奶牛运动行为智能监测研究进展与技术趋势

2022 年6 月 第4 卷 第2 期 智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Jun.2022 Vol.4,No.2
doi ：10.12133/j.smartag.SA202203011
奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势

1 ， 2 ， 3 1 ， 2 ， 3 1 ， 2 ， 3 1 ， 2 ， 3
王 政 ， 宋 怀 波 王 云 飞 ， 华 志 新 ，
1 ， 2 ， 3 1 ， 2 ， 3
李 嵘 ， 许 兴 时 ，
（ 1 . 西 北 农 林 科 技 大 学 机 械 与 电 子 工 程 学 院 ， 陕 西 杨 凌 7 1 2 1 0 0 ； 2 . 农 业 农 村 部 农 业 物 联 网 重 点 实 验 室 ，
陕 西 杨 凌 7 1 2 1 0 0 ； 3 . 陕 西 省 农 业 信 息 感 知 与 智 能 服 务 重 点 实 验 室 ， 陕 西 杨 凌 7 1 2 1 0 0 ）
摘 要 ： 奶 牛 运 动 行 为 蕴 含 着 诸 多 健 康 信 息 。 信 息 化 、 智 能 化 技 术 的 应 用 有 助 于 养 殖 场 及 时 掌 握 奶 牛 健 康
状 况 ， 提 高 养 殖 效 率 。 本 文 主 要 针 对 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 技 术 的 研 究 进 展 予 以 分 析 ， 首 先 对 奶 牛 基 本 运
动 （ 躺 卧 、 行 走 、 站 立 ） 、 发 情 、 呼 吸 、 反 刍 及 跛 行 等 行 为 的 监 测 意 义 进 行 阐 述 ， 明 确 了 奶 牛 行 为 监 测 的 必
要 性 ； 其 次 按 照 时 间 顺 序 分 别 从 接 触 式 监 测 方 法 和 非 接 触 式 监 测 方 法 两 方 面 综 述 了 国 内 外 相 关 研 究 现 状 ，
对 相 关 研 究 的 原 理 及 成 果 进 行 详 细 介 绍 ， 并 进 行 了 分 类 总 结 ； 对 奶 牛 行 为 监 测 产 业 发 展 现 状 进 行 了 分 析 ，
介 绍 了 国 外 主 流 牧 场 自 动 化 设 备 供 应 商 主 营 业 务 及 代 表 产 品 ； 之 后 分 别 提 出 了 当 前 接 触 式 和 非 接 触 式 奶 牛
运 动 行 为 监 测 方 法 的 问 题 与 挑 战 。 最 后 ， 针 对 相 关 关 键 技 术 的 发 展 趋 势 进 行 了 展 望 。
关 键 词 ： 奶 牛 ； 运 动 行 为 ； 健 康 状 况 ； 智 能 化 监 测 ； 智 慧 畜 牧
中 图 分 类 号 ： S - 1 ； T P 1 8 ； S 8 2 3 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： S A 2 0 2 2 0 3 0 1 1
引 用 格 式 ： 王 政, 宋 怀 波, 王 云 飞, 华 志 新, 李 嵘, 许 兴 时. 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势[J]. 智 慧
农 业( 中 英 文),2022,4(2):36-52.
WANGZheng,SONGHuaibo,WANGYunfei,HUAZhixin,LIRong,XUXingshi.Researchprogressandtechnolo ‐
gy trend of intelligent morning of dairy cow motion behavior[J]. SmartAgriculture, 2022, 4(2): 36-52. (in Chinese
withEnglishabstract)
在 发 情 期 间 会 进 行 排 卵 ， 及 时 进 行 配 种 是 奶 牛 受
1 引 言
［6 ］
孕 、 繁 殖 的 必 要 条 件 ； 此 外 ， 正 常 奶 牛 呼 吸 和
奶 牛 养 殖 业 是 畜 牧 业 的 重 要 组 成 部 分 。1978
反 刍 频 率 基 本 固 定 ， 当 出 现 波 动 时 可 能 与 热 应 激
［7,8 ］
年 ， 中 国 奶 牛 存 栏 仅48 万 头 ， 截 至2020 年 底 ，
或 疾 病 等 异 常 状 况 有 关 ； 当 奶 牛 发 生 蹄 肢 病
全 国 奶 牛 存 栏 量 已 达 到520 万 头 ， 百 头 以 上 规 模
时 ， 往 往 会 出 现 跛 行 ， 从 而 导 致 奶 牛 产 奶 量 与 繁
［1-3 ］
［9 ］
养 殖 场 比 例 为67.2% 。 奶 牛 的 行 为 是 对 其 内 部
殖 力 降 低 。 随 着 奶 牛 养 殖 规 模 的 逐 渐 扩 大 ， 传
生 理 变 化 或 外 部 环 境 刺 激 而 做 出 的 反 应 ， 直 接 或
统 的 人 工 监 测 方 法 因 效 率 低 下 、 准 确 率 难 以 保 证
［4 ］
间 接 地 反 映 了 奶 牛 的 健 康 及 生 理 状 况 。 例 如 ，
等 原 因 已 无 法 满 足 养 殖 要 求 ， 奶 牛 运 动 行 为 的 智
［10 ］
奶 牛 的 躺 卧 行 为 是 奶 牛 每 日 所 需 时 间 最 长 、 最 优
能 监 测 已 成 为 相 关 研 究 的 必 然 选 择 。
［5 ］
先 的 行 为 ， 其 躺 卧 时 间 与 产 奶 量 成 正 比 ； 奶 牛 精 准 养 殖 成 为 奶 牛 养 殖 业 发 展 的 新 方 向 ， 也
收 稿 日 期 ：2022-03-21
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 （2017YFD0701603 ） ； 陕 西 省 技 术 创 新 引 导 计 划 （2022QFY11-02 ）
作 者 简 介 ： 王 政 （1998 － ） ， 男 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 智 能 化 检 测 与 技 术 。E-mail ：[e-mail]

通 信 作 者 ： 宋 怀 波 （1980 － ） ， 男 ， 博 士 ， 教 授 ， 研 究 方 向 为 智 能 化 检 测 与 技 术 。E-mail ：[e-mail].4,No.2 王 政 等 ： 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势
3 7
［11 ］
是 中 国 奶 业 现 代 化 的 必 然 要 求 。 为 进 一 步 明 对 技 术 的 发 展 趋 势 进 行 了 展 望 。
确 当 前 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 和 技 术 瓶
2 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展
颈 ， 本 文 主 要 针 对 奶 牛 的 基 本 运 动 （ 行 走 、 躺
卧 、 站 立 ） 、 发 情 、 呼 吸 、 反 刍 及 跛 行 等 行 为 的
目 前 ， 对 奶 牛 运 动 行 为 的 监 测 方 法 主 要 分 为
监 测 展 开 讨 论 ， 分 别 从 接 触 式 和 非 接 触 式 两 种 监
接 触 式 和 非 接 触 式 两 种 。 接 触 式 监 测 方 法 主 要 依
测 方 法 对 研 究 进 展 进 行 总 结 ， 同 时 对 奶 牛 运 动 行
靠 在 奶 牛 的 不 同 部 位 固 定 传 感 器 以 实 现 不 同 行 为
为 监 测 产 业 发 展 现 状 进 行 了 探 讨 ， 并 结 合 研 究 和
的 监 测 ， 如 表1 所 示 。
产 业 发 展 现 状 ， 讨 论 了 当 前 研 究 中 存 在 的 问 题 并
表 1 接 触 式 奶 牛 行 为 监 测 相 关 研 究
Table1 Researchesoncontactbehaviormonitoringofdairycows
传 感 器 类 型 特 征 类 型 分 类 算 法 监 测 行 为 类 型 准 确 率 来 源 年 份
［12 ］
加 速 度 颈 部 运 动 数 据 K-Means 静 止 、 慢 走 、 快 跑 、 爬 跨 — — 尹 令 等 2010
采 食 、 躺 卧 、 静 止 站 立 、
蹄 部 运 动 数 据 ， 多 分 类
［13 ］
加 速 度 ， 位 置 躺 下 、 起 身 、 正 常 行 走 、 多 数80% 以 上 Wang 等 2018
位 置 坐 标 BP-AdaBoost
主 动 行 走
① ［14 ］
加 速 度 颈 部 运 动 数 据 SVM 站 立 、 躺 卧 、 采 食 、 行 走 90.24% Hoang 等 2018
采 食 、 移 动 （ 行 走 或 轻
［15 ］
加 速 度 侧 腹 运 动 数 据 随 机 森 林 75.90% Balasso 等 2021
微 移 动 ） 、 反 刍 、 休 息
颈 部 运 动 数 据 ，
［16 ］
加 速 度 ， 位 置 BP 神 经 网 络 发 情 95.46% Wang 等 2022
位 置 坐 标
采 食 ：92.80%
② ［17 ］
加 速 度 下 颌 运 动 数 据 KNN 采 食 和 反 刍 Shen 等 2019
反 刍 ：93.70%
［18 ］
加 速 度 颈 部 运 动 数 据 — — 放 牧 和 反 刍 — — Iqbal 等 2021
［19 ］
惯 性 测 量 单 元 蹄 部 运 动 数 据 SVM 跛 行 91.10% Haladjian 等 2017
［20 ］
计 步 器 活 动 量 — — 妊 娠 后 期 活 动 量 — — 蒋 晓 新 等 2014
［21 ］
计 步 器 活 动 量 — — 蹄 病 — — 蒋 晓 新 等 2014
［22 ］
计 步 器 活 动 量 SVM 发 情 98.90% 谭 益 等 2018
［23 ］
计 步 器 活 动 量 KNN 跛 行 87.00% Taneja 等 2020
［24 ］
压 力 呼 吸 时 腹 部 规 律 性 起 伏 — — 呼 吸 — — Eigenberg 等 2000
呼 吸 时 鼻 腔 与 周 围 环 境 的 压 与 人 工 计 数 具 有 较
［25 ］
压 力 — — 呼 吸 Strutzke 等 2018
力 差 高 相 关 性
与 人 工 计 数 具 有 较
［26 ］
压 力 咀 嚼 时 产 生 规 律 的 压 力 变 化 — — 反 刍 Braun 等 2013
高 相 关 性
与 称 重 槽 测 定 结 果
［27 ］
压 力 咀 嚼 时 产 生 规 律 的 压 力 变 化 — — 采 食 和 反 刍 Pahl 等 2016
具 有 较 高 相 关 性
［28 ］
压 力 足 底 压 力 分 布 情 况 — — 跛 行 — — 杨 丽 娟 等 2016
刘 忠 超 和
电 阻 阴 道 电 阻 值 — — 发 情 精 度 为±2.00% 2019
［29 ］
何 东 健
学 习 矢 量 量 化 预 测 准 确 率70.00%
［30 ］
振 动 ， 姿 态 ， 温 度 活 动 量 ， 静 卧 时 间 ， 体 温 发 情 田 富 洋 等 2013
神 经 网 络 以 上
基 于 多 层 感 知 机 的 自
［31 ］
声 音 声 音 识 别 出 下 颌 运 动 下 而 上 觅 食 活 动 识 别 采 食 和 反 刍 F 分 值 均 高 于0.75 Chelotti 等 2020
1
器 算 法
与 人 工 计 数 无 统 计
［32 ］
温 度 奶 牛 鼻 孔 附 近 环 境 温 度 — — 呼 吸 Milan 等 2016
学 差 异
注 ： ①SVM （SupportVectorMachine ， 支 持 向 量 机 ） ； ②KNN （K-NearestNeighbor ，K 最 邻 近 ）智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.2
3 8
大 多 数 接 触 式 监 测 方 法 基 于 加 速 度 传 感 器 、 为 识 别 ， 但 由 于 这 些 特 征 干 扰 因 素 较 多 ， 因 此 在
压 力 传 感 器 和 计 步 器 等 ， 主 要 通 过 加 速 度 传 感 器 实 际 应 用 中 难 以 实 现 。
和 计 步 器 获 取 头 颈 部 和 蹄 部 的 运 动 数 据 ， 利 用 分 非 接 触 式 监 测 方 法 包 括 传 统 和 基 于 深 度 学 习
类 算 法 对 奶 牛 行 为 进 行 监 测 ； 对 于 呼 吸 行 为 ， 由 的 视 频 分 析 、 基 于 声 音 信 号 、 基 于 激 光 测 距 和 热
于 其 特 征 单 一 且 不 明 显 ， 大 多 只 能 通 过 传 感 器 对 成 像 等 方 法 ， 如 表2 所 示 ， 以 视 频 分 析 技 术
腹 部 起 伏 或 鼻 腔 气 流 的 规 律 性 变 化 进 行 直 观 记 为 主 。
录 。 虽 然 也 有 学 者 研 究 基 于 温 度 和 声 音 的 奶 牛 行
表 2 非 接 触 式 奶 牛 行 为 监 测 相 关 研 究
Table2 Researchesonnon-contactbehaviormonitoringofdairycows
方 法 特 征 类 型 分 类 算 法 行 为 类 型 准 确 率 文 献 年 份
［33 ］
呼 吸 时 腹 部 规 律 起 伏 光 流 法 呼 吸 95.68% 赵 凯 旋 等 2014
爬 跨 过 程 包 围 两 头 牛 的 边 界 Tsai 和
— — 爬 跨 0.33% （ 假 阳 性 率 ） 2014
［34 ］
框 长 度 Huang
［35 ］
蹄 肢 运 动 曲 线 K-Means 跛 行 91.15% Zhao 和He 2014
基 于 结 构 相 似 度 的 聚 类 算 躺 卧 、 站 立 、
［36 ］
牛 的 质 心 和 轮 廓 97.32% 何 东 健 等 2016
法 行 走 、 奔 跑
爬 跨 时 两 头 奶 牛 最 小 包 围 盒
［37 ］
— — 爬 跨 80.00% 顾 静 秋 等 2017
之 间 的 相 交 面 积
［38 ］
反 刍 时 嘴 部 区 域 质 心 轨 迹 均 值 漂 移 反 刍 92.03% Chen 等 2017
传 统 视 频 图
基 于 共 轭 梯 度 追 踪 算 法 的
［39 ］
像 分 析
步 态 特 征 跛 行 92.70% 温 长 吉 等 2018
稀 疏 超 完 备 词 典 学 习 方 法
［40 ］
反 刍 时 嘴 部 区 域 质 心 轨 迹 核 相 关 滤 波 反 刍 误 检 率7.72% （ 双 目 标 ） 宋 怀 波 等 2018
［41 ］
头 颈 部 轮 廓 拟 合 直 线 斜 率 KNN 跛 行 93.89% 宋 怀 波 等 2018
［42 ］
爬 跨 时 几 何 和 光 流 特 征 SVM 爬 跨 90.90% Guo 等 2019
［43 ］
呼 吸 时 腹 部 规 律 起 伏 Lucas-Kanade 稀 疏 光 流 法 呼 吸 98.58% 宋 怀 波 等 2019
［44 ］
牛 蹄 跟 随 性 阈 值 判 别 跛 行 93.30% 康 熙 等 2019
爬 跨 过 程 包 围 两 头 牛 的 最 小
［45 ］
KNN 爬 跨 99.21% 谢 忠 红 等 2021
外 接 矩 形
刘 忠 超 和
①
— — CNN 爬 跨 98.25% 2019
［46 ］
何 东 健
融 合DeeplabV3+ 和Lucas-
［47 ］
呼 吸 时 腹 部 规 律 起 伏 呼 吸 93.04% Wu 等 2020
Kanade 稀 疏 光 流 法
融 合 卷 积 神 经 网 络 和 长 短 躺 卧 、 站 立 、 行 走 、
［48 ］
基 于 深 度 学
— — 97.60% Wu 等 2021
期 记 忆 网 络 饮 水 、 反 刍
习 的 视 频 图
王 少 华 和
— — 改 进YOLOv3 爬 跨 99.15% 2021
像 分 析
［49 ］
何 东 健
［50 ］
— — Rexnet3D 躺 卧 、 站 立 、 行 走 95.00% Ma 等 2022
3D 卷 积 网 络 和 卷 积 长 短 期 采 食 、 寻 觅 、 舔 舐 、90.32% （ 牛 犊 ）86.67%
［51 ］
— — Qiao 等 2022
记 忆 网 络 行 走 、 站 立 （ 成 年 奶 牛 ）
［52 ］
背 部 曲 率 噪 声+ 双 向 长 短 期 记 忆 网 络 跛 行 96.61% Jiang 等 2022
［53 ］
激 光 呼 吸 时 腹 部 规 律 起 伏 — — 呼 吸 — — Pastell 等 2007
［54 ］
声 学 哞 叫 声 支 持 向 量 数 据 描 述 发 情 94.00% Chung 等 2013
呼 吸 时 由 呼 吸 气 流 引 起 的 鼻 较 人 工 计 数 结 果 相 关 Jorquera-
热 成 像 — — 呼 吸 2019
［55 ］
部 区 域 像 素 强 度 值 变 化 系 数 为0.87 Chavez 等
注 ： ①CNN （ConvolutionalNeuralNetworks ， 卷 积 神 经 网 络 ）
基 于 传 统 视 频 图 像 分 析 的 方 法 均 需 人 工 设 计 特 征 数 值 对 奶 牛 行 为 进 行 分 类 ， 在 分 析 时 不 需 要
特 征 ， 通 过 人 工 设 定 或 算 法 学 习 得 到 阈 值 ， 根 据 大 量 图 片 ， 人 工 分 析 起 主 导 作 用 。 基 于 深 度 学 习Vol.4,No.2 王 政 等 ： 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势
3 9
的 视 频 图 像 分 析 方 法 则 通 过 采 集 大 量 图 片 数 据 ， 据 ， 通 过 支 持 向 量 机 （ S u p p o r t V e c t o r M a c h i n e ，
对 相 关 行 为 进 行 标 注 ， 利 用 数 据 驱 动 网 络 学 习 相 S V M ） 对 奶 牛 站 立 、 躺 卧 、 采 食 和 行 走 四 种 行 为
进 行 分 类 ， 该 方 法 的 平 均 灵 敏 度 为87.51% ， 平
关 特 征 ， 无 需 人 工 提 取 特 征 ， 可 充 分 利 用 数 据 本
［15 ］
身 信 息 实 现 端 到 端 （end-to-end ） 学 习 ， 但 对 于 均 精 度 为90.24% 。Balasso 等 将 三 轴 加 速 度 计
网 络 设 计 要 求 较 高 ， 同 时 数 据 集 要 求 足 够 大 。 固 定 于 奶 牛 侧 腹 收 集 奶 牛 运 动 数 据 ， 提 取 不 同 特
征 ， 利 用 机 器 学 习 算 法 对 奶 牛 姿 态 和 行 为 进 行 分
2 . 1 奶 牛 基 本 运 动 行 为 检 测
类 ， 试 验 结 果 表 明 ， 奶 牛 姿 态 预 测 准 确 率 最 高 为
2 . 1 . 1 奶 牛 基 本 运 动 行 为 监 测 意 义
99.2% ， 行 为 预 测 准 确 率 最 高 为75.9% 。
奶 牛 基 本 运 动 行 为 主 要 有 躺 卧 、 行 走 和 站 立
在 实 际 应 用 过 程 中 ， 利 用 接 触 式 传 感 器 对 奶
等 。 研 究 表 明 ， 躺 卧 是 奶 牛 每 天 最 优 先 的 行 为 ， 正
牛 基 本 运 动 行 为 监 测 精 度 较 高 ， 但 对 站 立 静 止 与
常 奶 牛 每 天 的 躺 卧 时 间 应 达10 ~14 h ， 每 增 加1 h
躺 卧 行 为 的 细 粒 度 区 分 能 力 偏 弱 ， 因 此 需 要 从 算
［5 ］
的 躺 卧 时 间 ， 奶 牛 的 产 奶 量 将 会 增 加 约1.7kg ； 若 奶
法 层 面 予 以 改 进 ， 以 达 到 更 高 的 区 分 度 。
牛 躺 卧 时 间 减 少 ， 则 可 能 是 由 于 卧 床 不 舒 适 ， 牛 只
2 . 1 . 3 非 接 触 式 基 本 运 动 行 为 监 测 方 法
［56 ］
发 情 等 原 因 。 同 样 ， 奶 牛 站 立 和 行 走 行 为 的 异
奶 牛 基 本 运 动 行 为 的 非 接 触 式 监 测 主 要 依 靠
常 也 可 反 应 出 诸 多 健 康 信 息 。 奶 牛 基 本 运 动 行 为
视 频 图 像 分 析 ， 包 括 光 流 法 、 特 征 分 类 等 方 法 ，
的 智 能 监 测 是 奶 牛 健 康 状 况 预 测 的 重 要 内 容 ， 同
随 着 大 数 据 及 硬 件 设 备 的 发 展 ， 基 于 深 度 学 习 的
时 也 是 奶 牛 爬 跨 、 反 刍 等 高 级 行 为 监 测 识 别 的
奶 牛 行 为 视 频 监 测 方 法 也 被 提 出 。
［57 ］
［36 ］
基 础 。
何 东 健 等 提 出 了 基 于 最 大 连 通 区 域 的 边 界
2 . 1 . 2 接 触 式 基 本 运 动 行 为 监 测 方 法
循 环 搜 索 法 对 犊 牛 目 标 进 行 检 测 与 提 取 ， 并 根 据
奶 牛 基 本 运 动 行 为 可 通 过 奶 牛 活 动 量 和 姿 势
结 构 相 似 度 对 犊 牛 基 本 运 动 行 为 （ 躺 卧 、 站 立 、 行
等 特 征 进 行 判 别 ， 加 速 度 传 感 器 和 计 步 器 是 最 为
走 和 奔 跑 ） 进 行 聚 类 识 别 ， 四 种 行 为 识 别 准 确 率 分
［12 ］
［48 ］
常 见 的 接 触 式 监 测 方 法 。 尹 令 等 在 奶 牛 颈 部 安
别 为100% 、96.17% 、95.85% 和97.26% 。Wu 等
装 三 维 加 速 度 传 感 器 ， 记 录 奶 牛 在 各 方 向 轴 的 运
通 过 远 程 监 控 平 台 采 集 奶 牛 活 动 信 息 ， 利 用
动 加 速 度 输 出 值 ， 通 过K-Means 聚 类 算 法 进 行 分
VGG16 框 架 作 为 网 络 骨 架 ， 提 取 每 个 视 频 对 应 的
类 识 别 ， 将 奶 牛 的 行 为 分 为 静 止 、 慢 走 、 快 跑 和 爬
特 征 向 量 序 列 ， 再 将 这 些 特 征 输 入 双 向 长 短 期 记
跨4 类 ， 以 此 来 监 测 奶 牛 健 康 状 况 。 结 果 表 明 ， 该
忆 分 类 模 型 ， 实 现 了 奶 牛 躺 卧 、 站 立 、 行 走 、 饮 水 和
算 法 可 较 好 地 区 分 奶 牛 动 态 与 静 态 行 为 ， 但 是 对
反 刍 五 种 行 为 的 识 别 ， 平 均 识 别 准 确 率 为97.6% ，
［20 ］
动 态 行 为 的 细 分 效 果 不 明 显 。 蒋 晓 新 等 利 用 计
特 征 提 取 和 行 为 识 别 的 平 均 时 间 分 别 为2.958 s
［50 ］
步 器 对 不 同 季 节 、 不 同 妊 娠 阶 段 的 奶 牛 进 行 活 动
和0.712 s ， 技 术 路 线 如 图1 所 示 。Ma 等 将 预 处
量 监 测 ， 发 现 随 着 妊 娠 月 份 的 增 长 ， 奶 牛 活 动 量 出 理 后 的 奶 牛 视 频 帧 送 入Rexnet3D 网 络 ， 获 取 特 征
现 递 减 的 趋 势 ， 可 根 据 活 动 量 对 奶 牛 的 饲 料 供 给
向 量 空 间 ， 利 用Softmax 网 络 对 奶 牛 躺 卧 、 站 立 和
［13 ］
进 行 动 态 调 整 以 提 高 奶 牛 场 效 益 。Wang 等 在
行 走 三 种 行 为 进 行 分 类 。 该 方 法 对 自 然 场 景 中 奶
奶 牛 的 腿 部 固 定 加 速 度 传 感 器 和 射 频 收 发 器 ， 分 牛 行 为 识 别 准 确 率 为95.00% ， 识 别 速 度76.52f/s ；
别 获 取 奶 牛 的 加 速 度 数 据 和 位 置 数 据 ， 利 用D-S
同 时 利 用 滑 动 窗 口 机 制 对 未 剪 辑 的 视 频 进 行 验
证 据 理 论 将 两 种 数 据 结 合 ， 对 奶 牛 的 七 种 行 为 （ 采 证 ， 识 别 准 确 率 为91.02% ， 检 测 速 度 为101.02f/s 。
［51 ］
食 、 躺 卧 、 静 止 站 立 、 躺 下 、 起 身 、 正 常 行 走 和 主 动 行 走 ） Qiao 等 采 集 牛 犊 和 成 年 奶 牛 的 侧 面 视 频 ， 从 视
进 行 分 类 ， 每 种 行 为 的 识 别 准 确 率 均 达80% 以 上 ，
频 帧 中 提 取3D 卷 积 特 征 后 ， 利 用 卷 积 长 短 时 记 忆
对 于 躺 下 、 行 走 和 站 立 等 行 为 的 识 别 准 确 率 接 近 网 络 提 取 时 空 特 征 ， 并 将 获 得 的 特 征 送 入 到Soft ‐
［14 ］
100% 。Hoang 等 将 多 维 加 速 度 传 感 器 固 定 在 奶 max 层 对 五 种 奶 牛 行 为 进 行 分 类 ， 对 牛 犊 和 成 年
牛 的 颈 部 项 圈 上 ， 获 得X 、Y 、Z 轴 上 的 运 动 数 奶 牛 的 行 为 分 类 准 确 率 分 别 为90.32% 和86.67% 。智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.2
4 0
［48 ］
图1 基 于CNN-LSTM 网 络 的 奶 牛 基 本 行 为 识 别 技 术 路 线
［48 ］
Fig.1 TechnicalrouteofbasicbehaviorsrecognitionofdairycowbasedonCNN-LSTMnetwork
由 于 奶 牛 活 动 需 要 跨 越 多 个 场 景 ， 单 一 摄 像 体 温 升 高 和 躺 卧 时 间 变 短 等 生 理 特 征 变 化 情 况 ，
头 存 在 监 控 场 景 固 定 的 缺 陷 ， 不 能 进 行 全 场 景 下 建 立 了 学 习 矢 量 量 化 神 经 网 络 预 测 模 型 ， 实 现 了
奶 牛 发 情 行 为 的 预 测 ， 准 确 率 在70% 以 上 。 谭 益
奶 牛 基 本 运 动 行 为 的 高 效 识 别 ， 存 在 一 定 的 时 空
［22 ］
间 断 性 。 同 时 ， 由 于 奶 牛 目 标 往 往 出 现 重 叠 遮 等 利 用 阿 菲 金 二 代 计 步 器 对 奶 牛 包 括 运 动 步
挡 ， 因 此 对 目 标 的 全 程 跟 踪 与 识 别 是 研 究 人 员 面 数 在 内 的 多 项 活 动 量 数 据 进 行 采 集 ， 利 用SVM
模 型 进 行 训 练 ， 并 将 训 练 好 的 模 型 嵌 入 到Storm
临 的 新 挑 战 。
平 台 ， 对 奶 牛 发 情 检 测 的 平 均 准 确 率 达98.9% 以
2 . 2 奶 牛 发 情 行 为 监 测
上 ， 预 测 准 确 率 为85.71% ， 预 测 周 期 为6 h ； 但
2 . 2 . 1 奶 牛 发 情 行 为 监 测 意 义
该 方 法 仅 考 虑 奶 牛 活 动 数 据 ， 对 体 温 等 其 他 变 化
［29 ］
在 现 代 化 奶 牛 养 殖 过 程 中 ， 奶 牛 发 情 行 为 监
特 征 并 未 考 虑 。 刘 忠 超 和 何 东 健 根 据 奶 牛 发
测 至 关 重 要 ， 及 时 地 监 测 出 奶 牛 发 情 信 息 ， 有 利
情 期 间 阴 道 粘 液 会 发 生 生 理 性 变 化 等 特 征 ， 设 计
于 在 合 适 的 时 间 对 奶 牛 进 行 配 种 ， 降 低 产 犊 间
了 一 款 电 阻 式 传 感 器 ， 将 其 植 入 奶 牛 阴 道 内 ， 可
［58 ］
隔 ， 提 高 牛 场 效 益 。 奶 牛 发 情 时 最 主 要 的 特
对 阴 道 内 电 阻 变 化 进 行 实 时 监 测 ， 传 感 器 测 量 精
［59 ］
征 是 追 逐 、 爬 跨 、 鸣 叫 等 。 传 统 养 殖 过 程 中 ， 度 为±2% ， 数 据 发 送 成 功 率 达98.5% 以 上 ， 可 连
［16 ］
主 要 依 靠 人 工 进 行 监 测 ， 包 括 阴 道 检 查 法 和 尾 部
续 工 作38d 。Wang 等 在 奶 牛 颈 部 安 装 电 子 标
涂 蜡 法 等 方 法 ， 但 人 工 监 测 费 时 费 力 且 易 漏 检 。
签 ， 获 取 奶 牛 的 加 速 度 和 位 置 数 据 ， 对 包 括 发 情
因 此 ， 研 究 者 提 出 了 基 于 多 类 别 传 感 器 及 大 数 据
行 为 在 内 的 奶 牛7 个 行 为 指 标 进 行 监 测 ， 设 计 了
［60,61 ］
挖 掘 技 术 的 奶 牛 发 情 行 为 监 测 方 法 。 基 于 最 佳 参 数 的BP 神 经 网 络 ， 当 隐 藏 层 神 经 元
2 . 2 . 2 接 触 式 发 情 行 为 监 测 方 法 数 目 为14 ， 学 习 率 为0.1 时 算 法 效 果 最 好 ， 奶 牛
奶 牛 发 情 期 间 ， 外 在 行 为 与 内 在 生 理 特 征 均
发 情 行 为 监 测 的 准 确 度 、 精 确 度 、 敏 感 度 、 特 异
发 生 明 显 变 化 ， 外 在 变 化 主 要 体 现 在 活 动 量 增 性 和 F 评 分 分 别 为 95.46% 、72.80% 、98.29% 、
1
加 、 躺 卧 时 间 减 少 等 ， 内 在 变 化 表 现 为 体 温 升
95.08% 和83.65% 。
［62 ］
高 、 阴 道 粘 液 分 泌 增 多 等 ， 接 触 式 传 感 器 主
接 触 式 发 情 行 为 监 测 方 法 可 利 用 传 感 器24h
要 依 据 上 述 特 征 对 奶 牛 生 理 变 化 进 行 记 录 分 析 ， 不 间 断 对 奶 牛 多 项 生 理 指 标 进 行 监 测 ， 并 对 数 据
以 实 现 奶 牛 发 情 行 为 的 监 测 。 进 行 融 合 分 析 以 达 到 较 高 的 监 测 准 确 率 ， 但 当 奶
［30 ］
田 富 洋 等 根 据 奶 牛 发 情 期 间 活 动 量 增 加 ， 牛 饲 养 密 度 过 大 或 发 生 跛 行 时 ， 其 活 动 量 会 受 到Vol.4,No.2 王 政 等 ： 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势
4 1
［46 ］
影 响 ， 且 奶 牛 的 体 温 受 环 境 温 度 影 响 较 大 ， 这 些 超 和 何 东 健 将 爬 跨 行 为 视 频 作 为 正 样 本 ， 其
因 素 往 往 会 降 低 该 方 法 的 准 确 性 。 余 视 频 作 为 负 样 本 ， 在LeNet-5 网 络 基 础 上 ， 构
2 . 2 . 3 非 接 触 式 发 情 行 为 监 测 方 法 建 了 新 的CNN 模 型 进 行 训 练 ， 该 模 型 对 奶 牛 爬
奶 牛 发 情 期 间 ， 除 活 动 量 、 体 温 等 特 征 发 生 跨 行 为 的 识 别 准 确 率 为98.25% ， 平 均 单 幅 图 像
［42 ］
显 著 变 化 外 ， 其 爬 跨 行 为 是 最 明 显 特 征 。 此 外 ，
识 别 时 间 为0.257 s 。Guo 等 采 用 基 于 颜 色 和
奶 牛 发 情 时 其 叫 声 强 度 与 持 续 时 间 也 会 发 生 相 应 纹 理 特 征 的 背 景 减 除 法 检 测 奶 牛 区 域 ， 提 取 目 标
［63 ］
变 化 ， 研 究 人 员 基 于 声 音 、 图 像 的 方 法 对 奶
区 域 几 何 和 光 流 特 征 ， 利 用SVM 来 识 别 奶 牛 爬
牛 发 情 行 为 的 监 测 开 展 了 相 关 研 究 。 跨 行 为 ， 平 均 识 别 准 确 率 和 假 阳 性 率 分 别 为
［54 ］ ［45 ］
Chung 等 对 韩 国 本 地 奶 牛 的 叫 声 进 行 分 90.9% 和4.2% 。 谢 忠 红 等 采 集 奶 牛 爬 跨 行 为
析 ， 提 取 声 音 数 据 中 的 梅 尔 频 率 倒 谱 系 数 ， 利 用 侧 面 视 频 ， 提 取 最 小 外 接 矩 形 ， 发 现 该 矩 形 连 通
支 持 向 量 数 据 描 述 算 法 自 动 监 测 奶 牛 发 情 ， 准 确 域 会 随 奶 牛 爬 跨 过 程 发 生 规 律 性 变 化 ， 使 用 K 最
［34 ］
率 达94% 以 上 。Tsai 和Huang 在 奶 牛 牛 棚 屋 邻 近 （ K - N e a r e s t N e i g h b o r ， K N N ） 算 法 ， 融 合 矩 阵
顶 从 顶 部 视 角 观 察 奶 牛 爬 跨 行 为 ， 发 现 包 围 两 头 宽 度W 、 高 度H 和 纵 横 比Z 三 种 特 征 的 识 别 准 确
牛 的 边 界 框 长 度 会 发 生 规 律 性 的 变 化 ， 基 于 该 特
率 最 高 ， 为99.21% 。 但 该 模 型 仅 对 侧 面 爬 跨 视
征 ， 提 出 了 一 种 视 频 监 测 奶 牛 爬 跨 行 为 的 方 法 ， 频 有 效 ， 未 考 虑 正 面 和 背 面 爬 跨 视 频 。 王 少 华 和
［49 ］
当 阈 值 设 置 为 0.7 时 ， 爬 跨 行 为 假 阳 性 率 为
何 东 健 对YOLOv3 模 型 进 行 改 进 ， 包 括 对 锚
0.33% 。 但 该 方 法 由 于 记 录 的 是 俯 视 图 ， 只 适 用 点 框 尺 寸 进 行 优 化 ， 在 网 络 中 引 入DenseBlock
［37 ］
于 室 内 。 顾 静 秋 等 利 用 图 像 熵 方 法 对 奶 牛 目
结 构 ， 并 提 出 新 的 边 界 框 损 失 函 数 ， 利 用 改 进 后
标 进 行 识 别 ， 针 对 奶 牛 爬 跨 时 两 头 奶 牛 最 小 包 围 的YOLOv3 模 型 对 奶 牛 爬 跨 图 像 进 行 训 练 ， 模 型
盒 之 间 的 相 交 面 积 判 断 是 否 发 情 ， 识 别 准 确 率 超
识 别 准 确 率 为99.15% ， 召 回 率 为97.62% ， 处 理
过80% ， 漏 检 率 最 低 为3.28% 。 但 该 方 法 未 考 虑 速 度 为31f/s 。 图2 为 基 于 几 何 特 征 的 奶 牛 爬 跨 行
时 间 相 关 性 ， 因 此 识 别 准 确 率 还 有 待 提 高 。 刘 忠 为 识 别 示 例 。
［34 ］ ［37 ］
（a ） 基 于 包 围 两 头 牛 的 边 界 框 长 度 （b ） 基 于 两 头 牛 最 小 包 围 盒 之 间 的 相 交 面 积 （c ） 基 于 包 围 两 头 牛 最 小 外 接
［46 ］
矩 形 长 宽 特 征
图2 基 于 几 何 特 征 的 奶 牛 爬 跨 行 为 识 别 示 例
Fig.2 Examplesofcowmountingbehaviorrecognitionbasedongeometricfeatures
相 比 接 触 式 发 情 监 测 方 法 ， 基 于 视 频 的 发 情
2 . 3 奶 牛 呼 吸 行 为 监 测
监 测 方 法 无 需 在 奶 牛 身 体 安 装 传 感 器 ， 不 影 响 奶
2 . 3 . 1 奶 牛 呼 吸 行 为 监 测 意 义
牛 正 常 生 活 ， 且 成 本 较 低 。 但 根 据 研 究 表 明 ， 奶
奶 牛 的 呼 吸 行 为 与 健 康 状 况 密 切 相 关 ， 健 康
［64 ］
［65 ］
牛 夜 间 发 情 比 例 高 达62.1% ， 而 夜 间 视 频 数 据
奶 牛 呼 吸 频 率 约 为12 ~28 次/min ， 当 呼 吸 频
质 量 较 差 ， 因 此 该 方 法 对 于 奶 牛 的 夜 间 发 情 监 测
率 出 现 异 常 波 动 时 ， 可 能 与 奶 牛 疾 病 、 棚 舍 舒 适
［7,66,67 ］
难 度 较 大 。 度 、 环 境 温 度 等 密 切 相 关 ， 及 时 地 发 现 奶智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.2
4 2
牛 呼 吸 频 率 的 异 常 变 化 ， 有 助 于 饲 养 人 员 第 一 时 度 信 号 的 振 荡 次 数 计 算 出 呼 吸 频 率 。 试 验 结 果 表
明 ， 使 用 该 装 置 测 得 的 奶 牛 呼 吸 率 与 人 工 测 得 的
间 掌 握 奶 牛 的 健 康 状 况 ， 并 对 其 进 行 处 理 。 奶 牛
呼 吸 率 没 有 统 计 学 差 异 （P=0.45 ） ， 但 在 呼 出 气
呼 吸 行 为 的 传 统 监 测 主 要 依 靠 人 工 计 数 完 成 ， 该
体 温 度 与 环 境 温 度 较 接 近 时 ， 呼 吸 信 号 可 能 会 减
方 法 费 时 费 力 ， 准 确 率 低 。 因 此 ， 实 现 对 奶 牛 呼
［25 ］
弱 。Strutzke 等 设 计 了 一 种 基 于 差 压 传 感 器 的
吸 行 为 的 智 能 监 测 对 现 代 化 大 型 牧 场 的 精 准 养 殖
奶 牛 接 触 式 呼 吸 监 测 设 备 ， 通 过 监 测 奶 牛 鼻 腔 呼
具 有 重 要 意 义 。
气 压 力 与 环 境 压 力 的 压 力 差 ， 利 用 微 控 制 器 进 行
2 . 3 . 2 接 触 式 呼 吸 行 为 监 测 方 法
数 据 处 理 ， 计 算 出 奶 牛 的 呼 吸 频 率 ， 该 方 法 在 奶
由 于 奶 牛 呼 吸 行 为 较 为 微 弱 ， 接 触 式 呼 吸 行
牛 睡 眠 （ 相 关 系 数r=0.92 ） ， 躺 卧 （r=0.98 ） 和
为 监 测 方 法 主 要 依 靠 高 精 度 传 感 器 对 奶 牛 腹 部 及
站 立 （r = 0.99 ） 三 种 不 同 状 态 下 与 人 工 计 数 的
鼻 腔 呼 吸 时 产 生 的 变 化 进 行 监 测 。
结 果 具 有 高 度 相 关 性 。
［24 ］
Eigenberg 等 为 研 究 环 境 温 度 对 奶 牛 呼 吸
接 触 式 呼 吸 行 为 监 测 方 法 主 要 通 过 传 感 器 监
速 率 的 影 响 ， 利 用 皮 带 将 薄 膜 式 压 力 传 感 器 固 定
测 奶 牛 呼 吸 时 鼻 腔 气 流 和 腹 部 起 伏 等 特 征 ， 虽 然
在 奶 牛 腹 部 ， 记 录 奶 牛 呼 吸 时 腹 部 出 现 的 规 律 性
监 测 结 果 较 为 准 确 ， 但 不 论 传 感 器 是 胸 带 式 安
起 伏 ， 计 算 其 呼 吸 速 率 ， 在 阳 光 直 射 环 境 下 ， 温
装 ， 还 是 利 用 笼 头 固 定 在 鼻 腔 部 位 ， 二 者 安 装 及
度 每 变 化1 ℃ ， 奶 牛 呼 吸 变 化 率 为6.6 次/min 。
维 护 过 程 均 较 为 复 杂 ， 且 对 奶 牛 进 食 行 为 及 其 躺
［32 ］
Milan 等 利 用 缰 绳 将 温 度 传 感 器 固 定 在 牛 的 鼻
卧 舒 适 度 均 造 成 较 大 影 响 ， 实 际 应 用 较 为 困 难 。
孔 附 近 监 测 牛 鼻 孔 附 近 空 气 的 温 度 变 化 ， 根 据 温 图3 为 接 触 式 呼 吸 行 为 监 测 方 法 示 例 。
［24 ］ ［25 ］
（a ） 薄 膜 式 压 力 传 感 器 固 定 在 奶 牛 腹 部 （b ） 温 度 传 感 器 固 定 在 牛 的 鼻 孔 附 近 （c ） 差 压 传 感 器 固 定 在 牛
［32 ］
的 鼻 腔 附 近
图3 接 触 式 呼 吸 行 为 监 测 方 法 示 例
Fig.3 Examplesofcontactrespiratorybehaviormonitoringmethod
2 . 3 . 3 非 接 触 式 呼 吸 行 为 监 测 方 法 算 视 频 帧 图 像 各 像 素 点 的 相 对 运 动 速 度 ， 利 用 循
非 接 触 式 监 测 方 法 不 易 引 起 奶 牛 应 激 ， 因 此 环Otsu 处 理 筛 选 出 像 素 点 中 的 呼 吸 运 动 点 ， 动
国 内 外 诸 多 研 究 者 尝 试 利 用 微 波 雷 达 、 热 成 像 、
态 计 算 速 度 方 向 曲 线 的 周 期 ， 从 而 计 算 出 奶 牛 的
机 器 视 觉 等 技 术 对 奶 牛 呼 吸 行 为 进 行 监 测 。 呼 吸 频 率 ， 并 进 一 步 判 断 奶 牛 呼 吸 是 否 存 在 异
［53 ］
Pastell 等 在 奶 牛 挤 奶 过 程 中 ， 利 用 激 光 常 ， 呼 吸 频 率 检 测 准 确 率 为95.68% ， 异 常 检 测
［43 ］
测 距 传 感 器 感 知 牛 腹 一 侧 由 呼 吸 产 生 的 微 弱 运
成 功 率 为89.06% 。 宋 怀 波 等 获 取 单 目 标 奶 牛
动 ， 并 从 该 数 据 中 提 取 呼 吸 频 率 ， 以 研 究 奶 牛 的 侧 卧 的 视 频 ， 将 视 频 帧 转 换 至HSV 颜 色 空 间 ，
应 激 反 应 ， 发 现 奶 牛 因 挤 奶 间 隔 时 间 延 长 而 出 现
提 取 奶 牛 目 标 和 奶 牛 花 斑 边 界 ， 最 后 利 用Lucas-
明 显 焦 躁 情 况 ， 导 致 呼 吸 速 率 显 著 提 高 。 赵 凯 旋 Kanade 稀 疏 光 流 法 检 测 奶 牛 的 呼 吸 行 为 ， 对 奶
［33 ］
等 采 集 奶 牛 卧 栏 休 息 时 视 频 ， 利 用 光 流 法 计 牛 呼 吸 行 为 检 测 的 平 均 准 确 率 为98.58% ， 帧 处 理Vol.4,No.2 王 政 等 ： 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势
4 3
［55 ］ ［26 ］
时 间 为0.10 ~0.13 s 。Jorquera-Chavez 等 通 过 Braun 等 将 压 力 传 感 器 集 成 于 奶 牛 笼 头 ，
安 装 在 智 能 手 机 上 的FLIR ONE 红 外 热 像 仪 采 集 通 过 咀 嚼 时 产 生 规 律 的 压 力 变 化 分 析 计 算 奶 牛 反
刍 次 数 。 结 果 表 明 ， 直 接 观 察 法 和 基 于 压 力 传 感
奶 牛 面 部 的 非 辐 射 红 外 视 频 ， 根 据 奶 牛 呼 吸 时 由
呼 吸 气 流 引 起 的 鼻 部 区 域 像 素 强 度 值 变 化 计 算 其 器 两 种 方 法 ， 奶 牛 每 天 平 均 反 刍 总 时 间 、 平 均 反
呼 吸 频 率 ， 通 过 该 方 法 测 得 的 奶 牛 呼 吸 频 率 与 人 刍 次 数 和 每 次 反 刍 的 平 均 咀 嚼 次 数 分 别 为389.3
min 和388.3 min ，410.1 次 和410.0 次 ，60.0 次 和
工 观 测 得 到 的 结 果 成 正 相 关 ， 相 关 系 数r 为0.87 。
［47 ］
Wu 等 利 用Deeplab V3+ 算 法 对 试 验 视 频 序 列 60.3 次 ， 可 见 基 于 压 力 传 感 器 的 方 法 与 人 工 观 察
［27 ］
计 数 结 果 相 近 ， 结 果 可 靠 。Pahl 等 利 用 压 力
帧 中 的 奶 牛 进 行 目 标 分 割 ， 之 后 利 用 基 于 相 位 的
传 感 器 记 录 采 食 和 咀 嚼 两 种 行 为 的 时 间 数 据 ， 对
视 频 放 大 算 法 对 奶 牛 微 弱 呼 吸 行 为 进 行 放 大 ， 最
后 利 用Lucas-Kanade 稀 疏 光 流 法 对 站 立 奶 牛 呼 吸 采 食 量 进 行 准 确 估 计 ， 发 现 每 头 奶 牛 每 日 平 均 摄
入 食 物 量 为49.6±5.1 kg ， 平 均 咀 嚼 时 间 为262±
行 为 进 行 检 测 ， 检 测 平 均 准 确 率 达93.04% ， 平
［31 ］
［68 ］
48 min 。Chelotti 等 将 麦 克 风 和 记 录 设 备 固 定
均 误 差 为 2.4 次/min 。 吴 頔 华 在 对 单 目 标 奶 牛
在 牛 的 颈 部 ， 利 用 声 音 识 别 出 下 颌 运 动 识 别 其 反
呼 吸 行 为 监 测 的 基 础 上 ， 利 用YOLACT （You
刍 和 采 食 行 为 ， 发 现 基 于 多 层 感 知 机 的 自 下 而 上
OnlyLookAtCoefficienTs ） 算 法 对 多 目 标 奶 牛 进
觅 食 活 动 识 别 器 算 法 效 果 最 好 ， 对 反 刍 和 采 食 两
行 目 标 分 割 ， 并 融 合CNN 和 双 向 长 短 期 记 忆 神
种 活 动F 分 值 均 高 于0.75 ， 且 计 算 速 度 快 ， 为 开
经 网 络 对 奶 牛 躺 卧 静 息 和 站 立 静 息 两 种 状 态 进 行
1
［17 ］
发 便 携 式 设 备 提 供 可 能 。Shen 等 将 三 轴 加 速
识 别 ， 对 侧 卧 、 站 立 、 侧 卧 与 站 立 三 种 不 同 状 态
度 传 感 器 固 定 在 奶 牛 下 颌 中 间 部 位 ， 可 准 确 捕 捉
下 多 目 标 奶 牛 的 呼 吸 行 为 检 测 准 确 率 分 别 为
其 下 颌 运 动 ， 分 别 采 用KNN 、SVM 和 概 率 神 经
95.42% 、91.33% 和93.25% 。
网 络3 种 算 法 进 行 分 类 ， 结 果 表 明 ， 采 用KNN
在 非 接 触 式 呼 吸 行 为 监 测 方 法 中 ， 利 用 微 波
时 效 果 最 好 ， 对 反 刍 行 为 识 别 的 准 确 率 可 达
雷 达 、 热 成 像 等 技 术 成 本 较 高 ， 且 环 境 温 度 对 热
［18 ］
93.7% ， 召 回 率 达94.3% 。Iqbal 等 利 用 加 速 度
成 像 结 果 也 具 有 较 大 影 响 。 由 于 奶 牛 呼 吸 行 为 微
传 感 器 项 圈 （AfiCollar ） 监 测 和 记 录48 头 奶 牛1
弱 ， 基 于 视 频 的 呼 吸 行 为 监 测 方 法 需 要 将 摄 像 机
年 内 的 放 牧 和 反 刍 行 为 时 间 ， 结 果 表 明 ，AfiCol ‐
靠 近 奶 牛 ， 奶 牛 动 作 干 扰 也 会 影 响 监 测 结 果 准 确
lar 和 人 工 观 测 记 录 的 结 果 在 放 牧 时 间 （ 皮 尔 逊
度 。 因 此 ， 该 方 法 在 实 际 应 用 过 程 中 比 较 困 难 。
相 关 系 数 为0.91 ， 一 致 性 相 关 系 数 为0.71 ） 和 反
2 . 4 奶 牛 反 刍 行 为 监 测
刍 时 间 （ 皮 尔 逊 相 关 系 数 为0.89 ， 一 致 性 相 关 系
2 . 4 . 1 奶 牛 反 刍 行 为 监 测 意 义 数 为0.80 ） 都 具 有 较 强 相 关 性 ， 表 明AfiCollar 可
奶 牛 反 刍 行 为 包 含 诸 多 健 康 信 息 ， 正 常 奶 牛
以 准 确 监 测 和 记 录 奶 牛 放 牧 和 反 刍 行 为 。
每 天 的 反 刍 次 数 和 时 间 基 本 固 定 ， 如 果 奶 牛 的 反
总 结 发 现 ， 目 前 反 刍 与 采 食 行 为 监 测 方 法 大
刍 次 数 减 少 或 者 停 止 ， 则 表 明 奶 牛 可 能 患 病 ， 譬
多 基 于 加 速 度 和 压 力 传 感 器 ， 虽 然 准 确 率 较 高 ，
如 当 奶 牛 出 现 热 应 激 、 炎 症 反 应 时 ， 奶 牛 的 反 刍
但 也 存 在 不 能 识 别 采 食 过 程 中 咀 嚼- 咬 食 复 合 行
［72 ］
次 数 会 明 显 减 少 。 因 此 ， 奶 牛 反 刍 行 为 的 及 时 监
为 的 不 足 ； 且 对 奶 牛 进 行 反 刍 与 采 食 监 测 时 ，
测 可 以 对 奶 牛 的 身 体 异 常 早 发 现 、 早 处 理 ， 提 高 传 感 器 主 要 安 装 在 嘴 部 附 近 ， 该 方 法 往 往 会 对 奶
［8,69-71 ］
动 物 福 利 ， 减 少 牛 场 损 失 。
牛 采 食 造 成 影 响 ， 易 引 起 奶 牛 的 应 激 反 应 ， 导 致
2 . 4 . 2 接 触 式 反 刍 行 为 监 测 方 法
奶 牛 反 刍 减 少 甚 至 停 止 。 此 外 传 感 器 易 与 草 料 、
接 触 式 反 刍 行 为 监 测 主 要 将 传 感 器 固 定 在 奶
栏 杆 等 发 生 刮 蹭 摩 擦 ， 易 造 成 损 坏 。
牛 嘴 部 附 近 ， 对 奶 牛 采 食 或 反 刍 时 由 咀 嚼 产 生 的 2 . 4 . 3 非 接 触 式 反 刍 行 为 监 测 方 法
包 括 声 音 、 压 力 等 规 律 性 变 化 特 征 进 行 监 测 非 接 触 式 反 刍 行 为 监 测 方 法 主 要 利 用 摄 像 头
分 析 。 采 集 奶 牛 视 频 ， 并 对 奶 牛 嘴 部 区 域 进 行 捕 捉 跟智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.2
4 4
［77 ］
踪 ， 识 别 其 反 刍 行 为 。 次 于 奶 牛 乳 腺 炎 的 第 二 大 疾 病 ， 严 重 影 响 养
［38 ］
Chen 等 利 用 均 值 漂 移 （Mean Shift ） 算 殖 场 经 济 效 益 。 因 此 ， 对 于 奶 牛 早 中 期 跛 行 的 监
法 对 奶 牛 嘴 部 区 域 进 行 跟 踪 ， 并 提 取 嘴 部 区 域 的 测 并 及 时 给 予 治 疗 极 为 重 要 。
质 心 轨 迹 曲 线 ， 对 奶 牛 反 刍 行 为 进 行 智 能 监 测 ， 2 . 5 . 2 接 触 式 跛 行 监 测 方 法
该 方 法 平 均 准 确 率 为92.03% ， 且 不 受 奶 牛 抬 头 、 奶 牛 发 生 跛 行 时 其 躺 卧 时 间 会 增 加 ， 活 动 量
［73 ］
转 头 等 行 为 的 干 扰 。 宋 怀 波 等 提 出 了 一 种 基 明 显 减 少 ， 并 且 步 态 特 征 会 发 生 异 常 改 变 ， 现 有
接 触 式 跛 行 监 测 方 法 的 研 究 主 要 基 于 以 上 特 征
于Horn-Schunck 光 流 法 的 奶 牛 嘴 部 检 测 方 法 ，
提 取 包 含2 头 奶 牛 反 刍 行 为 的 视 频 帧 的 光 流 场 ， 展 开 。
［21 ］
将 各 帧 中 光 流 值 变 化 较 大 的 区 域 分 割 并 叠 加 以 实 蒋 晓 新 等 利 用 计 步 器 对1280 头 奶 牛 进 行
为 期1 年 的 蹄 病 监 测 ， 发 现 蹄 病 对 奶 牛 步 履 数 影
现 对 反 刍 奶 牛 嘴 部 区 域 的 检 测 ， 检 测 到2 头 奶 牛
嘴 部 区 域 的 成 功 率 为66.7% ， 检 测 到1 头 奶 牛 嘴 响 较 大 ， 计 步 器 可 有 效 监 测 奶 牛 早 期 蹄 病 。Hal ‐
［19 ］
［40 ］
部 区 域 的 成 功 率 为83.3% 。 宋 怀 波 等 采 用 核 adjian 等 将 可 穿 戴 运 动 传 感 器 固 定 在 奶 牛 的 左
后 腿 上 ， 记 录 下 最 初 几 分 钟 的 行 走 数 据 ， 建 立 基
相 关 滤 波 算 法 对 多 目 标 奶 牛 嘴 部 区 域 进 行 跟 踪 ，
并 利 用 跟 踪 框 中 心 点 绘 制 反 刍 行 为 曲 线 ， 由 该 曲 准 步 态 模 型 ， 将 之 后 的 行 走 步 态 与 基 准 步 态 模 型
线 计 算 出 奶 牛 反 刍 时 的 咀 嚼 次 数 ， 该 算 法 对 多 目 比 较 ， 以 此 将 奶 牛 的 步 态 分 类 为 正 常 或 异 常 ， 准
［23 ］
确 率 达91.1% 。Taneja 等 利 用 远 程 计 步 器 监 测
标 跟 踪 速 度 达7.37 f/s ， 对 双 目 标 跟 踪 速 度 达
10.11 f/s ， 对 双 目 标 监 测 时 的 咀 嚼 次 数 平 均 误 检 奶 牛 的 活 动 ， 将 加 速 度 数 据 在 雾 节 点 处 聚 合 以 形
［74 ］
率 为7.72% 。Bezen 等 设 计 了 一 个 基 于CNN 模 成 行 为 活 动 的 时 间 序 列 ， 并 在 云 端 利 用 混 合 聚 类
和 分 类 模 型 进 一 步 分 析 ， 较 人 工 目 测 观 察 可 提 前
型 和RGB-D 摄 像 机 的 计 算 机 视 觉 系 统 ， 采 食 量
3 天 检 测 到 奶 牛 跛 行 ， 总 体 准 确 率 为87% 。
的 平 均 绝 对 值 误 差 为 0.127 kg ， 均 方 误 差 为
2
0.034 kg 。 该 系 统 在 非 特 定 光 照 条 件 下 仍 有 较 好 接 触 式 跛 行 监 测 设 备 主 要 安 装 在 奶 牛 的 脚 踝
位 置 ， 容 易 脱 落 ， 且 易 受 粪 便 、 垫 料 等 污 染 ， 影
的 效 果 ， 不 需 重 新 训 练CNN 模 型 即 可 在 任 意 牛
响 使 用 寿 命 及 监 测 精 度 。 在 实 际 商 业 应 用 中 ， 脚
舍 中 实 现 ， 但 对 于 不 同 类 型 的 混 合 饲 料 ， 网 络 模
型 须 重 新 训 练 ； 此 外 ， 该 系 统 在 同 一 时 间 只 能 对 环 计 步 器 使 用 过 程 往 往 较 为 复 杂 ， 对 于 左 右 腿 佩
戴 位 置 也 有 要 求 ， 并 且 需 定 期 巡 视 佩 戴 状 况 并 及
一 头 奶 牛 进 行 采 食 监 测 ， 且 无 法 识 别 丢 弃 而 非 进
［78 ］
时 调 整 。 对 于 压 力 步 道 监 测 设 备 等 需 额 外 安
食 的 饲 料 ， 易 产 生 误 差 。
利 用 视 频 图 像 的 反 刍 行 为 监 测 方 法 虽 具 备 诸 装 的 大 型 装 置 ， 应 尽 量 占 用 较 小 空 间 或 与 现 有 设
备 集 成 。
多 优 点 ， 但 也 有 如 下 问 题 需 要 解 决 ： （1 ） 现 有 监
2 . 5 . 3 非 接 触 式 跛 行 监 测 方 法
测 方 法 大 多 局 限 于 单 目 标 ， 需 要 开 发 针 对 多 目 标
奶 牛 患 有 蹄 肢 病 时 ， 其 病 变 部 位 会 由 于 炎 症
反 刍 行 为 的 同 步 监 测 算 法 ； （2 ） 反 刍 动 作 幅 度 较
反 应 导 致 血 流 速 度 加 快 ， 从 而 使 局 部 温 度 升 高 ，
小 ， 需 要 提 高 算 法 精 度 以 对 目 标 区 域 进 行 准 确 跟
［79,80 ］
这 为 使 用 热 成 像 技 术 检 测 蹄 病 成 为 可 能 ； 此
踪 并 有 效 分 割 。
外 ， 还 可 依 靠 机 器 视 觉 技 术 对 奶 牛 的 背 部 曲 率 、
2 . 5 奶 牛 跛 行 行 为 监 测
头 颈 部 斜 率 、 牛 蹄 跟 随 性 等 特 征 进 行 分 析 ， 进 而
2 . 5 . 1 奶 牛 跛 行 行 为 监 测 意 义 判 断 跛 行 行 为 。
［35 ］
奶 牛 跛 行 是 指 由 于 蹄 肢 病 或 其 他 因 素 导 致 奶 Zhao 和He 针 对 奶 牛 行 走 视 频 ， 利 用K-
牛 产 生 的 一 种 异 常 步 态 ， 由 于 疼 痛 等 原 因 ， 奶 牛 Means 算 法 实 现 跛 行 程 度 的 自 动 分 类 ， 跛 行 识 别
不 愿 站 立 或 行 走 ， 影 响 其 正 常 生 理 活 动 ， 轻 则 影 的 准 确 率 为91.15% ， 严 重 跛 行 行 为 的 识 别 率 为
［39 ］
响 产 奶 量 和 繁 殖 力 ， 重 则 导 致 奶 牛 过 早 淘 100% 。 温 长 吉 等 对 奶 牛 侧 面 行 走 视 频 进 行 时
［9,75,76 ］
汰 。 在 现 代 奶 牛 养 殖 业 中 ， 跛 行 已 成 为 仅 空 兴 趣 点 检 测 ， 对 稠 密 轨 迹 图 进 行 二 次 兴 趣 点 检Vol.4,No.2 王 政 等 ： 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势
4 5
测 ， 将 两 者 进 行 特 征 融 合 ， 并 利 用 基 于 共 轭 梯 度
追 踪 算 法 的 稀 疏 超 完 备 词 典 学 习 方 法 对 奶 牛 跛 足
行 为 进 行 语 义 特 征 描 述 ， 最 后 训 练 分 类 器 实 现 跛
足 监 测 与 识 别 ， 在 线 测 试 视 频 的 奶 牛 跛 行 行 为 识
［41 ］
别 准 确 率 为92.7% 。 宋 怀 波 等 采 集 奶 牛 行 走
（a ） 脚 环 计 步 器AfiActllTag （b ） 项 圈 计 步 器AfiCollar
视 频 ， 将 视 频 分 解 成 图 像 序 列 ， 对 目 标 奶 牛 区 域
（ 阿 菲 金 公 司 ） （ 阿 菲 金 公 司 ）
进 行 分 割 ， 提 取 奶 牛 身 体 前 部 像 素 区 域 和 身 体 上
部 轮 廓 线 ， 对 该 轮 廓 线 拟 合 提 取 斜 率 值 ， 采 用
KNN 分 类 算 法 检 测 跛 行 准 确 率 达93.89% 。 康 熙
［44 ］
等 根 据 正 常 奶 牛 行 走 时 后 蹄 着 地 点 与 同 侧 前
蹄 着 地 点 距 离 相 近 这 一 现 象 ， 提 出 了 一 种 时 空 插
值 算 法 准 确 定 位 牛 蹄 着 地 位 置 ， 之 后 对 同 侧 牛 蹄
（c ） 电 子 耳 标
（d ） 智 能 项 圈
运 动 数 据 进 行 重 组 与 匹 配 ， 检 测 牛 蹄 运 动 轨 迹 ，
（ 安 乐 福 公 司 ）
（COWLAR 公 司 ）
实 现 对 奶 牛 跛 行 进 行 自 动 监 测 。 该 方 法 对 跛 行 检
图4 接 触 式 奶 牛 信 息 监 测 装 置
测 准 确 率 为 93.3% ， 跛 行 程 度 分 类 准 确 率 为
Fig.4 Contactdairycowinformationmonitoringdevice
［52 ］
77.8% 。Jiang 等 对 奶 牛 侧 面 行 走 视 频 帧 进 行
处 理 ， 首 先 提 取 奶 牛 背 部 位 置 坐 标 ， 同 时 将 奶 牛
器AfiActllTag 内 部 包 含3D 加 速 螺 旋 传 感 器 和 计
与 图 像 背 景 分 离 并 获 得 奶 牛 的 像 素 区 域 ， 之 后 将
时 器 ， 可 收 集 活 动 量 、 躺 卧 时 间 和 起 卧 次 数 等 数
二 者 结 合 提 取 奶 牛 的 背 部 曲 率 数 据 ， 最 后 ， 采 用
据 ， 然 后 将 收 集 到 的 数 据 按 设 定 时 间 传 送 到 终 端
噪 声+ 双 向 长 短 期 记 忆 模 型 预 测 曲 率 数 据 ， 匹 配
设 备 ， 经 软 件 处 理 可 得 出 发 情 等 事 件 ， 此 外 ， 计
奶 牛 跛 行 的 曲 率 特 征 ， 对 奶 牛 跛 行 进 行 分 类 和 检
步 器 还 可 通 过 相 关 数 据 监 控 奶 牛 舒 适 度 ， 进 行 产
测 ， 平 均 准 确 率 为96.61% 。
［81 ］
犊 预 警 ， 牛 号 识 别 等 。
在 实 际 应 用 中 ， 基 于 热 成 像 的 跛 行 检 测 实 施
美 国 的COWLAR 公 司 研 发 出 一 款 智 能 项 圈 ，
条 件 较 为 苛 刻 ， 测 量 时 需 保 证 奶 牛 蹄 部 清 洁 干
该 项 圈 可 监 测 牛 只 的 体 温 、 活 动 量 、 反 刍 、 步 数
燥 ， 且 该 方 法 易 受 环 境 温 度 的 影 响 ； 而 基 于 机 器
等 数 据 ， 经 路 由 器 中 转 ， 通 过 蜂 窝 连 接 传 递 至 服
视 觉 的 监 测 方 法 ， 通 常 需 要 将 摄 像 机 安 装 于 过 道
务 器 ， 利 用 机 器 学 习 、 大 数 据 等 技 术 分 析 采 集 到
位 置 ， 对 奶 牛 蹄 肢 的 检 测 易 受 栏 杆 遮 挡 等 因 素 的
的 数 据 ， 监 测 牛 只 健 康 状 况 ， 并 自 动 将 相 关 信 息
影 响 ， 且 当 奶 牛 发 生 先 早 期 跛 行 时 ， 由 于 其 特 征
［82 ］
及 建 议 发 送 至 农 户 的 智 能 手 机 上 。
并 不 明 显 ， 识 别 难 度 较 大 。
对 于 散 养 牧 场 ， 为 提 高 草 场 利 用 效 率 ， 常 常
3 奶 牛 运 动 行 为 监 测 产 业 发 展 现 状
会 进 行 条 区 轮 牧 ， 因 此 放 牧 区 域 的 划 定 至 关 重
要 。 新 西 兰 的Gallagher 公 司 研 发 出 一 款eShep ‐
由 于 传 感 器 技 术 的 较 早 普 及 ， 国 内 外 对 接 触
herd 颈 带 ， 可 通 过 全 球 定 位 系 统 实 时 定 位 牛 只 位
式 奶 牛 行 为 监 测 设 备 的 研 究 起 步 较 早 ， 并 取 得 了
置 ， 农 场 主 只 需 在 终 端 设 备 绘 出 虚 拟 围 栏 ， 牛 只
一 系 列 成 果 。 因 此 现 有 商 业 产 品 大 多 为 接 触 监 测
在 靠 近 区 域 边 界 时 ， 颈 带 便 会 发 出 提 示 音 或 电 刺
设 备 ， 如 以 色 列 阿 菲 金 （Afimilk ） 公 司 的 脚 环
［83 ］
激 迫 使 其 返 回 。 研 究 发 现 ， 牛 只 通 过 一 段 时
计 步 器AfiActllTag 、 项 圈 计 步 器AfiCollar ， 安 乐
［84 ］
间 的 刺 激 训 练 ， 便 会 习 惯 该 虚 拟 围 栏 系 统 。
福 公 司 的 电 子 耳 标 ，COWLAR 公 司 的 智 能 项 圈
等 （ 图4 ） 。 表3 列 举 了 国 外 部 分 知 名 牧 场 自 动 化 设 备 供
以 色 列 的 阿 菲 金 公 司 是 全 球 较 为 领 先 的 牧 场 应 商 及 其 产 品 ， 可 以 看 出 ， 欧 美 等 畜 牧 业 发 达 国
信 息 化 管 理 方 案 供 应 商 ， 公 司 旗 下 产 品 脚 环 计 步 家 的 牧 场 自 动 化 设 备 产 业 体 系 较 为 成 熟 ， 相 关 企智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.2
4 6
业 已 将 大 数 据 、 云 计 算 、 物 联 网 、AI 芯 片 、 机 究 已 经 证 明 了 利 用 传 感 器 、 视 频 图 像 等 技 术 进 行
器 人 等 技 术 应 用 到 “ 智 慧 牧 场 ” 的 建 设 中 ， 研 发
奶 牛 运 动 行 为 监 测 的 有 效 性 。 然 而 现 有 技 术 大 多
了 包 括 智 慧 牧 场 管 理 系 统 、 精 准 饲 喂 系 统 、 畜 牧 停 留 在 实 验 室 阶 段 ， 成 熟 的 商 业 产 品 较 少 ， 且 各
健 康 监 测 系 统 、 智 慧 挤 奶 系 统 、 生 鲜 奶 保 存 运 输
方 法 也 有 其 局 限 性 。
系 统 、 养 殖 环 控 系 统 等 在 内 的 众 多 牧 场 解 决 方
4 . 1 接 触 式 监 测 方 法 的 局 限 性
案 ， 促 进 了 精 准 畜 牧 业 的 发 展 。 同 时 也 发 现 近 年
接 触 式 监 测 设 备 是 最 先 商 业 化 应 用 的 奶 牛 监
来 学 界 所 研 究 的 非 接 触 式 奶 牛 行 为 监 测 方 法 尚 未
测 设 备 ， 随 着 实 际 推 广 逐 渐 发 现 一 些 问 题 。
在 商 业 产 品 中 大 规 模 应 用 ， 因 此 存 在 着 较 大 的 发
（1 ） 现 有 的 接 触 式 奶 牛 行 为 监 测 设 备 主 要 包
展 空 间 。 通 过 几 十 年 的 发 展 ， 中 国 畜 牧 业 水 平 已
括 项 圈 、 脚 环 和 电 子 耳 标 等 ， 该 类 设 备 主 要 依 靠
有 长 足 的 进 步 ， 但 较 畜 牧 业 发 达 国 家 尚 有 一 定 差
高 精 度 传 感 器 ， 成 本 较 高 且 安 装 较 为 困 难 。 以 脚
距 ， 国 内 牧 场 自 动 化 设 备 供 应 商 也 相 对 较 少 ， 因
环 计 步 器 为 例 ， 其 在 安 装 时 步 骤 较 为 繁 琐 ， 且 对
此 国 内 牧 场 监 测 管 理 设 备 大 多 依 靠 进 口 。
佩 戴 位 置 及 松 紧 程 度 均 有 较 高 要 求 ； 奶 牛 佩 戴
4 监 测 方 法 局 限 性 与 技 术 趋 势
后 ， 需 人 工 进 行 定 期 巡 视 ， 若 计 步 器 滑 落 到 牛 蹄
［78 ］
国 内 外 研 究 者 对 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 的 研 小 脚 趾 以 下 ， 需 剪 下 重 新 佩 戴 。 对 于 大 型 牧
表 3 部 分 国 外 牧 场 自 动 化 设 备 供 应 商 及 产 品
Table3 Partof internationallivestockfarmautomationequipmentsuppliersandproducts
公 司 名 称 国 家 主 营 业 务 部 分 产 品 主 要 功 能 网 址
活 动 量 统 计 ， 牛 号 识 别 ， 反 刍
项 圈 计 步 器AfiCollar
时 间 ， 采 食 时 间
阿 菲 金 智 能 穿 戴 ， 数 字 奶 厅 ， 智 能
以 色 列 http ：//www.afimilk.com.cn/
活 动 量 统 计 ， 牛 号 识 别 ， 躺 卧
（Afimilk ） 分 群 ， 管 理 软 件
脚 环 计 步 器AfiActllTag 数 据 统 计 ， 舒 适 度 监 控 ， 产 犊
预 警
安 乐 福 动 物 识 别 ， 智 能 监 控 ， 奶 厅 eSense ?Flex 耳 标 繁 育 监 测 ， 营 养 监 测 ， 健 康 监 https ：//www.allflex.global/cn/
美 国
（Allflex ） 整 机 ， 智 能 数 据 cSense ?Flex 项 圈 测 ， 群 组 监 控 ， 牧 场 管 理 our-legacy/
自 愿 挤 奶 系 统
自 动 挤 奶 ， 收 集 挤 奶 信 息
挤 奶 解 决 方 案 ， 牧 场 管 理 系
VMS ?V300
利 拉 伐
瑞 典 统 ， 奶 牛 舒 适 产 品 ， 奶 牛 饲 https ：//www.delaval.com/zh-cn/
（DeLaval ）
自 动 搅 拌 推 料 机 器 人
喂 产 品
饲 料 混 合 搅 拌 ， 移 动 推 料
OptiDuo ?
挤 奶 方 案 ， 饲 喂 方 案 ， 牛 舍 自 动 喂 料 ， 自 动 调 节 饲 料 配
LelyCalm 犊 牛 饲 喂 器
莱 力
荷 兰 管 理 ， 健 康 管 理 ， 大 型 牧 场 量 ， 自 动 清 洁 ， 远 程 监 控 https ：//www.lely.com/
（Lely ）
管 理 ， 数 据 管 理 分 析 LelyJuno 自 动 推 料 机 预 定 轨 迹 移 动 ， 自 动 送 料
COWLAR 美 国 可 穿 戴 奶 牛 监 测 设 备 智 能 项 圈 健 康 监 测 ， 发 情 周 期 预 测 https ：//www.cowlar.com/
牛 群 概 况 ， 行 为 分 析 ， 健 康 统
Connecterra 荷 兰 奶 牛 健 康 监 测 Ida 智 能 项 圈 https ：//www.connecterra.io/
计 ， 生 育 信 息
GEMINIMILKINGRO ‐
并 排 挤 奶 ， 自 动 挤 奶
精 准 健 康 管 理 ， 智 能 化 挤 奶
BOTS 挤 奶 机 器 人
博 美 特
美 国 方 案 ， 牛 奶 冷 却 系 统 ， 牧 场 https ：//boumatic.com/eu_en/
（BouMatic ）
OPTIFLO ?CF
卫 生 清 洁 系 统 等
牛 奶 冷 却 输 送
电 子 奶 泵 速 度 控 制 器
健 康 监 测 ， 异 常 预 警 ， 智 能 终
Farmnote 日 本 可 穿 戴 奶 牛 监 测 设 备 FarmnoteColor 项 圈 https ：//farmnote.jp/en/
端 可 视 化 管 理
加 拉 格 尔 电 子 围 栏 ， 智 能 称 重 ， 牧 场 GPS 定 位 ， 终 端 设 定 虚 拟 围
新 西 兰 eShepherd 颈 带 https ：//www.gallagher.com/
（Gallagher ） 管 理 软 件 栏 ， 牛 只 越 界 自 动 警 示
挤 奶 方 案 ， 牛 奶 冷 却 与 存
基 伊 埃 精 准 定 位 ， 发 情 监 测 ， 活 动 量 https ：//www.gea.com/zh/dairy-
德 国 储 ， 卫 生 清 洁 方 案 ， 饲 喂 系 CowScout 项 圈/ 脚 环
（GEA ） 监 测 采 食 及 反 刍 时 间 监 测 farming/index.jsp
统 ， 牛 群 管 理 系 统Vol.4,No.2 王 政 等 ： 奶 牛 运 动 行 为 智 能 监 测 研 究 进 展 与 技 术 趋 势
4 7
场 ， 其 安 装 与 维 护 会 对 人 力 物 力 带 来 较 大 挑 战 。 的 采 集 及 准 确 标 注 需 投 入 大 量 人 力 ； 对 于 基 于 计
（2 ） 作 为 外 来 设 备 ， 接 触 式 监 测 设 备 往 往 会 算 机 视 觉 的 奶 牛 运 动 评 分 系 统 ， 标 注 受 主 观 影 响
［85 ］
对 奶 牛 舒 适 度 带 来 影 响 。 例 如 ， 头 胎 牛 处 在 生 长 较 大 ， 也 会 导 致 自 动 评 分 结 果 的 准 确 率 降 低 。
期 时 ， 牛 蹄 会 不 断 长 粗 ， 因 此 头 胎 牛 停 奶 时 ， 必 （3 ） 目 前 基 于 计 算 机 视 觉 的 奶 牛 行 为 识 别 方
［78 ］
须 将 计 步 器 剪 下 ， 以 免 将 牛 蹄 勒 肿 。 当 计 步 法 尚 处 于 实 验 室 阶 段 ， 部 分 算 法 仅 对 所 研 究 的 特
器 绑 带 与 牛 蹄 缝 隙 间 充 满 杂 物 时 ， 也 易 对 牛 蹄 造 定 环 境 有 效 ， 不 具 有 通 用 性 ， 鲁 棒 性 和 精 确 度 也
成 磨 损 ， 导 致 奶 牛 跛 行 。 因 此 ， 接 触 式 监 测 设 备 有 待 提 高 。
在 使 用 和 维 护 的 过 程 中 ， 易 引 起 奶 牛 的 应 激 反
4 . 3 技 术 趋 势
应 ， 轻 则 导 致 行 为 记 录 准 确 性 下 降 ， 重 则 使 奶 牛
奶 牛 运 动 行 为 的 智 能 化 监 测 是 精 准 养 殖 的 关
发 生 疾 病 。
键 ， 不 论 是 接 触 式 监 测 方 法 还 是 非 接 触 式 监 测 方
（3 ） 奶 牛 养 殖 场 中 的 污 物 相 对 较 多 ， 粪 便 和
法 ， 对 提 高 奶 牛 福 利 、 提 升 养 殖 效 率 、 减 少 养 殖
草 料 的 堆 积 往 往 会 对 接 触 式 设 备 造 成 影 响 ， 由 于
场 损 失 都 具 有 重 要 意 义 。 针 对 上 述 所 提 出 的 问
设 备 长 期 暴 露 在 较 为 恶 劣 的 环 境 下 ， 奶 牛 日 常 活
题 ， 未 来 研 究 方 向 应 聚 焦 于 以 下 方 面 。
动 对 设 备 的 划 伤 、 水 分 渗 入 和 天 气 变 化 等 因 素 都
（1 ） 接 触 式 监 测 设 备 小 型 化 、 集 成 化 。 针 对
会 造 成 传 感 器 损 坏 ， 影 响 其 使 用 寿 命 。
接 触 式 传 感 器 设 备 ， 应 向 小 型 化 、 轻 量 化 、 功 能
（4 ） 当 前 接 触 式 设 备 往 往 功 能 单 一 ， 大 多 只
集 成 化 方 向 发 展 ， 同 时 由 于 现 代 化 养 殖 场 规 模 较
能 监 测 奶 牛 一 种 生 理 指 标 或 运 动 行 为 ， 若 对 多 种
大 ， 还 需 考 虑 制 造 成 本 与 使 用 寿 命 等 问 题 。 但 作
行 为 进 行 监 测 ， 需 佩 戴 多 种 不 同 功 能 的 传 感 器 ，
为 接 触 式 设 备 ， 奶 牛 对 其 的 应 激 反 应 还 需 进 一 步
不 符 合 实 际 养 殖 情 况 。
研 究 。
4 . 2 非 接 触 式 监 测 方 法 的 局 限 性
（2 ） 提 高 计 算 机 视 觉 技 术 的 鲁 棒 性 。 针 对 基
非 接 触 式 奶 牛 行 为 监 测 设 备 安 装 简 单 、 不 易 于 计 算 机 视 觉 的 奶 牛 行 为 识 别 ， 现 有 算 法 在 实 验
引 起 奶 牛 应 激 行 为 ， 是 未 来 奶 牛 行 为 监 测 的 主 要 室 条 件 下 运 行 效 果 尚 可 ， 但 是 对 于 实 际 养 殖 环
发 展 方 向 ， 引 起 越 来 越 多 研 究 者 的 关 注 ， 且 随 着 境 ， 其 鲁 棒 性 、 精 确 性 还 需 提 高 ； 对 于 一 些 特 殊
大 数 据 及 硬 件 加 速 设 备 的 发 展 ， 基 于 计 算 机 视 觉 场 景 ， 还 需 将 算 法 部 署 到 边 缘 计 算 设 备 ， 算 法 轻
的 奶 牛 行 为 识 别 方 法 也 相 继 被 提 出 。 但 由 于 发 展 量 化 是 其 研 究 的 重 点 。
时 间 较 短 ， 存 在 如 下 问 题 与 挑 战 。 （3 ） 利 用 有 限 设 备 进 行 多 目 标 监 测 。 目 前 利
（1 ） 相 较 于 工 业 界 的 流 水 线 作 业 ， 基 于 视 觉 用 视 频 图 像 的 方 法 对 奶 牛 采 食 、 反 刍 、 呼 吸 和 跛
的 行 为 识 别 在 农 业 、 畜 牧 业 中 会 遇 到 更 多 的 挑 战 ， 足 等 行 为 的 研 究 大 多 还 停 留 在 单 目 标 监 测 ， 成 本
复 杂 光 照 、 天 气 变 化 等 环 境 问 题 以 及 同 类 遮 挡 与 较 高 ， 如 何 利 用 有 限 的 监 控 设 备 对 更 多 奶 牛 进 行
干 扰 、 自 身 运 动 等 因 素 均 会 对 识 别 结 果 产 生 影 监 测 ， 是 未 来 需 要 考 虑 的 问 题 之 一 。
［43 ］
响 。 宋 怀 波 等 利 用 视 频 对 奶 牛 呼 吸 行 为 进 行 （4 ） 推 动 技 术 落 地 。 商 业 化 应 用 中 ， 不 仅 需
监 测 ， 发 现 奶 牛 在 受 到 遮 挡 和 自 身 剧 烈 运 动 等 影 要 实 现 对 奶 牛 行 为 的 准 确 监 测 ， 还 需 要 对 奶 牛 个
响 下 ， 监 测 结 果 准 确 率 有 所 降 低 。 体 身 份 进 行 精 准 识 别 ， 对 于 行 为 异 常 的 奶 牛 需 要
（2 ） 在 数 据 获 取 与 处 理 方 面 ， 基 于 传 统 图 像 进 行 跟 踪 并 产 生 警 报 信 息 。 可 见 ， 奶 牛 行 为 识 别
的 奶 牛 行 为 识 别 方 法 需 要 对 特 征 进 行 人 工 提 取 ， 只 是 实 际 应 用 的 一 环 ， 只 有 将 各 项 技 术 有 机 结
效 率 较 低 且 识 别 准 确 率 不 高 ； 基 于 深 度 学 习 技 术 合 ， 形 成 闭 环 的 管 理 系 统 ， 才 能 真 正 将 奶 牛 行 为
的 奶 牛 行 为 识 别 则 需 要 大 量 数 据 ， 且 数 据 集 的 质 智 能 监 测 技 术 市 场 化 。 同 时 ， 由 于 新 兴 产 业 的 发
量 会 直 接 影 响 模 型 准 确 率 ， 因 此 对 高 质 量 数 据 集 展 前 期 投 入 较 大 ， 因 此 在 技 术 落 地 的 同 时 还 需 控智 慧 农 业 （ 中 英 文 ） S m a r t A g r i c u l t u r e Vol.4,No.2
4 8
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WANGZheng ,SONGHuaibo WANGYunfei ,HUAZhixin ,
1,2,3 1,2,3
LIRong ,XUXingshi ,
（1. College of Mechanical and Electronic Engineering, NorthwestA&F University, Yangling712100, China;
2. KeyLaboratoryofAgriculturalInternetofThings,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,Yangling712100,China;
3. ShaanxiKeyLaboratoryofAgriculturalInformationPerceptionandIntelligentService,Yangling712100,China ）
Abstract: The motion behavior of dairy cows contains much of health information. The application of information and intelli ‐
gent technology will help farms grasp the health status of dairy cows in time and improve breeding efficiency. In this paper, the
development trend of intelligent morning technology of cow''s motion behavior was mainly analyzed. Firstly, on the basis of ex ‐
pounding the significance of monitoring the basic motion (lying, walking, standing), oestrus, breathing, rumination and limping
of dairy cows, the necessity of behavior monitoring of dairy cows was introduced. Secondly, the current research status was
summarized from contact monitoring methods and non-contact monitoring methods in chronological order. The principle and
achievementsofrelatedresearchwereintroducedindetailandclassified.Itisfoundthatthecurrentcontactmonitoringmethods
mainly rely on acceleration sensors,pedometers and pressure sensors,while the non-contactmonitoring methods mainly rely on
video images, including traditional video image analysis and video image analysis based on deep learning. Then, the develop ‐
mentstatusofcow behaviormonitoringindustrywasanalyzed,andthemainbusinessesandmainstream productsofrepresenta ‐
tive livestock farm automation equipment suppliers were listed. Industry giants, such asAfimilk and DeLaval, as well as their
products such as intelligent collar (AfiCollar), pedometer (AfiActll Tag) and automatic milking equipment (VMS ? V300) were
introduced.After that, the problems and challenges of current contact and non-contact monitoring methods of dairy cow motion
behavior were put forward.The current intelligent monitoring methods of dairy cows'' motion behavior are mainly wearable de ‐
vices, but they have some disadvantages, such as bring stress to dairy cows and are difficult to install and maintain.Although
the non-contact monitoring methods based on video image analysis technology does not bring stress to dairy cows and is low
cost, the relevant research is still in its infancy , and there is still a certain distance from commercial use. Finally, the future de ‐
velopment directions of relevant key technologies were prospected, including miniaturization and integration of wearable moni ‐
toring equipment, improving the robustness of computer vision technology, multi-target monitoring with limited equipment and
promotingtechnologyindustrialization.
Keywords: dairycows;motionbehavior;healthcondition;intelligentmonitoring;smartanimalhusbandry
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