助于预制的各种模型和数据,实现奶牛的精细饲养是可行的,也是现代畜牧业逐步过渡到信息型畜牧业的必然要求,它可以充分发挥动物的生产性能,从质和量上为动物提供需要的饲料和保健药物等。同时可以证实,信息技术的合理应用,可以成为生产力的主要要素。这是因为在一个集约化的养殖场内,由于饲养的动物十分密集,数量较大,动物的生理、生产性能个体间各不相同,同一个体也随生理和环境的变化而变化,靠传统的方式,即先收集信息,然后整理、计算个体之间的差异,最后靠人工控制,一是非常烦琐,二是时效性差,以致于只能采取比较粗放的饲养方式,达不到精细饲养的目的。随着现代信息技术的发展,信息采集技术的应用,象本研究提出的解决方案中所采用的无线射频技术,并借助无线局域网技术向计算机传递数据,使得实时、快速采集信息成为可能;通过计算机和相应的模型对采集的信息作及时处理,并优化出一系列体现个体差异的方案变得容易;加上自动控制设备的应用,使自动饲喂成为现实。本研究就是按照这种“信息采集—信息处理—信息应用”的路线,实施奶牛个体的精准饲养系统的设计,通过模拟数据的检验,产生的效果完全达到平台设计预期的目标,也是数字农业精细饲养要实现的主要目标。2)实现动物的精细饲养的关键是动态、准确预测动物个体对养分的需要。制约动物精准饲养因素是多方面的,除信息技术作为手段应用外,还与领域知识及其研究进展有非常直接的关系。首先,按动物个体体况参数预测动物营养需要的模型是至关重要的,由领域专家所建立的预测模型,能否准确预测动物的营养需要是进行精准饲养的基础,决非信息技术专家所能解决;模型的形式及其参数能否揭示动物对养分需要的变化规律是一个逐步认知的过程。因此,模型不是永恒的,不断变化才符合科学发展观。第二,饲喂动物所采用的标准体系的合理性,也是实施精细饲养的关键内容。本研究结合目前中国奶牛标准体系及饲料营养价值评定进展情况,采用粗蛋白/可消化粗蛋白体系,设计奶牛日粮配方,显然是权宜之计。与国际近些年来新制定的奶牛标准体系,如降解蛋白质/非降解蛋白质体系或小肠可消化蛋白质体系比较,从指标的先进性上看,体系相对落后,这是由于中国