我國畜牧業信息化與智能裝備技術應用研究進展*

熊本海，楊 亮，鄭姍姍

（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京100193）

0 引言

隨著“互聯網+”技術［1］向傳統產業的不斷滲透，現代畜禽養殖業的發展標志之一必然是與互聯網技術進行深度融合，通過智能化裝備，全面“感知”生產要素與生產環境，通過精準化生產控制，生產過程可跟蹤與產品質量可溯源，畜產品的扁平化流通，以及通過信息技術的應用實施畜牧業產前、產中及產后的個性化服務，以期達到畜牧業生產的全透明管理，最小化各種資源的投入，最大化畜產品的產出，包括數量與質量及環境的綜合效益的改善，實現節本增效及提質增效的多贏效果。以“互聯網+”技術為基礎的物聯網技術逐步滲透到畜牧生產的各個領域，通過集成與自主開發，不斷有研究報道畜禽養殖環境監測物聯網、精細飼養物聯網及畜產品質量安全溯源物聯網等內容［2-3］。信息技術及智能設備的裝備已經成為畜牧業生產力的主要要素，逐步成為現代畜牧業的制高點，也越來越得到行業的認可，為助推畜牧業產業升級、合理利用畜牧業生產的全要素資源、提高畜牧業數字化管理水平、提高畜禽經營者的收入發揮著不可或缺的作用。尤其，在中共中央總書記習近平在2017年底提出要“審時度勢、精心謀劃、超前布局、力爭主動，實現國家大數據戰略、建設數字經濟中國［4］”的號令下，實施以“互聯網+”為基礎的、集成“信息感知—畜牧業生產理論（農藝）—智能裝備”為一體的現代畜牧業也是新形勢下促進新農村經濟社會全面發展的重大戰略部署，是踐行新“四化”戰略的重大舉措，也是解決“三農”問題，振興鄉村經濟發展［5］的新動力。

1 畜牧業信息化與智能裝備研究進展

1.1 畜禽編碼標準與標識技術研究

1.1.1 國際上家畜標識標準的制定現狀

解決畜禽的個體及小群體的編碼與標識是發展信息型畜牧業的基礎，不僅是解決畜禽的個性化育種、繁殖與精細飼喂與管理的基礎，也是實現畜產品生產的全程跟蹤與溯源的基礎［2］。因此，可以說，沒有針對畜禽及其產品的編碼與標識，也就沒有畜牧業的現代化與信息化。

在國際上，國際標準化組織（ISO）發布有動物管理RFID（Radio Frequency IDentification）方面標準，主要包括ISO 11784/11785和ISO 14223三個標準［6］。ISO 11784編碼結構規定了動物射頻識別碼的64位編碼結構，動物射頻識別碼要求讀寫器與電子標簽之間能夠互相識別。代碼結構為64位，其中的27～64位可由各個國家自行定義。而ISO 11785技術準則規定了應答器的數據傳輸方法和閱讀器規范。工作頻率為134.2kHz，屬于低頻RFID。此外，ISO 14223-2-2010則是針對動物射頻識別高級應答器的指令結構與編碼，主要實現讓動物數據直接存儲在標記上，可以在離線狀態下直接取得每只動物的數據，進而改善庫存追蹤以及提升全球的進出口控制能力。通過符合ISO 14223標準的讀取設備，可以自動識別家畜，它所具備的防碰撞算法和抗干擾特性，即使家畜的數量極為龐大，識別也沒有問題。ISO 14223標準包含空中接口、編碼和命令結構、應用3個部分，它是ISO 11784/11785的擴展版本，但標準的實施成本較高，目前在中國推廣尚需時日。

動物電子標識的編碼及技術準則標準目前主要在美國、日本及我國臺灣省推廣應用，而且采用的編碼均為15位編碼［7］，且前3位代表國家或地區編碼。例如，以“840”開頭代表美國，符合ISO 3166規范［7］。圖1是美國應用于家畜標識的6種封裝的RFID標簽。

圖1所示，每一種電子標簽的外殼上，都印制有肉眼可識讀的、均以“840”開頭的15位編碼，且數字非常醒目，便于人眼閱讀。此外，耳標上也均帶有“”的Logo標志，結合了肉眼識別與電子機器自動識別兩種識別方式的優點。上述耳標的內部RFID芯片符合ISO11784/85的標準，但封裝后的耳標沒有國際標準，僅服從生產企業的內部標準或規范，主要由美國安樂福（Allflex）公司生產［9］，并取得美國農業部的許可。

圖1 美國農業部授權使用的6種RFID家畜（野牛、牛、鹿、麋鹿）用電子標簽Fig.1 Six kinds of official animal RFID button and panel RFID ear tags in USA used for Bison，Cattle，Deer and Elk.

在加拿大，成立了專門的牛標識管理機構（Canadian Cattle Identification Agency，CCIA），并執行加拿大牛的標識與追溯體系計劃［8］。在該計劃中采用的耳標對所有離開其原種群的牛及野牛進行分別標識，其耳標編碼具有唯一性，但長度沒有明確規定。圖2是CCIA采用的非RFID的牛只耳標。耳牌正面上除有官方的標志外，還有唯一編碼對應的二維碼，便于機器閱讀。特別地，在耳標上還增加了犢牛編碼或牛群管理編號，如圖2中所示“1234”。該編碼可以對應牛場編號，更有利于對于牛群的管理，具有個體的唯一性編碼無法實現的特性。

此外，加拿大的養殖業協會組織實施的豬溯源計劃項目采取的豬的個體編碼則是由豬業協會組織發放的15位編碼，同樣在耳標上也可以附件豬群的編碼號，如圖3所示的“12345B”的圖形，并具有不同的Logo標識。

圖2 加拿大牛只耳標及其標識信息Fig.2 Canadian cattle ear tag and its identification information

圖3 一種加拿大的豬只個體耳標Fig.3 A kind of Canadian swine ID ear tag

在歐盟，對家畜的標識盡管有統一的標識建議規范，甚至包括了對轉基因動物的標識［9］，但各成員國是否采用無硬性規定。法國作為畜牧業發達的國家，對大家畜的標識采用符合國際動物編碼委員會（International Committee for Animal Recording，ICAR）的編碼規則，但對豬只個體編碼采用養殖場的官方編碼加上個體在場內帶有年份的順序號，由此構成的個體唯一編碼從13位到17位不等，這主要是由于養殖場的官方編碼長度不等造成的，總體上缺乏頂層設計，有些隨意。在荷蘭，因為豬只的飼養量少，則采用內部統一的編碼——7位UFN［10］，非常實用、有效。

總之，在北美及歐洲養殖業發達的國家對牛只的標識還是非常重視，尤其在1998年加拿大發現瘋牛病后，對離開原種群的牛只基本上要求強制性的標識，標識的技術采用RFID、條形碼及可讀數字相結合的復合標識技術，除了對個體的編碼標識外，加拿大無論對牛還是豬，都附件上牛群或豬群的編碼，實質上是對應養殖場的編碼，彌補了對標識對象的唯一性編碼存在的缺陷。

1.1.2 國內畜禽標識標準的制定現狀

自2006年以來，農業部獸醫局實施了“動物標識及疫病可追溯體系建設”試點工作［11］，同時中華人民共和國農業部早前發布的67號令對家畜編碼規則進行了定義［12］：這種編碼方法存在的問題如同美國制定的15位編碼方法存在的局限性一樣，在編碼中不能體現家畜的群體編碼或養殖場的編碼，帶來的問題在熊本海等［3］已經描述過。因此，在我國的一些部分或企業建立肉牛及牛肉的追溯體系中，如北大荒牛業股份有限公司［13］及陽信億利源清真肉類有限公司建立的肉牛及其牛肉產品的溯源系統中［14］，對67號規定的前6位的編碼不變，而最后8位個體順序號進行適當調整，即前2位為養殖場編碼，順位的3～4為年份，如“17”代表2017年，最后4位是當年場內出生牛犢的順序號，因而豐富了原先定義的后8位編碼的含義，改善了15位編碼的內涵，具有可讀性，是對過去編碼含義的完善。由于肉牛個體編碼規則的修改，使得養殖企業具有個體的編碼權，無需去申請。

RFID電子標識技術的應用。從市場需求及技術成本的逐步降低的趨勢，給RFID技術及產品的應用打來巨大的空間。為解決RFID技術輸入的高成本，國內幾家高新技術企業非常執著地攻堅克難，終于突破RFID生產的關鍵技術瓶頸，不僅可自主生產RFID的芯片與標簽，而且部分省市及相關企業還率先制定相關的技術規范。例如，上海市2005年發布了《動物電子標識通用技術規范》［15］，該地方標準中采納了RFID相關國際標準，結合了ISO11784中的國家或區域編碼，與ICAR的規定相符。新疆維吾爾自治區于2011年也發布了《動物電子標識（射頻識別RFID）通用技術規范》（DB 65/T3209—2011）［16］。該標準主要就低頻（134.2KHz±5%）RFID標識的物理特性與環境適應性進行了規定，尤其是將中國的行政區劃代碼和動物的64位二進制編碼相結合進行了實例化。

在自主RFID芯片的研制與批量生產上，代表廠家有上海生物電子標識公司［17］和無錫富華科技責任有限公司［18］。兩家企業均獲得了ICAR的認證，并獲得了ICAR賦予的企業編碼，意味著它們生產的標簽編碼的前6位在國際上是唯一的。目前，2家公司自主生產的RFID標簽成本下降，僅為過去進口產品的1/3～1/4，而且他們生產的RFID標簽及其閱讀器不僅遠銷東歐、西歐及東南亞國家，而且打破了進口標簽價格居高不上的局面。圖4為無錫富華科技公司自主研制的RFID芯片，并且同一芯片可以封裝為不同形式的標簽，如普通式樣的耳標、注射玻璃式標簽及彈丸標簽等，以滿足標識不同動物甚至寵物的需求。圖5顯示了無錫富華科技公司自主研究的與不同封裝格式配套的閱讀器產品。

圖4 由RFID芯片封裝成不同形式的標簽（來自無錫富華公司）Fig.4 Encapsulated into different forms of tags by RFID chips note：from Wuxi FOFIA company

圖5 與不同形式耳標或標簽配套的閱讀器產品Fig.5 RFID readers that match different forms of earmarks or tags

在中國臺灣，主要由臺灣農委會委托豐田生技資訊股份有限公司［19］依照RFID的ISO標準研發家畜電子耳標的企業，但RFID標簽封裝的規格與式樣有其特殊性，即針對畜舍及家畜個體的RFID有明顯的區別（圖5、圖6），識讀器為手柄式閱讀器，用于畜舍的標簽采用鑰匙鏈式佩掛標簽，標識與循環使用方便，而用于個體的采用最廣泛的按鈕式耳標。但是兩種均為RFID標簽。

1.2 養殖環境及體征行為的遠程監測與精準控制

監控畜禽的養殖環境是實施精細養殖的基礎，已越來越受到養殖企業的高度重視，尤其對規模化及集約化的養殖企業，通過按飼喂的不同季節及不同的生長及生理階段，確定最適的包括溫濕度、空氣質量及氣體流速，甚至水的交換量等指標參數，采用環境控制物聯網技術，實施環境的目標控制。在家禽環境精準控制方面，長江證劵2016的行業報告深度總結了肉雞環境精準控制的指標參數或閾值（表1）［20］，為科學搭建肉雞環境控制系統提供了依據。其次，我國最大的生豬養殖企業—廣東溫氏食品集團股份有限公司也總結了在南方設施養殖生豬的環境精準控制參數（表2）［21］。

圖6 中國臺灣農委會授權的用于豬舍RFID標簽Fig.6 RFID tags used for pig’s shed authorized by Taiwan agricultural committee of China

圖7 中國臺灣農委會授權的用于豬只RFID標簽Fig.7 RFID tags used for individual pigs authorized by Taiwan agricultural committee of China

表1 美國肉雞飼養環境控制目標參數Table 1 Objective parameters for environmental control of broilers in USA

表2 溫氏集團推薦的設施養豬的舍內環境參數控制閾值Table 2 The indoor environment parameters control threshold of facility pig recommended by Wen’s group

盡管如表1、表2總結了環境控制的閾值闡述，但是在實際開發的環境控制物聯網系統中，閾值參數可以因地域、季節及養殖具體品種的變化及特性等可調整，擴大控制系統的廣泛適應性。例如，中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所聯合河南南商農牧科技公司，研究開發了畜禽養殖環境監控物聯網系統［22］，主要利用環境感知傳感器，如溫濕度傳感器、光照度傳感器，氨氣傳感器，CO2傳感器等，對連續變化的環境參數進行遠程監測，監測的數據首先通過2G或3G/4G的SIM卡傳輸到數據服務器中貯存，開發的手機客戶端APP文件則可在線查看連續變化的環境參數及歷史數據，依據監測的數據及預設的環境參數的閾值，系統會提醒用戶開啟相應的控制設備，如水簾、電暖、風機的開啟與關閉等。圖9顯示了手機客戶端的處理結果。需要特別提到的是，對現場設備實現遠程控制，首先需要事先對現場設備的控制開關進行集成，并追加可接受信息的通信端口。

圖9 通過移動端連續監測環境參數的變化與遠程控制Fig.9 Continuous monitoring of changes in environmental parameters and remote control through mobile terminal

圖9右側的畫面顯示了遠程控制設備的功能畫面，圖10為廣東溫氏食品集團股份有限公司（以下簡稱為“溫氏集團”）的智慧養殖手機監測與控制端，包括“主頁”、“消息”及“關注”3個重要頁面，尤其在“關注”頁面，通過用不同的顏色標注不同的環境參數狀態值，反映應關注的程度，較好體現了數字化智慧移動養殖［21］。

圖10 溫氏集團智慧養殖手機監測與控制端Fig.10 Monitoring and controlling end of Wen’s intelligent breeding mobile phone

在畜禽的行為感知方面，隨著物理、電化學、光學、電磁學、材料科學等基礎研究的發展，越來越多的高新技術被應用于動物生理傳感器。21世紀以來，美國和歐洲在機器視覺、聲音等物理量在線監測和動物生理信息提取方法獲得了長足的進步，一些技術由實驗室走向應用。如機器視覺傳感器用于動物取食、運動、發情、體重等信息的實時感知，通過聲音傳感器提取動物的疾病信息等。與人的健康監測傳感技術發展類似，穿戴式傳感器也成為動物生理傳感技術發展的一大趨勢，如動物智能背心、項圈、背負式設備、口套等，這些設備搭載了振動、加速度、位移、重力、壓力等傳感器，通過計算實現動物個體運動、行為、心率、血壓等信息的監測［23-25］。為了獲得更為精確的生理信息，侵入式傳感方法也開始進入動物生理監測的視野，如植入動物體內的RFID標簽、植入牛眼內的眼壓監測傳感器、植入動物牙床內的溫度和鹽分傳感器、植入奶牛瘤胃的pH值傳感器等。而作為生理信息最重要的指標，部分疾病信息（如禽流感等）可以通過生物傳感器實現快檢。結合了抗原抗體芯片和熒光免疫傳感器、介電頻譜傳感器、表面等離子體共振傳感器的便攜式設備，可以實現部分疾病的快速篩查。目前已經進入應用階段的感知畜禽行為及生理特征的傳感器產品有4種（圖11），包括圖11所示的前3種形式的傳感器及奶牛計步器［18］。

圖11 4種進入應用階段的動物生理傳感器產品Fig.11 Four kinds of animal physiological sensors in application stage

4種傳感器產品各有特點：其中，A耳戴式傳感器采用2.4G有源RFID技術，內置加速度傳感器與溫度傳感器，毎10s發報1次，識別距離可達150m，對環境的適應性極強，工作溫度范圍可達-45～85℃，濕度≤95%；B型傳感器產品與A相比，除具備A的主要特性外，還內置了GPS功能，工作頻率及通訊頻率均可調，具有對標識動物的可跟蹤的能力；C型傳感器為典型的生理傳感器，可實現對體溫、活動量及定位數據的采集，克服了耳標的脫標問題，并可全向識別；D型奶牛計步器也是一種集成有源超高頻RFID技術、三維運動傳感器及溫度傳感器。不同的是可以在時速達200km/h內識別與采集數據，典型用于奶牛發情監測與健康識別。今后，將RFID標識技術與各種生理傳感器融合起來，無應激感知動物的生理行為，從而了解動物的健康與生產性能是重要的研究方向。

在企業內部的物聯網及大數據建設方面，作為中國最大的2家畜禽養殖企業——廣東溫氏食品集團股份有限公司及北京大北農集團所屬農信互聯網絡公司，率先開展了企業畜牧業物聯網與大數據平臺的應用研究與實戰搭建，并取得了明顯進展。例如，圖12所示溫氏集團的物聯網信息化建設的框架與實現的基本功能［21］。該平臺的特點是一個典型的符合物聯網定義的應用平臺，將對生產設備（溫控、喂料、孵化、計量等）運行狀態的數據，包括對畜禽糞便的多級排放與處理后的水質監測數據及流量，主要飼料原料及飼料產品、獸藥等相關生產資料的消耗狀態，以及出欄活體包括生豬、家禽數量及走向等，采用在線化的感知、自動記錄與傳輸技術，集成到物聯網數據中心，分類貯存、統計與可視化展示，提供了集團決策者對全公司運營狀態的動態了解，不同于一般的事后分析的MIS系統，可在線分析與決策，實現管理抉擇的及時性和生產效率及效益的最大化控制。

圖12 大型生產企業物聯網信息化建設案例（廣東溫氏食品集團股份有限公司）Fig.12 The case of internet of things informatization construction in large-scale production enterprises（Guangdong Wen’s Food Group Co.，Ltd.）

圖13顯示的是北京農信互聯網絡科技有限公司搭建的、以國家級生豬榮昌交易中心數據為基礎的農信大數據平臺中的一部分內容［26］。稱之為大數據平臺，是因為在該平臺集成的數據的海量、高速、多樣及可變特性決定的，平臺中包含了生豬的養殖過程數據、出欄與交易數據，豬肉消費及社會經濟數據等，為了解特定區域、特定時段的生豬生產性能數據、經濟特性數據，甚至生豬生產的景氣指數的大數據分析與挖掘提供了可能。

圖13 農信大數據——農信網實時運行平臺（http：//dsj.nxin.com/index.vm）Fig.13 Nongxin big data—nongxin real time operation platform

1.3 畜禽養殖生產模型與智能設備研發進展

養殖設施化與智能化已經成為先進生產力的方向，不僅能解放生產力，而且符合動物福利的要求，最大化滿足畜禽的個性化精準飼喂的要求。例如，從家禽的自動化料線飼喂而言，國內從沒有自動給料系統到有自動給料系統，飼喂效率1萬～2萬只/（天 · 人）。在歐美，每人每天可管理4棟12m×150m的雞舍，管理的雞只數可達12萬，數倍于我國的飼喂效率［27］。對于家畜的飼喂，由于養殖發達的歐美國家，長期關注家畜生產的自動化與智能化，從飼料的采收、打包、制作、投放、自動擠奶（或機器人擠奶）、自動清糞與處理，一家幾口人可以高效飼養管理幾百頭奶牛或肉牛，單位生產效率同樣數倍于我們的家庭養殖戶，而且從飼料原料的成本支出、勞動力投入、融資成本等相對于總的產值是合理的或偏低的，使得畜牧業產生的效率高，效益穩定，畜產品價格穩定，較少出現像國內的“豬周期”、奶牛養殖的“倒春寒”不見底現象，影響了居民的正常生活水品。因此，迅速全面開展包括畜牧業生產的供給側結構改革，通過智能化現代畜牧業的發展，降低生產成本，達到提質增效，增強畜產品的競爭力是一項長期艱巨的任務。

目前在畜禽智能裝備的研究領域，在國內通過科研院所、相關設備的生產企業的攜手合作，主要在家畜的精準飼喂理論、智能飼喂設備、家禽自動供料線及飲水設備取得了一定進展，并獲得一批發明專利及實用新型專利。

在精準飼喂的理論模型研究方面，針對家畜個體尤其是豬和奶牛，熊本海等［28］構建產床母豬的采食量模型：收斂于對數曲線Y=1.062ln（x）+1.910（R2=0.913，Y日采食量，kg；x哺乳日齡），潘曉花等［29］總結了泌乳奶牛的采食量有效模型［30］：DMI=（0.0185×BW+0.305×FCM）×DMIAF×Mud×LAG。 其 中，LAG=1-e-［（0.564-0.124×PKMK）×（WOL+P）］；熊本海等［30-31］構建主要泌乳牛的乳成分與自然月份之間的關系模型，即：MPP（乳蛋白，%）=3.094X-0.0464*e0.0117X，MFP（乳脂肪，%）=4.2116X-0.0344*e0.0276X，MLP（乳糖率，%）=4.9824X-0.0196*e0.0106X，式中：x代表自然月份1，2，…，12。

在畜禽精準飼喂設備與相關裝備研制方面，隨著養殖智能化、自動化設備的需求急劇增加，一批從事智能設備生產的企業不斷創新，研發與推廣了相應的設備。主要研制的典型智能設備包括妊娠母豬飼喂站、產床母豬飼喂系統、仔豬補奶機、保育豬干濕飼喂器、奶牛精準飼喂系統、奶羊智能飼喂系統及種豬性能測定裝置等。這里所謂的智能設備是指每個設備必須具有下位機控制系統，通過該控制系統按預制的控制程序及飼喂的數量實施個性化的精準飼喂，并記錄實際發生的數據、時間長度或時間點，便于生產者進行飼喂數據的分析。圖14給出了中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所與河南南商農牧科技股份有限公司聯合研制的部分專利技術智能飼喂設備。

圖14中的設備①為第4代國產飼喂站［32］，改進后的特點是組件式安裝、電動式入口門、必要時通過后豬拱前豬的非物理損傷模式提供設備的飼喂效率，其次，將接近傳感器與下料系統相結合，有效控制剩余料的發生，提高實際喂料數據的系統可靠性；設備②［28］為產床母豬飼喂系統，完全改變傳統的螺旋供料方式，采用電動推桿產生的改變容積的方式下料，避免了殘余料的發生與料倉結拱現象；設備③可根據體重或日糧的變化分幾級調整水和干飼料的比例，滿足干物質采食或養分攝入量的動態變化；設備④的飼喂原理與設備②基本相同，顯示的群體飼喂的場景；設備⑤［33］集成了電子標識、采食時間點記錄、傳感器稱重自動記錄，為研究奶牛個體的采食頻率、自由采食量或采食量精準控制提供了智能化方法。除智能精準飼喂外，在國家“十三五”重大專項“重大畜禽疫病防控及健康高效養殖”中也部署了關于畜禽的智能節水技術與設備及精準投藥設備的項目研究，由此構成涉及飼料、水及藥3種投入品的智能化技術與設備的協同創新研究，有望在“十三五”計劃結束后，獲得一批自主創新的畜禽智能裝備產品。

圖14 自主研制的幾種典型的家畜智能飼喂設備Fig.14 Self-made intelligent feeding equipment for domestic animals

1.4 種畜生產數字化監管與分析計算平臺

畜牧業生產中，種畜的生產過程極為復雜，尤其在奶牛及種豬的生產周期中，不斷發生的生理與生產節律的變化。從發情、配種、孕檢、妊娠到分娩、空懷或干奶或斷奶，直到下一個繁殖周期或淘汰，不斷地產生個體及群體的狀態數據及周期性數據，周而復始。因此需要不斷的記錄和模型化分析繁殖性能、泌乳性能、斷奶性能等參數的變化，及時對繁殖、育種及營養調控方案進行優化，以保持種畜的高效與穩定的生產。國際上在種豬生產的信息化領域，代表性協同有PIG WIN系統［34］，及西班牙農業技術軟件公司開發的porcitec系列系統［35］等。

隨著信息技術尤其是移動通信技術與設備的成熟及大眾化，畜禽養殖專業的網絡數據庫平臺，均配置有相應的移動端數據采集器或系統，以及支撐硬件及系統運行的、完整的數據采集規范。相比較而言，PIG WIN系統的數據規范更完整，還提供通過已有數據派生其他綜合的、不同時間區段的繁殖性能指標，如不同要求的近交系數、綜合繁殖率、母豬生產力（PSY）、成活率及死淘率等，具有大數據的數據挖掘特征。國際上在奶牛精準飼喂物聯網系統方面進行了更多的開發研究。其中，與奶牛發情監測計步器及牛奶品質在線檢測系統物理連接的阿菲牧管理軟件系統［36］是一個典型的牧業物聯網管理系統，在各國大型奶牛養殖企業得到廣泛的應用。其優勢在于研發的系統與擠奶設備相結合，實現了閱讀器、傳感器及計量設備，與數據的采集、傳輸及計算機軟件進行了內在的嵌入，可將動物個體體況、乳品品質與產奶量，以及繁殖與營養狀況之間的數據進行內在的關聯，然后通過業務邏輯模型在線分析采集的數據后，給出各種智能提醒或閾值的報告。總之，整個系統的感知—傳輸—分析—控制的閉環效果明顯。

在國內，研制開發種畜場計算機網絡管理系統的企業及科研隊伍逐步壯大。其中，孫德林等［37］最早開發了我國第一套單機版的“工廠化養豬信息化管理系統”，提出了工廠化養豬信息化的基本功能框架；中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所聯合江蘇省農業科學院、東北農業大學等一直結合物聯網技術的快速發展，充分融合畜牧業的專業領域模型與種畜禽場的生產實際，主要研制了種豬場及奶牛場的全程生產過程與數據分析網絡平臺及出版多部專著［38-39］，還專門針對山黑豬的繁殖與生產特點，開發了山黑豬繁殖數字化網絡平臺［40］。取得了一系列的計算機軟件版權登記。在2013版的管理軟件分析系統中，特別增強了從已知錄入或采集的數據中，通過數據的關聯與業務邏輯模型的嵌入，挖掘出最大量的繁殖與生產性能參數，并進行在線可視化分析（圖15），為管理者提升數據的升值服務。

圖15 山黑種豬生產管理網絡平臺及數據挖掘分析結果Fig.15 Internet management platform for breeding pigs and data mining visual results

圖15僅針對一個規模化養殖企業開發的應用系統，但從一個地區或者國家層面開展種豬生產性能比較研究則需要云計算平臺。這樣的平臺管理與分析的不是一個種豬場，而且通過網絡數據庫群將數以百計或千計的種豬場的基礎數據，采用規范的元數據規范進行物理的或虛擬的集中式管理與分析，實時云存貯與云計算。該項基礎性工作已由國家種豬改良評估中心、中國奶業協會等部門組織全國相關的育種單位，構建所謂的云計算平臺，限于篇幅不在展開。

1.5 領域計算軟件的開發與應用

在畜牧業科學尤其產業化領域，與科學計算與智能判斷最為密切的領域是畜禽的育種理論、飼料配方優化理論及畜禽疾病的決策診斷。因此隨著本領域的育種、配方理論與診斷模型的不斷更新及軟件開發技術的日新月異，對應的軟件產品的產業化也非常活躍，軟件系統的推廣應用大大提高畜禽育種的效率與數據的積累速度，提高了畜禽飼料配方的便捷性、科學性及提高飼料資源的轉化效率，最終為緩解我國日益緊張的飼料資源供給量，監控畜禽的健康狀況等做出了貢獻，提高科技貢獻率水平。

在國內最早開發的種豬育種軟件GBS系統是由中國農業大學開發［41］，并在國內的種豬場得到較好的推廣應用，尤其是近些年借助于專業的畜牧業軟件開發公司，對GBS不斷升級換代，至目前的最新版本為豐頓種豬管理與育種分析系統GBS5.0［42］，同時還開發了豐頓種羊場管理與育種分析系統軟件 SGBS V2.0［43］，較好地通過計算機軟件技術與育種理論的融合，為實施畜禽的育種提供了快捷的使用產品。

在飼料配方技術領域，不同版本軟件系統的開發與應用已經有30多年的歷程。最早的配方軟件是在具有計算功能的PC1211便攜計算器上開發的，開發語言為BASIC語言，是我國最早的飼料配方計算模塊，但計算速度慢，計算與處理功能弱。隨著計算機的內存、軟件系統的升級，配方系統不斷改進，直到1993年才有第4代配方系統——CMIX系統［44］的商品化，大大促進了配方技術電算化的發展。該產品1994年獲得浙江省科技進步2等獎。其次，隨著PC計算機的操作平臺從DOS版本向Windows桌面過渡，計算機軟件也需要隨著平臺的變化而升遷，因此又出現了三新飼料配方系統［45］、資源配方師［46］等。盡管這些系統是在Windows平臺上使用，但仍然是單機版本，不能實現多人在線使用與遠程后臺數據庫的共享。進入21世紀后，具有網絡特征的第六代飼料配方，率先由中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所開發成功，其成果“網絡遠程畜禽飼料知識咨詢與配方系統”［47］2004年獲北京市科技進步2等獎。其后，還有不少涉足畜牧業領域的專業軟件公司，也相繼開發了具有不同功能特點的動物飼料配方系統，典型的有北京佑格科技發展公司［48］，進一步推動了飼料配方系統的商業化應用。移動互聯技術，android技術與智能手機終端的快速發展，為從遠程獲取飼料養分數據及移動計算提供了比過去PC機還要強大的功能。為此，新一代移動智能手機端的飼料配方系統應運而生。中國飼料數據庫情報網中心率先開發了手機端的“奶牛安卓版飼料配方”，產品很快投入商品化應用。

畜禽疾病診斷專家系統領域的研究起步于20世紀90年代，從知識庫的構建，到病理圖譜的采集與數字化，借助于早期的智能開發工具Prolog 2.0來獲取領域知識并相繼開發了針對多種畜禽、水產動物的疾病診斷專家系統，并隨著國際互聯網及無線通訊技術（2G/3G/4G）的發展，又逐步拓展到開發網絡版本的遠程診斷與移動智能診斷系統的開發。總之，信息及通訊技術的快速發展，為開發針對各種畜禽的疾病診治專家系統提供了技術上的保障。此外，在通過計算機實施疾病診斷的理論研究上，診斷系統根據任務對象和應用領域的特點，通過集成控制決策、智能推理、機器學習、人工智能、模擬仿真等技術來提高系統決策的精確性、智能性和實用性，為研究和構建農場動物的疾病診斷系統或公共平臺積累了較好的前期理論基礎與經驗。典型的畜禽疾病診斷系統有“雞常見疾病計算機臨床診斷專家系統”［49］、雞病診斷多媒體專家系統［49］、魚病診斷推理系統［50］、動物健康管理信息系統［51］，以及“基于安卓的動物疫病遠程診斷系統”［52］等。盡管目前開發的各種類型的畜禽疾病診斷系統在診斷疑似病癥的準確率上與實際情況有出入，但在促進疾病診斷科學的研究與信息技術的應用上發揮了作用，當然隨著大數據時代的到來還有巨大的發展空間。

2 畜牧業信息化與物聯網技術研究存在的問題

盡管我國畜禽智能裝備與畜牧業信息化的應用順應規模化養殖企業生產的需求與政府監管的要求，從軟、硬件的開發到解決方案的優化方面，獲得了一批自主知識產權，形成了一批產品，得到了不同程度的應用，但從開發系統的技術應用環節而言，我國畜禽養殖的智能化與數字化還處于初級研究階段，主要體現在如下幾方面。

2.1 數字化標準及數據采集規范研究落后，已有的標準或規范需重新制定或完善

就家畜個體的編碼標準或規則而言，農業部的67號令發布《畜禽標識及養殖檔案管理辦法》中的畜禽編碼，一是未與國際標準接軌，二是標準缺乏可讀性，應盡快重新修訂。而上海的及新疆的地方標準雖然考慮了與國際標準的接軌及RFID技術的應用，但在編碼上不宜在全國范圍內推廣開。因此，應從編碼的前瞻性、國際性、唯一性、可讀性及可擴展性等方面，做好中國家畜個體編碼的頂層設計。其次，在規模化飼養的家禽編碼規范上還是空白，需盡快考慮將養殖場代碼與生產批次結合起來進行編碼，不能停滯不前。在采集畜禽生產過程數據的標準上，目前還是各行其是，處于無約束狀態，導致數據的整合難度大，數據的重復建設頻繁，人力資源浪費嚴重。因此，亟待從不同畜禽的繁殖、育種、飼養與健康管理等技術層面及管理層面，標準化采集數據的單元與定義，數據采集的方法及派生數據的計算模型等，為實現行業大數據平臺的構建、數據的交換與共享解決最基本的元數據及數據標準問題。

2.2 智能化產品缺乏統一的行業技術標準

目前，瞄準畜禽智能化裝備產品研發的企業及產品增加迅速，但同類型的產品毫無規范可言，基本上處在相互模仿階段，在實踐應用中摸索前行，缺乏行業的指導。一是相應的技術標準沒有納入國家或行業層面的標準研制計劃中；二是設備使用的對象，例如豬的品種、生長生理階段的不同，體型也差異明顯，導致對飼喂設備的要求也不盡相同，甚至對飲水的高度也是動態變化的。因此，需要在技術標準層面將共性的需求和個性化的差異結合起來，指導智能化產品的研發。

2.3 缺乏關鍵的感知技術與產品

表現在專業的感知生命信息的傳感器或識別產品類型少，能選用的產品價格高，投入大規模的應用對于畜禽養殖企業有困難。其次，高通量、低資費的通訊技術沒有整體解決途徑，采用市面上的3G或4G通信技術于畜牧行業不可行。再者，基于牧業生產的知識模型及應用控制閾值研究遠遠不夠，缺乏像PIGWIN或阿菲牧這樣的將軟件及硬件高度融合的專業物聯網解決方案。因為不同地區、不同養殖模式及不同管理水平的養殖動物，實施環境精準控制閾值應差異化，即使是針對同一類型的畜種，控制閾值也是有別的，需要領域專家、飼養管理專家與信息專家協同制定，才能讓物聯網系統具有智能性、區域性及物種差異性的特點。

2.4 政府層面對畜禽智能裝備和信息技術認識要提升高度

從政府層面對畜禽智能裝備及信息化技術在畜牧業領域應用的作用與發展前景，盡管從認識上在近些年提升到一定的高度，甚至提到“信息化是現代農業的制高點”［53］。但是從政府的配套政策上往往關注的是品種的改良、生物技術大的應用等，導致信息技術、物聯網技術，特別是智能裝備技術應用規模小、分散，應用的環境單一，穩定的維護運行投入不足，在將來更需要設立養殖企業信息化與智能裝備的專項政策補貼，全面提供企業的信息化與設備裝備水平。

2.5 缺乏可持續發展的商業模式

包括缺乏成熟的技術應用模式及商業運作模型。前已述及，中國最新一代的母豬電子飼喂站解決了多項技術瓶頸，因其價格優勢，特別適合在中國中小規模種豬場推廣應用，但國家的農機補貼目錄中還未列上相關的智能畜牧機械產品，或者列出的較少。因此有關從事畜禽智能裝備與信息化技術的運營者需要探索成熟的商業運作模式，力爭政府的政策支持，將好的產品包裝進入市場，發展壯大中國牧業裝備及信息化產業。

2.6 缺乏真正含義上行業大數據平臺

盡管目前一些旗艦式的畜牧業上市公司建立有企業級或者跨企業的一些物聯網數據平臺，象前已述及的溫氏集團內部的數據集成平臺、北京農信互聯建立的“豬聯網”平臺，以及“中國飼料網絡數據庫”［54-55］、“中國家養動物資源網絡數據庫［56］”，但從大數據的定義來評價目前構建的行業數據庫及企業級數據庫，還不是真正的大數據。行業大數據平臺需要行業的實體運行企業將不斷產生的過程數據，生產資料需求數據，科學研究數據及相關產業與政策數據，通過不同的數據采集模式與數據共享機制，有序在線進入到行業數據庫中，使數據平臺具有海量、高速、多維及可變的特點，數據覆蓋的相關領域廣和年限長，才能通過數據模型的構建，建立不同類型數據之間的關聯，實現行業大數據平臺的構建與運行。

3 討論

中國是畜牧產業大國，但不是強國。畜牧業總產值到2017年總量超過了2萬億元，但占農業總產值的比例并未達到農業部規劃末期的36%［57］，實際為30.04%［58］，遠低于畜牧業發達的國家平均50%以上水平，這表明中國畜牧業發展空間較大，尤其在提高勞動生產率及降低單位產出的生產成本上，我國畜牧業還有相當大的差距，如何實現突破，彎道超車，任務艱巨。例如，國際上追求高產的奶牛養殖發達國家如以色列、美國和加拿大，奶母牛年單產都超過10t，追求生乳高品質的和生產綜合效益的澳大利亞及新西蘭，盡管單產目前低于我國平均6.5t以上的水平，但生乳產出成本優勢明顯，分別為2.56元/kg及1.79元/kg，遠低于我國的3.6元/kg［59］，而且國產生乳的品質更不能與之相提并論。實現上述的生產效率，上述國家基本采用了奶牛養殖設備及擠奶信息化管理系統，采用了個體及群體的精準飼喂技術。其次，在養豬業領域，養殖最發達的西歐國家如丹麥、挪威及荷蘭等，長期以來推行與實施動物福利，去限位欄飼喂模式，研究推廣母豬電子飼喂站的圈養模式，大大提高繁殖母豬的生產力，使得丹麥的母豬年可提供斷奶的仔豬數即PSY高達30頭，并提供向35頭邁進的計劃，遠高于我國平均17頭的水平［60］。據初步測算，如果中國存欄的能繁母豬約50%以上采用母豬電子飼喂站，將妊娠母豬從圍欄飼養模式中解放出來，并配合使用哺乳母豬的電子自動飼喂技術，因綜合提高母豬的繁殖率水平，在保證提供相同數量的出欄商品豬的前提下，可減少能繁母豬的存欄數在1 000萬頭以上。僅此一項可大大緩解對土地、環境、勞動力及飼料資源的需求壓力，還能最終穩定豬肉的供給量，維護CPI的穩定；第三，為物聯網技術為特征的信息化向畜牧業生產全過程的應用，將大大提高對各個環節的監控能力，提高對各種投入品的監控能力，尤其提供對畜產品質量安全監管的能力，對保障食品質量安全，維護社會的公共衛生秩序，同樣意義深遠與重大。

4 結論

我國畜牧業向標準化、規模化與智能裝備化的發展態勢不可逆轉，迫切需要現代智能裝備及物聯網技術的支撐，需要信息化技術的全覆蓋。這也是在畜牧業領域踐行“四化”同步與鄉村振興的發展戰略。沒有信息技術的應用，何談畜牧業的現代化！而信息—農藝（畜牧業）—智能設備等技術的融合，才能發揮協同共贏的效果，實現畜牧業生產的網絡化、智能化和服務現代化。相信在不遠的未來，通過移動手機終端，完全可實現對養殖環境的遠程監測與控制，飼料、水與藥的投放遠程精準控制，對糞尿的自動檢測、收集與處理等，并實現可視化的數據分析，即實現所謂手機養殖不是夢，“互聯網+養殖業”將使得搞養殖的新牧人或牧場主成為體面的業主或牛人。

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