畜禽養殖環境智能控制系統發展現狀及存在的問題

羅堅強，金 松，王 姣，柴文嫻，李榮杰，龍衛麗

（1.常州市動物疫病預防控制中心，江蘇常州 213000；2.常州市四季禽業有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著我國畜牧業的發展，畜禽養殖防疫、環保等要求不斷提升，規模養殖比例不斷提高，標準化、智能化成為各先進養殖企業追求的目標。同時，隨著網聯網和信息技術的發展，萬物互聯、云端控制等技術迸發出強大的生命力，快速融入和重塑各傳統行業。在此潮流下，畜禽養殖環境智能控制已成為畜禽養殖高質量、精細化發展的重要方向。禽舍的環境智能控制的主要內容就是智能化地控制溫度、調節濕度、改善空氣質量及適當增加光照等。通過智能控制系統改善畜禽生存環境，以減少應激，增強畜禽的抗病力，力爭少用或不用藥從源頭上保障了禽肉蛋類食品的安全性，同時降低人工成本、提升管理水平，獲取企業競爭優勢[1]。

1 畜禽養殖環境智能控制系統簡介

畜禽養殖環境智能控制系統一般包含各類傳感器、控制柜、服務器、電腦PC端、網頁和手機App端[2]。傳感器一般由溫濕度傳感器、光照傳感器、NH3傳感器、CO2傳感器等，主要負責相關數據的監控和采集；控制柜在分析傳感數據信息的基礎上，通過智能算法完成對畜禽舍內的風機、濕簾、熱風爐、照明燈等的智能調控；服務器用于采集數據的信息化傳輸與交互，包括與下端的各控制柜、上端的云數據庫進行實時通訊，以及數據存儲；電腦PC端主要用于養殖場內的人機交互；網頁和手機App端則是用于遠程監控和一定權限的遠程控制。其主要目的是根據畜禽生長的最佳環境要求，智能地控制溫度、調節濕度、優化空氣質量和補充光照等。

2 國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

1950年代開始，國外畜禽養殖業逐步向集約標準化過渡，畜禽環境監控系統開發則在上世紀70年代起步。目前，在荷蘭、美國、日本和以色列等發達國家，智能化的環境控制系統，已經普遍在現代化養殖場中應用。有些先進的智能控制系統，甚至整合了投喂料系統、疫病診斷、畜禽污染物產生管理等功能，組成了智能養殖管理系統。

2.2 國內發展現狀

國內相關技術的研發主要集中于2000年以后，涉及畜禽環境測量與監控、單一指標的監控和干預、多指標控制策略研究、硬件開發與系統組建等各方面，側重于技術研發和驗證。與國外差距主要在系統的集成度、商品化程度、行業滲透率等方面，與大規模推廣所需的安全性、可靠性、適應性還有一段距離。

2.3 目前技術研發熱點

一是研發新型的傳感器，趨向于集成度更高、能耗更低、精度更高、抗干擾能力更強，以及更準確反映畜禽舍內環境指標動態狀況的傳感器布局體系；二是畜禽舍內環境指標變化的模擬與預測，在環境指標監測的基礎上，利用流體動力學、神經網絡技術等方法，進一步掌握各指標變化規律，提前預測環境變化趨勢，為之后的環境控制的精準調節提供支撐；三是環境智能控制策略的優化，達到降低能耗和穩定控制環境指標的目的，目前研究集中于PID控制、模糊控制等控制策略的研究。

3 畜禽養殖環境智能控制系統應用優勢

3.1 提升養殖效益的重要選項

近年來，隨著畜禽養殖水平的不斷提高，規模化養殖場的料肉比、產蛋率、死淘率等生產性能指標與先進國家差距逐步縮小，品種改良、管理提升、飼料配方改進等方式呈現邊際效應遞減，技術難度增大，在此背景下，通過引進畜禽養殖環境智能控制系統，穩定提升畜禽生產性能，已越過成本收益平衡點。經估算，一棟養殖量在8 000羽左右父母代肉種雞場，在扣除各項成本后，使用畜禽養殖環境智能控制系統能凈增收15萬元以上。

3.2 保障畜禽產品質量的重要手段

畜禽養殖環境智能控制系統能有效控制畜禽舍內有害氣體濃度，能大幅減少畜禽呼吸系統、眼鼻粘膜刺激，減少相關疾病的發生；而適宜的溫濕度，能增加畜禽采食，促進生長，減少腹水、細菌感染、關節病變等狀況發生。抵抗力的提高，疾病的減少，最終降低了抗生素等藥物的使用，提升了成活率和成品率，保障了產品的品質，也節約了藥物費用支出。

3.3 動物福利的需要

隨著人類文明進步、物質的豐富、以及人與自然關系認識的變遷，人們在獲取食物時，在重視食物的數量、質量、口感等基礎上，逐步開始重視食物獲取的方式、途徑，檢視相關方式途徑是否滿足人類感官和心理的要求，部分國家甚至立法，將動物福利作為畜禽生產的必要條件。畜禽養殖環境智能控制系統在生產環節當然是比較符合動物福利要求的。在我國，雖然尚無動物福利法規，但也可作為產品差異化的一部分，影響中高端客戶的選擇。

4 存在的問題

4.1 初次建設門檻較高

畜禽養殖環境智能控制系統的建設涉及機電、信息化、軟件等多學科，與原有的傳統養殖業關聯性不大。除大型集團化養殖企業外，一般養殖企業無相關人員技術儲備，可以說是全新領域。一套系統引進需要核算成本收益、人員配備、維護保養等一系列問題。同時，目前市場能提供成熟產品和服務的供應商不多。對大型企業集團，可以組建專門的智能化部門進行研發和裝備；但對大部門養殖企業，一般采用初期成套軟硬件引進和現有設施改造，加上后期運行調試的方式，存在一定的風險和門檻，建成后的效果難以保證。

4.2 無統一的建設技術標準

畜禽養殖環境控制系統雖經多年發展研制，并在各類養殖企業使用，但目前尚無相關建設技術標準，導致研制使用的各類系統粗看大同小異，細看千奇百怪，系統集成度、智能化程度參差不齊。建設技術標準缺失，阻礙了環境智能控制系統的普及應用，有必要針對不同畜禽種類、系統布局設置、傳輸接口、網絡安全、容錯機制等方面設置基本的技術要求。

4.3 技術研發仍有短板

首先，畜禽養殖高濕高粉塵的環境，對精密部件的長時間持續運行是很大的挑戰。如畜禽舍內的各類傳感器，短時間內就會積滿灰塵，嚴重影響數據監測的靈敏性和準確性，而在傳感器外部加裝防塵罩等，則會阻礙空氣流動，同樣導致監測數據滯后和不準。其次，需要針對不同的畜禽種類，完善多環境因子的耦合關系和動態變化機理進行研究，建立多環境因子與關鍵驅動因子的精準動態模型，優化智能控制策略，降低使用成本。

4.4 現有人員可能難以勝任關鍵管理崗位

環境智能控制系統的使用，一方面減少的一線人員的數量，同時也使得風險管理的責任集中。從多人多設備的機械操控到無人多設備的智能控制，從人工巡查到有限的人工干預，系統控制等關鍵崗位責任重大，需要熟悉系統運行、畜禽養殖技術、緊急情況的處置等方方面面，人員素質要求很高。特別是冬夏季節，系統負載高，出現系統故障時不能及時正確處置，可能導致巨大經濟損失。而為了降低風險，增加人員現場巡查和使用另一套儀表作為數據比對，則與智能化方向違背，增效的目標將大打折扣。

5 下一步發展方向

5.1 畜禽環境智能控制系統技術研發要更加系統化

整合前期硬件選擇、軟件研發、環境因子數據采集的成果，與生產實際結合，研發不同季節、不同畜禽種類和日齡相關的環境多因子調控的優化策略，同時在畜禽舍設計、建造方面提出優化方案。

5.2 加快推進畜禽環境智能控制系統的商業化進程

商業化是環境智能控制系統推廣使用的重要前提，也是目前國內與國際差距的一個重要方面。我認為當前商業化的路徑：一是社會資本與科研院所技術結合孵化；二是養殖業龍頭企業智能化部門轉變為智能控制系統生產商。

5.3 加快推進畜禽環境智能控制系統建設標準制定

建設標準的制定，有利于軟硬件的開發，方便養殖企業投資引進，提升設計研發效率，從整體上降低社會成本。標準的制定，需要有關部門或協會牽頭，從現有方案中比較研究，兼顧現狀與未來發展。

5.4 提升畜禽環境智能控制系統的可靠性

相對于畜禽環境智能控制系統應用帶來的收益，養殖企業也憂慮系統的不穩定帶來的損失。一般的系統都會加裝報警系統，用于舍內環境指標在系統控制情況下仍偏離設定范圍的提醒但理論上不能排除指標偏離而不報警的可能。在系統建設的初期，可考慮增加獨立的環境主要指標監控器或舍內畜禽行為監視器，作為環境控制的參考。

5.5 加強復合型人才培養

信息化、自動化與畜牧養殖專業間的跨度，體現了畜禽環境智能控制系統在研發與應用上的難度。高等院校特別是農業院校，要加強專業復合人才培養，以適應未來的信息化、自動化時代。