Эффективность болюсов и ошейников с акселерометрами в мониторинге двигательной активности коров молочного стада
Современные технологии точного животноводства требуют комплексного подхода к мониторингу поведения животных. Особый интерес представляет сравнительный анализ различных типов сенсорных устройств, каждый из которых обладает уникальными преимуществами для регистрации поведенческих паттернов.
В данном контексте особую актуальность приобретает вопрос о том, насколько эффективно носимые и имплантируемые системы справляются с задачей классификации ключевых видов активности у молочных коров и какие перспективы открывает их комбинированное использование.
В Российской Федерации в области АПК существует значительный потенциал развития сельского хозяйства, раскрытие которого возможно произвести, используя инструменты повышения эффективности аграрного производства путем создания и внедрения средств автоматизации, цифровых технологий и искусственного интеллекта. Развитие АПК в настоящее время имеет тренд в направлении использования и внедрения цифровых и интеллектуальных технологий. Внедрение интернет вещей, автоматизированных систем мониторинга и точного животноводства способно повысить продуктивность отрасли, сократив при этом трудозатраты.
Точное животноводство (Precision Livestock Farming, PLF) изменило подходы к управлению молочным животноводством, внедрив технологии реального времени для мониторинга поведения, здоровья и продуктивности животных. Акселерометры, интегрированные в носимые (ошейники) и имплантируемые (болюсы) устройства, являются ключевыми инструментами для отслеживания активности, жвачки и физиологических параметров. Ошейники регистрируют движения головы и шеи, что делает их эффективными для анализа внешнего поведения, такого как кормление и передвижение. Болюсы, размещенные в сетке (в 1 из 4 камер желудка КРС), специализируются на мониторинге внутренних процессов, таких как жвачка и частота сокращения рубца, а также физиологических показателей (рН, температура).
Цифровые двойники (виртуальные модели животных, основанные на данных с датчиков) становятся важным инструментом в PLF. Цифровой двойник коровы объединяет данные об активности, физиологии и продуктивности, позволяя прогнозировать здоровье, оптимизировать кормление и улучшать управление стадом. Например, данные с ошейников и болюсов могут формировать цифровую модель, которая в реальном времени отражает состояние коровы, включая раннее выявление заболеваний или половой охоты. Такие технологии повышают эффективность ферм и снижают затраты. Однако для создания точных цифровых двойников необходимы надежные данные, что подчеркивает важность сравнения сенсорных устройств.
Обзор литературы демонстрирует разнообразие исследований, посвященных технологиям, включающим в себя датчик для измерения активности. Биккер и др. (2014 г.) изучали ушные датчики с акселерометрами, показав точность 88% в определении поведения коров в процессе их кормления. Зенер и др. (2017 г.) оценили болюсы для мониторинга жвачки, достигнув точности 95% в сравнении с визуальным наблюдением.
Ошейники, такие как SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль), применяются для обнаружения эструса с точностью до 90% [5]. Болюсы, такие как smaXtec (smaXtec animal care technology GmbH, Австрия), обеспечивают раннюю диагностику метаболических нарушений с чувствительностью до 92%.
Сравнительные исследования ошейников и болюсов ограничены. Рейтер и др. (2018 г.) сравнивали ошейники Afiflex (Afimilk, Израиль) и болюсы Moonsyst (Moonsyst, Франция), обнаружив, что ошейники лучше определяют передвижение (93%), а болюсы — жвачку (96%) [10]. Васкес Диосдадо и др. (2015 г.) исследовали ошейники CowManager (CowManager BV, Нидерланды) и болюсы smaXtec (smaXtec animal care technology GmbH, Австрия), отметив, что комбинированное использование повышает точность мониторинга эструса на 12%.
Исследователи, такие как Мутауакиль и др. (2024 г.), сосредоточены на ошейниках, достигая точности 92% в классификации поведения, но не рассматривают болюсы. Смит и др. (2023 г.) сравнивали ошейники SCR (Milkline, Израиль) и болюсы BolusTech (BolusTech LLC, США), подчеркивая преимущества болюсов в диагностике метаболических нарушений (90% чувствительность). Эти данные указывают на необходимость дальнейших исследований комплементарности устройств.
Цели исследования — сравнить точность мониторинга поведенческих активностей молочных коров с помощью ошейника SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) и болюса «Здоровье животных» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Россия), разработанный в Агроинженерном центре ВИМ по четырем параметрам: кормлению, жвачке, ходьбе и отдыху, оценить потенциал интеграции данных с обоих устройств для разработки комплексной системы мониторинга поведения КРС.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили с соблюдением международных этических стандартов работы с сельскохозяйственными животными. Все процедуры одобрены Этическим комитетом Федерального научного агроинженерного центра ВИМ.
Эксперимент проводили с декабря 2024 года по март 2025-го на животноводческой ферме Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ, Краснодарский край, Россия) с участием 10 коров голштинской породы (5 голов 1-й лактации, 5 коров 2-й лактации; период раздоя — 15–105 дней лактации со средней продуктивностью 32 кг/день).
Коров доили 3 раза в день — в 06:00, 14:00, 22:00.
Все коровы имели одинаковый физиологический статус, содержались в одной группе и получали унифицированный рацион, сбалансированный по питательным веществам для лактирующих коров, чтобы минимизировать вариабельность условий. Каждая корова была оснащена ошейником SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) с трехосевым акселерометром (частота сбора данных 10 Гц, рабочая частота RFID 134,2 кГц) для регистрации движений головы и рубцовым болюсом «Здоровье коров» (Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Россия) с трехосевым акселерометром, датчиками температуры и рН (частота сбора данных 10 Гц, передача данных на 868 МГц, что обеспечивает устойчивую связь на расстоянии до 300 м) для мониторинга жвачки и моторики рубца.
Для оснащения животных ошейники надевали на шею (рис. 1а) с учетом комфорта, а болюсы вводили в рубец (рис. 1б) с помощью специального аппликатора под ветеринарным контролем.
Поведение исследуемых коров (кормление, жвачку, ходьбу, отдых) фиксировали персоналом 10 часов в сутки (08:00 — 18:00) для создания эталонного набора данных.
Данные с ошейников SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) и болюсов «Здоровье коров» (Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Россия) записывали в течение 120 дней, что соответствует сервис-периоду.
Срок эксплуатации болюсов «Здоровье коров» составляет не менее 4 лет, 180 дней из них — с фиксацией pH содержимого рубца.
После установки устройств данные передавали на локальный сервер фермы, где происходила предварительная обработка: синхронизация временных меток, фильтрация шумов и сегментация сигналов по активности животных.
Важным аспектом практического применения является интеграция данных. Отечественные болюсы «Здоровье коров» поддерживают экспорт в CSV/JSON-форматах и автоматическую синхронизацию с программами управления стадом других производителей.
Для классификации поведенческих паттернов использовали алгоритм случайного леса (Random Forest, библиотека scikit-learn). В качестве признаков применяли среднее ускорение по осям, стандартное отклонение, частотные маркеры.
Эффективность классификации оценивали по точности, прецизионности, полноте и F1-оценке с 10-кратной перекрестной проверкой.
Точность классификации паттернов поведения рассчитывали как:
Статистические различия между устройствами оценивали с помощью парного t-теста (p < 0,05).
Результаты и обсуждение
В ходе исследования была выявлена значимая согласованность результатов измерений двигательной активности между болюсом и ошейником. Для достоверной верификации согласованности случайным образом были выбраны суточные периоды измерений в декабре, январе и феврале, для которых проведено оценочное сравнение результатов измерений. Ввиду различий в шкалах результатов устройств показатели сравнивали по признаку одновременного повышения или понижения полученных результатов в один момент времени.
На представленной графической интерпретации отчетливо видно, что оба устройства в большинстве случаев одновременно выявляют периоды высокой активности коров (рис. 2).
Данные (табл. 1) обобщают точность классификации для каждого устройства. Ошейник SCR Heatime показал более высокую точность при кормлении (95,1%) и ходьбе (93,8%), но меньшую (89,4%) — при жвачке. Болюс «Здоровье коров» превосходил в определении жвачки (97,8%), но был менее точен при кормлении (87,2%) и ходьбе (85,6%). Для отдыха оба устройства показали схожую точность (92,5% против 93,0%).
Комбинирование данных с обоих устройств значительно повысило общую точность до 98,1% (p < 0,01). Парный t-тест подтвердил значимые различия в точности для кормления (p = 0,002) и жвачки (p < 0,001) между устройствами.
Для оценки индивидуальной вариабельности таблица 2 представляет средние значения точности классификации по каждой корове. Данные агрегированы по всем типам поведения.
Данные (табл. 2) демонстрируют индивидуальные различия в эффективности устройства для каждой из 10 голов коров. Ошейники в среднем показали немного более высокую точность (94,2%), чем болюсы (92,7%), с разницей от +0,4% до 3,1% у большинства животных. Однако у коровы № 3 болюс оказался точнее — на 0,5%, что указывает на вариабельность в зависимости от индивидуальных особенностей животных.
В таблице 3 представлены данные точности выявления половой охоты. Ошейники показали точность 88,5%, болюсы — 85,2%, а комбинированный подход достиг 97,0%.
Рисунок 3 представляет гистограмму, сравнивающую точность классификации для каждого поведения. Ошейники превосходят болюсы для кормления и ходьбы, тогда как болюсы лидируют для жвачки. Как видно из рисунка 3, дифференцированная эффективность устройств имеет четкое физиологическое обоснование.
Преимущество ошейников в регистрации кормления (95,1% против 87,2%) обосновывается их способностью точно фиксировать характерные движения головы, в то время как болюсы, находясь в рубце, не всегда адекватно реагируют на активность шеи. Однако при мониторинге жвачки болюс демонстрирует достаточно высокую точность (97,8%), так как непосредственно регистрирует сокращения рубца, тогда как ошейник вынужден анализировать вторичные проявления данного процесса.
Рисунок 4 показывает гистограмму общей точности классификации и точности выявления половой охоты. Комбинированный подход демонстрирует значительное преимущество.
В ходе исследования было установлено, что комбинированное использование ошейников с акселерометрами и рубцовых болюсов обеспечивает статистически значимое (p < 0,01) повышение точности мониторинга поведения крупного рогатого скота. Наибольшая эффективность была достигнута при определении половой охоты, где комбинированный метод показал точность 97,0%, что на 11,8% превышает результаты болюсов (85,2%), на 8,7% — ошейников (88,5%).
Общая точность классификации поведения при совместном использовании устройств составила 98,1%, демонстрируя их взаимодополняемость: ошейники лучше регистрировали внешнюю активность (кормление — 95,1%, ходьба — 93,8%), тогда как болюсы превосходили в мониторинге жвачки (97,8%). Полученные данные подтверждают, что дифференцированный выбор сенсорных устройств в зависимости от задач мониторинга позволяет достичь максимальной эффективности, а их комбинированное применение формирует основу для развития интеллектуальных систем управления стадом. Результаты устойчивы к погрешностям, что подтверждается высокой воспроизводимостью данных и статистической значимостью различий (p < 0,01).
Результаты исследования подтверждают гипотезу, что ошейники более точны для внешних поведений (кормления, ходьбы), тогда как болюсы превосходят в мониторинге жвачки, что согласуется с данными Перейра и др. (2021 г.) и Мутауакиль и др. (2024 г.) [5, 13]. Размещение болюса smaXtec smaXtec animal care technology GmbH, Австрия) в рубце обеспечивает точное определение жвачки, что подтверждается исследованиями Чжан и др. (2024 г.) и Хайнал и др. (2022 г.).
Сравнительные исследования других авторов подкрепляют данные выводы. Рейтер и др. (2018 г.) сравнивали ошейники Afiflex (Afimilk, Израиль) и болюсы Moonsyst (Moonsyst, Франция), обнаружив, что ошейники достигли точности 93% для передвижения, а болюсы — 96% для жвачки.
Васкес Диосдадо и др. (2015 г.) исследовали CowManager (CowManager BV, Нидерланды) и болюсы smaXtec (smaXtec animal care technology GmbH, Австрия), отметив, что ошейники лучше фиксируют активность (92% точности), а болюсы — жвачку (95%). Их комбинированный подход повысил точность мониторинга эструса на 12%, что близко к нашим 10% улучшения.
Ловатти и др. (2024 г.) сравнивали ошейники SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) и болюсы BolusTech (BolusTech LLC, США), показав, что болюсы превосходят в диагностике метаболических нарушений (чувствительность 90%), но уступают в определении кормления (85%).
Дополнительные исследования подтверждают комплементарность устройств. Биккер и др. (2014 г.) показали, что ушные датчики достигают точности 88% для кормления, но уступают болюсам в мониторинге жвачки. Борхерс и др. (2016 г.) отметили, что болюсы обеспечивают точность 95% для жвачки, но менее эффективны для внешних поведений.
Комбинированный подход, как в настоящем исследовании, поддерживают Рейтер и др. (2018 г.), где сенсорное слияние повысило общую точность на 8%. Комбинированный подход значительно повысил точность мониторинга, демонстрируя синергию между внутрирубцовыми болюсами и ошейниками типа Heatime. Стоимость болюсной системы составляет около 18 тыс. рублей на одну голову, а ошейников Heatime — примерно 3500 рублей за одну голову.
Как подтверждают результаты испытаний, система на основе болюсов окупается менее чем за год благодаря снижению потерь от заболеваний (на 30–40%) и повышению продуктивности стада (на 15–20%).
Исследования Рейтер и др. (2018 г.) подтверждают, что методы сенсорного слияния способны минимизировать сложности интеграции данных с разных устройств. Это открывает перспективы для создания комплексной системы мониторинга, объединяющей преимущества болюсов (контроль pH и температуры рубца) и ошейников (фиксация двигательной активности). Такой подход полностью соответствует ключевой цели проекта по разработке универсального решения для животноводства.
Результаты, полученные на экспериментальной ферме КубГАУ, доказали эффективность системы для голштинских коров первых двух лактаций. Однако для подтверждения универсальности технологии требуются дополнительные испытания с другими породами, такими как симментальская или айрширская, а также в различных условиях содержания. Эти работы станут следующим этапом развития технологии.
Экономическая эффективность системы подтверждена полевыми испытаниями в хозяйствах ООО «Каштановка» и ООО «Имени Тимирязева.
Выводы
Комбинированное использование ошейников с акселерометрами и рубцовых болюсов демонстрирует значительное преимущество в мониторинге поведения крупного рогатого скота по сравнению с раздельным применением этих устройств. Максимальная точность классификации (98,1%) достигается при интеграции данных обоих сенсоров, что подчеркивает взаимодополняемость.
Использование ошейников в эксперименте наиболее эффективно для регистрации внешних поведенческих паттернов (кормление — 95,1%, ходьба — 93,8%), тогда как болюсы превосходят их в мониторинге жвачки (97,8%). Это подтверждает важность выбора устройства в зависимости от целевых показателей.
Результаты данного исследования подтверждают, что дифференцированный выбор сенсорных устройств в зависимости от задач мониторинга (внешняя активность и внутренние физиологические процессы) позволяет достичь максимальной эффективности, а их комбинированное применение формирует основу для развития интеллектуальных систем управления стадом.
Об авторах
Фёдор Евгеньевич Владимиров, кандидат технических наук, научный сотрудник
fvladimirov21@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-2480-5754
Артeм Рустамович Хакимов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
arty.hv@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-4332-9274
Сергей Сергеевич Юрочка, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
yssvim@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-2511-7526
Дмитрий Юрьевич Павкин, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
dimqaqa@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-8769-8365
Савр Олегович Базаев, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник
sbazaeff@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-3028-5081
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия
УДК 631.171
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-397-08-129-135
