Možnosti digitalizácie niektorých procesov v živočíšnej výrobe
Hlavnými cieľmi chovu hovädzieho dobytka z výrobného hľadiska je hlavne produkcia mlieka a mäsa, ktoré majú významné postavenie vo výžive ľudí. Produkcia mlieka navyše zabezpečuje výrobcom kontinuálny prísun finančných prostriedkov. Bonusom pre spotrebiteľa sú potraviny, ktorých kvalita a bezpečnosť je overená generáciami. V chove dojníc sa využíva voľné ustajnenie s ležiskovými boxmi, pretože udržiava zvieratá čisté. Dojniciam poskytuje pohodlie pre odpočinok a znižuje vzájomné vyrušovanie medzi zvieratami.
Dojnice ležia denne 8 až 12 hodín. Ležanie dojníc v ležisku, resp. v chodbe, ich státie všetkými štyrmi nohami v boxe, ako i státie dvomi prednými nohami v boxe sú dôležitým etologickým prejavom, ktorý charakterizuje odozvu zvierat na kvalitu chovateľského prostredia. Ak sa predĺži čas ležania vysoko-produkčných dojníc o 1 hodinu denne, v závislosti od plemena sa môže zvýšiť produkcia mlieka až o 1,7 kg/deň/zviera. Frekvencia zalíhania a dĺžka jednotlivých intervalov odpočinku zvierat je dôležitým prejavom stupňa pohodlia a zdravotného stavu ustajnených zvierat s priamou nadväznosťou na úžitkové parametre dojníc. Samotnú dojnosť okrem kvality kŕmenia a napájania zvierat, mikroklímy, stavu znečistenia prostredia ovplyvňujú aj technické parametre ustajňovacích prvkov maštale. V chovateľskej praxi je dôležité vysledovať hlavne tie parametre, ktoré dokáže chovateľ zlepšiť. Aby boli výsledky čo najpresnejšie, treba merať aktivity zvierat pred zamýšľanou zmenou a po úprave technológie v objekte.
„Snímkovanie“ dojníc
Jeden zo známych spôsobov hodnotenia prejavov správania dojníc je metóda priameho pozorovania snímkovou metódou školenými pozorovateľmi s rôznymi záznamovými intervalmi. Výsledky sú následne vyhodnocované manuálne alebo s pomocou výpočtovej techniky. Metóda je jednoduchá a nevyžaduje si nákup žiadnych technologických zariadení. Zápis prebieha v intervale od 5 do 10 minút. Vyžaduje si však množstvo pracovníkov, ktorí najmä v súčasnosti v agrosektore a obzvlášť v živočíšnej výrobe chýbajú. Iný spôsob monitorovania etologických prejavov dojníc zahŕňa kamerové videosystémy s kontinuálnym snímaním a dodatočným manuálnym vyhodnotením. Môže byť realizovaný aj špeciálnymi kamerovými videosystémami s automatickým vyhodnotením pomocou jednoúčelového softvéru. Metóda si v súčasnosti vyžaduje prítomnú obsluhu na potvrdenie nameraného stavu. Výhodou je kontinuálny záznam obrazu, ktorý možno spätne analyzovať. Nevýhodami metódy sú finančná náročnosť, nefunkčnosť snímania v noci a nutnosť udržiavať kamerový systém čistý. V chovateľských podmienkach je udržanie požadovanej čistoty kamerového systému veľmi zložité.
Najznámejším spôsobom v súčasnosti je snímanie zvierat multifunkčnými pedometrami, ktoré sa používajú na opis individuálnych aktivít konkrétnych jedincov. Dojnice majú na končatine nainštalovaný pedometer, ktorý automaticky vyhodnocuje pohybovo-odpočinkové aktivity zvieraťa. Samotný prístroj je investične náročný. Pri väčšom počte zvierat je spolu so softvérom nákladovo veľmi blízky kamerovému systému. Priestorová informácia o polohe zvieraťa v maštali nie je zaznamenaná.
Kde ležia a aké plyny ich obklopujú
V roku 2013 sme spolu s kolegami na Technickej fakulte Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre začali skúmať šírenie ultrazvukových vĺn v priestore. Výsledky výskumu dali základ na rozvoj záznamového systému polohovej identifikácie zvierat, ktorý bol optimalizovaný na zisťovanie polohy zvierat v ležiskových boxoch v objektoch živočíšnej výroby. Vytvorili sme tím odborníkov z dvoch vedných oblastí. Doc. Ing. Jana Lendelová, PhD., s doc. Ing. Štefanom Pogranom, CSc., majú skúsenosti vo výskume v oblasti poľnohospodárskych stavieb pre živočíšnu výrobu s hodnotením vplyvu technických aspektov prostredia na kvalitu života zvierat. Spolu s kolegom doc. Ing. Martinom Olejárom, PhD., máme skúsenosti vo výskume a vývoji v oblasti automatizácie, meracích a riadiacich systémov s ľubovoľnou aplikáciou. Vo výsledku bola vytvorená jedinečná elektronika, firmvéry a hlavný softvér na spracovanie výsledkov o polohe zvierat.
|
Obr. 1: Doktorandka Ing. Lucia Boszorádová pomáhajúca pri experimentoch so systémom na meranie odrazených ultrazvukových vĺn nad ležiskovým boxom. |
Pri návrhu softvéru na spracovanie výsledkov sme sa zamerali na meranie času ležania a priestorovej orientácie dojníc v ležiskových boxoch pomocou ultrazvukových vĺn. Výkon ultrazvuku je automaticky regulovaný podľa potrieb snímacieho systému, čím je neustále optimalizovaná aj spotreba elektrickej energie. Navyše je spôsobom riadeného snímania vyriešený problém ovplyvnenia meraní odrazmi ultrazvukových vĺn zo susedných boxov. Vzorkovacia frekvencia merania pri jednom zariadení sa pohybuje v rozsahu od 100 do 200 ms, pri sériovom nasadení v ľubovoľnom počet zariadení menej ako 600 ms. Vďaka priemyselnej architektúre siete počet sledovaných zvierat nie je prakticky obmedzený. Navrhnutý a testovaný systém je vhodný do maštalí s prehĺbenými i vyvýšenými ležiskovými boxmi. Môže byť nainštalovaný v novostavbách, ale aj v starších objektoch bez významných dodatočných nákladov na technickú realizáciu. Možno ním autenticky sledovať rôzne vekové kategórie zvierat bez prítomnosti človeka pri akejkoľvek intenzite osvetlenia a klimatických podmienkach. Systém meria súčasne aj teplotu prostredia kvôli teplotnej závislosti rýchlosti šírenia ultrazvuku vo vzduchu. Je možné ho s minimálnymi nákladmi rozšíriť na meranie vlhkosti, metánu, oxidu uhličitého a iných plynov. Výsledky meraní môžu byť použité pri diagnostike ochorení končatín v súvislosti s konštrukčnými prvkami ležiska a jeho parametrami, kvalitou a množstvom podstielky, resp. kvalitou a povrchovou úpravou matracov alebo ich pristielaním.
Merací systém je prispôsobiteľný aj pre objekty s chovom ošípaných, v objektoch pôrodníc, v objektoch výkrmu a i. Systém môže pomáhať aj v individuálnych maštaliach pre chov koní pri zlepšovaní ich chovného prostredia, ako aj pre diagnostické účely. Vo všetkých prípadoch je rýchlo inštalovateľný, poskytuje získavanie údajov o zvieratách bez ich rušenia pozorovateľom a slúži k ďalšiemu presnému štatistickému spracovaniu údajov z celej série kontinuálne snímaných boxov bez prítomnosti pozorovateľov. Aby sme sa vyhli rušivým vplyvom ultrazvukového signálu, riešenie používa vlnu s frekvenciou 40 kHz. Hovädzí dobytok má maximálnu vnemovú frekvenciu pod 38 kHz. Pre lepšiu ilustráciu možno uviesť, že mladý človek má maximálnu vnemovú frekvenciu prostredníctvom sluchu 18 až 20 kHz. Hlavná výhoda použitia ultrazvuku je v jeho samočistiacom efekte bez potreby čistenia aj v tomto náročnom prostredí. Technické riešenie nahrádza komunikáciu chovateľa s dobytkom, nakoľko je ním možné zisťovanie vhodnosti konštrukcií a prostredia, pretože sa týka inovatívnej bezkontaktnej kontinuálnej možnosti sledovania a hodnotenia prejavov správania dojníc pri potrebe zmien prvkov chovateľského prostredia prostredníctvom zariadenia vyvinutého k rýchlemu vyhodnocovaniu akceptovania chovných podmienok a ich zmien zvieratami.
Testy na školskej farme SPU
Zariadenie bolo testované a nainštalované na farme SPU v Oponiciach, kde sa monitoruje správanie dojníc pri zmenách kvality ležiska. Obe časti systému sú upevnené v chráničke rozoberateľným spôsobom k pevným existujúcim častiam objektu a po skončení každého experimentu môžu byť využité na inom mieste aj v inom objekte. Spočiatku sme mali množstvo problémov s externými rušivými vplyvmi, vplyvom zmien prúdenia vzduchu, čo sme následne odlaďovali rôznymi doplňujúcimi algoritmami na strane počítačového softvéru. Systém je navrhnutý tak, aby nevyžadoval aktualizácie firmvérov jednotlivých jednotiek ležiskových boxov.
|
Obr. 2: Doktorand Ing. Vladimír Madola pri zbere informácií o šírení ultrazvukových vĺn potrebných na trénovanie neurónovej siete za účelom spresnenia algoritmu detekcie polohy dojnice v ležiskovom boxe. |
Za účelom urýchlenia výskumu a vývoja algoritmov na spracovanie signálov bol v roku 2022 vyvinutý a vyrobený jedinečný systém na spracovanie odrazov ultrazvukových signálov v akomkoľvek priestore s vysokou citlivosťou a vysokou vzorkovacou frekvenciou na ôsmich analógových kanáloch pre príjem odrazenej ultrazvukovej vlny. Bola použitá architektúra vysoko-výkonných 32-bitových mikrokontrolérov ARM, ktorá poskytuje možnosti ukladania nameraných údajov na USB flash. Pre jednoduchosť je systém napájaný z batérie a diaľkovo ovládaný prostredníctvom technológie Bluetooth z tabletu, mobilného telefónu alebo notebooku s ľubovoľným operačným systémom. Tento systém má význam aj v našej hlavnej oblasti výskumu - v autonómnej mobilnej robotike, kde je cieľom spoľahlivá detekcia prekážok. Riešením jedného problému sme získali cenné poznatky použiteľné v dvoch rozdielnych aplikáciách.
Určovanie polohy v boxe
V súčasnosti v rámci dizertačnej práce Ing. Vladimíra Madolu rozvíjame identifikovanie signálnych závislostí, na základe ktorých je možné jednoznačne identifikovať polohu zvieraťa v ležiskovom boxe. Tiež sa snažíme o syntézu identifikačného systému typu „čierna skrinka“ založenom na umelej inteligencii. V záujme výpočtovej efektivity a energetickej náročnosti sme pristúpili k racionalizácii energeticko-výpočtových požiadaviek v kompromisnom pomere výkon-spotreba. Čiastkovo sme vytýčili vybrané ukazovatele, ktoré sa naopak nehodia k spracovaniu na identifikáciu polohy zvieraťa, čo je zároveň našim novým vedeckým prínosom pre rozvoj skúmanej oblasti technickej praxe. Pokračovanie vo výskume a rozvoji zariadenia je dané cieľom znížiť nepresnosti meraní a identifikácie zvierat z pôvodných 9 % pod súčasné 1 %.
Meracia aparatúra je dostupná v podobe funkčných prototypov a je možné ju upravovať pre iné špecifické ciele. Pôvodne sme mali záujem o sériové nasadenie technológie do praxe, ale univerzita nedisponuje možnosťou uvedené zariadenia vyrábať. Aj z tohto dôvodu nie sú opísané zariadenia v stave výrobok v praxi dostupné. Opísaný systém je chránený patentom a je možné ho vyrábať a predávať na základe poskytnutia licencie. V rámci podpory uvedenia do praxe máme skúsenosti s prípravou technológie do stavu výrobok s kompletnou technickou dokumentáciou pre prípadnú sériovú výrobu zariadenia.
Meranie uhlíkovej stopy
V súčasnom období má meranie uhlíkovej stopy na farmách s produkciou mlieka prioritu. Živočíšna výroba bola vo všeobecnosti identifikovaná ako dôležitý zdroj emisií skleníkových plynov. Zdroje emisií v produkcii mlieka zahŕňajú enterickú fermentáciu, hnoj, poľnohospodársku pôdu na výrobu krmív, pohonné hmoty mechanizácie, elektrickú energiu, hnojivá a pesticídy. Nami vyvinutý systém v kolektíve s Ing. Kósom, PhD., a Ing. Mariánom Kiševom, PhD.,na meranie emisií plynov v spojení s dronom je použiteľný v podmienkach exteriéru. Samotný merací systém koncentrácie plynov je však možné prevádzkovať aj ako stacionárne zariadenie v podmienkach interiéru objektov živočíšnej výroby. Systém je založený na výsledkoch výskumu od roku 2016 a dvoch dizertačných prác. V tomto prípade sa ochrana duševného vlastníctva vzhľadom na nízky potenciál z pohľadu početnosti odberateľov technológie ukázala ako ekonomicky neefektívna.
Meranie je najpresnejšie a súčasne najdrahšie riešenie na vyhodnotenie kvality ovzdušia. Modelovanie je menej presné, poskytuje však lepší prehľad o pokrytí vybranej oblasti. Umožňuje však skúmať rôzne scenáre šírenia koncentrácie znečisťujúcich látok v ovzduší.
Typy používaných modelov sú Gaussovské vlečkové modely (vychádzajú zo stacionárneho riešenia rovnice turbulentnej difúzie), Lagrangeovské modely (opisujú šírenie polutantov v atmosfére tak, že sledujú individuálne vzduchové častice alebo oblaky, ktoré sú transportované v poli prúdenia), Eulerovské modely (numerické riešenie sústav diferenciálnych rovníc, chemické submodely, najčastejšie používaný je SAPRC99 z r. 2000), štatistické modely (založené na neurónových sieťach alebo Kalmanovom filtri, neprenosné, predpoveď smogových situácií) a fyzikálne modely (veterný tunel).
Keď merajú drony
Sú známe riešenia na bezpilotné merania zloženia plynov v atmosfére založené na použití dronu alebo bezpilotného lietadla. Jedným z riešení je diaľkovo ovládané lietadlo vyvinuté na univerzite v Katare autormi Khalid Al-Hajjaji, ktoré je zamerané na meranie koncentrácie ozónu, oxidu uhoľnatého, oxidu uhličitého, smogu a LPG. Riešenie je vhodné do prostredia s rovnomerne rozloženou koncentráciou meraných plynov na veľkú vzdialenosť. Nie je však vhodné na presné merania v oblakoch dymu, ťažšie dostupných priestoroch a podobne, pretože lietadlo svojou činnosťou koncentrované plyny v užšom pásme rozvíri a rozptýli v priestore. Podobne štúdie taiwanských vedcov Chih-Chung Chang a kol. používajúce dron neriešia rozvírenie meraného vzduchu jeho činnosťou, a teda nie sú vhodné na podrobnejšiu analýzu prirodzeného rozptylu plynov v okolí zdrojov znečistenia ovzdušia a nezaoberá sa tým ani americký tím Schuyler a kol. Sledovaním ovplyvnenia koncentrácie vybraných plynov vo vzduchu dronom sa venoval kolektív Tommasa Francesca Villa v roku 2016, ktorých riešením je dva metre dlhá, do boku vysunutá tyč so snímačmi. Toto riešenie však vie merať bez ovplyvnenia vzduchu len prístupom zo strany.
| Obr. 3: Sprava doc. Ing. Vladimír Cviklovič, PhD., a Ing. Patrik Kósa, PhD., pri prezentácii dronu na meranie koncentrácie vybraných plynov v ovzduší na podujatí Dni poľa 2022. Na obrázku tiež možno vidieť unikátny zavesený systém snímačov plynov v ochrannom kryte. (foto: Lujza Záhoráková, Ing. Martin Baráth) |
Zariadenie je odskúšané na Slovenskej poľnohospodárskej univerzite v Nitre a používané na výskumné účely. Systém je funkčný a s výhodou ho možno používať na presnejšie monitorovanie šírenia plynov v ovzduší zo zdroja znečistenia. Prototyp je zameraný na plyny CO, CO2, NOx, O2, plyny z biologických procesov a pevné častice v ovzduší. Namerané údaje, ich polohová orientácia je zobrazená pomocou softvéru, ktorý načíta namerané údaje uložené v súboroch na USB kľúči alebo SD karte.
| Obr. 4: Dron uspôsobený na nosenie meracích aparatúr s navijakom vyvinutým Ing. Patrikom Kósom, PhD., v rámci jeho dizertačnej práce. (foto: Lujza Záhoráková, Ing. Martin Baráth) |
Využiteľnosť systému vidíme nielen v okolí objektov živočíšnej výroby. Zariadenie môže byť používané aj na presnejšiu kontrolu koncentrácie škodlivých látok v priemyselných oblastiach. Výhodou zariadenia je možnosť zistenia skutočného stavu v zložitých terénoch, keď je zvyčajne šírenie emisií zo zdrojov odvodené zo správania zmenšeného modelu reliéfu prostredia v laboratórnych podmienkach. Významne sa tým skráti čas zisťovania skutočného stavu, pretože výroba modelov s potrebnými meracími aparatúrami je nielen finančne, ale aj časovo náročná.
Použitá literatúra je k dispozícii u autora.
Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Národná infraštruktúra pre podporu transferu technológií na Slovensku II, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
