處理生物響應信號的裝置與方法,具體為孵出孵化蛋的裝置與方法
2023-05-27 00:52:31 1
專利名稱：處理生物響應信號的裝置與方法,具體為孵出孵化蛋的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及根據權利要求1的前序部分的方法，並且進一步涉及分別在權利要求7和12的前序中說明的方法。
背景技術：
本發明主要適用於監控生物過程的技術領域。將生物過程理解為指生物活體形成重要部分的一種過程，其中，該生物體發揮相應作用。在這樣的過程中，總是存在生物響應，將生物響應理解為此生物體對其周圍環境的反應。更詳細地，將此環境表示為不是關於此生物體遺傳確定的任何事物，並且具體地與靠近此生物體的微環境有關。
作為生物響應的示例，其通常是此生物體新陳代謝活動的整體反映，可特別提到體溫與脈搏，和專業人士所公知的許多其它響應。為了能夠以專業人士公知的方式掃描、監視和測量這些響應，作用為物理或化學的適當傳感器和設備用於此目的。任何專業人士將明白，這意味著還包括這些作用的組合，例如還包括生化作用。
在掃描、監視和測量期間，這些生物響應以生物變量表示，而利用傳感器和設備通過生物響應信號進行掃描、監視和測量。
在線進行這樣的測量。將會明白，在監視和控制的情況下，生物信號的處理是實時的。還需要注意，此生物過程是動態過程的示例。該掃描、監視和測量也可視為動態的，在信號處理領域，按照公知的奈奎斯特(Nyquist)理論，將其理解為採樣頻率或採樣速率。因此在文中，除了「動態的」外，還將使用「連續的」，其清楚地表示此生物過程涉及生物活體的生物過程，其不間斷地進行並持續。
發明內容
本發明涉及一種特定的生物過程，也就是孵化過程。公知其為一種非常複雜的過程，大致了解在靠近孵化蛋周圍的微環境中溫度範圍和氣體濃度，但是其中預先輸入的控制並不足以優化指導這樣的生物體。儘管該生存空間作為整體容納此生物體的群體、集合與種群，並且不常在其中進行測量與控制，但準確地說，這種方法將總是涉及與該生物響應最多是間接關聯的平均值。準確地說，孵化蛋本身的先前歷史是不明確的，將要考慮的選項是產蛋母雞的年齡與飼養，和產卵期與雞舍中的氣候；換言之，每一批孵化蛋將表現出其它響應。
從WO02098213可知根據權利要求1前序的方法。在其中說明了一種控制和監視生物過程的方法和系統，特別是控制和監視諸如牛與家禽的生物活體的生長過程，包括監視生物響應現象。更具體地，說明了一種方法，其中，生物響應信號用作模型中生物響應變量的測量信號，從而動態地並且準確地監控動物的生長過程，以提高該動物的經濟質量，例如生物質的產量。詳細說明了如何構建用於測量信號在線建模和實時處理的模型，及其數學基礎，通過該模型使用根據MPC(模型預測控制)的控制。
到目前為止，已經發現幾乎不可能在孵化室中進行在線測量，特別是在孵化蛋周圍微環境內的在線測量。對此的一種解釋可在孵化室形成了非常複雜的生存空間的事實中得到，該生存空間包含在某種結構中，並由氣候支配，它的各種參數不僅以極為複雜的方式相互聯繫，並且通過這些參數不能明確地監視並控制孵化蛋周圍的微環境，通常有成千上萬個。尤其是，其伴隨著通常缺乏正確的測量儀器。
為了提供這種工業生物產品生產線的解決方案，根據本發明的方法的特徵在於該生存空間包括孵出孵化蛋的孵化器，同時以物理和/或化學的方式測量並控制生物響應變量，例如以光學、電子、磁、聲學、機械生物響應信號，或其組合的形式。
按照一種令人驚奇的方式，已經發現，通過這樣一種在孵化室中監視並控制孵化蛋微環境中孵化過程的方式，可獲得明顯更高的孵化結果。
根據生物響應變量，本發明還以侵入性或非侵入性方法提供測量與控制。從而能夠以任何希望的方式選擇並設置該生物過程的外部影響。
具體地，該方法的特徵在於孵化蛋的生物響應變量從，例如但不限於，蛋殼溫度、重量損失、脈搏、血壓、呼吸、生長、生長率、活性、產熱量、產溼量和聲音產物中選擇；更具體地，孵化蛋的生物響應信號從，例如但不限於，溫度、溼度、氣體濃度、聲音強度和聲音頻率中選擇；進一步地，該生存空間控制模型包括基於系統或數學處理規則的用於過程控制的智能控制算法，例如，但不限於所謂的預測模型基控制；或所謂的模糊邏輯過程控制；並且還有，該生存空間控制模型根據從專家意見獲得並確定的指導控制孵出。
從例如NL1016636可知在權利要求7的前序中說明的方法。其中，蛋體溫度視為一種生長特徵，同時，根據其中聲明的方法，特別地測量孵化室中蛋體溫度對於外部溫度變化的響應，並且然後將該測量的響應用於調整孵化室中的溫度。在此文獻中說明的過程控制可總結為擾動後調整。
在這樣的方法中，並沒有注意測量和控制生物響應變量，更具體地，測量和控制從和向孵化蛋傳送能量的過程和動態變化，例如直接在孵化蛋周圍的熱狀況等。通過試圖以這種方式擾動蛋體溫度並隨之調整孵化室中的空氣溫度，根本沒有預期該孵化過程期間作為孵化階段和孵化蛋周圍微環境的其它更多具體特徵的函數的所需能量均衡。由於已經知道，在整個孵化期間，胚胎溫度恆定或幾乎恆定，同時，大約在該孵化期間的前半段，該孵化過程以吸熱方式進行，而在後半段放熱，這樣的擾動將相反地影響微氣候，而不是像在自然環境中那樣的情形。
為了精確地監視孵化蛋周圍的微氣候或微環境，並可能調整它，並且更具體地，儘可能仔細地精確模擬該微氣候，根據本發明的該方法的特徵在於該方法連續地包含下列步驟-在孵化過程的開始將孵化蛋目標溫度Tep輸入至控制；-在開始後的某個確定的時間點測量蛋體溫度Te；-比較測量的Te和Tep，其中，在Te和Tep有差別的情況下，根據空氣溫度規則，發出調整空氣溫度Ta的空氣溫度信號；以及-在此孵化過程的下一個確定的時間點重複這些步驟。
按照一種非常適當的方式，該方法對孵化蛋的「特定蛋體」信號產生響應。通過這種控制參數的方法，包括了作為整體的生存空間和每個孵化蛋周圍的微環境。
更具體地，該方法的特徵在於，對於調整空氣溫度Ta，該方法還連續地包括下面的步驟-在孵化過程的開始將空氣目標溫度Tep輸入至控制，同時進一步地，輸入在限制溫度Tap(min)和Tap(max)間的空氣溫度控制範圍A，Tap(min)＜Tap＜Tap(max)；-在開始後的某個確定的時間點測量空氣溫度Ta；-比較測量的Ta和A中的溫度，其中，在Ta上升或降低了確定差值的情況下，根據確定的控制方案調整空氣溫度；以及-在孵化過程中的下一確定的時間點重複這些步驟。
通過非常直接的和可跟蹤的方式，該孵化蛋周圍的微氣候，以及宏氣候，即孵化室中作為整體考慮的氣候，已經按照此方式彼此聯繫起來。更具體地，作為對蛋體目標溫度潛在偏差的反應，調整室內氣候。從而，以一種非常適當的方式，在該孵化過程中既考慮了吸熱階段，也考慮了放熱階段。
另外，該方法的特徵在於，其包括當空氣溫度Ta超過限制溫度A中的一個時，發出報警信號。
通過此方式，儘管是自動調整，可防止這種裝置的操作員沒有注意到，或者沒有及時注意到非常多的偏差。一種可能的原因不常見於孵化過程本身，而在於孵化室的技術特徵的問題。通過這種報警系統，可以避免大量的孵化蛋損失和相應的資金損失。
在特殊的實施例中，該方法的特徵在於非接觸測量蛋體溫度，更具體地，根據權利要求12、13、14或15中任一個的裝置測量蛋體溫度。
可從Pakissan Agri Professionals Institutes Network，PAKAPIN的網站www.pakissan.com上的出版物，「Systematic Analysis of EmbryoTemperature」，February 2003，獲知根據權利要求12的前序的裝置，在其中詳細說明了對於根據單步法(Single-stage method)孵化的一批蛋，如何用體溫計類型的紅外溫度計人工測量預先選定數量的蛋的溫度，其中，在每個蛋上人工放置該溫度計。此溫度稱為蛋殼溫度。然後，在此測量的基礎上，可調整孵化室的設置溫度。進一步地，需要注意，將嘗試確定代表數量的蛋的蛋殼溫度，從而獲得可靠的平均值，以進行正確的控制設置。
任何人都將明白，這種手工測量方式具有很多缺點。例如，輸入將引起相當大的設置幹擾，和採用相關的孵化參數，例如溫度、溼度、水蒸氣濃度以及碳酸濃度。
為了克服所述缺點，根據本發明的裝置的特徵在於，在孵化期間，每個溫度計根據預先輸入的測量方案，非接觸測量各個蛋的溫度，同時，獲得的測量信號控制溫度控制規則。
需要考慮的這種裝置的優點是，通過自動測量方式，通過避免向工作的孵化器輸入，由旋轉攪拌器造成損傷的風險，其認為是相當大的，將會消除。
進一步地，根據本發明的裝置的特徵在於在蛋間孵化盤上的擋板上放置溫度計，通過這些溫度計測量至少兩個蛋的溫度。
通過有利的方式，從而可實現由蛋向其微環境直接發出的參數值，也稱為生物響應，控制溫度規則。其中，到目前為止，通常測量作為整體的孵化室中參數值的平均值，通過其調整室內作為整體的氣候，本發明以非常適合的方式，利用每一蛋周圍或附近的微氣候或微環境提供控制。
在另外的實施例中，根據本發明的裝置的特徵在於包括了自動儀器以自動定位靠近孵化蛋的擋板。
將參考附圖詳細說明根據本發明的裝置，在附圖中，圖1表示根據本發明的模型控制的生物過程的圖表；圖2表示孵化盤的視圖，部分裝有蛋，並在其間具有根據本發明的裝置；圖3表示此裝置的切削模型的視圖；圖4表示此裝置拆成兩部分的視圖；圖5表示控制計算機的屏幕的一部分的顯示示例；圖6表示用於蛋體溫度測量的生物響應的方法流程圖；圖7表示調整孵化室內空氣溫度的流程圖。
在不同的圖中，對相同的部分進行相同的編號。
具體實施例方式
在圖1中，可清晰地看出監控生物過程的循環，其由方框100表示。連接各個方框的箭頭表示響應、數據流或信號。從生物過程100開始，在其進行期間，可選地進行反應與變化101，將其表示並識別為生物響應200。該生物響應200在生物響應變量的測量期間是可辨識的，其中獲得生物響應變量201。接下來，它們進入模型300，其還包括將要執行的控制，和輸入並設置這些變量的限制值與目標值。然後通過信號301，控制孵化室中的生存空間，更具體地為氣候400。接下來，氣候改變401影響生物過程，並且將指示這種改變的信號402反饋至模型300，其也包括該控制，如上所述。
更具體地，對於孵化蛋可測量光學、電子、磁或機械生物響應變量，或其組合形式的生物響應變量，其可包括例如重量損失、脈搏、血壓、呼吸、生長、生長率、活性、產熱量、產溼量和聲音產物等的變量。則對應的信號包括但不限於，例如溫度、溼度、氣體濃度、光強度、光頻率、聲音強度和聲音頻率。不像在過去，已經發現，通過進一步開發的儀器和對應的軟體，可有利地指導孵化過程。特別地，通過紅外檢測，可獲得對於溫度的準確的生物響應控制。將在下面詳細說明示例實施例。
在圖1中示出的模型300通常涉及輸入至處理器的控制算法，以控制這種生存空間的有關參數，在這種情況下為孵化室。具體地，它通常涉及氣候控制，因為孵化蛋是自我封閉的活體單元，並不向其供應外部營養。這種控制的示例是所謂的預測模型基控制，如在WO02098213中的詳細說明。還使用所謂的模糊邏輯過程控制。同時還知道其許多示例。另外，還常常使用遵照專家意見獲得和確定的指導，例如孵化專家的意見，往往不能超越其經驗。不過，缺點在於這樣的經驗非常個人化，將其作為規則並不總是充分。有利地，這種高級的和更大程度客觀的模型基控制，特別是預測模型基控制即MPC，使得能夠被更加充分監視和檢查的孵化過程在食物鏈上佔據一席之地成為可能。使生存條件可控變得日益重要，從產蛋母雞到孵化仔雞，之後從肉仔雞到肉雞，同時，可極為有利地獲得具有可靠聯繫的食物鏈，通過其可滿足對於高質量食品日益增長的需求。
圖2表示孵化盤1，在巢4中具有孵化蛋2。這樣的結構通常用於孵化室。按照通常的方法，蛋放置於孵化盤的隔倉之中，其也稱為巢，通常由塑料製成，並因此便於清潔。巢4具有巢邊4a和4b，方向彼此垂直。進一步地，巢在許多側面上形成開口，以允許所需的空氣流通。接下來，將這些孵化盤放置在電動車或手推車的架子上，其中，在孵化室中有編號。在這樣的孵化室中，儘可能模擬自然的孵化氣候。仔細測量諸如溫度、空氣溼度、碳酸含量和氧氣含量的參數，並且如果有必要的話，還要對其調整。為了儘可能模擬自然孵化過程，架子通常是可傾斜的。
更特別地，試圖不僅檢查作為整體的孵化室中的氣候，甚至還要檢查蛋周圍的微氣候或微環境。為了此目的，需要監視某個孵化蛋周圍的狀況，或至少是多個孵化蛋周圍的狀態，以便如果可能的話調整它們。通過圖2中示出的裝置3的示例實施例，發現有可能準確地監視這種孵化盤1中四個蛋2的溫度。如此圖所示，該裝置具有可連接兩個巢的大小，同時在該裝置中的兩側上提供溫度傳感器，使得每次可測量兩個蛋的每一的溫度。明顯，這種測量不僅是非侵入的，而且防止例如，由於放置和重新放置溫度計造成的幹擾。
圖3和圖4更詳細地表示了裝置3。裝置3的兩個主要部件由擋板部件20和頂蓋部件40形成。擋板部件20包括底21，其具有兩個與其相連的插件22a，以及插件22b，該裝置可通過其夾在隔倉或巢4中，並且分別處於孵化盤1的巢邊4a和4b之上。這些部件和將與其直接相連的部件都由同樣的塑料製成，可選地由塑料的組合製成。
該裝置的核心由傳感器23構成，在此示例實施例中有4個，利用其可測量直接相鄰的巢4中蛋2的溫度。這些傳感器是可用於接收紅外輻射的類型，其中，入射光能量被轉換為測量信號。這些傳感器是公知的，並且將不在此處詳述。例如，用於此目的的一種類型由Melexis公司出售，並以名稱MLX90601知名。
更詳細地，該傳感器包括用於入射輻射的開孔25，該傳感器容納於底座24中，其也是由塑料製成，該傳感器在背向開口25的側面上具有傳感器元件26，並且該傳感器元件直接與晶片27相連。利用連接器28將該晶片的一個側面連接至該四個傳感器公共的印刷電路板29。然後，該印刷電路板連接至電纜連接器30，通過其將信號電纜(未示出)導向信號處理單元。沿該孵化盤1的不同巢4的直立邊緣，在此示例實施例中為邊緣4a，引導這些電纜，並由夾具5指引並夾緊，如圖2中所示。該信號處理單元通常為計算機，直接安排在該孵化室的外部，以能夠按照此方式對於上面詳細說明的生存空間控制模型執行檢查、控制和設置。另外，在頂蓋部件40中提供了窗口32，通過其使輻射到達傳感器23，具體為到達其開口25。另外，需要注意，已經校準了每一個傳感器，使得按照優化方式，將每一傳感器用於不同的孵化室。
任何專業人士將明白，被視為生物響應信號並來自根據本發明的傳感器裝置的測量信號可與涉及其它氣候參數的測量信號組合。在這些信號的後續處理過程中，將可以調節作為整體，或其一部分的孵化室的諸如熱傳輸、熱轉移和能量含量的量。
對於根據本發明的方法，參考圖5、6和7。
圖5表示控制計算機的屏幕的一部分顯示。其最重要的部分由底部的線形成，其中，蛋旁的溫度計顯示兩個數字。這些數字為華氏度的溫度值。Tep為蛋體目標溫度，或胚胎溫度，其由孵化室的操作員設定，其中，這樣的溫度稱為用於胚胎的溫度。這意味著對於家禽的不同種類和繁殖，可以或將要設定不同的目標溫度。下一個溫度為在規則的時間點對於多個孵化蛋測量的蛋體溫度Te，例如利用具有上述傳感器23的裝置3測量。
在其上的數字組中，溫度值也為華氏度，表示了空氣溫度Ta(＝Tair)的調節和測量。具體地，Tap代表在某個時刻輸入的空氣目標溫度。該Tap根據確定的輸入方案與Tep和Te聯繫。這是因為任何專業人士將明白，通過Te相對於Tep的過大偏差，需要精確地調整作為外部參數的空氣溫度。此外，接下來，這將與該孵化期間吸熱和放熱部分密切聯繫。上面的數字和下面的數字表明限制溫度Tap(max)和Tap(min)，其界定了範圍A，將在該範圍內發現測量的空氣溫度Ta，但在右邊表示Ta，以大數字標記。
更具體地，在圖6和圖7中示出了用於測量、響應和調節的流程圖。在這些圖中，判決步驟以菱形表示。加號和減號表示它們旁邊的條件是否得到滿足。箭頭↓和↑表示測量，也就是，分別表示溫度的降低或升高。
在圖6中，S表示調節-測量循環的起始。在Te高於或低於輸入的Tep的情況下，採取動作。在測量的Te低於或高於Tep的情況下，檢查空氣目標溫度Tap，具體為檢查其是否確實在調節範圍A之中。通常都是這樣的情況。
相反地，在圖7中示出了空氣溫度Ta本身的調節。起始由X表示，其中，首先，Ta與空氣目標溫度Tap比較。當然，然後根據其對室內溫度進行升高、降低或保持不變。
注意，調節Ta，例如在與Tap差別過大的情況下，可導致略微偏移調節範圍。這也使得可以理解為什麼在圖6中每次都要測試限制值。這樣的偏移還輸入至該控制中，並可自動和人工地進行。更具體地，對於從較多至較少吸熱，並且然後至放熱的轉換的情形中，可有利地使用這樣的Tap偏移，通常為該調節範圍的對應偏移。
進一步地，在圖7中，RH代表相對溼度。任何專業人士將明白，蛋周圍的熱均衡不僅由溫度確定，當然還由局部溼度確定。因此，溫度的調整不能脫離溼度的調節。
根據本發明，準確地說，蛋體溫度Te可由裝置3測量，具體為由與其相連的傳感器23測量。在這種裝置3的情況下，可非接觸地進行測量，這使偏差或錯誤的溫度測量的風險最小。
如在此應用中所呈現的，對於該裝置的小的修改將被視為處於所附權利要求的範圍之內，例如塑料的選擇，裝置中傳感器的數量以及提供和連接的方式。任何專業人士將進一步明白，測量方案還可規定連續測量和以非常小的步長的測量，可考慮將其連續進行。另外，在此生物響應應用中，用於測量的確定時間點將通常表示連續的監視、測量和控制。
權利要求
1.一種處理來自在良好限定的生存環境中生存的生物體的生物響應信號的方法，所述生物響應信號包含在微環境中，其中，在生物響應變量的在線測量中獲得這些信號，並且其中，在信號處理器中至少實時處理這些信號，並且其中一方面，在所述微環境中監視這些生物體，並且其中另一方面，根據生存空間控制模型通過對應的信號控制裝置調整這些變量，該方法的特徵在於該生存空間包括用於孵出孵化蛋的孵化器，其中，以物理和/或化學方式測量並控制這些生物響應變量，例如以光學、電子、磁、聲學或機械生物響應信號，或其組合的形式。
2.根據權利要求1的方法，特徵在於，非侵入式地測量這些生物響應信號。
3.根據權利要求1或2的方法，特徵在於，用於孵化蛋的生物響應信號從，例如但不限於蛋殼溫度、重量損失、脈搏、血壓、呼吸、生長、生長率、活性、產熱量、產溼量和聲音產物中選擇。
4.根據權利要求1，2或3的方法，特徵在於，用於所述微環境中孵化蛋的生物響應信號從，例如但不限於，溫度、氣體濃度、聲音強度和聲音頻率中選擇。
5.根據前述任一權利要求所述的方法，特徵在於，該生存空間控制模型包括基於系統或數學處理規則的用於過程控制的智能控制算法，例如但不限於，所謂的預測模型基控制，或所謂的模糊邏輯過程控制。
6.根據前述任一權利要求所述的方法，特徵在於，該生存空間控制模型根據遵照專家意見獲得和確定的指導控制孵出。
7.一種呼出孵化蛋的方法，具體用於在孵化過程中調節孵化器中氣候狀況，其包括設定、測量和監視，以及調整氣體濃度和氣候參數，例如，空氣溫度、空氣溼度、碳酸含量和氧含量，以及進一步地測量至少一些孵化蛋的蛋體溫度，其特徵在於，該方法連續地包括如下步驟-在孵化過程的開始將孵化蛋目標溫度Tep輸入至控制；-在開始後的某個確定的時間點測量蛋體溫度Te；-比較測量的Te和Tep，其中，在Te和Tep之間有差別的情況下，根據空氣溫度規則，發出調整空氣溫度Ta的空氣溫度信號；以及-在此孵化過程中在下一個確定的時間點重複這些步驟。
8.權利要求7所述的方法，特徵在於，用於調整該空氣溫度Ta的該空氣溫度規則連續地包括下列步驟-在孵化過程的開始將空氣目標溫度Tep輸入至控制，其中進一步地，輸入在限制溫度Tap(min)和Tap(max)間的空氣溫度控制範圍A，Tap(min)＜Tap＜Tap(max)；-在開始後的某個確定的時間點測量空氣溫度Ta；-比較測量的Ta和A中的溫度，其中，在Ta上升或降低了確定差值的情況下，根據確定的控制方案調整該空氣溫度；以及-在孵化過程中在下一確定的時間點重複這些步驟。
9.權利要求8所述的方法，特徵在於，其進一步包括，當空氣溫度Ta超過限制溫度A中的一個時，發出報警信號。
10.根據權利要求7-9中任一條所述的方法，特徵在於，非接觸測量該蛋體溫度。
11.權利要求10所述的方法，特徵在於，用根據權利要求12-14中任一條所述的裝置測量蛋體溫度。
12.一種具有紅外溫度計的裝置，用於測量放置在孵化盤的巢中的孵化蛋的溫度，這些孵化盤排列在孵化器中，其中，對於預先選定數量的孵化盤，測量預先選定數量的蛋的溫度，特徵在於，在孵化期間，各個溫度計根據預先輸入的測量方案，非接觸測量對應的各個蛋的溫度，其中，獲得的測量信號控制溫度控制規則。
13.權利要求12所述的裝置，特徵在於，在擋板上提供該溫度計，該擋板放置在蛋間的孵化盤上，通過所述溫度計測量至少兩個孵化蛋各自的溫度。
14.根據權利要求12或13中任一條所述的裝置，特徵在於，該裝置還包括自動儀器，以自動定位靠近孵化蛋的擋板。
15.根據權利要求12-14中任一條所述的裝置，特徵在於，該裝置用於執行根據權利要求1-11中任一條所述的方法。
全文摘要
一種處理來自在良好限定的生存環境中生存的生物體的生物響應信號的方法，所述生物響應信號包含在微環境中，其中，在生物響應變量的在線測量中獲得這些信號，並且其中方面，在信號處理器中至少實時處理這些信號，並且其中另一方面，在所述微環境中監視這些生物體，並且其中另一方面，通過根據生存空間控制模型的對應的信號控制裝置調整這些變量，其中，該生存空間包括用於孵出孵化蛋的孵化器，其中，以物理和/或化學方式測量並控制這些生物響應變量，例如以光學、電子、磁、聲學或機械生物響應信號，或其組合的形式。
文檔編號A01K41/02GK1835678SQ200480023151
公開日2006年9月20日 申請日期2004年8月11日 優先權日2003年8月12日
發明者丹尼爾·艾伯特·貝克曼斯, 安德烈斯·萬布雷希特, 吉恩-瑪麗·阿爾茨, 洛德·佩特斯, 伊凡·萬德爾貝肯, 保羅·德格拉夫 申請人:卡託利克·尤尼韋爾西泰特·勒文