曹姍姍，李奇峰，高榮華，阮懷軍，于瑩，黃河，楊衛(wèi)芳，吳建寨※

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)重點實驗室，北京 100081；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心，北京 100097；3.山東省農(nóng)業(yè)科學院科技信息研究所，山東 濟南 250100；4.北京農(nóng)信互聯(lián)科技有限公司，北京 100080；5.新希望六和股份有限公司，山東 青島 266000；6.北京市畜牧總站，北京 100101）

信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點，而畜牧業(yè)占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的近1/3，標志著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平[1]。進入新世紀以來，信息技術日新月異、方興未艾，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、AI 和畜牧業(yè)融合的深度、廣度不斷加強。隨著我國膳食營養(yǎng)改善、經(jīng)濟社會轉型和資源環(huán)境趨緊，亟需加快畜牧養(yǎng)殖和信息技術深度融合，轉變畜牧業(yè)生產(chǎn)方式，推進畜牧業(yè)高質量發(fā)展[2]。當前我國畜牧業(yè)信息化水平不高，與發(fā)達國家相比差距明顯，突出表現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術與畜牧業(yè)深度融合難、畜禽養(yǎng)殖復雜環(huán)境多特征聯(lián)動監(jiān)測難、高效養(yǎng)殖智能化分析預警難等問題。為加快我國畜牧業(yè)信息化發(fā)展，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術與服務創(chuàng)新團隊聯(lián)合全國畜牧總站、中國農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所、北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心、山東省農(nóng)業(yè)科學院科技信息研究所、新希望六和股份有限公司、北京農(nóng)信互聯(lián)科技集團有限公司和廣東廣墾畜牧工程研究院有限公司等單位開展了畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術創(chuàng)新和智能裝備研制與應用研究，圍繞奶牛、肉牛、生豬、蛋雞和肉雞5種主要畜禽，提出了“物聯(lián)牧場”理論方法[3]，研制了畜禽“生態(tài)—生理—生長”多通量專用傳感技術，創(chuàng)新了畜禽多維立體感知方法，突破了“感知難”的問題，為智慧養(yǎng)殖獲取海量數(shù)據(jù)提供了技術保障。在此基礎上，構建畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)標準體系和綜合平臺，研制健康養(yǎng)殖智慧管理系統(tǒng)與設備，并開展推廣應用。

1 畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)標準體系和綜合平臺構建

搭建了國家級農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新綜合平臺，克服了物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術和畜牧產(chǎn)業(yè)深度融合難的問題，為推進畜牧業(yè)信息化創(chuàng)新發(fā)展提供了方法論。

1.1 提出了畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)自適應組網(wǎng)基本方法，構建了“信息采集—數(shù)據(jù)處理—應用服務”的物聯(lián)網(wǎng)標準體系，為畜禽多元數(shù)據(jù)匯聚與智能平臺構建提供了技術支撐。

針對我國畜牧業(yè)品種、區(qū)域的差異性，提出5種畜禽14種養(yǎng)殖模式的自適應無線傳感網(wǎng)（WSN）組網(wǎng)方法，解決了不同畜禽種類、不同氣候極值以及不同養(yǎng)殖模式的差異化組網(wǎng)難題，為畜禽養(yǎng)殖場全域優(yōu)化組網(wǎng)提供技術保障。為提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、準確性，提出基于SW-SVR 的畜禽物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流異常實時檢測處理、批量數(shù)據(jù)特征提取等方法，能夠及時、準確地檢測感知數(shù)據(jù)流中的異常數(shù)據(jù)，并制定了物聯(lián)網(wǎng)應用滿意度評價標準。探明不同畜種最佳生理生長的溫度、濕度和光照等閾值，以及氨氣等有害氣體警情警線，研究確定精準調(diào)控參數(shù)，結合養(yǎng)殖實踐，制定《畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》、《畜禽養(yǎng)殖無線局域網(wǎng)總體技術規(guī)范》等標準11 項，形成了較為完善的畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)“信息采集—數(shù)據(jù)處理—應用服務”的標準體系。綜合考量農(nóng)業(yè)農(nóng)村部67 號令及國際ISO 11784 標準的有效接駁，提出特有的與電子標識、條碼標識相匹配的畜禽個體和小群體編碼規(guī)則，構建低頻RFID、二維碼等混合標識技術與關聯(lián)信息庫6個，為畜禽養(yǎng)殖精細化管理、畜產(chǎn)品質量安全正向跟蹤與反向溯源提供了技術保障。成果創(chuàng)建的畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方法、異常數(shù)據(jù)識別、標準規(guī)范和標識關聯(lián)信息庫，為畜禽養(yǎng)殖動態(tài)感知與智能管控提供了技術支撐。

1.2 建成了首個國家級農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術應用綜合服務平臺，解決了畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仿真模擬、性能測試等官方認證缺失的難題，為畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)技術設備研發(fā)提供了基礎支撐。

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部信息化推進戰(zhàn)略部署，創(chuàng)建了包括“技術創(chuàng)新、仿真測試、技術服務”3個子平臺14個系統(tǒng)、66 臺套核心儀器裝備的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新綜合平臺。一是支撐生物材料、微納米材料等新型傳感器的基礎研究，探索新型材料生物電信號、光信號、微電壓和細胞膜電阻等特異性的識別機理、實現(xiàn)路徑和動態(tài)解析，部署新型傳感器研發(fā)環(huán)境，滿足了面向世界畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)科技前沿需要。二是支撐養(yǎng)殖傳感器、數(shù)據(jù)傳輸設備和物聯(lián)網(wǎng)裝備的性能測試評價，包括養(yǎng)殖環(huán)境溫濕度、風速風向、空氣質量、光照及動物生理、生長等傳感器的功能性、穩(wěn)定性、準確性以及安全性等，和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線組網(wǎng)、感知節(jié)點、自適應調(diào)節(jié)等傳輸方式、速度和質量，以及物聯(lián)網(wǎng)裝備的性能指標等76 項，滿足了面向國家重大戰(zhàn)略需求。三是支撐我國畜禽養(yǎng)殖不同品種、不同區(qū)域和不同規(guī)模的環(huán)境極值、適宜閾值等應用場景仿真模擬，基于引進設備與自主研發(fā)系統(tǒng)，模擬環(huán)境溫度- 40 ～ + 85 ℃、濕度5%～99%RH、淋雨0.1～20 L/min、試驗臺無極調(diào)速1～17 r/min、砂塵風速≥7.5 m/s、震動最大負載60 kg 等16種極值條件，占極值環(huán)境的90% 以上，為極端條件下畜禽專用傳感器的研發(fā)與測試提供了場景，滿足了面向現(xiàn)代畜牧業(yè)主戰(zhàn)場需要。成果建成的國家級畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)科技創(chuàng)新、仿真測試和技術服務的綜合平臺，填補了國內(nèi)空白。

2 健康養(yǎng)殖智慧管理系統(tǒng)與裝備研制

構建了基于大數(shù)據(jù)的畜禽養(yǎng)殖分析預測模型庫，研制了智能化調(diào)控設備，解決了畜禽養(yǎng)殖監(jiān)測預警難的問題，實現(xiàn)了畜禽高效健康養(yǎng)殖的智慧管理與科學決策[4]。

2.1 創(chuàng)建了面向大數(shù)據(jù)的畜禽養(yǎng)殖分析預測調(diào)控模型算法，突破了畜禽養(yǎng)殖預警不及時和調(diào)控不精準的難題，為畜禽健康養(yǎng)殖提供智能化決策支持。

創(chuàng)新基于DNN 的養(yǎng)殖環(huán)境多變量PID 神經(jīng)元解耦控制算法，構建畜禽舍內(nèi)溫濕度增量式自回歸（IARX）預測模型，實現(xiàn)了養(yǎng)殖環(huán)境多因素耦合非線性動態(tài)系統(tǒng)的精準預控制，誤差比計算流體力學模型降低30%以上。探索豬舍復雜環(huán)境下氨氣濃度的變化規(guī)律，提出基于ARIMA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡殘差優(yōu)化組合的豬舍氨氣濃度預測方法，預測值與實際值的均方根誤差（RMSE）僅為0.0365 mg/m3，為豬舍氨氣濃度環(huán)境精準化調(diào)控提供了科學依據(jù)[5]。構建生豬養(yǎng)殖環(huán)境預警指標，提出基于模糊算法的生豬健康養(yǎng)殖綜合多環(huán)境因子預警模型，智慧化地發(fā)出無警、中警和重警等預警信號，為生豬生長發(fā)育創(chuàng)造了最優(yōu)環(huán)境條件。提出基于奶牛體況及預期生產(chǎn)性能的干物質采食量預測模型，實現(xiàn)了符合中國飼料原料特征及養(yǎng)殖模式的干物質采食量精準預測，預測精度高達95%以上，比NRC 模型提高5～8個百分點[6]。構建基于雙向長短時記憶網(wǎng)絡-連接時序分類（BLSTM-CTC）算法的家禽聲紋健康決策樹診斷模型，端到端連續(xù)識別多場景下家禽咳嗽聲，實現(xiàn)了家禽集約飼養(yǎng)呼吸道疾病的早期預警，識別準確率為94.1%。成果創(chuàng)建的畜禽“生態(tài)—生理—生長”調(diào)控模型算法50套，形成了畜禽養(yǎng)殖決策的“智慧大腦”。

2.2 創(chuàng)制了系列畜禽養(yǎng)殖智能設備，解決了養(yǎng)殖裝備現(xiàn)代化水平低的難題，實現(xiàn)了畜禽養(yǎng)殖裝備的國產(chǎn)化和自主創(chuàng)新。

創(chuàng)制畜禽舍內(nèi)外立柱式、懸掛式、移動式3 大系列的環(huán)境智能控制設備，經(jīng)過多次技術迭代至目前3.0版，實現(xiàn)了多場景、多環(huán)境、自適應的通風、照明、加熱、降溫和增濕等13 項功能的智能管控[7]。研制出粉塵試驗箱等物聯(lián)網(wǎng)實驗裝置8 項，強化了畜禽物聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新綜合平臺的整體功能[8-10]。自主研制畜禽糞污清潔機器人，攻克自動上水與避障技術難點，實現(xiàn)了畜禽舍的全天候智能清糞，比國際同類型產(chǎn)品價格降低31%左右[11]。發(fā)明具有自主知識產(chǎn)權的妊娠母豬精準飼喂裝備，集成個體標識、自動稱重、采食記錄及變量下料等功能，攻克全價配合飼料變量調(diào)控難的關鍵技術，實現(xiàn)了妊娠母豬個體和小群體的精細飼喂，實際采量與理論采食量的誤差≤0.5%[12]。發(fā)明基于智能應用的仔豬自動護理系統(tǒng)裝置，集成動態(tài)感知、柔性抓取、自動消毒、自動保暖及分析預警等多環(huán)節(jié)智能技術，優(yōu)化仔豬護理過程，仔豬成活率提高5% 以上，實現(xiàn)了仔豬生長發(fā)育的實時監(jiān)測和精細護理[13]。研發(fā)出禽舍自動喂料裝置，研制家禽飼喂自動出料驅動機構和自動清除剩余飼料的料斗，無需人工投料，省時省力，實現(xiàn)了禽舍自動投料和剩料清除，降低了家禽因食用剩余被污染的飼料而產(chǎn)生細菌性疾病的發(fā)生率[14]。成果自主設計并創(chuàng)制的主要畜禽智能裝備17 類，推動了我國畜禽養(yǎng)殖先進設備國產(chǎn)化進程。

2.3 研建了畜禽養(yǎng)殖智慧決策云平臺，攻克了海量多源數(shù)據(jù)融合弱、數(shù)據(jù)清洗繁雜及精準管控效率低的難題，實現(xiàn)了畜禽養(yǎng)殖的在線智能分析和實時智慧調(diào)控。

匯聚環(huán)境數(shù)據(jù)6.6 億余條、音視頻樣本390 TB、養(yǎng)殖數(shù)據(jù)2.1 億條，形成環(huán)境、行為、生理、飼喂和控制等10 類數(shù)據(jù)集，建立了基于分布式存儲的畜禽養(yǎng)殖動態(tài)感知與智能決策大數(shù)據(jù)中心，同時為國家農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新綜合平臺提供了測試評價基準參考庫。提出畜禽養(yǎng)殖多源異構數(shù)據(jù)融合算法，構建專家知識模型庫1個，研建數(shù)據(jù)清洗、可視化、二三維GIS、深度學習及時空檢索等組件庫7個，開發(fā)流數(shù)據(jù)并行處理與多維分析引擎模塊，研發(fā)了基于微服務架構的畜禽養(yǎng)殖智慧決策云平臺?；谠撛破脚_，開發(fā)“畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測與智能調(diào)控系統(tǒng)”“基于RFID 的奶牛精細化飼養(yǎng)管理系統(tǒng)”“AH IoT 信息管理系統(tǒng)”等業(yè)務流系統(tǒng)74個（包括生態(tài)環(huán)境類24個、生理健康類29個、生長發(fā)育類21個）、數(shù)據(jù)流系統(tǒng)23個，開展數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，對養(yǎng)殖設施和裝備單元進行遠程控制，搭建數(shù)據(jù)反饋鏈路，形成了畜禽智慧養(yǎng)殖的“感知—傳輸—應用—反饋”閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應用服務的無人值守。面向政府部門、養(yǎng)殖場戶、科研高校、科技公司和社會公眾等不同群體，云平臺運用精準推送、用戶畫像等技術，開展個性化、專業(yè)化、定制化服務，構建了具有中國特色的畜禽健康養(yǎng)殖全過程智慧化管理[15]。

3 推廣應用及社會效益

本項目2007年到2020年實現(xiàn)綜合經(jīng)濟效益36.68 億元；投資年純收益率3.95，科研投資回報水平較高。預計未來5年，可新增經(jīng)濟效益15.62 億元。

3.1 推廣應用情況

中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術服務與創(chuàng)新團隊一直立足國家重大戰(zhàn)略需求，瞄準世界科技前沿，面向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主戰(zhàn)場，密切聯(lián)系畜禽養(yǎng)殖生產(chǎn)實際，取得了一系列創(chuàng)新性成果。成果采用產(chǎn)、學、研、用一體化及技術轉讓、社會化服務+政府技術推廣+龍頭企業(yè)等模式，先后在31 省（市、區(qū)）推廣應用，取得了良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。推廣應用呈現(xiàn)如下特點：

一是在政府推廣領域，本成果經(jīng)過政府管理部門推廣應用，發(fā)揮政府引導作用，體現(xiàn)科技進步的驅動性，有力提高了我國畜牧業(yè)信息化發(fā)展水平。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部市場與信息化司認為：該成果在31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設兵團得到廣泛推廣應用，其技術兼具先進性和普適性，促進了畜禽養(yǎng)殖信息化、智慧化和現(xiàn)代化，加快了農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展，有效提升了我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展水平。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜牧獸醫(yī)局認為：該成果創(chuàng)新性突出，應用效果顯著，社會反響較好，顯著提升了我國畜牧業(yè)信息化發(fā)展水平，有力推進了畜牧業(yè)高質量發(fā)展步伐。北京市農(nóng)業(yè)局信息中心認為：該成果符合北京市肉雞、蛋雞、生豬和奶牛等生產(chǎn)實際，符合北京市畜牧養(yǎng)殖場（智慧牧場）對信息化關鍵技術和智能裝備的迫切需求，推動了北京畜牧業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

二是在成果轉化領域，本成果經(jīng)過科技公司等單位推廣應用，發(fā)揮科技引領作用，體現(xiàn)科技創(chuàng)新的先進性，有力提高了我國畜牧產(chǎn)業(yè)智能裝備水平。北京旗碩基業(yè)科技股份有限公司認為：該成果的先進技術和裝備被我公司吸收借鑒，并轉化為產(chǎn)品；目前，產(chǎn)品已銷往20 多個省、市、自治區(qū)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。銘農(nóng)（上海）信息科技有限公司認為：該成果在江蘇、山東、河北等地的獸藥經(jīng)營企業(yè)、規(guī)模養(yǎng)殖場和獸藥監(jiān)管部門開展了示范應用推廣，公司用戶不斷增加，銷售業(yè)績逐年提升，累計增加經(jīng)濟效益1300 多萬元。成都天田科技有限公司認為：自2014年開始在西南地區(qū)的大型養(yǎng)殖場推廣應用該成果，累計新增產(chǎn)值達5316.65 萬元，新增利稅達463 萬元，為促進西南地區(qū)的智慧養(yǎng)殖技術應用提供了支撐。

三是在生產(chǎn)應用領域，本成果經(jīng)過畜禽養(yǎng)殖企業(yè)推廣應用，發(fā)揮示范帶動作用，體現(xiàn)科技應用的效應性，有力提高了我國畜牧產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效能力。北京大北農(nóng)科技集團股份有限公司認為：我公司應用該成果后，生豬企業(yè)飼料轉化效率提高6%，死淘率降低至10%以下，養(yǎng)殖能耗降低15%，防疫成本降低10 元/頭，人工投入成本降低20 元/頭；能繁母豬繁殖率提高10%，有效胎次提高1～2 胎，仔豬成活率提高5%，折算后的總體經(jīng)濟收益增幅31%左右。

山東陽信億利源清真肉類有限公司認為：推廣應用之后，公司工作人員數(shù)量可減少1/3，料肉比降低0.4，防疫成本平均減少70 元/頭，效益平均增長10%，利潤增長600 元/頭；另據(jù)測算，2012年6 月至2019年6 月期間，該成果新增銷售收入達23640 萬元。廣東湛江廣墾沃而多原種豬有限公司認為：該項目數(shù)字化、自動化設備及技術的應用，使生產(chǎn)母豬窩均產(chǎn)健仔數(shù)增加了0.02 頭，生豬全程成活率同比提高1%，為公司創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益，為全面提高集團及行業(yè)生豬養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化水平提供了技術和裝備支撐。

3.2 社會效益

本研究緊緊圍繞我國物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術與畜牧業(yè)深度融合難、畜禽養(yǎng)殖復雜環(huán)境多特征聯(lián)動監(jiān)測難、高效養(yǎng)殖智能分析預警調(diào)控難等現(xiàn)代畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重點、難點和關鍵問題，取得了一系列創(chuàng)新性成果，產(chǎn)生了良好的社會效益和生態(tài)效益。

一方面促進了畜牧業(yè)信息化學科發(fā)展和行業(yè)科技進步。本成果整體國際先進、部分國際領先，畜禽養(yǎng)殖部分儀器裝備通過自主創(chuàng)新實現(xiàn)了國產(chǎn)化、低成本，推動了產(chǎn)業(yè)技術進步，引領了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。本成果2007-2019年畜禽感知專利占全球的2.19 %，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化水平由2011年的3%提升為2018年的18.6%做出了貢獻。其次，推動了畜牧業(yè)節(jié)本增效和綠色發(fā)展。據(jù)測算，本成果每年節(jié)約各類飼料1300 萬噸、減少家畜死亡500 萬頭、節(jié)約生產(chǎn)用水1800 萬噸，保護了自然資源和生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)升級換代，推動了畜牧業(yè)高質量發(fā)展。另外，提高了畜禽生產(chǎn)效率并保障了畜產(chǎn)品質量安全。本成果“生態(tài)-生理-生長”多維專用傳感技術的早感知、早分析及早預測，有利于動物生長發(fā)育的早促進、早調(diào)控和早施策，動物疫病的早發(fā)現(xiàn)、早預防和早治療，有效提高了畜產(chǎn)品產(chǎn)量，降低了畜產(chǎn)品質量安全中的生物風險，保障和改善了民生。