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智能赋能 无限可能——西安电子科技大学蒲城县奶山羊智慧养殖项目

2021-09-26 来源:规划司

西安电子科技大学

  西安电子科技大学依托学校人工智能领域相关学科优势,积极推动人工智能赋能传统产业,助力国家脱贫攻坚战和乡村振兴战略,先后在学校定点帮扶的陕西省蒲城县桥陵镇、苏坊镇等实施“羊博士”奶山羊智慧养殖项目,在推进奶山羊智慧养殖产业工程化实现、标准化构建和智能化探索等方面取得了明显成效,相关成果得到中央电视台中文国际频道“百村扶贫记”专栏报道,特别是2021年助力苏坊镇荣获“全国脱贫攻坚先进集体”。

  一、项目背景

  (一)产业概况

  作为奶山羊主产区,陕西省将奶山羊产业作为推动脱贫攻坚、乡村振兴的突破口,重点培育千亿级奶山羊全产业链。学校定点帮扶的蒲城县2018年入选陕西省“优质羊乳生产基地县”,奶山羊养殖产业被列为全县脱贫攻坚的三大支柱产业之一。目前蒲城县正在实施奶山羊全产业链集群培育工程,全力打造“苏坊奶山羊养殖特色区”。

  截止2020年底蒲城县奶山羊存栏达9.67万只,全县17个乡镇均有养殖,其中规模化养殖50~100只的养殖场386家,100只以上规模养殖场163家,1000只以上规模养殖场22个。总体上,当前蒲城县奶山羊养殖个体生产水平差异较大,养殖主体为农户,经营主体多为村级集体组织和农民专业合作社,养殖规模以小规模散养和小范围合作养殖为主,集约化、规模化的养殖模式尚处于起步阶段。

  (二)主要问题

  从产业发展上看,蒲城县奶山羊养殖单元体量小、资本少,养殖方式的自动化、集约化程度较低,养殖效益不高,严重影响了养殖户收入的稳定提升。具体存在的主要问题有:(1)羊舍环境差,导致奶山羊发病率较高;(2)奶山羊族谱信息缺失,导致品种近亲繁殖,严重影响了奶山羊的品质;(3)奶山羊的疾病监控和免疫监控缺失,导致减员风险较大;(4)缺乏有效的实时检验手段,容易导致奶品批量污染问题,造成农户损失扩大。与国外奶山羊养殖的条件不同,要推动蒲城县奶山羊养殖产业的发展,提升奶源质量,增加养殖户收益,必须走集约化、规模化、生态化的发展之路。但现代化、智能化养殖技术的缺失,是当前制约蒲城县奶山羊养殖产业发展的瓶颈问题,迫切需要数字化转型和智能赋能来提升产业发展的核心竞争力。

  二、项目实施

  西安电子科技大学紧紧围绕蒲城县奶山羊产业养殖产业发展的迫切需要及痛点难点问题,以科技帮扶为抓手,集聚人才、智力和科技等资源,从2018年开始在蒲城县桥陵镇、苏坊镇党定村实施“羊博士”奶山羊智慧养殖扶贫项目。

  (一)工作思路

  项目实施的工作思路是:以AI技术赋能蒲城县奶山羊养殖产业,坚持问题导向,聚焦产业升级,助力农户增收,打通五大关键技术,打造两个应用示范平台,凝练“选点精准、汇聚资源、创新引领、产教融合”的工作特色,全面助力蒲城县奶山羊智慧养殖标准化体系构建和转型升级,为支持陕西千亿级奶山羊产业和蒲城县乡村振兴事业做出“西电贡献”。

  (二)技术攻关

  项目实施以奶山羊精细化管理和奶山羊健康监控系统为核心,以形成真正的人工智能落地解决方案为目标,确定了奶山羊身份快速精准识别、奶山羊养殖智能物联网系列终端等五大关键技术研发,成功在桥陵镇、苏坊镇奶山羊养殖基地开展落地实施。

  (1)奶山羊身份的快速精准识别。快速、准确的获取奶山羊的个体身份信息既是当前奶山羊养殖迫切需要解决的实际问题,也是实现奶山羊智慧养殖的基础。学校科研人员利用体表植入式的RFID技术,用皮下植入芯片的方式使每只奶山羊真正有了自己的“ID身份”,既能够防止奶山羊间的撕咬导致的耳标识别损毁,又可以利用低频信号穿透奶山羊的表皮,实现对奶山羊的精准识别与定位。

  (2)奶山羊养殖的智能物联网系列终端。现代化、精细化的养殖模式要求良好的养殖环境,在养殖过程中减少细菌繁殖和疾病传播。但当前蒲城县仍采取人工饲养为主的传统养殖方式,养殖环境差,污染风险高。项目基于智能物联网技术,开发了一系列自动化设备,能够通过手机等终端平台对羊舍的温度、气体等进行实时监控,并自动完成通风换气、消毒、降温、给水等功能,极大的改善了奶山羊养殖环境。

  (3)奶源质量在线实时监测设备。当前奶源质量的检测通常设置在奶品收购站,检测效率低、费用高,而且容易产生因少量污染奶源与正常奶源混装而导致整个奶源污染的状况,这也成为了影响养殖户收益的关键痛点。项目对传统挤奶车等设备进行了智能化改造,能够在挤奶过程中第一时间对羊奶进行实时检测,及时快速的将污染奶源与正常奶源分离,杜绝隐患,为健康奶品保驾护航。

  (4)奶山羊在线体检系统。奶山羊乳房炎等疾病发病快、后果严重,及早发现能够有效地降低养殖户的损失。项目采用RGBD相机获取奶山羊的三维信息,实现对奶山羊身高、体长的在线检测,并通过红外设备监测建立奶山羊疾病和体温数据之间的模型,对乳房炎、羊蹄叶炎的发病特征进行实时筛查,从而能够快速筛选出发育良好的个体和患病个体,为整体疾控提供重要依据。

  (5)奶山羊智慧养殖大数据系统。在奶山羊养殖中,奶山羊的品种决定了奶山羊养殖中70%的利润。项目根据区域产业发展需要,建立奶山羊族谱信息库和生长数据信息库,采用本地加云端的部署方式,羊场内所有传感器通过本地物联网平台进行信息收集,上传云存储服务器,并调用云计算平台进行数据分析,为高产量、低发病率的奶山羊良品筛选打下坚实基础。

  (三)推进落实

  1.精准匹配

  从2018年开始,“羊博士”奶山羊智慧养殖项目即由学校人工智能学院博士生导师李甫教授、牛毅副教授及博、硕士生50余人共同组建团队,反复多次深入养殖一线开展调查研究、方案设计和系统实施。

  为更好推进项目实施,学校认真分析蒲城县奶山羊养殖产业发展现状与模式,分别选取了桥陵镇蒲城嘉辉农业科技服务有限公司和苏坊镇党定村开展项目对接和试点。其中,桥陵镇西蒲城嘉辉农业科技服务有限公司成立于2013年,总投资3600万元,现存栏奶山羊1300只,技术服务覆盖路家、梁家、大西等7个行政村,带动320户 贫困户,具有较好的市场化运营和集约化养殖的基础条件。所对接的苏坊镇党定村,主导产业为奶山羊畜牧养殖,群众基础好,养殖经验丰富,近年来该村采用“党支部+村级股份经济合作社” + “联合党委+产业基地”扶贫新模式,使奶山羊存栏量从2015年不足1800只,增加至现在的5500余只,并进一步辐射带动苏坊镇6个奶山羊养殖小区,带动贫困养殖户400余户。

  两个试点单位涵盖了蒲城县发展奶山羊养殖产业的主要模式,具备较好的工作基础和显著的代表性,与奶山羊智慧养殖项目匹配度高、典型性突出。

  2.示范引领

  项目分别在桥陵镇和苏坊镇试点单位建立了两个标准化“智慧养殖小区”,建立奶山羊智慧养殖的示范应用平台。累计安装温湿度计、吊扇、水泵、紫外线杀菌、喷雾消毒、蓄水桶等设备40余套,集成构建了羊场物联网系统,通过手机端、网络端实现了对羊场环境的实时监测和智能化控制。其中,养殖环境监测系统实现了羊舍自动定期清洁,以及温度、氨气等关键数据的远程控制;饮食监测系统对奶山羊的饮食及饮水量进行监控,并对累计数据进行分析;无接触测温系统则基于红外成像技术对奶山羊乳房等关键区域进行实时检测及定位算法,完成奶山羊健康状况的评估等;新型奶山羊挤奶器,提升对奶山羊的健康监测和羊奶的质量检测水平。项目实现了用成熟可靠的技术方案和低值易用的设备系统,带来产业发展的高增加值,全面适应于蒲城村镇一级的养殖环境和养殖模式。

  项目还致力于奶山羊养殖的环境标准、监管标准、数据统计标准等标准化构建,重点推广奶山羊养殖数字孪生BIM样板((Building Information Model:建筑信息模型)),以最小羊舍为单位统一各个模块之间的设计和部署,形成“积木式”的标准化BIM模型,建立奶山羊养殖小区的标准化解决方案,为不同需求的集约化养殖模式提供清晰、可靠的建设标准及实施指导。

  2020年7月,蒲城嘉辉农业科技服务有限公司被国际奶羊产业协会技术委员会授于“标准化奶山羊养殖示范场”;被陕西省奶山羊养殖工程研究中心授于“陕西省奶山羊良种选育核心场”。同时,党定村建成了全县奶山羊特色小镇核心区项目,不仅实现对养殖小区的智能化管理,更对全县奶山羊产业提供技术服务支持。2019年,国务院副总理孙春兰考察学校时听取了项目汇报,还现场远程连线养殖小区了解项目实施情况,并给予充分肯定。

  3.数据驱动

  在“智慧养殖小区”试点成功的基础上,学校继续在苏坊镇建成“蒲城县奶山羊产业智慧养殖数据中心”,打造产业发展的数据应用平台。该数据中心安装大屏监控平台和服务器,通过集成视频监控系统、信息化平台和网络化改造,实现了县域养殖小区的网络化管理和智慧云服务。

  政府部门、专家服务站等通过数据中心与养殖小区的实时动态连接,精准掌握区域奶山羊养殖的数量分布、健康状况、环境质量等关键数据,建立产业数据信息库,实现大数据可视化分析。同时,数据中心还进一步对全县奶山羊养殖产业提供技术服务支持,一方面自动根据奶山羊的成长状态安排免疫防疫计划,另一方面建立信息化的良种奶山羊谱系筛选系统,解决奶山羊优质选育问题,直接服务一线养殖单位和养殖户。

  三、成效经验

  项目实施三年来,所对接的桥陵镇嘉辉农业科技服务有限公司每年可出栏优质种公羊80只,出栏优质高产母羊500只,日产鲜奶1.6吨,并连续3年对羊只进行疾病监测,无重大疫病发生,所带动的320户 贫困户,每户可享受分红资金1500元。所对接的苏坊镇党定村,该项目共辐射带动全镇6个奶山羊养殖小区(贫困户400余户),培育出四通奶山羊养殖小区、宏达奶山羊养殖基地等产业扶贫示范点,目前全镇奶山羊存栏量2万只,其中党定村奶山羊存栏量5000余只,建成2个奶山羊养殖小区(贫困户21户),养殖小区年产值720万元,带动养殖户年均增收1.2万元(贫困户年均增收6000元),带动务工户年收入1.8万元(贫困户1.2万元),为持续壮大村集体经济、扩大奶山羊产业规模和带动群众增收致富提供了有力支持,先后获得“全国生态文化村”和“全国乡村治理示范村”,特别是在2021年全国脱贫攻坚总结表彰大会上,中共蒲城县苏坊镇委员会荣获“全国脱贫攻坚先进集体”。

  同时,奶山羊智慧养殖项目的实施在蒲城县引起了高度重视,为政府决策和规划提供了重要参考和实践探索,蒲城县在十四五规划中提出建设全省畜牧大县的产业发展目标,全力打造苏坊奶山羊养殖特色区,创建省部级养殖标准化示范场15个,新建1-2个省级工程研究中心(实验室),健全奶山羊等产业高标准科技服务站等,与项目建设目标高度契合。

  当前,“高端”的AI技术与“中低端”的传统产业之间存在脱节现象,产学研合作密切度有待提升,相关科技成果转化率不高,缺乏顶层设计以及可持续运行的机制。因此,项目在实施过程中按照“选点精准、汇聚资源、创新引领、产教融合”的思路凝练特色,形成可借鉴、可推广的乡村振兴产业帮扶的有效经验和合作范式。

  (1)选点精准

  一方面契合蒲城县奶山羊养殖的特点和产业发展模式,针对市场化运营的规模养殖公司和以农户为基础的养殖小区存在的问题开展项目实施,确保了不同阶段下产业的良性发展。另一方面以提高养殖户收益为目标,准确锁定拟解决的问题和预攻关的核心关键技术,使得试点工作不仅得到了村镇级组织的大力支持,也得到了养殖户的欢迎和积极配合。

  (2)汇聚资源

  众人拾柴火焰高。首先是汇聚校内资源。由扶贫办牵头,整合各学院、科研院各方力量,设置科技扶贫专项科研项目3个,投入研发经费40余万元,自筹科研经费100余万元开展项目实施。其次是加强校地合作。项目的实施得到了蒲城县政府及县农业农村局、桥陵镇、苏坊镇、党定村各级地方政府及党组织大力支持,校内技术专家还协助县农业农村局争取到陕西省农业厅科技项目支持100万元。第三是加强校际合作。联系西北农林科技大学奶山羊养殖专家曹彬云教授,开展项目指导和产业咨询,建立奶山羊养殖专家服务站。

  (3)创新引领

  当前,关于奶山羊智慧养殖的内涵、标准和模式尚无成熟经验可供参考,项目从环境监控、个体精管、奶品检测等方面全要素、一条龙开展技术创新,全方位探索奶山羊智慧养殖的新模式。同时作为人工智能技术赋能传统产业的一个落地解决方案,项目在可借鉴、易推广、低成本等方面进行了积极探索,取得了丰富成果,对于未来蒲城县奶山羊智慧养殖的标准化体系构建起到了示范引领作用。

  (4)产教融合

  鼓励师生面向“真问题”,在乡村振兴的实践中了解国情民情社情,探求人工智能技术落地应用的“真学问”,凝练科研方向;加强科研育人、实践育人,通过组织师生参与奶山羊智慧养殖项目,既提升科研实践能力,又强化“把论文写在祖国大地上”的使命担当。

  四、未来展望

  (1)助推集约化、规模化、标准化的养殖模式,推动地方奶山羊养殖产业转型升级,提升产业价值。面向乡村振兴及奶山羊养殖产业转型升级需要,以人工智能技术为支撑,建成更多高起点、高标准,高水平的养殖小区、小镇,打造规模集约、技术集成、效益明显的科技示范型窗口,通过数字化转型带动集约化、规模化、标准化奶山羊养殖产业的发展。

  (2)瞄准碳达峰、碳中和以及食品安全体系建设,助力奶山羊养殖生态建设,彰显生态价值。坚持走生态文明建设之路,围绕打造“奶山羊特色小镇”,分功能板块、全产业链建设产业服务中心、中心奶站、牧草基地、饲料厂和有机肥厂等,打造农牧田园综合体,面向碳达峰、碳中和,探索养殖业碳循环道路。同时进一步健全养殖安全标准,实施大数据监管,助力构建奶山羊产业食品安全保障体系。

  (3)拓展育人资源,突出合作共建,建立乡村振兴校地合作典型范例,深化教育价值。进一步将项目实施作为学校深化党史学习教育成果的生动实践,加强劳动教育基地、社会实践基地及科研育人平台建设,在乡村振兴事业中挖掘育人元素。促进校地党建交流学习,拓展师生党支部与乡村党组织的合作共建,通过共办主题党日、党建互访、实地研学等,建立“乡村振兴+支部+育人”的校地合作典型范例。

(责任编辑:俞曼悦)

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