畜牧業(yè)智能化建設(shè)研究進展

鄧 兵，邵中寶，葉勝強，王麗霞，楊 宇，龔 萍，陳 星，凌明湖，周 莉，周 華，譚珺雋，王蓮芳，冉志平

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，武漢 430208）

1 畜牧業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

畜牧業(yè)是中國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一，近年來畜牧產(chǎn)值每年以10%的速度遞增，中國已成為世界上最大的畜產(chǎn)品生產(chǎn)國家，畜牧業(yè)在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟中的地位進一步提高。畜牧養(yǎng)殖除了在生態(tài)、資源、市場、技術(shù)等方面發(fā)展外，還進行了標準化和規(guī)范化的養(yǎng)殖改革。標準化養(yǎng)殖基地具有完善的飼養(yǎng)設(shè)備及統(tǒng)一的管理方式，由于技術(shù)的改進，養(yǎng)殖成本不斷降低，經(jīng)濟效益顯著提高。市場上形成了一批標準化的養(yǎng)殖龍頭企業(yè)，如山東六和集團有限公司、溫氏集團有限公司等［1］。這些企業(yè)的發(fā)展也形成了良好的品牌和示范效應(yīng)，畜牧產(chǎn)業(yè)進一步升級。各種形式的標準化養(yǎng)殖基地應(yīng)運而生，極大地促進了畜牧業(yè)的發(fā)展。中國畜牧業(yè)已由最初的傳統(tǒng)農(nóng)戶養(yǎng)殖方式走向了規(guī)模化集約化的發(fā)展道路［2］。

2 畜牧業(yè)智能化的發(fā)展趨勢

規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖場的增加給畜牧業(yè)帶來經(jīng)濟效益的同時，也帶來了一系列新的問題，如飼養(yǎng)密度增加、養(yǎng)殖環(huán)境變差、疾病頻發(fā)等；同時也增加了管理者對養(yǎng)殖動物的健康狀況、動物生長性能以及養(yǎng)殖舍環(huán)境參數(shù)的監(jiān)管難度［3］。由于養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，畜牧養(yǎng)殖檔案管理也越來越困難。養(yǎng)殖檔案對全面掌握生產(chǎn)全程信息、推進規(guī)模養(yǎng)殖、保障畜禽產(chǎn)品安全等有重要意義［4］。主要體現(xiàn)在畜禽的品種、數(shù)量、繁殖記錄，標識情況，來源和進出場日期等［5］。

近年來現(xiàn)代信息技術(shù)快速發(fā)展，畜牧信息智能化監(jiān)測方法和技術(shù)快速發(fā)展，使得養(yǎng)殖生產(chǎn)者可精準采集畜牧生產(chǎn)信息，并結(jié)合先進的計算機分析技術(shù)挖掘信息背后所反映的動物生產(chǎn)、健康等信息［3］。同時在畜禽養(yǎng)殖智能化建設(shè)過程中可對養(yǎng)殖過程所涉及的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、檔案數(shù)據(jù)等進行智能化監(jiān)管，這對保障畜禽生產(chǎn)安全、食品安全、提高經(jīng)濟效益有著重要指導(dǎo)意義［6］。

3 畜牧業(yè)智能化建設(shè)的層次

畜牧智能化建設(shè)是指借助新一代物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)技術(shù)，對畜牧養(yǎng)殖、防疫、檢疫、屠宰、流通、分銷、無害化處理、畜產(chǎn)品安全、重大疫病預(yù)警等方面進行在線監(jiān)管服務(wù)，實現(xiàn)畜牧業(yè)的資源整合、數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，從而推動現(xiàn)代畜牧產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級［7］。畜禽智能化管理框架構(gòu)建包括生產(chǎn)感知層、傳輸層和應(yīng)用層等幾個方面。

3.1 生產(chǎn)感知層

畜禽養(yǎng)殖場感知層搭建是指利用多傳感器實時采集畜禽生產(chǎn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)（包括畜禽舍環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)性能、生產(chǎn)安全等），主要包括畜禽個體標識、畜禽體型參數(shù)、生命體征、行為及畜禽養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)等的感知［7］。

畜禽體型參數(shù)的感知主要指對畜禽體重、體尺（體長、體寬、體高、臀寬、臀高等）等進行非接觸性估測，間接判斷動物的生長狀況［7］。 張海亮等［8］分析和檢測了自然條件下肉牛圖像，并對體長、胸寬、體高、腰角、胸深等指標進行了測量，通過與人工測量結(jié)果相比，構(gòu)建了相應(yīng)的估測模型，最大相對誤差為2.73%。

畜禽生命體征對疾病早期診斷具有重要意義。主要是對畜禽行走方式、體溫、呼吸頻率以及瞳孔對光反射等方面進行測量，實時監(jiān)測畜禽健康［7］。蔣曉新等［9］通過將計步器引入到奶牛管理中，分析了奶牛步履活動與肢蹄病發(fā)病率的關(guān)系，該方法可將奶牛蹄病治愈率提高19.60%。

動物叫聲與其情緒狀態(tài)、生理狀況、生存舒適度等密切相關(guān)［10－12］。 主要是通過圖像、聲音等信息，判斷畜禽采食、飲水、排泄、活動量、叫聲、步態(tài)和攻擊行為等［7］。 閆麗等［13］通過研究梅山母豬的哺乳聲、飲水聲、采食聲及無食咀嚼聲等，統(tǒng)計分析了各類聲音的發(fā)聲時長，成功建立哺乳的聲音模式，識別率達96.61%以上，實現(xiàn)了對哺乳母豬的母性能力及其健康狀況的實時監(jiān)測。

動物的行為特征與某些生理狀況密切相關(guān)［14］。蔣曉新等［15］利用計步器分析了奶牛發(fā)情與行動的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其建立的方法與人工觀察相比發(fā)情檢出率提高了 24.01%。田富洋等［16］則根據(jù)奶牛發(fā)情期活動量上升、靜臥時間變短和體溫升高等生理特征建立相關(guān)檢測方法，將發(fā)情檢測準確率提高到100%，預(yù)測成功率達70%。Arney等［17］研究發(fā)現(xiàn)奶牛在發(fā)情前80 h活動量開始明顯增加。Felton等［18］依此原理，在奶牛上安裝電子計步器，自動、實時地量化評估動物的活動量，以判斷是否發(fā)情，有效檢測率超過92%。

畜禽的生長環(huán)境對畜禽產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量均有重要影響。利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對畜禽場的光照、溫濕度、氣體（有害氣體氨氣、硫化氫、一氧化碳和甲烷氣體濃度）等環(huán)境信息進行實時采集，智能分析后可通過對畜禽生長環(huán)境進行精準控制，從而為畜禽提供良好生長環(huán)境［19］。

3.2 傳輸層

傳輸層的建設(shè)主要是通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)將感知層獲得的養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)、個體行為數(shù)據(jù)、視頻等生產(chǎn)過程中的多源信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層［7］。尹令等［20］利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一套奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)，主要是通過在奶牛頸部安裝無線傳感器，通過對奶牛的體溫、脈搏、呼吸頻率和運動行為特征進行感知，從而達到實時監(jiān)測奶牛活動狀態(tài)的目的。高云［21］則對規(guī)模化豬場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋性能、部署方案等進行了研究，并設(shè)計了一套網(wǎng)絡(luò)化養(yǎng)豬綜合精準監(jiān)測系統(tǒng)的整體框架。

3.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是畜禽養(yǎng)殖智能化的最高層，是根據(jù)養(yǎng)殖戶的需求搭建的一個應(yīng)用平臺。包括對養(yǎng)殖環(huán)境的智能化監(jiān)控管理、精準飼喂、精準管理、疾病的實時診斷和預(yù)警以及對感知層獲得的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，特征提取，并進行智能判別等處理［7］。可減少畜禽疾病發(fā)病率、飼料浪費、提高管理效率及養(yǎng)殖效益。較成熟的應(yīng)用有高萬林等［22］設(shè)計的豬場信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含用戶信息、豬場和生豬信息、飼料管理、環(huán)境監(jiān)測、疾病診斷和銷售管理6個模塊。楊亮等［23］設(shè)計了一套妊娠母豬自動飼喂機電控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了針對不同妊娠期（前期、中期及后期）的母豬，有差異的精細飼喂，極大提高了飼料利用效率。

4 智能化對畜牧業(yè)的推動作用

智能化對畜牧業(yè)的推動作用主要體現(xiàn)在勞動強度降低、生產(chǎn)效率提高、養(yǎng)殖成本降低及問題提前預(yù)判等方面。通過對固定設(shè)備改造升級，安裝自動化、半自動化設(shè)備后雖然短期內(nèi)提高了固定資產(chǎn)成本，但相應(yīng)可減少養(yǎng)殖工人的數(shù)量及降低勞動強度，同時工人的工作效率也會得到大幅提高［24］。精準飼喂系統(tǒng)、個體行為特征檢測、疾病的實時診斷和預(yù)警等系統(tǒng)的應(yīng)用，可實現(xiàn)對飼料、飲水、藥物等的精準控制，節(jié)約養(yǎng)殖成本［7］。對養(yǎng)殖場的環(huán)境和個體狀況實時檢測，可對畜禽生理狀況及養(yǎng)殖場的運營狀況提前評估，當出現(xiàn)問題或有苗頭時可及時發(fā)現(xiàn)，及時解決，避免不必要的損失［24］。

畜禽養(yǎng)殖智能化是精準畜牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。其對降低畜牧業(yè)生產(chǎn)成本，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)效率和健康可持續(xù)發(fā)展有重要意義。與發(fā)達國家相比，中國在此領(lǐng)域還處于起步階段，還應(yīng)在此領(lǐng)域加大研發(fā)力度和生產(chǎn)投入，促進智能畜牧業(yè)的健康快速可持續(xù)發(fā)展。