信息化技術(shù)在生豬養(yǎng)殖中的應(yīng)用現(xiàn)狀與分析

劉 怡 ，劉瑩瑩 ，李華麗 ，肖 毅

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與智能科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省畜牧獸醫(yī)研究所，湖南 長沙 410131）

中國養(yǎng)豬業(yè)一直以來都扮演著滿足國內(nèi)肉類需求的重要角色，然而，隨著人口的增長和生活水平的提高，對高質(zhì)量、高效率、可持續(xù)性養(yǎng)殖的需求也在不斷增加。現(xiàn)階段中國的養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，互聯(lián)網(wǎng)，云計算、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫等新一代信息技術(shù)逐漸滲透到新的養(yǎng)殖模式中，實現(xiàn)了實時監(jiān)測、精細化管理和智能化決策，為養(yǎng)殖從業(yè)者提供了更多的機會來了解和滿足養(yǎng)豬的需求，提高生產(chǎn)效率，減少浪費，以及更好地適應(yīng)市場變化。本文探討智能化與數(shù)字化管理技術(shù)在飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的應(yīng)用與發(fā)展，從種豬管理、母豬管理生豬管理以及環(huán)境控制等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)陙淼难芯窟M行綜述。本文將簡單介紹這些技術(shù)在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用，以及它們?nèi)绾胃纳起B(yǎng)殖效率、動物福利和環(huán)境可持續(xù)性。通過深入研究這些領(lǐng)域，希望為養(yǎng)殖業(yè)提供更多的見解，促進智能化與數(shù)字化管理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以升豬場的整體管理水平、降低養(yǎng)豬企業(yè)管理成本，滿足不斷增長的食品需求并實現(xiàn)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 智能化管理技術(shù)

1.1 種豬管理

飼養(yǎng)種公豬的目的是為了提供優(yōu)質(zhì)的精液，高效傳遞優(yōu)秀基因，提高育種效率。種公豬的精細飼養(yǎng)，是提高種豬生產(chǎn)力的關(guān)鍵和保證。實際上在飼養(yǎng)過程中由于管理不當存在著疾病增多，公豬過瘦或過胖，性欲下降，精液質(zhì)量差等問題。

精液質(zhì)量是衡量公豬種用的重要指標，也是實現(xiàn)母豬發(fā)情期受胎的重要元素。趙鵬將CASA-型系統(tǒng)應(yīng)用于公豬精液質(zhì)量監(jiān)測中，結(jié)果顯示豬精液常溫保存48 h 前， 與國家種豬常溫精液質(zhì)量標準校對，對精子活力、直線前進運動精子數(shù)的檢測結(jié)果差異不顯著。陳濤等指出利用生物微流芯片技術(shù)的精液質(zhì)量檢測智能化設(shè)備，可實現(xiàn)精液的快速檢測，從而建立公豬精液的可追溯系統(tǒng)，而通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)公豬站精液生產(chǎn)和質(zhì)量控制過程中數(shù)據(jù)的自動采集、統(tǒng)計分析和輸出。

種豬生長性能預(yù)測是畜牧業(yè)中的關(guān)鍵工具，通過收集、分析和預(yù)測豬的生長數(shù)據(jù)。幫助養(yǎng)殖者提高生產(chǎn)效率、資源利用率預(yù)防疾病，進行遺傳改良，以及增強養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)性。通過科技和數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用，豬只生長性能預(yù)測在現(xiàn)代畜牧業(yè)中扮演著不可或缺的角色，有助于實現(xiàn)更高產(chǎn)、更健康和更可持續(xù)的豬肉生產(chǎn)。施洋劍基于深度學(xué)習(xí)設(shè)計了一個種豬生長預(yù)測云平臺，提高畜牧業(yè)中種豬育種的效率。該平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動收集種豬生長數(shù)據(jù)，通過深度學(xué)習(xí)模型（GRU、LSTM 和線性回歸）實現(xiàn)生長性能預(yù)測。數(shù)據(jù)存儲采用遠程字典服務(wù)（Redis）和MySQL。經(jīng)實驗驗證，GRU 和LSTM 模型的預(yù)測效果較線性回歸模型更好，為種豬育種行業(yè)提供了更高效的管理和決策工具。陳櫟等使用機器學(xué)習(xí)模型對豬的生長性狀和全基因組估計育種值（GEBV）進行預(yù)測，并比較了深度學(xué)習(xí)（DL）、隨機森林（RF）、梯度提升機（GBM）和極致梯度提升（XGB）四種不同模型的性能。結(jié)果顯示，機器學(xué)習(xí)模型對GEBV 的估計準確性優(yōu)于性狀表型。在不同性狀的GEBV 預(yù)測中GBM表現(xiàn)最佳，而在性狀表型預(yù)測方面，GBM 和深度學(xué)習(xí)效果較好。綜合考慮模型準確性和訓(xùn)練時間，研究建議在豬基因組評估中優(yōu)先考慮GBM模型。

1.2 母豬管理

母豬的飼養(yǎng)管理在現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)中具有重要的意義，智能化管理和精準的發(fā)情檢測技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進展。

對于妊娠母豬的定量飼喂問題，楊亮等人基于射頻識別技術(shù)（RFID）和接近傳感技術(shù)以和全機械通道連鎖控制技術(shù)，設(shè)計了一種妊娠母豬自動化飼喂器，該系統(tǒng)可按預(yù)定的目標給母豬提供足夠的養(yǎng)分，保持母豬的健康發(fā)育，也減少了飼料的浪費。黃昊等基于嵌入式Linux，設(shè)計了一種智能化母豬飼喂控制系統(tǒng)，使用硬件設(shè)備對母豬進行信息采集，定時定量下料下水，并控制裝置中豬只的數(shù)量，再通過軟件調(diào)用輕型數(shù)據(jù)庫（SQlite-API）完成與后臺的實時數(shù)據(jù)同步，實現(xiàn)精細化飼喂，試驗表明誤差小于3.6%，下水誤差小于3.75%。Cheng 等利用智能母豬飼喂結(jié)合基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)了精準飼喂系統(tǒng)，提出了一種改進的模式匹配算法重用度模型-RETE（RDM-RETE）用于確定每日喂食量，通過優(yōu)化RETE 網(wǎng)絡(luò)拓撲來加快推理速度。哺乳期采食量比人工喂養(yǎng)提高26.84%（P＜0.05）。每頭母豬每年斷奶仔豬數(shù)（PSY）比國內(nèi)養(yǎng)豬場較高水平可提高1.51 頭。

精準檢測發(fā)情對預(yù)測最佳授精時刻至關(guān)重要，提高受精率，減少受精次數(shù)。張震基于機器視覺，利用Mask RCNN 改進的輪廓識別模型和ViBe 輪廓識別算法，對豬只發(fā)情情況進行實時監(jiān)測，并與專業(yè)人員人眼觀察做比對，證實了智能發(fā)情檢測可以替代人眼觀察。莊宴榕等提出了一種利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別大白母豬發(fā)情行為的方法，通過建立Alex Net Sow Simplif ied 模型，并訓(xùn)練耳部圖像，成功實現(xiàn)了高達99%的驗證準確率。該方法相較于傳統(tǒng)圖像分類模型表現(xiàn)更出色，在實際應(yīng)用中對60 頭大白母豬的發(fā)情判定取得了100%的精確率，同時相比基于紅外傳感器和加速度傳感器的發(fā)情檢測方法，具有明顯的準確率提升和更短的檢測時間，為母豬發(fā)情行為的智能檢測提供了可行解決方案。

1.3 生豬管理

近年來，研究智能化遠程豬病診療方面已有較多文獻。其中，聲音監(jiān)測方面的研究包括豬咳嗽監(jiān)測儀SOMO 和呼吸窘迫監(jiān)測儀，豬咳嗽監(jiān)測儀SOMO 由SoundTalks NV 開發(fā)，能夠自動計算呼吸窘迫指數(shù)并在發(fā)現(xiàn)呼吸問題時發(fā)出警報。Yin 等采用MAX4466 駐極體麥克風和LIQI LM 320E 心形駐極體麥克風來采集豬只聲音，結(jié)合人工智能技術(shù)，成功實現(xiàn)了對豬只咳嗽聲音的識別，為生豬養(yǎng)殖提供了技術(shù)指導(dǎo)。

豬呼吸頻率監(jiān)測在生豬管理中具有重要作用。通過監(jiān)測每頭豬只的呼吸頻率，有助于生豬健康問題的早期診斷和治療，還可以改善生產(chǎn)條件，提高豬只福利和生產(chǎn)效益。這使養(yǎng)殖者能夠更好地管理豬群，減少疾病傳播風險，降低獸醫(yī)費用，提高農(nóng)場的經(jīng)濟效益。逯玉蘭等將Wi-Fi 無線感知技術(shù)應(yīng)用到動物呼吸率監(jiān)測領(lǐng)域，利用信道狀態(tài)信息CSI 構(gòu)建非接觸式的豬只呼吸率監(jiān)測系統(tǒng)。試驗表明平均相對誤差為1.398%，該系統(tǒng)相較于人工觀察法更為精準，成本更低，比穿戴式傳感器監(jiān)測法更為便捷，實施維護成本更低。

針對生豬存亡狀態(tài)遠程監(jiān)管難的問題，陳桂鵬等基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸模式，研究并試驗了一種生豬存亡遠程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)便利地實現(xiàn)在靜態(tài)下對生豬進行心率監(jiān)測和動態(tài)下的姿態(tài)監(jiān)測，和傳統(tǒng)的RFID 相比，減少疾病傳播，提高獸醫(yī)的工作效率。對于目前現(xiàn)代養(yǎng)豬場建設(shè)地點空曠偏僻、豬舍環(huán)境復(fù)雜、布線困難等問題，周景文等基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過試驗，與儀器所測數(shù)據(jù)誤差為5%，滿足豬舍環(huán)境監(jiān)控要求，降低生豬養(yǎng)殖場的運營成本。

2 數(shù)字化管理技術(shù)

利用數(shù)字化管理系統(tǒng)，可以更高效地利用數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)地各個環(huán)節(jié)進行資源的有效匹配。朱軍等基于VB6.0 和ADO 開發(fā)了種豬數(shù)字化管理系統(tǒng)，通過對豬只個體信息的添加修改刪和信息報表打印等功能，實現(xiàn)現(xiàn)代化養(yǎng)豬場的便捷管理。為解決豬場的管理核心問題，劉紅剛等基于數(shù)字孿生，設(shè)計了智慧豬場管理平臺，實現(xiàn)了實體豬場的虛擬孿生豬場映射，進行實時監(jiān)測和智能控制，促進豬場從“有人化”向“無人化”發(fā)展。

2.1 精準配種

精準配種使用數(shù)字化管理技術(shù)精確追蹤和優(yōu)化豬群的繁殖過程，提高了生殖效率，降低了無效配種的風險，有助于優(yōu)化遺傳進展，改進養(yǎng)殖種豬的遺傳素質(zhì)和品質(zhì)。減少了人為誤差，提高了繁殖準確性，加強了數(shù)據(jù)分析能力，使養(yǎng)殖者能夠更好地了解養(yǎng)殖過程和市場趨勢，最終提高經(jīng)濟效益。此外，精準配種也有助于改善動物福利，減輕了豬只的壓力和不適。因此，這項技術(shù)在現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)中具有重要意義，促進了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和競爭力。

遺傳評估通過基因測序和遺傳標記技術(shù)，可以進行豬只的遺傳評估，確定哪些豬只具有良好的遺傳特性，以便進行精準選配。20 世紀80 年代后期， 由美國康奈爾大學(xué)學(xué)者Henderson 提出的BLUP 法， 即最佳線性無偏預(yù)測法開始應(yīng)用于計算種豬遺傳育種值。余聯(lián)昌等基于XML 設(shè)計出了種豬遺傳評估系統(tǒng)，以XML 文檔取代關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為種豬數(shù)據(jù)存儲方式，實現(xiàn)種豬信息管理、譜系查詢、親緣關(guān)系查詢、遺傳評估，每頭豬的數(shù)據(jù)集中保存在一個XML 文檔中， 有利于提高個體及其親屬信息的查詢效率和計算遺傳育種值的效率。

2.2 環(huán)境控制

2.2.1 溫濕度控制

為了滿足日益增長的肉類生產(chǎn)需求，畜牧業(yè)的集約化生產(chǎn)模式已變得普遍，導(dǎo)致商業(yè)養(yǎng)豬場內(nèi)相對較小的區(qū)域內(nèi)生豬密度更高，豬舍內(nèi)空氣清潔度較差，會使豬群的舒適度下降。如果豬群長期的生活在空氣清潔度較差的環(huán)境中，會導(dǎo)致豬群的食欲減退、采食量下降，健康度受到威脅等問題的出現(xiàn)，從而影響?zhàn)B殖經(jīng)濟效益。因此保持環(huán)境舒適可以最大程度地減少豬只健康和福利損失。傳統(tǒng)的生豬養(yǎng)殖豬舍環(huán)境監(jiān)測、調(diào)控手段技術(shù)落后，豬舍環(huán)境調(diào)控水平低、測控方式主觀性強、人工成本大且費時費力，在一定程度上制約了生豬生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。

室內(nèi)溫度是仔豬生長的關(guān)鍵環(huán)境因素，影響豬只的健康，福利和生產(chǎn)效率。豬舍內(nèi)部的溫度對豬只自身的調(diào)節(jié)具有極大影響，溫度過低導(dǎo)致豬只體內(nèi)的甲狀腺激素分泌，消化率降低；溫度過高導(dǎo)致豬體內(nèi)熱量堆積，易引發(fā)腸胃疾病。Zheng 等提出了一種仔豬微環(huán)境自動化熱控制與管理系統(tǒng)（ATCMS），為仔豬提供合適的生產(chǎn)環(huán)境，減少能耗。李立峰等基于組態(tài)軟件、模糊控制和解耦控制技術(shù)，開發(fā)了一種綜合考慮溫度、濕度和氨氣濃度相互影響的智能舍內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了在保持溫度基本恒定的條件下，維持相對濕度和氨氣濃度在適宜范圍內(nèi)，以滿足北方寒冷地區(qū)分娩母豬對豬舍環(huán)境的需求。闞盼盼等提出模糊控制與PID 控制相結(jié)合，以STM32 為核心控制器，將設(shè)計的模糊PID 控制策略，通過STM32 應(yīng)用到仔豬舍溫度控制系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的PID 系統(tǒng)，它能夠隨時根據(jù)系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)，實現(xiàn)精準控制豬舍溫度。

濕度對豬只生產(chǎn)和健康有顯著影響。高濕度在高溫下會導(dǎo)致熱應(yīng)激、沖突和急性死亡增加；低溫下會引發(fā)感冒、風濕癥、關(guān)節(jié)炎、腸炎等疾病，降低飼料轉(zhuǎn)化率和生長速度；在常溫下，高濕度滋生病原微生物和寄生蟲，導(dǎo)致皮膚病和飼料問題。低濕度可增加灰塵，尤其在干料條件下，飛塵問題顯著。適宜濕度對于豬只健康和生產(chǎn)至關(guān)重要。在豬舍溫濕度控制系統(tǒng)方面，已經(jīng)進行了廣泛的研究。鄭爭兵基于AVR 單片機ATmega16 設(shè)計了豬舍溫濕監(jiān)測系統(tǒng)，對溫濕度值進行動態(tài)顯示、查詢及存儲等，實現(xiàn)了溫濕度的實時測量和遠距離傳輸。馮江等基于自適應(yīng)模糊PID 控制算法，通過降低超調(diào)量和縮短調(diào)控時間，成功提高了我國北方豬舍冬季溫濕度控制精度，為寒地豬場冬季養(yǎng)殖提供更精準的溫濕度環(huán)境管理。Jin 等基于機器學(xué)習(xí)和模糊控制算法設(shè)計豬舍溫濕度智能控制系統(tǒng)，使用傳感器收集豬舍內(nèi)的溫度和濕度，并按時間順序存儲這些數(shù)據(jù)，利用這些時間序列數(shù)據(jù)來訓(xùn)練GRU 模型，然后利用GRU 模型來預(yù)測未來24 h 豬舍內(nèi)的溫濕度變化曲線。最后建立豬舍及相關(guān)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)GRU 的預(yù)測結(jié)果計算相關(guān)設(shè)備的輸出功率，從而有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度。試驗結(jié)果表明，與基于閾值的環(huán)境控制系統(tǒng)相比，減少了約90%的異常溫度和濕度。

2.2.2 空氣質(zhì)量調(diào)控

在集約化豬舍管理中，控制有害氣體濃度至關(guān)重要。然而豬只的正常生長過程中，通過呼吸、糞便、飼料的不充分消化等途徑會產(chǎn)生一定的有害氣體，主要包括二氧化碳、氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）等。高濃度的二氧化碳、氨氣和硫化氫會影響豬只健康，導(dǎo)致呼吸困難、免疫系統(tǒng)受損和眼部問題。因此，有效的氣體控制對于確保豬只的生長和健康至關(guān)重要。

對于豬舍空氣惡臭，有害氣體影響豬只健康問題，Panida 等使用8 個化學(xué)氣體傳感器組成的便攜式電子鼻，用于評估養(yǎng)豬場豬舍空氣中的惡臭，由筆記本電腦上的內(nèi)部軟件通過 USB 端口實現(xiàn)自動化和控制氣體流量。黃鶯基于定向天線傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器節(jié)點以MSP430 系列單片機作為主控芯片，無線通信采用nRF905 射頻模塊，溫濕度采用SHT11 數(shù)字傳感器，有害氣體檢測采用H2S 和NH3傳感器。該系統(tǒng)可實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的自動控制，改善養(yǎng)殖環(huán)境智聯(lián)，為生豬提供一個良好的生長環(huán)境。

2.2.3 光照調(diào)控

光照在豬舍管理中扮演著關(guān)鍵的角色，對豬只行為、生長效率、發(fā)情控制和心理健康都有著深遠的影響。豬只是對光照敏感的動物，缺乏或不適當?shù)墓庹諚l件可能導(dǎo)致其出現(xiàn)食欲不振、活動減少或異常行為，這對于機體健康是不利的因素。適當?shù)墓庹諚l件有助于提高豬只生長效率。研究表明，穩(wěn)定的、適當強度的光照可以刺激豬只食欲，促進食物攝入，從而促進體重增長。這對于養(yǎng)殖業(yè)來說至關(guān)重要，因為生長效率直接影響著生產(chǎn)成本和產(chǎn)量。此外，光照條件還可以影響母豬的生殖周期和發(fā)情情況。通過精確控制光照條件，養(yǎng)殖者可以調(diào)整母豬的發(fā)情時間，以更好地管理繁殖計劃，提高生產(chǎn)效率。充足的光照對于豬只心理健康也非常重要。在長時間的黑暗環(huán)境中，豬只可能會感到沮喪或焦慮，這會對它們的生活質(zhì)量造成負面影響，適當?shù)墓庹湛梢詭椭岣哓i只心理健康水平。

光譜調(diào)控允許養(yǎng)殖者根據(jù)不同的生長階段或目標調(diào)整光照的光譜。特定的光譜可以影響豬只行為和生長，因此可以根據(jù)需要進行調(diào)整。研究數(shù)量相對有限，但其潛在影響卻非常顯著。目前，只有少數(shù)研究關(guān)注了如何調(diào)整光譜以改善豬只行為和生長。孟霞等照明度和光譜對豬只生產(chǎn)的影響進行研究，在某些光譜下，豬只食欲明顯增加，增加了食物攝入，從而促進了體重的增長。通過調(diào)整照明系統(tǒng)以提供特定光譜，可以改善豬只食物攝入量和生長效率。然而，這個領(lǐng)域的研究還遠未充分。未來的研究可以探索不同光譜對不同生長階段的豬只影響，以確定最佳的光照條件。

3 小結(jié)與展望

飼養(yǎng)環(huán)節(jié)的智能化與數(shù)字化管理在現(xiàn)代畜牧業(yè)中已經(jīng)取得顯著進展，對提高生產(chǎn)效率、資源利用率、動物福利，維護養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。智能化管理技術(shù)在種豬、母豬和生豬管理中的應(yīng)用，包括精液質(zhì)量監(jiān)測、生長性能預(yù)測和發(fā)情檢測，有助于提高育種效率和健康管理，減少疾病風險，同時降低了人工成本和勞動力投入。數(shù)字化管理技術(shù)通過數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中管理，提供了更精準的養(yǎng)殖決策和資源分配，優(yōu)化了養(yǎng)殖過程。目前高成本問題仍然是一個制約因素。引入智能化設(shè)備和數(shù)字化管理系統(tǒng)需要相當?shù)馁Y金投入，包括硬件購置、軟件開發(fā)、培訓(xùn)和系統(tǒng)維護等方面的費用。對于小型農(nóng)場或資源有限的養(yǎng)殖戶來說，這種投資可能是一項巨大的負擔，使其難以享受到這些技術(shù)帶來的益處。智能化系統(tǒng)依賴于穩(wěn)定的電力供應(yīng)和可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接。然而，在一些偏遠地區(qū)或電力供應(yīng)不穩(wěn)定的農(nóng)場，這些技術(shù)可能無法充分發(fā)揮其優(yōu)勢，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和工作中斷。數(shù)字化管理系統(tǒng)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，包括動物健康信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和農(nóng)場管理信息。確保這些數(shù)據(jù)的隱私和安全性是至關(guān)重要的，以防止數(shù)據(jù)泄露和未經(jīng)授權(quán)的訪問造成損失。今后的研究需要在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)注意設(shè)備應(yīng)用的成本，綜合考慮多方面的影響因素，將數(shù)智化管理技術(shù)切實落地，另外還需多考慮設(shè)備的兼容性問題，減少設(shè)備更新的成本。