ISID・東工大・信州大、エッジAI技術を活用した牛の行動観察システムの共同開発

近年、畜産分野において、アニマルウェルフェア（※1）に関する消費者意識の高まりが報告されており、世界で、アニマルウェルフェアに配慮した家畜の飼育方式が提案されるようになった。

家畜のアニマルウェルフェアの向上には放牧を含む様々な管理運用が必要で、その対応コストが課題となっている。

東京工業大学、信州大学および電通国際情報サービス（以下、ISID）の共同プロジェクトチームは、東京工業大学COI（センター・オブ・イノベーション）「サイレントボイス（※2）との共感」地球インクルーシブセンシング研究拠点のもと、エッジAI（※3）技術を活用した牛の行動観察システムを開発した。

2021年の社会実装を目指し、信州大学農学部で本年4月から2020年3月まで実証実験を実施する。

東工大COI『動物のサイレントボイスとの共感』チームでは、牛のサイレントボイスを聴くことをテーマとしたハードウェア、ソフトウェアの共通プラットホームの整備を進めており、酪農・畜産業におけるアニマルウェルフェアの普及を研究テーマの一つに掲げている。

これまでの取り組みで、牛に首輪型センサを取り付けて、複雑な牛の飲水・摂食、腹臥位、立位、歩行などの行動や姿勢の情報を、AI処理により推定できるようになった。

今後は牛が病気にかかり始めているのか、発情、分娩の兆候が見えだしているのか、あるいはストレスを感じているのかといった状態を推定できるよう研究を進める。

同プロジェクトでは、このAI処理をソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社のIoT向けスマートセンシングプロセッサ搭載ボード「SPRESENSE」（スプレッセンス）に実装し、通信機能を備えた首輪型デバイス「感じて考える首輪」のプロトタイプを開発。

さらにこのデバイスを用いて牛の行動データを広域で収集し、牧場の温度・湿度などの飼育環境の情報をも併せて収集・分析する行動推定システムを構築した。

本年4月からは、このシステムを用いて牛の健康状態を把握し、アニマルウェルフェアに配慮しつつ低コストで飼育管理を実現する仕組みの構築に向けた実証実験を信州大学農学部で行う。

ISIDと東工大、信州大、エッジAI技術を活用した牛の行動観察システムの共同開発と実証実験開始を発表 — 実験風景の様子（信州大学農学部附属AFC農場にて）

現在普及している牛用エッジデバイスでは、牛の動きの加速度データを測定し、単純に圧縮してBluetoothで送信しているため、検知できる状態の種類が限られていることや、通信距離が短いため放牧で利用しにくいことが課題とされている。

従来の技術を組み合わせて4Gネットワークなどにより牛の動きの加速度データをそのままクラウドに送ってAI処理すれば、放牧地にいる牛の様々な状態を推定できると思われるが、デバイスの消費電力が大きいため頻繁な電池の交換や充電が必要となる。

同プロジェクトチームは、ネットワークを介してあらゆるものが繋がるIoTの時代においては、エッジデバイスからゲートウェイデバイス、クラウドまでの各レイヤーにおけるAI処理のバランスを最適化したシステムアーキテクチャが必要であると考えている。

同プロジェクトが開発した行動推定システムは、エッジデバイスとクラウドのAI処理量と通信量のバランスを最適化することで、これまで課題であったエッジデバイスの長バッテリー寿命とクラウド間の通信のコスト削減に対応していることが特徴だ。

同実証実験で用いる「感じて考える首輪」のプロトタイプには、エッジデバイスでAI処理を実行するのに必要な、高性能で低消費電力なプロセッサを搭載したソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社のIoT向けスマートセンシングプロセッサ搭載ボード「SPRESENSE」を採用し、東京工業大学が開発した牛行動AI分析アルゴリズムを組み込んでいる。

これにより、歩行や摂食といった行動・状態をAI処理で推定してデータ量を圧縮し、低消費電力・低ビットレート・広域カバレッジ（LPWA）の無線技術を活用することで、多状態推定・放牧利用・長期間動作を両立できるようにする。

エッジAI技術により推定された牛の状態データに加え、牧場内の様々な環境データをISIDのクラウドサービス「FACERE（ファケレ）」に収集する。

その上で、総合的なアニマルウェルフェアの状態は、全てのデータを集約したクラウドのAIで推定する。

※1　アニマルウェルフェア：国際獣疫事務所（OIE）は、アニマルウェルフェアを「動物の生活や死（食用目的のと殺や疾病管理目的の安楽殺）という状況における動物の肉体的および精神的状態」と定義している。すなわち、人類による動物利用（家畜、実験動物、展示動物、伴侶動物など）を認めつつも、前述の状況に際して、可能な限り苦痛を排除しようとするものだ。近年では、オリンピックでの食材調達コード（畜産物）にアニマルウェルフェアが示され、また消費者教育の推進に関する法律（平成24年施行）の下で普及が進められている「倫理的消費」の畜産対応として、アニマルウェルフェアが示されている。昨年12月には、スターバックスコーヒーがアニマルウェルフェアに配慮されている非ケージシステムで生産された鶏卵を2020年までに全世界で使用するといった声明を出し、他の世界的な外食産業、ホテルチェーンでも同様の動きがある。
※2　サイレントボイス：地球上の自然、里山、社会、人に存在する今まで測ることができなかった・気づかなかった現象を、新規のセンサ技術および既存のセンサ技術を用いて顕在化させた統合的データのこと。東工大COIでは、上記センサ技術により取得されるデータをAI処理により、解釈可能あるいは私たちに関わりのある情報にすることを「サイレントボイス」に声を与えると表現している。
※3　エッジAI：通常はクラウド側で実行されるAIの処理をセンサなどのデバイスが存在するエッジ側で実行する仕組み。