奶牛场TMR智能监控系统的开发与应用

张德敏 ，李有志 ，张淑二 ，刘志超 ，胡洪杰

（1.山东省畜牧总站，济南 250022；2.山东省兽药质量检验所，济南 250022；3.山东省海阳市东村畜牧兽医站，海阳 265100）

TMR 是全混合日粮（Total mixed ration，TMR）的英文简称，即根据奶牛不同生长发育及泌乳阶段的营养需求和饲养目的，按照营养调控技术和饲料搭配原则而设计出的奶牛均衡营养日粮配方，按此配方把每天饲喂奶牛的各种饲料（粗饲料、青贮饲料、精饲料和饲料添加剂）通过特定的设备和饲料加工工艺而均匀地混合在一起供奶牛采食［1-2］。自上世纪90年代TMR技术从欧美、以色列等国家引入中国以来，经过近20年的不断发展已经成为规模化奶牛场普遍采用的饲喂技术。TMR技术的关键点之一是奶牛采食到的饲粮与饲粮配方一致，即理论配方、搅拌配方和采食配方3个配方一致。但现实中大多数牧场的TMR大多由人工操作，造成3个配方的一致性较差，加料和撒料的误差也较大，剩料非多即少，造成牧场生产水平不稳定，产量和质量忽高忽低，严重的甚至造成群发性的营养代谢病、母牛空怀天数增加和繁殖率降低等问题［3］。同时，规模化奶牛场虽大多采用信息系统管理，但生产数据大多由人工输入，影响了数据的真实性与完整性，造成管理软件对生产实践的指导性差。通过自动设备采集生产数据，经过软件处理，进而给出科学的管理方案，可使牧场的管理更为精准、快捷、方便，在这个过程中，先进的软硬件工具必不可少。本系统集合物联网技术、智能化管控技术与计算机软件技术，通过无线网络连接TMR车载终端、铲车终端、牧场控制中心及各牧场RFID数据采集终端，实现TMR的实施调度及业务数据的下发、采集上报，可降低操作工实施TMR的难度和出错几率，为饲料管理提供精确的数字化监控，提高奶牛精细化饲养水平。

1 TMR智能监控系统的设计

1.1 系统硬件组成

TMR智能监控系统由TMR车载数据终端系统、装料车数据终端系统、数据管理系统组成。TMR车载终端与装料车载终端系统采用工业级自建无线网络系统配对组网，实现数据采集并确保监控数据不会掉包丢失。TMR车载终端通过无线网桥向数据管理系统传输数据，进行分析，做到实时监控。详见图1。

1.2 主要功能设计

监控系统一级功能模块主要包括：配方管理，牛只分群，投料单管理，TMR上料流程管理，TMR下料流程管理，TMR监控预警，投入产出分析，奶牛营养分析，员工绩效考核。

1.2.1 配方管理 提供对日粮配方的管理功能，方便营养师查看和调整日粮配方，要完成配方还需要牛群信息、牛舍信息、饲料信息的定义，日粮配方按照牛群和饲料维度定义。

1.2.2 牛只分群 对于大型奶牛场，泌乳牛群可根据泌乳阶段分为早、中、后期牛群，干奶早期牛群和干奶后期牛群。

1.2.3 投料单管理 投料单是整个TMR管理的核心，投料单由日粮配方结合牛群信息、班次及投料单生成规则自动生成。每日的投料单由定时任务服务根据配置的调度周期自动调度生成。

图1 TMR智能监控系统功能架构

1.2.4 TMR上料流程管理 TMR投料单是每日执行的上料计划表，TMR操作人员每次向控制中心申请投料单，然后根据投料单上的饲料顺序执行上料操作，上料后引起的重量变化将通过无线网络发送到控制中心存储。在上料过程中，TMR车载终端当前的显示数据会同步到铲车车载终端上，这样可以指导操作人员的上料重量和当前所上的饲料。

1.2.5 TMR下料流程管理 上料完成后，将进入下料程序。在满载的TMR车进入牛舍时，将读取当前进入的饲料总重量，并通过无线网发送到控制中心，然后在离开牛舍时，在此读取总重量，并发送。由此计算牛舍中下料的饲料重量，并实时将当前的重量数值传送到控制中心，记录下来，统计下料的情况供分析。

1.2.6 TMR监控预警 实现对TMR实施过程的监控，向牧场管理员的实时监控和事后针对牧场的统计监控。管理人员可以定制预警规则，当出现执行偏差甚至错误时，产生预警，并通过手机APP或者短信的渠道推送给业务管理人员，根据预警情况以采取应对措施。

1.2.7 投入产出比分析 结合产奶量、投料量、饲料价格、牛群等因素，计算牛场喂养的投入产出比、不同牛群的牛头日平均饲料成本，为牛场的运营分析提供有效支撑。

1.2.8 奶牛营养分析 从实际采食的各饲料品种准确数量，计算奶牛实际摄入的营养成分和实际的产能及体重指标，对日粮配方做出相应的优化调整，最大程度地发挥TMR的价值。

1.2.9 员工绩效考核 统计制定时间段内，员工操作的各种误差信息，自动识别出员工的不规范操作，按照员工维度进行违规次数的统计，对员工绩效进行考核。

1.3 系统开发环境和相关技术

本系统在Windows Server 2008 R2服务器操作系统下开发，网络数据库类型及版本为Oracle 11g R2，可在Windows XP/7/10等操作系统平台上运行。

2 结果

2.1 实现对饲粮配方执行情况的采集

从上料、搅拌、撒料全过程监管，设备自动记录时间和数据，基于TMR车载终端采集到牛舍、员工、车辆和饲料信息，基于装料车载终端系统采集到配方、投料组、投料单和剩料信息。见图2、图3。

图2 上料过程TMR车载终端显示效果

图3 上料过程中装载车载终端显示效果

2.2 实现对饲料配方执行情况的监控

数据终端采集到的信息经过数据管理系统分析，形成投料过程查询、撒料均匀度分析、整体投料曲线（图4）、司机违章统计项目。

图4 整体投料曲线

2.3 实现对饲料配方执行情况的统计分析

数据终端采集到的信息经过数据管理系统分析，经统计分析，形成牛舍投喂误差（图5）、牛舍采食分析、原料饲喂成本和牛舍饲养效率。

图5 牛舍投喂误差

3 讨论

3.1 监控系统提高了理论配方和采食配方的一致性

TMR技术具有提高日粮适口性、保证营养均衡、增加牛群采食量、提高工作效率等优点［2］，是奶牛养殖业集约化发展的必然要求。在实际应用过程中，存在奶牛场过分添加补充料或减少粗料喂量，这样做使得奶牛吃下去的饲料与日粮配方不一致，使本来全价平衡的饲粮又变回不平衡状态，长期下去必然对奶牛健康、繁殖及泌乳性能产生不利影响。有的奶牛场存在投料顺序不正确、水量添加不足和搅拌车加料过量等问题，造成饲料混合不足，致使奶牛采食量不足、反刍时间和唾液分泌减少、瘤胃pH值降低、瘤胃中乙酸减少进而降低乳脂率等问题［3］。运用该系统，在上料过程中，TMR车载终端远程获取投料任务单、形成上料下料任务提示并记录操作，装载车选择配对TMR显示终端、同步获取TMR显示终端上料任务提示、显示当前投料重量信息。饲养人员根据提示操作，确保上料顺序和上料量与配方一致。此外，按规定时间对各种饲料的干物质、营养成分及水分进行测定而调整配方，也是保证奶牛采食到的TMR全混合日粮的营养成分与配方规定的营养成分一致的重要因素。

3.2 系统可以监控到每个单元（牛舍）

合理分配牛群和及时调群，使同一牛舍内奶牛产奶量相对均衡，避免同一牛舍的配方饲粮不能满足高产奶牛的营养需求而造成奶牛膘情下降，从而影响产奶性能和繁殖性能。为解决此问题，此监控系统可较精确执行不同的TMR配方，并可监控投料过程、撒料均匀度和撒料车中的剩料，确保不同牛舍能得到适合需求的饲粮，使饲喂更精准、监管更到位。在应用系统的试验场内，依照产奶量高低将奶牛合理分群，并将产奶牛配方分为25、30、35、40、50 kg五类，平均泌乳牛单产提高 1.5 kg左右，乳脂、乳蛋白都有所提高，体细胞下降实际平均配方成本比未使用TMR智能监控系统之前减少了10%左右。

3.3 系统具有较大拓展性

奶牛饲养成本约占整体成本的60%～70%，管控好奶牛饲喂对降低生产成本具有重要意义。为此，Hansen等［4］则从可操作变量及策略变量两方面，包括饲料价格、泌乳牛规模、产奶水平、奶价及奶牛的繁殖与健康状况等参数，提出测定奶牛场效益的评估模型，并通过牛场的实际发生数据验证了构建的模型基本可行；杨亮等［5］研究构建了规模化奶牛场繁殖、泌乳及健康等数据管理及智能分析平台，对奶牛场生产过程中的基本数据进行分析与数据挖掘，从而提升了基础数据的利用价值，更有利于奶牛场管理者的科学决策。熊本海等［6］从保证牛群的精细化管理效益和提高繁殖效率方面提出了数字化管理的主要内容，更重要的是如何准确预测全混合日粮（TMR）的需要量，并使每头奶牛获得需要的TMR的数量与质量等。本系统利用采集到的饲喂数据，可统计分析出牛舍投喂误差、饲养成本、饲养效率。同时，系统并可与奶厅管理系统、奶牛发情智能监控系统对接，自动调取管理软件产奶数据，计算每千克奶的完全饲料成本及产奶效率等核心经营指标，对牧场进行经济性能评价，这对牧场的高效运行与管理会有更多帮助。

4 结论

本研究开发出了TMR智能监控系统，利用该系统实现对饲喂过程中配方制作、上料和各牛舍投料过程的监控，用户可在系统的帮助下记录奶牛饲喂过程中产生的各种数据，系统可对这些数据进行统计，并能对关键环节进行预测和智能提示。