Precision livestock farming requires accurate and timely heat stress prediction to ensure animal welfare and optimize farm management. This study presents a physics-informed digital twin (DT) framework combined with an uncertainty-aware, expert-weighted stacked ensemble for multimodal forecasting of Core Body Temperature (CBT) in dairy cattle. Using the high-frequency, heterogeneous MmCows dataset, the DT integrates an ordinary differential equation (ODE)-based thermoregulation model that simulates metabolic heat production and dissipation, a Gaussian process for capturing cow-specific deviations, a Kalman filter for aligning predictions with real-time sensor data, and a behavioral Markov chain that models activity-state transitions under varying environmental conditions. The DT outputs key physiological indicators, such as predicted CBT, heat stress probability, and behavioral state distributions are fused with raw sensor data and enriched through multi-scale temporal analysis and cross-modal feature engineering to form a comprehensive feature set. The predictive methodology is designed in a three-stage stacked ensemble, where stage 1 trains modality-specific LightGBM 'expert' models on distinct feature groups, stage 2 collects their predictions as meta-features, and at stage 3 Optuna-tuned LightGBM meta-model yields the final CBT forecast. Predictive uncertainty is quantified via bootstrapping and validated using Prediction Interval Coverage Probability (PICP). Ablation analysis confirms that incorporating DT-derived features and multimodal fusion substantially enhances performance. The proposed framework achieves a cross-validated R2 of 0.783, F1 score of 84.25% and PICP of 92.38% for 2-hour ahead forecasting, providing a robust, uncertainty-aware, and physically principled system for early heat stress detection and precision livestock management.


翻译:暂无翻译

0
下载
关闭预览

相关内容

Nat. Commun.前沿:数据驱动的复杂系统预测
专知会员服务
32+阅读 · 2024年3月27日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《美空军2026条令文件:对海压制作战》
专知会员服务
7+阅读 · 11月9日
人工智能与战争的未来
专知会员服务
4+阅读 · 11月8日
《Agent Mosaic:识别智能体LLM系统中的机密泄露》
人工智能在军事教育中的应用:若干视角与经验
“星链”减速与不断适应的乌克兰
专知会员服务
7+阅读 · 11月6日
美国中期选举之后:帕兰提尔面临不确定性?
专知会员服务
4+阅读 · 11月6日
相关VIP内容
Nat. Commun.前沿:数据驱动的复杂系统预测
专知会员服务
32+阅读 · 2024年3月27日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员