馬從國 胡應(yīng)占 王建國

摘要：隨著國內(nèi)生豬規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，豬舍小氣候環(huán)境對生豬養(yǎng)殖的重要性也越來越大，國內(nèi)豬舍小氣候環(huán)境智能化監(jiān)測與高質(zhì)高效調(diào)控的研究相對滯后。本文綜述國內(nèi)豬舍小氣候研究狀況、小氣候環(huán)境調(diào)控平臺構(gòu)建和小氣候環(huán)境控制算法等方面的研究現(xiàn)狀與進展，根據(jù)小氣候環(huán)境因子對生豬生產(chǎn)性能與經(jīng)濟效益等因素的影響，提出豬舍小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)將向分布式、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，達到改善豬肉品質(zhì)、提高生豬福利與經(jīng)濟效益的目的。

關(guān)鍵詞：豬舍；小氣候環(huán)境；平臺構(gòu)建；控制策略

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0407-03

生豬養(yǎng)殖是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響生豬養(yǎng)殖的因素很多，其中豬舍小氣候環(huán)境是影響生豬養(yǎng)殖生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[1]。豬舍小氣候環(huán)境是生豬生存、生長與生產(chǎn)不可缺少的環(huán)境因素，改善豬舍小氣候環(huán)境質(zhì)量，為生豬舒適生活、健康生長和正常生產(chǎn)創(chuàng)造一個良好的生存環(huán)境。豬舍內(nèi)空氣質(zhì)量差不僅損害生豬健康，降低生豬對疾病的抵抗力，危害生豬福利，而且導(dǎo)致生豬疾病的發(fā)生與傳播，豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境質(zhì)量是生豬養(yǎng)殖不可忽視的環(huán)境因素。隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)集約化與規(guī)?；焖侔l(fā)展，特別是大群體、高密度生豬養(yǎng)殖的日益增加，環(huán)境對養(yǎng)豬生產(chǎn)水平的制約作用日益顯著，環(huán)境控制水平已成為養(yǎng)豬現(xiàn)代化的重要標志。豬舍內(nèi)影響生豬生長的小氣候環(huán)境因子主要有溫度、濕度、光照、風(fēng)速和氨氣等有害氣體，豬舍小氣候環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)就是通過調(diào)節(jié)這些環(huán)境因子，創(chuàng)造一個有利于豬群生長發(fā)育的小氣候環(huán)境，提高豬肉品質(zhì)、生產(chǎn)性能、生豬福利和經(jīng)濟效益。本文綜述目前國內(nèi)豬舍小氣候環(huán)境智能監(jiān)測、小氣候環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)平臺構(gòu)建和控制策略的研究進展，提出豬舍小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1研究現(xiàn)狀

11生豬小氣候環(huán)境因子監(jiān)測與評價

豬舍生長環(huán)境因子主要是由溫度、濕度、氣流和光照度等組成，研究不同類型豬舍的生長環(huán)境因子參數(shù)值對生豬生長過程的影響，可為豬舍小氣候環(huán)境的調(diào)控提供理論依據(jù)。王美芝等根據(jù)北京市不同豬舍的建筑類型和降溫方式，對繁殖豬舍內(nèi)溫度進行了測試并計算評價常見豬舍外墻類型的隔熱指標，測試結(jié)果表明夏季豬舍內(nèi)溫度與舍外變化趨勢基本一致，多數(shù)時間舍內(nèi)溫度高于舍外，提出北京市豬舍高溫環(huán)境調(diào)控建議。為掌握規(guī)?；B(yǎng)豬場舍內(nèi)外環(huán)境空氣變化趨勢，伍清林等和王學(xué)敏等采用環(huán)境檢測方法對南京市郊某規(guī)模化養(yǎng)豬場的豬舍內(nèi)外空氣質(zhì)量進行了測量，提供評估豬舍生長環(huán)境因子對動物健康影響的風(fēng)險和環(huán)境調(diào)控的理論研究依據(jù)[4-5]。為了探討北方冬季發(fā)酵床豬舍內(nèi)的小氣候環(huán)境狀況，張爽等對發(fā)酵床豬舍的環(huán)境進行了測定，測試結(jié)果表明北方冬季發(fā)酵床飼養(yǎng)模式能夠提高豬舍內(nèi)的溫度，降低氨氣濃度，改善豬舍小氣候環(huán)境[6]。為了克服單傳感器監(jiān)測豬舍環(huán)境的不確定性和不穩(wěn)定性，滕翠鳳等采用自適應(yīng)加權(quán)結(jié)合 D-S 證據(jù)推理算法，提出豬舍小氣候環(huán)境監(jiān)測的分布式多傳感器和二級融合模型，實現(xiàn)對多個監(jiān)測點的溫度、濕度和光照度信息進行融合，提高了豬舍小氣候環(huán)境檢測的準確度和魯棒性[7]。這些研究成果涉及如何監(jiān)測豬舍小氣候環(huán)境變化趨勢和對生豬養(yǎng)殖的影響，提出了精確監(jiān)測豬舍小氣候環(huán)境參數(shù)的方法與調(diào)控小氣候環(huán)境的措施。

對豬舍內(nèi)氨氣、硫化氫和粉塵等有害氣體進行監(jiān)測與凈化，改善豬舍內(nèi)空氣質(zhì)量，避免豬群不受化學(xué)性和生物性的傷害，保障豬群健康生長。對豬舍中氨氣濃度的測定是評價氨氣凈化技術(shù)的常用方法，洪奇華等研究測定位置對豬舍中氨氣測量值的影響，并根據(jù)豬舍中溫度和濕度回歸分析豬舍中氨氣濃度，該結(jié)果提供豬舍溫度和濕度對氨氣濃度影響程度的預(yù)測依據(jù)[8]。董紅敏等和朱志平等在北京選擇一個典型豬場，對不同季節(jié)豬舍的氨氣、甲烷和氧化亞氮等濃度進行了為期1年的試驗測定，并根據(jù)二氧化碳平衡原理，估算豬場不同生長階段的豬舍氮氣、甲烷和氧化亞氮等氣體的排放通量，探索了不同季節(jié)豬舍有害氣體的排放規(guī)律，為有害氣體的凈化提供了理論根據(jù)[9-10]。李新建等研究影響豬舍中氨氣排放的因素，提出減少氨氣排放的多種措施，為豬舍減少氨氣污染，提供節(jié)約資源的理論指導(dǎo)[11]。為了提高監(jiān)測豬舍有害氣體的準確性，俞守華等利用硫化氫傳感器與氨氣傳感器輸出信號包含氣體分子反應(yīng)過程頻譜特性，運用小波變換與遺傳算法相結(jié)合對豬舍有害氣體測定進行特征提取，建立有害氣體濃度識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提高了有害氣體測定的準確性，提供了豬舍有害氣體智能化監(jiān)控的參考依據(jù)[12]。朱海生等研究豬舍中氨氣對環(huán)境的影響和豬舍氨氣排放機制，綜述豬舍氨氣排放的機理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，提供了豬舍環(huán)境氨氣監(jiān)測理論依據(jù)[13]。這些研究成果探索了豬舍有害氣體的監(jiān)測方法，提供正確評價和凈化豬舍有害氣體科學(xué)措施，對提高豬舍小氣候環(huán)境質(zhì)量有著積極意義，但是他們的檢測精度還有待進一步研究。

12豬舍小氣候環(huán)境對生豬生產(chǎn)性能的影響

研究豬舍小氣候環(huán)境對生長豬生產(chǎn)性能的影響，為提高生豬生產(chǎn)性能與生豬養(yǎng)殖經(jīng)濟效益提供小氣候環(huán)境調(diào)控的理論依據(jù)。高增月等采用環(huán)境自動控制技術(shù)對分娩舍、保育舍和相應(yīng)的對照舍進行環(huán)境對比試驗，研究在不同小氣候環(huán)境條件下對哺乳仔豬和保育豬生長性能的影響[14]。郭春華等研究環(huán)境低溫和高溫對生長豬生產(chǎn)性能的影響，得到在不同溫度條件下生豬采食量、生長量和經(jīng)濟效益，建立生豬營養(yǎng)模型，為科學(xué)調(diào)控豬舍小氣候環(huán)境提供理論指導(dǎo)[15-16]。 徐相亭等和楊靜等通過測定不同豬舍類型及頂棚高度的豬舍內(nèi)小氣候環(huán)境，比較不同小氣候條件下母豬繁殖性能和育肥豬生長發(fā)育性能等指標，試驗結(jié)果為確立豬舍類型和頂棚高度符合規(guī)?；夂颦h(huán)境調(diào)控具有一定的指導(dǎo)意義[17-18]。付仕倫等通過尋找豬舍溫度與豬生長量的關(guān)系，得出育成豬的生長隨溫度變化而變化的規(guī)律，通過估算其成本和經(jīng)濟效益，得到豬舍小氣候環(huán)境溫度調(diào)控理想值[19]。這些研究對了解豬舍的生豬生產(chǎn)性能，提高養(yǎng)殖經(jīng)濟效益起到一定的推動作用，但是他們沒有根據(jù)監(jiān)測結(jié)果從理論高度作進一步研究，探索如何充分利用豬舍空間以進一步提高生豬生產(chǎn)性能和養(yǎng)殖經(jīng)濟效益。

13豬舍小氣候環(huán)境調(diào)控平臺構(gòu)建

如何創(chuàng)造一個適宜的豬舍小氣候環(huán)境來滿足生豬生產(chǎn)要求，是確保生豬養(yǎng)殖經(jīng)濟效益和豬肉質(zhì)量安全的關(guān)鍵措施之一。豬舍小氣候環(huán)境智能控制器主要采用單片機、工業(yè)控制機和可編程邏輯控制器等，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)把系統(tǒng)中多個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)。馬從國以西門子PLC為核心構(gòu)建基于PROFIBUS-DP的分布式生豬養(yǎng)殖信息管理系統(tǒng)[20]。根據(jù)目前生豬規(guī)?；B(yǎng)殖的特點，鄭爭兵設(shè)計了一種基于RS485總線的豬舍溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基于AVR 單片機 ATmega16的多個溫濕度監(jiān)測點和監(jiān)控中心組成，實現(xiàn)對豬舍不同位置的溫濕度采集與調(diào)控，溫濕度的調(diào)控精度分別為02 ℃和18%，完全滿足豬舍小氣候環(huán)境的調(diào)控要求[21]。采用現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)的可靠性高，但存在接線繁瑣、地理范圍受到限制等缺點。采用無線通信方式無需布線、組網(wǎng)靈活和易升級，無線通信設(shè)備可在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)隨意移動和重新組網(wǎng)，相對有線通信方式具有明顯的優(yōu)勢。為了實現(xiàn)規(guī)模化養(yǎng)豬舍的智能控制，張飛云設(shè)計了基于igBee技術(shù)的豬舍小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測豬舍內(nèi)溫濕度及氨氣的濃度，自動控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速及保溫門的狀態(tài)，確保豬舍小氣候環(huán)境滿足生豬生長的要求，實現(xiàn)遠程控制和近程控制的結(jié)合，提高了養(yǎng)豬舍小氣候環(huán)境自動化水平[22]。為了對畜禽舍小氣候環(huán)境參數(shù)進行自動化監(jiān)測，梁萬杰等采用低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議、3G 通信設(shè)備和TELOSB 無線傳感器節(jié)點以及環(huán)境參數(shù)傳感器構(gòu)建豬舍小氣候環(huán)境監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，采用基于J2EE軟件框架開發(fā)一套豬舍小氣候環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)實時監(jiān)測小氣候環(huán)境數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄、分析環(huán)境狀況和報警等功能[23]。氨氣嚴重影響豬群的健康及其生產(chǎn)性能，何祥宇等和張瑞青等利用氣敏傳感器對豬舍內(nèi)有害氣體中的氨氣進行了檢測，采用變頻調(diào)速裝置對風(fēng)機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，實現(xiàn)對豬舍環(huán)境中氨氣的調(diào)控；基于LabWindows/CVI平臺開發(fā)豬舍小氣候環(huán)境信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示、處理、保存和查詢等功能，該系統(tǒng)為豬的生長發(fā)育提供了良好的生長環(huán)境，該控制系統(tǒng)具有工作可靠、靈敏度高等優(yōu)點，具有較好的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景[24，25]。但該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)射功率與能耗較高，今后宜進一步研究新型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)策略，降低節(jié)點能耗，以適應(yīng)大規(guī)模、地域分散的豬場小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)。豬舍小氣候環(huán)境調(diào)控平臺由環(huán)境參數(shù)檢測節(jié)點、控制節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和通信網(wǎng)絡(luò)組成，可實現(xiàn)規(guī)?；i舍養(yǎng)殖環(huán)境的分散式監(jiān)測和集中控制，從而大幅度提高豬場的自動化控制水平，提高生產(chǎn)力，降低生產(chǎn)成本。

14豬舍小氣候環(huán)境控制策略

根據(jù)豬舍小氣候環(huán)境多變量、強耦合和大慣性等特點，以模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)控制算法相繼應(yīng)用于豬舍小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)中，提供各種不同類型豬群最適宜的小氣候環(huán)境，降低調(diào)控成本，提高生豬養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。為解決北方寒冷地區(qū)分娩母豬對豬舍小氣候環(huán)境的要求，李立峰等利用組態(tài)軟件、模糊控制和解耦控制技術(shù)實現(xiàn)對豬舍環(huán)境機械通風(fēng)系統(tǒng)和熱水采暖系統(tǒng)的智能控制，設(shè)計模糊控制算法對豬舍溫度進行智能控制，試驗表明該控制算法提高系統(tǒng)反應(yīng)速度，降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，較好滿足了豬舍溫度控制要求，該系統(tǒng)可行且實用[26]。王國光等和戴春霞等針對豬舍環(huán)境系統(tǒng)是一個多變量、非線性和時變性，并且各變量之間具有耦合關(guān)系以及很難建立精確的數(shù)學(xué)模型的特點，采用專家模糊控制算法對豬舍小氣候環(huán)境進行實時監(jiān)控，為商品豬提供最佳生長環(huán)境，縮短生長周期，實現(xiàn)高效節(jié)能的工廠化生產(chǎn)，具有較好的實用價值和應(yīng)用前景[27-28]。針對北方寒冷地區(qū)的特點，宣傳忠等建立了基于T-S型自適應(yīng)模糊神經(jīng)的豬舍小氣候環(huán)境溫度控制模型，實現(xiàn)對豬舍小氣候環(huán)境的精確監(jiān)測和控制[29]。馬從國等利用模糊神經(jīng)控制器對影響豬舍內(nèi)的溫度與濕度的主要小氣候環(huán)境因素進行解耦，通過模糊計算推理得到多個豬舍環(huán)境控制機構(gòu)的給定控制量，在計算機控制系統(tǒng)運行下調(diào)控相關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)，使豬舍內(nèi)的小氣候環(huán)境狀況滿足生豬生長要求[30]。馬從國針對生豬生長環(huán)境控制系統(tǒng)故障多且具有模糊性和復(fù)雜性的特點，提出了一種智能化的生豬生長環(huán)境控制故障診斷專家系統(tǒng)，系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，推理速度快，容錯能力強，并運用MATLAB的圖形用戶界面（GUI功能，增加系統(tǒng)的易操作性，方便用戶使用，更新系統(tǒng)簡單直觀[31]。這些控制算法各有優(yōu)缺點：模糊控制不需要事先知道對象的數(shù)學(xué)模型，響應(yīng)速度快、超調(diào)小和魯棒性好，穩(wěn)態(tài)精度欠佳，只能實現(xiàn)粗略控制；而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自學(xué)習(xí)特性，對環(huán)境變化有適應(yīng)性，但需要專家經(jīng)驗。為使各類豬群最大程度地發(fā)揮生產(chǎn)潛力，必須給豬群提供最適宜的生產(chǎn)環(huán)境，形成有利于豬群發(fā)揮其生產(chǎn)力的小環(huán)境氣候；只有通過各種條件的優(yōu)化，綜合應(yīng)用多種智能控制方法，創(chuàng)造最佳豬群生產(chǎn)狀態(tài)，不斷提高豬群生產(chǎn)性能和經(jīng)濟效益。

2豬舍小氣候環(huán)境調(diào)制系統(tǒng)的發(fā)展方向

隨著養(yǎng)豬業(yè)的快速發(fā)展，生豬養(yǎng)殖呈現(xiàn)規(guī)?；⒓s化和自動化管理模式也日趨形成。豬舍小氣候環(huán)境是生豬養(yǎng)殖能否達到優(yōu)質(zhì)高效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，豬舍小氣候環(huán)境的動態(tài)數(shù)學(xué)模型、控制算法和系統(tǒng)優(yōu)化在豬舍小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)獲得良好的性能、投入產(chǎn)出及能否給生豬提供一個良好的生長環(huán)境中起著重要作用。未來的豬舍小氣候環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)必將越來越以生豬生長的最適宜環(huán)境為中心，以優(yōu)質(zhì)、高效和節(jié)能為目標，實現(xiàn)養(yǎng)豬增重快、提高出欄率、節(jié)省飼料和提高經(jīng)濟效益，為養(yǎng)豬業(yè)高產(chǎn)高效創(chuàng)造必要的條件，促進畜牧業(yè)的全面發(fā)展。通過對目前國內(nèi)豬舍小氣候環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀分析，提出今后豬舍小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展方向[32-33]：

（1進一步關(guān)注生豬飼養(yǎng)過程中的福利狀況、生理需求和生產(chǎn)性能。一方面由于豬舍小氣候環(huán)境不僅影響生豬福利、生豬健康和生產(chǎn)性能，而且還會影響到豬肉品質(zhì)和安全性，所以關(guān)注動物福利就是關(guān)注人的福利；另一方面由于越來越多的國家已經(jīng)開始將動物福利與國際貿(mào)易緊密掛鉤，成為了新的“ 貿(mào)易壁壘”。因此，控制豬舍內(nèi)有害氣體的產(chǎn)生，改善豬舍內(nèi)的空氣質(zhì)量，為生豬生長構(gòu)建良好的生存環(huán)境，必須引起廣大生豬養(yǎng)殖者、 管理者和研究人員的高度重視，以保證動物健康與動物福利，減少疾病發(fā)生與環(huán)境污染。只有如此，才能實現(xiàn)生豬養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展。

（2豬舍小氣候環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)向分布式、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。針對生豬養(yǎng)殖規(guī)模大與地域分散和豬舍環(huán)境因子多變量、強耦合以及大慣性的特點，以計算機與智能控制技術(shù)為核心，基于智能控制、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、生豬生長模型、生長環(huán)境模型和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成的生豬養(yǎng)殖環(huán)境規(guī)?；悄苓h程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對生豬豬舍環(huán)境的分布式控制與集中式管理，將多種智能控制算法與仿真預(yù)測有效地結(jié)合起來，優(yōu)化豬舍小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)的性能，提高生豬福利、改善豬肉品質(zhì)和生豬養(yǎng)殖經(jīng)濟效益是豬舍小氣候控制技術(shù)的發(fā)展方向。

（3優(yōu)化控制系統(tǒng)性能，提高養(yǎng)殖效益。環(huán)境調(diào)控策略從豬群的健康養(yǎng)殖出發(fā)，以減少環(huán)境中的致病因素，增強豬自身的免疫功能，有效抵御病毒侵害和保障豬群健康，提高生豬生產(chǎn)性能?，F(xiàn)代生豬養(yǎng)殖企業(yè)追求的目標是經(jīng)濟效益的最大化，因此規(guī)?；B(yǎng)豬環(huán)境調(diào)控的目標不應(yīng)只是單純追求高的生產(chǎn)性能，而更主要的是看投入產(chǎn)出比的效果。但就我國現(xiàn)有的環(huán)境自動控制技術(shù)而言，如何實現(xiàn)降低養(yǎng)殖成本，切實把生豬養(yǎng)殖的環(huán)境自動控制與生產(chǎn)管理技術(shù)有機結(jié)合起來仍是今后應(yīng)加強研究的方向。追求節(jié)能型環(huán)境控制技術(shù)，確保豬群健康和較高的生產(chǎn)性能，綜合考慮投入與產(chǎn)出關(guān)系，調(diào)節(jié)環(huán)境控制參數(shù)，實現(xiàn)提高經(jīng)濟效益的目標。這也是現(xiàn)代養(yǎng)豬企業(yè)借助于信息技術(shù)、生物技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)和經(jīng)濟管理技術(shù)等多學(xué)科綜合才可能實現(xiàn)的環(huán)境控制目標。

3小結(jié)

由于豬舍小氣候環(huán)境系統(tǒng)的非線性、強耦合和大慣性等特點，必須以智能控制、畜牧工程、動物養(yǎng)殖學(xué)等學(xué)科專家協(xié)同攻關(guān)，構(gòu)建生豬生長與小氣候環(huán)境調(diào)控的計算機仿真與模型實現(xiàn)平臺，對小氣候環(huán)境的研究具有重要意義，為未來實現(xiàn)豬舍小氣候環(huán)境調(diào)控的信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化奠定堅實基礎(chǔ)。

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[HT5”SS〗江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年第42卷第12期

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[HT6F]曹元軍，陸小明 自走式谷物聯(lián)合收割機傾斜輸送器設(shè)計[J] 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（12）：410-413