山羊数字化育种管理系统设计及应用效果分析

王龙威，樊红灯，杨红远，梁家充，姚新荣，叶朗惠，刘廷丹，李 贺，白俊艳，张 俊

（1.北京市农林科学院信息技术研究中心，北京 100097；2.河南科技大学动物科技学院，河南 洛阳 471300；3.云南省畜牧兽医科学院，云南 昆明 650224；4.云南省种羊繁育推广中心，云南 昆明 655299；5.北京派得伟业科技发展有限公司，北京 100097）

我国羊存栏量在世界上已经位居前列，但是近年来养羊业受到国际羊肉市场及我国畜牧业结构调整优化的影响，市场对羊产业提出了更高的要求[1]。2021 年，根据国家现代肉羊产业技术体系对13 个省（区）的调研数据，有53.1%的养殖户未采用肉羊良种，从而制约了生产效率的提高和科技成果的推广转化[2]。随着畜牧业产值在农业总产值中比重逐步提高，并逐渐成为农村经济中的支柱产业，羊产业面临着良种繁育体系不健全、良种自主率低、育种企业技术力量薄弱等问题[3]。相比于其他动物的育种技术，如鸡、牛、猪等，山羊育种数字化技术应用程度不高，导致获取技术支持和服务的时间成本、机会成本、沟通成本过高和信息不对称等一系列问题，严重影响了产业的快速发展[4]。

在育种管理方面，畜牧生产企业的生产数据，特别是性能测定数据和系谱数据，没有做系统性的记录，大多以纸质记录或者Excel 表格形式记录和保存[5]。由于记录周期较长，纸质记录不易保存，导致出现记录前后数据不一致、准确性不高、数据丢失等问题，且在手工查询信息、打印报表时易出错。在生产管理方面，畜牧生产企业缺乏对羊场信息的全面掌握，管理部门的规划工作也难以开展，同时各管理部门之间掌握的信息不能实现实时共享，为了向各个部门传达信息，需要再打印专门的文件，增加了沟通的技术成本和时间成本。然而随着信息化的发展，如物联网、大数据、无线射频识别技术（RFID）、移动应用程序等技术成为促进山羊种业高质量发展的重要手段和方法[6]。在解决生产管理数据统计分析问题上，南京农业大学刘思瑶[7]设计的面向服务器端的肉羊养殖数据信息管理系统和华中师范大学宋秀娟[8]设计的内蒙古绒羊信息化资源平台，解决了生产管理中生产数据统计分析问题。在解决育种管理的问题上，新疆农业大学吴飞[9]设计的肉羊遗传评估系统解决了新疆肉羊产业信息化育种进度缓慢等问题。然而，目前关于我国山羊品种选育的育种管理系统研究仍较少。为此，选取云南省3 个核心育种场作为示范应用场，采用大数据和可视化技术，基于自研的企业数据标准规范，参照国内外现代育种管理和繁育体系，构建并应用山羊数字化育种管理系统，为企业在开展数据收集整理分析和育种管理决策等工作上提供数字化工具，以解决繁育体系在获取技术支撑的时间成本、机会成本、沟通成本过高和信息不对称等问题，旨在为山羊产业持续选育优良山羊品种提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 山羊数字化育种管理系统开发的技术

山羊数字化育种管理系统在Windows10操作系统上开发，系统基于SOA 架构，采用XML 与Web Services 组件化开发模式，选用Linux+jdk1.8 组合作为开发环境，Springboot 作为整体的开发框架，IDEA作为软件开发工具，Docker 作为后台服务器容器，FireFox 作为标准浏览器，以JAVA 技术体系为基础设计开发。考虑到对数据库进行频繁读写操作会对服务器性能造成影响[10]，系统在设计时根据查询统计业务需要，按照应用基础系统支撑、业务模型驱动的设计思路，采用MySQL 关系型数据库设计开发。

1.2 山羊数字化育种管理系统功能结构设计

根据系统业务逻辑结构，将山羊数字化育种管理系统划分为初始化管理、生产管理、育种管理、查询管理、统计分析五大功能模块，具体如图1 所示。用户在正式使用系统前需在初始化管理的3个子模块进行账号权限分配、基础参数配置、生产工艺参数设置。用户进行生产数据采集前需在生产管理中的羊只登记子模块进行羊只登记，登记时需登记性别、出生日期、品种、品系、家系、窝号、窝内顺序号、父号、母号等信息。用户进行种羊选育时需在育种管理的3 个子模块操作，遗传评定时的原始数据来源于生产管理库表存储的数据。用户可在统计分析中的报表管理子模块进行数据的查询统计，统计的时间维度包括日、周、月、季度、年，统计的空间维度包括栏位、圈舍、区域、场、公司等。

图1 山羊数字化育种管理系统功能结构设计Fig.1 Functional structure design of goat digital breeding management system

系统设计包括生长发育性状、繁殖性状、胴体性状等表型数据库和遗传评估文件数据、过程数据、结果数据等遗传评估数据库构成的数据层；构建基于工作流引擎的遗传评估数据管理、算法调研、任务创建调度等计算策略和机制，充分调度和应用现有计算资源平台、网络带宽、负载均衡、网络安全等基础设施条件；构建基于云端资源部署、客服端资源部署和运算调用的服务模式（图2）。

图2 山羊数字化育种管理系统选种、选配、评估管理等核心功能逻辑结构Fig.2 Logical structure of core functions such as selection management，optional management，and evaluation management of goat digital breeding management system

1.3 山羊数字化育种管理系统试运行

山羊数字化育种管理系统经测试完善后，在云南省2家羊育种企业开展示范应用。种羊繁育推广中心地处昆明市寻甸县，是国家级重点种畜禽场；立新羊业有限公司地处红河州弥勒市，是国家级羊核心育种场。

养殖企业基于山羊数字化育种管理系统计算的系谱指数和近交系数开展科学选配，根据羊只本身的生产性能和系谱信息进行选配计划的制定，选配过程中充分利用羊只在系统中的生长性能测定数据、繁殖性能数据及系谱数据，在避免近交的同时找出最优的交配组合。在示范场开展三阶段选种，第一阶段初选时重点考虑品种、品系、遗传缺陷、体型外貌等品种特征；第二阶段结合育种目标、群体规模以及市场销售情况，在品种特征的基础上增加综合选择指数、公羊综合评分、母羊综合评分等指标确定是否成为后备种羊；第三阶段根据种羊精液质量、繁殖性能、后代是否有遗传缺陷等指标确定种羊是否淘汰。

在示范应用过程中，制定规范的数据采集制度和相应的采集表。以1 个生产批次数据采集为例，配种季进行配种数据采集，配种后25 d 左右进行妊检数据采集，配种后150 d 左右进行分娩数据采集，分娩后60 d 左右进行断奶数据采集。在羊只6 月龄、8 月龄、12 月龄分别进行生长发育性状、胴体性状等数据采集，并通过系统数据质量校验规则的控制，确保采集数据的准确性，极大降低数据记录错误概率。

1.4 数据处理

山羊数字化育种管理系统示范应用期间共记录育种企业22 类原始数据，包括羊场信息、用户信息、羊只个体基本信息、体尺信息、体型外貌信息、系谱信息等，其中云南省种羊繁育推广中心数据共22 300 余条、云南省立新羊业有限公司数据共18 000余条。

本研究主要分析的指标有核心群群体数量变化、母羊繁殖性能变化、种羊生长性能变化以及核心群综合选择指数等。群体数量变化主要是由于企业执行育种计划中的选育方案及群体更新率进行羊只引种和淘汰引起。在山羊数字化育种管理系统的报表管理模块，运用品种、生长阶段、日期等条件进行组合查询，生成核心群群体数量统计报表，进行群体数量动态情况分析；在系统的母羊管理模块，筛选单胎分娩羔羊数小于等于6 的分娩记录和繁殖胎次小于等于7胎的分娩记录，运用品种、分娩时间、胎次等条件进行组合查询，生成繁殖性能统计报表，进行母羊繁殖性能动态情况分析；在系统的评估管理模块，计算性状表型值和综合选择指数，进行核心群遗传进展分析。评估管理模块内置的评估模型为单性状动物模型：y=Xb+Z1a+Z2l+e；单性状重复力模型：y=Xb+Z1a+Z2pe+e。式中，y：各性状的观测值向量；b：固定效应；a：个体加性遗传效应；l：窝组效应；pe：个体永久环境效应；e：残差效应向量；X、Z1、Z2分别表示固定效应、个体加性遗传效应、个体永久环境效应∕窝组效应的结构矩阵[11-12]。设置公羊综合选择指数计算公式：y=50%×12 月龄体质量性状估计育种值+25%×背膘厚性状估计育种值+25%×眼肌面积性状估计育种值；母羊综合选择指数计算公式：y=50%×产羔数性状估计育种值+50%×12 月龄体质量性状估计育种值。式中，y：综合选择指数值。

2 结果与分析

2.1 山羊数字化育种管理系统统计分析的应用效果

山羊数字化育种管理系统统计分析模块为企业提供多达15种组合的统计分析报表，其中存栏统计报表更是提供以品种、性别、年龄、生长阶段、时间为维度的查询统计，基于统计的报表数据进行可视化大屏展示，使育种企业更清晰明了掌握企业羊只群体数量及产业的动态变化（图3）。

图3 山羊数字化育种管理系统可视化报表Fig.3 Visual report of goat digital breeding management system

2.2 山羊数字化育种管理系统生产管理的应用效果

通过对核心群群体数量统计报表分析，由表1可知，育种企业核心群群体数量处于持续增长趋势，云南省种羊繁育推广中心云上黑山羊核心群群体4 a 增加2 200 余只，波尔山羊核心群群体4 a 增加900 余只；立新羊业有限公司云上黑山羊核心群群体4 a 增加1 400 余只，波尔核心群群体4 a 增加1 300余只。

表1 山羊数字化育种管理系统应用对育种企业核心群体数量的影响Tab.1 The impact of the application of goat digital breeding management system on the number of core groups in breeding enterprises

2.3 山羊数字化育种管理系统育种管理的应用效果

企业使用山羊数字化育种管理系统对场内种羊进行科学持续的选育，核心群体羊只繁殖性能有明显提升。通过对繁殖性能统计报表数据分析，由表2 可知，云南省种羊繁育推广中心波尔山羊的初生窝质量由4.43 kg 提升到5.44 kg，窝均产羔数由1.57 只提升到1.71 只，云上黑山羊的初生窝质量由4.94 kg 提升到5.98 kg，窝均产羔数由2.04 只提升到2.10 只；立新羊业有限公司波尔山羊初生窝质量由4.48 kg 提升到5.08 kg，云上黑山羊的初生窝质量由6.21 kg 提升到6.71 kg，窝均产羔数由2.10 只提升到2.12 只。良好的胎次结构能保证企业更好更快完成生产和育种目标，云南省种羊繁育推广中心波尔山羊经产母羊的数量4 a增加200余只，云上黑山羊经产母羊数量增加500 余只，且经产母羊所占比例越来越合理。

表2 山羊数字化育种管理系统应用对育种企业核心群体繁殖性能的影响Tab.2 The impact of the application of goat digital breeding management system on the reproductive performance of the core populations of breeding enterprises

通过对遗传评定表型值的结果分析，由表3 可知，核心群12 月龄体质量平均数由36.19 kg 提升到38.97 kg，最大值由56.00 kg提升到65.00 kg；背膘厚的数值越大说明羊的瘦肉率越低，相反则越高，核心群背膘厚由2.78 cm 下降到2.67 cm，背膘厚性状的选育也有了一定的进展；眼肌面积性状与羊产肉性能有强相关关系，从遗传评定的结果来看，核心群眼肌面积由11.77 cm2下降到10.52 cm2，但最大值呈现增长趋势，说明育种方案的实施效果在个别优秀种羊中表现出来。从表3可以看出，3个性状的变异系数都呈现增大的趋势，是因为根据育种方案，场内引入优良种羊，增加了场内血统的丰富度。

表3 核心群2019—2021年生长性能遗传评定表型值Tab.3 Genetic evaluation phenotypic values of growth performance in core groups from 2019 to 2021

2.4 基于山羊数字化育种管理系统的区域联合育种模式

本研究初步探索由云南省畜牧兽医科学院主导，政府技术管理服务部门和企业参与的产学研育繁推融合发展的联合育种应用模式。构成“种羊场＋扩繁场＋核心群”的庞大育种工作体系，通过制定共同的育种目标，生产优质种羊，保障云南省优良山羊品种的选育工作。科研院所为育种企业提供技术指导、人工授精、胚胎移植等技术服务，并根据存栏基础母羊数量制定云南省种公羊使用计划。种羊场根据种羊需求量和种公羊使用计划，开展后备种羊选留工作，并向扩繁场提供采精种公羊和基础母羊。扩繁场向核心群和养殖户提供特级、一级种公羊，保障联合育种区域内种公羊供给，实现跨场、跨市乃至跨省的优秀遗传资源共享。育种企业执行联合育种体系制定的育种方案，使用人工授精技术和胚胎移植技术在各育种企业之间建立长期、稳定的遗传联系。参与单位采用规范的性能测定和记录方法，记录种羊的生产信息并上报到山羊数字化育种管理系统，应用统一的遗传评定模型，进行种畜的综合评定，结合种羊品种特征和遗传评定结果选择优秀种畜（图4）。

图4 基于山羊数字化育种管理系统的区域联合育种模式Fig.4 Regional joint breeding model based on goat digital breeding management system

2.5 山羊数字化育种管理系统应用对品种综合选择指数的影响

云南省畜牧兽医科学院对养殖企业上报的核心群数据开展了5次遗传评定（表4）。由表4可知，云上黑山羊品种和波尔山羊品种分别取得了不同的进展。2021 年相较于2019 年云上黑山羊公羊综合选择指数提升了0.71%，波尔山羊公羊综合选择指数提升了1.38%，云上黑山羊母羊综合选择指数提升了0.80%，波尔山羊母羊综合选择指数提升了1.17%，可以看出山羊数字化育种管理系统在对企业开展育种工作上起到了一定的促进作用。

表4 山羊数字化育种管理系统应用对品种综合选择指数的影响Tab.4 The impact of the application of goat digital breeding management system on the comprehensive selection index of breeds

3 结论与讨论

企业在应用系统后，面临着一系列的问题，比如用户计算机操作水平不高、增加工作量、数字化带来的透明性等原因导致企业对应用系统普遍缺乏热情和动力。本研究与应用示范单位紧密配合，通过驻场帮扶、1 对1 培训、远程指导等多种方式，提高数据采集的实时性和准确性。企业根据生产变化做出合理的工作安排，使得种羊基本信息数据、生长发育数据、繁殖数据采集和管理与线下的生产管理和育种管理融合成为一个整体。生产一线员工按照任务提醒合理开展每日工作，保证育种企业生产工作有条不紊地开展，取得了很好的管理效力。

种羊的遗传评定是肉羊育种中一项重要内容，选种准确与否对畜群生产性能的提高具有决定性作用[13-14]。吴飞[9]设计的基于Django 的肉羊遗传评估系统设置了简单且灵活的Web 页面来完成育种值计算操作，但缺少综合选择指数的计算。本研究在前端界面设置评估管理模块来实现评估任务和综合选择指数公式的自定义，系统通过调用评估任务和综合选择指数公式对表型数据和系谱数据进行分析，计算性状育种值和综合选择指数，通过系统选种管理模块准确定位优秀种羊，及时淘汰生产能力低下的羊只，选留生产性能优良且繁殖性能高的种羊。生产过程的信息化，能够规范生产流程，准确安排生产任务，及时反馈生产问题，从而优化管理，节约成本，降低劳动力成本，提高效益[15]。涂远璐等[16]开发的规模羊场信息化管理软件在江苏省农科院六合基地试验羊场示范应用，羊场生产效率显著提高，但系统缺少基于智能手机平台的羊场数据采集及查询工具。本研究在前者的基础上增加了数据采集终端，基于制定的选配计划实现配种、妊检、接产、断奶等任务提醒，缩短母羊空怀时间，实现母羊产羔提醒，提升羔羊成活率。企业借助数据采集终端与PC 端系统实时的数据交互功能，解决了不同岗位之间信息不对称和沟通成本高等问题，提高了员工的工作效率。

本研究分析了山羊数字化育种管理系统在企业生产管理和育种管理上的应用效果。在生产管理方面，通过新技术的应用减少了数据采集复杂度，加大了对生产数据潜在价值的挖掘，解决了信息不对称和沟通成本高的问题，起到了降本增效的效果。在育种管理方面，极大促进了育种管理的管理效力，示范应用企业核心群分别取得了不同程度的遗传进展。2022 年相较于2019 年，云上黑山羊核心群体增长3 600 余只，波尔山羊核心群体增长2 200 余只；云上黑山羊初生窝质量由6.21 kg 提升到6.71 kg，窝均产羔数由2.10 只提升到2.12 只（立新羊业有限公司）。2021 年相较于2019 年，云上黑山羊核心群12 月龄体质量由36.19 kg 提升到38.97 kg，背膘厚由2.78 cm 下降到2.67 cm；云上黑山羊公羊综合选择指数提升了0.71%，云上黑山羊母羊综合选择指数提升了0.80%，波尔山羊公羊综合选择指数提升了1.38%，波尔山羊母羊综合选择指数提升了1.17%。通过示范应用效果来看，山羊数字化育种管理系统功能完善，操作简便，可以为山羊产业持续选育优良品种提供技术支持。