Umstätter, Christina: Tier-Technik-Beziehung bei der automatischen Milchgewinnung

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Kapitel 2. Erkenntnisstand

2.1 Tier-Technik-Beziehung

Die Tier-Technik-Beziehung ist in erster Linie ein Kommunikationsproblem. Die Grundlagen der Kommunikation haben zum ersten Mal umfassend Shannon, C. und Weaver, W. 1949 in ihrer Veröffentlichung „The Mathematical Theory of Commu-nication" dargestellt. Diese Theorie hat bekanntlich als Informationstheorie seit Ludwig Boltzmann das gesamte letzte Jahrhundert grundlegend geprägt. Abbildung 1 stellt das Grundprinzip dar:

Abb.1: Allgemeines Modell der Information und Kommunikation.

Bei der Kommunikation gibt es einen Sender, der eine Nachricht bzw. Signale abgibt. Diese werden durch den Übertragungskanal geleitet und vom Empfänger aufgenommen. Sender und Empfänger sind alle Partner, vom Molekül bis zu den komplexesten sozialen Strukturen, die eine jeweils gemeinsame Codierung verwenden.

In der Tierhaltung war es bisher so, dass die Technik die Rolle des Senders übernahm. Sie gab die Signale ab, während die Tiere immer auf der Empfängerseite standen (Abb. 2).

Abb. 2: Bisherige Kommunikationsrichtung zwischen Maschine und Tier.

Dabei können Übertragungskanäle genutzt werden, die das Tier nach einer Einteilung Tembrocks, G. (S. 292, 1987) in chemischer, elektrischer, mechanischer und optischer Codierung ansprechen.


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Erst durch die schnell fortschreitende Entwicklung der technischen Sensorik ist ein Rollentausch möglich geworden, wie er in Abbildung 3 skizziert ist. Die Technik ist nun in der Lage als Empfänger zu fungieren, da sie mit Hilfe von Sensoren die Signale auch empfangen, entschlüsseln und verarbeiten kann.

Abb. 3: Mit Hilfe moderner Sensorik kann nun auch die Kommunikationsrichtung vom Tier in Richtung Maschine laufen.

Durch diesen entscheidenden Schritt ist aus der einfachen, einseitigen Kommunikation zwischen Technik und Tier, ein komplexes kybernetisches System entstanden, das in Abbildung 4 schematisch dargestellt ist (Wiener, N.; 1969).

Abb. 4: Schema eines kybernetischen Systems in der technisierten Tierhaltung.

Für die Rückkopplungen, die in solch einem kybernetischen System möglich geworden sind, kann nun Software entwickelt werden, die zu einem sich selbst optimierenden oder auch selbstlernenden System führen.

Die Individualisierung der Technik, die heutzutage angestrebt wird, ist erst durch die Einzeltieridentifikation in den 70er Jahren möglich geworden. Die historische Entwicklung der zunehmend miniaturisierten Bauteile und der gleichzeitigen steigenden Informationskapazität ist bei Schön, H. und Artmann, R. (1993) in ihrer Relation dargestellt. Eine Verkleinerung der Systeme vom Halsbandsender bis zum Implantat konnte so erreicht werden. Solche Systeme sind die Grundlage für eine speziell auf das Individuum ausgerichtete Tierhaltung in größeren Beständen, die für den Menschen nicht mehr überschaubar sind. Die verschiedensten Sensoren können in der


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Landwirtschaft und in der agrarwissenschaftlichen Forschung zur Anwendung kommen. Eine Übersicht über heutzutage nutzbare Sensoren ist aus Tabelle 1 zu ersehen.

Tab. 1: Übersicht über heute gebräuchliche Sensoren

Sensoren

Messgrößen Beispiele

Abstandssensoren

Mikrometer bis Kilometer

Akustische Sensoren

Geräusch

Ultraschall

Biosensorik

z.B. Biologisch-immunologische-Erkennungskomponenten

z.B. Biochips

Chemosensorik

Gas

Geruch

Elektrische Sensoren

Leitfähigkeit

Feuchtigkeitssensoren

Betauung

Luftfeuchte

Geschwindigkeitssensoren

z.B. Kilometer pro Stunde

z.B. Meter pro Sekunde

Mechanische Sensoren

 

Beschleunigung

Bewegung

Druck

Füllstand

Kraft

Taktile Reize

Optische Sensoren

Helligkeit

CCD (Charge Coupled Device)

Licht

Fluoreszenz

Infrarot

Temperatursensoren

z.B. Grad Celsius


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In vielen Fällen kommt es dabei zu indirekten Messungen. Drucksensoren werden z.B. bei den verschiedensten Wiegemöglichkeiten eingesetzt, die bei der Lebendmasseentwicklung, beim Futtermischen oder auch bei der Milchmengenerfassung nützlich sein können. Volumenmessungen sind ebenfalls bei der Milchmengenerfassung zu finden. Mit Hilfe der Leitfähigkeit sind beschränkt Aussagen über die Milchqualität zu gewinnen. Messungen der Beschleunigung können unter anderem auch zu Lahmheitsdiagnostik eingesetzt werden (Falaturi, P. 1998) oder in Kombination mit einem Positionssensor zu Verhaltensbeobachtungen. Hier sei nur an das System „Ethosys“ erinnert (Scheibe, K. et al.1998). Darüber hinaus gibt es auch schon seit langem den Einsatz von Bewegungssensoren, um beispielsweise die Brunst mit Pedometern zu überwachen. Dabei ist auffällig, dass auch an dieser Methode schon seit vielen Jahren gearbeitet wird (u.a. Pennington, J.A. et al. 1986; Maatje, K. et al. 1997), ohne dass der entscheidende Durchbruch gelungen ist, da keine der einzelnen Datenerfassungen ausreicht, um zuverlässige Aussagen machen zu können. Erst im Kontext mehrerer Parameter können ausreichend zuverlässige Schlüsse gezogen werden.

2.2 Tier

In der Tier-Technik-Beziehung können, trotz der starken Interdependenz, das Tier und die Technik jeweils für sich auch getrennt betrachtet werden, um ein besseres Verständnis für die komplexe Wechselbeziehung zu erlangen. Dabei ist der tierische Bereich in seiner Komplexität für den Menschen schwieriger zu verstehen, als der technische, da dieser vom Menschen selbst erzeugt wurde. Das Wissen über die kognitiven Fähigkeiten der Tiere ist bis zum heutigen Tag noch äußerst lückenhaft und hat sich nicht zuletzt durch die Verahltensanalysen der letzten Jahrzehnte und die Informationstheorie im letzten Jahrhundert etwas konkretisiert. Durch den mittlerweile schon mehrjährigen Praxiseinsatz von Automatischen Melksystemen zeigt sich immer stärker, dass der Part „Tier“ bei solchen Systemen unzureichend beachtet wurde, wobei die Lernfähigkeit der Technik völlig neue Ansätze bietet.


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2.2.1 Verhalten

Um das Verhalten von Tieren untersuchen zu können muss zunächst der Begriff genau definiert werden. Dies hat Tinbergen, N. (S. 17-18, 1979) mit seinem allgemein gültigen Ansatz getan, nach dem Verhalten Reaktion ist "soweit, wie es äußere Reize beantwortet“ und spontane Aktion insofern, als es zugleich auch auf inneren Kausalfaktoren, nämlich einstimmenden Faktoren, beruht, die einen Drang, einen Trieb aufrufen.

Auf die Situation dieser Arbeit bezogen, würde sich ein entsprechendes Schema wie in Abbildung 5 darstellen lassen. Die Aktion geht vom handelnden Tier als Sender aus. Danach folgt zunächst die Reaktion der Technik, wobei sich nun diese ihrerseits auf der Senderseite befindet und das Tier zu einer rückgekoppelten Reaktion führt.

Abb. 5: Die rückgekoppelten Kommunikationsrichtungen bei Aktion und Reaktion im Sinne Tinbergens.

2.2.1.1 Motivation

Die Motivationsforschung ist ein Teilbereich der Verhaltenswissenschaften. Sie sucht nach den Signalen, die zu den Aktionen bzw. Reaktionen des Verhaltens führen.

Das Wort Motiv kommt vom spätlateinischen Wort motivus = bewegend, antreibend. Verwandte Worte sind Emotion, Motor, Motorik oder auch das englische Wort „motion“. Motiviertes Verhalten hat daher nach Tembrock, G. einen „inneren Antrieb" (S. 123, 1987).

    Man kann bei der Motivation nun zwei Klassen von Unterscheidungen vornehmen:

  1. Unterscheidung: Signale von innen, Signale von außen
  2. Unterscheidung: Bewusste, unbewusste Motivation


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Zu 1.: Innere Signalen können z.B. aus Mangelsituationen im Körper entstehen. Gemeint sind damit Hunger, Durst, Sexualtrieb etc. Bei äußeren Signalen kommen beispielsweise Lockstoffe, wie Geruch des Futters, Wassers oder eines potentiellen Sexualpartners in Frage. Daneben wären aber beispielsweise auch akustische oder optische Signale denkbar.

Zu 2.: Die bewusste Motivation spielt bei den Tieren keine Rolle, da diese nach unserem heutigen Wissensstand auf den Menschen beschränkt ist. Diese Unterscheidung entsteht somit aus humaner Sicht und beschränkt sich auf die Fähigkeit des Menschen bewusste Begründungen für seine Handlungen zu gewinnen. Der unbewusste Antrieb hingegen ist für die Untersuchungen bei den Tieren in den folgenden Bereichen von grundlegender Bedeutung.

Die Motivation betrifft die Gesamtheit der Triebe, die ein Individuum zu einer Handlung veranlassen. Innerhalb der Triebe unterscheiden wir:

Sexual-, Pflege-, Macht-, Hunger- und Fluchttrieb, wobei die ersten vier vorwiegend endogen sind, während der Fluchttrieb weitestgehend exogen ausgelöst wird.

Dass alle diese Triebe von äußeren Bedingungen und auch von Stimmungen abhängig sind, liegt an der Handlungsbereitschaft, die ihrerseits vom Aktionspotential des Zentralnervensystems abhängig sind.

Instinkte müssen in diesem Zusammenhang nach Tinbergen, N. (S. 104, 1979) als hierarchisch organisierte, nervöse Mechanismen verstanden werden. Während die Triebe auf die bestimmten vorwarnenden, auslösenden oder richtenden Impulse ansprechen, und damit die Instinkte auslösen, folgen die weiteren Abläufe wohlkoordiniert und lebens- bzw. arterhaltend.

Bezüglich der motorischen und trophischen Reflexe ist hier nur am Rande zu bemerken, dass diese nicht zu den Motivationen gezählt werden können, da sie unmittelba


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re Reaktionen eines Effektors auf eine Erregung sind. Ihnen fehlt das variable Aktionspotential des Zentralnervensystems.

    Innerhalb der Reflexe unterscheidet man:

  1. den bedingten Reflex : ein Reflex der durch Erfahrung modifiziert werden kann.
  2. den unbedingten Reflex: ein Reflex der durch Erfahrung nicht modifizierbar ist.

Für die vorliegenden Untersuchungen ist in Abbildung 6 die motivationsauslösende Signalrichtung zu entnehmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Erinnerungsvermögen der Tiere keinen unmittelbaren Signal-Reaktions-Zusammenhang erfordert. Gerade die Assoziation des Melkroboters mit Elementen wie Futterangebot, Körperpflege, Melkung oder Wasserversorgung einerseits, aber auch mit Stress oder Schmerz andererseits führen zu Reizen mit differenzierter Langzeitwirkung.

Abb. 6: Die Signalrichtung bei der Motivation von außen erfolgt von der Technik in Richtung Tier über eine zeitliche Verzögerung des Lernvorgangs.

Dabei kommt von der Technikseite ein Signal, im Falle des AMS ist das das Angebot von Lockfutter in Form von Konzentraten, um die Tiere zum Besuch der Melkbox zu bewegen. Sobald sie sich daran erinnern, suchen sie das AMS auf.

Schon zu Beginn der Entwicklung des AMS wurden eingehende Versuche zur Motivation durchgeführt. Es galt dabei zu ergründen, welche Motive hinter dem Besuch in der Melkbox standen. In Vorversuchen veränderte man die Aufstellung der Kraftfutterautomaten dahingehend, dass die Tiere an diesen von Melkern über den gesamten Zeitraum von 24 Stunden gemolken werden konnten. In diesem Versuch konnte Rabold, K. (1985) feststellen, dass die Tiere vor dem Einsatz der Melker den Futterautomaten im Durchschnitt 11 Mal am Tag aufsuchten, während die Besuchshäufigkeit beim Einsatz der Melker drastisch zurückging. Im 1. Versuch sank die Besuchshäufigkeit auf 4,29 Mal und im 2. Durchgang auf 3,96 Melkungen täglich. Prescott,


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N.B.; Mottram, T.T. und Webster, A.J.F. (1998) fanden heraus, dass die Motivation gemolken zu werden wesentlich schwächer ist, als man zunächst vermutete. Außerdem konnten sie keine erkennbare Korrelation mit dem Laktationsstatus nachweisen. Auch der Füllungsgrad der Euter schien nach diesem Versuch keine endogene Signalwirkung zu haben. Das Angebot von Kraftfutter zeigte sich dagegen den Autoren als zuverlässiger Motivationsauslöser. Diese Erkenntnis wurde auch durch den vorhergehenden Versuch von Rabold, K. unterstützt. Dabei wird von Pirkelmann, H. (1992) angegeben, dass die Mindestmenge der Kraftfuttergabe im AMS 2 kg beträgt. Ipema, A.H. (1997) spricht davon, dass die Verabreichung von Kraftfutter mit dem Melken so stark wie möglich kombiniert werden sollte, um einen möglichst hohen Assoziationsgrad zu erreichen.

Eine Kuh kann aus physiologischen Gründen nicht mehr als 3,5 kg Kraftfutter auf einmal zu sich nehmen. So schwankt die tägliche Konzentrataufnahme je nach Melkfrequenz zwischen 7 und 14 kg. Ipema macht in diesem Zusammenhang darauf aufmerksam, dass eine Kuh für das Fressen von 3,5 kg Kraftfutter etwa 12 Minuten braucht. Dies ergibt Probleme mit den meist kürzeren Melkzeiten, wenn die Melkroboter trotzdem ausgelastet werden sollen. Er empfiehlt daher eine extra Kraftfutterstation zusätzlich einzurichten. Ketelaar-de Lauwere, C.C. et al. (1999) stellten fest, dass eine solche Station, wenn sie hinter dem AMS angeordnet ist, sich vorteilhaft auf die Besuchsfrequenz des AMS in einem geregelten Kuhverkehr auswirkt.

Neben der Kraftfuttergabe werden aber auch immer wieder andere Motivationsmöglichkeiten untersucht. Eine davon ist das Angebot von spezieller Musik. Uetake, K.; Hurnik, J.F. und Johnson, L. (1997) haben den Effekt der Musik auf das freiwillige herantreten von Kühen an das AMS untersucht und sind zu einem positiven Ergebnis gelangt. Die Effekte sind aber bisher eher gering und reichen sicherlich als Motivationshilfe alleine nicht aus. Des weiteren werden auch beispielsweise hinter dem AMS positionierte Bürsten empfohlen, die einen positiven Effekt auf die Besuchsfrequenz des Melkroboters haben sollen. Das Angebot solcher Bürsten wird von den Tieren intensiv wahrgenommen (Georg, H. und Totschek, K. 2001), so dass deren Einsatz bei AMS, in günstiger Anordnung, erfolgversprechend ist. Auch Stefanowska, J.; Ipema, A.H. und Hendriks, M.M. (1999) haben festgestellt, dass man den Austritt der


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Kühe beschleunigen kann, indem man ihnen hinter dem Ausgangstor eine Belohnung anbietet.

2.2.1.2 Lernen

Lernvorgänge unter der Bedingung von Versuch-und-Irrtum folgen nach der Theorie von Hull, C.L (1952) und der Formalisierung von Noble, C.E. (1957) einer sigmoiden Kurve der Form

Rp

=

probability of a correct first choice (1R+)

A

=

asymptote of Rp (1,00)

i

=

initial probability (1/NR)

r

=

rate parameter related to NR

N

=

number of trials

Obwohl diese Formel der Lerngeschwindigkeit an menschlichen Probanden getestet wurde, gilt sie grundsätzlich für alle Lernsysteme dieser Art, da sie auf einer rein zufallstheoretischen Grundlage aufbaut. In ihr gehen drei wichtige Parameter ein:

  1. Die Ausgangswahrscheinlichkeit i eine korrekte Antwort in der Versuch-und-Irrtums-Beziehung zu finden. Sie ist bei N = 0 entsprechend i1. Der Parameter i entspricht der Inversen von NR, der Zahl an Antwortmöglichkeiten.
  2. Der Exponent r, der ein Maß für den Lernfortschritt ist.
  3. Die Wahrscheinlichkeit a, nach ausreichend langer Lernzeit die korrekten Reaktionen zu zeigen. Im Prinzip wird sich Rp asymptotisch an 1 und damit an 100 Prozent richtige Entscheidungen annähern. Es kann aber wahrscheinlichkeitstheoretisch auch Fälle geben, in denen ein Proband immer wieder testet, ob ein anderer, als der erlernte Fall richtig ist.

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Abb. 7: Lernkurve nach C.E. Noble (1957) für ein Versuch-und-Irrtum Lernsystem, mit 2; 4; 6; 10; 14; 50 und 100-Felderauswahl.

Für verschiedene i und a = 1 lassen sich am „Selective Mathometer“ damit die entsprechenden Lernkurven darstellen (Abb. 7). Die entsprechenden Parameter r wurden von C.E. Nobel für die Fälle i = 4; 6; 10 und 14 ermittelt. Die Werte 2; 50 und 100 ließen sich für die vorliegenden Betrachtungen extrapolieren.

Wie die Abbildung 7 zeigt, können Probanden bei einem 4-Feldermonitor schon ohne jede Kenntnis in 25 % aller Fälle eine richtige Entscheidung treffen. Diese Wahrscheinlichkeit steigt mit jedem neuen Versuch rasch an und geht gegen 100 Prozent. Der Anstieg steht in Relation mit der Zahl an Auswahlmöglichkeiten und beträgt nach C.E. Noble bei 4 = 0,835, bei 6 = 0,904, bei 10 = 0,937 und bei 14 = 0,946. Es ist leicht einzusehen, dass bei einer weiteren Verringerung der Ausgangswahrscheinlichkeit, sich richtig zu entscheiden, die Kurve erst nach einer längeren Anzahl von Fehlversuchen langsam ansteigt. Übereinstimmend dazu hat der prozentuale Lernerfolg bei einer größeren Anzahl von Wahlmöglichkeiten erst nach einigen Versuchen sein Maximum erreicht und nimmt langsamer ab, als bei einer geringeren Anzahl von Möglichkeiten (Abb. 8).

Bei Lernvorgängen kommt es darauf an, dass die lernenden Systeme nicht nur in der Lage sind sich zu erinnern, d.h. ein Memory besitzen, sie müssen auch die Fähigkeit haben diese Erinnerung in bestimmten Situationen gezielt abzurufen, was an der


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sog. S-R-Beziehung (Stimulus-Response) deutlich wird. Dazu kommt, dass es eine ausreichende Chance geben muss, einen Lernfortschritt zu erzielen. Dieser ist am Anfang von der Zufallswahrscheinlichkeit i abhängig und verändert sich dann bedingt durch r.

Abb. 8: Zunahme der Wahrscheinlichkeit korrekter Antworten pro N Versuche, entsprechend der Werte in Abb. 7.

Beim Lernen der Kühe sind damit die drei genannten Parameter zu berücksichtigen. Wobei i und a als erstes zu bestimmen sind. Sie ergeben sich aus der Ausgangs- und Endsituation. So gibt es für eine Kuh bei unseren Betrachtungen zunächst nur zwei Möglichkeiten, das AMS aufzusuchen oder zu meiden. Diese Wahrscheinlichkeit muss aber nicht zwangsläufig bei 50 % liegen, da sie u.a. davon abhängt, wie schwierig es ist, den Eingang zu finden. Durch die Heranführung der Tiere wird i daher gezielt erhöht. Bei a muss in unserem Falle die Zeit berücksichtigt werden, da ein Zeitabstand von über 12 Stunden zwischen zwei Melkungen als Fehlversuch gewertet werden muss. Eigentlich ist aber schon eine Verzögerung von 10 Stunden kritisch, da eine Besuchsfrequenz von 3 Besuchen pro Tag zu einem 8 h Rhythmus führt. Wir können bei den Besuchsfrequenzen somit nicht von der einfachen Bedingung a = 1 ausgehen.


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2.2.1.3 Tiergerechtheit

In der Öffentlichkeit steht die Tierproduktion schon lange in der Diskussion. Immer wieder wird der Ruf nach artgerechter Tierhaltung laut. Das deutsche Tierschutzgesetz verwendet vor allem die Begriffe artgemäß und verhaltensgerecht. Im Kommentar (Nr. 2 Kommentar, S. 1,

Schiwy, P. und Harmony, T., 1998

) zum Gesetz ist dazu nachzulesen, dass "Haltungssysteme dann als tiergerecht gelten, wenn das Tier das erhält, was es zum Gelingen von Selbstaufbau und Selbsterhaltung benötigt und ihm die Bedarfsdeckung und die Vermeidung von Schaden durch die Möglichkeit adäquaten Verhaltens gelingt". Dabei muss zunächst festgestellt werden, dass es im Gesetz keine Differenzierung zwischen den Begriffen artgemäß und tiergerecht gibt.

Nach Sundrum, A.; Andersson, R. und Postler, G. (S. 7, 1994) sind „Haltungsbedingungen dann tiergerecht, wenn sie:

Die Artgerechtheit beinhaltet bei genauer Betrachtung keine individuelle Berücksichtigung spezieller Bedürfnisse, sondern die allen bzw. fast allen Artgenossen gemeinsamen Ansprüche. Die Variationsbreite der verschiedenen Merkmale innerhalb einer Art kann somit nur statistisch berücksichtigt werden. Tschanz, B. hat 1984 festgestellt, dass bei der Verwendung des Begriffes artgemäß, den Besonderheiten die speziellen Zuchtrassen zukommen, Rechnung getragen werden muss. Daraus ergibt sich die weitere Notwendigkeit zwischen art- und rassegerecht zu unterscheiden. Dennoch wird der Begriff der Rassegerechtheit selten verwandt. Man muss aber gerade hier auf die rassespezifischen Unterschiede und Besonderheiten hinweisen.


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Darüber hinaus stellt dieser Begriff die Verbindung zwischen artgerecht und tiergerecht dar.

Sogar bei einer Spezialisierung der Umweltgestaltung auf bestimmte Rassebedürfnisse treten Probleme für die einzelne Kuh auf, sobald es um individuelle Unterschiede geht. Denn auch innerhalb der Rassen kommt es durchaus noch zu großen Schwankungen hinsichtlich des Gesundheitszustandes und der jeweiligen Verfassung des einzelnen Tieres. Bei den meisten Experten gibt es einen Konsens darüber, dass man nicht nur Art- oder Rasse-, sondern Tiergerechtheit anstreben sollte, da die Haltung von Nutz- und Haustieren in der modernen Landwirtschaft besser denn je auf das Individuum abgestimmt werden kann.

2.3 Technik

Die grundsätzlichen technischen Probleme, wie beispielsweise das Ansetzen der Melkbecher, funktioniert beim AMS bereits sehr gut. Die sich rasch entwickelnde Sensortechnik stellt für eine wechselseitige Tier-Technik-Beziehung die Basis dar. Nun stehen die Entwickler vor der Herausforderung die Software so weiter zu verbessern, dass der Melkroboter immer stärker auf das Individuum eingehen kann. Dabei müssen Erkenntnisse aus dem Tierverhalten, dem Lernvermögen und den Kommunikationsmöglichkeiten der Tiere genutzt werden.

2.3.1 Entwicklung und Stand der Technik

Bereits 1977 stellte Ordolff, D. die Frage, ob der Melker überflüssig geworden ist. 1980 folgten dann seine Überlegung, ob automatisches Ansetzen demnächst Wirklichkeit wird. Später baute VICON für das automatische Melken ein System, mit dem bereits 1987 die ersten Kühe gemolken wurden. 1988 erwarb Verbrugge, J.K.J. (Netherlands) das Europapatent EP 0 270 165 A1 für ein mobiles automatisiertes Melksystem. Die Steuerung übernahm ein Roboter.


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1990 konnte im Versuchsbetrieb des IMAG-DLO das erste System von Prolion installiert werden. Seit 1992 erfolgt der Einsatz auch in Praxisbetrieben. Weltweit waren nach Eckl, J. (1994) ca. 19 Melkroboter in Pilotanlagen installiert. Seit Beginn der Entwicklung stieg die Zahl der eingesetzten Melkroboter stetig an. 1996 nannte Eckl, J. etwa 25-30 eingesetzte Systeme. 1997 waren weltweit etwa 100, davon in Holland über 50 Roboter im Einsatz. In Deutschland übernahm im Landkreis Kitzingen ab März 1997 der erste Melkroboter die Arbeit. Ende 1998 konnten in der BRD bereits über 50 AMS verzeichnet werden. Kutschenreiter, W. (1998) spricht in diesem Jahr davon, dass sich langsam die Praxisreife der Automatischen Melksysteme abzeichnete. Dabei stellt er auch heraus, dass der Begriff Melkroboter nur ein Teilaspekt eines ganzheitlichen Produktionsprozesses ist, der Tier, Technik und Mensch umfasst. 1999 stieg die Zahl der installierten Roboter in den neuen Bundesländern auf 22, davon 11 in Brandenburg. Im Jahr 2001 waren, nach Schätzungen auf der Eurotier, ca. 1.300 AMS weltweit im Einsatz. Die Niederlande stehen dabei zahlenmäßig an der Spitze, gefolgt von Deutschland (Eckl, J., 2001).

Die Systeme lassen sich generell in zwei Kategorien unterteilen. Zum einen gibt es die Einboxenanlagen, bei denen eine Melkbox mit einem Roboterarm versorgt wird. Im Gegensatz dazu, stehen in Mehrboxensystemen ein Roboterarm für bis maximal vier Melkboxen zur Verfügung. In technischen Details unterscheiden sich die verschiedenen AMS von mittlerweile acht Firmen. Dabei verkaufen Westfalia Landtechnik, Lely, DeLaval, Prolion und Insentec im Eigenvertrieb, während über Lemmer-Fullwood, Manus und Gascoigne Melotte Lizenznachbauten zu beziehen sind.

Neben den technischen Unterschieden gibt es auch noch zwei grobe organisatorische Einteilungen im Bereich des Kuhverkehrs. Dabei wird zwischen den Varianten geregelter und freier Kuhverkehr unterschieden. Bei einem freien Kuhverkehr sind alle Funktionsbereiche des Stalles für die Kühe frei zugänglich. Der Vorteil liegt dabei in dem ungehinderten Zugang zum Futtertisch. Nachteilig wirkt sich allerdings die Tatsache aus, dass die Tiere die Melkbox völlig frei aufsuchen können, dadurch ist es auch möglich gar nicht zum Melken zu gehen. Die freiwilligen Besuche der Kühe am Roboter funktionieren nur auf der Basis von Lockfutter, in Form von Konzentraten. Dieses Motivationssignal wirkt allerdings bei jedem Tier und zu verschiedenen


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Zeiten unterschiedlich. Einige Kühe müssen deshalb gelegentlich oder täglich aus der Herde herausgesucht und in den Roboter getrieben werden. Durch solch eine zeitraubende Arbeit können die Vorteile des freien Verkehrs teilweise zunichte gemacht werden. Bei dem geregelten Kuhverkehr gelangen die Tiere nur zum Futtertisch, wenn sie durch das AMS gehen. Dadurch wird die nötige Anzahl von Melkungen sichergestellt. Als nachteiligen Einfluss werden allerdings immer wieder die längeren Zeiten des Stehens vor dem Roboter und die kürzeren Zeiten an den Fressgittern genannt (Ketelaar-de Lauwere, C. et al., 1998). Die Wartezeiten können die Kühe zum einen nicht produktiv nutzen, und zum anderen ist zu erwarten, dass die Anzahl der Besuche am Fressplatz geringer ist, da die Tiere jedes Mal durch den Roboter müssen, um zum Fressen zu gelangen. Man kann davon ausgehen, dass jedes Rind in der Laufstallhaltung und bei ad libitum-Fütterung bis etwa 10 Fressperioden pro Tag am Grundfutter hat (Sambraus, H.H., 1978; Pirkelmann, H., 1992). Harms, J.; Wendl, G. und Schön, H. (2001) haben das Verhalten bei den verschiedenen Umtriebsformen untersucht und konnten tatsächlich einen Unterschied in der Anzahl der Fressperioden feststellen. Beim freien Kuhverkehr lagen diese bei durchschnittlichen 8,9 Perioden, während der gelenkte Kuhumtrieb nur auf 6,6 Fressperioden kam. Interessanterweise konnte man aber in der Grundfutteraufnahme, gerechnet in Trockensubstanz (TS) nur einen geringen Rückgang entdecken. Die Kühe hatten mit durchschnittlich 16,9 kg TS/Kuh etwas mehr Grundfutter aufgenommen als bei der gelenkten Variante (16,1 TS/Kuh).

Der freie Kuhverkehr wird in der Regel nur bei Einboxensystemen eingesetzt, während die Mehrboxensysteme mit dem geregelten Kuhverkehr betrieben werden. Die eben beschriebene Problematik des manuellen Kuhtriebes zur Melkbox führt aber dazu, dass es auch bei den Einboxensystemen einen Trend zum geregelten Kuhverkehr gibt.

Eine dritte Möglichkeit ist der selektiv gelenkte Kuhumtrieb. Hierbei gibt es neben der Möglichkeit des Zuganges zum Futtertisch über das AMS auch noch die Wahl, ein oder mehrere weitere Selektionstore zu benutzen. Die jeweiligen Vorteile des freien und des gelenkten Kuhverkehrs werden dabei vereint. Die Grundfutteraufnahme betrug bei dem eben genannten Versuch 17,4 kg TS/Kuh und war so am höchsten. Die


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Anzahl der Fressperioden lag im Mittel bei 7,4. Harms, J.; Wendl, G. und Schön, H. (2001) raten deshalb zu der kombinierten Variante, wenn sie auch, aufgrund der zusätzlichen Selektionstore, eine teurere Lösung ist.

2.3.2 Prozesskontrolle

Die Überwachung der Produktqualität in der Milchviehhaltung ist ein herausragender Bestandteil des Managementsystems. Auch in der politischen Diskussion ist das Qualitätsmanagement eine wichtige Forderung. Das Image des Lebensmittels Milch ist unmittelbar von einer ständigen Überprüfung der Qualität abhängig. Die Entwicklung einer zuverlässigen Prozesskontrolle ist hierfür allerdings eine unverzichtbare Voraussetzung. Denn nur durch technisierte Lösungen kann bei steigenden Personalkosten eine zuverlässige und durchgehende Kontrolle erfolgen. Rechnergestützte Verfahren können einen wesentlichen Beitrag zur Problemlösung in diesem Bereich leisten. Auch aufgrund der Tatsache, dass sich bei Automatischen Melksystemen der Mensch stärker aus dem direkten Produktionsprozess zurückzieht, ist eine automatische Kontrolle der Vorgänge die zwangsläufige Folge. Um eine verlässliche und aussagefähige Prozesskontrolle durchzuführen, muss vor allem das Tier als Individuum eine starke Gewichtung erhalten und im Zentrum der Betrachtung stehen. Mit Hilfe der modernen Sensorik können daher die Aktionen und Reaktionen der Tiere auf die Technik erfasst und ausgewertet werden. Die daraus gewonnenen Informationen gehen aufbereitet wieder in die Steuerung des Produktionsprozesses ein.

Schon 1981 gab es von Artmann, R.; Schlünsen, D. und Schön, H. Überlegungen zur Prozessteuerung in der Tierhaltung. Die Autoren wiesen dabei auf die Möglichkeit der Mobilisation von Erzeugungsreserven hin, wenn eine verfeinerte Produktionstechnik, mit Hilfe einer besseren Informationsdichte, den Produktionsablauf überwacht und regelt. Kaufmann, O. (1998) betont, dass auf Parameterabweichungen, die den Gesundheitszustand eines Tieres charakterisieren, schnell reagiert werden muss. Auch bei der Brunsterkennung kann nicht erst auf die Entscheidung des Herdenmanagers gewartet werden. Das Melkpersonal muss in diesen Fällen umgehend handeln. Im Fall eines AMS ist es aus Gründen der Zeitersparnis, angezeigt, dass


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das System adäquat reagiert und beispielsweise einen Alarm auslöst. Die Technik muss ohne menschliche Hilfe den physiologischen Zustand der Tiere soweit als möglich erkennen und signalisieren. Das Erkennen von pathologisch veränderter Milch kann zur Zeit rein technisch nicht ausreichend gewährleistet werden. Damit wird auch die Verordnung über Hygiene- und Qualitätsanforderungen an Milch und Erzeugnisse auf Milchbasis (Milchverordnung) in der Neufassung vom 20. Juli 2000 (BGBl. I S. 1180) mit dem AMS nicht erfüllt.

Es ist deshalb außerordentlich wichtig, Abweichungen von der Normalität als solche rasch zu entdecken. Da es bisher noch kein ausgereiftes System dafür gibt, laufen diesbezüglich viele Untersuchungen. Sensoren, die physikalische Eigenschaften der Milch und deren Veränderungen erfassen können, kommen dafür zum Einsatz bzw. werden dafür speziell entwickelt. Als Beispiel können hier die Möglichkeit der Messung von Leitfähigkeit, Lichtabsorption oder -reflexion und Ultraschall genannt werden (u.a. Schmilovitch, Z. et al. 2000; Jones, L.R. et al. 1994; Zimmermann, P. 2001). Die Möglichkeit einer automatischen Viskosimetrie wurde, nach ersten negativ verlaufenden Versuchen, nicht weiter verfolgt. Es muss aber bei der Gewinnung der Normalverteilung berücksichtigt werden, dass die Messwerte nicht durch einen pathologisch bedingten systematischen Fehler in der Milchanalyse verfälscht werden. Durch die Varianz der Gesamtverteilung ergibt sich zwangsläufig, von welchen Grenzwerten ab pathologische Veränderungen als solche erkennbar sind. Es muss also gerade für Automatische Melksysteme Software entwickelt werden, die selbständig und zuverlässig Entscheidungen fällen kann.

Die Künstliche Intelligenz begann bereits mit der Problemlösung durch Computer mit Hilfe der ersten elektronischen Rechner, die den Relais-Rechnern folgten. Die dritte Computergeneration wurde 1963 von IBM ausgerufen, als die industriell produzierten Transistoren genutzt werden konnten. Waren im zweiten Weltkrieg die Computerspezialisten noch mit Problemen der Kryptologie wie ENIGMA und mathematischen Problemlösungen, wie z.B. dem Auffinden von bewegten Zielen beschäftigt, so folgten schon bald danach die Spieltheorien wie Dame, Schach oder das sog. Gefangenendilemma. Großen Einfluss hatten die Untersuchungen von Newell, A. and Simon, H.A. in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts, mit dem gut bekannten „General


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Problem Solver“ (GPS). Recherche basiertes Problemlösen und analoges Lösen von Problemen, wie z.B. die Mittel-Ziel-Analyse (means-ends analysis) oder das sog. hill-climbing sind Heuristiken, die noch kein domänenspezifisches Wissen erfordern, das heutzutage von wachsendem Interesse ist (Greeno, J. G., 1978).

Simon, H.A. et al. schrieben 1986 zum Problem der subjektiven Erwartungshaltung in ihrem Artikel “Decision Making and Problem Solving“: “Central to the body of prescriptive knowledge about decision making has been the theory of subjective expected utility (SEU), a sophisticated mathematical model of choice that lies at the foundation of most contemporary economics, theoretical statistics and operations research. SEU theory defines the conditions of perfect utility-maximizing rationality in a world of certainty or in a world in which the probability distributions of all relevant variables can be provided by the decision makers. SEU theory deals only with decision making, it has nothing to say about how to frame problems, set goals, or develop new alternatives“.

Probleme durch Selektion zu lösen, das heißt eine heuristische Suche durch große Problembereiche und große Daten- bzw. Wissensbasen durchzuführen, heißt nach der Wahrheit zu suchen, soweit sich diese erkennen lässt. Expertensysteme, die heutzutage durch die Forschung im Bereich der Künstlichen Intelligenz entwickelt und für Diagnosen angewandt werden, sind vor längerer Zeit aus der Forschung über die Problemlösung durch Mensch und Tier entstanden.

Die inzwischen entstandene Vielfalt an Angeboten aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz, mit den Expertensystem-Shells, die mit Hilfe von Wissensbanken und den dazugehörigen Inferenzmaschinen eine Vielzahl von Einzelfakten auszuwerten vermögen, führt dazu, dass deren Anwender nach aussagekräftigen Parametern suchen müssen.


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2.3.2.1 Leitfähigkeit

Gemäß der Milchverordnung muss auch bei den Automatischen Melksystemen eine Prüfung der Milch auf ihre Verkehrsfähigkeit gewährleistet werden. Entsprechend den Gegebenheiten ist eine automatische Identifikation von Veränderungen der Milch und Eutererkrankungen notwendig. Die Technik muss fähig sein, krankhafte Entwicklungen beim Tier zu erkennen. Bereits aus den 70er Jahren gibt es Veröffentlichungen zum Thema Leitfähigkeitsmessungen zur Mastitisfrühdiagnostik (u.a. Linzell, J.L. and Peaker, M. (1975), Mielke, H. (1975) und Peaker, M. (1978)). Die Vorteile liegen vor allem in der einfachen und preiswerten Durchführbarkeit der Messung. Dabei stellten Milner, P. et al. (1996) fest, dass solch ein System sich nur lohnt, wenn Sensoren automatisch die Leitfähigkeit messen und „decision making algorithms" in Echtzeit arbeiten. Eine Online-Messung der Leitfähigkeit ist bereits realisiert. Allerdings ist bis heute das System der Leitfähigkeitsmessung noch nicht ausgereift, da die Zuverlässigkeit der Früherkennung zu gering ist, um verlässliche Aussagen zu bekommen.

Die Leitfähigkeit der Milch wird durch verschiedene Parameter beeinflusst. Der Fettgehalt führt beispielsweise zu einer signifikanten Beeinflussung der Messwerte (Hamann, J.; Nipp, B. und Gyodi, P. 1995). Auch Nielen, M. et al. (1992) und Wendt, K. et al. (1998) konnten eine Abhängigkeit der Leitfähigkeitswerte vom Fettgehalt feststellen. Eine weitere Beeinträchtigung der Messwerte kann über die Temperatur erfolgen (Nielen, M. et al., 1992; Wendt, K. et al., 1998). Daneben wird die Leitfähigkeit auch durch Brunst verändert (Wendt, K. et al., 1998).

Der Korrelationskoeffizient für die Beziehung von Leitfähigkeit zur Ionenkonzentration lag bei den Untersuchungen von Hamann, J.; Nipp, B. und Gyodi, P. (1995) trotzdem bei r = 0,999. Nielen, M. et al. (1992) verglichen Labor- mit Online-Messungen und konnten Korrelationen im Bereich von r = 0,86 feststellen.

Die Leitfähigkeitsmessungen werden heute sowohl in konventionellen Melkständen als auch in AMS genutzt. Wobei die Methode im konventionellen Melkstand eine zu


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sätzliche Hilfe zur Mastitisfrühdiagnose darstellt, während sie beim Melkroboter bei den meisten Fabrikaten die einzige Diagnosemaßnahme ist. Eine Korrektur der Leitfähigkeitswerte auf die Milchtemperatur, die von den unterschiedlichen Melkzeiten beim AMS abhängig ist, gibt es jedoch nicht, obwohl dies technisch leicht umsetzbar wäre. Auch der Milchfettgehalt, der sich tendenziell durch die Länge der Zwischenmelkzeiten oder durch den Ausmelkgrad ändern kann, fließt bis jetzt noch nicht in die Beurteilung der Leitfähigkeitswerte ein. Für solch eine Lösung gibt es momentan noch keine technische Grundlage, da der Milchfettgehalt noch nicht online gemessen werden kann.

2.3.2.2 Herzfrequenz

Bei der Beurteilung einer Tier-Technik-Beziehung besteht die Frage, inwieweit bei den Kühen Stress in Zusammenhang mit der Technik auftritt. Dabei bietet es sich an, die Herzschlagfrequenz der Tiere zu messen. Solche Messungen sind in den letzten Jahren vor allem bei den Tierarten Rind und Pferd immer wieder durchgeführt worden, da die Methode nicht-invasiv und relativ leicht anwendbar ist. Außerdem reagiert ein Lebewesen sehr schnell mit einer Veränderung des Herzschlags bei Auftreten einer Irritation. Schon 1985 ist zur optischen Pulsmessung bei freilaufenden Rindern ein Artikel von Thielscher, H.-H. erschienen. Damals war allerdings noch ein chirurgischer Eingriff vonnöten. Die Pulsmessgeräte, die heute verwendet werden, arbeiten telemetrisch. Die Befestigung der Sensoren an der Kuh erfolgt mittels eines elastischen Bauchgurtes. Das System ist eigentlich für Pferde entwickelt worden, aber durchaus auch für Rinder zu gebrauchen. Hopster, H. und Blokhuis, H.J. validierten 1994 ein Herzfrequenzmessgerät der Marke Polar Sport Tester und sind zu dem Ergebnis gekommen, dass dieses System für Milchkühe angewendet werden kann. Auch Steinhardt, M. und Thielscher, H.-H. (2000) haben den Polar Sport Tester eingesetzt und die Zuverlässigkeit mit Hilfe eines Impulsgenerators im Labor und bei Rindern unter Feldbedingungen geprüft.

Kaufmann, C. et al. haben 1996 in ihren Untersuchungen festgestellt, dass sich unter Stress die Herzfrequenzen zwischen 44 und 132 Schlägen pro Minute bewegen. Bei Tieren ohne Stress liegen die Werte zwischen 40 und 100 Schlägen pro Minute.


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Neben Stress gibt es auch andere Faktoren, die einen Einfluss auf die Herzfrequenz haben. Steinhardt, M. und Thielscher, H.-H. (2000) konnten feststellen, dass die unterschiedlichen Rassen "sichere Unterschiede" aufweisen. Dabei hatten die Deutschen Holstein Friesian Tiere signifikant niedrigere Herzfrequenzkennwerte als die Deutschen Schwarzbunten und Rotbunten. Auch die nichtträchtigen Färsen zeigten tiefere Pulswerte als trächtige Färsen. Darüber hinaus wurde auch eine Tagesperiodik festgestellt. Das Minimum lag zwischen 6 und 9 Uhr und das Maximum zwischen 17 und 20 Uhr. Etwa 130 bis 150 Tage vor der Kalbung stiegen die Herzfrequenzwerte stetig an. Bemerkenswert ist vor allem nach Steinhardt, M. und Thielscher, H.-H. (S. 328, 2000) "die beträchtliche interindividuelle Variation der HF-Kennwerte, für die eine hohe Individualspezifität nachgewiesen werden konnte".

Erwähnenswert sind hier auch die Untersuchungen von Hopster, H.; O' Connell, J.M. und Blokhuis, H.J. (1995) zum Absetzen der Kälber. Dort wird die Veränderung der Herzfrequenz während einer echten Stresssituation sichtbar. Fünf Minuten vor der Separation liegen die Werte noch bei 81,1 Schlägen pro Minute, dann steigt die Frequenz in der ersten Minute nach der Separation auf 96,0 Schläge pro Minute. Schon nach kurzer Zeit gibt es aber keinen signifikanten Unterschied mehr zu den Werten vor der Trennung.

Hopster, H. und Blokhuis, H.J. (1994) haben die Möglichkeiten der Herzfrequenzmessungen so beschrieben, dass dies eine gute Methode sei, die Qualität eines Stressors und das Verhalten der Tiere auf die Umgebung zu studieren. Man kann hinzufügen, dass die Methode ein wichtiger Beitrag ist, das Verhalten der Tiere nicht-invasiv messbar zu machen. Broom, D.M. (1993) hat darauf hingewiesen, dass Tiere auch ohne optisch beobachtbare Verhaltensreaktionen Änderungen in der Herzfrequenz zeigen können. Solche Stressreaktionen würden seiner Meinung nach bei reinen Verhaltensbeobachtungen nicht mit verzeichnet werden. In der Regel steigt die Herzfrequenz bei störenden Einflüssen an, aber bei bestimmten Angstzuständen kann die Herzfrequenz auch sinken (Broom, D.M., 1993). Wir kennen diesen Zustand des stockenden Pulses aus eigener Erfahrung. Als letztes sollte noch erwähnt werden, dass man bei Stress eine Unterscheidung zwischen positivem (Eustress) und negativem Stress (Distress) vornehmen kann. Die beiden Begriffe hat Selye, H.


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in seinem Buch “The Stress of Life“ 1956 eingeführt. In beiden Fällen kann die Herzfrequenz steigen.


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Tue Sep 17 11:51:36 2002