金華豬精準養殖與管理技術

翁曉星，王 可，傅 劍，趙 晉，陳 斌，邊曉東，鄭 濤

(1.金華市農業科學研究院，浙江 金華321000； 2.浙江省農業機械研究院，浙江 金華321000；3.中國計量大學，浙江 杭州310018)

0 引言

畜牧業是農業的重要組成部分，關系著國計民生，是引領我國農業實現現代化和可持續發展的戰略產業，預計到2030年，畜牧占農林牧漁業總產值的比例將超過種植業，成為我國農業的主導產業[1]。養豬業是我國的傳統產業，“豬為六畜之首”，隨著生產水平不斷提高，生產規模不斷擴大，經濟效益不斷提高[2]。然而，在追逐高產的規模化、集約化養殖模式下，畜禽養殖出現了疫病大規模爆發、環境惡化、產品質量低劣等問題，進而限制了我國畜產品的出口[3-4]。

金華豬又稱“金華兩頭烏”，因其中間白、兩頭烏的特殊外形體色而得名，是我國著名的優良豬種之一。金華豬具有成熟早、肉質好、繁殖率高等優良性能，以其為原料制作成的“金華火腿”享譽世界。2018年8月，中國首次報道出現非洲豬瘟，給本身抗病性較弱的金華豬養殖產業帶來了巨大挑戰。在“雙疫情”的背景下，畜禽健康養殖在中國愈來愈受到重視。

目前我國處于信息化養豬發展階段，養殖方將先進的硬件和軟件用于采集生產環節數據。信息管理方面存在的主要問題：無法實時控制，數據信息缺乏有效算法模型形成閉環控制，難以實時、動態地精準操作和控制；無法智能決策，沒有建立精細養殖模型，決策和處理仍然依靠人的經驗，與實際的需求仍有差距。信息化階段關鍵技術是如何有效采集和運用數據：數據采集網絡通過傳感器、攝像頭、可穿戴工具等設備，實時采集多種狀態信息；數據聯通網絡完成數據信息的互聯互通；在數據信息融合基礎上，決策智能網絡實現智能決策和驅動控制。通過智能決策，能更有效地實現畜禽養殖安全管理。

隨著科學的發展和技術的進步，計算機控制、信息、人工智能等技術越來越廣泛地應用于養豬業中，為實現生豬精準養殖奠定了基礎。從生豬養殖企業來講，當前物價上漲，養殖成本上升，養殖企業需要運用包含先進技術的自動化、智能化設備和信息化、數字化的管理手段，達到降低養殖生產成本，提高生豬附加值和企業養殖效率的目的。

隨著國民經濟的高速增長，肉類消費需求持續增加，同時，因消費理念的轉變與健康意識的增強，高品質肉類產品越來越受到喜愛和追捧。

傳統的養殖模式已無法滿足市場需求和生態文明建設要求，金華豬養殖產業迫切需要引入精準養殖技術及配套的智能化養殖設施，實現金華豬的現代化養殖與管理。

1 國內外研究現狀

1.1 畜禽生長信息采集研究

畜禽養殖管理主要側重養殖過程中的畜禽健康狀態。豬的體尺參數能夠反映豬的生長發育狀況，可作為考察品種繁殖性能的重要評價指標。在種豬選育、肉質評價及飼養管理等方面，豬體體尺也是一個重要指標[5-7]。豬個體信息的采集及數據處理是現代化養殖的重要工作。動物生長參數采集方法可分為接觸式直接測量方法和非接觸式間接測算方法。傳統體尺的測量多采用接觸式直接測量方式，由工作人員直接利用皮尺或者測杖等測量工具進行手工測量。但一些對生產管理或者繁殖能力衡量具有重要意義的豬體信息不易通過直接測量獲得，如豬背部、前后腿和形狀等關鍵考察指標。豬生長信息的另一種獲得手段是模型估算，主要基于測量得到的生豬體長、體高和胸圍等尺寸，構建其與體質量數據之間的相關性來實現的。按上述思路，本文通過建立體尺、體質量、背膘等之間的相關模型，估測金華豬的體質量。

傳統的體尺、體質量、背膘等測量手段，無論采用的是接觸式直接測量法，還是通過經驗模型擬合，在獲取數據的過程中，豬體會導致應激反應。因為兩種不同獲得方式，都需要接觸式直接測量，將生豬放置或者驅趕到秤臺上，與豬體產生接觸，特別是對于育肥期的生豬，其影響更為嚴重，導致生豬的日增質量急劇下降，也違背了動物福利[8-10]。另外，傳統的測量方法操作煩瑣，耗時耗力，且因人工測量，測量結果無法避免地引入了人為誤差，無法實現連續監測。

綜上，非接觸式測量的實現對豬生長發育狀況的監控有著重要的意義；傳統測量方式逐漸被機器視覺和圖像處理技術所取代[11]。

1.2 圖像處理應用研究

養殖場所的畜禽信息收集處理，可區分畜禽個體，并可根據畜禽生長需要實時調節養殖環境。若養殖環境的調節不到位，會引起畜禽的應激等不利于其生長的問題。

隨著現代計算機技術的快速發展，可通過計算機和軟件來完成對圖像信息的高效處理。在生豬生長信息研究方面，獲取的豬視頻、圖像信息包含了其自身對外界環境因素的適應性。通過分析豬生長參數間的相關性，利用計算機視覺技術無接觸地獲取豬體圖像，通過分析數字圖像來獲取豬體長、體高和體寬等體尺參數，獲取其相互關系，進而估算不易直接獲取的生長參數。可減少人為對豬應激，實時連續自動監測，實現其福利養殖，提高豬肉品質。

在圖像處理動物生長信息提取研究中，主要集中在圖像的采集研究、圖像處理研究和模型研究等方面。為了滿足精細養殖的要求，必須實時、高精度獲取動物生長參數。以采集得到的相對標準的圖像為基礎，研究的關鍵在于確立圖像處理算法及模型，該算法和模型可為自動化識別生豬的行為提供理論依據和技術支持。

在生豬生長信息提取的圖像處理算法研究方面，國內外學者已有較多的研究，并取得了較大的進展。MARCHANT等[12]搭建自動采集圖像分析系統，為降低噪聲對豬體圖像處理的影響，改進了豬體輪廓提取算法，預估豬體質量。MINAGWWA H等[13]通過立體投影技術對豬體質量進行預估，通過改變光源的光譜成分，可以增大復雜養殖場環境背景與豬體之間的反差，易于剔除背景信息。WHITE R P等[14]通過單攝像機系統獲取生豬背部尺寸等數據信息，實現可視化分析(visual image analysis，VIA)。

國內開展動物生長圖像處理技術和機器視覺技術研究較少。大多是利用機器視覺技術對靜態圖像進行處理。安露露等[15]用數碼相機采集豬體的圖像，然后進行圖像的預處理，根據標尺來提取豬體高和體長數據，研究了生豬圖像的投影面積和體高與體質量的相關性。由于攝影測量技術的發展，降低了三維測量的成本，體尺測量不再是單純以像素為單位的圖像處理。尹令等[16]、司永勝等[17]利用雙目視覺技術，提取豬體輪廓及其背部區域三維特征點，實現豬體高的測量。但在實際操作過程中發現，生豬的習性及豬場的環境制約了采集圖像的精準度。如何提高圖像的質量，也是未來研究的方向。

總體上，目前我國畜牧業信息化在理論方法上缺乏畜牧物聯網理論，在感知技術上缺乏畜禽智能化信息采集關鍵技術，在智慧管控上缺乏畜禽養殖模型算法、智能設備和大數據決策平臺。同時因傳感技術集成創新不足、畜禽無應激數據獲取手段較少、缺乏多通量專用傳感技術，導致了復雜環境下多特征聯動感知難的問題。在此背景下，科研人員需要開展畜禽養殖動態感知關鍵技術與智能裝備創制及應用研究。

2 技術解決方案

結合現代養豬工藝和金華豬生長習性，以雙目視覺原理為基礎，實驗室實驗與現場測試相結合，在金華豬精準養殖模型的研究基礎上，設計具有身份識別和出入限制等模塊的生豬飼養站，利用視覺豬體視頻圖像采集平臺，采集豬體圖像數據，對金華豬體三維模型進行估算分析。同時通過信息管理系統完成個體豬的身份數據、采食數據和環境數據的收集，并進行實時數據分析，實現疫情的實時防控與監管，有效防控重大疫病。

2.1 智能飼喂設備研究

豬的成長代謝研究主要基于代謝籠的應用。傳統的代謝籠往往設計較為簡單，在監測過程中，生豬的生長周期較長，監測方式單一、低效。

對于豬的代謝監控，需要控制豬的進食及監控豬的排泄；豬的成長監控則需要按規律的時間間隔監控豬的體高、體長；通過喂養的實時監控，得到合理的喂養方式。為了給生豬提供衛生干凈的生活環境，又能保證監測過程的準確性，研究人員設計了豬代謝籠。

金華市農業機械研究所等[18]設計的代謝籠，其籠體內部空間大，豬能夠自由地在帶有稱量功能的籠體中轉頭及活動。籠體的封閉圍欄為實體板，不存在間隙，豬糞不會出現泄漏。豬的糞和尿混合物會掉落到下方的濾尿輸送帶上，實現糞便和尿液分離。尿液落入尿液收集盤中進行稱量，糞便經濾尿輸送帶傳送到糞便收集斗內進行稱量。刮板可將濾尿輸送帶上的糞便完全刮入糞便收集斗內，減少因結構設計導致的數值偏差，能夠更為完全地得出豬的體質量、排泄物、尿液、飼料等多個參數，使后續計算更為科學合理。即便在封閉圍欄上粘有糞便時，打開空氣壓縮機，關閉水泵，利用壓縮氣體，將封閉圍欄上的糞便吹到濾尿輸送帶上，可將殘留的糞便計入統計數據中，有效減少實驗誤差。使用完畢后，打開水泵，關閉空氣壓縮機，對封閉圍欄進行清洗，減輕工作人員的清掃壓力。通過位移傳感器采集伺服電機的位移信號，經其輸出端傳遞給PLC控制器進行分析處理。當位移信號超過PLC控制器設定的極限值，則PLC控制器對警報器發出警報聲指令，可防止膠帶或電機軸磨損加劇，保護設備正常運行，降低故障率。

2.2 豬只體尺測量技術

通過數字攝像機獲取豬的圖像數據，但攝像頭設置在養殖場內，其環境復雜，單深度攝像頭掃描范圍和角度有限，無法全面地獲得準確的數據。

結合養殖場的數據采集場景，劉同海[11]提出雙深度攝像頭外標定矩陣獲取的方法，其雙視角豬體表點云數據獲取系統的硬件部分由計算機、雙深度攝像頭固定機構和兩個深度相機組成。利用該系統的雙深度攝像頭固定機構，可通過調整雙深度攝像頭的距離和角度，使深度相機視野聚焦在公共區域范圍內，公共區域的范圍可根據所采集的豬體目標進行調整。利用兩個深度相機分別采集一幀場景點云數據，對數據進行直通濾波后，利用雙深度攝像頭的外標定矩陣，實現實時獲取的場景點云數據的配準，使這兩組點云數據處于統一的坐標系下。

在PCL點云庫(point cloud library，PCL)的基礎上，王可等[19]利用一種基于點云旋轉歸一化的豬體體尺測點的提取方法，通過旋轉歸一化將豬體點云歸一到全局坐標系，然后利用體尺測點的集合特征和測點間的結構關系，提取體長、體寬和體高等體尺測點。由此通過深度相機，可實現非接觸方式獲取豬體體尺的深度信息。

利用上述體尺的測量方法，根據金華豬的特殊外形體色，在頭部和尾部兩處，調節光源的光譜成分以提高豬體輪廓的準確性，然后測量金華豬的體尺，為體質量估算及生豬的精準飼養提供數據基礎。

2.3 估測豬體質量技術

傳統的豬只體質量測量也分為接觸式和無接觸式兩種技術。接觸式是通過磅秤、電子秤等測量手段獲得體質量數值，若豬體尺測量相似，整個過程費時費力，豬的應激反應大，致使稱量后采食量和采食次數都會降低，影響生豬生產質量[20]。

鑒于沒有較好的體質量測量方法，研究人員開始通過其他方式獲得豬體質量，如采用體尺來進行體質量預估。DOESCHL-WILSON A B等[21]為了研究豬生長過程中在體尺、體質量方面的變化規律，利用VIA系統連續監測了豬體背部包括體長、體寬和體高等參數，并建立這些體尺參數及體質量與時間的關系模型來描述豬生長變化過程。周彤等[22]依據6月齡約克豬的體質量和體尺數據，利用逐步回歸分析方法建立了多元回歸數學模型，如式(1)所示，其相關系數達到0.956 1。

y=-155.29+0.223 6x1+1.145 8x2+0.947 2x3+0.700 7x4

(1)

式中y——體質量

x1——體長

x2——體高

x3——胸圍

x4——腿圍

利用豬只的體尺估測出其體質量雖然可行，但存在個體差異。不同品種豬的體尺估算和體質量模型無法完全通用，需要針對性地進行修正。在金華豬體質量測量上，利用上述公式進行修正，得到了數值接近的體質量估值，為精準飼養管理提供了基礎數據。

2.4 數字化管理技術

在飼料資源總體短缺、畜禽健康問題突出的困境下，利用感知技術與智能裝置，對豬場內的環境監測、精準飼喂、自動飲水等進行識別，同時基于豬生長習性及豬舍實際環境狀況，結合圖像處理技術，利用雙視角技術、優化圖像分割等關鍵算法，構建豬個體三維模型，提取胸圍、體長和體高等數據，構建體尺和體質量之間的估算模型。基于雙視角技術的金華豬體表點云數據獲取系統的穩定性及構建模型的可行性，將金華豬個體關鍵數據用于實際生產需要，有助于養殖場的實時控制、精確管理和科學決策。

與傳統的飼喂方式相比，智能飼喂設備有節省勞動成本、減少飼料運輸過程污染、減少飼料浪費、提高精準飼喂管理水平等優點。利用傳感器、攝像頭等采集豬的視頻、圖像，結合豬的行為學特征，為每一頭金華豬建立個體檔案，對豬的行為特征、進食特征、料肉比等進行綜合全面分析，為智能建模提供更多的依據。

由于國內非洲豬瘟的影響，養殖場對衛生環境要求嚴格，嚴格控制進出人員，非接觸提取豬體尺數據和體質量構建模型的運用極具應用價值和實際意義。

3 結束語

我國養豬業正處在轉型升級的關鍵時期，環境壓力增加、資源約束趨緊、疫情風險巨大等問題日趨顯現。為了改善養殖產業的大環境，近年來，浙江省陸續出臺關于加快畜牧業機械化發展和轉型升級等重大決策部署，強化農牧業融合，推進畜牧業“機器換人”進程。

當前規模養豬蓬勃發展，管理也成為制約因素，在此大背景下發展精準養豬適合我國國情。養殖生產和效益的提高靠管理，而精準管理則需要有效數據的支持。

采用智能技術、融合設備與設施，對傳統的養豬模式、過程及關鍵飼養環節進行改進或替代，特別是通過工程化的設施，實現養豬過程環境參數及個體體況等信息的智能化感知、養殖環境的智能化控制，養殖數據信息的自動化采集與智能處理。由此大幅降低養殖過程勞動力投入，最終實現養豬環境的最優化、投入品的減量化、養分轉化的最大化，全面提升集約化生產條件下生豬健康水平及養豬效益。

針對金華豬的精準養殖與管理技術的研究，可以有效促進金華豬的規模化養殖及產業化發展，顯著提高經濟效益、社會效益及生態效益，其肉質及口感迎合人們對高品質豬肉的消費需求，必能帶動更多養殖戶投入到金華豬的精準養殖中來。

精準養殖設施及信息管理系統具有通用性，可用于其他畜禽養殖，市場前景廣闊。