一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法、装置及介质

1.本发明涉及畜禽智慧养殖技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法、装置及介质。


背景技术：

2.传统的畜禽养殖模式通常是依靠经验和直觉进行管理，难以做到精细化管理，而导致生产效率低下，资源浪费严重。例如，畜禽通常处于拥挤、不卫生、不舒适的环境中，畜禽难以得到足够的关注和保护，疾病也难以得到及时的诊治。同时，传统养殖业需要大量的人力物力投入，也无法精确的获得每一只猪的舒适性。另外，畜禽处于极端环境条件下的实验往往应不满足动物福利无法进行。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法、装置及计算机可读存储介质，通过对真实畜禽进行建模和仿真，实现对畜禽的管理、监测和优化，从而为畜禽生产提供精细化管理和高效化决策支持，同时减少了对真实畜禽的损害和成本，具有很高的经济效益和社会意义。
4.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
5.第一方面，本技术提供一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，所述方法包括：
6.采集畜禽的真实数据，所述真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；
7.基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型，所述虚拟畜禽模型包括几何映射实体和产热散热模型，所述几何映射实体，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练得到；
8.基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。
9.在本技术的一种实现方式中，所述采集畜禽的真实数据，包括：
10.通过预先设置的传感器采集所述畜禽的真实数据，并通过物联网传输所述真实数据；
11.所述方法还包括对采集的所述数据数据进行预处理，包括：数据清洗、数据集成和数据转换。
12.在本技术的一种实现方式中，所述基于产热散热模型，将所述环境条件和所述养殖信息作为输入，将所述生理性能和所述生产性能作为输出，构建数据集进行训练。
13.在本技术的一种实现方式中，所述基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果，包括：
14.接收所述设定的场景对应的测试数据，所述测试数据包括待测试场景的环境条件和养殖信息；
15.将所述测试数据输入所述产热散热模型，预测所述测试数据对应的生理性能和生产性能。
16.在本技术的一种实现方式中，所述基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果，还包括：
17.所述几何映射实体，根据所述测试数据以及所述产热散热模型的输出，进行畜禽外观和行为的展示；所述测试数据还包括所述畜禽的体型数据和行为特征。
18.在本技术的一种实现方式中，所述测试数据，包括在所述设定的环境中采集的畜禽的真实数据，或者所述虚拟畜禽模型阐述的孪生数据。
19.第二方面，本技术提供一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置，所述装置包括：
20.数据采集模块，用于采集畜禽的真实数据，所述真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；
21.模型建立模块，用于基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型；所述虚拟畜禽模型，包括几何映射实体和产热散热模型；所述几何建模模块，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练；
22.场景测试模块，用于基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。
23.在本技术的一种实现方式中，所述数据采集模块，通过预先设置的传感器采集所述畜禽的真实数据，并通过物联网传输所述真实数据；所述数据采集模块还对采集的所述数据数据进行预处理，包括：数据清洗、数据集成和数据转换。
24.在本技术的一种实现方式中，所述产热散热，将所述环境条件和所述养殖信息作为输入，将所述生理性能和所述生产性能作为输出，构建数据集进行训练；
25.所述场景测试模块，接收所述设定的场景对应的测试数据，所述测试数据包括待测试场景的环境条件和养殖信息，将所述测试数据输入所述产热散热模型，预测所述测试数据对应的生理性能和生产性能；
26.所述场景测试模块，还根据所述测试数据以及所述产热散热模型的输出，通过所述几何映射实体，进行畜禽外观和行为的展示；所述测试数据还包括所述畜禽的体型数据和行为特征。
27.第三方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述第一方面所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法。
28.第四方面，本技术提供一种计算机设备，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序实现上述第一方面所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法。
29.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明申请方案中，采集畜禽的真实数据，基于真实数据中的体型数据和行为特征，构建畜禽的几何映射实体，用于模拟畜禽的外观和行为；再基于真实数据中的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能，进行训练得到畜禽对应的虚拟畜禽模型；基于训练得到的虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果，从而通过对真实畜禽进行建模和仿真，实现对畜禽的管理、监测和
优化，从而为畜禽生产提供精细化管理和高效化决策支持，同时减少了对真实畜禽的损害和成本，具有很高的经济效益和社会意义。
附图说明
30.图1是本技术实施例提供的一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法的流程示意图；
31.图2是本技术实施例中的一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置的模块功能示意图；
32.图3是本技术实施例中的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.针对传统养殖业难以做到精细化管理，导致生产效率低的问题。本技术相应提供一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法、装置及计算机可读存储介质。其中，所述的方法，包括：采集畜禽的真实数据，所述真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型，所述虚拟畜禽模型包括几何映射实体和产热散热模型，所述几何映射实体，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练得到；基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。本技术方案，为畜禽生产提供精细化管理。
35.参见图1，在本技术实施例的一个方面中，提供了一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法。
36.所述方法，包括：
37.s11，采集畜禽的真实数据。
38.具体的，真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能。
39.其中，体型数据，可以但不限于包括身体尺寸、身体结构，如身长、体重、肩高、体高、胸深、体腔深度、骨骼结构、皮毛颜色等；
40.行为特征，例如可以包括站立、蹲坐、躺卧、行走、奔跑、跳跃、觅食、休息等行为，以及行为频率、持续时间、速度、姿势等信息。
41.环境条件，可以包括温度、湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度、照明强度等环境参数。
42.养殖信息，包括饲料类型和用量、饮水量、清洁情况、免疫接种情况等。
43.生理性能，可以包括心率、呼吸频率、消化吸收、能量消耗等生理指标。
44.生产性能包括产蛋量、出肉量、繁殖率、生长速度等生产性能指标。
45.在本技术实施例中，不同品种的畜禽应按照畜禽特点进行对应数据的收集。畜禽
的真实数据获取通过在养殖场内部署各类智能感知设备硬件资源，智能感知设备包括传感器、摄像头、rfid识别器等，这些设备通过无线传输方式将采集到的数据上传到物联网平台，实现数据的实时监测和收集；同时，物联网平台可以对这些数据进行存储、处理、分析。设备的选型需要根据畜禽场的实际情况和需求，选用不同类型和规格的智能感知设备，布置在畜禽场的关键位置和区域，以便有效地采集到畜禽的真实数据。在获取数据时对数据进行预处理，包括：数据清洗、数据集成和数据转换；数据清洗指需要处理和解决数据中的缺失值、异常值、重复值和错误值等问题，以确保数据的完整性和准确性；数据集成指当数据来自不同的数据源时，需要将这些数据源集成到一个数据集中，其中，需要解决数据的命名冲突、数据类型不一致等问题；数据转换指需要将数据转换为适合模型使用的形式，例如，需要将类别数据转换为数值型数据，或进行特征缩放。
46.s12，基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型。
47.其中，所述虚拟畜禽模型包括几何映射实体和产热散热模型。
48.所述几何映射实体，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为。
49.具体的，在建立几何映射实体时，在体型数据和行为特征数据中提取关键特征，例如畜禽的身体尺寸、重心位置、运动轨迹等；使用三维建模软件，根据提取到的特征数据建立畜禽的几何模型，可以使用多边形网格或参数化曲面来建立该模型；对建立的几何模型进行细节优化，例如调整模型细节、纹理、材质等，使模型更加真实；完成后将建立的几何模型与真实畜禽进行比对，以验证其准确性。所述几何映射实体中，不同的畜禽对应不同的几何映射实体，针对同一种畜禽，可以建立多个不同的几何映射实体，以展现畜禽在不同生长条件下的典型外观和行为信息。
50.所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练而得到。
51.具体的，在构建的几何映射实体基础上，基于环境条件、生理性能、生产性能数据利用智能算法训练得到产热散热模型，对虚拟畜禽的行为、对外界环境的反应和对健康状况的分析进行模拟。所述产热散热模型建立中，使用环境条件和养殖信息作为输入，生理性能和生产性能数据作为输出，通过深度学习、机器学习，如卷积神经网络等技术，将畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能、生产性能数据进行关联，并以此构建数据集训练模型。根据收集到的真实数据和虚拟畜禽模型，该模型可以预测和模拟虚拟畜禽的生理性能和生产性能结果，例如生长速度、饲料转化率、疾病发生率等指标；同时，利用虚拟畜禽模型还可以对畜禽的行为、环境反应以及健康状态进行模拟和监测。几何构建实体根据模型输入数据和预测结果决定其展现内容，当输入新的环境条件、养殖信息等数据时，虚拟畜禽模型根据这些数据，计算出对应的生理性能和生产性能结果，然后再将这些结果应用到几何构建实体中，进而更新虚拟畜禽的展现内容，这个过程可以反复进行，以保证虚拟畜禽模型的预测和模拟效果越来越准确。
52.s13，基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。
53.具体的，通过不断接收畜禽的数据动态训练虚拟畜禽模型以提高其预测和模拟的精度并用于研究、设计、测试等各种应用场景，例如，可以利用虚拟畜禽模型来设计优化养殖环境，研究不同饲料组合的效果，测试新的养殖方案等等。这些应用场景可以帮助养殖业
更好地适应市场需求和环境变化，提高养殖效益和畜禽养殖的可持续性。接收数据可以是在实际畜禽场景中收集到的真实数据，也可以是在使用虚拟畜禽模型时生成的数字孪生数据。
54.上述方法，可以应用于畜禽养殖、畜禽保健、疾病预防和环境保护等领域。在畜禽养殖方面，虚拟畜禽系统可以实现对畜禽生产过程的精细管理和优化，提高畜禽的生产效率和健康水平。在畜禽保健方面，虚拟畜禽系统可以实现对畜禽健康状况的实时监测和预警，及时发现和处理疾病。在环境保护方面，虚拟畜禽系统可以实现对畜禽场的环境影响进行评估和优化，减少畜禽养殖对环境的污染和破坏。与现有技术相比虚拟畜禽可以提供实时的监测和控制，帮助管理者更好地了解养殖场内畜禽的健康状况、生长情况、饮食习惯等，同时还可以对环境、饲料、光照等因素进行监测和控制，从而最大程度地提高生产效率，减少资源浪费，保障动物福利，减少环境污染，提高养殖场的经济效益和社会效益。
55.在本技术实施例中的另一方面，还提供一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置。该装置可以以硬件或软件的方式实现于计算机设备中。
56.如图2所示，在本技术的实施例提供了一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置200，该装置包括：
57.数据采集模块201，用于采集畜禽的真实数据，所述真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；
58.模型建立模块202，用于基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型；所述虚拟畜禽模型，包括几何映射实体和产热散热模型；所述几何建模模块，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练；
59.场景测试模块203，用于基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。
60.上述实施例提供的装置，采集畜禽的真实数据，基于真实数据中的体型数据和行为特征，构建畜禽的几何映射实体，用于模拟畜禽的外观和行为；再基于真实数据中的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能，进行训练得到畜禽对应的虚拟畜禽模型；基于训练得到的虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果，从而通过对真实畜禽进行建模和仿真，实现对畜禽的管理、监测和优化，从而为畜禽生产提供精细化管理。
61.上述装置可以以硬件或软件的方式实现于计算机设备中，从而供计算机设备实现本技术实施例中的海上油田群电网等值频率响应建模方法，所述方法的具体可以参照前述实施例的描述，在此不再重复赘述。
62.在本技术实施例中，还相应提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，在计算机设备执行该计算机程序时，实现本技术实施例中的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法。
63.其中，所实现的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，其流程步骤包括：
64.采集畜禽的真实数据，所述真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；
65.基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型，所述虚拟畜禽模型包括几何映射实体和产热散热模型，所述几何映射实体，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模
拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练得到；
66.基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。
67.参照图3提供的一种计算机设备600。该实施例的计算机设备600包括：处理器601、存储器602以及存储在存储器中并可在处理器601上运行的计算机程序603，处理器601执行计算机程序603时实现实施例中的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，为避免重复，此处不一一赘述。或者，该计算机程序被处理器601执行时实现实施例中基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置中各模型中/单元的功能，为避免重复，此处不一一赘述。
68.计算机设备可包括，但不仅限于，处理器601、存储器602。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是计算机设备600的示例，并不构成对计算机设备600的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算机设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
69.所称处理器601可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
70.存储器602可以是计算机设备600的内部存储单元，例如计算机设备600的硬盘或内存。存储器602也可以是计算机设备600的外部存储设备，例如计算机设备600上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。进一步地，存储器602还可以既包括计算机设备600的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器602用于存储计算机程序以及计算机设备所需的其他程序和数据。存储器602还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
71.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
72.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
73.上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例上述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
74.以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

技术特征：
1.一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，其特征在于，所述方法包括：采集畜禽的真实数据，所述真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型，所述虚拟畜禽模型包括几何映射实体和产热散热模型，所述几何映射实体，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练得到；基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，其特征在于，所述采集畜禽的真实数据，包括：通过预先设置的传感器采集所述畜禽的真实数据，并通过物联网传输所述真实数据；所述方法还包括对采集的所述数据数据进行预处理，包括：数据清洗、数据集成和数据转换。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，其特征在于，所述基于产热散热模型，将所述环境条件和所述养殖信息作为输入，将所述生理性能和所述生产性能作为输出，构建数据集进行训练。4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，其特征在于，所述基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果，包括：接收所述设定的场景对应的测试数据，所述测试数据包括待测试场景的环境条件和养殖信息；将所述测试数据输入所述产热散热模型，预测所述测试数据对应的生理性能和生产性能。5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，其特征在于，所述基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果，还包括：所述几何映射实体，根据所述测试数据以及所述产热散热模型的输出，进行畜禽外观和行为的展示；所述测试数据还包括所述畜禽的体型数据和行为特征。6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，其特征在于，所述测试数据，包括在所述设定的环境中采集的畜禽的真实数据，或者所述虚拟畜禽模型阐述的孪生数据。7.一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置，其特征在于，所述装置包括：数据采集模块，用于采集畜禽的真实数据，所述真实数据包括所述畜禽的体型数据和行为特征，还包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；模型建立模块，用于基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型；所述虚拟畜禽模型，包括几何映射实体和产热散热模型；所述几何建模模块，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练；场景测试模块，用于基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。8.根据权利要求7所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置，其特征在于，所述数据采
集模块，通过预先设置的传感器采集所述畜禽的真实数据，并通过物联网传输所述真实数据；所述数据采集模块还对采集的所述数据数据进行预处理，包括：数据清洗、数据集成和数据转换。9.根据权利要求7所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模装置，其特征在于，所述产热散热，将所述环境条件和所述养殖信息作为输入，将所述生理性能和所述生产性能作为输出，构建数据集进行训练；所述场景测试模块，接收所述设定的场景对应的测试数据，所述测试数据包括待测试场景的环境条件和养殖信息，将所述测试数据输入所述产热散热模型，预测所述测试数据对应的生理性能和生产性能；所述场景测试模块，还根据所述测试数据以及所述产热散热模型的输出，通过所述几何映射实体，进行畜禽外观和行为的展示；所述测试数据还包括所述畜禽的体型数据和行为特征。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至6任一项所述的基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法。

技术总结
本发明涉及一种基于数字孪生的虚拟畜禽建模方法，所述方法包括：采集畜禽的真实数据，包括所述畜禽的体型数据和行为特征，包括所述畜禽的环境条件、养殖信息、生理性能以及生产性能；基于所述真实数据，构建所述畜禽的虚拟畜禽模型，包括几何映射实体和产热散热模型，所述几何映射实体，用于基于所述体型数据和所述行为特征，模拟所述畜禽的外观和行为；所述产热散热模型，基于所述环境条件、所述养殖信息、所述生理性能以及所述生产性能，进行训练得到；基于所述虚拟畜禽模型，在设定的场景下进行仿真，并得到仿真结果。本发明技术方案，通过对真实畜禽进行建模和仿真，实现对畜禽的管理、监测和优化，从而为畜禽生产提供精细化管理。理。理。


技术研发人员：滕光辉 冀横溢 庄晏榕 曹孟冰 刘慕霖
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/12