Мониторинг pH и руминации для оптимизации кормления молочных коров: сравнительный анализ болюсов и ошейников с акселерометрами
Современное молочное животноводство активно использует технологии точного животноводства (Precision Livestock Farming, PLF) для повышения продуктивности, оптимизации управления стадом и минимизации экономических и экологических затрат. PLF включает автоматизированные системы мониторинга, которые собирают данные о физиологических и поведенческих параметрах животных в реальном времени, обеспечивая раннюю диагностику нарушений и корректировку производственных процессов.
Современный агропромышленный комплекс России обладает значительными резервами для повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Для реализации этого потенциала необходима системная модернизация технологической базы, предполагающая внедрение автоматизированных систем управления производственными процессами, цифровых платформ для мониторинга и анализа данных, интеллектуальных систем поддержки принятия решений на основе методов искусственного интеллекта.
Как показывают исследования, наблюдаемая трансформация АПК сопровождается последовательной цифровизацией основных производственных процессов и внедрением интеллектуальных систем поддержки принятия решений.
Одним из ключевых аспектов является контроль кормления и рационов, напрямую влияющих на здоровье рубца, продуктивность и общее благополучие коров.
Нарушения кислотно-щелочного баланса рубца, такие как субклинический ацидоз рубца (далее — СКАР), вызванные несбалансированными рационами с высоким содержанием концентратов, могут снижать надои и повышать риск метаболических заболеваний.
Для мониторинга состояния коров применяются различные устройства. Ошейники, такие как SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль), оснащенные трехосевыми акселерометрами, эффективно отслеживают руминацию и двигательную активность. Данные о времени и интенсивности руминации коррелируют с потреблением сухого вещества и качеством корма, что позволяет оптимизировать состав рационов и выявлять отклонения в поведении. Рубцовые болюсы (например, «Агробиотест», Россия) измеряют pH, температуру и моторику рубца, предоставляя уникальную информацию о состоянии пищеварительной системы. К примеру, снижение pH ниже 5,8 указывает на риск СКАР, что требует немедленной корректировки рациона. В отличие от ошейников, болюсы обеспечивают прямой мониторинг внутренней среды, что делает их незаменимыми для диагностики метаболических нарушений.
Несмотря на широкое применение этих технологий, их сравнительная эффективность и потенциал интеграции остаются недостаточно изученными. Ошейники и болюсы имеют разные принципы действия и точки приложения: первые фокусируются на внешнем поведении, вторые — на физиологических процессах.
Комбинированный подход, объединяющий данные руминации и pH, может повысить точность диагностики и способствовать созданию цифровых двойников — виртуальных моделей животных, интегрирующих многопараметрические данные для прогнозирования здоровья и продуктивности. Такие модели, основанные на алгоритмах машинного обучения, позволяют фермерам принимать обоснованные решения, минимизируя риски и повышая эффективность производства.
Цифровые двойники животных представляют собой динамические модели, которые обновляются в реальном времени на основе данных от систем мониторинга, таких как ошейники и болюсы. Эти устройства собирают информацию о руминации, pH рубца, температуре и двигательной активности, создавая основу для построения виртуальных копий. Например, данные о снижении pH ниже 5,8, зафиксированные болюсом, могут быть использованы для моделирования риска СКАР, а информация о руминации от ошейника помогает прогнозировать потребление корма и корректировать рационы. Интеграция этих данных через машинное обучение позволяет создавать точные цифровые копии, которые отражают физиологическое состояние животного, предсказывают потенциальные проблемы и предлагают оптимальные решения для управления стадом.
Такой подход открывает новые возможности для автоматизации и повышения эффективности молочного производства.
Цели исследования — оценка эффективности ошейников и рубцовых болюсов в контроле кормления, изучение корреляции между руминацией и pH, а также разработка рекомендаций по интеграции данных для управления стадом.
Материалы и методы исследования
Эксперимент проводили на 10 коровах голштинской породы (1–2-й лактаций, средняя продуктивность 32 кг/день) с декабря 2024 г. по март 2025 г. на животноводческой ферме Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ, Краснодарский край, Россия).
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. Все процедуры, связанные с использованием животных в исследовании, были одобрены Этической комиссией Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, г. Москва, Россия).
Исследование проводили в соответствии с международными нормами и руководящими принципами обращения с сельскохозяйственными животными.
Для оценки влияния разных типов рационов применяли: 1) высококонцентрированный рацион (60% концентратов); 2) высоковолокнистый рацион (30% концентратов) и 3) базовый (контрольный) рацион (40% концентратов).
Каждая корова была оснащена ошейником SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) с трехосевым акселерометром (частота дискредитации 10 Гц, RFID 134,2 кГц, беспроводная связь 2,4 ГГц) для регистрации движений головы и рубцовым болюсом «Агробиотест» (ООО «Агробиотест», Россия) с трехосевым акселерометром, датчиками температуры и рН (частота сбора данных 10 Гц, передача данных на 868 МГц) для мониторинга жвачки и моторики рубца.
Для оснащения животных ошейники надевали на шею (рис. 1а) с учетом комфорта коров, а болюсы вводили в рубец (рис. 1б) с помощью специального аппликатора под ветеринарным контролем.
Болюсы «Агробиотест» калибровались перед установкой с использованием буферных растворов pH 4,0 и 7,0 (рис. 2а), а также эталонного термометра для температуры. Для проверки точности измерения pH использовали эталонный pH-метр OHAUS Aquasearcher AB23PH-F, Ohaus Corp., США (рис. 2б).
Погрешность измерения pH составляет ±0,2 до 90 дней эксплуатации и ± 0,4 до 150 дней эксплуатации. Ошейники SCR Heatime не требовали дополнительной калибровки в ходе эксперимента, так как их акселерометр калибруется производителем. Конструкция болюса разработана таким образом, чтобы предотвратить засорение датчика pH кормовыми массами в желудке, обеспечивая высокую точность измерений.
Эталонные данные с ошейников, а также данные с болюсов собирали непрерывно, синхронизировали по временным меткам с учетом часовых интервалов. Поведение животных (руминацию, кормление, отдых) наблюдал персонал в течение 10 часов ежедневно (с 08:00 до 18:00) на протяжении 120 дней для создания эталонного набора данных, что соответствует сервис-периоду. После того как устройства были установлены, данные с них передавали на локальный сервер фермы, где происходила предварительная обработка данных: синхронизация временных меток, фильтрация шумов и сегментация сигналов. Болюсы «ООО “Агробиотест”» поддерживают автоматическую синхронизацию с программами управления стадом других производителей.
Для анализа применяли классификатор «случайного леса» (библиотека scikit-learn, Python) с расчетом метрик точности, прецизионности, полноты и F1-оценки с 10-кратной перекрестной проверкой.
Выбросы в данных обрабатывались на этапе предварительной обработки — фильтрация с использованием медианного фильтра и удаление значений за пределами 3σ от среднего. Это затронуло менее 5% данных, обеспечивая чистоту набора для анализа.
Корреляцию между руминацией и pH оценивали с помощью коэффициента Пирсона, статистическую значимость различий определяли парным t-тестом с уровнем значимости p < 0,05.
Точность классификации рассчитывалась как:
F1-оценка определялась как:
Статистические различия между устройствами оценивали с помощью парного t-теста (p < 0,05).
Результаты и обсуждение
Для оценки согласованности между колебаниями значений руминации и pH коров были сравнены их колебания в двухчасовых диапазонах. Выявили, что во временном диапазоне от 8:00 до 14:00 у животных стабильно повышается pH. Одновременно с этим наблюдаются наибольшие колебания значений руминации. Во временном диапазоне с 16:00 по 20:00 наблюдается одновременное снижение pH и руминации животных.
Графическое изображение результатов представлено на рисунке 3.
Болюс «Агробиотест» (ООО «Агробиотест», Россия) продемонстрировал высокую точность в мониторинге pH рубца (97,8%), тогда как ошейник SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) показал точность 89,4% для оценки руминации, как показано в таблице 1.
Комбинированный подход, интегрирующий данные обоих устройств, повысил общую точность диагностики метаболического статуса коров (в частности, выявления риска СКАР) до 98,5%, подтверждая их взаимодополняющий характер.
Анализ данных показал, что среднее время руминации составило 445,5 мин/день, а средний pH рубца — 6,14 (табл. 2).
Эпизоды снижения pH ниже 5,8, указывающие на риск СКАР, наблюдали при высококонцентратном рационе (60% концентратов), снижая pH до 5,7 и руминацию до 420 мин/день, тогда как высоковолокнистый рацион (30% концентратов) повышал pH до 6,4 и руминацию до 480 мин/день (табл. 3).
Динамика pH и руминации за сутки представлена на рисунке 4, где видно, что снижение pH ниже 6,0 часто совпадало с уменьшением руминации (< 20 мин/час), особенно после кормления кормосмесью с высоким содержанием концентратов.
Сопоставление данных проводили для 10 коров, выбирая значения pH от болюса за каждый час (например, 08:00, 09:00) и соответствующие значения руминации от ошейника за тот же час. Пример: для коровы 1 в 08:00 pH составил 6,2, руминация — 30 мин/час; в 12:00 pH снизился до 5,8, руминация — 10 мин/час. Коэффициент корреляции Пирсона между руминацией и pH варьировал от 0,65 до 0,82 (среднее 0,73), указывая на умеренную связь между качеством рациона и пищеварением (табл. 2).
Статистически значимые различия (p < 0,05) наблюдались между базовым и высококонцентратным рационами.
Болюс «Агробиотест» (ООО «Агробиотест», Россия) показал превосходство в мониторинге pH рубца (точность 97,8%), что делает его ключевым инструментом для диагностики СКАР, тогда как ошейник SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) оказался более эффективным для оценки руминации (точность 89,4%). Комбинированный подход, интегрирующий данные обоих устройств, повысил общую точность диагностики метаболического статуса коров до 98,5%, что подчеркивает их взаимодополняющий характер и согласуется с выводами Нортон и др.
Данные из файла «Массив данных.xlsx» подтверждают, что снижение pH ниже 6,0 совпадает с уменьшением руминации, особенно при высококонцентратных рационах (60% концентратов), где pH падал до 5,7, а руминация снижалась до 420 мин/день. Это требует корректировки доли волокна в рационе для поддержания здоровья рубца. Интеграция данных способствует созданию цифровых двойников, прогнозирующих здоровье и продуктивность животных, что отмечено в работе Чжан и др.
Сравнение с другими исследованиями выявило как схожие, так и отличающиеся результаты. Например, исследование Антанайтис и др. показало, что использование рубцовых болюсов для мониторинга pH демонстрирует точность около 95%, что близко к полученным в настоящем исследовании — 97,8%. Однако в их работе корреляция между pH и руминацией была ниже (r = 0,62 против данного r = 0,73), что может быть связано с различиями в рационе и используемых устройствах (они применяли болюсы SmaXtec). Это указывает на то, что «Агробиотест» (ООО «Агробиотест», Россия) может быть более чувствительным к изменениям, связанным с руминацией.
В то же время Биккер и др. изучали влияние высококонцентратных рационов на pH рубца и обнаружили более значительное снижение pH (до 5,5) при доле концентратов 65% по сравнению с авторским значением 5,7 при 60% концентратов. Это различие может быть обусловлено более длительным периодом кормления высококонцентратным рационом в их исследовании (4 недели против нашего 2-недельного периода), что привело к более выраженному ацидозу. Кроме того, их исследование не включало мониторинг руминации, что ограничивает возможность прямого сравнения с данными авторов.
Еще одно исследование, проведенное Нойбауэр и др., выявило, что ошейники, подобные SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль), обеспечивают точность мониторинга руминации на уровне 87%, что сопоставимо с 89,4% авторов. Однако они отметили, что точность может снижаться при высокой двигательной активности коров, чего авторы не наблюдали, возможно, из-за более спокойных условий содержания на ферме КубГАУ. Эти результаты подчеркивают важность учета условий эксперимента при интерпретации данных.
Полученные данные поднимают вопрос о долговременной стабильности устройств. Болюсы, такие как «Агробиотест» (ООО «Агробиотест», Россия), требуют калибровки каждые 6 месяцев для поддержания точности, тогда как ошейники SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) более устойчивы к внешним условиям, но могут быть подвержены износу при длительном использовании.
Интеграция данных через машинное обучение, как в данном исследовании, позволяет не только повысить точность диагностики, но и выявить паттерны, которые могут быть использованы для автоматизации управления стадом, включая корректировку рационов в реальном времени.
Выводы
Исследование подтвердило эффективность использования ошейника SCR Heatime (Allflex Livestock Intelligence, Израиль) и рубцового болюса «Агробиотест» (ООО «Агробиотест», Россия) для мониторинга состояния молочных коров.
Точность мониторинга pH рубца болюсом «Агробиотест» составила 97,8%, что делает его надежным инструментом для диагностики SARA. Ошейник SCR Heatime показал точность мониторинга руминации на уровне 89,4%. Комбинированный подход увеличил общую точность до 98,5%, демонстрируя преимущества интеграции данных. Средний коэффициент корреляции Пирсона между руминацией и pH составил 0,73, указывая на умеренную связь между этими параметрами. Высококонцентратный рацион с 60% концентратов снизил pH рубца до 5,7 и время руминации до 420 мин/день, вызывая риск СКАР при pH ниже 5,8. Напротив, высоковолокнистый рацион с 30% концентратов повысил pH до 6,4 и руминацию до 480 мин/день, способствуя здоровью рубца. Среднее время руминации составило 445 мин/день, а средний pH рубца — 6,1, что соответствует нормальным физиологическим показателям при базовом рационе с 40% концентратов.
Полученные результаты подчеркивают важность интеграции данных для точного контроля состояния коров и оптимизации рационов, что может снизить риск метаболических нарушений и повысить продуктивность.
Об авторах
Фёдор Евгеньевич Владимиров, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
fvladimirov21@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-2480-5754
Артём 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: 10.32634/0869-8155-2025-399-10-174-181
Просмотров: 215
