摘要： 家畜疫病的發(fā)生及傳播與養(yǎng)殖環(huán)境密切相關(guān)，實(shí)現(xiàn)畜舍環(huán)境信息的精準(zhǔn)感知及智能化調(diào)控是提高動(dòng)物健康水平及生產(chǎn)性能的關(guān)鍵，對(duì)我國(guó)畜牧產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。本文從畜舍養(yǎng)殖環(huán)境指標(biāo)體系、精準(zhǔn)感知技術(shù)與方法、環(huán)境優(yōu)化調(diào)控策略及舒適度評(píng)估4 個(gè)方面出發(fā)，介紹了影響家畜健康的環(huán)境指標(biāo)、畜舍養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、無線數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化技術(shù)，闡述了環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型及分布規(guī)律的研究，并重點(diǎn)分析了畜舍調(diào)控裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)、多環(huán)境參數(shù)調(diào)控及環(huán)境舒適度評(píng)估模型等方面的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，最后總結(jié)了當(dāng)前畜舍環(huán)境智能監(jiān)控應(yīng)用所存在的問題，并對(duì)今后養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為我國(guó)全面發(fā)展智慧畜牧業(yè)、提升生產(chǎn)效率提供參考。

關(guān)鍵詞： 畜舍環(huán)境；智能監(jiān)控設(shè)備；精準(zhǔn)感知；優(yōu)化調(diào)控；舒適度評(píng)估

中圖分類號(hào)： S8-1；S815.9；S82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1001-411X（2024）05-0672-13

健康養(yǎng)殖是畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提條件，是加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的重要保障，更是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然方向。2022 年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部就《“十四五”全國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》[1] 中指出，要以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)為基礎(chǔ)，以穩(wěn)產(chǎn)能、防疫病為重點(diǎn)，全面發(fā)展智慧畜牧業(yè)，其中養(yǎng)殖環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)智能化養(yǎng)殖全過程的重要任務(wù)之一。牛、羊、豬等家畜是恒溫動(dòng)物，品種、飼料和環(huán)境是影響家畜健康的三大要素，其中養(yǎng)殖環(huán)境是其活動(dòng)的主要場(chǎng)所，各環(huán)境因素之間相互影響、相互制約，從而形成了一個(gè)復(fù)雜的、非線性養(yǎng)殖系統(tǒng)[2]。

傳統(tǒng)畜舍環(huán)境主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷與管控，調(diào)節(jié)具有滯后性且效率低下。近年來隨著我國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；?、集約化程度不斷提高，高密度的舍內(nèi)集中飼養(yǎng)方式已成為養(yǎng)殖場(chǎng)的普遍選擇，智能化的養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控裝備及設(shè)施也逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中[3-4]。但環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化與動(dòng)物個(gè)體生理反應(yīng)、行為特征及生產(chǎn)性能密切相關(guān)，如何處理好夏季通風(fēng)散熱、冬季保溫除濕，進(jìn)而營(yíng)造出一個(gè)健康、舒適的畜舍環(huán)境，對(duì)于保障動(dòng)物福利至關(guān)重要[5]。為改善家畜生長(zhǎng)環(huán)境條件、實(shí)現(xiàn)畜舍養(yǎng)殖環(huán)境智能化監(jiān)控，主要技術(shù)和研究方法如下：1） 深入分析多類型環(huán)境指標(biāo)與家畜個(gè)體生理、行為及生產(chǎn)性能之間的相關(guān)關(guān)系，從而確定關(guān)鍵環(huán)境因素是實(shí)現(xiàn)畜舍環(huán)境調(diào)控的前提；2） 環(huán)境信息數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取是全面掌握畜舍環(huán)境信息的重要依據(jù)，環(huán)境監(jiān)控設(shè)備研發(fā)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型及分布規(guī)律研究可為畜舍環(huán)境智能化調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐；3） 充分挖掘規(guī)?；笊狃B(yǎng)殖環(huán)境的特點(diǎn)，并基于理論模型及機(jī)器學(xué)習(xí)算法的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)畜舍散熱、保溫舍結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，以及解決舍內(nèi)夏季除濕降溫、冬季保溫除濕與噴淋、通風(fēng)等控制設(shè)備之間的矛盾關(guān)系是改善舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵所在；4） 綜合評(píng)估畜舍養(yǎng)殖環(huán)境從而反映環(huán)境舒適度狀況，對(duì)于進(jìn)一步指導(dǎo)畜舍管理和環(huán)境調(diào)控、保障家畜生產(chǎn)效率和提高福利狀況具有重要意義。因此，本文從影響畜舍環(huán)境關(guān)鍵指標(biāo)、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)感知技術(shù)與方法、畜舍環(huán)境優(yōu)化調(diào)控策略、環(huán)境舒適度評(píng)估模型等方面對(duì)近年來的研究進(jìn)行了總結(jié)，全面綜述了畜舍養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控中涉及的無線傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、人工智能等算法的研究及發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)畜舍養(yǎng)殖環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控及智能裝備發(fā)展方向進(jìn)行了展望，從而為智慧畜牧業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)、加速形成畜牧行業(yè)的新質(zhì)生產(chǎn)力提供參考。

1 畜舍養(yǎng)殖環(huán)境指標(biāo)體系

畜舍環(huán)境指標(biāo)主要為溫?zé)岘h(huán)境與空氣質(zhì)量[6]。前者包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速以及光照，影響舍內(nèi)環(huán)境熱濕平衡及動(dòng)物機(jī)體代謝產(chǎn)熱；后者包括由動(dòng)物自身代謝、畜舍糞尿、墊料及飼料等分解產(chǎn)生的CO2、NH3、CH4 及H2S 等有害氣體，以及由舍內(nèi)飼養(yǎng)管理和動(dòng)物活動(dòng)等產(chǎn)生的粉塵顆粒物PM2 . 5、PM10 及總懸浮顆粒物（Total suspended particulates，TSP）。當(dāng)上述環(huán)境因素超過家畜所承受的生理限制，將會(huì)導(dǎo)致冷、熱應(yīng)激現(xiàn)象發(fā)生，通常表現(xiàn)在動(dòng)物的生理變化及行為反應(yīng)[7-8]。

1.1 溫?zé)岘h(huán)境指標(biāo)

家畜主要通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射及蒸發(fā)等方式，將自身熱量散發(fā)至周圍環(huán)境中，并通過調(diào)節(jié)生理反應(yīng)及行為特征與外界環(huán)境保持熱平衡。其中，溫度決定了動(dòng)物皮膚表面與環(huán)境的對(duì)流換熱溫差，溫度過高或過低將會(huì)影響對(duì)流換熱量，直接造成動(dòng)物冷、熱應(yīng)激反應(yīng)；而相對(duì)濕度是指空氣中的水汽含量，其過高同樣會(huì)影響家畜機(jī)體熱濕調(diào)節(jié)，降低環(huán)境舒適度[5]。汪開英等[9-10] 研究表明，豬舍內(nèi)環(huán)境溫度高于33.76 ℃ 時(shí)，豬只平均體溫高達(dá)39.87 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出豬只正常體溫（39.2 ℃），并與豬只心率、行為存在極為顯著的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)出現(xiàn)飲水量增加、采食量減少、日增質(zhì)量減緩等不良反應(yīng)。而當(dāng)環(huán)境溫度高于30 ℃、相對(duì)濕度高于85% 時(shí)，濕度對(duì)豬只的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致豬只的呼吸頻率高于25～45 次/min 的正常范圍，嚴(yán)重時(shí)呼吸頻率高達(dá)120～168 次/min。原因在于高溫高濕時(shí)，豬的蒸發(fā)散熱過程受到了抑制，機(jī)體內(nèi)部熱量聚積，熱平衡遭到破壞導(dǎo)致應(yīng)激反應(yīng)更加嚴(yán)重。養(yǎng)殖舍內(nèi)適當(dāng)通風(fēng)可以帶走多余的熱量和水汽，通過調(diào)整氣流分布可改善舍內(nèi)溫、濕度分布情況，在一定程度上起到協(xié)調(diào)舍內(nèi)溫濕平衡的作用。但過高的風(fēng)速也會(huì)影響動(dòng)物皮膚表面的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)致機(jī)體散熱量增加[11]。Mader 等[12] 在18 個(gè)實(shí)驗(yàn)室及5 個(gè)生豬場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明空氣流速的變化將會(huì)影響動(dòng)物的生長(zhǎng)和飼料轉(zhuǎn)化率，當(dāng)溫度低于10 ℃，風(fēng)速的增加導(dǎo)致豬體表面溫度下降、躺臥時(shí)長(zhǎng)增加，當(dāng)氣溫高于40.6 ℃ 時(shí)，豬體表面溫度低于空氣溫度則失去了對(duì)流冷卻的作用，豬只熱應(yīng)激更加嚴(yán)重。臧強(qiáng)等[13] 研究發(fā)現(xiàn)，躺臥是羊只休息常采用的方式，隨著舍內(nèi)溫度從27 ℃ 升高至30 ℃，更多的羊只選擇躺臥在通風(fēng)較好、無陽(yáng)光直射的區(qū)域。魯煜建等[14] 對(duì)東北地區(qū)舍飼散養(yǎng)奶牛場(chǎng)整個(gè)夏季舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)以及奶牛陰道溫度、行為參數(shù)和產(chǎn)奶性能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明當(dāng)奶牛遭受不同程度的熱應(yīng)激時(shí)，核心體溫逐漸上升，站立時(shí)間則相應(yīng)增加，躺臥時(shí)間及產(chǎn)奶量顯著下降。而冬季條件下太陽(yáng)輻射至關(guān)重要，就生產(chǎn)性能而言，與接受自然長(zhǎng)度光照（39～93 Lx，9～12 h） 的奶牛相比，每天16 h 的光照（114～207 Lx） 時(shí)長(zhǎng)會(huì)使奶牛的產(chǎn)奶量增加10%～15%[15]。Dahl 等[16] 表明將光照從每天不足12 h （短日光周期） 增加到每天16～18 h （長(zhǎng)日光周期） 可將每頭牛的日產(chǎn)奶量提高2.5 kg。Muthuramalingam等[17] 研究了不同光照強(qiáng)度對(duì)褪黑激素的影響水平，當(dāng)夜晚光照強(qiáng)度高于50 Lx 時(shí)，褪黑激素分泌會(huì)受到抑制，明確了光照對(duì)產(chǎn)奶量的促進(jìn)作用。此外，太陽(yáng)輻射不僅可以提高舍內(nèi)的溫度，家畜個(gè)體吸收的太陽(yáng)輻射能量為自身代謝產(chǎn)熱量的數(shù)倍，可緩解冬季冷應(yīng)激狀況。

1.2 空氣質(zhì)量指標(biāo)

集約化養(yǎng)殖方式下，家畜良好的健康狀況同樣可以增強(qiáng)抵抗外界環(huán)境變化的能力[18]。當(dāng)體溫調(diào)節(jié)機(jī)制無法補(bǔ)償外界溫?zé)岘h(huán)境帶來的影響，家畜會(huì)啟動(dòng)一系列非特異性的自身免疫反應(yīng)，使機(jī)體的免疫功能呈抑制狀態(tài)，以緩解應(yīng)激帶來的影響[ 1 9 - 2 1 ]。CO2、NH3、CH4、H2S 等有害氣體隨著畜舍飼養(yǎng)密度的增加及排泄物的分解而逐漸增加，而顆粒物攜帶細(xì)菌和病原體，并吸附有害氣體，對(duì)人畜健康造成不利影響[22-23]。尤其是夏季溫度升高、冬季封閉養(yǎng)殖方式下，通風(fēng)不足將會(huì)導(dǎo)致舍內(nèi)空氣質(zhì)量變差，從而引發(fā)各種疾病，導(dǎo)致家畜免疫能力下降、體質(zhì)變?nèi)鮗24-25]。研究學(xué)者針對(duì)空氣中有害氣體、粉塵及微生物綜合環(huán)境質(zhì)量對(duì)動(dòng)物個(gè)體生理、行為及生產(chǎn)性能的影響進(jìn)行了大量研究。代小蓉等[26] 對(duì)華東地區(qū)典型保育豬舍進(jìn)行了空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，揭示了CO2、NH3、H2S 及CH4 等指標(biāo)每日和四季的含量及變化規(guī)律，研究表明CO2 濃度超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度的時(shí)段占78%，主要發(fā)生在春、夏、秋三季的白天；較高的NH3 濃度值出現(xiàn)在外界溫度逐漸上升的4 月份（月平均質(zhì)量濃度為23.0±9.0 mg/m3），全年小時(shí)平均值超過20 mg/m3 的時(shí)段占6%，年平均質(zhì)量濃度為1 0 . 9 ± 8 . 4 m g / m 3 ，不能完全滿足NH3 質(zhì)量濃度的控制要求，而H2S 及CH4 含量較低，未對(duì)豬只的健康狀況造成危害。汪開英等[27] 和Ferrari 等[28] 研究表明呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)生的因素之一是空氣質(zhì)量差，尤其是在沒有適當(dāng)通風(fēng)的封閉式屋舍中，高濃度的粉塵環(huán)境將嚴(yán)重影響奶牛的健康狀況。對(duì)家畜個(gè)體與環(huán)境相互作用的研究方法十分重要，原因在于通過動(dòng)物的生理狀況、行為反應(yīng)及生產(chǎn)性能等可以進(jìn)一步指導(dǎo)通風(fēng)、加熱等環(huán)境調(diào)控方案。

2 畜舍環(huán)境數(shù)據(jù)精準(zhǔn)感知技術(shù)與方法。

環(huán)境數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)感知是實(shí)現(xiàn)畜舍環(huán)境智能調(diào)控的重要保障，研究者們探索了各種有效獲取環(huán)境參數(shù)的方法，主要包括環(huán)境智能監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化技術(shù)、環(huán)境參數(shù)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建及分布規(guī)律研究等。

2.1 環(huán)境智能監(jiān)控設(shè)備研發(fā)

在信息化不斷發(fā)展的過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧畜牧監(jiān)控領(lǐng)域得到了有效應(yīng)用，極大地提高了畜牧養(yǎng)殖效率[3]。先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)控設(shè)備不僅能夠采集多種類型的環(huán)境數(shù)據(jù)，還具備存儲(chǔ)管理、遠(yuǎn)程傳輸及智能調(diào)控的能力，可實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)和通風(fēng)、散熱及補(bǔ)光等系統(tǒng)的集中管理功能[29]，畜舍物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)如圖1 所示。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)畜舍及用戶對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求，集成各類傳感器，采用多種無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式，研制了不同組合的環(huán)境智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜養(yǎng)殖環(huán)境條件下的信息感知及遠(yuǎn)程調(diào)控。常用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)包括ZigBee、WiFi、LoRa 等，其應(yīng)用場(chǎng)景及優(yōu)點(diǎn)如表1 所示。為方便規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)， C h e n 等[ 3 0 ] 和張宇等[ 3 1 ] 提出了一種基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的畜禽舍養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層，其中感知層負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，傳輸層借助ZigBee 技術(shù)和無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成設(shè)備的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)通信，并通過后臺(tái)服務(wù)器算法完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理和系統(tǒng)客戶端的數(shù)據(jù)顯示與實(shí)時(shí)調(diào)控[30-31]。周麗萍等[32] 設(shè)計(jì)了一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在移動(dòng)巡檢車上安裝車載終端，通過無線WiFi 模塊采集豬舍各處的溫度、相對(duì)濕度、H2S、NH3、PM10 和PM2.5 濃度等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬舍養(yǎng)殖環(huán)境的遠(yuǎn)程管理和調(diào)控。Umega 等[33] 將WiFi 與RFID 技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一種用于獲取奶牛舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度以及奶牛心率等參數(shù)的畜舍監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合奶牛熱應(yīng)激指數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)奶牛的健康監(jiān)測(cè)與管控。上述基于無線局域網(wǎng)（Wireless local areanetwork，WLAN） 技術(shù)的畜舍無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)環(huán)境智能化調(diào)控提供了良好的設(shè)施平臺(tái)，但存在成本高、傳輸距離受限等問題。例如ZigBee 雖然自組網(wǎng)能力較強(qiáng)，但其傳輸距離較短且通信穩(wěn)定性較差，芯片與其他外圍器件的成本不低于60 元，顯然不適合需要大量節(jié)點(diǎn)的畜舍使用。而以LoRa 為代表的低功耗無線廣域網(wǎng)技術(shù)正在崛起。如表1 所示，相比于WLAN 技術(shù)，這種通信技術(shù)能夠連接并控制大量傳感器，具有低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)。Germani 等[34] 基于無線廣域網(wǎng)技術(shù)的軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)施和性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使用LoRa 技術(shù)監(jiān)測(cè)牛舍環(huán)境參數(shù)與動(dòng)物生命參數(shù)，并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行了充分驗(yàn)證。Liu 等[35] 和Fu 等[36] 針對(duì)畜舍環(huán)境無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)距離短、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜及抗干擾能力弱等問題，設(shè)計(jì)了一種基于LoRa 的畜舍環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)果表明LoRa 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸距離和覆蓋范圍可以滿足畜牧物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求。上述監(jiān)控裝置只能感知固定點(diǎn)的環(huán)境信息，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境整體數(shù)據(jù)采集， Sun 等[37] 采用LoRa 無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的畜禽舍環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控調(diào)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)畜舍環(huán)境數(shù)據(jù)的全面監(jiān)控。

畜舍養(yǎng)殖環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布線復(fù)雜，采用無線傳感器監(jiān)測(cè)畜舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)，便于傳感器組網(wǎng)，布點(diǎn)靈活。同時(shí)結(jié)合4G/5G 通信和云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化技術(shù)

針對(duì)上述環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控裝備所獲取的數(shù)據(jù)具有多源、異構(gòu)等特點(diǎn)，無線數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化技術(shù)可將來自不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，主要包括協(xié)調(diào)優(yōu)化同類傳感器以及綜合處理多類型傳感器提供的數(shù)據(jù)信息，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、完整、有效的數(shù)據(jù)獲取。邵林[38] 提出了一種多測(cè)點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)方案以適應(yīng)復(fù)雜的飼養(yǎng)環(huán)境，采用最優(yōu)加權(quán)算法對(duì)單一環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行局部融合，并應(yīng)用改進(jìn)后的D-S證據(jù)理論算法對(duì)多種環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行整體融合，降低了各環(huán)境參數(shù)之間的相互作用，為環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控提供了可靠數(shù)據(jù)。而單個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)無法全面呈現(xiàn)畜舍真實(shí)環(huán)境，需要對(duì)同類型傳感器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布置，并通過數(shù)據(jù)融合算法計(jì)算出最接近畜禽舍內(nèi)該環(huán)境因子的真實(shí)值結(jié)果。李永振等[39] 采用系統(tǒng)聚類和誤差分析的方法對(duì)自然通風(fēng)奶牛舍內(nèi)顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備的布點(diǎn)位置和數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化，在保證監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下降低了設(shè)備成本投入。

另一方面，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，應(yīng)確保通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，達(dá)到節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的目的[40]。Fu 等[36] 設(shè)計(jì)了一種基于LoRa 無線自組網(wǎng)技術(shù)的畜舍環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用改進(jìn)的RBAR 速率自適應(yīng)算法，為不同的信道環(huán)境配置最優(yōu)的傳輸速率，可提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了數(shù)據(jù)丟包率。 此外，除了監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置外，感知設(shè)備的采樣間隔同樣會(huì)影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。Joo等[41] 將采樣間隔設(shè)置為1 s，對(duì)自然通風(fēng)奶牛舍的顆粒物濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)分析顯示過高的采樣頻率盡管能夠較好地反映顆粒物濃度波動(dòng)情況，但也會(huì)帶來數(shù)據(jù)冗余，增大誤差引入的風(fēng)險(xiǎn)和傳感器的工作負(fù)荷等。魯煜建等[42] 在大型自然通風(fēng)牛舍共計(jì)布置了17 個(gè)采樣點(diǎn)，利用誤差分析法確定了TSP 和PM2 .5 的最大可接受采樣間隔分別為10 和20 min，對(duì)于畜禽舍顆粒物采樣頻率的設(shè)定具有重要意義。

2.3 環(huán)境參數(shù)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

目前豬舍環(huán)境感知設(shè)備僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)，并未對(duì)舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)因素變化趨勢(shì)作出預(yù)判，導(dǎo)致環(huán)境調(diào)控設(shè)備運(yùn)行存在一定的滯后性。而預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建可提前決定環(huán)境控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)環(huán)境優(yōu)化調(diào)控。郭建軍等[43] 提出了基于粒子群優(yōu)化算法及長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)的羊舍濕度非線性組合預(yù)測(cè)模型，以達(dá)到及時(shí)掌握濕度濃度變化趨勢(shì)并提前調(diào)控的目的。Shen 等[44] 構(gòu)建了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical modedecomposition，EMD） 與Elman 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的豬舍內(nèi)NH3 質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)算法，NH3 預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值之間的相關(guān)系數(shù)為 0.985 6，平均絕對(duì)誤差為 0.491 8 mg/m3，均方根誤差為0.631 2 mg/m3，平均絕對(duì)百分比誤差為 0.41%，研究結(jié)果表明該方法可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)豬舍氨氣濃度的變化情況。Rodriguez等[45] 依據(jù)舍外溫度及通風(fēng)量，在體質(zhì)量均值為6.9 ～17.0 kg 斷奶仔豬舍內(nèi)構(gòu)建了通風(fēng)量與CO2 質(zhì)量濃度之間的線性關(guān)系模型（r=0.82） 及CO2 質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)模型，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的均方根誤差及平均絕對(duì)值誤差分別為1.21 和0.23 mg/m3，實(shí)現(xiàn)了CO2 質(zhì)量濃度的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

2.4 環(huán)境參數(shù)分布規(guī)律研究

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD） 技術(shù)可對(duì)畜舍內(nèi)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度以及氣流等環(huán)境參數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，較小的誤差結(jié)果表明CFD技術(shù)具有一定的可靠性。汪開英等[27] 應(yīng)用CFD 技術(shù)對(duì)采用負(fù)壓通風(fēng)和水泡糞保育豬舍的氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)和顆粒物濃度場(chǎng)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬，針對(duì)不同水平面，測(cè)量高度分別為z=0.2 m（保育豬呼吸帶）、z=1.6 m（工作人員呼吸帶） 的環(huán)境參數(shù)分布云圖如圖2 所示。研究結(jié)果表明冬季通風(fēng)條件下舍內(nèi)風(fēng)速在0.1 m/s 以下、舍內(nèi)平均溫度及相對(duì)濕度分別維持在60%～70%、36～34 ℃，大部分區(qū)域的P M 2 . 5 、P M 1 0 及T S P 質(zhì)量濃度分別為0 ～ 0 . 1 、0～0.7 和0～1.0 mg/m3，可為改善保育舍內(nèi)環(huán)境和評(píng)估環(huán)境質(zhì)量狀況提供有益參考。此外，王鵬鵬[46]以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)海流圖及薩拉齊科技園區(qū)豬舍為研究對(duì)象，采用CFD 技術(shù)對(duì)育肥舍內(nèi)的溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬及分析，得出了北方寒冷地區(qū)豬舍風(fēng)速、通風(fēng)時(shí)間與NH3 濃度和溫度之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)豬舍進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為0.5 m/s 時(shí)既可以保證NH3 濃度控制在合理范圍內(nèi)，又可以降低舍內(nèi)溫度。

3 畜舍環(huán)境優(yōu)化調(diào)控方法

畜禽舍環(huán)境復(fù)雜多變，夏季主要采用通風(fēng)、噴淋等方式排除畜舍內(nèi)多余的熱量，冬季低溫條件下則更注重于降低空氣中的水分及污染物濃度。因此，熱應(yīng)激區(qū)域以開放式養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)為主，屋頂通常采用鐘樓或雙坡形式，而冷應(yīng)激區(qū)域則主要采用密閉或半開放建筑形式，屋面材料以保溫性能較好的復(fù)合彩鋼板為主。另一方面，傳統(tǒng)控制畜舍環(huán)境的機(jī)械設(shè)備通常由人工調(diào)節(jié)，存在調(diào)節(jié)滯后、誤判率高、工作效率低等問題，無法滿足規(guī)?；笊狃B(yǎng)殖自動(dòng)化、信息化及智能化的調(diào)控需求。當(dāng)前研究者從畜舍建筑結(jié)構(gòu)及調(diào)控裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于數(shù)學(xué)模型的通風(fēng)測(cè)算模型構(gòu)建以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的畜舍環(huán)境解耦策略研究等3 個(gè)方面對(duì)畜舍環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。

3.1 畜舍建筑結(jié)構(gòu)及調(diào)控裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)

家畜對(duì)環(huán)境建筑結(jié)構(gòu)及裝備設(shè)施有明確要求，必須進(jìn)行科學(xué)規(guī)范設(shè)計(jì)。研究者們深度剖析了畜舍建筑及環(huán)境調(diào)控設(shè)施方面存在的典型問題，并給出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)大型規(guī)?；B(yǎng)殖舍建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)控設(shè)備選型具有一定的指導(dǎo)意義。

奶牛生產(chǎn)中，普遍采用的夏季降溫措施都是依據(jù)輻射、對(duì)流和蒸發(fā)散熱的原理提出的，即通過減少太陽(yáng)輻射、合理組織舍內(nèi)通風(fēng)方式、采用蒸發(fā)降溫系統(tǒng)如噴霧、噴淋、洗浴池等來實(shí)現(xiàn)。為確定開放式牛舍中擾流風(fēng)機(jī)的安裝參數(shù)，鄧書輝等[47-48] 建立了風(fēng)機(jī)不同安裝參數(shù)間組合的 16 個(gè)幾何模型，對(duì)牛舍內(nèi)的氣流場(chǎng)進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)模擬，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)最佳的傾角為：臥欄上方的風(fēng)機(jī)為 20°、頸枷上方風(fēng)機(jī)為 10°，并采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)分別對(duì)所構(gòu)建的低屋面橫向通風(fēng)牛舍（Lower profile crossventilated barn，LPCV ） 模型內(nèi)的 6 種工況下的空氣流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示擋風(fēng)板能夠增加舍內(nèi)下方奶牛活動(dòng)區(qū)域的氣流速度，可為 LPCV 牛舍內(nèi)擋風(fēng)板優(yōu)化設(shè)置提供參考。噴淋降溫系統(tǒng)是我國(guó)夏季常用的降溫方法，丁濤等[49] 利用激光雨滴譜儀對(duì)6 種不同標(biāo)準(zhǔn)扇形噴嘴（ 9010、9030、9060、9080、90100、90120） 分別在 0.15、0.20、0.25 MPa 工作壓力下進(jìn)行了測(cè)試，計(jì)算分析了6 種噴嘴在不同工作壓力下水滴粒徑的分布，研究了水滴粒徑與噴淋流量、單個(gè)水滴動(dòng)能、噴淋強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果表明通過控制噴嘴的流量和水滴粒徑，即可控制相應(yīng)的噴淋時(shí)間以達(dá)到緩解奶牛熱應(yīng)激的目的。為實(shí)現(xiàn)夏季豬舍環(huán)境的有效調(diào)控，國(guó)內(nèi)外通常將風(fēng)機(jī)與濕簾冷卻系統(tǒng)相結(jié)合作為主要的降溫方式。但舍內(nèi)溫、濕度具有耦合關(guān)系，高溫環(huán)境下，濕簾降溫技術(shù)在降低環(huán)境溫度的同時(shí)增大了環(huán)境內(nèi)空氣濕度， 不利于豬只有效散發(fā)體熱，因此濕簾降溫方式不適用于高溫、高濕的畜舍養(yǎng)殖區(qū)域[9]。當(dāng)前，李偉等[50] 研究的水冷式豬床為母豬的小群飼養(yǎng)夏季局部降溫提供了一種有效方式，母豬的皮膚溫度和呼吸頻率顯著降低。杜欣怡等[51] 以奶牛胸頸部熱敏感區(qū)產(chǎn)熱及散熱理論為研究點(diǎn)，開發(fā)了一套臥床冷水管局部降溫系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)組與對(duì)照組中奶牛核心體溫、呼吸頻率、產(chǎn)奶量及躺臥行為差異分析了系統(tǒng)的應(yīng)用效果，試驗(yàn)證明臥床冷水管局部降溫系統(tǒng)能夠有效緩解奶牛熱應(yīng)激，可為牛舍環(huán)境局部降溫提供方法支撐。趙婉瑩等[52] 研究了舍內(nèi)漏縫地板和實(shí)體地面2 種不同地面形式對(duì)我國(guó)自然通風(fēng)奶牛舍氣體排放量的影響，結(jié)果表明漏縫地板牛舍內(nèi)CO2、N2O、NH3 和CH4 的質(zhì)量濃度均顯著高于實(shí)體地面牛舍，為降低舍內(nèi)有害氣體濃度需要增加糞坑中糞尿的清除次數(shù)。

針對(duì)北方寒區(qū)卷簾牛舍冬季舍內(nèi)溫度過低的現(xiàn)狀，趙婉瑩等[53] 結(jié)合黑龍江地區(qū)的氣候特點(diǎn)，以牛舍溫度不低于5 ℃ 為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過對(duì)卷簾材料的傳熱性能、厚度和面密度等進(jìn)行測(cè)試，研究篩選了2 種傳熱系數(shù)小于1.23 W/（m2·℃） 的復(fù)合保溫卷簾。結(jié)果表明，新型保溫卷簾雖然比單層卷簾具有更好的保溫性能，但是奶牛依舊處于低溫高濕的狀況下，表明只改善卷簾的保溫性能并不能使寒區(qū)奶牛舍內(nèi)溫度滿足高于最低閾值的要求。王啟超等[54] 為解決東北寒區(qū)自然通風(fēng)奶牛舍普遍使用的屋頂煙囪在冬季結(jié)冰堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致舍內(nèi)濕度過大、有害氣體難以排出等問題，對(duì)黑龍江某典型成乳牛舍的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在冬季最冷時(shí)段的應(yīng)用效果表明，屋頂煙囪風(fēng)機(jī)配合獨(dú)立進(jìn)風(fēng)口可使舍內(nèi)獲得更優(yōu)的環(huán)境質(zhì)量。李偉等[55] 進(jìn)一步研究了冬季水冷式豬床前后兩端掛簾的保溫效果及其對(duì)妊娠母豬行為的影響，結(jié)果表明當(dāng)設(shè)備溫度低于12 ℃ 時(shí)，均未出現(xiàn)2 頭豬擠在1 個(gè)單元內(nèi)躺臥的現(xiàn)象，該研究表明冬季豬床門簾可提高母豬躺臥區(qū)的局部溫度并減少母豬的刻板行為。我國(guó)奶牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)的理論依據(jù)，而魯煜建等[56] 和曹哲等[57] 借鑒民用建筑熱工設(shè)計(jì)中低限熱阻的計(jì)算方法及熱成像等技術(shù)，測(cè)算了東北地區(qū)奶牛舍冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體和屋面的低限熱阻值，可為東北地區(qū)奶牛舍的建設(shè)與改造以及日常通風(fēng)管理提供參考，畜舍建筑結(jié)構(gòu)及調(diào)控裝備優(yōu)化研究方法如表2 所示。

3.2 基于數(shù)學(xué)模型的畜舍環(huán)境通風(fēng)測(cè)算研究

適宜的通風(fēng)量對(duì)于舍內(nèi)的空氣、物質(zhì)交換具有非常重要的作用，能夠排除余熱、緩解夏季熱應(yīng)激，同時(shí)調(diào)節(jié)冬季舍內(nèi)溫度和濕度、改善空氣質(zhì)量，從而維持家畜正常的新陳代謝以提高生產(chǎn)效率[58-59]。而通風(fēng)量估算是畜舍環(huán)境調(diào)控、有害氣體排放量測(cè)算的基礎(chǔ)[60]，研究者以能質(zhì)平衡原理為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類型畜舍夏、冬季節(jié)通風(fēng)量的精準(zhǔn)測(cè)算。

為降低豬舍熱應(yīng)激，齊飛等[61] 利用環(huán)境氣象資料，結(jié)合能質(zhì)平衡方程，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱及通風(fēng)散熱占比進(jìn)行了分析，構(gòu)建了保育及育肥舍夏季熱量穩(wěn)態(tài)模型及最大通風(fēng)量的計(jì)算公式，熱平衡方程式如公式（1） 所示。該模型考慮了各地的夏季舍外溫度狀況，使豬舍夏季通風(fēng)量的計(jì)算更符合當(dāng)?shù)貧夂?。其中北京、武漢、南寧的可調(diào)控最高舍外溫度為 29.0 ℃，100 kg 豬的夏季通風(fēng)量取值可達(dá)到275.7 m3/h；長(zhǎng)春和貴陽(yáng)的可調(diào)控最高舍外溫度分別為 26.9 ℃ 和25.7 ℃，100 kg 豬的夏季通風(fēng)量取值分別為 88.9 和64.1 m3/h。研究為5 個(gè)地區(qū)商品豬舍的小氣候通風(fēng)量估算提供了參考。

Qs +Qm +Qh = Qw +Qv +Qe， （1）

式中：Qs 為豬只產(chǎn)生的顯熱量，W；Qm 為設(shè)備發(fā)熱量，W；Qh 為采暖散熱器或熱輻射器的補(bǔ)充熱量，W；Qw 為通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑耗熱量，W；Qv 為通風(fēng)的顯熱損失，W；Qe 為豬舍內(nèi)因水分蒸發(fā)消耗的顯熱量，W。

此外，Blanes 等[62] 基于CO2、濕度及熱量平衡對(duì)豬舍環(huán)境內(nèi)每小時(shí)的通風(fēng)量進(jìn)行了估算，其中CO2 估算通風(fēng)量與實(shí)際測(cè)量通風(fēng)量相關(guān)性最高為0.92，通風(fēng)量為0.185 m3/（h·hpu），僅低于實(shí)際測(cè)量值8%。仲玉婷等[63] 基于寒區(qū)的氣候特點(diǎn)，重點(diǎn)進(jìn)行了單棟飼養(yǎng)2 400 頭的LPCV 成乳牛舍建筑保溫、通風(fēng)、照明等環(huán)境要素設(shè)計(jì)，并根據(jù)熱平衡原理，在確定牛舍冬季通風(fēng)量為204 000 m3/h 和冬季低限溫度為5 ℃ 的基礎(chǔ)上，采用150 臺(tái)9FJ14.0 和46 臺(tái)9FJ10.0 風(fēng)機(jī)，換氣次數(shù)為1.5 次/h 時(shí)，可滿足舍內(nèi)溫、濕度的控制目標(biāo)。Bleizgys 等[64] 通過試驗(yàn)分析了溫度和風(fēng)速對(duì)糞便中NH3 蒸發(fā)過程的影響，并采用數(shù)學(xué)公式模擬出牛舍環(huán)境熱交換過程，完成牛舍環(huán)境的通風(fēng)設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步優(yōu)化舍內(nèi)空氣質(zhì)量。

3.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的畜舍環(huán)境調(diào)控方法研究

基于數(shù)學(xué)模型等的理論方法缺乏對(duì)環(huán)境調(diào)控的自適應(yīng)能力，且難以反映環(huán)境多因素之間的相互作用。機(jī)器學(xué)習(xí)具有強(qiáng)大的非線性復(fù)雜系統(tǒng)建模能力，近年來被越來越多地應(yīng)用到畜舍環(huán)境調(diào)控中，并提出了多種具有不同特點(diǎn)的環(huán)境多因素耦合關(guān)系模型與調(diào)控策略。張世功[65] 所研制的噴淋降溫系統(tǒng)，以環(huán)境溫濕度指數(shù)（Temperature-humidityindex，THI） 為主要控制參數(shù)，采用比例積分微分控制（Proportional-integral-derivative control， PID） 技術(shù)對(duì)舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)能夠控制并適時(shí)開啟通風(fēng)排氣扇及噴淋設(shè)施。此外， Gautam等[66] 開發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的離線預(yù)測(cè)模型，該模型能夠找到最優(yōu)的可控通風(fēng)參數(shù)，使豬舍內(nèi)的設(shè)定溫度值偏差最小，平均降低了0.53 ℃。早期控制算法應(yīng)對(duì)單輸入偏差在合理適應(yīng)性區(qū)間內(nèi)的響應(yīng)十分迅速，但畜舍中各環(huán)境因素相互耦合導(dǎo)致調(diào)控結(jié)果出現(xiàn)誤差過大、調(diào)控周期變長(zhǎng)及調(diào)控系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。為此，研究學(xué)者開始逐漸考慮基于多因素環(huán)境耦合調(diào)控理論和機(jī)器學(xué)習(xí)模型的研究。Caglayan等[67] 提出了一種基于模糊邏輯的畜舍環(huán)境控制器，通過確定模糊推理系統(tǒng)的輸入/輸出量及隸屬度函數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊規(guī)則設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行反模糊化處理，完成了對(duì)舍內(nèi)溫度、相對(duì)濕度及風(fēng)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使噴淋、風(fēng)機(jī)及窗簾的誤差率分別降低了0.45%、1.18% 和0.68%，提高了環(huán)境控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。Chen 等[30] 將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與模糊推理算法相結(jié)合，針對(duì)溫度與相對(duì)濕度之間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)了補(bǔ)償控制器以減小相互耦合效應(yīng)，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)可進(jìn)行自主學(xué)習(xí)并在線調(diào)整權(quán)重系數(shù)，可將豬舍內(nèi)環(huán)境溫度及濕度調(diào)控相對(duì)誤差降低在5.5% 和10.1% 以下，模糊控制系統(tǒng)的基本原理如圖3 所示。

4 畜舍環(huán)境舒適度評(píng)估方法

4.1 溫?zé)岘h(huán)境舒適度評(píng)估方法

“畜舍環(huán)境舒適度”對(duì)于動(dòng)物健康養(yǎng)殖十分重要，常見的溫?zé)岘h(huán)境評(píng)估方法通常采用2 個(gè)或多個(gè)溫?zé)岘h(huán)境指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算得出冷、熱應(yīng)激單個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。嚴(yán)格齊等[7] 和付曉[68] 對(duì)家畜常用冷、熱應(yīng)激指數(shù)及其涉及的相關(guān)因素、應(yīng)激程度分類依據(jù)進(jìn)行了總結(jié)。在奶牛冷應(yīng)激評(píng)估指數(shù)中，風(fēng)寒溫度指數(shù)（Wind chill temperature index，WCT） 是將生理指標(biāo)（皮膚溫度） 作為冷應(yīng)激指數(shù)的修正，溫?zé)岘h(huán)境評(píng)估指數(shù)THI 及綜合氣候指數(shù)（Climate change index，CCI） 分別將奶牛的生產(chǎn)性能（產(chǎn)奶量）、行為特征（采食量） 作為冷應(yīng)激程度的閾值分類依據(jù)。研究學(xué)者在熱應(yīng)激指數(shù)研究中提出，熱應(yīng)激指數(shù)構(gòu)建應(yīng)包含更多的環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)需體現(xiàn)出一定的換熱機(jī)理，在構(gòu)建特定氣候類型指數(shù)的同時(shí)還應(yīng)適當(dāng)考慮指數(shù)在其他環(huán)境下的適應(yīng)性、指數(shù)要有適用信息和閾值并能夠?qū)﹂撝颠M(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。上述指數(shù)主要基于環(huán)境參數(shù)與奶牛生理、行為參數(shù)及生產(chǎn)性能建立對(duì)應(yīng)關(guān)系并進(jìn)行相關(guān)性分析，利用大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到回歸公式并進(jìn)行綜合計(jì)算。而王校帥[69] 和Norton 等[70]采用CFD 技術(shù)模擬了豬舍的溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)并研究了畜舍在不同通風(fēng)模式和溫度下的舒適程度，從而對(duì)豬舍內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。溫?zé)岘h(huán)境是影響家畜健康養(yǎng)殖的直接環(huán)境參數(shù)，但無法充分反映家畜與環(huán)境的換熱機(jī)理。隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，多參數(shù)獲取技術(shù)得到了根本性改變，有必要提出更加精細(xì)的指數(shù)評(píng)估模型以滿足福利化養(yǎng)殖需求。

4.2 多維度環(huán)境舒適度評(píng)估方法

對(duì)畜舍環(huán)境舒適度的感知，可結(jié)合空氣質(zhì)量及家畜生理反應(yīng)、行為特征及生產(chǎn)性能，而如何從多維度因素進(jìn)行整體分析，進(jìn)而對(duì)家畜健康養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)估，最終達(dá)到改善和提升畜舍養(yǎng)殖環(huán)境的目標(biāo)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。Becker等[71] 采用溫濕度指數(shù)、呼吸頻率、喘息頻率、躺臥時(shí)間、躺臥次數(shù)、體細(xì)胞評(píng)分以及身體衛(wèi)生狀況等多種因素，建立了熱應(yīng)激評(píng)分系統(tǒng)以評(píng)估奶牛熱應(yīng)激的嚴(yán)重程度，評(píng)分等級(jí)為1～4，其中1 為無熱應(yīng)激，2 為輕度熱應(yīng)激，3 為重度熱應(yīng)激，4 為奄奄一息。Fu 等[72] 結(jié)合奶牛生長(zhǎng)的外界環(huán)境因素以及內(nèi)在的生理因素，利用多層次分析法、遺傳優(yōu)化算法與多級(jí)模糊理論，構(gòu)建了一種奶牛冷應(yīng)激綜合評(píng)估模型，客觀、全面地分析了奶牛在冬季養(yǎng)殖環(huán)境下的冷應(yīng)激狀況，研究結(jié)果表明與光照條件較好的南側(cè)奶牛相比，北側(cè)奶牛的輕度和中度冷應(yīng)激時(shí)間更長(zhǎng)，且持續(xù)的冷應(yīng)激導(dǎo)致奶牛產(chǎn)奶量降低，采食與躺臥時(shí)長(zhǎng)增加，站立時(shí)長(zhǎng)減少。此外，Tsai 等[73] 提出使用一種有效且可靠的方法來監(jiān)測(cè)奶牛的行為和周圍環(huán)境，主要通過在視頻流上使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)奶牛頭部是否處于飲水槽上方，進(jìn)而記錄和分析飲水行為數(shù)據(jù)和環(huán)境條件來評(píng)估養(yǎng)殖環(huán)境， 研究結(jié)果表明當(dāng)THI 值為68～93 時(shí)，奶牛每日飲水總時(shí)長(zhǎng)和飲水次數(shù)與THI 指數(shù)高度相關(guān)，驗(yàn)證了視覺環(huán)境評(píng)估的可行性，該方法可為奶牛養(yǎng)殖環(huán)境評(píng)估提供一種新的技術(shù)支撐。趙曉洋[74] 通過功率譜密度分析奶牛叫聲定性揭示了不同熱應(yīng)激狀態(tài)下奶牛的聲音差異，同時(shí)在研究奶牛叫聲與牛舍熱環(huán)境相關(guān)性的基礎(chǔ)上，又對(duì)不同空氣質(zhì)量環(huán)境下的仔豬和仔雞叫聲進(jìn)行分析，結(jié)果表明智能分析動(dòng)物叫聲可以輔助畜禽舍內(nèi)環(huán)境舒適度評(píng)估。Nasirahmadi等[75] 基于生豬活動(dòng)場(chǎng)景圖像，通過使用三角剖析法來檢測(cè)生豬由于溫度變化而導(dǎo)致臥姿和位置的變化，以評(píng)估豬舍內(nèi)的熱環(huán)境。家畜應(yīng)激程度評(píng)估方法流程如圖4 所示，與單獨(dú)使用溫?zé)岘h(huán)境參數(shù)相比，增加多類型環(huán)境指標(biāo)、生理與行為指標(biāo)將會(huì)在評(píng)估個(gè)體或群體的冷、熱應(yīng)激程度上更加準(zhǔn)確。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

當(dāng)前，以數(shù)字化、人工智能等為核心的現(xiàn)代化信息技術(shù)在畜牧業(yè)健康養(yǎng)殖價(jià)值鏈中的作用快速提升，已成為實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境智能化監(jiān)測(cè)與調(diào)控的良好途徑。本文以家畜健康養(yǎng)殖所需的環(huán)境指標(biāo)為切入點(diǎn)，從環(huán)境智能監(jiān)控設(shè)備研發(fā)、無線數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化技術(shù)、舍內(nèi)環(huán)境變化預(yù)測(cè)模型及分布規(guī)律研究等多方面綜述了畜舍環(huán)境參數(shù)精準(zhǔn)感知與獲取研究現(xiàn)狀，并對(duì)畜舍整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通風(fēng)量模型構(gòu)建及智能調(diào)控優(yōu)化算法等3 個(gè)方面的研究與應(yīng)用進(jìn)行了分析，最后對(duì)基于單一溫?zé)岘h(huán)境因素及多維度環(huán)境舒適度評(píng)估方法進(jìn)行了總結(jié)。然而，依據(jù)多類型環(huán)境傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)調(diào)控策略，要最終實(shí)現(xiàn)畜舍環(huán)境精準(zhǔn)感知及智能化調(diào)控的目的，仍存在很多問題有待深入研究：1） 通過對(duì)環(huán)境指標(biāo)與生理反應(yīng)、行為特征及生產(chǎn)性能的監(jiān)測(cè)，深入分析各因素的變化規(guī)律及其中的相關(guān)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)環(huán)境智能監(jiān)控的首要條件，但需保證環(huán)境及家畜個(gè)體信息數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度及連續(xù)性，才能有效判定影響奶牛健康養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)境因素；2） 根據(jù)不同畜舍養(yǎng)殖環(huán)境特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)畜舍養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)是促進(jìn)現(xiàn)代畜牧養(yǎng)殖業(yè)向智能化方向發(fā)展的重要途徑，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在不同的養(yǎng)殖環(huán)境中具有不同程度的應(yīng)用潛力，需充分利用無線傳輸技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在特定場(chǎng)景下的最大化使用；另一方面，隨著數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)量的不斷增加，應(yīng)確保無線通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，構(gòu)建優(yōu)化傳輸模型以滿足大型規(guī)模化畜舍養(yǎng)殖環(huán)境信息精準(zhǔn)獲取與設(shè)施管理的長(zhǎng)期需求；3） 環(huán)境調(diào)控策略不再局限于對(duì)畜舍建筑結(jié)構(gòu)及單一環(huán)境因子的調(diào)控，雖然CFD 技術(shù)可以作為對(duì)畜舍環(huán)境模擬評(píng)估與控制的有效工具，但需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，且其運(yùn)行成本較高、缺乏長(zhǎng)期在線學(xué)習(xí)的能力，然而，當(dāng)前基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了對(duì)多環(huán)境因素的解耦控制，使畜舍環(huán)境調(diào)控具有顯著的智能化發(fā)展趨勢(shì)。

5.2 展望

中國(guó)是畜牧業(yè)大國(guó)，其發(fā)展在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2016 年中國(guó)畜牧總產(chǎn)值達(dá)到30 461.17 億元，首次突破3 萬億元，未來隨著對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的支持，總產(chǎn)值在2024 年將要超過3.2 萬億元[76]。為加快推進(jìn)畜牧業(yè)現(xiàn)代化，“降本增效”是大勢(shì)所趨，家畜健康管理方面更加突出“防重于治”，而建立集飼養(yǎng)環(huán)境感知、控制設(shè)備管理于一體的畜舍高效安全養(yǎng)殖信息智能監(jiān)控系統(tǒng)十分重要。

1） 基于先進(jìn)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，有必要根據(jù)畜舍環(huán)境調(diào)控實(shí)際需求和關(guān)鍵參數(shù)選擇傳感器類型及無線數(shù)據(jù)傳輸方式，通過預(yù)測(cè)模型探索環(huán)境參數(shù)變化趨勢(shì)及分布規(guī)律，從而獲取可靠的環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行全面精準(zhǔn)調(diào)控，以滿足不同類型的畜舍養(yǎng)殖需要。

2） 大多數(shù)環(huán)境控制系統(tǒng)僅針對(duì)單一固定位置數(shù)據(jù)來確定控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，無法全面反映畜舍真實(shí)環(huán)境狀況；當(dāng)增加感知節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)后又無法進(jìn)行有效部署，未來仍需借助數(shù)據(jù)融合等算法，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理后再進(jìn)行傳輸，從而提高數(shù)據(jù)利用率。

3） 當(dāng)前關(guān)于規(guī)模畜舍建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不夠全面、不同地區(qū)畜舍設(shè)計(jì)水平參差不齊，規(guī)模畜舍建筑形式及舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控設(shè)施的選取方面存在不足。通過優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)來降低環(huán)境調(diào)控成本，可為動(dòng)物健康和生產(chǎn)性能的發(fā)揮提供保障。

4） 早期的畜舍環(huán)境調(diào)控方法主要通過選取關(guān)鍵因素作為環(huán)境模型的控制對(duì)象，普遍基于單一環(huán)境因素的負(fù)反饋控制理論且局限于夏季環(huán)境調(diào)控，但畜舍內(nèi)各類環(huán)境參數(shù)具有較強(qiáng)的耦合性，對(duì)風(fēng)機(jī)、濕簾及加熱器等設(shè)備的有效調(diào)控離不開集中、聯(lián)動(dòng)的智能控制系統(tǒng)。而預(yù)測(cè)及分布規(guī)律模型的構(gòu)建可為今后畜舍環(huán)境的提前控制提供參考。

5） 畜舍環(huán)境對(duì)動(dòng)物健康與動(dòng)物福利的影響需要引起足夠重視，當(dāng)前的環(huán)境調(diào)控方法僅局限于所調(diào)控的環(huán)境參數(shù)是否滿足環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，并未考慮動(dòng)物個(gè)體對(duì)于外界環(huán)境的感受。隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，多參數(shù)獲取技術(shù)得到了根本性改變，人們期望采用智能傳感器、探測(cè)器、攝像頭和麥克風(fēng)等技術(shù)應(yīng)用，不斷從動(dòng)物身上收集信息，從而連續(xù)測(cè)量動(dòng)物反應(yīng)及外界環(huán)境變化，開展適合我國(guó)養(yǎng)殖特點(diǎn)的畜舍環(huán)境舒適度綜合評(píng)估方法，進(jìn)一步為畜舍環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控提供依據(jù)，可極大避免動(dòng)物冷、熱應(yīng)激事件及疫病的發(fā)生。我國(guó)畜牧養(yǎng)殖行業(yè)智能化需求日趨強(qiáng)勁，未來畜舍養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控的研究重點(diǎn)應(yīng)放在形成“精準(zhǔn)感知?可靠傳輸?智能調(diào)控?全面評(píng)估”一體化解決方案，才能使畜牧產(chǎn)業(yè)朝著高質(zhì)量、智慧化的方向發(fā)展。

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沈維政，工學(xué)博士，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系奶牛智能化養(yǎng)殖崗位科學(xué)家，中國(guó)畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)信息技術(shù)分委會(huì)常務(wù)理事。主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的研究與應(yīng)用，先后主持國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目14 項(xiàng)，主要包括：“十三五”“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、 中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)等。獲黑龍江省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、黑龍江省自然科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、黑龍江省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文80 余篇，其中SCI、EI 檢索41 篇。獲專利、軟件著作權(quán)28 項(xiàng)，主編、副主編教材4 部。

【責(zé)任編輯 莊 延】

基金項(xiàng)目：“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題（2022YFD1301104）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)（2023YFD2000700）；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-36） ；東北農(nóng)業(yè)大學(xué) “青年才俊”項(xiàng)目（54960112）