name: Разработка методов определения биометрических и температурных параметров вымени лактирующих животных на основе оптических технологий
keyword_list: Физиологический статус вымени и сосков лактирующих животных Биометрические и температурные параметры вымени и сосков коров Лактирующие животные Оптический модуль Технические средства для определения биометрических и температурных характеристик вымени и сосков животных Спектральные технологии
abstract: Актуальность темы. Автоматизация и цифровизация является перспективным направлением развития животноводства, предполагает объединение инновационных разработок в глобальном проекте «Умная ферма» с использованием роботизированных систем доения, кормления, бесконтактной бонитировки, средств ранней диагностики заболеваний животных и прочих систем повышения качества выполнения производственных процессов. Отток населения и специалистов из сельских регионов приводит к недостатку квалифицированных кадров, что затрудняет качественное зооветеринарное обслуживание животных. Имеет влияние и человеческий фактор, при передаче вручную собранных данных после проведения бонитировки крупного рогатого скота. Проблему повышения качества выполнения технологических процессов и снижения трудозатрат при проведении процесса бонитировочной оценки, проблему ранней диагностики заболеваний можно решить путем создания и применения оптического модуля, выполняющего определение биометрических и температурных параметров вымени лактирующих животных. Бесконтактный способ ранней диагностики мастита позволит оперативно среагировать на развивающееся заболевание и увеличить вероятность пресечения его развития до клинических форм, тем самым сохранив прогнозируемые удои коровы после выздоровления. Автоматическая бонитировочной оценка вымени животных снизит трудозатраты, увеличит качество получения зоотехнических данных, снизит влияние человеческого фактора.
  В связи с этим, разработка методов на основе оптических технологий для определения биометрических и температурных параметров вымени и сосков лактирующих животных позволит использовать результаты работы в роботизированных установках различного назначения: в доильных роботах для управления роботизированным манипулятором и ранней диагностики заболеваний вымени; в системах цифровой бонитировки, используемых в племенных хозяйствах, для проведения селекционной работы на товарных фермах для оценки физиологических параметров вымени. Отсутствие научно-методичной базы создания подобных оптических модулей существенно сдерживает развитие автоматизированных и роботизированных технологий обслуживания животных.
  Степень разработанности. С 1994 года за рубежом начинают применяться роботизированные доильные установки, в которых используются оптические модули для управления автоматизированными манипуляторами доения, которые выполняют процесс идентификации и определения местоположения сосков. Бонитировка молочного и мясного скота на сегодняшний день производится ручным способом, используя мерную ленту. Единственным и ближайшим прототипом промышленного оборудования, который применяется в производстве, является бесконтактный оптический модуль шведской компании Delaval. Модуль выполняет бесконтактную оценку упитанности молочного скота. Оценка упитанности является частью процесса бонитировки. Бесконтактная автоматическая оценка линейных параметров вымени животных и функция ранней диагностики маститных заболеваний, как отдельные процессы, в существующих зарубежных роботизированных доильных комплексах не производятся. На сегодняшний день, следует отметить определенный дефицит исследований и разработок  в области цифровой биометрии вымени и сосков животных с ранней диагностикой заболеваний  на основе оптических технологий.
  Цель исследования – определение параметров и режимов работы оптического модуля для определения биометрических и температурных параметров вымени лактирующих животных.
  Задачи исследования:
  1.	Провести анализ спектральных технологий и технических средств для определения биометрических и температурных характеристик вымени и сосков животных;
  2.	Обосновать рациональные параметры и режимы функционирования оптического модуля для определения биометрических и температурных параметров вымени и сосков лактирующих животных;
  3.	Разработать методы и математические модели определения биометрических и температурных параметров вымени и сосков лактирующих животных;
  4.	Разработать программу и методику лабораторных и производственных исследований определения биометрических и температурных параметров вымени лактирующих животных в нормальном и паталогическом состоянии;
  5.	Провести лабораторные и производственные испытания оптического модуля при определении биометрических и температурных параметров вымени и сосков лактирующих животных в нормальном и паталогическом состоянии;
  6.	Провести технико-экономическую оценку результатов исследований.
  Объект исследования: Биометрические и температурные параметры вымени и сосков коров.
  Предмет исследования: Методы и модели определения биометрических и температурных параметров вымени коров.
  Научная новизна работы заключается в получении, с помощью спектральных технологий, физических закономерностей, моделей и алгоритмов определения 26 биометрических, 4 термографических параметров и 3 физиологических статусов вымени и сосков лактирующих животных, позволяющих осуществлять роботизированное доение, бесконтактную бонитировку, раннюю диагностику маститов, а также  прогнозирование (при заболевании) снижения удоя и скорости молокоотдачи у  лактирующих животных. Теоретическая и практическая значимость заключается в полученных, на основе спектральных технологий, физических закономерностей, моделей и алгоритмом определения 26 биометрических, 4 термографических параметров, 3 физиологических статусов вымени и сосков лактирующих животных, позволяющих осуществлять роботизированное доение, бонитировку, профилактику маститов и прогнозирование (при заболевании) снижения удоя и скорости молокоотдачи у лактирующих животных. В обосновании параметров (высота, расстояние до объекта, угол атаки) оптического модуля на роботизированном манипуляторе, учитывающих апертурные углы 3D TOF камеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях, отсутствие касание пола нижней точкой манипулятора, полный обзор вымени и четырех сосков без перекрытия и наложения изображений. В разработанной методике обнаружения сверточной нейронной сетью сосков вымени на трехмерных картах, которая обучена в совокупности на 6 тысячах снимков вымени и сосков живых коров, позволяющей проводить эффективное распознавание границ (идентификацию) всех 4-х сосков с допустимой погрешностью не более 10%. В разработанной методике и проведенном термографическом исследовании, позволяющим выявить границы нормальных температур поверхности вымени коровы в пределах 32 ℃   36 ℃ и критический диапазон в 36,1 ℃   38,3 ℃, характеризующий начало заболевания маститом. Определено влияние температур поверхности вымени внутри выявленных диапазонов на удой и скорость молокоотдачи, где в диапазоне температур 36,1 ℃   38,3 ℃ корова имеет статус «субклинический мастит» с потерями удоя в среднем 35,5% и среднем снижении скорости молокоотдачи на 37,5%. В диапазоне температур 38,3 ℃   39 ℃ корова имеет статус «клинический мастит» с потерей удоя в среднем 72% и снижением скорости молокоотдачи на 75%.
  В возможности применения разработанного оптического модуля (3D TOF камера и тепловизор) для практического использования в составе доильных роботов, автоматических селекционных ворот, бонитировочных станков и другого оборудования для зооветеринарного обслуживания лактирующих животных.
  Методология и методы исследования. Научные исследования проводились с использованием методов математического моделирования, обработки изображений с помощью сверточной нейронной сети, трехмерного моделирования в системах автоматизированного проектирования КОМПАС-3D, SolidWorks. Обработка экспериментальных и графических данных выполнена с использованием компьютерных программ: Microsoft Excel, штатного и самостоятельно разработанного программного обеспечения на базе Matlab. В работе использована современная исследовательская оптическая и лазерная аппаратура: TOF камера, тепловизор, лазерные нивелиры, электронные уровни и др. Для распознавания биологических объектов использовались современные решения на базе сверхточных нейронных сетей, обученных как на трехмерных картах искусственного вымени, так и на натурных данных.
  Положения, выносимые на защиту:
  1) Обоснованы рациональные параметры (высота, расстояние до объекта, угол атаки) оптического модуля на роботизированном манипуляторе, учитывающие апертурные углы 3D TOF - камеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях, отсутствие касание пола нижней точкой манипулятора, полный обзор вымени и четырех сосков без перекрытия и наложения изображений. 
  2) Предложен метод поиска скопления точек в пространстве с помощью 3D TOF камеры, позволяющий эффективно определять в трехмерных картах границы интереса, область расположения сосков с фильтрованием артефактов и постороннее тепловое излучение. 
  3) Разработана математическая модель и методика определения 26 физиологических параметров вымени и сосков лактирующих животных, дающая информацию об их длине, диаметре, углах наклона, местоположении кончиков сосков в пространстве, диагональных и боковых расстояниях между ними с погрешностью не более 7%.
  4) Разработаны режимы и алгоритмы работы оптического модуля при определении границ сосков на трехмерных картах и температуры вымени и сосков на термограммах, при скорости входящих карт до 5 карт за 1 секунду.
  Апробация работы - основные материалы диссертации были представлены на различных международных научно-технических конференциях.
  Публикации. Соискателем за время работы опубликовано 23 печатные работы, в том числе в рецензируемых изданиях 21 публикация, из которых 13 статей в российских журналах, включенных в текущий перечень ВАК РФ, 1 статья в журнале, входящих в международные базы данных, получен 1 патент РФ на изобретение, 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ. 
  Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, пяти приложений. Работа изложена на 170 страницах печатного текста, содержит 40 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 86 наименований и источников литературы.
  Работа выполнена при поддержке гранта Министерства науки высшего образования Российской Федерации на крупные научные проекты по приоритетным направлениям научного-технического развития (грант № 075-15-2020-774).
chairman_dissertation_council.name: Валентин
chairman_dissertation_council.surname: Лялякин
chairman_dissertation_council.patronymic: Павлович
chairman_dissertation_council.position: Главный специалист
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: "-"
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7801670445
chairman_dissertation_council.rinc_id: 174162
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Александр
organization_supervisor.surname: Соколов
organization_supervisor.patronymic: Вячеславович
organization_supervisor.position: Ведущий научный сотрудник
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 68.85.39
rubrics.name: Механизация и электрификация в животноводстве
oecds.code: 02.11.IF
oecds.name: ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY
speciality_codes.name: Технологии и средства механизации сельского хозяйства
speciality_codes.code: 05.20.01
supervisors.fio: Кирсанов В.В.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Технологии и средства механизации сельского хозяйства
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Соловьева О.И.
opponents.scientific_degree: Доктор сельскохозяйственных наук
opponents.speciality_code: Разведение, селекция и генетика сельскохозяйственных животных
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Тареева О.А.
opponents.scientific_degree: Кандидат технических наук
opponents.speciality_code: Технологии и средства механизации сельского хозяйства
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР ВИМ"
protection_organization.ogrn: 1037739771827
protection_organization.supervisor_name: АНДРЕЙ
protection_organization.supervisor_surname: ИЗМАЙЛОВ
protection_organization.supervisor_patronymic: ЮРЬЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР ВИМ"
author_organization.ogrn: 1037739771827
author_organization.supervisor_name: АНДРЕЙ
author_organization.supervisor_surname: ИЗМАЙЛОВ
author_organization.supervisor_patronymic: ЮРЬЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения