專題分享

氣候變遷下的酪農飼養與管理策略(下)

乳牛畜舍環境改善與智慧化監控管理

農業科專服務小組/陳俞瑾 專案經理

乳牛發生熱緊迫對生乳產業帶來重大損失,研究顯示,熱緊迫會導致牛隻產乳量下降約30%,而其亦造成美國乳產業每年減少約8-15億美元收益。而目前產業界普遍認為最有效舒緩乳牛熱緊迫之方法應屬牛舍管理,傳統方式除調整餵料時間、降低牛隻飼養密度外,大多數牧場透過裝設風扇、噴霧灑水設備、遮蔭設施等方式,來避免牛隻發生熱緊迫,而隨著科技發展越趨成熟,搭配智慧化遠端監控設備技術,更可有效達到降低、預防熱緊迫之效果。本文將針對牛舍降溫設施調控與智慧化監控技術進行介紹。

散熱風扇性能優化

混流式風扇(Mixed-flow fans, MFFs),又稱為斜流式風扇,為一種廣泛裝設於開放式牛舍之風扇設備,主要提供足夠之空氣流動交換,以降低牛隻體溫。Yao等人(2019)開發出一項新型散流器(圖1),其氣流通量與能源效率表現較傳統式風扇佳,惟散流器之仰角設定對混流式風扇之表現效果與如何改善於實際場域運轉之風扇表現尚無完整試驗數據,研究團隊利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)模擬試驗風扇於牛舍之運作,以優化散流器性能參數,提高混流式風扇運作效能。

圖1、混流型風扇示意圖。(1)風扇模型,L為長度、α為仰角、θ為開合角;

(2)風扇試驗場域裝設圖,左為增設散流器,右為無裝設散流器。

(Yao et al., 2019)

CFD模擬試驗將分析散流器長度(250毫米、350毫米、450毫米)、開合角(150°、180°、210°)及仰角(5°、10°、15°)三項參數,模擬數值顯示,各因素間並無顯著交互作用。當以風速範圍(風扇中心至 2 m/s 等值面末端之水平距離)為評估指標時,散流器以長度250毫米、開合角150°、仰角10°具有最佳表現(圖2),可提高0.5 m射流長度、0.69 %氣體流動通量及1.39 %能源效率,且對牛隻個體高度有較佳之不均勻係數,也顯示其氣流均勻性較為平均;後續也以此優化設定之散流器進行現地場域試驗,結果顯示處理組可提升9.4%平均風速,牛隻體溫、直腸溫度、呼吸頻率均較控制組略低,但兩者間無顯著差異。而有別於一般熱緊迫試驗方法,除透過環境條件(溫度、相對濕度)與牛隻生理反應(呼吸頻率、直腸溫度等)進行整合評估牛隻熱緊迫程度外,本實驗也於CFD模擬結果基礎下計算牛隻之等效溫度指數( Effective Temperature Index of Cattle, ETIC),將空氣流動速度等環境變量納入熱緊迫程度計算過程中,其模擬結果應更能符合實際環境。

圖2、散流器參數與風速範圍關聯分析。(Yao et al., 2019)

灑水系統間歇運作調控

在眾多幫助乳牛降溫措施中,灑水為最常見之使用方式,藉由液態水轉為氣態水之型態變化,消耗熱能達到散熱效果。但長時間灑水造成牛舍泥濘,易導致牛隻躺臥引發乳房炎,或長期站立產生跛足等健康問題。因此,Tresoldi等人(2018)研究灑水系統之策略性使用,針對灑水量、開關頻率進行變數控制,並評估所設計4種噴灑策略之降溫效果(表1),期望可建立一套降溫效益較佳之使用模式,於能源消耗、管理成本及動物福祉間達成較妥適之平衡。

試驗控制組僅以遮蔭進行降溫,處理組則依灑水策略分為4組。經灑水處理45分鐘後,可至少降低牛隻體溫0.3℃;變數分析結果顯示,灑水開啟時間越長或是關閉時間相對較短(即開啟3分鐘/關閉6分鐘)時,牛隻降溫最有效率。當關閉時間相同時,灑水開啟3分鐘具降低體溫(0.1℃)與腿部溫度(0.2℃)顯著效果;而當固定開啟時間時,灑水關閉時間設定3或6分鐘均有減少牛隻呼吸頻率(7次/分鐘)之趨勢。綜上,使用相同水量進行間歇性灑水45分鐘時,增加灑水開啟或是減少關閉頻率,可有效減緩牛隻熱緊迫反應。而無論是採用44或74公升水流量,皆具有使乳牛降溫之效果,這也顯示牧場管理可藉由調整噴灑時長來改善牛隻降溫與用水效率。

表1、4種灑水策略之設定參數(開關頻率、循環數及用水量)。

(Tresoldi et al., 2018。本研究整理)

此外,動物面臨環境變化首要反應即是改變行為模式,Corazzin等人(2021)研究灑水降溫系統對泌乳後期乳牛熱緊迫與採食行為影響,於牛隻口鼻部安裝鼻羈壓力感測器,偵測牛隻進食時間、反芻次數、咀嚼次數、反芻食團數及反芻強度等採食行為。經灑水處理後(每間隔10分鐘灑水30秒),可顯著提高牛隻乾物採食量(高於控制組20%)、反芻與進食時間、咀嚼次數及反芻強度,並提升14%脂肪校正乳量。綜上,輕度熱緊迫會對牛隻採食行為產生一定程度之影響,而灑水降溫系統有效改善受熱緊迫牛隻採食反應,亦再次證實灑水策略可有效協助牛隻降溫,並維持一定水準之生產表現。

智慧化監控預防與改善

1.瘤胃感測器調控降溫系統運作

現今牧場亦發展綜合管理方式,結合上述風扇與灑水降溫措施,並導入智慧化監控技術。以往普遍透過現場觀察牛隻群體狀況,以擬定後續管理決策,而隨著科技發展,酪農管理方式亦有新方式突破。目前多數降溫系統係依據環境溫度與濕度等氣候因子,而非監控動物個體,因而多採用固定排程方式運作。Levit等人(2020)利用體內瘤胃感測器(bolus),即時監控牛隻個體溫度、酸鹼值等生理狀態,提出以牛隻體內溫度感測技術為背景之動態降溫系統,當體內感測達熱緊迫狀態時啟動並調整降溫措施,使牛隻體溫控制不高於39℃。試驗對象為30頭荷蘭牛,控制組(TB)使用預先設定時間排程之降溫系統,處理組(SB)則使用瘤胃感測器調整降溫系統,並且每周依瘤胃感測器紀錄數據分析牛隻狀況;而為避免瘤胃內部發酵溫度與飲水影響感測,透過內建演算法,可排除飲水時蒐集之數據,並將瘤胃發酵溫度與牛隻陰道溫度進行關聯性計算,以確實呈現瘤胃內部溫度。

試驗牛舍裝設獨立餵飼系統,可記錄牛隻探訪頻率、探訪持續時間、日/夜間採食及整日總有效採食時間與採食量。結果顯示,兩組產乳量相似,但處理組有較高之乳脂肪、乳蛋白、能量校正乳量及脂肪校正乳量,且處理組別亦有較高之乾物採食量,其每日探訪飼料槽頻率較低、停留時間較長,由酸鹼值數值也可推測處理組之瘤胃發酵時間較長;另處理組處於熱緊迫持續時間亦顯著少於控制組(表2)。由此可知,以瘤胃感測器數據進行牛隻個體狀況即時分析為較創新之作法,可有效率調控降溫系統,即時觀察並舒緩高產乳牛之熱緊迫壓力。

表2、比較每周牛隻平均體溫高於39℃(處於熱緊迫)持續時間(時/天)。

(Levit et al., 2020)

2.牛隻飲水行為影像偵測

除了動物體內生理狀態外,也能透過牛隻外部活動監測來評估牛隻受熱緊迫影響程度。Tsai等人(2020)開發具適當成本效益之嵌入式影像系統,可監測牛隻飲水行為,並同時藉由內部感測模組連續紀錄環境溫度與濕度。試驗於實驗牛場裝設此系統,並將影像模組安裝於飲水槽上方,透過其深度學習卷積神經網絡(convolutional neural network, CNN)模型對影片串流畫面進行頭部偵測辨識(圖3),以觀察分析牛隻飲水時間與頻率,該模型於開發訓練階段藉由使用大量圖片資訊進行圖像擴增學習,以提高辨識速度。

圖3、學習模組偵測牛隻頭部視覺化熱區圖(heat map)與攝影圖像辨識框線對照。

(Tsai et al., 2020)

經比較系統辨識與人工計數結果,牛隻頭部偵測演算法之平均偵測F1-score(註一)達0.987,且環境光線變異不影響偵測正確性,僅於環境過於黑暗且牛隻表皮均為黑色時會產生極少量偵測誤差,顯示牛隻飲水行為量化之有效性。而全年度數據分析顯示,牛隻飲水時長中位數為1.4分鐘/次、飲水頻率中位數為2.4次/天,且不同飲水槽間存在行為差異,經觀察與牛群強勢個體有關,另將飲水行為進行季節性比較,牛隻在熱季之飲水頻率較非熱季高;而有關飲水行為與熱緊迫程度之關聯性分析中,平均飲水時長與環境溫溼度指數(THI)值68-93時呈現指數關係,平均每日頻率則與THI值68-90時呈現線性關係(圖4)。以上結果也顯示,牛隻每日飲水行為與熱緊迫程度間有密切關聯性,而飲水時長與頻率可做為牧場管理熱緊迫預警之有效性指標,且考量自動偵測辨識系統與資料分析結果之一致性,此影像辨識系統可做為牛隻飲水行為自動偵測與量化評估之一種新穎方法。

圖4、飲水行為與THI指數關聯性分析。(Tsai et al., 2020)

3.牛隻健康智慧化管理

除了開發上述牛隻飲水行為辨識系統外,國立臺灣大學動物科學技術學系徐濟泰教授與生物產業機電工程學系林達德教授進行團隊跨域合作,於106-108年度執行行政院農業委員會學界科專「乳牛熱緊迫健康監測智慧化管理系統研發」計畫,整合乳牛活動模式如採食行為偵測等活動訊號及影像資訊,可進行環境監測警示、牛隻活動量分析與健康管理、遠端自動化即時操控等功能,智慧化管理系統亦可即時記錄與進行數據判讀,透過牛隻行為與THI之關聯性,當處於熱緊迫牛隻比例超過設定值時,系統自動發布警訊通知牧場管理人員遠端操控降溫設備(風扇、灑水等)運作;且於現地試驗期間,配合牧場牛隻夏季產乳量亦無下降之情形。目前相關技術也已技轉數家資服業者,落實技術擴散應用,期可透過智慧化管理模式,提升牧場管理效能。

結語

熱緊迫為全球性現象,臺灣乳牛因地理環境常處於熱緊迫狀態,導致生產與繁殖效率降低,加上生乳價格係採用涼、暖、熱三季計價,其中以熱季乳價最優,在夏季熱緊迫狀態下會降低牛隻採食量進而直接影響減少產乳量,因此如何於熱季時改善乳產量並維持牛隻生理健康,對酪農來說是重大考驗。傳統經濟動物產業多仰賴大量人力管理,考量目前全球正受到嚴重疫情影響,產生人力短缺等問題,因此若部分牧場管理工作可由機器自動作操作取代,減少人力成本,透過智慧化管理方式改善,於夏季成功減緩乳牛熱緊迫情形,維持甚至提高牛乳產量,將會是酪農產業一項重大進展。

註一:F1-score是一種用來辨別機器學習模型正確性的指標,計算過程包含準確率(Precision)與召回率(Recall),其值越趨近於1,代表精確度越高。

 

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