处理生物响应信号的装置与方法,具体为孵出孵化蛋的装置与方法

专利名称：处理生物响应信号的装置与方法,具体为孵出孵化蛋的装置与方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的方法，并且进一步涉及分别在权利要求7和12的前序中说明的方法。
背景技术：
本发明主要适用于监控生物过程的技术领域。将生物过程理解为指生物活体形成重要部分的一种过程，其中，该生物体发挥相应作用。在这样的过程中，总是存在生物响应，将生物响应理解为此生物体对其周围环境的反应。更详细地，将此环境表示为不是关于此生物体遗传确定的任何事物，并且具体地与靠近此生物体的微环境有关。
作为生物响应的示例，其通常是此生物体新陈代谢活动的整体反映，可特别提到体温与脉搏，和专业人士所公知的许多其它响应。为了能够以专业人士公知的方式扫描、监视和测量这些响应，作用为物理或化学的适当传感器和设备用于此目的。任何专业人士将明白，这意味着还包括这些作用的组合，例如还包括生化作用。
在扫描、监视和测量期间，这些生物响应以生物变量表示，而利用传感器和设备通过生物响应信号进行扫描、监视和测量。
在线进行这样的测量。将会明白，在监视和控制的情况下，生物信号的处理是实时的。还需要注意，此生物过程是动态过程的示例。该扫描、监视和测量也可视为动态的，在信号处理领域，按照公知的奈奎斯特(Nyquist)理论，将其理解为采样频率或采样速率。因此在文中，除了“动态的”外，还将使用“连续的”，其清楚地表示此生物过程涉及生物活体的生物过程，其不间断地进行并持续。

发明内容
本发明涉及一种特定的生物过程，也就是孵化过程。公知其为一种非常复杂的过程，大致了解在靠近孵化蛋周围的微环境中温度范围和气体浓度，但是其中预先输入的控制并不足以优化指导这样的生物体。尽管该生存空间作为整体容纳此生物体的群体、集合与种群，并且不常在其中进行测量与控制，但准确地说，这种方法将总是涉及与该生物响应最多是间接关联的平均值。准确地说，孵化蛋本身的先前历史是不明确的，将要考虑的选项是产蛋母鸡的年龄与饲养，和产卵期与鸡舍中的气候；换言之，每一批孵化蛋将表现出其它响应。
从WO02098213可知根据权利要求1前序的方法。在其中说明了一种控制和监视生物过程的方法和系统，特别是控制和监视诸如牛与家禽的生物活体的生长过程，包括监视生物响应现象。更具体地，说明了一种方法，其中，生物响应信号用作模型中生物响应变量的测量信号，从而动态地并且准确地监控动物的生长过程，以提高该动物的经济质量，例如生物质的产量。详细说明了如何构建用于测量信号在线建模和实时处理的模型，及其数学基础，通过该模型使用根据MPC(模型预测控制)的控制。
到目前为止，已经发现几乎不可能在孵化室中进行在线测量，特别是在孵化蛋周围微环境内的在线测量。对此的一种解释可在孵化室形成了非常复杂的生存空间的事实中得到，该生存空间包含在某种结构中，并由气候支配，它的各种参数不仅以极为复杂的方式相互联系，并且通过这些参数不能明确地监视并控制孵化蛋周围的微环境，通常有成千上万个。尤其是，其伴随着通常缺乏正确的测量仪器。
为了提供这种工业生物产品生产线的解决方案，根据本发明的方法的特征在于该生存空间包括孵出孵化蛋的孵化器，同时以物理和/或化学的方式测量并控制生物响应变量，例如以光学、电子、磁、声学、机械生物响应信号，或其组合的形式。
按照一种令人惊奇的方式，已经发现，通过这样一种在孵化室中监视并控制孵化蛋微环境中孵化过程的方式，可获得明显更高的孵化结果。
根据生物响应变量，本发明还以侵入性或非侵入性方法提供测量与控制。从而能够以任何希望的方式选择并设置该生物过程的外部影响。
具体地，该方法的特征在于孵化蛋的生物响应变量从，例如但不限于，蛋壳温度、重量损失、脉搏、血压、呼吸、生长、生长率、活性、产热量、产湿量和声音产物中选择；更具体地，孵化蛋的生物响应信号从，例如但不限于，温度、湿度、气体浓度、声音强度和声音频率中选择；进一步地，该生存空间控制模型包括基于系统或数学处理规则的用于过程控制的智能控制算法，例如，但不限于所谓的预测模型基控制；或所谓的模糊逻辑过程控制；并且还有，该生存空间控制模型根据从专家意见获得并确定的指导控制孵出。
从例如NL1016636可知在权利要求7的前序中说明的方法。其中，蛋体温度视为一种生长特征，同时，根据其中声明的方法，特别地测量孵化室中蛋体温度对于外部温度变化的响应，并且然后将该测量的响应用于调整孵化室中的温度。在此文献中说明的过程控制可总结为扰动后调整。
在这样的方法中，并没有注意测量和控制生物响应变量，更具体地，测量和控制从和向孵化蛋传送能量的过程和动态变化，例如直接在孵化蛋周围的热状况等。通过试图以这种方式扰动蛋体温度并随之调整孵化室中的空气温度，根本没有预期该孵化过程期间作为孵化阶段和孵化蛋周围微环境的其它更多具体特征的函数的所需能量均衡。由于已经知道，在整个孵化期间，胚胎温度恒定或几乎恒定，同时，大约在该孵化期间的前半段，该孵化过程以吸热方式进行，而在后半段放热，这样的扰动将相反地影响微气候，而不是像在自然环境中那样的情形。
为了精确地监视孵化蛋周围的微气候或微环境，并可能调整它，并且更具体地，尽可能仔细地精确模拟该微气候，根据本发明的该方法的特征在于该方法连续地包含下列步骤-在孵化过程的开始将孵化蛋目标温度Tep输入至控制；-在开始后的某个确定的时间点测量蛋体温度Te；-比较测量的Te和Tep，其中，在Te和Tep有差别的情况下，根据空气温度规则，发出调整空气温度Ta的空气温度信号；以及-在此孵化过程的下一个确定的时间点重复这些步骤。
按照一种非常适当的方式，该方法对孵化蛋的“特定蛋体”信号产生响应。通过这种控制参数的方法，包括了作为整体的生存空间和每个孵化蛋周围的微环境。
更具体地，该方法的特征在于，对于调整空气温度Ta，该方法还连续地包括下面的步骤-在孵化过程的开始将空气目标温度Tep输入至控制，同时进一步地，输入在限制温度Tap(min)和Tap(max)间的空气温度控制范围A，Tap(min)＜Tap＜Tap(max)；-在开始后的某个确定的时间点测量空气温度Ta；-比较测量的Ta和A中的温度，其中，在Ta上升或降低了确定差值的情况下，根据确定的控制方案调整空气温度；以及-在孵化过程中的下一确定的时间点重复这些步骤。
通过非常直接的和可跟踪的方式，该孵化蛋周围的微气候，以及宏气候，即孵化室中作为整体考虑的气候，已经按照此方式彼此联系起来。更具体地，作为对蛋体目标温度潜在偏差的反应，调整室内气候。从而，以一种非常适当的方式，在该孵化过程中既考虑了吸热阶段，也考虑了放热阶段。
另外，该方法的特征在于，其包括当空气温度Ta超过限制温度A中的一个时，发出报警信号。
通过此方式，尽管是自动调整，可防止这种装置的操作员没有注意到，或者没有及时注意到非常多的偏差。一种可能的原因不常见于孵化过程本身，而在于孵化室的技术特征的问题。通过这种报警系统，可以避免大量的孵化蛋损失和相应的资金损失。
在特殊的实施例中，该方法的特征在于非接触测量蛋体温度，更具体地，根据权利要求12、13、14或15中任一个的装置测量蛋体温度。
可从Pakissan Agri Professionals Institutes Network，PAKAPIN的网站www.pakissan.com上的出版物，“Systematic Analysis of EmbryoTemperature”，February 2003，获知根据权利要求12的前序的装置，在其中详细说明了对于根据单步法(Single-stage method)孵化的一批蛋，如何用体温计类型的红外温度计人工测量预先选定数量的蛋的温度，其中，在每个蛋上人工放置该温度计。此温度称为蛋壳温度。然后，在此测量的基础上，可调整孵化室的设置温度。进一步地，需要注意，将尝试确定代表数量的蛋的蛋壳温度，从而获得可靠的平均值，以进行正确的控制设置。
任何人都将明白，这种手工测量方式具有很多缺点。例如，输入将引起相当大的设置干扰，和采用相关的孵化参数，例如温度、湿度、水蒸气浓度以及碳酸浓度。
为了克服所述缺点，根据本发明的装置的特征在于，在孵化期间，每个温度计根据预先输入的测量方案，非接触测量各个蛋的温度，同时，获得的测量信号控制温度控制规则。
需要考虑的这种装置的优点是，通过自动测量方式，通过避免向工作的孵化器输入，由旋转搅拌器造成损伤的风险，其认为是相当大的，将会消除。
进一步地，根据本发明的装置的特征在于在蛋间孵化盘上的挡板上放置温度计，通过这些温度计测量至少两个蛋的温度。
通过有利的方式，从而可实现由蛋向其微环境直接发出的参数值，也称为生物响应，控制温度规则。其中，到目前为止，通常测量作为整体的孵化室中参数值的平均值，通过其调整室内作为整体的气候，本发明以非常适合的方式，利用每一蛋周围或附近的微气候或微环境提供控制。
在另外的实施例中，根据本发明的装置的特征在于包括了自动仪器以自动定位靠近孵化蛋的挡板。


将参考附图详细说明根据本发明的装置，在附图中，图1表示根据本发明的模型控制的生物过程的图表；图2表示孵化盘的视图，部分装有蛋，并在其间具有根据本发明的装置；图3表示此装置的切削模型的视图；图4表示此装置拆成两部分的视图；图5表示控制计算机的屏幕的一部分的显示示例；图6表示用于蛋体温度测量的生物响应的方法流程图；图7表示调整孵化室内空气温度的流程图。
在不同的图中，对相同的部分进行相同的编号。
具体实施例方式
在图1中，可清晰地看出监控生物过程的循环，其由方框100表示。连接各个方框的箭头表示响应、数据流或信号。从生物过程100开始，在其进行期间，可选地进行反应与变化101，将其表示并识别为生物响应200。该生物响应200在生物响应变量的测量期间是可辨识的，其中获得生物响应变量201。接下来，它们进入模型300，其还包括将要执行的控制，和输入并设置这些变量的限制值与目标值。然后通过信号301，控制孵化室中的生存空间，更具体地为气候400。接下来，气候改变401影响生物过程，并且将指示这种改变的信号402反馈至模型300，其也包括该控制，如上所述。
更具体地，对于孵化蛋可测量光学、电子、磁或机械生物响应变量，或其组合形式的生物响应变量，其可包括例如重量损失、脉搏、血压、呼吸、生长、生长率、活性、产热量、产湿量和声音产物等的变量。则对应的信号包括但不限于，例如温度、湿度、气体浓度、光强度、光频率、声音强度和声音频率。不像在过去，已经发现，通过进一步开发的仪器和对应的软件，可有利地指导孵化过程。特别地，通过红外检测，可获得对于温度的准确的生物响应控制。将在下面详细说明示例实施例。
在图1中示出的模型300通常涉及输入至处理器的控制算法，以控制这种生存空间的有关参数，在这种情况下为孵化室。具体地，它通常涉及气候控制，因为孵化蛋是自我封闭的活体单元，并不向其供应外部营养。这种控制的示例是所谓的预测模型基控制，如在WO02098213中的详细说明。还使用所谓的模糊逻辑过程控制。同时还知道其许多示例。另外，还常常使用遵照专家意见获得和确定的指导，例如孵化专家的意见，往往不能超越其经验。不过，缺点在于这样的经验非常个人化，将其作为规则并不总是充分。有利地，这种高级的和更大程度客观的模型基控制，特别是预测模型基控制即MPC，使得能够被更加充分监视和检查的孵化过程在食物链上占据一席之地成为可能。使生存条件可控变得日益重要，从产蛋母鸡到孵化仔鸡，之后从肉仔鸡到肉鸡，同时，可极为有利地获得具有可靠联系的食物链，通过其可满足对于高质量食品日益增长的需求。
图2表示孵化盘1，在巢4中具有孵化蛋2。这样的结构通常用于孵化室。按照通常的方法，蛋放置于孵化盘的隔仓之中，其也称为巢，通常由塑料制成，并因此便于清洁。巢4具有巢边4a和4b，方向彼此垂直。进一步地，巢在许多侧面上形成开口，以允许所需的空气流通。接下来，将这些孵化盘放置在电动车或手推车的架子上，其中，在孵化室中有编号。在这样的孵化室中，尽可能模拟自然的孵化气候。仔细测量诸如温度、空气湿度、碳酸含量和氧气含量的参数，并且如果有必要的话，还要对其调整。为了尽可能模拟自然孵化过程，架子通常是可倾斜的。
更特别地，试图不仅检查作为整体的孵化室中的气候，甚至还要检查蛋周围的微气候或微环境。为了此目的，需要监视某个孵化蛋周围的状况，或至少是多个孵化蛋周围的状态，以便如果可能的话调整它们。通过图2中示出的装置3的示例实施例，发现有可能准确地监视这种孵化盘1中四个蛋2的温度。如此图所示，该装置具有可连接两个巢的大小，同时在该装置中的两侧上提供温度传感器，使得每次可测量两个蛋的每一的温度。明显，这种测量不仅是非侵入的，而且防止例如，由于放置和重新放置温度计造成的干扰。
图3和图4更详细地表示了装置3。装置3的两个主要部件由挡板部件20和顶盖部件40形成。挡板部件20包括底21，其具有两个与其相连的插件22a，以及插件22b，该装置可通过其夹在隔仓或巢4中，并且分别处于孵化盘1的巢边4a和4b之上。这些部件和将与其直接相连的部件都由同样的塑料制成，可选地由塑料的组合制成。
该装置的核心由传感器23构成，在此示例实施例中有4个，利用其可测量直接相邻的巢4中蛋2的温度。这些传感器是可用于接收红外辐射的类型，其中，入射光能量被转换为测量信号。这些传感器是公知的，并且将不在此处详述。例如，用于此目的的一种类型由Melexis公司出售，并以名称MLX90601知名。
更详细地，该传感器包括用于入射辐射的开孔25，该传感器容纳于底座24中，其也是由塑料制成，该传感器在背向开口25的侧面上具有传感器元件26，并且该传感器元件直接与芯片27相连。利用连接器28将该芯片的一个侧面连接至该四个传感器公共的印刷电路板29。然后，该印刷电路板连接至电缆连接器30，通过其将信号电缆(未示出)导向信号处理单元。沿该孵化盘1的不同巢4的直立边缘，在此示例实施例中为边缘4a，引导这些电缆，并由夹具5指引并夹紧，如图2中所示。该信号处理单元通常为计算机，直接安排在该孵化室的外部，以能够按照此方式对于上面详细说明的生存空间控制模型执行检查、控制和设置。另外，在顶盖部件40中提供了窗口32，通过其使辐射到达传感器23，具体为到达其开口25。另外，需要注意，已经校准了每一个传感器，使得按照优化方式，将每一传感器用于不同的孵化室。
任何专业人士将明白，被视为生物响应信号并来自根据本发明的传感器装置的测量信号可与涉及其它气候参数的测量信号组合。在这些信号的后续处理过程中，将可以调节作为整体，或其一部分的孵化室的诸如热传输、热转移和能量含量的量。
对于根据本发明的方法，参考图5、6和7。
图5表示控制计算机的屏幕的一部分显示。其最重要的部分由底部的线形成，其中，蛋旁的温度计显示两个数字。这些数字为华氏度的温度值。Tep为蛋体目标温度，或胚胎温度，其由孵化室的操作员设定，其中，这样的温度称为用于胚胎的温度。这意味着对于家禽的不同种类和繁殖，可以或将要设定不同的目标温度。下一个温度为在规则的时间点对于多个孵化蛋测量的蛋体温度Te，例如利用具有上述传感器23的装置3测量。
在其上的数字组中，温度值也为华氏度，表示了空气温度Ta(＝Tair)的调节和测量。具体地，Tap代表在某个时刻输入的空气目标温度。该Tap根据确定的输入方案与Tep和Te联系。这是因为任何专业人士将明白，通过Te相对于Tep的过大偏差，需要精确地调整作为外部参数的空气温度。此外，接下来，这将与该孵化期间吸热和放热部分密切联系。上面的数字和下面的数字表明限制温度Tap(max)和Tap(min)，其界定了范围A，将在该范围内发现测量的空气温度Ta，但在右边表示Ta，以大数字标记。
更具体地，在图6和图7中示出了用于测量、响应和调节的流程图。在这些图中，判决步骤以菱形表示。加号和减号表示它们旁边的条件是否得到满足。箭头↓和↑表示测量，也就是，分别表示温度的降低或升高。
在图6中，S表示调节-测量循环的起始。在Te高于或低于输入的Tep的情况下，采取动作。在测量的Te低于或高于Tep的情况下，检查空气目标温度Tap，具体为检查其是否确实在调节范围A之中。通常都是这样的情况。
相反地，在图7中示出了空气温度Ta本身的调节。起始由X表示，其中，首先，Ta与空气目标温度Tap比较。当然，然后根据其对室内温度进行升高、降低或保持不变。
注意，调节Ta，例如在与Tap差别过大的情况下，可导致略微偏移调节范围。这也使得可以理解为什么在图6中每次都要测试限制值。这样的偏移还输入至该控制中，并可自动和人工地进行。更具体地，对于从较多至较少吸热，并且然后至放热的转换的情形中，可有利地使用这样的Tap偏移，通常为该调节范围的对应偏移。
进一步地，在图7中，RH代表相对湿度。任何专业人士将明白，蛋周围的热均衡不仅由温度确定，当然还由局部湿度确定。因此，温度的调整不能脱离湿度的调节。
根据本发明，准确地说，蛋体温度Te可由装置3测量，具体为由与其相连的传感器23测量。在这种装置3的情况下，可非接触地进行测量，这使偏差或错误的温度测量的风险最小。
如在此应用中所呈现的，对于该装置的小的修改将被视为处于所附权利要求的范围之内，例如塑料的选择，装置中传感器的数量以及提供和连接的方式。任何专业人士将进一步明白，测量方案还可规定连续测量和以非常小的步长的测量，可考虑将其连续进行。另外，在此生物响应应用中，用于测量的确定时间点将通常表示连续的监视、测量和控制。
权利要求
1.一种处理来自在良好限定的生存环境中生存的生物体的生物响应信号的方法，所述生物响应信号包含在微环境中，其中，在生物响应变量的在线测量中获得这些信号，并且其中，在信号处理器中至少实时处理这些信号，并且其中一方面，在所述微环境中监视这些生物体，并且其中另一方面，根据生存空间控制模型通过对应的信号控制装置调整这些变量，该方法的特征在于该生存空间包括用于孵出孵化蛋的孵化器，其中，以物理和/或化学方式测量并控制这些生物响应变量，例如以光学、电子、磁、声学或机械生物响应信号，或其组合的形式。
2.根据权利要求1的方法，特征在于，非侵入式地测量这些生物响应信号。
3.根据权利要求1或2的方法，特征在于，用于孵化蛋的生物响应信号从，例如但不限于蛋壳温度、重量损失、脉搏、血压、呼吸、生长、生长率、活性、产热量、产湿量和声音产物中选择。
4.根据权利要求1，2或3的方法，特征在于，用于所述微环境中孵化蛋的生物响应信号从，例如但不限于，温度、气体浓度、声音强度和声音频率中选择。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，特征在于，该生存空间控制模型包括基于系统或数学处理规则的用于过程控制的智能控制算法，例如但不限于，所谓的预测模型基控制，或所谓的模糊逻辑过程控制。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，特征在于，该生存空间控制模型根据遵照专家意见获得和确定的指导控制孵出。
7.一种呼出孵化蛋的方法，具体用于在孵化过程中调节孵化器中气候状况，其包括设定、测量和监视，以及调整气体浓度和气候参数，例如，空气温度、空气湿度、碳酸含量和氧含量，以及进一步地测量至少一些孵化蛋的蛋体温度，其特征在于，该方法连续地包括如下步骤-在孵化过程的开始将孵化蛋目标温度Tep输入至控制；-在开始后的某个确定的时间点测量蛋体温度Te；-比较测量的Te和Tep，其中，在Te和Tep之间有差别的情况下，根据空气温度规则，发出调整空气温度Ta的空气温度信号；以及-在此孵化过程中在下一个确定的时间点重复这些步骤。
8.权利要求7所述的方法，特征在于，用于调整该空气温度Ta的该空气温度规则连续地包括下列步骤-在孵化过程的开始将空气目标温度Tep输入至控制，其中进一步地，输入在限制温度Tap(min)和Tap(max)间的空气温度控制范围A，Tap(min)＜Tap＜Tap(max)；-在开始后的某个确定的时间点测量空气温度Ta；-比较测量的Ta和A中的温度，其中，在Ta上升或降低了确定差值的情况下，根据确定的控制方案调整该空气温度；以及-在孵化过程中在下一确定的时间点重复这些步骤。
9.权利要求8所述的方法，特征在于，其进一步包括，当空气温度Ta超过限制温度A中的一个时，发出报警信号。
10.根据权利要求7-9中任一条所述的方法，特征在于，非接触测量该蛋体温度。
11.权利要求10所述的方法，特征在于，用根据权利要求12-14中任一条所述的装置测量蛋体温度。
12.一种具有红外温度计的装置，用于测量放置在孵化盘的巢中的孵化蛋的温度，这些孵化盘排列在孵化器中，其中，对于预先选定数量的孵化盘，测量预先选定数量的蛋的温度，特征在于，在孵化期间，各个温度计根据预先输入的测量方案，非接触测量对应的各个蛋的温度，其中，获得的测量信号控制温度控制规则。
13.权利要求12所述的装置，特征在于，在挡板上提供该温度计，该挡板放置在蛋间的孵化盘上，通过所述温度计测量至少两个孵化蛋各自的温度。
14.根据权利要求12或13中任一条所述的装置，特征在于，该装置还包括自动仪器，以自动定位靠近孵化蛋的挡板。
15.根据权利要求12-14中任一条所述的装置，特征在于，该装置用于执行根据权利要求1-11中任一条所述的方法。
全文摘要
一种处理来自在良好限定的生存环境中生存的生物体的生物响应信号的方法，所述生物响应信号包含在微环境中，其中，在生物响应变量的在线测量中获得这些信号，并且其中方面，在信号处理器中至少实时处理这些信号，并且其中另一方面，在所述微环境中监视这些生物体，并且其中另一方面，通过根据生存空间控制模型的对应的信号控制装置调整这些变量，其中，该生存空间包括用于孵出孵化蛋的孵化器，其中，以物理和/或化学方式测量并控制这些生物响应变量，例如以光学、电子、磁、声学或机械生物响应信号，或其组合的形式。
文档编号A01K41/02GK1835678SQ200480023151
公开日2006年9月20日 申请日期2004年8月11日 优先权日2003年8月12日
发明者丹尼尔·艾伯特·贝克曼斯, 安德烈斯·万布雷希特, 吉恩-玛丽·阿尔茨, 洛德·佩特斯, 伊凡·万德尔贝肯, 保罗·德格拉夫 申请人:卡托利克·尤尼韦尔西泰特·勒文