Прецизното свиневъдство пред глобалните предизвикателства

Видеосистеми, термографски и 3D камери, микрофони и сензори помагат на съвременните свиневъди да автоматизират рутинната работа и да освободят времето си за истински важните задачи. Автоматично управление и дистанционното наблюдение на животните постоянно се развиват и усъвършенстват. В свинефермите навлизат всички съвременни технологиимогат свързани с автоматика, роботизация и приложение на изкуствен интелект.

Текст: списание АгроБио Техника

Към 2050 година глобалното население навярно ще надхвърля 9 милиарда души. Над две трети от тях ще живеят в градовете. Това означава, че фермерите по света ще трябва да изхранват над шест милиарда души. Като се има предвид, че около третина от месото, консумирано по света, е свинско, фермерите, отглеждащи прасета, са принудени постоянно да увеличават продукцията си. Затова, необходимостта от автоматизиране на рутинните дейности е по-голяма от всякога. 

Технологичният напредък обаче работи в полза на т.нар. прецизно животновъдство. Чрез сензори (камери, микрофони и акселерометри) изображенията, звуците и движенията се комбинират с алгоритми за наблюдение на животните, за да се следи тяхното благосъстояние и развитие – и да се прогнозира производителността. Освен всичко дистанционното наблюдение на свинете може да осигури навременни сигнали за проблемни ситуации, изискващи вниманието на стопанина.

Нужда от устойчивост 

Без промяна на текущите хранителни практики продоволствената сигурност е изправена пред трудности в световен мащаб. Едно от решенията е устойчивото производство на месо. Това включва няколко фактора: по-голям брой животни, запазване на количеството на земеделската земя, необходима за изхранване на животните, увеличаване на плътността на животните и намаляване на съотношението животновъд на животно. Към това следва да се добави и нуждата от по-хуманно отношение към животните – фактор, който придобива все по-голямо значение за купувачите. 

Идентификация на животните 

Доколко е нужна идентификация на отделните животни в свинефермата е спорен въпрос. Предвид относително краткия цикъл на отглеждането на прасето до момента на изпращането в кланицата мнозина застъпват тезата, че индивидуалните идентификатори са ненужни.  Все пак практиката в модерните ферми е всяко животно да има своя електронен идентификатор. Най-разпространеният метод за това са ушните марки с чип – пластмасови „обеци“ с номера, в които са вградени RFID модули. Всеки чип е пасивен, тоест не излъчва сигнали сам по себе си; при попадане в магнитното поле на четец обаче чипът индуцира сигнал и предава идентификационните данни. 

Този метод е лесен за прилагане и евтин. Използването му позволява действително прецизно проследяване на наддаването на всяко животно. Недостатъкът е, че изисква време за премахване на маркерите при изпращане на животните в кланицата. Оптичното разпознаване на символи е друга възможност, която се обсъжда. Това е същата технология, благодарение на която текст от сканирана книга може да бъде преобразуван в компютърен файл с обработваем текст. В случая с прасетата софтуерът за оптично разпознаване разчита маркери, отбелязани върху самото животно. Това може да са отпечатани или ръчно изписани символи, номера, кодове – най-вече кодовете върху ушните марки. 

Оптичното разпознаване е приложимо и при маркиране директно върху животното (напр. върху гърба). Предимството на подхода е, че не се губи време за сваляне на идентификатори преди пращане на животните в кланица. Недостатъкът е, че когато символите са нарисувани върху тялото, знаците могат да избледнеят, а когато прасетата лежат близо едно до друго, разпознаването може да бъде сгрешено. Лицевото разпознаване, оказва се, също може да се използва за идентификацията на свине. Това е технология, разработена за разпознаване на хора, но при тестове с прасета е установено, че същата система може с голяма степен на точност да разпознава и отделните животни. Особено ефективен е алгоритъмът при фокусиране върху областта на очите – 97,9% точност на разпознаването.

Приложението на тази технология предполага лицата на животните да бъдат заснети фронтално. Това би означавало камера да се монтира например над поилката. Да се говори за лицево разпознаване при свине може да изглежда прекалено, но всъщност бързото развитие на технологията означава, че скоро фермерите ще могат да се възползват както от пределна точност, така и от все по-ниска цена. Освен това технологията е с най-голям капацитет: лицевото разпознаване позволява да се разчитат по 620 изображения в секунда! 

Измерване на тегло 

Теглото е един от най-важните показатели, които фермерът иска да следи при своите свине. Автоматите-теглилки са добре познати в животновъдството, като в свиневъдството имат няколко разновидности. Класическата предполага животните да бъдат проведени през проход към пространство с наличие на стимул (напр. храна). В средата на този проход животните биват забавяни леко или спирани за претегляне.  В свиневъдството се прилагат и теглилки за автоматично измерване на цяла „партида“ прасета – всички в даден отсек. Теглилката е стационарна в кошарата. Правят се многобройни измервания в рамките на един и същи ден. Системата представя средна стойност, най-високо и най-ниско измерено тегло в рамките на деня. Прасетата, надскочили дадена граница, автоматично се маркират (за изпращане в кланица). 

За измерването на тегло обаче могат да се използват и камери. Изследванията с анализ на изображения, използващи двуизмерни (2D) камери сочат, че събраната информация е достатъчна за измерването на теглото на всяко отделно животно с точност до 1 килограм. Анализът на видео-изображения също може да дава относително точно измерване. Почти всяка година през последното десетилетие в научната общност се появява поне една нова разработка за прилагане на камери и дълбочинни сензори за измерване на теглото на животните в свинефермите с точност от порядъка на над 95%. И макар че не всички разработки намират пътя си към реалния пазар под формата на комерсиално достъпни продукти, все пак вече има няколко различни технологии, достъпни на пазара, базирани именно на използването на камери за измерване на теглото на прасетата. 

Регистриране на еструс

Регистрирането на еструса при свинете-майки е другият важен показател, за който всеки фермер внимава. Оказва се, че автоматизацията в тази сфера не е много популярна, с изключение на някои региони. Например в Дания около 20% от фермерите използват сензори за регистриране на еструса.  Обичайно тези сензори представляват хендхелд устройства, чрез които се провежда вагинален преглед на всяка свиня-майка. Уредът регистрира температурата, както и елементи от химическия състав на мукуса (отделяната слуз). Прилагани два пъти дневно, сензорите дават точна насока за най-правилния момент на осеменяване. 

В процес на разработка обаче са нови, неинвазивни системи за регистриране на еструса на база дигитални инфрачевени термографски изображения. Целта е регулярно безконтактно измерване на температурата и установяване на нейното повишаване в областта на вулвата. Проведените досега технически експерименти показват голяма степен на точност на метода. За целите на правилното заснемане е необходимо поставянето на визуални маркери (своеобразни реперни точки – бележат се с боя) върху тялото на всяка свиня-майка. 

Носими сензори 

Носимите акселерометри са сред най-обещаващите технологии за наблюдение на поведението на добитъка, предоставяйки много и разнообразни данни в помощ на фермера. Акселерометърът е електромеханично устройство, използвано за измерване на ускоряващите сили. Силите могат да бъдат статични като непрекъснатата сила на гравитацията (напр. прасето лежи) или динамични, поради движение (напр. прасето върви). Движението генерира натиск върху микроскопични кристали, разположени в акселерометъра, и създава напрежение. Сензорите интерпретират количеството напрежение, за да определят скоростта на движение и ориентацията. Т. нар. триаксиален (триосев) акселерометър натрупва триизмерна информация, предоставяйки доста прецизна информация за движението на тялото на животното. Окуцяването при свинете е един от проблемите, които могат да бъдат регистрирани чрез използването на носими акселерометри. Акселерометрите могат да разкрият намаленото движение, по-ниската скорост на движение, полягането от една страна на друга. 

Окуцяването води до икономически загуби, а болката при окуцяване намалява общото благосъстояние при свинете. Затова прилагането на акселерометри за откриване на куцотата във фермата е ценно.  Важно е наред с акселерометрите да се използва и софтуер за обобщаване на данните, чрез който да могат да се наблюдават тенденциите. Когато в този софтуер има елементи на изкуствен разум, той може сам да „разпознае“, че дадено животно се движи необичайно.  Експериментите с акселерометри и софтуер с изкуствен интелект показват, че записите на движението могат да предскажат предстоящо окуцяване! Традиционната физическа активност на прасето (което може да измине до 4 километра на ден в рамките на кошарата) намалява при животните и това се „забелязва“ чрез акселерометър около 14 дена преди настъпването на външни признаци на умерена куцота. 

Автоматизирани механизми в кошарата 

Звуковият анализ се сочи като особено важен за мониторинга на свинефермите. Сравнително прости микрофони могат да преобразуват звуците в сигнали, които могат да бъдат обработвани чрез компютри с цел откриване, класифициране и локализиране на специфични акустични събития като индикации за стрес или заболяване.  Например високочестотните звуци при свинете (пищене) са свързани със стресови ситуации, най-често с физическа болка. Чрез регистрирането на повишен брой звуци от този вид може навреме да се открият девиации в поведението като агресивност, хапане на опашките, блъскане на главите и др.  Пак чрез звуков анализ може да се слуша „кашлицата“ при свинете. При наличието на компютърен алгоритъм дори може автоматично да се разпознае дали тя е продуктивна или непродуктивна, съответно да се засекат навреме респираторни заболявания. По този начин се следи за общото благосъстояние на животните. 

Следователно, с прилагането на технология за улавяне и анализ на звука, микрофоните и вокализациите могат да се превърнат в автоматична ежедневна мярка за грижа за здравето.  На пазара са налице комерсиални продукти, разработени на тази база. Информацията от анализа на звука може да се обвърже с медицинските грижи за животните, с управлението на вентилационната инсталация за регулиране на температурата и намаляване на запрашеността.  Инфрачервени камери могат да се монтират в кошарите за следене на телесната температура на животните. Инфрачервената технология не изисква контакт, което позволява постоянно дистанционно измерване. Физическата основа на инфрачервената технология е, че всеки обект, който има температура над абсолютната нула (0 К), излъчва инфрачервено лъчение и температурата на обекта определя дължината на вълната на излъчваното лъчение.

Преобразуването на лъчистата топлина в компютърно генерирано цветно изображение се извършва с процес, наречен термично изображение. Инфрачервените камери измерват физиологични и патологични процеси, свързани с промени в телесната температура, като неинвазивен, моментален метод.  Посредством инфрачервена термография могат безконтактно и навременно да се регистрират специфични явления като например развитие на мастит, нарушения в движението, респираторни инфекции.  Видеонаблюдението е приложимо във фермите за следене на груповото поведение на свинете в кошарата. Чрез видеокамери и софтуер за наблюдение може да се регистрира антагонистично поведение, преследване, хапане на опашки, сбивания между прасетата. 

Камерите могат да се използват за следене на термалния комфорт на животните. Тук е абсолютно необходимо технологията да се съчетае със софтуер, който да „разбира“ какво показват изображенията. Когато е горещо, прасетата са склонни да лягат по земята в търсене на хладина. Когато им е студено, те треперят. Това може да бъде „разбрано“ от алгоритъма и стопанинът да бъде известен за нуждата от регулиране на околната температура. 

Камерите могат да помагат и за откриване на куцота. Следейки поведението и особено движението, камерите, съчетани с машинно зрение, могат да „забележат“ кои индивиди са склонни да се застояват или залежават.  Все още обаче пазарът е беден откъм готови комерсиални системи за следене на поведението чрез камери. Технологията все още е в етап на разработване и има нужда от прецизиране и рафиниране. Има смисъл обаче да бъдат очаквани с нетърпение: експериментираните прз 2020 г. системи за регистриране на хапане на опашките чрез видеонаблюдение са дали точност от 99,5%, показват изследванията. 

Използването на 3D камери е ценно за следене на активността на прасетата в кошарата и откриване на „епидемии“ от хапане на опашките. Тъй като рязането на на опашки е забранено в ЕС, изследователите усилено изучават връзката между позата на тялото и опашката при свинете във връзка с хапането. Установено е, че делът на прасетата с ниска поза на опашката е най-висок една седмица преди избухването на „епидемията“. Това може да бъде навреме забелязано чрез 3D камери и „разчетено“ от софтуер. 

Специалните настилки също са в арсенала на съвременната, автоматизирана свинеферма. Постелките за оценка на налягането и чувствителните на натиск плочи са надеждни технологии, които могат да идентифицират необичайни или асиметрични походки при окуцяващите прасета. Плочите плочи се използват за измерване на разпределението на налягането на ноктите, разпределението на теглото върху четирите крака на свинете и натоварването на краката и преместването на тежестта. Има и електронни подложки с измерване на натиска и софтуер, анализиращи накуцването чрез мерки, включващи максимално налягане, дължина на крачката, време на стоеж, време за извършване на крачка и др. Обикновено тези приспособления осигуряват референтни „стандарти“ за куцота. Технологията е достатъчно усъвършенствана и на световния пазар има различни комерсиални продукти на тази база. Научните изследвания показват, че резултатите са достатъчно прецизни. 

Измервания на околната среда

Температурата на въздуха е най-важният, най-очевидният и най-лесният за измерване фактор на околната среда. Тя, спрямо телесната температура на свинете, определя нивото на енергиен обмен между прасето и околната среда. Температурата на въздуха се измерва лесно със стандартни термометри, цифрови или аналогови.  Скоростта на движение на въздуха над свинете е друг важен фактор. Въздушният поток има връзка с конвекцията и изпаряването, т.е. много форми на топлопредаването. Въздушният поток може да се измерва или с цифрови сензори, или с обикновени витлови сензори.

Температурите на околните повърхности са критични показатели за топлинната среда на прасето. Температурите на повърхностите могат да се следят чрез инфрачервен термометър и са малко по-трудни и скъпи за измерване, но въпреки това са критично важен показател. Така е, защото прасето е много адаптивно към средата си, но адаптивните реакции към околната среда могат да отнемат енергията от растежа. Например треперенето е отговор на борбата със студовия стрес чрез генериране на вътрешна топлина посредством мускулно триене. Тази реакция често остава незабелязана; но когато се случва, прасето губи енергията, придобивана чрез храненето, за въпросното мускулно триене, вместо да наддава тегло. 

Тази адаптивна реакция, умножена по стотици свине под един покрив, означава съществена разлика в рентабилността. Изкуственият нос е друга технология, която е в процес на разработване за мониторинг във фермите. Подобни системи се разработват в опит да се имитира човешкото обоняние и често се използват в хранително-вкусовата промишленост, производството на напитки и парфюмерията - за разработване на продукти и контрол на качеството. Сензорният масив на електронния нос открива химикалите, които хората възприемат като миризми, и записва цифрови резултати. Уредът може да генерира различен модел на реакция за различни видове проби. Наличието на множество сензори в един инструмент осигуряват реагиране на голям брой и много видове химикали.

Технологията е сравнително нова за селскостопанската индустрия, въпреки че потенциалът за приложение със сигурност е голям. Неотдавнашно проучване показа, че електронният нос може да прави разлика между тора от свине и от пилета и между емисиите от свине и от млекодайни животни. По-нататъшното разработване на сензори за миризми в селското стопанство ще има огромна роля за разпознаване на заболявания (често пъти те са свързани със специфични миризми), откриване на патогени, както и във връзка с повишаващите се изисквания за намаляване на вредните емисии от животновъдството (въглероден двуокис, нитрати и др). 

Автоматика за индивидуално третиране

RFID идентификаторите играят важна роля за индивидуалното третиране на животните.  Автоматичните хранилки за свинете-майки са една от технологиите, които се „сдвояват“ с е-идентификаторите. Тези хранилки са важни за правилното хранене на майките, като имат „грижата“ за навременното разпределяне на дажбите, спазване на необходимата диета за свинята. Същевременно автоматично се събират идентификационни данни за честота на хранене чрез RFID. Редките посещения на определени свине-майки при хранилките могат да са сигнал за проблем.

Системата може автоматично да изпрати предупреждение към фермера, така че здравословните проблеми или нежеланото социално поведение да бъдат разгледани в началото на тяхното развитие.  Автоматичните разделители за животни също са добре познати от други сфери на животновъдството. Това е система с две или повече порти, през които животните преминават и се разпределят в различни посоки според зададен критерий. Автоматичното насочване намалява нуждата от ръчно подбиране при обгрижването на групите животни. Комбиниран с е-идентификаторите и система за индивидуално измерване на теглото, разделителят може да „сортира“ прасетата, изпращайки в отделна зала тези, които са готови за продажба или изпращане към кланицата. 

Инфраструктура и софтуер 

Въвеждането на сензори, акселерометри, камери, термовизионни системи и други дигитални технологии в свинефермата е свързано с изграждането на вътрешна инфраструктура, която да събира сигналите от крайните устройства, да ги подава към компютърна система и да извършва тяхната обработка. Разработването и внедряването на софтуерни системи за анализ на данните дават най-голяма стойност на събраната информация от ежедневния мониторинг. 

Практиката в отделни ферми, дигитализирали голяма част от процесите, показва, че добрият мониторинг води до драстично намаляване на заболеваемостта на при свинете. Компютърните програми за анализ осигуряват ключови улики – например най-честа причина смъртност, статистика за наддаването и др. Тези данни се превръщат в индикатори какво трябва да се промени във фермата, за да се подобри отглеждането. Трендовете дават на фермера по-ясна представа какви мерки да предприеме, за да подобри благосъстоянието на свинете, да намали заболеваемостта, съответно да редуцира непредвидените разходи за лечение и в крайна сметка да постигне най-добрата производителност.  В някои случаи самият софтуер може да генерира детайлизирани отчети за тенденции за физиологичните параметри на животните във фермата и да генерира препоръки за мерки. 

Предизвикателства 

Ключово предизвикателство за фермерите-свиневъди остава якостта на сензорните системи. В реална среда те попадат в обстановка с множество силни въздействия – амоняк, прах, влага, жега, удряне, миене със струи под високо налягане. Реалните условия са предизвикателства и за аналитичния софтуер. Докато камерите и микрофоните събират снимки и записи от животните, в кошарите с прасета е обичайно да има силен фонов шум, зацапване, нерядко недостатъчно осветление, препарати против вредители, неблагоприятни атмосферни условия. Това може да попречи на системата за аудио- или видео-анализ да разпознае правилно обекта и точно да определи неговите характеристики. 

Нуждата от обучение, като се започне от базови ИТ познания и се стигне до боравенето със специализиран софтуер, също е фактор, който притеснява много фермери. Това ги възпира по отношение дигитализирането на фермите. Причина за колебание може да бъде и нуждата от свързаност между различните елементи, което понякога може да означава допълнителни разходи (например за интернет комуникации).