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【專題報導二】利用動作感測器分析乳牛行為模式
文/圖 國立臺灣大學農業推廣委員會吳悠綸幹事
前言
乳牛的行為常被人類作為觀察其健康與福利的指標，先前的研究指出，乳牛的物理行為可早期預測眾多疾病，例如跛行、疼痛、熱急迫以及在牛群中的社會互動是否良好等。年的研究更運用科技，在個別牛隻身上裝置感測器自動辨識行為，再利用模型推斷個別的行為種類，如此便能提供遠比人類觀察結果還要高的準確率、更即時的管理決策，與更多的風險告知。
目前的研究已發展出各式監測放牧牛個體行為的感測系統，如使用GPS項圈紀錄動物的分布與個體的移動模式；裝設運動感測器，特別是三軸加速度計，以辨識牛隻各種行為類別；以及結合GPS與三軸運動感測器的項圈系統，得以預測牛隻行為，與其在特定時空中的互動模式。不過現有的感測系統仍有改善的空間，例如，能預測的行為類別受限於休息、散步，攝食或搜索等，未來需投入更多研究以突破限制。
澳洲塔斯馬尼亞農業研究所乳牛研究機構 (Tasmanian Institute of Agriculture (TIA) Dairy Research Facility)為準確預測乳牛的行為，以做為未來研究飼料添加物對乳牛影響的指標，故於牛隻脖子上裝設感測項圈，此感測項圈採用三軸加速度計與磁力儀 (3-axis accelerometer and magnetometer)以監測其攝食行為，並提出矯正感測器數據的方法，也試圖利用多變量時間序列數據發展行為模式的初步分析結果。
研究用的感測項圈由20頻道的GPS接收器晶片(U-Blox5 – U-Blox, Thalwil, Switzerland)、主動的GPS天線、微控制器(Atmel ATmega 1281v, California, USA)、915MHZ收發器(Nordic nRF905, Oslo, Norway)、4顆串連的鹼性乾電池(Duracell, Australia)、紀錄用的4 GB micro SD 卡(SanDisk, California, USA)、具備三軸加速度計與三軸電阻（磁力儀）的壓電微機電芯片感測器(HMC6343 – Honeywell, Plymouth, MN)，以及具有無限電天線能力的無線網絡通信。除了GPS與無線電之外的設備都密封在塑膠盒中，放置在項圈、靠近脖子底部的位置，GPS和無線電則保持在脖子的頂端，以增強訊號的接收。理想的三軸加速度計與磁力儀方向應為：X軸朝向背部、Y軸落在外部，而Z軸朝下，但當項圈順著脖子轉動的時候，可能造成方向的改變，因此，頭部俯仰角和滾動的角度將透過三軸加速度計與磁力儀將取得資料，以測量牛隻的頭部位置與磁北方向。研究者表示，因GPS裝置只使用HMC6343晶片，且GPS遠比其他動作感測器還要耗能，在本研究不特別提出討論，建議未來針對乳牛行為研究，應發展降低能源損耗，且更便宜的實驗裝置設計。
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編號16的乳牛脖子上裝設了實驗用的感測項圈 |
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實驗於該研究機構集約經營的牧場進行，資料收集期間為2012年11月28日至該年12月7日，共有24頭乳牛裝設項圈。研究期間同時有觀察人員進行地面實況觀察，紀錄12種牛隻的行為類別：放牧、搜索、散步、咀嚼、反芻（躺或坐）、反芻（站立）、休息（躺）、休息（頭向上站著）、頭朝下等活動。偵測乳牛行為的時間為晨奶後2小時、中午12點至下午2點間，或下午榨乳後2小時，因此共產出72組資料（24匹乳牛，每天3次紀錄）。
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左圖顯示紀錄一隻乳牛的資料分布的狀態；右圖加入時間序列以辨識不同的行為模式 |
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實驗所收集的數據分別經過標準化與主成分分析，且因過去乳牛行為模式的研究僅呈現時間分布的狀態，研究者使用短時距傅立葉變換 (short-time Fourier transform, STFT)，以頻率的方式呈現乳牛行為（如上圖所示），因此，系統分析結果將牛隻動作分為6項行為群集：反芻、休息、放牧、搜尋、散步，和頭朝下。研究者再使用機械式的學習分類器：線性判別分析 (Linear Discriminant Analysis, LDA)、二元判定樹 (binary Decision Tree, DT)，與K最近鄰法 (k-Nearest Neighbor, kNN) 推測上述6項行為群集，分析結果顯示，該分類器可準確辨識放牧、反芻與休息3項行為群集（F-score皆達0.8以上），因此，本研究結果，將作為未來精料與牛群行為關係之使用設備與數據分析基礎，此外，研究者提出，未來研究將嘗試使用小波包轉換(wavelet packet transforms)與機械式的學習分類器，以更有效探討動物行為的數據分析結果。
文章來源
Bishop-Hurley, G., Henry, D., Smith, D., Dutta, R., Hills, J., Rawnsley, R., Hellicar, A., Timms, G., Morshed, A., Rahman, A., D'Este, C., & Shu Yanfeng (2014). Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, 2014 IEEE International, 1285 - 1290. doi: 10.1109/I2MTC.2014.6860952
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