奶牛智能飼喂關鍵技術研究*

席瑞謙，王娟，李正義，周棕凱

(河北農業大學機電工程學院，河北保定，071001)

0 引言

奶業是世界公認的經濟、高效型產業，奶業的發展影響著一個國家畜牧業乃至整個農業的發展，因此提高奶牛養殖管理水平是奶業發展的必然要求。近年來的奶牛養殖產業體系正在發生變化，全混合日糧(Total Mixed Rations，TMR)飼喂技術的推廣應用推動了養殖業的快速發展，促進裝備與技術更加先進[1]，在奶牛養殖管理過程中能夠提高奶牛單產量，降低勞動成本。截止到2019年，中國奶類產量保持在3 600萬t以上，居世界第三位，其中牛奶產量占奶類總產量的比例約為96%[2]。我國奶牛養殖呈現散養、小區化、規模化共存的局面[3]。在我國奶牛養殖業發展歷程中，早期以栓系和散養模式為主，飼養管理較為落后，制約了我國奶牛養殖產業的進一步發展[4]。為此開發適合我國國情的結構簡單、性價比高、性能穩定的奶牛飼喂系統，是奶牛養殖業機械化、自動化和精細化發展的必然趨勢[5]。

本文對奶牛TMR飼喂技術的特點及研究現狀進行總結，對國內相關飼喂技術起步較晚，與技術配套的飼喂裝備推廣范圍較小，受到飼養規模以及相關經濟因素的影響等存在的問題進行分析，提出將技術與裝備相匹配，依據實際飼喂情況進行TMR技術的實施等發展目標。同時對奶牛飼喂裝置的應用情況進行統計分析，指出我國智能飼喂裝備存在推廣范圍較小，裝置與實際情況契合不完整等問題，提出智能化飼喂裝備要向高效、低成本、適用性強的目標發展，為我國奶牛養殖行業進一步發展提供參考。

1 TMR飼喂技術

1.1 TMR技術優勢

TMR是一種根據反芻牲畜在不同生長階段的營養需求，將精、粗飼料及各種飼料添加劑按照一定配比混合均勻，然后由運料車運送至食槽讓牲畜自由采食的飼養技術[6]。與傳統的栓系和散養飼喂模式相比，TMR飼喂方式采用先干后濕、先精后粗、先輕后重的基本原則[7]，應用TMR技術將精飼料、粗飼料以及各種添加劑合理科學混合，混合后的飼料能夠達到松散不分離、色澤均勻，新鮮不發熱、無異味，不結塊的效果[8]；不僅可以確保不同生長階段的奶牛個體獲得其所需的營養物質，將奶牛瘤胃pH值控制在6.4～6.8之間，同時有利于微生物增長[9]，提高氮元素利用率達4%左右[10]，奶含蛋白質量高出0.11 g/100 mL[11]，增加產奶量5%～15%，降低發病率20%左右[12]，能夠提高奶牛健康水平。與傳統飼養模式相比，因內在成分與加工流程的改善及分群飼喂模式的實施，每公斤干物質能使奶牛增產5%～8%的奶量[13]。同時單勞動力工作效率可提升至80～150頭[14]。

1.2 TMR制備機發展現狀

在奶牛飼養的全過程中，采用TMR技術有利于從根源上提升奶牛飼喂與管理的整體質量，也符合奶牛智能飼養的基本原則[15]，為此必須將技術與裝備科學的配套使用。TMR制備機的研制有效解決了這一問題，并且能夠通過物料切割、攪拌等方式將飼喂原料進行加工，優質的加工裝置能夠將TMR飼喂技術發揮到最佳性能[16]。

國外的TMR制備機品牌有美國LEO Ag、以色列RMH、土耳其Enderun、巴基斯坦MALIK、德國GTECH、加拿大NDEco等。國外TMR日糧制備機與其它農作物生產管理機械一樣，具有大功率、技術先進、作業效率高和性能穩定等特點。

我國TMR制備機技術起步較晚，常用的有固定式、臥式、牽引式、立式等[17]。王德福、于克強[18-19]等主要針對臥式與輪轉式進行研究；馮靜安等[20]選用了單螺旋立式攪拌機；劉光照等[21]對9JQL-12型TMR制備機產品，如圖1所示，根據生產需求對裝置進行試驗分析，結果表明該裝置符合國家標準；白宇等[22]研究的TMR飼喂攪拌裝置，采用固定式攪拌機，主要由箱體、螺旋絞龍、飼料稱重系統、控制系統組成，將飼料按順序、比例進行混合、切割攪拌后送出。

圖1 9JQL-12型TMR制備機Fig. 1 9JQL-12 TMR preparation machine1.傳動系統 2.卸料裝置 3.稱重系統 4.攪拌箱5.定刀 6.牽引式底盤 7.絞龍裝置

1.3 TMR飼喂關鍵技術研究

針對國內TMR飼喂技術存在的問題，很多科技人員進行了相關研究。

1) 奶牛的分群化管理。奶牛分群管理具體可以劃分為泌乳前期、泌乳中期與后期等幾個階段[23-24]，不同產期的奶牛在產奶量方面也存在差異，最大可達到10%左右[25]，其中對于早期的泌乳牛來說，無論其產量如何，都要適當提高干物質含量；對于中期泌乳牛中產量較高或體型偏瘦的個體乳牛，也應采取相同措施[26]。

2) 飼料的養分檢測管理。不同的營養成分有不同的降解速率和利用速率[27]，低蛋白TMR粗精比為55∶45，高蛋白TMR粗精比為51∶49[28]。在TMR飼料中混入一定比例豆科類牧草能夠有效提高飼喂效率[29]，原料中水分的偏差度會直接影響混合飼料中的營養濃度[30]，因此必要時可加入一定比例的水，大致為35%～45%[31]。

王秀等[32]給出了奶牛飼養過程中干物質采食量DMI的預測公式

泌乳中后期奶牛：DMI=0.025W+0.1Z

(1)

式中:W——體重；

Z——日產奶量。

成年母奶牛：DMI=8+M/5+Y/1 000

(2)

青年母奶牛：DMI=6+M/5+Y/1 000

(3)

式中:M——日產奶量；

Y——年產奶量。

在采用TMR進行飼喂時，會改變一天中DMI的分布，同時增加奶牛采食的時間[33]。因此要合理對飼料中養分進行檢測。

填料次序與攪拌時間。一般按照干草→精料→副料→青貯→濕糟類等次序進行填料，可依據不同奶牛群體進行適當調整，攪拌時間控制在最后一批原料添加完成后再攪拌4～5 min較為適宜[34]。

料槽的科學管理。在對奶牛進行飼喂時，合理記錄奶牛采食量，并且應預留3%～5%的飼喂量[35]；與此同時每天早上清槽，將成年母牛剩料投放給后備牛[36]，節約飼養成本。

飼喂技術混合度評價標準。需要提高管理人員水平，增強防疫意識。疾病不僅會浪費大量資源，還會帶來嚴重的經濟損失，因此應提升飼養人員的技能水平，加大檢查力度，做好防疫的相關工作[37]。目前科技人員已經進行了大量研究，探索出一系列評價標準。

王凱軍等[38]提出的以變異系數cv作為TMR飼喂技術混合度的評價標準。

(4)

式中:cv——混合物樣品的變異系數，%；

S——樣品測定值標準差；

混合均勻度

M=1-cv

(5)

混合物顆粒度的評價標準由美國賓州顆粒度分級篩[39]確定，篩網直徑從第一層到底層依次為>19.00 mm、8.00～19.00 mm、1.18～8.00 mm、<1.18 mm。

TMR飼喂技術優勢明顯，必將獲得廣泛的應用推廣，同時也要注意其存在的問題，針對實際的飼喂規模以及條件制定相應的飼喂規劃，做到技術與裝備合理使用，促使我國奶牛養殖行業的快速發展。另外，在大力推廣現代化奶業產業體系、增強奶業競爭力的同時，采用自動飼喂裝置與TMR技術相結合的方式，能夠提高奶牛單產量，降低勞動成本，以最少的生產耗能獲取最大的畜牧業產值和經濟效益是現代畜牧業發展最重要的標志[40]。

1.4 我國TMR技術存在的問題與建議

隨著TMR技術的不斷發展，本文基于TMR發展狀況對我國與國際情況進行了對比分析，如表1所示，對比分析后發現我國的TMR技術還存在著一些問題，表現在投資成本較高；對日糧成分檢測要求嚴格，各成分比例要求精確；對不同種類的牛場應采用不同的配比配方，制作工序較為復雜；牛群分群不合理、調群不及時等方面[23]。

我國未來奶牛養殖將轉向規模化養殖模式，為此要進一步發展TMR技術，結合我國實際養殖情況對該技術進行改善，針對我國畜禽養殖標準制定出相應的TMR配比方案，加強對原料成分檢測力度，將原料比例控制在更加精確的范圍內；在牛場管理方面加大分群管理制度，科學的將牛群管理與飼喂技術相結合；在TMR制備裝置方面，要研發出操作簡單、運行安全、價格合理的裝備，逐步擺脫裝置系統進口的局面，要針對具體問題去研發裝置。

表1 國內外TMR技術發展情況對比Tab. 1 Comparison of domestic and foreign TMR technology development

2 奶牛飼喂裝置

奶牛養殖業快速發展，養殖規模不斷擴大，機械化裝置的應用對提高產奶質量與管理水平具有重要作用，如表2所示，將我國與國際飼喂裝備的現狀進行對比分析，受我國傳統奶牛養殖模式的影響，有關自動化飼喂裝備的研究起步較晚，但隨著現代化農業的不斷發展，養殖模式的轉變導致相關飼喂裝置相繼出現，其中大部分設備適用于小規模養殖場，而符合大型養殖規模的先進設備仍面臨進口的問題，進口設備價格昂貴且維修較為復雜，但其配套的系統能夠很好的提升養殖效率，因此在未來研發過程中，要進一步提高裝置的工作效率，結合我國實際飼養環境，對自主研發的設備進行推廣試驗，將配套裝置組成完整的飼喂系統，不僅能夠提升牛場管理效率，而且進一步推進我國奶牛養殖模式的轉變與發展。

表2 國內外奶牛飼喂裝置的應用情況對比Tab. 2 Comparison of the application of domestic and foreign cow feeding devices

2.1 成牛自動飼喂裝置

國外自1983年開始便已采用自動配料系統[41]，如今我國也相繼開展了相關裝置的研究工作，但還未實現大面積的推廣應用。趙麗萍等將我國國情與自動飼喂裝置進行結合，介紹了5種不同的給料系統：圓盤式、柱塞式、振動式、螺旋式和槽輪式給料系統。陳曉明等[42]設計的奶牛螺旋給料裝置攪拌設備，由攪拌軸、攪拌葉片、電機等組成，可消除堵料的現象，將飼料更加均勻的混合、輸送，進一步提高自動飼喂裝置的效率，大幅度降低飼喂成本。

奶牛自動飼喂裝置的研制，推動了我國奶牛養殖業發展，一定程度上解決了奶牛養殖過程中的難題，提高了生產效率。但是，裝備技術方面仍存在一些不足，缺少核心技術的自主權。研制的裝備不能很好結合我國的養殖特點，并且受到奶牛傳統養殖管理模式的限制，裝備產品的推廣應用范圍較小。許立新等[43]提出的自動化傳送帶飼喂系統(圖2)，能夠對所需飼料量進行計算，然后計量配置，投放在填料裝置中，在滑動犁作用下將飼料投撒在飼喂面之上。

圖2 傳送帶填料裝置Fig. 2 Conveyor packing device

2.2 犢牛自動飼喂裝置

傳統的奶牛養殖場飼喂犢牛時需要大量人工投入，成本高、效率低，不利于奶牛養殖場的大規模發展，并且飼喂的牛奶需要維持在合適的溫度范圍，犢牛健康狀況直接影響配種率和產犢月齡的早晚[44]。

國外在犢牛飼喂方面的裝置技術較為成熟，瑞典的Delaval、荷蘭的Lely、德國的Urban、GEA等公司[45]進行了犢牛飼喂裝置的研究。Oliveira等[45]介紹的犢牛精細化飼喂裝置，結合無線射頻技術，完成了對犢牛采食量的檢測與投放控制。

我國近年來也開展了犢牛飼喂裝置的研究。王玄等[46]為解決犢牛飼喂問題設計的全自動犢牛飼喂裝置，能夠實現自動識別、奶源加熱消毒、自動攪拌以及定量排放輸送等功能，模擬了奶牛乳頭喂養的自然狀態，大幅度節省了勞動力。靳蜜肖等[47]設計的犢牛自動飼喂控制系統，以PC機為信息管理平臺，基于計算機技術與無線通信技術，實現在飼喂過程中對溫度和奶量合理的控制。

2.3 成牛精準飼喂裝置

隨著電子信息技術的快速發展，國內外養殖模式發生轉變，我國正從增加奶牛存欄數向提高奶牛單產量的目標發展[48]，為了滿足奶牛所需的營養需求，結合精細化養殖方式，研究與開發簡單實用的精準飼喂裝置尤為重要。

國外的奶牛精細化養殖起步較早，結合自動控制技術聯合多種配套設施，奶牛養殖效率明顯高于我國[49]。國外如以色列的Afimilk、美國的BOUMATIC、加拿大的ARROWQUIP、澳大利亞的Morrissey & Co、荷蘭的LELY、芬蘭的PELLON、新西蘭的Farmquip等公司開展了更加精細的飼喂裝置研究。Simona Büchel等[50]設計的奶牛飼喂檢測系統，通過穿戴式傳感器檢測到數據，推測不同奶牛個體采食習慣，完成個體的精準飼喂。

隨著現代化技術的快速發展，我國科技人員也對精準飼喂裝置進行了研究。在對奶牛個體進行精準飼喂時，無線識別技術因其采用非接觸式對象識別，且具有識別速度快、性能穩定等特點[51]，被廣泛應用于奶牛個體識別。熊本海等[52]設計的奶牛飼喂機電控制系統，包括機械裝置、電子識別系統、料槽稱重系統、電控系統、現場數據采集及遠程數據傳輸與分析系統等部分，實現了奶牛的自動化精準飼喂。趙麗萍等[53]設計的奶牛飼喂送料系統，結合自動控制、射頻識別技術等，可對奶牛個體進行識別，根據其個體需求量而制定相應的飼喂計劃，從而實現對奶牛的精準飼喂。李亞萍等[54]設計的牛場信息管理系統，采用原型法進行設計，實現了對奶牛信息的采集檢測，并通過無線傳輸裝置將數據與飼喂裝置相結合，使飼喂裝置能夠掌握奶牛個體信息，在實現精準飼喂的同時也提升了牛場信息化管理水平。趙毅等[55]設計的奶牛飼喂機器人PLC程序，能夠完成定點給料、全方向行走等一系列功能，利用飼喂機器人代替人工作業有效的降低了飼喂成本。

精準飼喂裝置的研發能夠加快我國養殖結構的轉變，是奶牛養殖走向精細化發展的重要標志。相關裝置的試驗結果表明，所研發的成牛精準飼喂裝置能夠達到國家標準，并且運行安全可靠。但是，精準飼喂裝置系統研發成本較高、設備維修繁瑣、裝置系統運行所需環境條件較為嚴格，并且對工作人員的技術操作水平要求較高，因而成牛精準飼喂裝置的大范圍推廣仍有待解決。

2.4 成牛精準補飼裝置

滿足奶牛個體營養需求能夠進一步提高產奶質量，其需求量受自身狀態、養殖環境等因素影響，為此在精細化分群飼養時，要依據奶牛個體之間的差異，研發精準補飼裝置，對奶牛個體信息進行分析，計算出所需增補的飼料量，通過配套裝置實施對奶牛個體的補飼。

焦盼德等[56]設計的奶牛智能推料機器人(圖3)，將旋轉機構配合自主行走機構進行推料作業，結合有蓄電池防護罩，提供了一種全新的二次補料形式，降低了生產成本。

顏世濤等[57]設計的奶牛個體精料變量補飼系統，采用北京完美WM-18系列無線射頻識別系統獲取奶牛個體的采食量與產奶量的差異，從而將4種精飼料按差異進行增補。王冉冉等[58]設計的動態補飼裝置，利用射頻技術識別奶牛信息，依據不同奶牛個體的補飼量進行補飼。李文等[59]設計的自動稱重精準補飼裝置，當奶牛進入護欄時，上位機接收到檢測信號，對奶牛進行自動稱重從而確定補飼量，再根據奶牛體重判斷是否需要補飼。

圖3 奶牛智能推料機器人Fig. 3 Cow intelligent feed robot1.自主行走機構 2.旋轉機構 3.蓄電池 4.防護罩

隨著我國現代化奶牛養殖格局的形成以及養殖模式的轉變，對于奶牛飼喂裝備的需求不斷提升，在工作效率、飼喂精準度、自動化水平等方面的要求更加嚴格，為此對奶牛智能化飼喂裝備的研究狀況進行總結分析，針對不同飼喂狀況以及裝備特點，提出有關飼喂裝備在自動化程度、飼喂效果等方面的改善的發展目標，進一步完善與飼養模式的結合程度，切實提升我國奶牛養殖水平。

3 結論

本文對奶牛飼喂關鍵技術進行了研究分析，對TMR飼喂技術和奶牛智能飼喂裝置進行了總結，得到以下結論。

1) TMR飼喂技術可滿足不同階段、不同種群奶牛個體的營養需求，但難以對奶牛個體實現精細化飼養，需要加強對牛群合理科學的分群管理，提高飼料營養物質的檢測力度。

2) 精準飼喂裝置加快了我國奶牛養殖結構的轉變，飼喂裝置能夠達到國家標準，運行安全可靠，但仍存在研發成本較高、設備維修繁瑣等問題。

3) 精準補飼裝置提高了飼料的利用率，針對奶牛個體差異實現飼料的合理利用，避免奶牛群體內差異化的出現，但對牛場信息化、現代化管理水平要求較高。

隨著現代規模化奶牛養殖新格局的初步形成，將計算機技術、電氣控制技術、裝備制造技術與奶牛養殖管理技術相結合，研發智能化養殖裝置，實現奶牛精準養殖，是今后奶牛養殖業發展的必然趨勢。