Цифровые решения для автоматизации процессов управления животноводческими хозяйствами

DOI:

Сельское хозяйство является одной из экономикообразующих отраслей страны. Но в современных условиях (в частности, в период ограничений и санкций), сельское хозяйство сталкивается с различными проблемами и вызовами, к которым относятся необходимость повышения эффективности производственных процессов предприятий и улучшения качества продукции для удовлетворения спроса населения на продовольствие (как на внутреннем рынке, так и на внешнем рынке), улучшение условий содержания, стимулирующих естественную активность животных, и увеличение числа продуктивных единиц от всех категорий сельскохозяйственных животных, снижение негативного воздействия вследствие производственных процессов на окружающую среду, адаптация к изменениям климата и повышение устойчивости производства к неблагоприятным погодным условиям, проблемы с доступом к финансовым ресурсам, технологиям и инновациям. Данные вызовы и проблемы могут замедлить развитие сельскохозяйственной отрасли и для повышения эффективности функционирования и преодоления проблем необходимо активно внедрять информационно – коммуникационные и цифровые технологии на предприятиях различного уровня, сосредоточившись на устойчивом развитии, улучшении качества продукции, оптимизации производственных процессов и снижении негативного воздействия на окружающую среду. Кроме того, важно развивать инфраструктуру, обеспечивать доступ к финансовым ресурсам, повышать квалификацию специалистов и поддерживать инновации в сельском хозяйстве [1-5].

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Животноводство – отрасль сельского хозяйства, целью которой является разведение животных для производства единиц всех категорий сельскохозяйственных продуктов. Эта отрасль играет важную роль в обеспечении населения продуктами питания и сырьем для перерабатывающей промышленности, что способствует стабильности и надежности поставок продуктов, созданию рабочих мест в сельской местности и поддержанию социально-экономического развития сельских территорий и агломераций. Но в современном мире остро стоят проблемы эффективного управления животноводческими хозяйствами. Наличие проблем подтверждается значительным разрывом во внедрении цифровых технологий в аграрном секторе развитых и развивающихся стран, а также в глобальных компаниях и в местных, общинных и семейных хозяйствах. Этот разрыв указывает на необходимость внедрения цифровых инноваций в животноводство для повышения эффективности производства, улучшения условий содержания животных и снижения экономических потерь. В этом контексте внедрение информационных технологий для автоматизации процессов управления животноводческими хозяйствами становится крайне актуальным и важным шагом. Использование специализированных программных решений позволяет решить множество проблем, с которыми сталкиваются современные предприятия, выраженные в необходимости повышения производительности и рентабельности предприятий, обеспечении безотходного и ресурсосберегающего производства, потребности в модернизации систем управления, необходимости соответствия международным стандартам и требованиям, улучшении селекционно-племенной работы и воспроизводства поголовья, потребности в государственной поддержке и стимулировании внедрения инноваций. Для решения ряда обозначенных проблем для управления животноводческими предприятиями с применением IT – стратегий выступает концепция умной фермы, основу которой составляют автоматизированные системы управления предприятиями, промышленные роботы, искусственный интеллект и компьютерное зрение, IoT датчики, в совокупности применяемые для повышения эффективности производства и качества продукции, улучшения условий содержания животных, снижения экономических потерь, оптимизации производственных процессов и снижении негативного воздействия на окружающую среду [6-11].

Умная ферма

Умная ферма – концепция, объединяющая современные технологии и традиционные методы организации и ведения сельского хозяйства, направленные на разведение животных для производства единиц всех категорий сельскохозяйственных продуктов. В основе умной фермы лежит использование ряда цифровых технологий, к которым относятся автоматизированные системы управления, промышленные роботы, искусственный интеллект и компьютерное зрение, IoT датчики [12-13].

Рисунок 1. Концептуальная модель умной фермы.

Figure 1. Conceptual model of a smart farm.

Автоматизированные системы управления (АСУ) являются основой умной фермы и представляют собой комплекс программно – аппаратных средств и средства их обеспечения и взаимодействия, обеспечивающих эффективное и автономное функционирование фермы.

АСУ умной фермы в животноводстве выполняет ряд следующих функций [1415]:

• •    Модуль ветеринарии отвечает за оценку здоровья, состояния и своевременного выявления заболеваний сельскохозяйственных животных. Отслеживание состояния здоровья каждого животного осуществляется с помощью компьютерного зрения и специальных датчиков (как носимых устройств, так и вживленных животным), которые собирают данные о физической активности, температуре тела, частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, уровня стресса, потребления воды и пищи, веса и положения тела. На каждую особь заводится цифровая карточка, куда данные заносятся

в автоматическом режиме и анализируются для выявления заболеваний на ранних стадиях и принятия своевременных мер. Такие карточки также содержат данные о проведенных медицинских процедурах, что позволяет выявлять паттерны заболеваний.

• •    Модуль кормопроизводства на умной ферме предназначен для отслеживания всех этапов производства кормов для сельскохозяйственных животных, начиная с выращивания кормовых культур и заканчивая их хранением и переработкой. Системы контролируют показатели почвы, влажность, уровень удобрений и использование пестицидов для обеспечения оптимальных условий роста культур. На основе данных об урожайности и качестве кормов, системы автоматически подбирают сбалансированный рацион, который соответствует потребностям различных категорий животных.

• •    Модуль управления кормлением обеспечивает учет и контроль за запасами кормов, их перемещением, точную дозировку и подачу корма для каждого животного на основе данных, занесенных в цифровую карточку животного, что позволяет оптимизировать рацион питания для достижения максимальной продуктивности и здоровья. Специальные кормушки с автоматическими дозаторами регулируют количество и состав кормов (доставляемые промышленными роботами к кормушкам) в зависимости от индивидуальных потребностей и показателей здоровья животных.

• •    Модуль автоматического навозоудаления обеспечивает сбор, временное хранение органических отходов, их переработку в полезные вторичные продукты, герметичную утилизацию.

• •    Модули сбора продукции предназначены для сбора и обработки продукции и урожая фермы промышленными роботами, отслеживания качества и соответствия требуемым параметрам и стандартам, сортировки, упаковки и транспортировки.

• •    Интеллектуальный модуль управления микроклиматом поддерживает и автоматически корректирует условия температуры, влажности и вентиляции в животноводческих комплексах в режиме реальном времени, что способствует улучшению условий содержания животных и снижению риска заболеваний. Также модуль направлен на оптимизацию энергопотребления, что позволяет снизить затраты на электроэнергию и обеспечить устойчивую работу.

• •    Модуль управления оборудованием служит центральным узлом для регулирования работы сельскохозяйственного оборудования, контролирует состояние и работоспособность техники, что позволяет своевременно выявлять и устранять

неисправности, проводя профилактическое обслуживание и ремонт, что снижает простой техники и увеличивает ее срок службы.

• •    Аналитический модуль занимается сбором, обработкой и анализом данных различных аспектов работы фермы, включая показатели производимой продукции, выявлением факторов, влияющих на продуктивность животных, прогнозированием и принятием решений на основе данных для повышения эффективности и рентабельности фермы.

• •    Модуль безопасности отвечает за мониторинг выполнения стандартов, процедур и протоколов безопасности на умной ферме для предотвращения несанкционированного доступа, нарушения безопасности данных и обеспечения бесперебойной работы технологической инфраструктуры фермы.

Работа модулей связана непосредственно с остальными компонентами умной фермы: датчиками, компьютерным зрением, промышленными роботами и искусственным интеллектом.

Датчики – это носимые или вживляемые устройства, которые используются для мониторинга и контроля состояния и здоровья сельскохозяйственных животных, оптимизации кормления, управления поголовьем и воспроизводством стада. Ключевыми направлениями применения датчиков является мониторинг здоровья и поведения животных, условий их содержания, показателей производимой продукции, процессов кормопроизводства, навозоудаления и управление оборудованием [16-18].

Существует несколько видов датчиков, применяемых для отслеживания состояния сельскохозяйственных животных:

• •    Индивидуальные датчики (электронные бирки, болюсы) – небольшие устройства, которые крепятся или вводятся внутрь каждого животного для отслеживания его индивидуальных параметров. Такие датчики используют физические принципы (температурные, движения, радиочастотные и т.д.) для сбора данных и беспроводной передачи информации на центральную систему мониторинга. Индивидуальные датчики позволяют получать данные о состоянии здоровья, поведении, физиологических показателях каждого животного в стаде, что дает возможность своевременно выявлять проблемы, оптимизировать уход, кормление и в целом улучшать условия содержания скота.

  
  
  
  

  Рисунок 2. Индивидуальные датчики сельскохозяйственных животных.

  Figure 2. Individual sensors for farm animals.

  
  
  
  
  

• •    Групповые системы мониторинга представляют собой комплексные решения, позволяющие отслеживать состояние и параметры целого стада. Отслеживание местоположения и перемещений группы животных на пастбищах или территории фермы осуществляется с помощью GPS/ГЛОНАСС датчиков, что позволяет контролировать выход животных за установленные границы, предотвращать их потерю или кражу. Такие системы осуществляют мониторинг физиологических показателей и активности животных в группе (температуры тела, сердцебиения, движения, питания, жвачки и т.д.), что дает возможность своевременно выявлять признаки заболеваний, определять охоту, оценивать общее состояние стада. Групповые системы позволяют собирать и анализировать статистические данные о поведении, перемещениях, весе животных в группе для оптимизации кормления, выпаса, оценки состояния пастбищ. Преимуществом таких решений является возможность удаленного мониторинга и оперативного реагирования на тревожные ситуации с помощью смартфонов, планшетов

  и компьютеров.

  
  
  
  

  Рисунок 3. Групповые системы мониторинга сельскохозяйственных животных.

  Figure 3. Group monitoring systems for farm animals.

  
  

Датчики являются частью Интернета вещей (IoT) – концепции, основанной на идее соединения различных физических устройств с Интернетом для эффективного взаимодействия между собой и с другими системами с минимальным участием человека. Эти устройства могут включать в себя датчики, датчики движения, камеры, умные устройства и другие объекты, которые способны собирать данные о своем окружении или выполнять определенные задачи. IoT объединяет вышеперечисленные датчики в умную ферму.

Промышленные роботы позволяют уменьшить себестоимость продукции за счет сокращения количества персонала, улучшить и ускорить производственные процессы, а также повысить рентабельность предприятий. Системы автоматического кормления позволяют контролировать распределение кормов и оптимизировать рационы для каждого животного, что способствует улучшению их здоровья и производительности. Автоматические системы дойки могут обеспечить контроль над процессом дойки, уменьшая риск заразы и стресса для животных. Роботы-уборщики могут автоматически очищать помещения для животных, удаляя навоз и поддерживая оптимальные условия существования. Системы автоматической идентификации и сортировки животных позволяют эффективно управлять поголовьем, выявляя индивидуальные особенности и потребности каждого животного. Системы могут контролировать и оптимизировать процессы разведения и искусственного осеменения, повышая плодовитость и качество потомства [19-21].

Рисунок 4. Промышленные роботы умной фермы.

Figure 4. Industrial robots of a smart farm.

Компьютерное зрение и искусственный интеллект представляют собой перспективные технологии, к преимуществам применения которых относится

автоматизированный мониторинг здоровья животных, оптимизация кормления, мониторинг поведения и благополучия животных, управление поголовьем и репродукцией, идентификация и сортировка животных.

Рисунок 4. Компьютерное зрение.

Figure 4. Computer vision.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Перспективы дальнейшего развития технологий включают множество инноваций, направленных на повышение эффективности, улучшение качества продукции, условий содержания сельскохозяйственных животных и обеспечение устойчивого развития отрасли, выраженные в следующих положениях.

Искусственный интеллект и машинное обучение открывают новые возможности. Предсказательная аналитика на основе искусственного интеллекта позволяет анализировать данные и прогнозировать заболевания, продуктивность животных, а также оптимизировать управленческие решения. Распознавание образов с использованием компьютерного зрения способствует мониторингу состояния животных, обнаружению отклонений в поведении и здоровье.

Дальнейшее развитие роботизированных систем доения повышает эффективность процесса и снижает стресс у животных. Внедрение роботов-уборщиков для автоматической уборки и дезинфекции помещений улучшает гигиену и здоровье животных.

В области биотехнологий генетическая оптимизация с использованием геномных технологий позволяет проводить селекцию животных с улучшенными характеристиками, такими как устойчивость к болезням, продуктивность и качество продукции. Разработка кормов с функциональными добавками способствует улучшению здоровья и продуктивности животных.

Экологически чистые технологии также играют важную роль. Системы переработки отходов, такие как переработка навоза и других отходов в энергию или удобрения, снижают негативное воздействие на окружающую среду. Внедрение систем для оптимального использования и переработки воды на фермах способствует умному управлению водными ресурсами.

Цифровые платформы и блокчейн обеспечивают трекинг и прозрачность цепочки поставок продукции, повышая доверие потребителей и соблюдение стандартов безопасности. Интеграция данных из различных источников, таких как датчики и управленческие системы, в единую цифровую платформу позволяет осуществлять комплексное управление и анализ фермерских хозяйств.

Дистанционное консультирование и диагностика заболеваний животных с помощью видеоконференций и обмена данными, а также возможность удаленного мониторинга и управления всеми аспектами фермы через интернет повышают эффективность и гибкость управления животноводческими предприятиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цифровизация в животноводстве играет решающую роль в повышении эффективности производства, улучшении условий содержания животных и снижении экономических потерь. Использование современных технологий позволяет значительно улучшить процессы откорма, контроль за здоровьем животных, управление поголовьем и принятие обоснованных решений. Интеграция новых технологий становится необходимым шагом для повышения производительности и обеспечения лучших условий жизни для животных.