ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ В СВИНОВОДСТВЕ

Кольчик И.Е.

УДК 636.4:62-9 DOI 10.51794/27132064-2021-3-71

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ

В СВИНОВОДСТВЕ

И.Е. Кольчик, кандидат технических наук ИМЖ - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: kolchik.ivan@bk.ru

Аннотация. Приведен краткий обзор исследований, посвященных тепловизионному контролю температуры тела свиней. Наблюдение за животными с использованием тепловизоров снижает трудоемкость и значительно повышает скорость выявления больных особей в стаде, что обусловливает экономическую эффективность использования данных устройств и на сегодняшний день является наиболее передовой технологией контроля физиологического состояния животных. Предлагается принципиальная схема размещения тепловизионного оборудования для контроля изменений температуры воздуха в животноводческих помещениях. Вместе с тепловизионным оборудованием предлагается использовать совокупность поверхностей считывания температурных показателей, для которых заданы коэффициент излучения, угол размещения плоскости поверхностей относительно оси направления тепловизионной съемки, а также известны их геометрические размеры и расстояние до тепловизора. Данный способ контроля более информативен, чем традиционный, базирующийся на установке датчиков температуры, т. к. при его использовании отсутствуют ограничения на количественный состав и пространственное (в пределах прямой видимости) размещение поверхностей считывания температурных показателей. Поверхности считывания при этом значительно дешевле датчиков температуры и не подвержены воздействию агрессивных сред. Размещение данных поверхностей в области воздействия локальных устройств управления микроклиматом позволяет оценить эффективность работы оборудования, а также, базируясь на получаемой информации, сделать микроклимат для животных более комфортным, что позитивно отобразится на продуктивности животноводства.

Ключевые слова: свиноводство, тепловизионный контроль, микроклимат, температура тела свиней.

Введение. Рост численности населения (ожидается, что к 2050 году на планете будет проживать более 9 млрд человек) предопределяет предстоящий рост потребности человечества в продуктах питания, в особенности, в мясе, что в свою очередь потребует интенсификации процесса его производства.

Увеличить присутствие продуктов свиноводства в рационе населения, в особенности населения развивающихся стран, обладающего наибольшими темпами роста, возможно, лишь снизив их себестоимость для обеспечения широкой доступности данных продуктов. Интенсификация производства и снижение себестоимости продукции невозможны без сокращения использования человеческого труда и широкого внедрения в производственный процесс цифровых технологий.

Одним из важнейших факторов, обеспечивающих требуемые условия для эффективного роста животных, являются создание

комфортного микроклимата в помещении и контроль за стабильностью его параметров. Именно в данном направлении наилучшим образом используются разработки цифровой индустрии, при этом потенциал совершенствования применяемых решений далеко не исчерпан [1, 2].

Цель исследований:

- выполнить анализ известных направлений использования тепловизионного контроля на свиноводческих фермах;

- исследовать возможность использования постоянного тепловизионного контроля в системе автоматизированного управления микроклиматом животноводческих помещений.

Методика. При проведении исследований технологий и оборудования систем теп-ловизионного контроля в животноводческих помещениях использовались информационный анализ, информационно-аналитический мониторинг, патентный поиск.

Результаты исследований. Тело свиньи, как и любого теплокровного существа, является источником теплоты, излучаемой во внешнюю среду. При этом температура поверхности кожного покрова резко контрастирует с температурой окружающей среды, что с большой степенью точности может быть зафиксировано современным теплови-зионным оборудованием (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид свиньи через тепловизионную камеру

Мировой опыт использования тепловизи-онной техники в свиноводстве преимущественно состоит из попыток выявления заболеваний, сопровождающихся повышением температуры тела животных. Ранним симптомом многих заболеваний свиней, в том числе и африканской чумой свиней (АЧС), является повышение температуры тела животного до 41-43°С. Своевременно выявлять эпидемии и быстро реагировать на них позволяет лишь постоянный мониторинг температуры тела свиней. Ранее измерения внутренней температуры тела свиней производились ректально с помощью ртутного термометра. Очевидно, что для крупных свинокомплексов данный способ не подходит из-за высокой трудоемкости, низкой оперативности, а также высокой вероятности перекрестного заражения животных. Не позволяет исключить использование человеческого труда и применение бесконтактных инфракрасных термометров.

В настоящее время на мировом рынке наблюдается многократный рост продаж тепловизоров, связанный с острой необходимо-

стью автоматизации контроля температуры тела у людей в период широкого распространения вируса Covid-19. Применение тепловизоров позволяет своевременно выявлять индивидов с повышенной температурой тела, в значительной мере снижать интенсивность распространения вируса в местах массового скопления людей. Не менее значимых результатов можно достичь и при использовании тепловизионного контроля в животноводстве. Некоторые крупные мировые производители свинины в последние годы начали применять тепловизионное наблюдение за животными на своих фермах. Так, непрерывный тепловизионный контроль внедрен фирмой Muyuan Foodstuff на новом свиноводческом комплексе, расположенном вблизи городского округа Наньян (провинция Хэнань, КНР). Многоэтажные корпуса комплекса рассчитаны на 84 тыс. свиноматок с поросятами. Применять тепловизоры для наблюдения за состоянием здоровья животных было решено после подсчета экономического ущерба, нанесенного свиноводству КНР в 2018-2019 годах эпидемией АЧС [3].

Исследования, выполненные в области инфракрасной термометрии животных, выделяют ряд зон на их теле, температура которых, полученная в результате тепловизи-онной съемки, и внутренняя температура тела животного дают хорошую корреляцию. У свиней так называемыми «тепловыми окнами» являются глаза [4], область ануса [5, 6] и область сочленения ушей с туловищем [7]. В работе [8] предложена количественная модель, связывающая температуру указанных областей и внутреннюю температуру тела животных.

Информация об излучающей способности объекта является ключевой для термографических измерений. Так, исследованиями [7] установлен коэффициент излучения тела свиньи, находящийся в пределах 0,946-0,978. При этом максимальные его значения отмечены на участках вымени (0,975) и у основания ушей (0,978), а минимальное - на спине (0,946). Показания температуры, полученные при тепловизионных замерах, зависят и от внутренней температуры, и от условий окру-

жающей среды. При более высоких температурах окружающей среды терморегуляция направляет усиленный кровоток к тканям кожи, что приводит к повышению ее температуры. При низкой температуре окружающей среды температура кожи у взрослых свиней ниже за счет жировой прослойки. Такие участки поверхности, как кожный покров за ухом или вымя, лишены шерсти или изоляционной жировой прослойки и лучше отражают внутреннюю температуру тела взрослых свиней. Информация, получаемая по результатам ИК-термометрии в свиноводстве, облегчает процесс выявления воспалений у животных [9, 10], мониторинг овуляций [11, 12], позволяет выявлять аномальное поведение особей [13] и даже выполнять оценку их роста [14, 15].

Современный тепловизор последовательно выполняет такие операции, как улавливание ИК-оптикой теплового излучения поверхностей, на которые он направлен, цифровое распределение этого теплового излучения по величинам температур, построение термографической картинки - тепловой карты объекта. Если рассматривать данные действия с точки зрения скорости человеческой реакции, то весь процесс происходит, по существу, мгновенно. Однако последующий анализ визуальной информации человеком в значительной мере задерживает принятие решений. Поэтому выполнение анализа теп-ловизионной съемки рационально также предоставить компьютеру. В основу цифрового анализа термограмм целесообразно положить применение методов и алгоритмов теории распознавания образов, позволяющих полностью исключить участие человека в решении задач идентификации объектов, с поверхности которых считывается информация, для последующего выбора действий, предусмотренных алгоритмом программы. На сегодняшний день вопрос о полной автоматизации процесса тепловизионного контроля в животноводстве все еще остается открытым.

Диагностика болезней и травм животных значительно ускоряется при использовании тепловизионного оборудования, при своевре-

менном начале лечения снижается риск осложнения заболеваний, ускоряется процесс выздоровления, что формирует экономический эффект от применения оборудования. Увеличит этот эффект использование тепловизоров для наблюдения за температурой воздуха в помещении фермы. При этом будет формироваться более полная картина распределения температуры в помещении, чем при использовании информации от стандартных датчиков, что позволит повысить эффективность использования локальных средств обогрева, охлаждения и вентиляции, а также снизит энергопотребление за счет более точного пространственного выделения областей с аномальными температурами.

Использование тепловизионной техники в условиях животноводческих комплексов, как и в условиях любых иных специфических производств, сопряжено с рядом технологических особенностей, требующих особого внимания. На достоверность результатов измерения температуры отдельных объектов оказывают влияние следующие факторы:

- коэффициент излучения материала исследуемого объекта;

- наличие искусственных или естественных источников света и теплоты, направленных на объект;

- скорость воздушного потока, обдувающего объект;

- расстояние до объекта;

- повышенная влажность и запыленность воздуха.

Некоторые из этих факторов в полной мере учитываются, поскольку достаточно хорошо изучены, исследование других, с поправкой на специфику области применения, еще предстоит выполнить. Так, при проведении тепловизионного контроля следует учитывать, что коэффициент излучения материала зависит от угла съемки. Для большинства материалов он определен и стабилен при отклонении плоскости поверхности от плоскости, перпендикулярной оси съемки, на угол не более 40-60°. В случае превышения этого предела отражательная способность материала начинает превалировать, что искажает картину теплового изображения.

Помехой, создаваемой окружающей средой, считается тепловой поток от окружающих предметов, таких, как Солнце, нагреватели, калориферы, лампы электрического освещения и т. п. Тепловой поток может либо напрямую попадать на входной зрачок тепловизора, либо после отражения от объекта контроля. Прямое излучение устраняют, используя экраны, фильтры и т. п. Как показано в работе [16], ошибка измерения, обусловленная отраженным излучением электрической лампы, на расстоянии 4 м от объекта составляет 0,2%. При уменьшении расстояния до 1 м ошибка увеличивается до 3,1%. Вклад излучения, отраженного от объекта контроля, учитывают соответствующими поправками. В современных тепловизорах данная процедура предусмотрена и называется введением поправки на «отраженную температуру». Также качественное измерение температуры объекта требует введения информации о параметрах атмосферы (влажности, запыленности) и расстоянии до объекта.

Для установления характера распределения температурного градиента внутри помещения с содержащимися в нем свиньями предлагается размещать в каждом из загонов поверхности считывания температурных показателей (рис. 2). Определение их температуры является функцией тепловизора, перемещающегося вдоль помещения по направляющим, закрепленным у потолка при помощи электропривода. Считывание температурных показателей производится со всех установленных поверхностей с заданным одинаковым коэффициентом излучения. На обратном пути движения тепловизора производится определение температуры кожного покрова животных. Тепловизор снабжается поворотным устройством и по мере своего продвижения вдоль помещения поочередно производит считывание информации по обе стороны от траектории движе-

ния. Информация в опНпе-режиме передается на контролирующее устройство, где распознается, обрабатывается, а далее, согласно прописанному алгоритму, принимается тот или иной вариант действий. Если отмечена повышенная температура у одной или нескольких особей, то требуются мероприятия по изолированию их от остального стада, если получена информация об изменении температуры с поверхностей считывания, то необходим анализ возможных причин данного факта и требуемых мер по его устранению. Поверхности считывания температурных показателей предлагается выполнять из фрагментов доски или фанеры, покрытых масляной краской матового черного цвета. Такой краситель имеет коэффициент излучения материала, равный 0,98 (наибольший коэффициент среди красителей), что обеспечит максимальную точность измерений.

Рис. 2. Схема размещения тепловизионного устройства и поверхностей считывания температурных показателей: 1 - направляющие;

2 - тепловизионное устройство; 3 - поверхности считывания температурных показателей.

В сравнении со стандартными датчиками температуры поверхности считывания температурной информации имеют два основных преимущества: дешевизна изготовления и устойчивость к агрессивным средам. Благодаря этому, появляется возможность использования значительного их числа, что

позволит получать точную картину распределения температурного градиента в пределах всего воздушного объема помещения, учитывая и области размещения локальных средств обогрева и охлаждения.

Выводы. Анализ современных тенденций в использовании тепловизионной техники в свиноводстве, а также перспективы расширения сферы ее применения позволяют сделать следующие выводы:

1. Использование тепловизионного контроля в свиноводческих помещениях значительно ускоряет процесс выявления больных животных и снижает его трудоемкость, что позволяет своевременно реагировать на возникающие угрозы распространения инфекционных заболеваний и повышает эффективность производства свинины.

2. Тепловизионный способ наблюдения за распределением градиента температур внутри свиноферм более информативен, чем традиционный, базирующийся на установке датчиков температуры, т. к. не ограничивает ни количественный состав, ни пространственное размещение поверхностей считывания температурных показателей. Это позволяет анализировать сотни позиций, создавая целостную картину распределения температуры внутри помещения, выявляя степень эффективности локальных средств обогрева и охлаждения, что, в свою очередь позволит создавать наиболее комфортные условия для содержащихся в помещениях животных и повышать продуктивность их содержания.

Литература:

1. Ivanov Yu., Novikov N. Digital intelligent microclimate control of livestock farms // E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 175. P. 11012.

2. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. М.: ИД Спектр, 2009. 544 с.

3. Patton D. Flush with cash, chinese hog producer builds world's largest pig farm. URL: https://www.reuters.com/ article/idUSKBN2 8H0MU

4. Difference method for analysing infrared images in pigs with elevated body temperatures / Siewert C. etc. // Zeitschrift für Medizinische Physik. 2014. № 24. P. 6-15.

5. Determination of piglets' rectal temperature and respiratory rate through skin surface temperature under climatic chamber conditions / Mostago G.M. etc. // Engenharia Agrícola. 2015. № 35. P. 979-989.

6. Non-contact evaluation of pigs' body temperature incorporating environmental factors / Jia G. etc. // Sensors. 2020. № 20(15). P. 4282.

7. Determining the emissivity of pig skin for accurate infrared thermography / Soerensen D.D. etc. // Computers and Electronics in Agricultere. 2014. Vol. 109. P. 52-58.

8. Application of infrared thermography to measure body temperature of sows / Traulsen I. etc. // Züchtungskunde. 2010. № 82. P. 437-446.

9. Infrared thermography: A potential noninvasive tool to monitor udder health status in dairy cows / Sathiyabarathi M. etc. // Veterinary World. 2016. № 9. P. 1075-1081.

10. Actinobacillus pleuropneumoniae challenge in swine: Diagnostic of lungalterations by infrared thermography / Menzel A. etc. // BMC Veterinary Research. 2014. № 10. P. 199.

11. Variations in the vulvar temperature of sows during proestrus and estrus as determined by infrared thermogra-phy and its relation to ovulation / Simoes V.G. etc. // The-riogenology. 2014. № 82. P. 1080-1085.

12. Determination of ovulation time in sows based on skin temperature and genital electrical resistance changes / Luno V. etc. // The Veterinary Record. 2013. № 172. P. 579.

13. The automated analysis of clustering behaviour of piglets from thermal images in response to immune challenge by vaccination / Cook N. etc. // Animal. 2017. № 12. P. 1-12.

14. Piglets' surface temperature change at different weights at birth / Caldara F.R. etc. // Asian Australasian Journal of Animal Sciences. 2014. № 27. 431-438.

15. Feasibility study on the use of infrared thermography to classify fattening pigs into feeding groups according their body composition / Lengling A. etc. // Sensors. 2020. № 20. P. 5221.

16. Numerical system for infrared scanners and application in the subsurface control of materials by photothermal radiometry / Beaudoin J.L. etc. // Proc. of SPIE "Infrared Technology and Applications". 1985. V. 590. P. 287.

Literatura:

1. Ivanov Yu., Novikov N. Digital intelligent microclimate control of livestock farms // E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 175. P. 11012.

2. Vavilov V.P. Infrakrasnaya termografiya i teplovoj kontrol'. M.: ID Spektr, 2009. 544 s.