《Computers and Electronics in Agriculture》：Individual and autonomous walk-over weighing crate with concentrate feeder – Development and validation of an improved mobile weighing system for sheep
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针对传统养羊业中活体称重耗时费力、应激性强导致数据获取不连续的问题，本研究开发并验证了一种新型移动式、能量自给的“行走过秤(WoW)”称重笼系统。该系统融合了行走过秤与称重笼的优点，利用气动门、光栅和精料饲喂器实现个体羊只的自主、精准称重，现场测试结果显示与静态“金标准”称重高度一致(R2= 0.999; CCC = 0.999)，为标准差0.40 kg，为牧场非侵入性、连续体重监测提供了高效解决方案。
想象一下，一位牧场主想要了解羊群中每只羊的体重变化，以便精准调整饲养方案、评估健康状况。传统做法是，他需要花费大量时间和人力，将羊只一只只驱赶到固定位置，用静态地磅进行称重。这个过程不仅劳动强度大，而且会给羊带来应激，甚至可能因为操作不便而无法定期进行，导致宝贵的生长和健康数据缺失。在畜牧业迈向精细化、智能化管理的今天，如何实现对羊只体重无应激、自动化、连续的监测，成为一个亟待解决的难题。
针对这一挑战，基尔大学农业工程研究所的研究人员Hendrik Jasper、Rainer Kock和Eberhard Hartung在《Computers and Electronics in Agriculture》期刊上发表了一项研究，他们成功研发并验证了一种名为“个体化自主行走过秤称重笼”的新型移动称重系统。这项研究旨在结合传统“行走过秤”的自主性和“称重笼”的准确性优势，开发出一套高效、精确且无需人工干预的羊只称重解决方案。
为开展这项研究，研究人员首先基于文献调研明确了系统构建需求，随后对一台商用称重笼进行了全面改造。关键技术方法包括：1. 机械与安全改造：安装可调节宽度的气动门和橡胶唇边，集成斜坡，并设计断电/断气故障下的安全出口机制。2. 数字控制系统：以Raspberry Pi 4为核心，集成三个光栅、RFID（射频识别）读卡器和阀门继电器，实现对羊只位置、身份识别和门控流程的自动化管理。3. 能量与动力供应：采用两块150W太阳能电池板和蓄电池组实现24V直流供电，并配备24V空压机为气动门提供动力。4. 数据采集与算法：通过应变片放大器以0.2秒间隔获取重量数据，由Raspberry Pi 4运行自主开发的算法，计算移动动物的稳定体重。5. 样本与验证：研究在德国北部一个典型农场进行，分两年共纳入40只母羊和88只羔羊作为测试样本，通过将系统称重结果与静态平台秤（金标准）读数对比，并开展重复性测试和实地自主运行测试，来评估系统的准确性、可重复性和实用性。
研究结果
3.1. 受控条件下自动行走过秤称重笼与静态秤的比较
研究人员首先在实验室条件下用标准重物（装水塑料桶）校准了系统，确认其准确性。随后，他们将系统用于羔羊称重，并将结果与高精度的静态平台秤（KERN DE150K50N）测量值进行对比。通过对88只羔羊的646次称重数据分析发现，两种方法测得的体重呈极佳的线性关系，决定系数R2高达0.999，一致性相关系数(CCC)为0.999。线性回归显示系统平均低估体重约120克，研究人员分析这可能源于两次称重间羔羊排泄造成的自然体重减轻，且差异远低于国际动物记录委员会(ICAR)指南要求的0.5公斤精度。
3.2. 称重数据记录—在称重笼内的停留时间
在实验室的受控测试中，研究人员观察了40只羊在称重平台上的停留时间。结果显示，整个过程（从触发第一道光栅到获得稳定体重）平均耗时11.38秒，但个体差异很大，从最短的3秒到最长的40秒（系统设定的“等待重量”状态最大时限）不等。一些平静的羊只需约5秒即可完成称重，而另一些活跃的羊则可能用满40秒甚至因无法保持稳定而未能获得有效体重数据。这凸显了动物行为是影响称重效率的关键变量。
3.3. 野外条件下的称重可靠性
为了评估系统的可重复性（即多次测量同一对象的一致性），研究人员让羊只和羔羊在受控条件下多次（最多11次）通过称重笼。对20只母羊的重复测量数据显示，个体体重的标准差(SD)平均为0.54公斤，变异系数(CV)平均为0.65%。在随后为期6个月、包含19个试验日的长期重复性测试中，总计2108次有效称重的总体标准差为0.40公斤，总体变异系数为0.48%。这些指标表明，该系统具有良好的测量精密度，其精度满足了ICAR指南的要求。
3.4. 计算的能量和压缩空气供应
为确保系统在牧场能持续运行，研究人员计算了其能耗。系统日均能耗约720瓦时，而夏季假设日均6小时日照下，两块太阳能电池板可产生1500瓦时电能，理论上可实现能量盈余。配备的蓄电池组可提供约1680瓦时储能，足以应对约两天的无日照天气。气动系统方面，空压机每充满一次气（至6巴压力）可支持约11只羊完成称重，充能过程约30秒。
3.5. 首次使用自动饲喂器在野外进行自主数据采集
在完成前期验证后，研究人员对同一群40只羊进行了为期11天的完全自主运行实地测试。系统配备了精料饲喂器作为诱引，并在测试前对羊群进行了为期6周的每周强制称重适应和3次专门培训。在随后5天的纯自主运行期内，系统共完成了319次有效称重。13只羊（占32.5%）学会了自愿使用该系统。数据显示，羊只在凌晨2点至7点间几乎不使用系统，且随着时间推移，每日访问次数逐渐增加，表明羊群在逐渐适应并被饲料奖励所激励。个体间差异显著，少数“先驱”羊只在第一天就访问了多达50次。
研究结论与讨论
本研究成功开发并验证了一套用于羊只实时活重测量的自主行走过秤(WoW)称重笼原型。该系统通过融合称重笼的封闭测量环境和WoW的自主通行理念，结合气动门、光栅和精料饲喂器，实现了对个体羊只高精度、高重复性的自动化称重，且无需复杂的数据清洗步骤。核心控制单元Raspberry Pi 4能够实时计算体重并管理数据传输。
在准确性方面，系统与静态金标准称重结果高度一致(R2= 0.999, CCC = 0.999)，误差在可接受范围内。可重复性测试表明，其测量精密度高（长期CV = 0.48%）。动物安全性和能量自给得到了充分考虑，例如设置了故障安全出口和太阳能供电。实地自主运行测试证明，经过适应期后，相当一部分羊只能被诱导自愿使用该系统。
然而，研究也指出了一些挑战和改进方向。首先，动物行为是影响称重成功率和效率的最大变量，尽管系统设定了最大40秒的称重等待时间，但对于极度不安的羊只仍可能无法获得有效数据。其次，虽然精料饲喂器能有效吸引部分羊只，但个体差异大，且短期的适应和训练可能不足以让所有羊只都熟悉系统，González-García等人建议需要2-3周的适应期。此外，将饲喂器置于称重笼后方虽实现了个体补饲，但也可能限制了系统的通量。最后，基于太阳能的能源供应在夏季充足，但在日照时间短的冬季可能面临挑战，需要考虑额外的能源管理策略。
综上所述，这项研究展示了一种切实可行的、能量自给的自动化羊只体重监测方案。它显著降低了劳动强度，支持连续性、非侵入性的数据采集，为精准畜牧业提供了有力的工具。未来的研究可以着眼于优化动物训练协议、探索更有效的诱引方式（如水、矿物质盐），以及提升系统在全年不同季节下的能源自主性和运行可靠性，以进一步增强其在多样化牧场环境下的实用价值。
