5 способов измерить здоровье улья с помощью потоковых данных

Представьте себе, как вы проходите через продуктовую секцию местного продовольственного рынка и видите пустые полки, которые когда-то были заполнены разноцветными фруктами и овощами. Представьте, что для вашего утреннего кофе больше нет миндального молока. Или представьте, что гамбургер, который вы ели на обед вчера, будет недоступен из-за нехватки говядины.

Такова реальность мира без медоносных пчел. Они опыляют 80% продовольственных культур по всему миру, влияя на каждый четвертый кусок пищи, которую мы едим.

Создание IoT-улья

В партнерстве с Bee Downtown компания SAS установила свои первые ульи в нашем кампусе в Кэри, Северная Каролина, около трех лет назад. В то время руководитель программы SAS по устойчивому развитию Джерри Уильямс сказал: «Как корпоративный лидер в области устойчивого развития, последние экологические инвестиции SAS помогают спасти популяции медоносной пчелы, особенно в городских районах. Ульи отлично подходят для нашей устоявшейся экологической программы, а также для нашей культуры».

Конечно, мы не остановились на этом. Когда мы узнали, что 30% ульев во всем мире теряются каждую зиму, а пчелы подвергаются множеству стрессов, включая паразитов, болезни, риски для окружающей среды и плохое питание, мы задумались, как может помочь аналитика.

Именно тогда страсть SAS к инновациям и устойчивому развитию привела нас к поиску технологических приложений, позволяющих лучше понять здоровье ульев в SAS. Как заядлый пчеловод, я рад участвовать в этом проекте вместе с командой исследователей данных и разработчиков из SAS.

Используя расширенную аналитику и обработку потока событий, мы превратили ульи SAS в инновационный проект IoT . После подключения датчиков к улью мы начали передавать данные из него в облако, чтобы непрерывно измерять следующие показатели:

1. Вес улья.
2. Температуру внутри и снаружи улья.
3. Влажность внутри улья.
4. Акустику или «жужжание» внутри улья.
5. Полетную активность внутри и вокруг улья.

Электронные системы контроля улья не новы, но то, как мы анализируем данные улья в момент создания, отличается от типичного метода сбора данных, их хранения и последующего анализа.

Измерение веса и климата улья

Когда команда определила источники данных для этого проекта, мы начали с веса улья. Пчеловоды используют весы для определения веса или его потери в улье. Думайте об этом как о своих типичных весах в ванной комнате, но для пчелиных ульев.

Для нашего проекта мы подключили ульевую шкалу к интернету и начали каждую минуту транслировать измерения с этой шкалы.

Вес как базовое измерение помогает пчеловодам понять, как производится мед. Весной, когда все цветет и ульи делают золотой мед, они могут быстро увеличивать вес. Некоторые ульи набирают до 20 фунтов за одну неделю!

С другой стороны, если один улей быстро теряет вес, а находящийся рядом - набирает с почти одинаковым интервалом, то в данных видно, что более сильный улей отбирает мёд у слабого. Мы видели это в данных с двумя нашими ульями в SAS и смогли внести коррективы, чтобы исправить это.

Захват данных о весе из улья каждую минуту создает набор данных, который неудобен для типичного пользователя. Однако с помощью SAS ^® Event Stream Processing мы можем выполнять потоковую передачу данных с края (в данном случае с улья) и анализировать данные в движении.

Используя обнаружение аномалий, мы анализируем точки данных в режиме реального времени по мере их потоковой передачи из улья. Технология распознает, что такое нормальный вес, и сразу же обнаруживает аномальный. Пчеловод получает уведомление, как только возникает проблема, и может быстро принять меры.

Мы также установили внутренние датчики в ульи для сбора данных о температуре и влажности, а также о весе. Пчелы регулируют температуру и влажность улья с помощью мышечной деятельности, взмахов крыльев и кучкования. Улью нужен идеальный климат для выращивания новых пчел и сохранения королевы достаточно теплой, чтобы пережить зиму. Система, которая замечает колебания в этих измерениях, может рано уведомить пчеловодов о проблемах в улье.

Анализируя звуки пчел

Далее мы перешли к аудиоданным. Гудение медоносных пчел может указывать на многие вещи, включая здоровье, уровень стресса, активность роя и статус пчелиной матки.

Наш Iot-улей передает данные о весе и аудио-данные, а встроенные модели машинного обучения "слушают" аномалии.

Микрофоны в улье улавливают все виды шума, в том числе близлежащие самолеты, поезда, сирены и птиц. Мы используем надежный анализ основных компонентов (RPCA), технику машинного обучения, чтобы отделить эти посторонние или нерелевантные шумы от гула улья. RPCA гарантирует, что мы анализируем только гул улья, чтобы понять, счастливы ли пчелы.

Слушая пчел

Когда у королевы появляются признаки старения, болезни или уменьшения количества яиц, рабочие пчелы заменяют ее. Сначала они отбирают несколько свежеотложенных яиц у бывшей королевы и начинают кормить их высокобелковым веществом - маточным молочком. Примерно через 14 дней маленькие королевы появляются и начинают издавать звуки, чтобы дать знать конкурирующим королевам, что они готовы сражаться. В пчелином мире королевами не рождаются, а становятся после серьезной борьбы.

С помощью аудио-датчиков в ульях, собирающих эти данные, пчеловоды теперь знают, когда должна появиться новая королева, которую они ранее не смогли бы обнаружить.

Компьютерное зрение измеряет данные полета пчелы

Инновация не остановилась на звуках, весах и температурах. Мы также хотели отслеживать активность полетов пчел как показатель здоровья и силы колонии. Наблюдать за пчелами в полете было непросто, потому что они крошечные и быстро летают. А еще они совсем не улыбаются в камеру.

Мы нашли решение - компьютерное зрение и RPCA для точного подсчета наших пчел и их активности. В этом случае RPCA удаляет ненужные фоновые изображения из данных, включая животных, людей, деревья и другие объекты.

Активность полета из улья может сказать нам о деятельности по добыче пищи, поскольку пчелы, которые выходят из улья и возвращаются в него, обычно добывают нектар, пыльцу, смолу и воду. Много летной активности подразумевает, что улей здоров.

Наблюдая за пчелами в полете, мы также можем замечать рой. Он является важным показателем здоровья пчел, потому что улей иногда скрывается, когда пчелы больны.

Данные улья вдохновляют на действия

Я рада продолжить обсуждение этих проектов вместе с моими коллегами Аней МакГирк, Брэдом Кленцем, Зохре Асгарзаде, Ювэй Ляо и другими. Вы можете прочитать статью " Неинвазивный мониторинг улья с помощью акустических данных " чтобы узнать больше о проекте по акустике.

Мы также общаемся с пчеловодами по всему миру, чтобы поделиться тем, что мы узнали. Мы понимаем, что не каждый улей в мире может или должен быть подключен к Интернету. Но результаты, которые мы видели, были действительно вдохновляющими. И мы надеемся, что то, что мы узнали, послужит моделью для измерения здоровья улья там, где оно больше всего необходимо.