母豬智能化精準飼喂系統研究現狀及展望

程維波，吳德勝，李 輝，查德翔，譚榮英，張春穎

(1.中機華豐(北京)科技有限公司，北京100083； 2.中國農業機械化科學研究院，北京100083)

0 引言

中國是世界豬肉生產和消費第1大國，2018年豬肉產量5 403.7萬t[1]。我國母豬飼養模式主要以限位欄飼養為主，飼養空間狹小、環境較差，母豬缺乏運動、心肺功能下降；飼養管理模式落后，豬群體質退化、抗病力下降，母豬容易生病。這種狀況造成母豬飼養質量不佳，表現為母豬發情率低、生產率低、難產率較高和仔豬成活率低等諸多問題，影響生豬行業的生產效率。

為提高我國生豬生產效率，準確、可靠的飼喂技術和設備是必不可少的條件。智能化精準飼喂技術在提高母豬飼養質量、生豬生產效率方面具有明顯的作用。目前，國內每頭母豬年產斷奶仔豬數在20頭左右，而使用智能化精準飼喂技術的歐美國家提供的斷奶仔豬數達到26頭以上，荷蘭達到29頭，丹麥甚至超過34頭[2]。

總結國內外智能化精準飼喂系統的研究現狀，分析存在的問題，有助于推進智能化精準飼喂技術研究與應用，提高我國生豬生產水平，對我國從生豬飼養大國邁向生豬飼養強國有重要的意義。

1 母豬智能化精準飼喂技術與系統

1.1 母豬智能化精準飼喂技術

研究表明，均衡合理的營養對于維持母豬體況和繁殖性能至關重要。母豬的營養分配模式決定了母豬妊娠階段的體況，妊娠期營養供應不足將降低胚胎存活率，從而對產仔數產生影響[3]。同時，哺乳期的營養供應影響仔豬存活率和哺乳期日增質量，增加母豬泌乳量可以有效減少新生仔豬的死亡率[4]。若哺乳母豬采食量低下，會分解體組織來滿足產奶的營養需求，造成泌乳期體質量降低、背膘損失和體況下降，斷奶至發情間隔延長，排卵數減少，受胎率下降、胚胎存活率降低，窩產仔數減少，甚至縮短母豬的生產壽命。

科學的精準飼喂技術對母豬至關重要。精準飼喂技術可以根據母豬的妊娠天數和體質量變化，控制其飼喂量，提高營養利用效率，保證胚胎存活率；根據仔豬數量和仔豬日齡，控制哺乳母豬的飼喂量，保證仔豬健康，提高仔豬的斷奶率；通過檢測母豬的體質量、體膘厚度和日常活動，判斷母豬的健康情況，進行豬群的防疫工作；根據母豬的生理行為，判斷母豬的發情情況，進行發情診斷，確保母豬順利受孕[5]。

母豬精準飼喂技術分為人工精準飼喂和智能化精準飼喂。人工精準飼喂技術主要依靠豐富養殖知識和經驗飼喂豬只，但工作量較大、工作要求細致，對養殖人員要求較高；人工單位飼喂數量較少，飼喂成本較高。

智能化精準飼喂技術是把工業上智能制造的理念應用到養豬業，結合計算機、無線射頻識別、網絡技術、母豬階段飼養營養配飼工藝，來實現智能化的母豬管理。智能化精準飼喂技術在數據收集、管理和提高生產率等方面具有明顯優勢，管理方便、工作簡單；與限位欄飼養模式相比，能夠減少50%以上的管理人員，節約20%以上的母豬飼料，母豬綜合生產率提高25%以上，同時顯著提高20%以上的胎產仔豬存活率[6]。智能化精準飼喂技術是歐美國家母豬管理采用的主要技術。

1.2 母豬智能化精準飼喂系統

母豬智能化精準飼喂系統是使用精準飼喂技術進行飼養母豬的智能化養殖系統，分為妊娠母豬智能化精準飼喂系統和哺乳母豬智能化精準飼喂系統。

1.2.1妊娠母豬智能化精準飼喂系統

妊娠母豬智能化精準飼喂系統如圖1所示。入口門處耳標閱讀器識別豬只耳部RFID紐扣式耳標，智能控制器判斷豬只可否進食，若可以進食，入口門開啟；否則，入口門保持關閉。當豬只進入飼喂欄后，入口門關閉，豬只到達喂料器處時，耳標閱讀器再次識別豬只信息，智能控制器判斷計算后，喂料器開始投料，喂料器的食槽門開啟，投料采用“少量多次”的方式，先少量給下部的食槽投料供豬只采食，當食槽內料位器感應到食槽無料時，喂料器再次投料，直到達到計算的飼喂量停止投料。同時稱量平臺對豬只稱量，將豬只體質量上傳智能控制器；噴墨裝置對要分娩、生病、無耳標等豬只進行噴墨，以便管理員處理。當豬只離開采食區，或者投料量達到計算的飼喂量且食槽無料后，或者豬只進食時間達到智能控制器計算的采食時間，智能控制器關閉食槽門、喂料器停止投料，豬只通過出口門經分離門被分離或正常回飼喂區。

1.喂料器 2.采食區 3.噴墨裝置 4.稱量平臺 5.入口門 6.出口門 7.分離門圖1 妊娠母豬智能化精準飼喂系統Fig.1 Intelligent precision feeding equipment for gestation sow

1.2.2哺乳母豬智能化精準飼喂系統

哺乳母豬智能化精準飼喂系統如圖2所示。每臺飼喂一頭哺乳母豬，當母豬進食時，觸碰下水下料感應開關，感應開關信號傳輸到智能控制器，智能控制器判斷母豬是否可以進食、食槽料位器感應是否有余料，若可以進食且無余料，則下水和送料裝置啟動，飼料和水落入食槽后混合，供豬采食；若母豬不可進食則送料裝置、下水裝置不啟動；若可以進食且有余料，下水和送料裝置暫時不啟動，直至食槽內無飼料再啟動。為避免母豬頻繁觸碰浪費飼料，在下料后一段時間內，母豬再次觸碰，智能控制器不會再次下水下料[7]。

1.下水下料感應開關 2.自動下水裝置 3.料筒 4.智能控制器5.送料裝置 6.帶料位器食槽圖2 哺乳母豬智能化精準飼喂系統Fig.2 Intelligent precision feeding equipment for lactating sow

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

國外一些國家對母豬智能化精準飼喂技術的研究和使用起步較早，20世紀80年代，歐美國家初步形成動物福利體系，各國紛紛對動物福利立法，制定動物福利標準。如英國1999年立法禁止母豬限位欄飼養；歐盟規定2013年1月1日起，所有的繁殖母豬從授精后的4周到分娩前的1周，必須在群房中進行群養。為滿足母豬福利需求，歐美等國家和地區先后研制母豬智能化精準飼喂系統。經過幾十年的發展，荷蘭、德國、美國和加拿大等國家的母豬智能化精準飼喂系統已經完善成熟、種類齊全。

2.1.1Nedap Velos母豬電子飼喂站

智能化精準飼喂技術最早起源于荷蘭。1982年，荷蘭Nedap公司應用射頻識別、個體精確飼喂和軟件管理等技術，研究開發出第1個母豬智能化精準飼喂系統——Nedap Velos母豬電子飼喂站(圖3)，包含精確飼喂、發情監測和欄體3大模塊，在大群飼養條件下，每臺系統可自動飼養50頭母豬。

圖3 Nedap Velos母豬電子飼喂站Fig.3 Nedap Velos electronic sow feeder

精確飼喂模塊是母豬智能化精準飼喂系統的核心機構。精確飼喂模塊通過掃描電子耳標識別母豬，根據母豬所處不同妊娠階段確定飼料最佳投放量；對母豬采用“少量多次”的投料方式，充分調動母豬食欲，減少飼料浪費；根據母豬的進食速度確定投料速度，防止母豬采食過快產生應激反應。喂料模塊結構包括料倉、下料器和食槽。料倉儲存飼料，內部裝有料位器，用于檢測料倉內飼料量，方便及時補料；倉內設有破拱裝置，消除飼料結拱。下料器采用螺旋結構、裝于倉內下方；物料由料倉流進下料器后，受轉動螺旋葉片的推力作用，沿著螺旋軸移動到下料器末端，從出口流出；螺旋結構具有落料均勻連續、便于控制和投料精確等優點。食槽與采食區設置氣缸驅動的隔離食槽門，只有在識別到授權進食的母豬時才打開。另外，采用雙料倉、雙螺旋結構，可以投放兩種飼料，滿足母豬不同需求的飼喂。

發情監測模塊根據母豬發情時主動靠近公豬、嗅聞公豬氣味的原理設計。當處于發情期的母豬靠近發情監測裝置時，耳標閱讀器識別母豬的耳標身份信息與母豬滯留時間傳輸到智能控制器，智能控制器根據母豬靠近發情監測裝置的次數和滯留時間，判斷母豬是否發情。當判斷母豬處于發情狀態時，智能控制器控制發情監測器的標記噴墨裝置對母豬進行噴墨標記，同時將發情母豬信息發送給管理員。發情監測模塊根據母豬的自然行為習慣及生理規律設計，充分發揮了數字化養殖信息管理的能動性，解決了發情診斷的難題；更可以在發情初期進行診斷，縮短診斷時間，幫助管理人員把握最佳配種時間，提高繁殖效率。監測過程無須人工對豬群進行檢查，避免人為對母豬的干擾，保證母豬的懷孕受胎率。

欄體模塊有進出口門、噴墨標識裝置和封閉的采食區。入口處有氣動門或機械門兩種結構選擇，智能控制器根據母豬身份控制開關。出口門采用雙重保險出口，防止母豬從出口處反向進入采食區，擾亂飼喂計劃。噴墨標識裝置根據母豬的身份和狀態采用微型氣缸技術進行噴墨，以便飼養員根據母豬身上的顏色進行相應處理，提高飼養員的工作效率。

Nedap公司后來在母豬電子飼喂站的基礎上增加智能化分離模塊，設計出Nedap Velos母豬分離飼喂站。增加了雙側分離門對接飼養區和分離區，可以對懷孕母豬、臨產母豬、發情母豬和生病母豬等要分離母豬進行自動分離。試驗表明，Velos系統可以將分娩率提高到88.69%，平均返情率降低至7.4%；同時有效避免了限位欄對母豬心肺功能、肢蹄、泌尿生殖系統的傷害，提高了健康水平和生產壽命。

2.1.2Gestal F2母豬自動飼喂系統

加拿大JYGA公司的科技人員提出分階段母豬智能化精準飼喂理念，研發了Gestal 3G妊娠母豬群養系統(圖4)和Gestal F2哺乳母豬自動飼喂系統(圖5)。

圖4 Gestal 3G妊娠母豬群養系統Fig.4 Gestal 3G computerized feeding system for group housed sow

圖5 Gestal F2哺乳母豬自動飼喂系統Fig.5 Gestal F2 automatic feeding system for lactating sow

Gestal 3G是針對妊娠母豬用的飼喂系統，每臺設備可飼喂16～22頭母豬[8]。在結構上，進出口及通道融合，設備占地面積少，而且安裝與移動方便，實現從設計理念到結構調整的創新性突破，滿足群養環境下母豬活動空間的需求，減少豬只之間因爭搶進食發生的撕咬[9]。

Gestal F2是適用分娩欄哺乳母豬的一種飼喂系統。該系統根據母豬泌乳期、胎次、產仔日期和仔豬數等不同階段、不同狀態的營養需求提供飼料，采用“少食多餐”的飼喂方式，做到針對性飼喂，增加哺乳母豬采食量。王定杰等[10]對長白豬進行的試驗表明，使用Gestal飼喂系統的哺乳母豬日均采食量增加16.8%，哺乳期失重減少38.4%，背膘損失減少42.4%，斷奶至發情間隔平均縮短2 d。Gestal F2系統增加了母豬產奶量，提高仔豬生長速度，僅靠母乳可在18 d斷奶時體質量達到6.5 kg，每頭母豬每年提供斷奶仔豬25頭以上[11]。

2.1.3動態飼喂系統Compident VII和靜態飼喂系統Compident Smart

奧地利Schauer公司研發了應用于不同飼養模式的兩種智能飼喂系統，動態飼喂系統Compident VII(圖6)和靜態飼喂系統Compident Smart(圖7)。

圖6 Compident VII動態飼喂系統Fig.6 Compident VII dynamic feeding system

圖7 Compident Smart靜態飼喂系統Fig.7 Compident Smart static feeding system

Compident VII飼喂站為動態飼養模式母豬智能飼喂系統，適用于多臺飼喂設備大圈中飼養，將后備母豬、不同妊娠日期的母豬均放在一個大圈中，并配備分離設備、發情鑒定設備管理發情、返情、生病及臨產等情況的母豬。該系統結構采用直通式設計，保證母豬順利采食的同時可以方便安全地離開飼喂站；出口區域設有緩沖區，可以實現一頭母豬在緩沖區逗留時，另一頭母豬可以進站采食；為自行離開的母豬設制加速傳感器，以便下一頭母豬提前進站采食；喂料槽料倉設計為140 L大料筒，采用轉盤精準投料器，裝滿一次料可飼喂30多頭母豬，每天只需上料2～3次。該系統提高了設備的利用率，不同生產階段的母豬集中混合養殖，使得管理更加便捷、有效，母豬只在快要分娩時轉入分娩舍，減少母豬轉舍次數，降低應激，每臺飼養設備母豬飼喂頭數達到80頭[12]。

Compident Smart飼喂站適用于靜態飼養模式，將配種后28 d已確認懷孕的母豬，一般50～60頭組群轉入大欄群養，使用一臺飼喂站根據母豬營養需求進行最佳飼喂。這種模式由于整群母豬生產周期一致，可以實現整群全進全出的生產模式，飼養管理更方便；避免混群飼養時疾病傳播的可能；防止返情母豬爬跨其他懷孕母豬的情況出現，減少豬群打架和流產等現象[9]。

2.1.4Callmatic 2母豬電子飼喂系統

德國Big Dutchman公司設計一種應用于母豬群養管理的母豬電子飼喂系統Callmatic 2(圖8)。該系統采用模塊結構設計，可以根據不同氣候、場地和需求進行組合，適用于不同的養殖場，尤其適應已有的房舍設計，并且運輸方便。飼喂站配套兩個料倉儲存飼喂干料，還可以使用液態飼料供料系統進行供料。喂料器設計了額外的飼料添加劑料箱，方便礦物質補充和藥物添加。系統控制設計專門的訓練模式，用于訓練后備母豬，氣動進口門保持開啟狀態，后備母豬進入后，智能控制器自動關閉進口門。該系統投料采用少量多次的模式，可充分調動母豬食欲，避免飼料浪費，大群飼喂量可達60頭。

圖8 Callmatic 2母豬電子飼喂系統Fig.8 Callmatic 2 electronic sow feeding

2.2 國內研究現狀

國內在母豬智能化精準飼喂系統領域的研究起步較晚，早期的應用主要以引進為主。隨著養豬產業的發展，從21世紀開始，國內在借鑒的基礎上開始進行研制。

國內妊娠母豬智能化精確喂養系統下料裝置一般采用螺旋式，投料精度達到國外水平。智能控制器采用單片機技術，可設置記錄母豬身份信息、采食參數和下料參數等數據；母豬的飼喂量根據其胎次、背膘和妊娠狀態精確控制下料器下料[13]。這些系統進出口門大多設計為母豬自主開關，不通過智能控制，同一母豬可重復進入欄體，母豬額外占用時間增加，降低了飼喂能力；缺少自動分離模塊，無法實現問題母豬的自動分離，仍然需要管理人員根據母豬身上的噴墨來人工分離。

中國農業機械化科學研究院所屬的中機華豐(北京)科技有限公司根據國內實際養豬要求和國外成熟設計經驗，為妊娠母豬群養研制了具有分離功能的ZWZ50C型母豬電子飼喂站，如圖9所示。

1.入口門A測 2.入口門B測 3.進口門 4.紅外對射開關 5.稱重平臺 6.電控柜 7.噴墨裝置 8.出口門 9.分離門B測 10.分離門A測 11.喂料器 12.食槽門耳標閱讀器 13.進口門耳標閱讀器圖9 ZWZ50C型母豬電子飼喂站Fig.9 ZWZ50C electronic sow feeder

母豬自由通過入口門時，進口門耳標閱讀器識別母豬耳標信息，智能控制器判斷母豬可否進食，若不可進食，則進口門保持關閉狀態；若可以進食，智能控制器通過電磁閥控制驅動氣缸將進口門打開，允許母豬進入采食區。紅外對射開關感應到母豬完全進入采食區后，進口門關閉，以防母豬進食時采食區有其他母豬進入。在采食區，噴墨標識裝置對要分娩、生病等母豬進行噴墨標記，以便管理人員處理問題；稱量平臺對豬只稱量，將豬只體質量上傳到智能控制器。食槽門耳標閱讀器對母豬身份進行識別后，智能控制器程序根據母豬的豬齡、妊娠天數、胎齡和體況計算出飼喂量、采食時間，然后控制喂料器投料、喂料器的食槽門開啟，投料采用“少量多次”的方式。當母豬離開采食區，或者投料量達到計算的飼喂量且食槽無料后，或者豬只進食時間達到智能控制器計算的采食時間，智能控制器關閉食槽門、喂料器停止投料；進口門再次打開，放入后一頭進食的母豬，后一頭母豬進入驅趕前面母豬離開。若智能控制器判斷母豬需分群，電磁閥控制驅動氣缸將分離門開向分離區，否則，分離門開向飼養區。若前面母豬不離開的時間過長，警報器發出報警，通知管理人員及時處理。

ZWZ50C型母豬電子飼喂站包括精確飼喂、智能分離和欄體3大模塊，可實現母豬的智能分離，并且進行了創新，將入口門設計成雙側入口，使得分離區與飼養區母豬隔離的同時共用一臺飼喂站，使沒有及時移走和處理的分離區母豬按時進食。飼喂站母豬識別率達99%，飼料投放精度達98%，單臺飼喂站的飼喂能力達到50頭以上。該系統缺少配套的發情監測模塊和疾病診斷設備。

中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所研制了哺乳母豬精準下料控制系統。該系統采用電動推桿給料裝置下料，通過電動推桿上下運動帶動堵料上球、堵料下球移動，利用上球、下球與定量倉之間的間隙實現下料，通過控制電動桿的推桿速率獲得穩定的下料量。該系統結構緊湊、體積小、耗料少，運行過程節能、維護方便；下料既無飼料殘留，又能破除儲料倉上的飼料結拱，設計高效、簡單，制造成本低。試驗顯示，使用該系統后母豬的日均采食量從人工飼喂的3.8 kg增加到4.58～4.65 kg，母豬哺乳期采食量變化曲線符合哺乳母豬的采食特性[14]。

張超等[15]發明了一種母豬發情檢測系統，采用距離測量傳感器實時檢測母豬與檢測裝置的距離，中央處理單元實時分析母豬距離的變化，根據變化特征預測母豬是否發情，具有簡單、方便、易操作和準確率高的特點。胡天劍等[16]發明了母豬發情智能檢測標記裝置，該裝置通過射頻識別技術實時監控待測母豬與試情公豬的接觸時間、次數、頻率，判斷母豬是否發情。楊亮等[17]設計了母豬發情監測裝置，通過監測母豬的體溫，并配合射頻識別、壓力和紅外等技術監測母豬在試情公豬附近的滯留情況，通過記錄母豬在種公豬附近滯留的次數和滯留時間判定母豬是否發情，對鑒定為發情的母豬進行噴色標記或將母豬的信息發送給管理人員。

3 結束語

國外的母豬智能化精準技術發展較為成熟，母豬智能化精準飼喂系統及其配套設備較全，但是價格相對昂貴。

國內母豬智能化精準飼喂系統的研究目前處于起步階段，生產廠家較少。雖然在精準飼喂系統設備方面取得一些進展，但主要集中在硬件仿制上，有關母豬智能化精準飼喂核心技術的基礎研究較少，缺乏精準養殖的實用技術。智能發情監測裝置是母豬智能化精準飼喂系統的研究重點和難點，國內盡管做了一些這方面的研究工作，但未見真正應用到實際生產中的報道。

目前，國內母豬疾病診斷主要依靠人工觀察的方式，主觀性強且精度低，對傳感器監測、圖像監測及聲音監測等高效、智能、精準和無刺激的無損監測技術的研究開發較少，且尚未應用到養殖生產中。母豬營養學對生豬生產率影響的研究不多，如母豬的飼喂參數對母豬產仔數、仔豬成活率、仔豬斷奶天數及仔豬體質量等指標的影響研究較少。各方面研究較分散，未將精準飼喂、智能分離、發情監測、疾病診斷和母豬營養學等技術集中在一套系統中。

國內應加大相關技術的研究，開發高效、智能、精準和無刺激的疾病診斷技術，加快豬發情檢測設備在生產中的應用，增加母豬營養學方面的研究。加快系統及其配套設備研發升級的投入，盡快將飼喂技術集成于飼喂系統中，使母豬智能化精準系統向標準化、模塊化和配套化的方向發展，盡快豐富國內市場，提高母豬的飼養質量、生豬生產效率，保證生豬養殖行業的健康可持續發展。