北京地區家畜養殖數字化現狀

楊 亮，張 帆，王 輝，熊本海

中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193

0 引言

農業正在由傳統的機械化農業向以數字要素為基礎的智慧農業邁進，數字農業是伴隨網絡化、信息化和數字化在農業經濟發展中的應用，是農民信息化技能的提高而內生的農業現代化發展和轉型進程，是農業生產要素、農業經營管理過程的數字化。以農業互聯網、農業大數據、精準農業、智慧農業、人工智能為代表的數字農業技術已被廣泛應用在農業領域。加快推進數字農業建設既是補齊農業現代化短板的重要舉措，也是深入貫徹新發展理念、加快構建新發展格局的關鍵一環。大力發展數字農業，是推動鄉村振興，建設數字中國的重要組成部分。北京市堅持問題導向，不斷夯實數字農業基礎支撐，持續推進數字技術與生產經營的深度融合，全面提升農民數字化素養與技能，全面引領農業數字化轉型，實現數字賦能農業高質量發展，為建設全球數字經濟標桿城市提供動力和支撐。

數字化養殖技術指的是運用現代數字技術，建立高效的電子養殖系統[1]。在規模化、集約化養殖模式下，運用大數據、人工智能、物聯網技術是實現數字化養殖的基礎。在此過程中，需要考慮動物個體及所處生理階段的不同需求，構建的數字化養殖體系需要具有全面性，最大限度保障動物的健康和生產性能。家畜數字化養殖主要包括養殖環境、養殖過程和養殖管理等環節，數字化在牧場上的應用包含個體身份識別、營養精準供給、發情與疾病監測、稱重與分群、數字化擠奶、環境精準監控、人員管控、網絡化視頻監控、數據信息共享等。數字化養殖可以提高家畜養殖的生產效率，提高養殖企業的管理效率。家畜養殖是現代農業的重要組成部分，是農業現代化的標志性產業，也是京郊都市型農業的重點產業。北京作為都市奶牛養殖業的典型代表，具有顯著的帶動周邊區域的效應。北京現有存欄奶牛5.2 萬頭，存欄生豬32.6 萬頭，規模呈現下降趨勢，如何保障畜產品的穩定供應顯得尤為重要。

1 養殖環境數字化

隨著家畜養殖向集約化、規模化的快速發展，為家畜提供舒適的生長環境，應用數字化環控系統的重要性凸顯。數字化環控系統通過數據化模式向養殖者提供養殖場的環境數據，根據預設的環境閾值自動執行相關設備的運轉，保障家畜處于健康的養殖環境。數字化環控系統的應用可以提高家畜的存活率，減少熱應激癥狀等，增加養殖企業的收益。

奶牛生產的最適宜溫度是5~25 ℃，當環境溫度高于35 ℃、相對濕度高于80%時，奶牛會出現明顯的熱應激癥狀，表現為呼吸頻率加快，采食量下降，反芻時間減少，唾液分泌量減少，瘤胃pH值降低，產奶量下降。北京地區屬于華北地區，7、8月是每年最熱的月份，最高溫度達到40 ℃，由于熱應激導致的北京地區奶牛場日產奶量下降3 kg以上的占比達37.1%[2]，奶牛的熱應激反應較為嚴重，炎熱的夏季對泌乳牛是嚴峻的考驗。調研發現，北京地區奶牛場夏季常用的降溫方法是使用風扇、遮陽網和噴淋等。其中，噴淋、遮陽網相比風扇更能減少夏季熱應激對奶牛產奶量的影響。噴淋是比較流行的夏季降溫措施，噴淋裝置安裝和使用比較方便，降溫效果較好。養殖場正確使用噴淋能有效降低熱應激水平，減小產奶量降幅；不使用噴淋的養殖場，高產牛群的產奶量降幅高于低產牛群。養殖場噴淋設備的自動化程度與牛場規模直接相關，近50%的規模化奶牛場應用了能夠自動噴淋處理的環境監控系統。該系統實時監測養殖場的環境溫度，當溫度超出閾值時，系統自動啟動噴淋設施，實現養殖環境的智能化控制。家庭農場等部分小規模養殖場，還依靠人工手動控制模式進行噴淋操作，沒有環境自動監測及控制設施。

2018年暴發的非洲豬瘟，對生豬產業帶來巨大的影響，養殖企業深受其害。非洲豬瘟病毒傳播速度快，傳播途徑多。養殖環境中的應激因素是疾病發生的主要誘因，良好的設施環境是豬只健康生長的重要保障。針對不同類型的豬只，養殖場設定了對應的最適宜溫度，例如對于新生仔豬，環境控制箱會自動調節電熱板的啟停，保證環境溫度在32.3~37.8 ℃區間，滿足新生仔豬的需求。針對豬舍中存在的有害氣體，環境控制系統中配置有傳感器，檢測環境中氣體濃度，當有害氣體值超出閾值時，就會自動啟動風機等設備，保證豬只的健康生長環境。整體上，由于非洲豬瘟的影響，北京地區的養豬場均配備了智能化的環境控制系統，實現了養殖環境的數字化管理。

2 養殖過程數字化

家畜養殖過程的數字化管理尤為重要，直接影響養殖場管理分析的準確性，需要重點關注。數字化對于提高養殖場管理效率、及時發現生產問題、減少人力成本、提高經濟效益發揮著重要的作用，需要引起養殖企業的高度重視。

2.1 個體信息感知

家畜個體信息感知是現代畜牧業發展的基礎，通過感知家畜個體信息，實現家畜生長及生理信息的監測，是實現家畜養殖過程數字化管理的前提[3]。隨著人工智能技術的快速發展，機器視覺、深度學習等技術逐漸應用到家畜養殖中，明顯提高了養殖場的生產效率。奶牛的體溫、活動量、反芻行為等信息直接與奶牛的健康狀況相關，實現對上述信息的及時監測，構建奶牛生理、生長及健康模型，為奶牛的福利化健康養殖提供技術支撐[4]。

傳統人工觀察家畜發情的方法存在著工作量大、檢出效率低，不易發現夜間家畜發情等弊端，導致錯過家畜的最佳配種時間，影響養殖場的經濟效益。數字化檢測奶牛發情方法提高了奶牛發情檢出率[5]，特別是非接觸式發情檢測技術及裝置，減少對家畜的傷害，提高了家畜養殖的現代化水平。調研發現，北京地區家畜養殖過程中，SCR項圈被廣泛應用于養殖場的數千頭奶牛，使養殖場的管理更信息化、智能化，給養殖場的生產經營帶來了積極影響。在養殖過程中，由于反芻問題而導致的奶牛產奶量下降通常在2~3 天后反映出來，會影響到奶牛這段時間的產奶量。SCR項圈具有監測奶牛反芻的功能，牛場管理者應用此功能，在2 h內就能發現問題，進而及時處理以避免產奶量下降帶來的損失。SCR項圈還具有監測奶牛發情的功能，內置的微型電子磁力系統芯片能夠精確的監測到奶牛發情情況，實現養殖場對牛只的全天候實時監控。SCR項圈具有監測奶牛活動的功能，每20 min收集1 次數據，每2 h傳輸到遠程服務器，數據經過自動處理后，呈現在養殖場管理的應用設備上。

計步器也廣泛應用在家畜的信息感知方面。計步器可以監測家畜的運動量、體溫等基礎健康數據；讀取每頭牛的產奶量，實現奶量數據的識別與自動上傳；利用自然發情揭發技術，監測奶牛是否進入發情期，指導工作人員了解最佳配種時間，提高受胎率，提高生產效率。調研發現，牛場使用的計步器主要從國外進口，存在著成本較高的問題，不利于進行大規模應用。

奶牛養殖過程中，產后保健對奶牛的健康至關重要，可以提高奶牛的受胎率，縮短奶牛胎間距，提高奶牛繁殖率[6]。調研發現，家畜養殖過程中的產后疾病以預防為主治療為輔，如果通過信息感知技術，及時監測家畜的生理狀況，出現健康問題時做到早發現、早治療尤為重要。北京地區針對奶牛產后的繁殖保健主要以人工監測產后母牛生殖器官為重點，進行生殖系統疾病的全面監控，先進的數字化技術應用較少。針對產后鈣流失引起的產乳熱等癥狀，Wang等[7]應用對鈣離子特異性較高的DNA酶制備半導體生物傳感器，并與鉛離子生物傳感器聯用，構建了干擾解析模型，可以大幅提高鈣離子的檢測精度，為更高精度檢測牛奶和水中鈣離子含量提供了一種新方法。

2.2 個體精準飼喂

飼料成本占奶牛養殖成本的70%，是決定奶牛場養殖效益的關鍵因素[8]。如何在滿足奶牛營養需要的前提下，實現奶牛的精準營養供給與智能飼喂，顯得尤為重要。飼料作為營養物質的載體[9]，科學調控其投入和產出的關系，實現對家畜所需營養物質的最佳供給量，離不開數字化技術及裝備的應用。調研發現，北京地區養殖場應用精準飼喂設備的比例較低，特別是中小規模養殖場，主要依賴傳統的人工飼喂模式，對飼料的投入量、家畜個體的采食量等信息缺失，極易造成飼料的浪費。

在飼料配置方面，主要采用傳統的人工稱重配制模式。精料在場內自行配制，經過固定臥式TMR攪拌機攪拌后，應用三輪撒料車到牛舍進行投喂。上述方式缺少飼料制作過程的監控設施，無法對飼料制作的準確度、制作量、制作時間及剩料量進行記錄監測。養殖場也缺乏家畜飼料原料質量檢測、配置飼料質量的檢測設施。為此，亟需運用數字化技術，建設現代化的養殖場數字飼喂系統，實現對飼料制作過程中加料種類、加料量、投喂圈舍、投喂量的智能提示，實現實際加料量與投喂量、剩料的科學記錄，及時監測制作飼料準確度、用料量、圈舍家畜采食量，為提高養殖場生產和管理水平提供支撐。

2.3 生產性能測定

奶牛生產性能測定（Dairy Herd Improvement，DHI）是對牛群進行遺傳改良、建立高產核心群、選育優秀種公牛，調控奶牛生產、實現牛群的規范化管理，調整飼料配方和喂量、減少浪費，開展常見病預防、實現安全生產，提高牛奶質量，提供高質量原料奶，進而提高經濟效益的最為重要的必要性、基礎性工作。DHI技術作為養殖場數據監控的重要手段，集數據采集、系譜追溯、群體改良、精準飼喂于一體的綜合性管控技術，是現代化奶牛管控的主要抓手[10]，其工作開展的好壞，直接關系著奶業的正常健康發展。

中國DHI技術從1992年發展至今，已有30年的歷程。測定的指標包括每頭牛的日產奶量、乳脂率、乳蛋白率、泌乳天數、泌乳持續力、脂蛋白比、體細胞數、高峰奶量、高峰日等指標，對掌握每頭牛的健康情況非常有幫助。針對產奶量、高峰奶等數據進行評估，可以及時調整圍產期和新產牛的管理，監測及淘汰低產奶牛。

調研發現，北京地區養殖場根據報告對奶牛進行及時診治，通常會把報告中產奶量排名后10%的奶牛及時淘汰掉。隨著月份的變化，奶牛產奶量和乳成分的變化規律比較穩定[11]，當4月天氣回暖，產奶量連續3個月小幅度上升，當7月溫度較高，引起奶牛的熱應激導致產奶量回落。隨著日產奶量的提升，會稀釋乳汁、乳蛋白在單位體積內的含量，乳成分及體細胞數呈現出下降趨勢。隨著奶牛胎次的增加，日產奶量相應增加，其中高峰奶在三胎牛的數值最高；體細胞數相應提高，主要是由于奶牛的乳房功能出現衰減，乳房下墜后更易與地面發生接觸，導致乳房細菌微生物數量明顯上升。存在的問題主要是養殖場工作人員的專業知識較差，無法對返回的DHI數據進行專業分析，還需要加強對養殖場工作人員的專業培訓。

3 養殖管理數字化

隨著家畜養殖規模的增加，管理難度相應增加，養殖管理的數字化需求更為迫切，亟需實行精細化管理，達到最大限度的規模效益。在人員管控方面，規模化養殖場管控比較規范，有配套的人員管理系統及網絡化視頻監控系統，有利于管理人員及時掌控及查詢養殖場內狀況。家庭農場等較小規模養殖場，固定工作人員較少，部分養殖員對數字化管理系統和設備的使用能力較為欠缺，易出現操作失誤引起信息丟失、設備故障甚至系統癱瘓，難以發揮數字化養殖的最大效用，甚至對養殖場帶來經濟損失。為此，需要組織固定人員參加專業培訓，熟悉所負責工作場景的管控及監測設備，提高規范操作與信息化水平。在數據信息共享方面，養殖場技術人員查詢家畜信息時，一般需要到臺式機上進行操作，缺乏移動式查詢設備。如果能實現對所有數據的快速統一自動分析并做出提示，可以方便管理者準確、及時做出應對措施。

4 展望

首先，政策支持是關鍵。近年來，北京地區養殖場不斷受到來自城建、環評等方面的多重壓力，特別是隨著飼料成本的居高不下，大豆粕5 500 元/噸，玉米3 000 元/噸，而奶價只有3.8 元/kg，養殖場面臨著持續虧損。在如此重壓之下，養殖場的基礎設施維護更加困難，造成嚴重的經營受限，只能不斷縮小養殖規模，甚至打算去外地發展，導致北京地區家畜存欄量處在的較低水平，對北京畜牧業發展將帶來非常不利的影響。以北京市三石奶牛場為例，該場擁有多年的養殖經驗和場地基礎，養殖場現有土地可以養殖1 000~1 500 頭奶牛，牛場周圍有大量耕地，有利于糞污的就地還田，現實情況是場內只養殖了400 多頭奶牛，造成了嚴重的資源閑置與浪費，亟需政府出臺相應的政策和資金的支持，建立健全農業金融信貸體系，鼓勵養殖場擴大規模，發展壯大北京地區養殖業。

其次，過程管理是重點。大力促進養殖場應用信息化管理系統，具有實時的指標預警、全面的問題分析與挖掘、詳盡的指標注釋等特色功能，引進高端擠奶機以及發情監測、精準飼喂等智能化設備。為養殖場生產繁育工作提供一種科學、高效的管理工具，助力養殖業的數字化轉型升級，提高養殖場的智能化和裝備化水平。建立育種中心、飼料化驗室、分子生物學實驗室等多個檢測部門，提升對重大疫病的防控及監測能力。建立可追溯系統，實現從源頭到餐桌的全程質量監控，真正讓消費者放心。

最后，技術創新是手段。不斷進行技術創新，在環境監測與調控方面，養殖場需要引進先進的無損監測技術獲取養殖環境的主要信息，自動化控制養殖場內溫度、濕度、通風、采光等，改善家畜生長環境、提升動物福利、增加經濟效益。在家畜關鍵生理、生長信息感知方面，應用非接觸式傳感器技術，避免引起家畜的應激反應，例如應用熱紅外成像技術作為非侵入式方法來直觀表現出家畜不同部位的體表溫度與差異；使用機器視覺技術構建動物體尺與體重的強相關性，實現體重估測；使用傳感器監測家畜的采食、飲水行為；根據奶牛發情的爬跨行為特征，開發基于卷積神經網絡的奶牛發情行為識別方法，實現無接觸實時監測，提高對奶牛發情行為的識別率，提高規模化奶牛養殖的管理效率。

數字化是畜牧業現代化的必然趨勢，在“雙循環”戰略格局下，利用現代信息技術對畜牧業進行轉型升級，實現由粗放到精細、由低效到高效的高質量發展尤為重要。養殖場向數字化、智能化轉型是未來發展的必然趨勢，信息感知和數字化管理等技術在生產中發揮著重要作用。北京地區養殖場亟需針對實際生產需求進行深入探索與持續發展，大力推廣現代信息技術與智能化裝備在家畜養殖領域的發展應用，加快轉型效率，提升養殖水平，增加養殖經濟效益，真正實現北京地區家畜養殖業的高質量發展。