2025全国畜牧业数智化典型案例——基于奶牛数字孪生体的精准养殖技术与装备研究

　　南京丰顿科技股份有限公司成立于2007年，是南京新经济十大领军企业之一、江苏省大数据产业技术创新战略联盟副理事长单位、国家高新技术企业。近年来，承担了国家863“数字化奶牛信息化平台建设”项目、国家重大奶业专项项目“北方大城市奶业现代化技术集成与示范”工程、国家948项目“全国种猪遗传评估中心网络管理系统”、“肉用种羊遗传评估系统”、“水产动物遗传评估系统”等重大项目的应用及推广。其中，我司自主研发的“中国奶牛生产性能测定分析系统（CNDHI）”被中国奶业协会认定为行业标准软件。

　　1.2案例背景介绍

　　本项目针对奶牛智能养殖中存在的生理与行为数据采集类型不丰富，采集数据解析奶牛健康与生产性能指标的模型不完善，解析指标对奶牛精准饲喂、精准繁殖管理、精准健康管理与环境精准调控等生产活动的指导不明确等问题，通过养殖多维数据采集、生理行为解析模型、生产方案数字仿真及人机交互虚拟现实等技术研究，将奶牛生理行为、生产过程及养殖环境的数字化信息映射到虚拟空间，形成数据驱动、实时反馈、模拟推演、以虚控实的奶牛数字孪生体。

　　1.3解决思路

　　（1）基于多传感的奶牛养殖信息采集技术与装备研究

　　针对养殖场环境复杂、多变，奶牛活动范围大的特点，基于多传感器开发奶牛个体识别、奶牛体征信息（活动量、采食量、反刍、发情）、养殖环境（温度、湿度、大气压、光照强度、CO2、NH3、CH4、H2S）数据监测系统，研究实际养殖环境下的多目标奶牛自动检测、连续跟踪、行为分析的机器视觉系统。

　　（2）基于数字孪生技术的奶牛个体行为模型构建与分析

　　研究奶牛场数字孪生体的数据融合技术、表征信息分析模型、养殖方案仿真模型及三维可视化模型，开发支撑奶牛场海量数据连续流处理和流分析的数据分析平台；探索表征信息与生产性能指标间的因果关系模型，建立数据驱动、场景识别的奶牛营养－繁殖－健保－环境管理影响健康－生产性能的仿真模型；制订奶牛数字孪生体的数据融合、指标体系与分析模型相关技术规范。

　　（3）基于奶牛数字孪生体的精准养殖技术研究

　　基于奶牛数字孪生体构建养殖场精准饲喂系统、智能环控系统、精准繁殖系统、健康监测系统。研发TMR饲喂设备控制器，实时调控奶牛饲喂量。基于奶牛体况信息，建立“风机+喷淋”精细化协同作业技术模式。精准预测奶牛的发情时间和阶段，提供准确的配种时间，降低PG、GnRH生殖激素用量，提高奶牛受胎率。基于奶牛异常行为自动识别消化道疾病、肢蹄病等疾病，建立疾病预警系统，早发现早隔离早治疗，避免群体疾病发生。

　　2场景解决

　　2.1创新亮点

　　（1）本项目基于多传感监测奶牛多维信息，综合传感器采集的生理数据和视觉系统采集的行为信息，基于多模型组合的数字孪生技术，解析生理行为数据与奶牛健康、生产性能的耦合关系，即可正向揭示奶牛对养殖系统的适应程度、又可反向拟合养殖系统参数调整对奶牛的影响等，为动物疾病预警、养殖环境反馈调节提供低成本、高精度的技术方案。

　　（2）首创基于数字孪生的智慧畜牧管理平台研究，目前国内外在农业领域数字孪生的研究工作大多处在理论层面，或在实验室中开展技术框架验证，本研究填补养殖领域的这项空白，将数字孪生框架的典型方法与针对奶牛场养殖信息监测与环境智能控制相结合，并在规模化牧场开展实施，对养殖场实时预测和智慧决策工具进行革新。

　　2.2核心技术

　　（1）奶牛数字孪生体架构和应用方面

　　①奶牛场数字孪生体的模型研建；

　　本项目以奶牛健康、生长和生产性能等主要指标的优化为目标，基于采集数据驱动模型的思想，一方面探索奶牛生理、行为表征信息与性能指标的关联关系，另一方面探索养殖生产中营养、健康、繁殖和环境等因素的调控对性能指标的影响作用，数据模型的研建是核心关键技术问题。

　　②奶牛数字孪生体技术框架和平台技术；

　　数字孪生技术在制造业初见成效，但在农业领域尚无成功案例，技术路线的选择和平台建立至关重要。除国内外平台厂商提供的商业化平台对农业场景支持不够，本项目主要基于开源平台进行研究开发；

　　③基于数字孪生的奶牛精准养殖技术与装备研究

　　本项目研究营养、健康、繁殖和环境的精准管控技术与装备，需要与多种现有的信息采集设备和奶牛养殖装备进行集成，解决数据和设备的兼容性是关键问题之一，提高设备的可用性和可靠性是另一关键问题。

　　（2）奶牛检测、跟踪和行为分析方面

　　①现有奶牛目标检测算法复杂度高、检测精度较低且易受开放式牛场环境和奶牛遮挡干扰，如何实现基于深度学习的轻量式、高精度多目标奶牛检测具有难度。

　　②多目标奶牛跟踪方法研究多数是基于传统算法，结果不稳定且需要人工干预进行关键参数的选取，缺乏智能化的在线奶牛多目标跟踪系统，如何利用深度学习技术，实现高效在线多目标奶牛的准确跟踪具有难度。

　　③奶牛运动行为识别算法大多研究特定行为且未考虑到时间维度信息，仅利用帧图像进行分类，会造成行为误判断，且模型沉重不易进行移植，如何设计高效时空网络以实现自然场景下奶牛基本运动行为的准确、快速识别具有难度。

　　（3）奶牛生理信息监测装备与系统研发方面

　　①基于耳标的采集器研发

　　采集器采用NTC热敏电阻作为温度传感器，通过优化结构方案传感器与皮肤充分接触，CPU通过差分对比方法经过高速模数转换芯片得到准确温度数据；三轴加速度传感器将连续的XYZ三轴数据缓存下来，缓存满数据后自动唤醒CPU读取数据，CPU通过卡尔曼、高斯等滤波算法比对特征波形得到牛只特征数据，通过自组网2.4G网络发送到现场基站，基站汇总数据后定时将数据发送给后台服务。

　　②奶牛生理信息监测系统研发

　　基于耳标采集器和监测云平台建立奶牛生理信息监测系统。通过奶牛活动量、躺卧、反刍采集器（加速传感器）实时采集牛只活动波形数据，温度传感器采集体温数据并通过2.4G方式定时向监测云平台发送。云平台构建奶牛活动量、躺卧、反刍特征波形模型。

　　2.3应用范围

　　本项目基于机器视觉和深度学习方法，研究奶牛场实际生产环境中个体跟踪、身份识别、信息获取和行为分析等关键技术，进一步将识别算法与边缘计算设备整合，为奶牛生理与行为分析的智能化提供理论和技术支撑。同时基于数字孪生技术框架重构建奶牛精细化养殖管理系统，促进奶业信息化和数字化建设，能够从根本上提高劳动生产率和畜牧企业的市场竞争力。

　　本项目的成果将信息技术与奶牛养殖相结合，能够实现奶牛养殖各个环节的信息感知，准确了解奶牛生长环境情况和生理情况，精准监测奶牛发情期，实时掌握奶牛疾病程度，从而对奶牛进行精细的个性化饲养管理，使奶牛养殖过程更加科学化、智能化和现代化，提高奶牛养殖的经济效益和生产水平。

　　3应用成效

　　3.1投入产出情况

　　项目实施初期，示范牧场全群3100头，其中成母牛1730头。项目实施期间，通过本项目的数字孪生技术创新与集成，实现牧场以“奶牛福利、生态循环”为养殖理念，提供高端、优质、安全的原料奶，通过差异化的优质乳产品供应，实现降本增效，每年将新增经济效益612万元。

　　3.2经济社会价值

　　3.2.1经济效益

　　通过生态化、标准化及智能化技术创新与集成，实现牧场以“奶牛福利、生态循环”为养殖理念，生产高端、优质、安全的原料奶，加工销售优质乳产品，每年将新增经济效益1540.5万。项目区成母牛单产10吨以上，平均每头成母牛新增效益4270元。

　　3.2.2社会效益

　　通过研究基于数字孪生技术的奶牛精准养殖模式，实现奶牛数字化精准养殖，提高牧场管理水平和奶牛生产性能，降低生产成本，实现增产促效，有助于引导牧场生产高品质的奶源，增加牧场收入；提升乳制品生产过程中的安全意识，增强政府和社会各界对乳制品生产企业的监督管理，推进食品安全法的贯彻落实；对于同行业企业具有很强的示范带动作用，可有效改善和提高我国乳品整体质量安全水平，提升国内乳品的消费信心与国际竞争力。

　　通过本项目实施，可以有效合理利用资源，减少污染物排放，转变我省奶业增长方式，实现奶业可持续发展，同时对同行业企业具有一定的示范带动作用，可有效改善和提高我省乳品整体质量安全水平。

　　3.3推广应用前景

　　本研究不仅可以实现牛只信息获取数字化、提高养殖场工作效率和质量，而且丰富了基于数字孪生技术的动物行为分析理论和方法，可以作为其它动物行为分析系统的蓝本。信息技术与奶牛养殖的结合，能够实现奶牛养殖各个环节的信息感知，准确了解奶牛生长环境情况和生理情况，精准监测奶牛发情期，实时掌握奶牛疾病程度，从而对奶牛进行精细的个性化饲养管理，使奶牛养殖过程更加科学化、智能化和现代化。在农业现代化发展的大背景下，对大数据资源的挖掘包含了诸多的信息，成为辅助人们正确决策的依据，各种传感器、机器人及智能设备替代人们或许成为未来奶业的主角。数字化信息技术在奶业中的应用有助于减少生产成本、提高生产效率，对奶牛的健康成长、产业的可持续发展及奶牛福利的改善起到积极的推动作用。因此，开展本项目研究不仅具有重要的理论意义，而且具有广阔的应用前景。

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