Описание особенностей и условий производстваживотноводческого предприятия

Особенности технологии молочного производства обусловлены стрем­лением к достижению оптимального соотношения молочной продуктивности животных и срока их службы. Также важными факторами выбора способа организации производства является увеличение производительности труда и снижение себестоимости продукции предприятия.

Существует две технологии содержания животных на сельскохозяй­ственных предприятиях: привязная и беспривязная. Привязное содержание предполагает жесткую схему, когда все стадо разделено на несколько групп, а животные содержатся в стойлах. Ответственность за содержание каждой группы ложится на дояра. При этом в одной группе могут быть животные разной молочной продуктивности и находящиеся на разной стадии производ­ственного цикла (сухостойные, дойные). Специалисты, обслуживающие группы, должны в индивидуальном порядке следить за состоянием каждой особи. Поэтому на обслуживающий персонал ложится большая ответствен­ность и нагрузка. Как правило, на предприятиях с привязной формой содер­жания компьютеризация отсутствует или слабо выражена. Для каждого жи­вотного ведется индивидуальная карта с данными о кормовой базе и о фи­зиологическом состоянии. Процесс кормления выполняется вручную. Про­цессы поения и доения имеют слабую компьютеризацию. Доение ведется в ручном режиме либо в доильные ведра, либо в молокопровод. В подобных условиях речь о каких-либо датчиках, установленных внутри строений пред­

приятия, идти не может. Таким образом, задача автоматического мониторин­га на данных предприятиях не может быть решена.

Намного больший интерес представляют предприятия с беспривязным способом содержания животных. Применение данной технологии позволяет достичь большей молочной продуктивности животных и большей рентабель­ности предприятия. Наиболее распространен беспривязный тип производства на предприятиях Австралии, Канады, стран Скандинавии, Японии, Новой Зе­ландии и странах западной Европы [58]. В России пока преобладает привяз- ный способ содержания животных, тем не менее, активно ведется модерни­зация устаревших предприятий.

Согласно концепции беспривязного типа организации животные имеют полную свободу перемещения, как внутри помещений, так и на выгуле. Та­ким образом, условия содержания максимально приближены к естественным. Так как движение животных в данном случае носит хаотичный характер, на предприятии должен быть обеспечен высокий уровень компьютеризации процессов производства, что позволит существенно сократить затраты труда по обслуживанию животных. Существует два вида беспривязного способа содержания животных.

Первый способ обеспечивает максимальную свободу передвижения жи­вотных. Выгул и кормление круглый год осуществляется на открытых пло­щадках, отдых происходит в помещениях на специальной подстилке, процесс доения компьютеризирован. Такой способ содержания характерен для стран, где зима отличается мягким климатом.

На фермах, расположенных в зоне умеренного климата, используется второй вид беспривязного типа производства, который подразумевает нали­чие кормового стола внутри помещения. Отдых животных происходит в спе­циальных боксах, доение автоматизировано и осуществляется в специальных залах. Этот вид дает чуть меньшие показатели молочной продуктивности и

сокращения трудозатрат по сравнению с первым способом беспривязного со­держания, тем не менее, является более распространенным [58]. Далее, гово­ря о беспривязном типе содержания, будем подразумевать второй вид орга­низации содержания животных.

Отдельно стоит отметить процедуру доения при беспривязном типе. Дойка осуществляется в полуавтоматическом режиме в специальных доиль­ных залах. Операторы машинного доения осуществляют настройку, промыв­ку доильного оборудования, а также выполняют специальные процедуры по подготовке вымени и присоединяют к нему устройства во время дойки. Ча­стота доения животных составляет 2-3 раза в сутки.

При беспривязном способе содержания особи разделяются на группы по принципу их молочной продуктивности, стадии производственного цикла и статуса их ветеринарного состояния. В отличии от привязного типа содержа­ния за каждой группой нет закрепленного специализированного работника, это логично, учитывая, что у животных имеется полная свобода передвиже­ния по помещению. В этой ситуации для контроля и определения местопо­ложения конкретной особи на животных устанавливается комплекс датчиков различного типа.

Очевидно, что наличие большого количества устройств и датчиков при беспривязном типе содержания требует некого узла управления устройства­ми и контроля за состоянием коров и произведенной продукции. По этой причине крупные производители устройств компьютеризации фермерских предприятий разрабатывают специализированные биотехнические системы управления оборудованием. Как правило, биотехническая система агрегиру­ет, визуализирует и частично интерпретирует данные с датчиков, установ­ленных на животных или на объектах производства.

Центральным объектом, на котором установлен ряд сенсоров, является комплекс аппаратов доения, так как именно в момент дойки снимаются пока­затели объема, скорости отдачи, состава молока, которые в свою очередь преобразуются системой в показатели молочной продуктивности животного

и качества выпускаемой продукции. Визуализация “сырых” или каким-то об­разом обработанных в биотехнических системах данных решает следующие задачи:

- осуществление планирования и контроля мероприятий доения коров;

- оперативная идентификация опасных примесей в молоке (при наличии специальных сенсоров).

Широко распространены датчики активности животного. Существует множество модификаций и способов крепления этих датчиков. Самыми рас­пространенными из них являются чипы, закрепленные на шее и ноге живот­ного. Обеспечение контроля за активностью является важной задачей, так как в некоторые моменты производственного цикла резкие перепады актив­ности животного являются нормой, а в другие такие перепады свидетель­ствуют о некотором дискомфорте у животного. Данные для обработки и ин­терпретации, поступающие в биотехническую систему с датчиков активно­сти животного, позволяют решать следующие задачи:

- контроль активности животных предприятия;

- выявление периодов охоты животного;

- выявление отклонений, связанных с возможными повреждениями ко­нечностей или слабостью животного.

Наряду с данными о молочной продуктивности и активности животного также важна информация о живой массе, поэтому, как правило, на компью­теризированных предприятиях или имеющих элементы компьютеризации производится ежедневное контрольное взвешивание животных. Снижение веса также является важным индикатором состояния особи: его резкое паде­ние свидетельствует о неблагоприятных изменениях состояния здоровья или факторов внешней среды. Для интерпретации данных с сенсора веса и ком­пьютеризации процедуры выявления причин перепадов значений производ­ственного показателя у животного на некоторых предприятиях устанавлива­ются внутрижелудочные датчики, которые осуществляют мониторинг среды пищеварительной системы, эти данные помогают объяснять некоторые слу­

чаи изменения веса. Тем не менее, внутрижелудочный датчик используется на предприятиях чрезвычайно редко.

Процедура получения данных с сенсоров, в зависимости от производи­теля оборудования различна, но технология одинакова. При беспривязном содержании в разных частях помещений предприятия устанавливаются ан­тенны. Как правило, места для установки - это пространство на входе в зал дойки, сортировочные ворота и места у поилки. Каждому сенсору присвоен идентификатор, который в базе данных соотносится с конкретным живот­ным.

Информация, поступающая с датчиков, нуждается в визуализации, обра­ботке и частичной интерпретации. Механизмы решения этих задач заложены в основу биотехнических систем управления животноводческим хозяйством.

Стоит упомянуть основные задачи, решаемые с помощью биотехниче­ских систем управления и комплекса датчиков, установленных на современ­ных животноводческих предприятиях.

Одной из самых распространенных незаразных болезней животных, встречающихся на молочных предприятиях, является мастит. Данное заболе­вание имеет два основных вида: субклинический (скрытый) и клинический (с

открытыми визуальными симптомами болезни). Наиболее опасным из них является субклинический, когда внешне вымя и выделяемое молоко выглядят абсолютно нормальными. Скрытый мастит встречается в 5-10 раз чаще, чем клинический. Если субклинический мастит не обнаружить своевременно, то через некоторое время он переходит в клиническую стадию, что приводит к необходимости снятия животного с производства для лечения с использова­нием антибиотиков, после которых молоко животного становится непригод­ным для дальнейшей переработки [141]. Опасность мастита заключается в том, что животные могут заболеть в любое время года, в любой стадии про­изводственного цикла, будь то в первые дни послеродового периода, в пери­од максимальной лактации и даже в сухостойный период, что заключает в себе дополнительную опасность: в это время животное перестает давать мо­локо и, следовательно, состоянию вымени животного может не уделяться до­статочного внимания [190].

Мастит является одной из самых распространенных причин массовой выбраковки животных. Статистика, приведенная в [113, 124], показывает, что в хозяйствах разных форм собственности 5-35% от общего количества вы­бракованных животных составляют коровы с маститом, сопровождающимся атрофией долей вымени. В [141] приводятся цифры, демонстрирующие, что общая заболеваемость маститом у дойных животных в любом виде хозяйств составляет 24-45%. Процедура выявления болезни требует непосредственно­го ветеринарного осмотра и химического анализа молока, по возможности из разных долей вымени животного. Последствия мастита также серьезны. По­следующая лактация успешно вылеченных животных становится менее про­дуктивной на 7-32% относительно среднего удоя стада [184]. Таким образом, возникает острая проблема идентификации случаев субклинического мастита на ранних стадиях заболевания животного.

Для выявления субклинического мастита обычной практикой является дорогостоящий и сложный клинический анализ. Его суть сводится к исследо­ванию взятой из вымени больного животного пробы молока на предмет по­

вышенного содержания соматических клеток: проводится комплексный хи­мический анализ с использованием дорогостоящих реактивов [123]. В рабо­тах [112, 211]предлагается использовать низкоинтенсивное лазерное излуче­ние для облучения поврежденных частей вымени. Лазерная терапия в сово­купности с применением препаратов показывает более быстрое восстановле­ние повреждённых долей вымени, чем обычное лечение. В работах [39, 123,144]рассматривается проблема применения инновационных лекарств для ле­чения заболевших животных, выделены последствия применения новых пре­паратов.

Стандартные процедуры по обнаружению мастита включают в себя не­сколько различных методов, применяемых в совокупности:

- клиническое обследование вымени и секреции молока;

- тест на вкусовое качество молока;

- химический анализ и измерение электропроводимости молока.

Клиническое обследование подразумевает первоначальный осмотр вы­мени и, в соответствии с [52], требует наличия информации об общем состо­янии животного, включая данные о текущем состоянии, кормовой базе, про­шлых заболеваниях, возрасте и молочной продуктивности. Следующим ша­гом является подробный осмотр вымени животного ветеринаром.

Тест на вкусовые качества молока является дополнительным и мало распространенным. Тем не менее, при возникновении мастита количество соматических клеток увеличивается, что приводит к изменению состава мо­лока и появлению слегка солоноватого вкуса.

В [68, 71]установлено, что при возникновении мастита в молоке увели­чивается количество натрия, хлора, а также повышается кислотность. Для проведения подобного анализа используются специальные реагенты и обо­рудование. В работе [51]говорится об использовании величины электропро­водности молока в качестве критерия определения мастита. При этом доказа­но, что при возникновении мастита электропроводность увеличивается за счет появления в молоке солей, ионов натрия и хлора.

Теперь рассмотрим другую проблему, описанную в работах [45, 66, 93]. Для дойного стада, где поголовье достигает нескольких тысяч животных, об­наружение скрытого мастита - задача очень трудоемкая. Для точной иденти­фикации требуется ветеринарный осмотр с последующим химическим анали­зом, что занимает от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от загруженности лаборатории и врачей предприятия. В этом случае большая часть животных остается необследованными, поэтому в работах [47, 51, 68,71 ] рассматриваются методы отсечения и сокращения количества исследуе­мых животных. На основе второстепенных признаков формируется предва­рительная выборка животных с подозрением на мастит, после чего принима­ется дальнейшее экспертное решение о лечении каждой особи.

С другой стороны, в работах [12, 17, 27, 40, 107]говорится о большом количестве различных датчиков, установленных на животных предприятия и используемых для решения узкоспециализированных задач. При решении ряда проблем, в том числе и идентификации мастита, часть полезной инфор­мации с датчиков может теряться или не использоваться. Но информация с отдельных типов датчиков также может быть полезна в рамках решения за­дач определения скрытого мастита на молочных предприятиях.

На основе проведенного анализа биологических методов определения мастита можно сделать вывод о том, что для достоверной идентификации болезни необходим непосредственный ветеринарный осмотр и химический анализ молока, по возможности из разных долей вымени животного. Подоб­ный анализ характеризуется высокой временной сложностью и требует ис­пользования дорогостоящей аппаратной базы или даже оборудованной лабо­ратории внутри предприятия. В условиях рискованного земледелия, в уме­ренных широтах, с жесткими погодными условиями и небольшой продолжи­тельностью светового дня добиться высоких надоев, позволяющих предприя­тию зарабатывать достаточно для оборудования собственной лабораторной станции, крайне затруднительно. Заболевание маститом является самой рас­пространенной болезнью на фермах любого типа, а задача идентификации

мастита - одной из ключевых. Достоверное диагностирование скрытого ма­стита занимает много времени и требует серьезных финансовых затрат. В ка­честве способа снижения затрат на выявление животных, больных маститом, предлагается создание и применение алгоритмов и методов, использующих данные, получаемые с разнообразных датчиков, применяемых на предприя­тии.

Кроме маститов существует ряд заболеваний вымени, также отмеченных снижением молочной продуктивности животного. Все эти болезни связаны по большей части с травмами молочной железы: сужением, засорением и ра­нами каналов молокоотдачи, новообразованиями и молочные камнями [160]. Данные проблемы приводят к снижению скорости молокоотдачи (тугодойко- сти), в следствии чего машинное доение становится невозможным. Результа­ты исследований, представленные в работе [80]показывают, что выбраковка животных по причине мастита составляет 0,5% в год от всего поголовья. Причины возникновения повреждений, приводящих к пониженной скорости молокоотдачи, бывают двух видов; генетического характера и приобретенно­го. Эффект от проявления тугодойкости, переданной по наследству, приво­дит к возникновению проблем в протекании первой лактации уже в первые ее дни. Как правило, такие животные быстро выбраковываются и считаются селекционно непригодными. Приобретенная тугодойкость, в основном, появ­ляется по причине возникновения травм из-за нарушения техники машинно­го доения, неисправностей оборудования, плохих условий содержания и не­достаточного ухода за выменем животного до и после доения. Существует также обратная проблема. Чрезмерно быстрая скорость молокоотдачи тоже не является нормальным показателем. Подобные проблемы классифициру­ются как легкодойкость и недержание молока. Данные болезни характеризу­ются скоростью доения свыше 1.8 л/мин при длительности доения 2-3 мину­ты [169]. Результаты исследования, представленные в [169], показывают су­щественное снижение молочной продуктивности животных (в среднем на 14% от всего объема молока, полученного за лактацию), имеющих проблемы,

связанные с недержанием молока. Данные, приведенные в [169], показывают высокую степень корреляции между переходом состояния легкодойности животного в стадию скрытого мастита. Таким образом, делается вывод, что легкодойность, как признак приближения субклинического мастита, требует к себе повышенного внимания со стороны работников предприятия. Причи­ны затрудненного доения и возникновения легкодойкости одинаковы: гене­тические, либо нарушение техники машинного доения и условий содержания с нанесением повреждений вымени животного.

Высокая степень выбраковки животных с затрудненным доением из-за тугодойкости и большая вероятность возникновения мастита у животных, скорость доения которых повышена при малой длительности процесса моло- коотдачи, демонстрируют необходимость своевременного обнаружения рас­смотренных проблем. Основная трудность автоматического выявления жи­вотных, имеющих проблемы с молокоотдачей, заключается в отсутствии чет­ких норм и порогов, на основе которых можно было бы принять решение о наличии проблемы. В специализированной литературе [80, 160, 169]указы­ваются некоторые пороговые значения, которые получены при исследовании заболеваний животных конкретных предприятий, имеющих собственные особенности производственного процесса. Поэтому приведенные значения, как правило, актуальны для идентификации больных животных именно на исследуемых фермах и неприменимы для других предприятий, где условия содержания и производства отличаются. В нашем случае необходимо разра­ботать собственный метод идентификации животных, имеющих ненормаль­ную скорость молокоотдачи. Метод автоматического определения состояний тугодойкости / легкодойкости животных позволит учитывать особенности производства исследуемого предприятия и индивидуальные особенности жи­вотных.

На современных животноводческих предприятиях остро стоит проблема определения послеродовой охоты (течки) у коров. Подобные состояния скота необходимо идентифицировать на ранних стадиях их возникновения: очень

важно, как можно раньше отследить этот период, так как в течение него ве­роятность успешного оплодотворения выше [14]. Еще одной немаловажной особенностью своевременного обнаружения периода охоты является перио­дичность ее возникновения. Репродуктивный цикл животного повторяется каждые 21 день и, если пропустить день охоты, следующая возможность по­пытки осеменения наступит только через 3 недели. Смещение графика бере­менности животного на 3 недели несет существенные затраты на дополни­тельное содержание животного в сухостойный период, молочный цикл тоже при этом сбивается, в результате производственный цикл может превысить длительность календарного года вместо стандартных 305 дней.

В условиях домашнего хозяйства, где содержатся всего несколько жи­вотных и особи находятся в постоянной зоне видимости хозяев, время охоты определяется легко, но в промышленных условиях это сделать весьма за­труднительно.

Для детального контроля над состоянием коров в биотехнических си­стемах управления животноводческими предприятиями выполняется анализ данных с большого количества датчиков и оборудования. Доильные залы хо­рошо технически оснащены и роботизированы, что позволяет фермерам при­нимать правильные управленческие решения, улучшить качество производ­ства и снизить затраты. В большинстве случаев системы машинного доения и управления предприятием включают в себя подсистемы мониторинга состо­яния животных, в том числе автоматического отслеживания периодов осеме­нения.

Традиционно наступление половой активности животного определяется сравнением уровня гормона прогестерона с допустимым порогом, который обычно составляет 3 нг/мл [14]. Данный способ первоначально был предло­жен в работе [63]. Но проблема заключается в том, что не на всех современ­ных предприятиях имеется возможность идентификации периода для осеме­нения с помощью гормонального анализа. Повсеместное внедрение биотех­нических систем управления животноводческими предприятиями дало воз- 21

можность получить информацию с различных датчиков о состоянии живот­ного. Появилась перспектива заменить дорогостоящий гормональный анализ. Из анализа зарубежных работ [14, 21, 31 -35, 63, 82, 83, 95]можно сделать вывод, что изменение состояния животного, которое связано с наступлением охоты, проявляется в увеличении двигательной активности.

Актуальной задачей для предприятий молочного животноводства явля­ется своевременное обнаружение проблем в состоянии животных, связанных с нарушением обмена веществ. Нарушение белкового, углеводного и жиро­вого обменов ведет к возникновению ряда опасных заболеваний, таких как кетоз (занимает ведущее место среди болезней обмена веществ), алиментар­ная остеодистрофия, сахарный диабет, болезни, вызванные недостаточно­стью витаминов и другие [127, 188]. В обычной практике для диагностирова­ния подобного заболевания требуются дорогостоящие анализы, включая ана­лизы крови, и непосредственный осмотр специалистом на месте. Но иденти­фицировать больное животное среди тысяч, входящих в стадо, является зада­чей трудновыполнимой. Одним из признаков возникновения проблем, связ­ных с обменом веществ, является прогрессирующее снижение веса животно­го. Таким образом, взяв этот признак за основу можно с помощью анализа данных о ежедневном изменении веса животного сформировать выборку особей, подозрительных на возникновение проблем с обменом веществ и нарушенным питанием. Предварительная выборка значительно уменьшит количество особей для непосредственного визуального анализа специали­стом предприятия.

В силу производственной специфики, одной из самых важных частей тела животного являются конечности (ноги), поэтому коровам необходим тщательный уход за копытами со стороны работников предприятия. Перио­дические визуальные осмотры и профилактические мероприятия должны проводиться на предприятии своевременно. В случае отсутствия пересилен­ных процедур животное подвергается риску получения травм и болезней: флегмона, асептический пододерматит, ламинит, эрозия, болезни суставов,

хромота, клубничная болезнь, ушиб [162, 196]. Все перечисленные заболева­ния сопровождаются вялостью и снижением двигательной активности жи­вотного. Задача поиска особей с низким уровнем активности в ручном режи­ме среди целого стада является затруднительной. Также, кроме задачи выяв­ления охоты животного в первые недели лактации, актуальна задача поиска гиперактивных животных в течение всей лактации в целом, так как повы­шенная активность может свидетельствовать о дискомфорте, аборте или да­же бешенстве (маловероятно). Таким образом, к решению представляется за­дача выявления случаев повышенной/пониженной активности в течение всей лактации. Необходимо сформировать список животных, двигательная актив­ность которых вызывает подозрение на наличие нестандартного поведения, с целью дальнейшей ветеринарной проверки.

Ранее уже рассматривались задачи, где для диагностики ряда заболева­ний использовался признак пониженной молокоотдачи, в частности, для определения мастита животного [39, 52, 112, 113, 123, 124, 141, 144, 184, 190,211 ]. Для идентификации мастита и тугодойкости данный признак применял­ся в комплексе с другими факторами. Но сам по себе показатель низкой мо- локоотдачи тоже важен, так как он может свидетельствовать о нежелатель­ном изменении состояния вымени или животного в целом. Автоматическая идентификация случаев пониженной молокоотдачи также является актуаль­ной задачей, с помощью которой сокращается количество животных, пред­ставленных к ветеринарному обследованию.

Также отдельно стоит выделить показатель повышенной электропро­водности, который до этого расстраивался в совокупности с другими призна­ками. Повышенный показатель свидетельствует о качественных изменениях в составе выдоенного молока. Это может говорить о непредвиденных изме­нениях, происходящих в вымени животного. Чрезмерно высокая электропро­водность говорит невозможности добавления полученного продукта в общий бак. Данный показатель тоже должен рассматриваться отдельно и случаи по­

вышенного содержания примесей в молоке должны регистрироваться авто­матически.

Несмотря на то, что резкое нехарактерное изменение вышеперечислен­ных параметров является тревожным признаком, это может быть единичный суточный скачок, который не означает возникновения критических измене­ний в состоянии животного. Это связано с тем, что животные являются сложными биологическими организмами и малейшее изменение в условиях содержания или погоде может привести к неожиданной кратковременной ре­акции организма в процессе адаптации к новым условиям. Подобные колеба­ния необходимо учитывать и компенсировать в ходе разработки математиче­ских моделей и методов автоматического мониторинга состояний животных. Например, на множестве предприятиий отмечается, что концентрация мно­гих компонентов в полученном молоке непостоянна. Содержание примесей и основных компонентов изменяется в зависимости от стадии лактации, време­ни года, породы, возраста, рациона и т.д. На некоторых предприятиях данные колебания сведены к минимуму. Таким образом, формируемые выборки жи­вотных предполагают, что животное подозрительно на присутствие у него той или иной проблемы или заболевания. Отмеченные случайные колебания, как правило, несущественно увеличивают ошибку второго рода при работе алгоритмов автоматической идентификации состояний животных.

Таким образом, в данном разделе проведен анализ особенностей и условий осуществления производственной деятельности на животно­водческих предприятиях разного типа. Проанализированы технологии компьютеризации животноводческих хозяйств и решаемые посредством их задачи. Анализ показал, что необходимым условием успешного функ­ционирования и развития животноводческих предприятий является внедрение биотехнических систем управления процессом производства.

1.2