劉繼芳，韓書慶，齊秀麗

中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、4/5G等信息技術的推廣與運用，信息化已經(jīng)成為提升我國養(yǎng)殖業(yè)綜合生產(chǎn)能力、提高畜禽產(chǎn)品質量安全水平的重要手段[1]。國家高度重視養(yǎng)殖業(yè)信息化發(fā)展，國務院辦公廳在《關于促進畜牧業(yè)高質量發(fā)展的意見（國辦發(fā)〔2020〕31號）》中提出要提升畜牧業(yè)信息化水平，加強大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術在畜牧業(yè)中的應用，提高圈舍環(huán)境調控、精準飼喂、動物疫病監(jiān)測、畜禽產(chǎn)品追溯等智能化水平[2]?；诖?，本文對養(yǎng)殖信息化技術的熱點領域成果進行總結，并集合典型案例對其中的主要信息化技術進行分析，以供行業(yè)內的人了解和更廣泛的應用，提升中國養(yǎng)殖業(yè)綜合生產(chǎn)能力，推進現(xiàn)代化養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術

1.1 養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控技術

養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測技術是運用特定的傳感器（如攝像頭、溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器等）采集養(yǎng)殖環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過藍牙、Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、移動互聯(lián)網(wǎng)等將采集到的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_服務器，從而監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境實時圖像以及風速、溫濕度、光照強度和O2、NH3、H2S、CO2、CH4等氣體濃度指標，并進行精確控制，以確保養(yǎng)殖環(huán)境的最佳狀態(tài)，降低養(yǎng)殖場病害產(chǎn)生，達到增產(chǎn)和節(jié)約成本目的。

韓書慶等[3]基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術研發(fā)了奶牛養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠遠程實時監(jiān)測奶牛舍溫度、濕度、光照強度、風速以及NH3濃度等環(huán)境因子的動態(tài)變化情況（圖1）[3]。王紅軍[4]結合生豬的生長環(huán)境和特點設計了一套基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的生豬養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)控豬舍中的溫度、濕度、光照強度及有害氣體濃度等因素的情況。山東仁科測控技術有限公司開發(fā)的智慧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)適用于雞舍、鴨舍、豬場、牛場等養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測，系統(tǒng)包括環(huán)境信息監(jiān)測部分、視頻監(jiān)控部分、自動控制部分和信息管理平臺[5]。黑龍江省雙城市雀巢公司奶牛養(yǎng)殖基地應用自動控制技術維持牛溫濕度等指標的恒定，為奶牛生長提供了良好的環(huán)境條件。

圖1 奶牛場養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測設備

1.2 發(fā)情監(jiān)測技術

發(fā)情監(jiān)測技術是通過實時采集動物活動信息，將動物正常和發(fā)情時的不同活動曲線和數(shù)據(jù)進行對比，得出結論，再通過互聯(lián)網(wǎng)及短信平臺將信息發(fā)送給牧場管理者，以達到適時配種、減少漏情漏配、提高動物繁殖效率的目的。

監(jiān)測牛只發(fā)情的數(shù)字化管理系統(tǒng)有：加速度感應器發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)，基于發(fā)情期耳溫、陰道溫度變化設計的發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)，通過視頻紀錄結合數(shù)字化算法分析的自動視頻分析技術及產(chǎn)品等[6]。如劉忠超和劉勇軍[7]通過傳感器采集奶牛背部壓力、尾部壓力信息，使用顯示屏進行人機交互完成了壓力監(jiān)測終端的設計，并開發(fā)了Android平臺的手機APP壓力監(jiān)測系統(tǒng)，可無線遠程監(jiān)測奶牛發(fā)情爬跨行為。劉忠超和何東健[8]根據(jù)奶牛發(fā)情時陰道黏液生理特征變化，設計了由黃銅電阻探頭、8爪防滑裝置構成的奶牛陰道植入式電阻傳感器，對陰道電阻值進行采集，開發(fā)了奶牛陰道電阻上位機實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了奶牛陰道電阻的精確采集和遠程實時監(jiān)測。以色列阿菲金公司（Afimilk）、瑞典利拉伐公司（Delaval）等也已開發(fā)出此類商品化產(chǎn)品[9]。銀川奧特軟件有限公司開發(fā)的用于實時監(jiān)測奶牛發(fā)情的UCOWS奶牛發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)對育成牛監(jiān)測結果的準確性達90.12%[10]。在產(chǎn)業(yè)應用中，寧夏吳忠市玉柱園區(qū)向東牧場300 頭奶牛使用阿菲金發(fā)情監(jiān)測系統(tǒng)，減少空懷天數(shù)、發(fā)情監(jiān)測員支出共計174 600 元，而購買設備費用也為174 600 元，1 年即可以回本[11]。

2 個體識別技術

畜禽個體識別技術目前主要面向牛、豬、羊等動物，主要采用的方式有射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）和機器視覺技術。

2.1 RFID 技術

RFID已經(jīng)廣泛應用于飼養(yǎng)規(guī)模較大、飼養(yǎng)水平較高、個體生產(chǎn)能力較高的奶牛場。RFID系統(tǒng)由閱讀器、電子標簽和應用軟件系統(tǒng)3部分組成。動物安裝RFID的基本方法包括頸圈式、耳標式（圖2）[12]、可注射式以及藥丸式等，通過識別動物佩戴的RFID標簽，可以讀取動物個體的相關信息，從而提升畜禽身份識別、跟蹤、飼養(yǎng)、防疫、育種及物流運輸全過程的信息化[12]，但當前RFID電子標簽的成本仍舊較高，隨著規(guī)模養(yǎng)殖場增多，未來低成本的無芯片RFID標簽技術將成為RFID電子標簽技術的發(fā)展方向。

圖2 耳標式RFID

2.2 機器視覺技術

機器視覺技術主要用計算機來模擬人的視覺功能，并從圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制，利用機器視覺技術進行奶牛個體檢測具有非接觸、免應激、低成本、高通量、不干擾奶牛正?；顒拥葍?yōu)點[13]。

基于圖像的機器視覺技術實現(xiàn)動物個體識別的研究很多。滕光輝等[14]利用機器視覺技術對母豬的后軀進行三維重構，找到一種高效、準確且無應激的母豬體況評分方法。韓書慶等[13]根據(jù)成像技術特點，從數(shù)字成像、三維視覺成像和熱成像技術三個方向介紹了基于機器視覺技術對奶牛跛腳監(jiān)測的研究進展，發(fā)現(xiàn)當前奶牛跛行自動識別技術研究大多集中在傳感器研發(fā)和算法開發(fā)。應用人工智能識別牛臉進展迅速，趙建敏等[15]基于改進K-SVD算法實現(xiàn)牛臉識別，改進后的算法識別率達到90%以上，識別效果有了較大提升。此外，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡[16]、深度學習[17]、遷移學習[18]等方法目前也已在牛臉識別上得到應用。

基于視頻的機器視覺技術更多用在奶牛體況評分上，其原理是基于在分隔門上的3D攝像，當奶牛從攝像頭下面經(jīng)過時，系統(tǒng)自動拍攝奶?；顒硬囊曨l序列中選出最佳的靜態(tài)照片，再通過專業(yè)算法將圖像轉化為精準的體況分數(shù)。

3 奶牛精準飼喂技術

奶牛的精準飼喂目前主要為全混合日糧（Total Mixed Rations，TMR）技術。該技術始于20世紀50年代的意大利，目前歐美奶業(yè)發(fā)達的國家以及亞洲的以色列、日本和韓國的奶牛場普遍使用了TMR技術，中國大部分規(guī)模奶牛場也采用了該飼養(yǎng)技術[19]。奶牛精準飼喂技術通過壓力傳感器、紅外傳感器等實時獲取奶牛個體生理狀態(tài)的數(shù)據(jù)（體重、耳標號），結合奶牛精細飼喂模型，分析最佳采食量，對奶牛飼料配方進行科學配比，然后把進食量分量、分時間傳輸給飼喂設備為該奶牛下料。針對不同個體的不同生長狀態(tài)（如體況、體重、年齡、體溫、環(huán)境因素等），采用適合不同個體生長的飼料配方和最佳采食量，指揮喂食機自動配給飼料和統(tǒng)計，有效實現(xiàn)對養(yǎng)殖動物的科學飼喂。

上海海豐奶牛場應用TMR Watch系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)考核操作人員，使操作人員操作準確率提高了30%，飼料浪費減少了10.3%，降低了勞動力成本和牧場管理成本（圖3）[20]。2018年山東濟南某存欄200 頭牛的養(yǎng)殖場應用了TMR技術，整個泌乳期，每頭奶牛的平均產(chǎn)奶量增加821 kg，乳脂率增加0.09%，乳脂固形物增加0.1%?？廴ワ暳腺M用支出，每頭奶牛增加收入超過3 900 元，經(jīng)濟效益顯著[21]。

圖3 TMRWatch精準飼喂系統(tǒng)

4 智能機器人技術

4.1 自走式機器人

自走式機器人分為清潔機器人、消毒機器人、推料機器人等，主要由主動行走機構、功能執(zhí)行機構、傳感器、控制系統(tǒng)和電源組成，能夠按照設定的路線行走，完成清潔、消毒、推料等任務，具有自主定位、智能避障、自動充電等功能。楊存志等[22]研制了遠程遙控自走式智能牛舍清潔機器人，可通過超聲波測距和陀螺儀定位方法精確檢測推進的距離和方向。馮青春等[23]設計了一款可移動的畜禽舍防疫消毒機器人，由移動承載平臺、防疫噴霧部件、環(huán)境監(jiān)測傳感器以及控制器等4 部分構成，支持全自動運行和遙控操作2 種工作模式（圖4）[23]。

圖4 自主行走畜禽舍防疫消毒機器人

4.2 擠奶機器人系統(tǒng)

擠奶機器人系統(tǒng)包括擠奶位、乳頭檢測、機器手臂、乳頭清洗、控制系統(tǒng)和擠奶系統(tǒng)，通過傳感技術快速、準確和正確進行乳頭識別、套杯、清洗、烘干，實現(xiàn)自動清潔乳房，高效擠奶，整個過程自動化、智能化，使奶牛更加健康舒適，并能有效控制牛奶品質，節(jié)約時間和成本，有些系統(tǒng)還能識別奶牛乳腺炎的發(fā)病情況（圖5）[24]。使用擠奶機器人可以提高奶牛產(chǎn)奶量20%～50%[25]。歐美發(fā)達國家自動擠奶設備的普及率相當高，國內學者也不斷對擠奶機器人進行研究開發(fā)。楊圣虎[26]以Lely擠奶機器人為參考對象，根據(jù)擠奶機器人的工作任務和技術參數(shù)要求，針對現(xiàn)有的擠奶機器人機構形式，提出了一種三自由度串聯(lián)關節(jié)型擠奶機械臂。楊存志等[27]針對我國主產(chǎn)區(qū)奶牛特征，研發(fā)出一套具有自主知識產(chǎn)權的全自動智能擠奶機器人，主要對擠奶機器人的驅動系統(tǒng)、三自由度運動機構、擠奶機械臂、擠奶箱、清潔機構及擠奶杯等機構進行了優(yōu)化設計。美國南達科他州規(guī)模最大的奶牛場埃利奧特（Elliott）農(nóng)場已經(jīng)開始采用擠奶機器人作業(yè)，實現(xiàn)了奶牛24 h自主擠奶，在提高了奶牛舒適度的同時，大大節(jié)約了人工成本[28]。

圖5 Lely智能擠奶機器人

5 數(shù)字化畜牧管理系統(tǒng)

數(shù)字化畜牧管理系統(tǒng)是利用感知技術、數(shù)據(jù)傳輸技術、智能處理技術在畜禽養(yǎng)殖場范圍內建立的一套信息化平臺，可以對整個產(chǎn)業(yè)鏈中每個環(huán)節(jié)，從環(huán)境控制、養(yǎng)殖、生產(chǎn)直至銷售終端的全程記錄，實現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈的信息化、資源配置的合理化、資源利用率的最大化，從根本上提高了勞動生產(chǎn)率和畜牧企業(yè)的市場競爭力。在奶牛養(yǎng)殖領域，常見的奶牛數(shù)字化養(yǎng)殖管理系統(tǒng)主要管理功能由牛號自動識別、發(fā)情自動監(jiān)測、產(chǎn)奶量電子計量等12 個功能模塊（圖6）[29]構成。1983年，Afimilk研發(fā)了全球第一套計算機牧場管理軟件——阿菲牧（AfiFarm），創(chuàng)造性地將牧場數(shù)據(jù)信息收集、整理和奶牛養(yǎng)殖技術融合。目前AfiFarm已經(jīng)升級至5.3版本[30]。

圖6 奶牛數(shù)字化養(yǎng)殖管理系統(tǒng)

除此之外，畜牧管理系統(tǒng)也在生豬養(yǎng)殖領域得到了廣泛應用，1997年，英國的PIC公司進入中國，使用Pigtales軟件輔助生產(chǎn)管理；1998年，新西蘭研發(fā)的Pig WIN豬場管理軟件進入中國市場；2012年，美國 SMS 軟件由四川天兆集團引入使用；2016年，美國Herdsman2000、英國Agritec公司的Porcitec等豬場管理軟件平臺相繼進入中國。

6 信息化養(yǎng)殖面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展建議

6.1 面臨的挑戰(zhàn)

6.1.1 信息化養(yǎng)殖人才稀缺，知識體系不完善

中國傳統(tǒng)的養(yǎng)殖業(yè)中，信息化養(yǎng)殖人才相對較少，對信息化技術的認知不足，在信息化技術的運用上存在一定的困難。同時，信息化養(yǎng)殖的知識內容比較分散，知識體系不夠完善，這都使得信息化養(yǎng)殖技術的快速推廣受到限制。

6.1.2 技術研發(fā)起步晚，智能化設備普及度低

相對于發(fā)達國家，目前中國的信息化水平還處于初級階段，研發(fā)水平還比較落后，有些核心技術和產(chǎn)品還需要從國外購買，而進口產(chǎn)品的價格較高，養(yǎng)殖場（戶）購買壓力大，這使得信息化養(yǎng)殖的大面積推廣受到限制。其中，排在首位制約我國畜牧業(yè)精細發(fā)展的硬件技術是傳感器技術，穩(wěn)定性差，無法在精準發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)風險問題的同時，實時進行優(yōu)化調控[31]。

6.2 發(fā)展建議

隨著人工智能技術的快速迭代，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)資源為基礎的“農(nóng)業(yè)大腦”正在形成，高度信息化的智能牧場將成為養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)的主流方式。為適應養(yǎng)殖信息化發(fā)展浪潮，針對中國特有國情和現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，提出以下發(fā)展建議。

6.2.1 構建政策、人才、知識服務體系

完善行業(yè)標準，在政策上對信息化養(yǎng)殖給予更多的鼓勵與引導，資金上給予更多的補貼，解決設備購置貴、難的問題；政府部門與相關行業(yè)組織做好養(yǎng)殖知識的基礎普及，定期組織培訓與科普宣講，給養(yǎng)殖人員灌輸更多科學、先進的基礎理論，為信息化養(yǎng)殖提供知識和專業(yè)人才的儲備；同時，建立網(wǎng)絡知識智庫，分享養(yǎng)殖經(jīng)驗，通過實踐將技術與知識貫通，實打實的解決行業(yè)難點。

6.2.2 信息技術與養(yǎng)殖業(yè)深度結合

相比其他行業(yè)，目前信息技術在養(yǎng)殖業(yè)中的應用相對落后。應多學習國內外其他行業(yè)在信息化應用方面的優(yōu)秀案例，有利于信息化技術更好的與養(yǎng)殖業(yè)結合。加強傳感器、芯片等核心技術的研發(fā)，擺脫對其他國家技術的依賴。

6.2.3 打造“不可修改”的質量溯源

從科技金融領域走出來的區(qū)塊鏈技術與日益成熟的量子通訊技術將在動物飼養(yǎng)、畜產(chǎn)品質量溯源等方面提供有力的技術支撐[32]。如可將區(qū)塊鏈打造的“牢不可破”追溯防偽鏈條，量子云碼打造的“一物一碼”的高效防偽應用于養(yǎng)殖業(yè)，可以更好地讓國民購買到放心食品，促進養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展。