任春江 陶松兵 吳學(xué)棟

摘 要

隨著以機(jī)器視覺為代表的人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在規(guī)模化畜牧養(yǎng)殖中的應(yīng)用也逐漸嶄露頭角，并成為當(dāng)前養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的主流。機(jī)器人技術(shù)在畜牧養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景眾多，本文對(duì)機(jī)器人技術(shù)在豬場(chǎng)養(yǎng)殖疫病防護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。通過對(duì)豬場(chǎng)疫病防護(hù)機(jī)器人的基本功能單元進(jìn)行介紹，對(duì)當(dāng)前仍待解決的科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行分析，為進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在豬場(chǎng)養(yǎng)殖疫病防護(hù)中的應(yīng)用研究提供參考。

關(guān)鍵詞

機(jī)器人技術(shù);人工智能;疫病防護(hù)機(jī)器人;智能豬場(chǎng)

中圖分類號(hào)： S858.28 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.089

Abstract

With the rapid development of artificial intelligence technology including machine vision，robotics has been widely applied for large scale animal husbandry operations， which also indicates the mainstream of the current development.As robotics is available for many cases of animal husbandry，in this paper，the development of epidemic prevention robot in pig farms which has not yet reached a mature state is discussed.Combined with the introduction of basic function units of epidemic prevention robot，problems of science and technology that still need to be solved are analyzed.Review in this study provides a reference for further developing robot technology for the epidemic prevention of pig farms.

Key Words

Robotics;Artificial intelligence;Epidemic prevention robot;Intelligent pig farm

1 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用

機(jī)器人，直觀理解即為，代替人類完成指定任務(wù)的特殊設(shè)備。當(dāng)前，主流機(jī)器人已基本具備高度自適應(yīng)的自治能力，具體表現(xiàn)為：具有多種途徑的感知功能，可進(jìn)行基于復(fù)雜邏輯思維的自主判斷與決策，可在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立完成指定動(dòng)作及任務(wù)等[1]。得益于當(dāng)前機(jī)器人高度自適應(yīng)的自治能力，其已被廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖場(chǎng)的不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要包括：環(huán)境感知與控制（溫濕度及光照控制等）、幼苗孵化及培育、自動(dòng)飼喂、牧場(chǎng)品收割（擠奶，撿蛋及屠宰等）、畜禽健康監(jiān)測(cè)、消毒防疫及糞污處理等[2]。

生豬養(yǎng)殖作為我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的典型代表，在大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)發(fā)展的浪潮中，也開始了行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，開啟了“智能養(yǎng)豬”的新時(shí)代。當(dāng)前，機(jī)器人技術(shù)在豬場(chǎng)養(yǎng)殖中的廣泛應(yīng)用，不僅緩解了惡臭環(huán)境下人手不足的問題;并且通過提高豬場(chǎng)飼喂、清糞等過程的自動(dòng)化集成，顯著提升了豬場(chǎng)養(yǎng)殖效率。此外，以機(jī)器視覺和人工智能為代表的新一代自主移動(dòng)機(jī)器人，依靠其良好的環(huán)境適應(yīng)特性、多功能集成特性以及大數(shù)據(jù)分析特性，正逐漸成為智能養(yǎng)豬中的重要一環(huán)。

2 豬場(chǎng)疫病防護(hù)難點(diǎn)

雖然近年來，國(guó)內(nèi)外智能養(yǎng)豬話題持續(xù)走熱，網(wǎng)易、阿里巴巴和京東等的國(guó)內(nèi)大型集團(tuán)的智能養(yǎng)豬計(jì)劃的宣布，更是被視為人工智能養(yǎng)豬時(shí)代來臨的標(biāo)志。但現(xiàn)有“智能養(yǎng)豬”，多針對(duì)豬場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)投喂或清糞等養(yǎng)殖過程[3]，對(duì)于豬瘟等疫病防護(hù)的智能化發(fā)展不足。最為典型的就是，2018年非洲豬瘟（African Swine Fever， ASF）疫情在我國(guó)大范圍的爆發(fā)[4]，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)養(yǎng)豬業(yè)損失慘重，豬肉價(jià)格飆升，直接升級(jí)為國(guó)務(wù)院關(guān)注的影響居民生活質(zhì)量的重大民生問題。

豬只疫病問題由來已久，傳統(tǒng)規(guī)模豬場(chǎng)主要以慢性豬瘟為主，常見的包括高致病性非洲豬瘟、豬藍(lán)耳病、豬丹毒、敗血性沙門氏菌等多種疫病類型。雖然在現(xiàn)有豬瘟預(yù)防和控制措施中，都會(huì)采用接種防疫疫苗的方式確保生豬接種質(zhì)量。但地方接種疫苗種類繁多，疫苗質(zhì)量難以得到全面保障。而規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)通常生豬群體大，接種時(shí)間緊湊任務(wù)重，易出現(xiàn)各種接種疫苗注射不規(guī)范或接種疫苗劑量不足等情況[5]，這就是為什么不少規(guī)?；i場(chǎng)仍存在潛在野病毒株的原因。接種防疫的失敗，進(jìn)一步導(dǎo)致規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)中易存在潛在的耐受豬群、亞臨床感染豬、慢性感染病例等。

另一方面，規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)生豬數(shù)量龐大，顯然，通過人對(duì)每一頭豬的健康狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)觀察并及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在疫病特征，是幾乎不可能的。主要原因：人的精力無法保證24小時(shí)連續(xù)工作;即使對(duì)豬只進(jìn)行人工標(biāo)記，人眼也無法快速準(zhǔn)確辨別;期望每個(gè)記錄員都是經(jīng)驗(yàn)豐富的獸醫(yī)是更不現(xiàn)實(shí)的，而這對(duì)于豬只疫病的早發(fā)現(xiàn)早隔離尤為重要。

隨著以機(jī)器視覺為代表的人工智能技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用，輔助以先進(jìn)的機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)豬場(chǎng)豬只實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候不間斷觀察，以及豬只早期疫病檢測(cè)及診斷成為可能。因此，新型豬場(chǎng)疫病防護(hù)機(jī)器人的使用，必將使得病豬檢測(cè)和隔離更為高效，為規(guī)?；i場(chǎng)的疫病傳染控制提供新的解決方法。

3 豬場(chǎng)疫病防護(hù)機(jī)器人

針對(duì)豬場(chǎng)特殊作業(yè)環(huán)境及需求，研究了豬場(chǎng)疫病防護(hù)機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)病豬的早期檢測(cè)和疫情的早期預(yù)警與防護(hù)。豬場(chǎng)疫病防護(hù)機(jī)器人主要包括：自主導(dǎo)航及定位系統(tǒng)、豬場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、活豬疫病移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)消殺系統(tǒng)等。

3.1 自主導(dǎo)航及定位系統(tǒng)

自動(dòng)導(dǎo)航車（Automatic Guidance Vehicle）即AGV是一種能夠自動(dòng)導(dǎo)航的無人駕駛車輛，疫病防護(hù)機(jī)器人也是一種特殊的AGV。傳統(tǒng)自動(dòng)巡檢機(jī)器人多是依靠慣性導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，但其導(dǎo)航精度會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸降低。而磁導(dǎo)式巡檢機(jī)器人，通常需在地面鋪設(shè)磁條等外界輔助設(shè)備，應(yīng)用場(chǎng)景的大范圍改造，限制了其大規(guī)模應(yīng)用的可行性。豬舍通道狹長(zhǎng)，路面多顛簸不平，清潔消毒過程還導(dǎo)致路面潮濕，顯然，傳統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)難以勝任。

新一代智能移動(dòng)機(jī)器人，多采用激光雷達(dá)為主、深度攝像機(jī)為輔的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同步定位與建圖（Simultaneous Loca lizati on and Mapping， SLAM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航、定位及避障。激光雷達(dá)導(dǎo)航，主要是通過雷達(dá)掃描機(jī)器人所處環(huán)境，利用采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建環(huán)境地圖，然后根據(jù)目的地以及機(jī)器人在地圖上的位置信息，規(guī)劃無障礙的行進(jìn)路線。其中，在行進(jìn)過程中，AGV使用激光雷達(dá)連續(xù)地掃機(jī)器人周邊環(huán)境并與地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，一方面用于確定AGV當(dāng)前所處的位置，以對(duì)行進(jìn)路線進(jìn)行實(shí)時(shí)校正;另一方面用于判斷行進(jìn)方向是否存在障礙物，并判斷障礙物的（靜止或移動(dòng)）運(yùn)動(dòng)特性，以決定是否需要重新規(guī)劃路徑以到達(dá)目的地[6]。而對(duì)于深度攝像機(jī)，當(dāng)前，多用于二次輔助定位。如當(dāng)疫病防護(hù)機(jī)器人需對(duì)特定豬只近距離觀察時(shí)，顯然，需結(jié)合深度攝像機(jī)掃描結(jié)果對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)前，基于深度相機(jī)的視覺導(dǎo)航技術(shù)還未成熟，仍以激光雷達(dá)導(dǎo)航為主。

3.2 豬場(chǎng)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的溫濕度，以及硫化氫（H2S）、氨氣（NH3）以及一氧化碳（CO）等有害氣體均會(huì)直接或間接地對(duì)牲畜生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生影響，部分有毒氣體濃度過高還可能引起爆炸，威脅養(yǎng)殖場(chǎng)牲畜傷亡及財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)豬場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、全方位的監(jiān)測(cè)是十分有必要的。

豬只疫病防護(hù)機(jī)器人作為新型智能移動(dòng)平臺(tái)，其在按照預(yù)定路線自主行進(jìn)過程中，利用安裝的多種氣體測(cè)量傳感器，即可獲取豬舍各處的溫度、濕度、H2S、NH3、CO和PM2.5等信息。然后通過機(jī)器人集成的GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并在電腦或手機(jī)等客戶端進(jìn)行可視化顯示。同時(shí)，用戶也可通過客戶端遠(yuǎn)程發(fā)送指令，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至特定區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)豬舍重點(diǎn)區(qū)域養(yǎng)殖環(huán)境的主動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.3 活豬疫病移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

3.3.1 豬只識(shí)別

要實(shí)現(xiàn)豬場(chǎng)豬只的疫病檢測(cè)，首先需實(shí)現(xiàn)所有豬只的標(biāo)簽化，以保證不同豬只個(gè)體的有效區(qū)分。傳統(tǒng)的豬只識(shí)別，主要是通過給豬佩戴無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification， RFID）電子耳標(biāo)，通過無線電波的方式讀取電子耳標(biāo)信息以實(shí)現(xiàn)豬只識(shí)別。但電子耳標(biāo)通常需配合讀卡器等其他硬件設(shè)施，且隨著豬只生長(zhǎng)周期的結(jié)束而需再次更新。相比之下，基于機(jī)器視覺的豬只識(shí)別，則是一種低成本、非侵入式且實(shí)用的豬只識(shí)別方式，其無須額外硬件投入且可在線更新豬只信息。

當(dāng)前，基于機(jī)器視覺的人臉識(shí)別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、高鐵等不同公共區(qū)域，并取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。但在畜牧養(yǎng)殖行業(yè)，以豬只為代表的非侵入式牲畜身份識(shí)別技術(shù)還處于探索階段。智能豬只身份識(shí)別技術(shù)，主要通過圖像技術(shù)，對(duì)豬只面部、外貌、體型等特征細(xì)節(jié)進(jìn)行提取，結(jié)合先進(jìn)的人工智能算法實(shí)現(xiàn)每頭豬的精準(zhǔn)識(shí)別及定位。其中，豬只識(shí)別研究中以豬只面部識(shí)別最為典型。英格蘭西部大學(xué)Bristol機(jī)器視覺中心的研究成果表明，基于豬面部識(shí)別技術(shù)的豬只識(shí)別準(zhǔn)確性可達(dá)97%。此外，研究還表明，機(jī)器視覺也可用于識(shí)別豬核心情緒狀態(tài)（如快樂或痛苦）的面部表情，這為豬只的健康評(píng)估提供了重要的參考指標(biāo)。

3.3.2 病疫識(shí)別

生豬疫病抗體檢測(cè)是相對(duì)最為直接和可靠的疫病識(shí)別方式，但其投入成本也相對(duì)較高且豬群集中檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。除去成本與時(shí)間的考慮，抗體檢測(cè)通常具有針對(duì)性，因此，疫病抗體檢測(cè)，更適合于特殊需求下有計(jì)劃的、有選擇性地進(jìn)行。其次，由于生豬養(yǎng)殖過程中，飼料來源、環(huán)境變化以及人員出入等，都可能使豬群再次暴露于疫病風(fēng)險(xiǎn)之中。此時(shí)，對(duì)于生豬個(gè)體健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控就顯得尤為重要。

除了抗體檢測(cè)，生豬的疫病識(shí)別主要從以下幾個(gè)方面著手：生豬體溫變化，當(dāng)豬受疫病影響時(shí)，體溫常會(huì)出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的特點(diǎn)，對(duì)于急性疫病，則會(huì)出現(xiàn)突然發(fā)熱，發(fā)熱甚至高達(dá)41℃以上;生豬行為變化，當(dāng)疫病情況較輕時(shí)，病豬通常會(huì)表現(xiàn)出弓背縮腹，行走搖晃等細(xì)微肢體行為變化，嚴(yán)重時(shí)則可能出現(xiàn)全身痙攣，四肢抽搐等肢體動(dòng)作;體表特征，在疫病早期，病豬耳尖或尾尖常會(huì)出現(xiàn)干枯、皮膚發(fā)紺等癥狀，此外，豬藍(lán)耳病以及非洲豬瘟等疫病還會(huì)導(dǎo)致病豬的體表局部（耳、鼻、腹部、臀部等）顏色發(fā)生變化。

針對(duì)上述特征，為實(shí)現(xiàn)疫病防護(hù)機(jī)器人的疫病識(shí)別，分別設(shè)計(jì)了：無接觸體溫檢測(cè)、異常行為檢測(cè)以及體表顏色檢測(cè)等不同的疫病特征分析模塊。

（1）無接觸體溫檢測(cè)

傳統(tǒng)生豬體溫檢測(cè)多采用接觸式，即對(duì)肛口溫度進(jìn)行檢測(cè)。其不僅消耗大量人力和時(shí)間，而且往往會(huì)使豬產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，若檢測(cè)流程不規(guī)范，甚至可能導(dǎo)致豬群內(nèi)部交叉感染。而利用疫病防護(hù)機(jī)器人自帶的熱紅外成像儀，即可實(shí)現(xiàn)任意或指定豬只身體各部位的溫度檢測(cè)。疫病防護(hù)機(jī)器人利用其優(yōu)異的自主導(dǎo)航及避障功能，可24小時(shí)不間斷對(duì)不同豬舍豬只體溫進(jìn)行輪流檢測(cè)，不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)突然發(fā)熱的病豬，也能夠通過對(duì)同一頭豬在24小時(shí)內(nèi)的體溫記錄比對(duì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)體溫時(shí)高時(shí)低的病豬。

（2）異常行為檢測(cè)

正常豬只的日常行為主要包括：趴窩、站立、漫步、跑動(dòng)、采食、飲水、排泄等，而病豬在疫病暴發(fā)早期，病豬個(gè)體多會(huì)出現(xiàn)咳嗽、弓背縮腹以及行走搖晃等肢體變化特征，病豬豬群出現(xiàn)非正常聚集。因此，對(duì)豬只異常行為變化的監(jiān)測(cè)，也是疫病防護(hù)的極為有效和必要的環(huán)節(jié)。

目前，雖然機(jī)器視覺技術(shù)已被證明其在人的面部表情及行為動(dòng)作檢測(cè)中的有效性，但其在牲畜行業(yè)的應(yīng)用還未被推廣。其原因之一便是缺乏標(biāo)準(zhǔn)的生豬行為識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)，而人工智能的優(yōu)異性能往往是通過大量的帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)的訓(xùn)練得到的。此外，當(dāng)前機(jī)器視覺技術(shù)仍存在發(fā)展的空間。如，在豬場(chǎng)復(fù)雜背景下，光照強(qiáng)度、圖像視角以及圍欄遮擋等情況均會(huì)降低豬只檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（3）體表顏色檢測(cè)

目前，生豬體表顏色檢測(cè)多采用可見光圖像與熱紅外圖像相結(jié)合的方法。如在生豬無接觸體溫檢測(cè)中介紹，在紅外背景中，生豬耳根部通常與身體其他部位顏色存在顯著差異，這有利于豬耳區(qū)域識(shí)別。然后結(jié)合同一時(shí)間、同一視角下的可見光圖像，在HSV色彩空間下，判斷豬耳區(qū)域的HSV值是否與標(biāo)定值一致。其中，標(biāo)定值是指通過健康豬只耳部區(qū)域掃描得到HSV值。

3.4 自動(dòng)消殺系統(tǒng)

豬場(chǎng)環(huán)境凈化與消毒主要包括廠區(qū)進(jìn)出人員、豬舍及過道、消毒車等工具器械以及糞污等。智能疫病防護(hù)機(jī)器人可根據(jù)不同的消毒任務(wù)，配備不同的消毒劑以實(shí)現(xiàn)設(shè)定范圍內(nèi)的自動(dòng)消殺作業(yè)。智能疫病防護(hù)機(jī)器人的使用，不但可以降低人員進(jìn)入的頻率，保證豬場(chǎng)與外界環(huán)境相對(duì)隔離，還可減少各類消毒劑對(duì)消毒人員的影響。

4 總結(jié)

得益于以機(jī)器視覺為代表的人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，豬場(chǎng)疫病防護(hù)機(jī)器人的功能也不斷完善和提升。豬場(chǎng)疫病防護(hù)機(jī)器人的使用，完成了豬場(chǎng)豬只24小時(shí)全天候的無人化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了豬只全生長(zhǎng)周期的連續(xù)記錄。機(jī)器視覺的應(yīng)用，配合先進(jìn)的人工智能算法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了豬只面貌、行為、外形以及色斑等不同特征的檢測(cè)，為疫病防護(hù)提供重要的參考信息。此外，基于機(jī)器人集成的豬只疫病檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以高效地檢測(cè)出病豬，還能實(shí)現(xiàn)豬群整體疫情發(fā)展的趨勢(shì)預(yù)警。這對(duì)于豬群疫病的早發(fā)現(xiàn)、早隔離，控制豬群疫病暴發(fā)，避免豬只養(yǎng)殖場(chǎng)的意外經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，具有重要意義。

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