Способ получения информации о сельскохозяйственном животном
METHOD OF OBTAINING INFORMATION ON AGRICULTURAL ANIMAL

Настоящее изобретение относится к способу получения информации о сельскохозяйственном животном.
Сельскохозяйственное животное, к которому применим способ, как правило, может представлять собой дойную корову; информация, которую при этом получают, как правило, относится к количеству корма, которое потребляется ежедневно, к информации о компонентах потребляемого корма, к информации, относящейся к надою молока, ко времени спаривания и оптимальному времени осеменения, и к информации о жвачной активности.
Для осуществления способа к области головы животного многократно прикрепляют датчик ускорения, который измеряет данные, и при этом данные, которые измеряют с помощью датчика ускорения на животном, передают в станцию оценивания и оценивают в станции оценивания.
В документе US 4618861 A, опубликованном ранее в 1986 году, предлагается снабжать животное датчиком перемещения и определять, исходя из автоматически зарегистрированной скорости перемещений в день, находится или нет животное, как правило корова, в периоде охоты. Например, в качестве датчика перемещения предлагается зависимый от ускорения переключатель, который подвешен к шейной ленте и который подает счетный импульс всякий раз, когда обеспечено ускорение, превышающее конкретное пороговое значение. Посредством статистического анализа можно выявить тенденцию в отношении того, существует или нет вероятность нахождения животного в периоде охоты.
В документе ЕР 2007192 В1 конкретизированы более широкомасштабные идеи в отношении способа, известного из документа US 4618861 А. С помощью датчиков, которые расположены на голове животного, как правило, коровы, измеряют множество параметров ориентации и параметров перемещения (ускорение в различных направлениях, расстояние от поверхности земли и т.д.) и путем оценивания этих первичных данных определяют, ходит ли животное, стоит или лежит. Изменения характеристик в отношении частот последних используют для выявления времени нахождения животного в периоде охоты, его плодовитости и родов. Факультативно, выполняют дополнительные измерения, например, касательно длительности действий по поеданию корма, а значит расширяются рамки выводимых заключений или повышается точность заключений.
Из документа DE 3610960 А1, опубликованного ранее в 1987 году, известна идея снабжения животного в сельском хозяйстве датчиком, который многократно измеряет переменную состояния животного и передает результат измерения в место оценивания, в результате чего автоматически могут быть выведены заключения относительно состояния здоровья животного и, например, может быть автоматически подобран корм. Как упомянуто выше, возможной переменной величиной состояния для измерения может быть ускорение; ее интегрируют по времени. Результат интерпретируют в виде среднего значения перемещения данного животного. Упоминание о жвачке отсутствует.
В документе ЕР 1301068 B1 (с приоритетом от 2000 года) предлагается считывание датчиком длительности жвачки животного в пределах относительно продолжительного, предварительно заданного периода времени посредством анализа шумов и вывода заключений исходя из него относительно корма или состояния животного. Жевание как таковое выявляют по различию между шумами срыгивания пищевого комка и пережевывания пищевого комка. Из-за высокого уровня потребления энергии вследствие продолжительного измеряемого периода, который необходим, возникают ограничения, связанные с поломкой. Упоминание об измерении ускорения отсутствует.
В документе WO 2007119070 A1 предлагается считывание ряда различных типов поведения животного с помощью датчиков, таких как датчики шума, многоосные датчики ускорения, датчики температуры и т.д., передача этих типов поведения беспроводным способом в блок оценивания и определение ряда состояний животного путем оценивания. Предлагается выявлять жвачку, исходя из результатов, получаемых с помощью датчиков шума.
В документе ЕР 2205146 B1 (с приоритетом от 2007 года) предлагается прикрепление компонента, оснащенного рядом датчиков, к наружному слуховому проходу животного, причем указанный компонент измеряет температуру по меньшей мере в двух местах, а также в дополнение выполнен с возможностью измерения других переменных величин, таких как, например, шумы или ускорения. Предлагается, помимо прочего, измерять с помощью датчика жвачную активность; однако дополнительно не поясняется, как выполнять измерение и к какой в точности жвачной активности это относится.
В документе DE 60133106 T2 (перевод на немецкий язык документа EP 1301068 B1) предлагается использование датчика шума и оценочной логики для измерения на жвачном животном переменной величины, которая указывает активность жвачки, и автоматическое выявление длительности жвачки в пределах заданного периода времени. Полученные при этом данные используются для генерирования информации, относящейся к физиологическому состоянию животного и/или относящейся к требуемым изменениям в корме, для оптимизации надоя молока или для сохранения здоровья животного.
В документе СН 700494 B1 (с приоритетом от 2010 года) предлагается снабжать крупный рогатый скот недоуздком, к области переносья которого крепится датчик давления, который непрерывно измеряет и результаты измерения которого регистрируются с помощью журнала регистрации результатов измерений. Таким образом, может быть выявлена активность пережевывания, такая как, в частности, жвачка, так как в данном контексте имеют место характерные периодические колебания профиля измеряемого давления. Тот факт, что недоуздок должен быть очень плотно зафиксирован для обеспечения возможности получения достоверных результатов измерения давления, является недостатком.
Была опубликована публикация от 11.07.2012 г. под заголовком «Goldmedaille  Rumiwatch [Gold medal for Rumiwatch]», вышедшая по меньшей мере 03.15.2014 г. по адресу в Интернете http://www.landi.ch/deu/goldmedaille-fuer-quotrumiwatchquot_1250893.shtml. В указанной публикации устройство по рассмотренному выше документу CH 700494 В1 описано в комбинации с дополнительными датчиками и по меньшей мере одним блоком оценивания. Например, осуществляется текущий контроль того, сколько действий пережевывания занимает пережевывание пищевого комка во время жвачки до его повторного проглатывания. Считается, что уменьшенное число действий пережевывания на один пищевой комок указывает на проблемы с усвоением корма или ошибки в кормлении.
В документе WO 2015041548 A1, который не был опубликован до даты приоритета настоящей заявки, предлагается прикреплять к животному разные датчики, в том числе также датчики ускорения. В результате анализа данных ускорения, в том числе по формированию средних значений в пределах отдельных частот, определенных во время гармонического анализа, определяют тип параметра благосостояния. Аналогично этому, используя частоту ускорения, определяют массу животного. Предлагается также измерять частоту пережевывания во время жвачки; однако предлагается использовать анализы шума.
Общее определение задачи, которая привела к созданию настоящего изобретения, состоит в предоставлении способа получения информации о коровах, с помощью которого можно автоматически контролировать и оценивать потребление корма, чтобы оценить производительность надоя коровы без непосредственного измерения количества молока и выявить время, когда она будет находиться в состоянии охоты, и оптимальное время осеменения. По сравнению со способами, которые ранее могли использоваться для этих целей, новый способ должен быть лучше в отношении выдачи достоверной информации и/или должен влечь за собой меньше неприятных ощущений для животного и меньше расходов для тех, кто за ним ухаживает.
Более конкретной целью, положенной в основу настоящего изобретения, является предоставление способа оценивания данных датчика, который прикрепляют в устройстве в области головы жвачного животного, причем датчик измеряет переменную состояния, зависимую от жвачки, в том месте, где прикреплено устройство, и осуществляется в автоматическом режиме предварительная обработка данных датчика таким образом, что, исходя из конечного результата, может быть определена релевантная информация о состоянии здоровья животного и/или о влиянии корма, потребляемого животным. По сравнению со способами, которые были известны в этом отношении ранее, усовершенствования заключаются в том, что устройством, прикрепленным к животному, в среднем по времени потребляется значительно меньшее количество электрической энергии, и в том, что отсутствует необходимость в ношении животным недоуздка или аналогичного сложного монтируемого устройства.
Для решения указанной задачи предлагается регистрировать данные ускорения в области головы животного и оценивать их так, чтобы выявить процессы глотания, которые осуществляет животное.
Во-первых, в результате подсчета процессов глотания можно выводить очень ценные заключения, как поясняется более детально ниже. Во-вторых, в результате выявления процессов глотания становится возможным определять промежутки времени между процессами глотания для оценивания только тех данных ускорения, которые поступают в промежутках времени между процессами глотания, чтобы получить информацию об активности пережевывания животного. Вследствие этого получаемая информация об активности пережевывания животного становится очень точной и достоверной и позволяет выводить весьма широкомасштабные заключения.
Число процессов глотания за заданный период времени, как правило, за сутки, самым непосредственным образом связано с количеством корма, потребляемого или пережевываемого за некоторый период времени, или с количеством выпиваемой воды. Эти физические величины оказывают самое непосредственное влияние на состояние контролируемого животного, и на них намного сильнее непосредственно влияет соответствующее состояние животного. В результате этого информация, относящаяся к состоянию животного, которую получают в результате измерений, имеет относительно высокую степень достоверности.
Количество корма, потребляемого за период времени, чрезвычайно сильно непосредственно связано с ожидаемым надоем молока, в случае коров.
Уменьшенное потребление корма за период времени явным образом указывает, в случае, если это здоровые животные, на нахождение в состоянии охоты. Ввиду того, что может быть правильно выявлен период времени нахождения в состоянии охоты, не только начало, но и конец, может быть правильно выявлен оптимальный период времени для осеменения. Оптимальный период времени для осеменения совпадает с допустимой фазой, которая начинается через день после окончания явления половой охоты и, в случае коров, которые за один раз потребляют очень большое количество корма, период времени является более коротким, например четыре часа или же приблизительно двенадцать часов. Вследствие этого предлагаемый в соответствии с настоящим изобретением способ позволяет также получить полезную информацию о длительности допустимой фазы.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа выполняется подсчет не только процессов глотания, но и действий пережевывания, то есть действий кусания, выполняемых во время движения пережевывания.
Отношение числа действий пережевывания к числу процессов глотания дает, в том числе, утверждения об отношении доли сырой клетчатки к относительному содержанию протеина в потребляемом корме и о здоровье животного. На основе оценивания данных ускорения могут выявляться также действия кусания, осуществляемые во время пережевывания.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа выполняют также оценивание в отношении того, имеют ли место во время жвачки или во время поедания корма, иначе говоря, первоначального потребления корма, выявляемые процессы глотания и, при необходимости, действия пережевывания. Это различие может быть выявлено также на основе оценивания данных ускорения. Числовое отношение числа действий пережевывания к числу процессов глотания в таком случае является более информативным в отношении пропорционального содержания компонентов корма и/или здоровья животного, если оно применяется избирательно к фазам поедания корма или фазам жвачки, а не как средняя величина для обоих типов фаз. Например, как известно, отношение действий пережевывания к процессам глотания, измеренным только во время жвачки, очень сильно связано с качеством корма, значением pH в рубце, а также с содержанием жира и содержанием протеина в молоке.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа выявляют и отдельно подсчитывают процессы глотания, которые происходят вследствие того, что животное пьет. Эти процессы глотания могут быть выявлены также на основе оценивания данных ускорения. Поскольку они могут использоваться для вывода заключений о потребляемом количестве воды, может быть более правильно сделано заключение в другом отношении, потреблен ли довольно сухой корм, с высоким содержанием сырой клетчатки, или же вместо этого более мягкий корм, который в нормальном случае, следовательно, имеет также более высокое содержание протеина.
Фазу глотания и фазы пережевывания, предпочтительно, различают посредством дисперсионного анализа хронологического профиля измеренных данных ускорения. Способ может быть очень удачно осуществлен с помощью средств автоматической обработки данных и надежно обеспечивает получение хороших результатов.
Предпочтительно, число процессов пережевывания также измеряют посредством выполнения преобразования Фурье для периода времени между двумя процессами глотания в пределах хронологического профиля измеренных ускорений, и определенную при этом основную частоту интерпретируют как являющуюся частотой действия пережевывания, которая, будучи умноженной на указанный период времени, дает число осуществленных действий пережевывания. Способ может быть удачно осуществлен с использованием средств автоматической обработки данных путем применения так называемого FFT (быстрого преобразования Фурье); даже в случае низкой частоты базовых измерений ускорения (как правило, 10 Гц), он также обеспечивает получение достоверных результатов.
Процесс питья, предпочтительно, распознают путем дисперсионного анализа измеренных данных ускорения. В данном контексте вычисляют временной профиль дисперсии и оценивают флуктуации профиля дисперсии в конкретном частотном диапазоне как индикацию процесса питья, и интерпретируют выявленную частоту флуктуаций как частоту процессов глотания во время питья. Способ может быть удачно осуществлен с использованием средств автоматической обработки данных и обеспечивает получение достоверных результатов.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа не только осуществляют в автоматическом режиме измерения ускорений на животном, но и осуществляют также текущий контроль местонахождения животного. В зависимости от того, находится или нет животное в определенном месте, и вероятно от того, как долго оно уже там пребывает, регистрируют большее или меньшее количество данных ускорения и увеличивают или уменьшают оценивание данных ускорения в отношении определения конкретных действий. Например, нет необходимости в регистрации данных ускорения в отношении возможного питья и их оценивании, если в результате текущего контроля местонахождения однозначно установлено, что животное находится в таком месте, где ему определенно нечего пить. Вследствие этого могут быть сокращены расходы энергии на проведение измерений ускорения и передачу данных, и можно избежать расходов на выполнение вычислений, а также может быть повышена достоверность фактически получаемых результатов.
Определение местонахождения животного может быть выполнено, например, с использованием системы, предназначенной для определения местонахождения на основе радиосигналов, которая сама по себе является известной и в которой животное носит на себе радиоузел. Тем не менее, простое и к тому же успешное определение местонахождений может быть также выполнено, например, с помощью RFTD-транспондеров и датчиков близости, предназначенных для транспондеров, которые крепятся к животному. В данном контексте датчики близости находятся в местоположениях, характерных для представляющих интерес действий, например, кормушках, местах поедания корма, местах лежания, в которых животным нравится пережевывать жвачку.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения оценивают полученные данные измерения ускорения, чтобы получить числовое значение такой определяемой количественно переменной, которое описывает при необходимости мгновенное состояние процесса жвачки. (Термин «определяемая количественно переменная» означает переменную, для полного описания которой не обязательно требуются числовые данные.)
Фаза, в которой жвачное животное пережевывает жвачку, делится на ряд отдельных циклов, следующих в хронологическом порядке друг за другим, причем отдельный цикл включает в себя фазу, фазу пережевывания и фазу глотания-срыгивания. Во время фазы срыгивания количество корма, называемое «пищевым комком», перемещается из рубца животного в его рот. Во время фазы пережевывания пищевой комок за счет движений пережевывания измельчается во рту на более мелкие части. Отдельные кусания, которые совершаются во время движений пережевывания, называются «действиями пережевывания». Во время фазы глотания пищевой комок снова проглатывается. Различение фазы пережевывания может быть осуществлено снаружи в сравнении с другими двумя фазами, например, благодаря относительно большим движениям головы животного, которые происходят периодически в соответствии с частотой действий пережевывания, а также благодаря характерным шумам.
Поскольку во время жвачки голова животного перемещается характерным образом, жвачка может быть распознана главным образом благодаря измерению ускорения.
Датчики, которые необходимы для измерения ускорения, могут быть изготовлены без затруднений и с настолько малыми размерами, что они могут быть легко размещены, например, в ушной бирке (содержащей также необходимый аккумулятор энергии, такой как, как правило, аккумуляторная батарея).
Ввиду того, что получение конечного результата измерения и оценивания не ставит целью получение знания длительности жвачки, а наоборот, определяемое количественно знание мгновенного состояния процесса жвачки, который при необходимости происходит в текущий момент, достаточно того, чтобы относительно короткие по времени измерения в хронологическом порядке выполнялись только при относительно длинных интервалах времени. В результате этого установлено, что достаточным может является относительно чрезвычайно малый расход энергии.
В одном предпочтительном варианте осуществления определяемой количественно переменной, получаемой путем оценивания данных датчика, является число действий пережевывания пищевого комка. Это число, как известно, связано в случае коров с качеством корма, значением pH у жвачного животного, а также содержанием жира и содержанием протеина в молоке.
В другом предпочтительном варианте осуществления определяемой количественно переменной, которую получают путем оценивания данных датчика, является частота действий пережевывания во время фазы пережевывания в цикле пищевого комка. Эта частота, как известно, связана в случае коров с качеством корма, значением pH у жвачного животного, а также содержанием жира и содержанием протеина в молоке, аналогично числу действий пережевывания в расчете на один пищевой комок.
Таким образом, предлагается способ получения информации о сельскохозяйственном животном, где к области головы животного прикрепляют устройство (a), которое содержит по меньшей мере один датчик ускорения, с помощью которого многократно измеряют данные ускорения, причем данные ускорения оценивают с использованием средств автоматизированной обработки данных и определяют в результате оценивания действия и/или состояния животного, при этом датчик ускорения размещают на ушной бирке, и зарегистрированные данные ускорения оценивают так, чтобы выявить процессы глотания, которые осуществляет животное.
Предпочтительно, данные ускорения оценивают так, чтобы отличать периоды времени, в которых животное глотает, от периодов времени, в которых животное жует, и при этом с этой целью вычисляют и сравнивают варианты между измеренными данными ускорения в смежных временных окнах.
Предпочтительно, подсчитывают процессы глотания.
Предпочтительно, зарегистрированные данные ускорения дополнительно оценивают так, чтобы выявить и подсчитать действия пережевывания, которые осуществляет животное.
Предпочтительно, генерируют значения счета, каждое из которых относится к предварительно установленному периоду времени, в частности к периодам времени, каждый из которых имеет длительность, составляющую 24 часа.
Предпочтительно, число действий пережевывания, которые имеют место в период времени, вычисляют посредством выполнения преобразования Фурье для этого периода времени в пределах хронологического профиля измеренных ускорений, причем определяемую при этом основную частоту интерпретируют как частоту действия пережевывания и умножают на продолжительность периода времени.
Предпочтительно, ускорение измеряют в трех соответствующих координатных направлениях, и при этом для множества различных направлений, которые принимают в пространстве, и для векторов ускорения, которые измеряют в отдельные моменты времени измерения, вычисляют абсолютную величину каждого компонента направления соответствующего вектора ускорения, причем компонент направления параллелен соответствующему направлению, принятому в пространстве, в результате чего формируют серии данных для каждого из принятых направлений в пространстве в хронологической последовательности компонентов ускорения, ориентированных в соответствующем направлении, и при этом преобразование Фурье выполняют в отношении одной или нескольких из этих серий данных.
Предпочтительно, период времени, в течение которого подсчитывают действия пережевывания, имеет протяженность от конца одной фазы глотания до начала следующей фазы глотания.
Предпочтительно, процессы глотания, которые являются частью процесса питья, подсчитывают отдельно.
Предпочтительно, процесс питья идентифицируют путем дисперсионного анализа измеренных данных ускорения, причем флуктуации в профиле дисперсии в пределах заданного частотного диапазона оценивают как индикацию процесса питья.
Предпочтительно, указанный способ применяют в отношении жвачного животного, и при этом данные ускорения также оценивают так, чтобы выявить наличие процессов глотания и, при необходимости, действий пережевывания во время потребления корма или во время жвачки, и при этом процессы глотания на основе потребления корма подсчитывают отдельно от процессов глотания на основе жвачки.
Предпочтительно, при операции автоматизированной обработки данных генерируют, исходя из измеренных значений счета, а также сохраненных элементов данных, одно или несколько из следующей информации, относящейся к животному:
число процессов глотания за сутки;
число процессов глотания во время потребления корма за сутки;
относительное число действий пережевывания, приходящееся на один процесс глотания во время жвачки;
относительное число действий пережевывания, приходящееся на один процесс глотания во время потребления корма;
число процессов глотания при питье;
отклонения от среднего значения отдельных вышеупомянутых чисел и относительных чисел по отношению к нормированному значению и/или среднему значению для стада;
отклонения от среднего значения вышеупомянутых чисел и относительных чисел по отношению к среднему значению для одного и того же животного в предыдущие периоды времени;
информация о состоянии животного, для которого показанием являются вышеупомянутые числа, и/или относительные числа, и/или отклонения, в частности информация о времени спаривания, информация о прогнозируемом оптимальном периоде времени осеменения, информация об отношении содержания длинноволокнистой клетчатки к содержанию протеина в корме, информация о предполагаемом надое молока, информация о состоянии здоровья.
Предпочтительно, сельскохозяйственное животное является жвачным животным, и при этом зарегистрированные данные ускорения оценивают так, чтобы определить измеренное значение определяемой количественно переменной, которое описывает мгновенное состояние процесса жвачки.
Предпочтительно, определяемые количественно данные, которые получают путем оценивания, относятся к частоте действий пережевывания во время жвачки.
Предпочтительно, путем оценивания данных ускорения определяют, должны ли быть присвоены отдельные элементы данных ускорения фазе (K) пережевывания или фазе (SW) глотания/срыгивания процесса жвачки, и при этом дальнейшие оценивания выполняют только с теми данными измерения, которые присвоены фазе (K) пережевывания.
Предпочтительно, дисперсию данных измерения или переменную, которая соотносится с дисперсией данных измерения, вычисляют в пределах двух временных окон, которые примыкают друг к другу и каждое из которых составляет часть интервала времени измерения данных ускорения, и при этом явно выраженную способность различения двух вычисленных вместе с ними значений переменной интерпретируют как изменение между фазой (K) пережевывания и фазой (SW) глотания/срыгивания во время жвачки.
Предпочтительно, оценивание применяют в целях различения присвоения данных измерения фазе (K) пережевывания или фазе (SW) глотания/срыгивания, исходя из серии тех хронологически последовательных значений ускорения, каждое из которых означает абсолютную величину общего ускорения во время измерения и может быть вычислено для соответствующего времени измерения путем графического сложения отдельных значений ускорения, измеренных в отдельных координатных направлениях в соответствующее время измерения.
Предпочтительно, в каждом случае выполняют преобразование Фурье для множества серий данных, каждую из которых присваивают другому направлению в пространстве, и при этом из полученного множества результатов отфильтровывают тот результат, в котором в каждом частотном диапазоне, в котором в принципе может находиться частота действий пережевывания, единственное колебание является в максимальной степени преобладающим по амплитуде над всеми остальными колебаниями в этом частотном диапазоне, и при этом частоту этого преобладающего колебания интерпретируют как частоту действий пережевывания.
Предпочтительно, в каждом случае выполняют преобразование Фурье для множества серий данных, каждую из которых присваивают другому направлению в пространстве, и при этом из полученного числа результатов отфильтровывают тот результат, в котором в каждом частотном диапазоне, в котором в принципе может находиться частота действий пережевывания, три колебания, которые находятся рядом друг с другом в отношении частоты, преобладают в максимальной степени по амплитуде над всеми остальными колебаниями в этом частотном диапазоне, и при этом частоту, при которой в представлении Фурье точка вершины этой параболы находится на оси симметрии, которая параллельна ординате и которая проходит через те точки, которые характеризуют указанные три колебания по частоте и амплитуде, интерпретируют как частоту действий пережевывания.
Предпочтительно, число действий пережевывания, приходящееся на ту часть корма, которая срыгнута из рубца в рот, пережевана и затем проглочена снова, вычисляют путем умножения частоты действий пережевывания на длительность фазы пережевывания.
Способ, предлагаемый в соответствии с настоящим изобретением, более подробно поясняется ниже со ссылкой на графические материалы и подробным описанием примера «жвачки», где:
на фиг. 1 показана функциональная блок-схема основной циклически повторяющейся последовательности операций преимущественного иллюстративного способа в соответствии с настоящим изобретением, и
на фиг. 2 показан профиль абсолютной величины ускорения, построенный в зависимости от времени, измеренный путем измерения ускорения на животном, которое в текущий момент пережевывает жвачку.
Фаза, в которой жвачное животное пережевывает жвачку, делится на ряд отдельных циклов, следующих один за другим в хронологическом порядке, причем отдельный цикл включает в себя фазу срыгивания, фазу пережевывания и фазу глотания. Во время фазы срыгивания количество корма, которое называется «пищевым комком», перемещается из рубца животного в его рот. Во время фазы пережевывания пищевой комок посредством движений пережевывания измельчается во рту на более мелкие части. Отдельные кусания, которые совершаются во время движений пережевывания, называются
«действиями пережевывания». Во время фазы глотания пищевой комок проглатывается снова. Различение фазы пережевывания может быть осуществлено снаружи в сравнении с другими двумя фазами, например, благодаря относительно большим движениям головы животного, которые происходят периодически в соответствии с частотой действий пережевывания, а также благодаря характерным шумам.
Для способа в соответствии с настоящим изобретением движения головы измеряют с помощью датчиков ускорения. Датчики, которые необходимы для измерения ускорения, могут быть изготовлены без затруднений с настолько малыми размерами, что они могут быть легко размещены, например, в ушной бирке (содержащей также необходимый аккумулятор энергии, такой как, как правило, аккумуляторная батарея).
Необходимые датчики ускорения, разумеется, могут быть также использованы при необходимости не по целевому назначению, предусмотренному в соответствии с настоящим изобретением, а для других измерений. Примерами этого являются анализы походки и определение разных действий или положений животного, таких как, например, поедание, хождение или лежание.
Числовыми позициями 1-11 согласно фиг. 1 обозначены операции, которые дополнительно символически отображены на фиг. 1 блоками с обозначениями или другими символами и осуществляются по существу одна за другой в хронологической последовательности, характеризуемой стрелками.
Верхний прямоугольник a, показанный на фиг. 1 пунктирными линиями, окружает символы 1, 2 для операций, которые также имеют место в устройстве, которое носит на себе животное. Следовательно, прямоугольником a символически обозначено устройство, которое носит на себе жвачное животное, как правило, ушная бирка. Это устройство содержит во всяком случае или ряд датчиков ускорения с одномерным измерением, или по меньшей мере один датчик ускорения с многомерным измерением.
Нижний прямоугольник b, показанный на фиг. 1 пунктирными линиями, окружает символы для операций 4-11, которые в идеальном случае выполняются в секции оценивания, которая является отдельной от животного, как правило, неподвижно закрепленной в определенном месте, и которая связана с устройством, находящемся на животном, посредством соединения 3, 10, посредством данного соединения может осуществляться двунаправленная передача данных. Это соединение, как правило, представляет собой беспроводное радиосоединение. Следовательно, прямоугольником b символически обозначена станция оценивания.
При выполнении этапа 1 «3D-ускорение» регистрируют данные ускорения в трех координатных направлениях, которые перпендикулярны друг другу. Хорошие результаты могут быть получены в том случае, если частота измерений равна 10 Гц, то есть, если соответствующее ускорение измеряют десять раз в секунду соответственно в каждом из трех координатных направлений.
Этап 2 «STO» означает буферизацию данных, измеренных при выполнении этапа 1, в памяти для хранения данных, которая расположена в устройстве, находящемся на животном. Например, данные ускорения измеряют в течение периода времени с продолжительностью в две минуты и все они записываются в память для хранения данных.
При выполнении этапа 3 устанавливают радиосвязь между устройством a, находящемся на животном, и, как правило, неподвижно установленной станцией b оценивания, и данные ускорения, которые сохраняются в устройстве a, передаются посредством указанной связи в станцию b оценивания.
При выполнении этапа 4 «SW/K» оценивают измеренные данные ускорения, которые, разумеется, представляют собой хронологический профиль ускорений устройства a, чтобы выявить, какие данные могут быть присвоены фазам пережевывания («K» на фиг. 2), и какие данные могут быть присвоены фазам глотания/срыгивания («SW» на фиг. 2). Во время фаз пережевывания пищевой комок корма, который находится во рту жвачного животного, тонко измельчается под действием движений пережевывания. Во время фазы глотания- срыгивания тонко измельченный корм сначала проглатывается, а затем новый пищевой комок, который первоначально состоит из корма, который еще не является тонко измельченным, срыгивается в рот из рубца. В большинстве случаев фаза глотания-срыгивания связана со значительно меньшими ускорениями и изменениями в ускорении в отличие от фазы пережевывания.
Проведение различия между фазами пережевывания и фазами глотания- срыгивания является очень успешным благодаря адаптированной форме дисперсионного анализа результатов измерений. Для этой цели в каждом случае сначала, предпочтительно, вычисляют суммарную величину общего ускорения, исходя из соответствующих трех значений ускорения, которые были зарегистрированы во время измерения путем графического сложения. (Получившийся в результате профиль абсолютного ускорения в зависимости от времени показан в качестве примера на фиг. 2. На фиг. 2 также отмечены две фазы глотания-срыгивания («SW») и фаза пережевывания («K»), которая находится между ними.) В каждом случае из общего количества полученных серий данных используются две парциальные величины, и при этих парциальных величинах связанные с ними измерения ускорения осуществляют в двух смежных временных окнах периода времени измерения. В каждом случае вычисляют дисперсию, исходя из двух парциальных величин. (Дисперсия представляет собой сумму квадратов расстояний отдельных значений от среднего значения в пределах всех отдельных значений, деленную на число отдельных значений). Два полученных значения дисперсии, каждое из которых применимо для одного из двух временных окон, сравнивают друг с другом. Значительное различие в значениях дисперсии указывает на то, что в области границы между двумя временными окнами имеется переход между фазой пережевывания и фазой глотания-срыгивания. Данные вычисления дисперсии повторяют для смещенных в хронологическом порядке пар временных окон, но два окна одной пары в каждом случае примыкают друг к другу. На первой стадии вычисления пары временных окон могут смещаться от одного вычисления дисперсии к другому на довольно большие шаги, в результате чего весь временной диапазон проходится быстро. Для тех временных диапазонов, для которых при этом находят индикации фазовых переходов между фазой пережевывания и фазой глотания-срыгивания, повторяют вычисления дисперсии, причем от одного вычисления к следующему пары временных окон смещаются на относительно малый шаг по времени, в результате чего может быть более точно установлено время перехода между двумя фазами.
Разумеется, поскольку ускорения измеряют независимо от того, чем они вызваны, на результат измерений ускорения оказывают воздействие даже такие события, которые не имеют ничего общего с жвачкой, например, крупный рогатый скот напуган внезапным событием или дрожит ухо, чтобы отпугнуть муху. В результате того, что такие события могут оказывать небольшое возможное влияние на результат оценивания измерений, только те фазы, заключенные между двумя фазами, интерпретируемыми как фазы глотания-срыгивания, признают фазами пережевывания жвачки для дальнейшего оценивания жвачки, при этом указанные фазы пережевывания не короче определенного минимального интервала времени (например, длительностью
26 секунд), а также не длиннее определенного максимального интервала времени (например, длительностью 70 секунд).
При выполнении этапов 5-8 операции измерения в отношении жвачки продолжаются только с данными ускорения, которые распознаны как точно связанные с одной фазой пережевывания при выполнении этапа 4. В дополнение к выявлению начала и конца, это предполагает также то, что выявлено отсутствие перерыва между началом и концом и что интервал между началом и концом является периодом времени, который является реальным для фаз пережевывания во время жвачки.
Этап 5 «1 к N»: три фазы ускорения были соответственно измерены в отдельные моменты времени измерения при выполнении этапа 1, при этом отдельные значения в каждом случае представляют собой ускорение в одном координатном направлении. Поэтому тройное количество значений измерения отдельного момента по времени означает вектор в пространстве, направление которого зависит от соотношений между величинами трех отдельных измерений ускорения и абсолютная величина которого получается в результате графического сложения отдельных компонентов. Соответствующий вектор, который задается тремя измеренными компонентами ускорения в плане направления и абсолютной величины, изменяется от одного времени измерения к следующему. При выполнении этапа 5 вычисляют, насколько большим является компонент отдельных измеренных векторов ускорения, возникающих в соответствующем направлении, для множества направлений, которые допускаются в пространстве «ежеподобным образом», например, ста направлений. Для этой цели может быть вычислено скалярное произведение единичного вектора (вектора с длиной, равной 1) в соответствующем направлении с соответствующим вектором ускорения.
В течение всех измерений ускорения фазы пережевывания это геометрически означает, что из единственной кривой, проходящей в трехмерном пространстве и образованной путем соединения вершин векторов ускорения друг с другом в хронологическом порядке, получают множество профилей пути, причем каждый отдельный профиль пути имеет место именно только на одной линии направления в пространстве и на каждой линии направления имеет место именно только один профиль пути. (Под «линией направления» в пространстве подразумевается прямая линия, проходящая через начало принятой системы координат).
При выполнении этапа 6 выполняют «FFT» (преобразование Фурье) для каждого из множества профилей пути, которые были вычислены при выполнении этапа 5 и каждый из которых имеет место только вдоль одного вектора направления в пространстве. Это означает, что профиль скалярной переменной (абсолютная величина ускорения) в зависимости от времени уже представлен не в виде пар значений точки во времени/абсолютной величины ускорения, а вместо этого в виде суммы синусоидальных колебаний, каждое в отдельности из которых определяется частотой, амплитудой и фазой, причем в этом случае амплитуда символизирует ускорение. В специальной области знаний, в частности то, что носит название FFT (быстрое преобразование Фурье), является широко известным и введено в качестве алгоритма для преобразования Фурье, предназначенного для цифровой обработки данных, и поэтому более детальные сведения в отношении него здесь не приводятся. Следовательно, результатом выполнения этапа 6 является индивидуальное представление Фурье для каждого из отдельных профилей ускорения, построенных графически в зависимости от времени, при этом каждый из профилей ускорения геометрически ориентирован вдоль отдельного вектора направления из числа векторов направления.
При выполнении этапа 7 «N к 1» отфильтровывают от отдельных представлений Фурье (каждое отдельное представление из числа которых соответственно представляет направление в пространстве) то представление Фурье, которое наиболее ясно показывает частотное распределение, по которому может быть считано показание ритма пережевывания животного, пережевывающего в текущий момент жвачку. Таким образом, в таком случае, если в том частотном диапазоне, в котором, как установлено эмпирическим путем, находится частота пережевывания, или одно колебание по амплитуде явно преобладает над всеми остальными колебаниями в этом частотном диапазоне, или при таком частотном диапазоне лишь очень малое число колебаний, локально привязанных в отношении их частоты, явно преобладает в этом частотном диапазоне по амплитуде над всеми остальными колебаниями. В этом случае искомой частотой пережевывания является частота отдельного колебания. Во втором случае частота пережевывания может быть определена путем построения параболы, ось симметрии которой параллельна ординате в представлении Фурье через те точки, через которые установлены три наиболее преобладающих колебания (абсцисса соответствует частоте, ордината соответствует амплитуде). Искомой частотой пережевывания является значение абсциссы местоположения вершины параболы.
В случае крупного рогатого скота частота пережевывания в случае жвачки находится в диапазоне от приблизительно 40 до приблизительно 85 действий пережевывания в минуту (0,67-1,42 Гц), как правило, в диапазоне от 60 до 70 действий пережевывания в минуту (1-1,17 Гц).
При выполнении этапа 8 «Подсчет суммы» счетчики могут быть сброшены, и может быть выдан полученный результат. Выдаваемый результат, относящийся к мгновенному значению переменной, описывающей жвачку, может представлять собой частоту пережевывания или, еще лучше, число действий пережевывания, приходящееся на один пищевой комок. Для обеспечения возможности указания числа действий пережевывания, приходящегося на один пищевой комок, частота пережевывания должна быть умножена на длительность фазы пережевывания, определенную при выполнении этапа 4.
Счетчик подсчитывает действия пережевывания, осуществляемые во время жвачки. К значению, которое уже находится в счетчике, добавляют число действий пережевывания, определенное в последнем цикле обработки данных. Это число получают в виде вычисленной частоты пережевывания, умноженной на длительность соответствующей фазы пережевывания, которая ограничена двумя фазами глотания-срыгивания, выявление которых было произведено при выполнении этапа 4.
Второй счетчик подсчитывает процессы глотания, осуществляемые во время жвачки. К значению, уже находящемуся в данном счетчике, добавляется значение 1 в расчете на одну фазу глотания-срыгивания.
При выполнении этапа 9 «Прямое управление», первый подчиненный блок управления задает, когда снова должна быть предпринята новая попытка выполнения измерения на носимом животном устройстве a, и возможно также насколько долго должно осуществляться при необходимости измерение. Правила, согласно которым это осуществляется при выполнении этапа 9, задаются логической операцией 11 высшего порядка «Управление высшего порядка» в соответствии с описанным примером.
Для осуществления текущего контроля состояния животного путем определения числа кусаний, приходящегося на один пищевой комок, во время жвачки нет необходимости проводить измерение непрерывно. Например, может быть достаточно, если число действий пережевывания, приходящееся на один пищевой комок во время жвачки, успешно определяют три или четыре раза в сутки.
Если целью является нахождение мгновенного значения переменной, которая описывает жвачку, в идеале сохраняют логический алгоритм, который начинает выполнение операций измерения чаще в сутки (например, каждые полчаса) до тех пор, пока число успешных операций измерения, при которых была фактически выявлена и проанализирована жвачка, не достигнет количества, которое является необходимым для одних суток. Разумеется, на этот логический алгоритм могут влиять также другие факторы, такие как, например, возраст животного, указания нахождения его в состоянии охоты или близость по дате к наступлению родов или проявление симптомов заболеваний. В идеале существует также возможность редактирования человеком этого логического алгоритма с использованием устройства ввода данных. Следовательно, описываемый способ является высокоэффективным в отношении потребления энергии в устройстве a, расположенном на животном, потому что исключается необходимость в проведении измерений непрерывно, вместо этого достаточно проводить их пару раз в сутки, в результате чего время работы устройства a в сутки может находиться, например, в диапазоне 1% от продолжительности в сутки. В связи с этим можно обеспечить весьма продолжительный срок службы аккумуляторной батареи, находящейся в устройстве a.
При выполнении этапа 10 устанавливают радиосвязь между (неподвижным) устройством b и устройством a, расположенным на животном, и передают в устройство a определения, относящиеся к устройству a. Поскольку измерение в любом случае не осуществляется непрерывно, оно относится по меньшей мере ко времени следующего цикла измерения.
Описанное оценивание данных измерения согласно этапам 4-8, по-видимому, является дорогостоящим. Однако оно в действительности является легко осуществляемым, так как оно может быть осуществлено на неподвижном устройстве, например персональном компьютере, и так как вычислительная мощность, энергия и время в нем могут быть в достаточной степени установлены такими, что они могут быть очень легко используемыми. В результате очень совершенного оценивания опасность неправильных измерений является очень низкой, а обеспечиваемая точность измерения является очень хорошей даже при том, что достаточно того, чтобы осуществлять в отношении животного несколько коротких относительно циклов измерения при чрезвычайно низкой частоте измерения (как правило 10 Гц).
Описываемый способ нахождения мгновенного значения определяемой количественно переменной, которая описывает жвачку, в рамках идеи настоящего изобретения может быть модифицирован и/или расширен. В этом отношении необходимо отметить следующее.
Например, во время оценивания данных можно было бы обойтись без обходных путей через проецирование векторов ускорения на большое число отдельных векторов направления (этап 5), преобразований Фурье ускорений в расчете на один отдельный вектор направления и поиска преобразования Фурье, которое является наиболее информативным, и вместо этого измерять ускорения с относительно высокой частотой измерения в устройстве a (приблизительно 100 измерений в секунду вместо 10 измерений) и выявлять моменты времени экстремальных значений через сравнение величины результатов успешных измерений, а также определять из их интервалов частоту колебаний и, в конечном счете, частоту пережевывания или длительность отдельных действий пережевывания. Однако, вследствие относительно высокой частоты измерения, в устройстве a использовалось бы больше энергии и, вследствие более низкой достоверности полученных результатов измерений, было бы необходимо проводить измерения намного чаще и пытаться обеспечить достаточную точность и достоверность измерения для направления через формирование средних значений и через дополнительные логические фильтры. Для обеспечения столь же хорошей точности и достоверности потребление энергии в сутки в устройстве a, расположенном на животном, вследствие этого было бы значительно выше; вероятно выполнение аппаратных средств в устройстве a должно было бы обойтись дороже, чтобы можно было выполнять больше измерений ускорения в зависимости от времени и чтобы можно было буферизировать больше результатов измерений. Однако меньшее потребление энергии, тем не менее, было бы предположительно достаточным тогда, когда просто измеряют обычным способом длительность жвачки в сутки.
Например, перед циклом измерения, который осуществляют на устройстве a для того, чтобы регистрировать ускорения во время жвачки по меньшей мере одного пищевого комка, может выполняться значительно более короткий цикл измерений, с помощью которого определяют, являются ли ускорения действительно достаточными для того, чтобы при них осуществлялась жвачка. Оценивание в этом отношении может учитывать, например, тот факт, что измеренные значения ускорений суммируются в течение короткого интервала времени и результат сравнивается с пороговым значением, и может быть также уже выполненным на устройстве, расположенном на животном. Если в данном контексте определяют, что на самом деле жвачка, вне всяких сомнений, не осуществляется, рассматриваемое измерение в отношении жвачки может быть отложено на определенный период времени, например, на полчаса.
Передача данных между устройством a, расположенным на животном, и станцией b оценивания не обязательно должна происходить беспроводным способом по каналу радиосвязи. Она также может осуществляться, например, за счет электропроводности с использованием тела животного в качестве электрического проводника как только животное прикасается к электроду, который находится в контакте со станцией оценивания, или по меньшей мере подходит так близко к электроду, что возможна передача сигнала за счет емкостной связи.
Возможно также выполнение преобразования Фурье на необработанных данных измерений ускорения или на меньшем количестве элементов данных из измерений ускорения, обрабатываемых согласно фиг. 1. Частота действий пережевывания при необходимости может быть считана в определенной степени, исходя из релевантных результатов, но результат является менее точным и менее однозначным, чем результат согласно последовательности операций, описанной со ссылкой на фиг. 1.
Для определяемой количественно переменной, которая была получена путем оценивания данных датчика и которая при определенных обстоятельствах показывает что-либо о мгновенном состоянии процесса жвачки, в дополнение к уже описанным переменным «число действий пережевывания, приходящееся на один пищевой комок» и «частота пережевывания», в рамках идеи настоящего изобретения возможны также следующие переменные, например: продолжительность фазы пережевывания, продолжительность фазы срыгивания, продолжительность фазы глотания, отношение указанных продолжительностей фаз друг к другу, средние величины ускорений во время отдельных фаз, отношения величин ускорений в разных фазах.
Способ, который подробно описан применительно к измерению жвачки, может применяться в основном аналогичным образом для измерения потребления корма, то есть, поедания. Потребление корма также происходит в каждом случае в виде повторяющихся последовательностей действий пережевывания и процесса глотания. Отличия от жвачки касаются частоты действий пережевывания (она выше, чем в случае жвачки) и интервала времени между двумя процессами глотания (он короче, чем в случае жвачки), а также заключаются в том, что во время потребления корма процесс глотания занимает меньше времени, чем процесс глотания-срыгивания во время жвачки.
В случае потребления корма меньшее число действий пережевывания между двумя процессами глотания указывает на то, что корм богат протеином; с другой стороны, большее число действий пережевывания между двумя процессами глотания указывают на то, что относительно большую долю корма составляет длинноволокнистая клетчатка.
Вместо подсчета действий пережевывания во время потребления корма можно также измерять интервал времени между следующими друг за другом процессами глотания. Информация об этом интервале времени в отношении корма и состояния животного может быть, как правило, сопоставлена с информацией о числовом соотношении действий пережевывания и процессов глотания, поскольку относительно длинный интервал времени между двумя процессами глотания находится в тесной связи с относительно большим числом действий пережевывания между двумя процессами глотания. Однако согласно предыдущим наблюдениям, число действий пережевывания, приходящееся на один процесс глотания, оказывается более информативным в качестве базы для сравнения среди разных животных, чем интервал времени между двумя процессами глотания. Оказывается, что частота пережевывания от одного животного к другому животному колеблется намного сильнее, чем количество корма, перемещаемого во время процесса глотания.
Питье чрезвычайно хорошо может быть выявлено по данным измеренного ускорения посредством дисперсионного анализа в форме сравнения дисперсии в двух смежных временных окнах, как описано выше для примера жвачки. При условии относительно малых значений ускорения имеется последовательность, которая повторяется с медленным ритмом, состоящая из относительно длинной фазы всасывания, во время которой ускорение фактически не происходит, и относительно короткой фазы глотания с относительно большим ускорением. К коров длительность периода цикла, который состоит из всасывания и глотания, составляет, как правило, 5-10 секунд.
Логическая операция 11 высшего порядка «Управление высшего порядка» представляет собой операцию управления высшего порядка. Например, в указанной операции могут быть учтены дополнительные влияющие переменные, отличные от переменных, выражающих только значения времени и ускорения. Как правило, учитывают события локализации и осуществляют их логическую обработку, а также предписания, которые могут быть заданы на интерфейсе пользователя таким образом, что они могут быть отредактированы. Благодаря операции 11, управление дополнительными этапами обработки, с помощью которых изучают и оценивают данные измеренного ускорения для определения, имеет ли место и если да, то как происходит потребление корма или питье, может осуществляться параллельно с этапами 4-8 обработки или, как альтернатива, для этих этапов.
Аналогично этому, с помощью операции 11 высшего порядка можно выявлять, как правило, на основе данных ускорения, осуществление жвачки, потребления корма или питья. Если в течение относительно длительного периода времени ничто из этого не происходит, регистрация и подробный анализ данных измерения ускорения могут быть ограничены, то есть они могут выполняться
«выборочно» только в периоды времени, отстоящие друг от друга с относительно большими интервалами. Вследствие этого, в частности в фазах сна, можно экономить энергию в устройстве a. Устройство a, разумеется, является носимым на животном, и поэтому для него требуются аккумуляторная батарея или аккумулятор.
При выполнении операции 11 сохраняют также результаты счета этапа 8 и при необходимости осуществляют их дальнейшую обработку для формирования дополнительной информации, если нужны сигналы тревоги и т.п. Аналогичным образом, при необходимости могут быть сохранены и подвергнуты дальнейшей обработке результаты, касающиеся потребления корма или питья.
С помощью дальнейшей обработки, например, генерируется и может быть выдана следующая информация:
число процессов глотания за сутки;
число процессов глотания во время потребления корма за сутки;
относительное число действий пережевывания, приходящееся на один процесс глотания во время жвачки;
относительное число действий пережевывания, приходящееся на один процесс глотания во время потребления корма;
число процессов глотания при питье;
отклонения от среднего значения отдельных чисел или относительных чисел по отношению к нормированному значению (или соответствующему среднему значению для стада);
отклонения от среднего значения отдельных чисел или относительных чисел по отношению к среднему значению для того же животного в предыдущие (избирательные) периоды времени;
информация о степени, в которой вышеуказанные отклонения указывают, например, на то, что животное находится или не находится в состоянии охоты, о прогнозируемом оптимальном периоде времени осеменения, слишком большом или слишком малом содержании протеина...;
разного рода информация о состоянии: здоровое нормальное состояние,
предполагаемый надой молока...
Способ в соответствии с настоящим изобретением пояснен и описан выше в основном применительно к дойным коровам.
Для специалиста в данной области техники, к которой относится изобретение, очевидно, что указанный способ может быть также адаптирован для применения в отношении других животных. Для этой адаптации должны быть идентифицированы по существу характеризующие значения ускорения, дисперсии и частоты повторения операций и соответствующим образом отрегулированы способы оценивания.