人工智能在養豬生產中應用研究進展

陳 輝

（華中農業大學農業農村部農業動物遺傳育種與繁殖教育部重點實驗室，湖北 武漢 430070）

隨著我國養豬產業朝著規模化方向發展，我國豬肉產量以及消費量已有全世界50%以上的占有量，養豬業在我國畜牧業產值中占比43.2%，我國生豬出欄量在2016年已達4.344億頭，表明養豬業已成為我國畜牧業的支柱性產業[1]。畜牧科技也不斷在發展，越來越多的智能設備被應用于養豬生產中，極大地提高了養豬生產的效益[2]。盡管如此，我國養豬業的智能水平仍遠遠落后于丹麥等發達養豬國家[3]，人工智能（AI）養豬的概念因而受到更廣泛的關注。AI是基于互聯網、物聯網以及大數據等技術的發展而提出，其定義是集合工業制造的概念構建網絡平臺，最大限度地取代人工[4]。AI并不是一個新的概念，早在20世紀50年代就被提出，目的是通過采用智能設備，從而部分或全部取代人工，降低人力資本，提高生產效益，AI的提出很好地迎合現代養豬理念。隨著AI的發展，近年被廣泛應用于現代養豬生產中，文章就AI在生豬精準飼養[5]、肉品質無損檢測[6]、改善母豬繁殖性能[7]以及疾病檢測與診斷[8]等方面的應用展開綜述，并簡要分析了AI養豬的概念和內涵，闡述了AI養豬的優越性，進而對AI養豬提出展望，旨在為AI在養豬生產中更好地發揮作用，促進我國養豬業朝著智能化以及高效化的方向發展。

1 人工智能養豬的概念與內涵

AI養豬是基于工業制造理念的基礎，是一種感知智能、數據融合智能、預測決策智能的統一體，通過綜合各類軟件和硬件以及最新的技術構建的一個網絡化平臺，其核心是圍繞養豬生產構建網絡平臺，通過對養豬生產中的數據信息進行采集，從而在養豬生產中實現自動決策、自我分析以及精準執行，最終有效地解決養豬生產中的問題，不斷提高養豬生產的效益[9]。在新的時代，AI養豬被賦予了新的內涵，AI養豬始終應圍繞著養豬生產，為實際養豬生產構建更充分完善的網絡平臺，不斷地收集養豬生產中實際數據信息，進而更好地開發出符合實際養豬生產的場景和相應的配套設備以及服務等，最終發揮AI的積極作用，促進養豬產業的成功轉型[4]AI養豬的具體原理及操作流程見圖1[10]。

2 AI在養豬生產中的應用

2.1 精準飼喂

AI是基于大數據背景為養豬生產服務，通過在養豬生產中使用AI設備，可以真正的實現精準飼養，從而有效地減少飼料資源的浪費以及改善生豬生產性能。周洪等[5]（2018）針對哺乳母豬設計開發了一套哺乳母豬智能飼喂器，研究發現使用該設備后，可使哺乳母豬在1 d內多次采食，并且均是新鮮飼糧，進而實現哺乳母豬采食量最大化，對哺乳母豬體況的維持具有積極作用；同時，該設備還可有效地減少飼糧浪費和人工勞動強度，在哺乳母豬養殖中具有積極意義。林升峰[11]（2018）針對妊娠母豬建立了一個基于模糊控制器的飼喂量控制模型，該模型可根據妊娠母豬所處的生產階段以及體況進行精準飼喂，經過試驗驗證，表明該模型可以有效地根據妊娠母豬所處階段或體況進行飼喂量的調整。對于生長育肥豬，黃利軍等開發了一種智能液體飼料飼喂設備，通過該設備的使用，有效地減少了育肥豬的飼糧浪費，同時有效地改善了豬舍環境[12]；李閩等[13]（2018）比較了智能液態飼料飼喂與傳統干料飼喂對保育豬和生長豬生長性能的影響，結果發現使用智能液體飼料設備可有效提高育肥豬與保育豬的日增重，但同時卻降低了兩者的成活率，表明設備還需完善；易烈運等[14]（2017）根據生豬生命曲線喂食量設計了一套基于PLC智能自動化生豬飼喂系統，實現了定時定量飼喂（原理參考圖2）。AI在仔豬生產中也有應用，有使用者發現：通過使用智能仔豬飼喂器，可實現對仔豬精準飼喂，使仔豬能少吃多餐，同時使仔豬腹瀉率降低了一大半[15]。以上表明通過在養豬生產中使用AI設備可以實現精準飼養，從而有效地減少飼糧的浪費，提高生豬生產性能。

圖1 AI養豬的原理及操作流程

圖2 基于PLC智能化飼喂設備框架

2.2 豬肉品質無損檢測

隨著我國肉類產量的增加以及人民對優質豬肉的需求不斷加大，無損準確地對豬肉品質進行檢測對豬肉產業的發展具有積極作用。研究表明，通過AI的使用，可以對豬肉品質進行無損準確地檢測和評定。Aloglu等[6]（2018）基于衰減全 反 射FTIR光 譜（ATR-FTIRS）開發了一種智能豬肉鑒別模型，使用該模型可實現無損鑒別豬肉和牛肉。Wang等[16]（2014）開發了一種基于異丙醇-聚4-苯乙烯磺酸鈉-石墨烯復合膜檢測豬肉中鹽酸克倫特羅的電化學傳感器，通過使用該新型傳感器，可以提高對鹽酸克倫特羅的檢測靈敏度（該研究中檢測下限為 2.2×10-8mol?L-1），經實驗驗證，可以有效無損地檢測豬肉中鹽酸克倫特羅的含量，從而對豬肉品質進行準確評定。對于豬肉新鮮度評定，鄒小波等[17]（2017）以玫瑰茄花青素提取物制備了一種可檢測肉類新鮮度的智能指示膜，實驗數據表明：在36 h后，豬肉中揮發性鹽基氮值高于15 mg/100 g，表明豬肉腐敗，此時復合膜變為淡紫色；經過60 h后，智能指示膜變為了褐色，研究認為可通過復合膜的顏色來對豬肉新鮮度進行檢測。而潘婧等[18]（2016）基于計算機視覺系統，開發了一種利用神經網絡預測豬肉新鮮度的模型，經驗證該模型的準確率高達95%以上。劉波等[19]基于計算機視覺和人工嗅覺開發了一種嵌入式手持終端系統，該系統主要對豬肉新鮮度進行檢測，經過實驗驗證，該系統對豬肉新鮮度檢測的準確性高達99.1%，有效地實現了豬肉新鮮度的準確檢測（具體操作原理見圖3）。對于豬肉系水力，劉影[20]基于機電一體化技術開發了一種智能系水力測定儀，通過與傳統系水力檢測方法相比，其相關系數在0.99以上，表明該智能設備是可行的，能夠實現對豬肉系水力進行無損準確測定，實現了系水力檢測自動化以及高效化。通過使用AI設備，可實現對豬肉品質進行無損檢測以及自動化檢測，從而提高了豬肉品質的檢測效率。

2.3 改善母豬繁殖性能

圖3 智能嵌入式手持終端系統檢測肉品質原理

由于AI設備具有精準的功效，可以有效地調整飼喂量、環境溫度、光照和濕度等因子，滿足母豬的福利，使母豬處于最舒適的環境，從而有效地改善其繁殖性能。于桂陽等[21]（2018）為探究智能化豬場對母豬繁殖性能的影響，對永州某豬場進行了調查比較，結果發現，使用AI設備的豬場與普通集約化豬場相比，智能化豬場的母豬具有更高的分娩率、窩產仔數、窩產活仔數、健仔數以及仔豬成活率，表明通過AI設備的使用，有效地改善了母豬的繁殖性能。許棟等[22]（2016）發現，智能化豬場的母豬窩產弱仔率和日投料量顯著降低（P＜0.05），而初生個體重則顯著增加（P＜0.05）。王樹華[23]（2014）的研究也得到了類似的發現，該研究發現智能化豬場的母豬與普通群養群飼母豬相比，分娩率提高了10%（P＜0.05），除此以外智能化豬場母豬的窩產仔數、窩產活仔數、初生窩重、泌乳力、窩斷奶仔豬數和斷奶窩重均顯著提高（P＜0.05）。使用AI設備可以很好地改善母豬的福利，進而改善母豬繁殖性能，賴友輝等[24]（2017）比較了“大欄群養智能管理”與普通“限位欄飼養”對妊娠母豬繁殖性能的影響，結果表明，使用智能管理后的母豬順產率顯著高于普通限位飼養的母豬（P＜0.05），而流產率顯著低于普通限位飼養的母豬（P＜0.05），研究認為智能管理設備為妊娠母豬提供了福利，從而有效地改善了母豬的繁殖性能。綜上表明，AI設備由于其精準的特性，為母豬提供了舒適的環境，滿足了其福利，進而有效改善其繁殖性能。

2.4 實現疾病監測與診斷

AI可對數據進行快速比對，從而對豬只的疾病進行快速有效的預警和檢測，為豬只疾病的輔助診斷和治療提供了有效的工具。在生豬疾病監測方面，Jiao等[8]（2016）基于Kinect（微軟旗下一款傳感器產品）傳感器和紅外熱成像儀以用于豬體表溫度的測定方法，該方法通過補償處理后，溫差范圍僅在0.03～1.2℃間，可用于生豬體溫的準確檢測和健康的監控。謝海員[25]（2015）基于Harris角點去除腿部輪廓的算法，開發了一種豬喘氣行為的波形模型，提出了一種生豬呼吸頻率的計算方法，對生豬喘氣時的呼吸異常提供了定量描述，實現了對豬呼吸異常連續自動檢測，為其診斷提供了依據。除此以外，AI設備的使用還可實現對豬病進行診斷。Guo等[26]（2016）開發了一種檢測豬瘟病毒（CSFV）的磁彈性（ME）傳感系統，通過實驗證明，該系統與CSFV濃度在0～2.5 μg/ ml范圍間成線性關系，其檢測下限僅為0.6 μg/ ml，通過該系統的使用，可對是否感染CSFV做出準確的診斷。李盼玉[27]（2015）基于智能手機開發了一種豬病遠程診斷系統，該系統利用模糊數學原理將豬病的癥狀進行序化、量化以及二維化，同時該系統建立了生豬常見病（豬瘟、仔豬白痢等）數據庫，用戶通過收集生豬的照片視頻等信息進行比對，系統將作出診斷和建議，從而實現豬病的遠程診斷。綜上表明，AI通過數據比對，可實現對豬病的監測與診斷，從而使患病生豬能得到快速有效的治療。

2.5 智能設備在養豬其他方面中的應用

AI在養豬生產中除了上述應用外，還在豬精液品質智能檢測、母豬發情智能檢測、體重智能分析以及仔豬生長性能智能測定等方面均有應用。雷正達等[28]（2018）整合超微芯片、數據分析處理、大數據、人工智能平臺開發了一套豬精液品質快速檢測的智能系統，實現了對豬精液品質快速檢測，極大地促進了養豬業的發展。傳統的母豬發情檢測耗費時間和人力，基于此，劉哲等[7]（2019）根據種豬的關鍵體征參數（如體溫、運動時長、進食總量、靜臥時長、發情時間等與母豬發情概率的關系，構建了神經網絡模型，通過大量實驗證明，該模型可實現母豬發情的快速準確檢測，極大地提高了母豬發情鑒定的準確性（具體原理參考圖4[7]）。在體重智能分析方面，張凱等[29]（2017）基于計算機視覺技術，對豬的側視圖像進行處理（顏色特征、閾值分隔等），通過比較逐步回歸法與MLP神經網絡模型進行育肥豬體重預測，通過比較，該模型的相關系數高達0.993，相對誤差僅為1.38%，表明通過該模型可以對育肥豬體重進行準確的預估。羅土玉等[30]（2017）基于RFID射頻電子技術設計了一種幼豬生長性能智能測定系統，該系統可對斷奶后6～30 kg的仔豬進行日增重、日采食量進行測定，實現了幼豬生長性能測定的自動化，極大的提高了測定的準確性，降低了人力，從而降低生產成本，提高了效益。除此以外，有學者設計了一套減重式產床智能飼喂系統，有效地避免了飼料粘接、發霉等問題[31]；也有學者基于動物福利開發了一種母豬大欄智能飼養系統，極大降低了人工成本和飼料浪費，同時滿足了豬的福利，有效地提高了養豬生產的效益[32]。

圖4 基于物聯網的智能母豬發情監測系統原理

3 小結及展望

綜合以上，AI在養豬生產中發揮著積極作用，在生豬精準飼養、肉品質無損準確檢測、改善母豬繁殖性能、生豬疾病監測與診斷以及養豬生產的其他方面均發揮著積極的作用，可以說，通過AI的使用，有效地降低了養豬生產中的成本（人工、飼料等），從而提高了養豬生產的效益。AI使養豬業由傳統的勞動力密集型企業轉變為集約化和智能化企業，AI養豬將會是今后養豬業的發展趨勢。但由于我國AI起步較晚，運行起來仍存在諸多困難，如大部分豬場物聯網標準化程度低以及智能設備普及率低，同時現有智能算法模型仍與實際養豬生產還存在一些距離[4]；另一個困難是AI養豬雖然從一定程度降低了人力成本，但不意味著可完全取代養豬人，因而需要既了解養豬生產又懂得應用AI設備的人才，這將會導致傳統意義的養豬能手失業；最后一個困難是許多AI設備高昂的價格讓很多豬場望而卻步，這嚴重阻礙了AI養豬進程的發展[3]。但AI養豬是今后養豬發展的必然趨勢，對于上述困難，可以通過：1）通過技術提高機器的自我學習能力，做好數據庫的建設，數據庫是AI養豬的核心，通過機器對大量數據進行分析，從而開發出更貼近實際養豬生產的模型或算法[4]；2）加大對相應AI養豬人才的培養，培養出能把握數字化技術和生產技術的高素質創新型人才，從而填補AI養豬人才的缺口[9]；3）加快我國AI算法、模型以及設備的開發，尋求性價比更高的AI算法、模型以及設備，進而開發出適用于我國養豬場且能用的AI設備，從而加快我國AI養豬的進程。總而言之，AI對養豬生產具有很大的促進作用，今后我國養豬業將會朝著AI養豬方向前進，最終實現養豬業精準化和高效化。