摘要：隨著網(wǎng)絡化、智能化、信息化為特征的人工智能技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的豬只養(yǎng)殖技術(shù)已經(jīng)無法滿足我國生豬市場需求，規(guī)模化、集約化和智能化的豬只養(yǎng)殖模式已經(jīng)逐漸成為主流方向。針對新時代我國智能化養(yǎng)豬發(fā)展與趨勢，從智能裝備（智能化養(yǎng)豬場舍設計、環(huán)境調(diào)控、智能飼喂、糞尿處理等）和智能管理（智能監(jiān)測、智能分析和智能決策）兩大方面，分析其發(fā)展現(xiàn)狀、存在困難，進而指明未來智能養(yǎng)豬技術(shù)發(fā)展的主要方向，為養(yǎng)豬智能技術(shù)發(fā)展提供思路與借鑒。

關(guān)鍵詞：智能養(yǎng)殖、豬只養(yǎng)殖、人工智能、大數(shù)據(jù)

生豬產(chǎn)業(yè)是我國重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟組成部分之一，我國是全球重要的豬肉生產(chǎn)和消費大國，2020年豬肉產(chǎn)量4113萬噸，占全球豬肉產(chǎn)量50%以上。為了滿足我國對豬肉巨大的需求量，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)逐步從傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式向規(guī)模化、集約化和智能化的模式升級。隨著物聯(lián)網(wǎng)、深度學習和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，近年來，我國生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)從育種、育肥、販運、檢疫、屠宰到銷售等各個環(huán)節(jié)開展了多方位的智能化技術(shù)研究與應用，取得了較為顯著的成果。本文以新時代我國智能化養(yǎng)豬發(fā)展與趨勢為目標，從智能化養(yǎng)豬概念、場舍設計、環(huán)境調(diào)控、智能飼喂、糞尿處理和智能管理等方面闡述智能養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在困難和未來發(fā)展方向，為生豬智能養(yǎng)殖管理提供技術(shù)選型參考。

智能化養(yǎng)豬技術(shù)是指以智能裝備、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)為核心要素，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行豬只環(huán)境和生長過程信息采集，使用互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，然后利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對各類相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，最終采用人工智能技術(shù)進行決策和控制，實現(xiàn)豬只養(yǎng)殖信息全面感知、環(huán)境精準調(diào)控、精準飼喂、自動清糞與智能監(jiān)管等功能，以逐步實現(xiàn)無人化養(yǎng)豬的下一代新型養(yǎng)殖管理技術(shù)。

3.1. 智能場舍設計

智能豬舍是根據(jù)豬只生活習慣結(jié)合智能化豬只養(yǎng)殖技術(shù)，以只需個別養(yǎng)殖管理人員或者無人化養(yǎng)殖為目標，進行設計的規(guī)模化豬舍。我國的豬舍在1955年之前主要以一家一戶的形式存在的小型豬舍為主，該類型豬舍最大的問題是養(yǎng)殖效率低。1955年后，我國豬舍逐漸出現(xiàn)了以通過小型豬舍改造的連排豬舍，但是由于電力和機械化的發(fā)展程度低導致大部分連排豬舍都是純?nèi)斯さ姆绞竭M行養(yǎng)殖[1]。1980年后我國逐漸出現(xiàn)了現(xiàn)代化養(yǎng)殖豬舍，這些豬舍通過安裝風機、水簾和刮糞機等設備，不僅降低了人工勞動力，還提高了豬只的養(yǎng)殖率，智能化程度不斷提高。近年來，隨著科技的發(fā)展，通過自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等設計智能化樓房進行養(yǎng)豬的概念逐漸進入大家的視線，因為樓房養(yǎng)豬具有占地面積小、管理效率高和疾病防控效率高等優(yōu)點，所以目前不少公司都在準備著建樓房進行養(yǎng)豬。如圖1為不同時期豬舍。

a. 50年代前小型豬舍

b.現(xiàn)代化豬舍

c.未來樓房豬舍

3.2. 環(huán)境監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)控以各種傳感器進行環(huán)境監(jiān)測，當環(huán)境發(fā)生異常時，使用自動化、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行環(huán)境調(diào)控，讓豬只一直處于舒適的生活環(huán)境中，環(huán)境調(diào)控基本實現(xiàn)原理如圖2所示。通過環(huán)境調(diào)控保持豬舍環(huán)境的衛(wèi)生整潔不僅有利于豬只育肥，還能防止疾病在豬只之間傳播。在我國傳統(tǒng)的豬只養(yǎng)殖中，一直是通過自然風、人工清糞和噴水進行環(huán)境調(diào)控。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，豬舍逐漸引入手控風機和自動化噴水設備。隨著科學技術(shù)進一步的發(fā)展，我國豬舍正逐漸實現(xiàn)通過智能設備實現(xiàn)濕度調(diào)控、溫度調(diào)控、空氣質(zhì)量調(diào)控、光照調(diào)控和排泄物清理等功能，并且我國環(huán)境調(diào)控技術(shù)已經(jīng)基本成熟，相關(guān)的研究也較多。雖然實現(xiàn)智能化調(diào)控豬場環(huán)境成本仍然較高，但是目前電控風機、自動噴水器、自動刮糞機等也已經(jīng)趨于成熟。

圖2環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)基本原理

3.3. 智能飼喂

智能飼喂是在無人監(jiān)管的情況下，通過計算機視覺、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)根據(jù)豬只生長需求進行分析，實現(xiàn)豬只自動化精準飼喂，基本原理如圖3所示。生豬的飼喂是傳統(tǒng)豬只養(yǎng)殖中最需要投入人工勞動力的環(huán)節(jié)。目前，我國小規(guī)模養(yǎng)殖豬只養(yǎng)殖場大部分依賴人工飼喂模式，而大、中規(guī)模養(yǎng)殖場已經(jīng)基本實現(xiàn)自動化飼喂和半自動化飼喂模式。雖然精準飼喂和精準調(diào)控由于成本任然較高難以推廣，但是目前可以通過限喂式自動喂料技術(shù)達到精準飼喂水平，圖4為當前2021年南昌畜牧博覽會展出的一些典型的智能飼喂裝備。

圖3 智能飼喂基本原理

圖4 智能飼喂裝備

3.4. 無害化糞污處理

無害化糞污處理是通過干濕分離、氧化和發(fā)酵等一系列復雜操作，使得糞污的排放不會對環(huán)境產(chǎn)生任何有害的影響。豬只養(yǎng)殖中必定會產(chǎn)生大量的糞污，如果糞污處理不當，就一定會對周圍的空氣、土壤和水源等產(chǎn)生不同程度污染，因此糞污合理處理是養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。傳統(tǒng)糞污處理方法主要是好氧堆肥發(fā)酵為主，但是好氧堆肥發(fā)酵需要較大的土地面積且效率慢，而沼氣池處理和生態(tài)型處理為主好氧堆肥為輔的混合模式因具有環(huán)保效果好、處理時間短和處理效率高等優(yōu)點逐漸成為主流方向。林代炎等以福清市星源農(nóng)牧開發(fā)有限公司作為研究對象，構(gòu)建了包含沼氣池、食用真菌生產(chǎn)模塊、植物種植模塊和氧化塘模塊的規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污循環(huán)利用技術(shù)模式，成功解決了生豬存欄1.0萬頭的規(guī)模化豬場糞污循環(huán)再利用問題，模式結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5糞污循環(huán)利用模式結(jié)構(gòu)

3.5. 巡檢裝備

巡檢機器人以人工智能技術(shù)為核心，利用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)輔助，代替人的雙腳進行豬場巡邏，對豬場異常情況及時進行預警和處理。巡檢機器人是智能化養(yǎng)豬技術(shù)中研究成本和制造難度最大的裝備，也是智能化養(yǎng)豬實現(xiàn)無人養(yǎng)豬廠的必備裝置。巡檢機器人目前分為軌道機器人和走地機器人2種。軌道機器人主要通過在豬場上方設計軌道，實現(xiàn)機器人定時巡檢，如圖6為華南農(nóng)業(yè)大學體溫監(jiān)測軌道巡檢機器人。同時，北京小龍潛行科技有限公司目前也研發(fā)了一種牧場守望者軌道機器人，用于協(xié)助豬場智能養(yǎng)殖管理和提升養(yǎng)殖效率，如7圖所示。

圖6 華南農(nóng)業(yè)大學體溫監(jiān)測軌道巡檢機器人

圖7 牧場守望者軌道機器人

此外，高新興機器人有限公司正與華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)工程中心聯(lián)合開發(fā)豬場巡檢機器人，該機器人除了自動巡航、自動充電和自動檢測障礙物，還用于探究豬只體溫監(jiān)測、行為監(jiān)測、體尺測量和聲音監(jiān)測等智能算法的實際應用，機器人如圖8所示。

圖8 豬場巡檢機器人

4.1. 智能檢測

智能檢測主要是通過彩色攝像頭、紅外攝像頭、3D攝像頭和耳標等進行數(shù)據(jù)采集，然后使用算法對豬只進行行為監(jiān)測、體溫監(jiān)測、體尺測量和體重估算等操作。智能檢測算法是智能化豬場的眼睛，為智能化豬場分析提供重要數(shù)據(jù)支持。

豬只行為監(jiān)測是通過彩色攝像頭對豬只運動、休息、爬跨、跛行、飲水和進食等行為進行監(jiān)測。豬只行為監(jiān)測最終目的是讓攝像頭代替人的眼睛對豬只日常生活進行監(jiān)測，是基于計算機視覺和人工智能技術(shù)研究的重要分支。肖德琴等通過使用顏色特征識別策略、噪聲消除、粘連與遮擋分割處理、最小化代價函數(shù)的橢圓擬合和最短距離匹配法等方法，設計了用于追蹤視頻中豬只運動監(jiān)測方法。該方法可以在分割粘連豬只成功率達92.6％情況下，有效地監(jiān)測豬只運動信息。楊秋妹等通過在豬只背部噴涂上記號進行身份標識，然后使用深度學習算法對視頻圖像中的豬的頭部、尾部和身份進行識別，經(jīng)過反復調(diào)整參數(shù)，最終識別豬只飲水準確率達92.11%。

通過圖像或視頻對豬只進行體尺測量和體重預估，有利于養(yǎng)殖人員及時評估豬只養(yǎng)殖情況、調(diào)整養(yǎng)殖方法和制定銷售方案。豬只體尺測量包括身高、體長和體寬的測量，而豬只體重預估需要根據(jù)豬只體尺信息、養(yǎng)殖時間、品種和飼料類型等進行預估。

豬只體溫監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)患病豬只，對防止豬只疾病大規(guī)模傳播和減少養(yǎng)殖戶經(jīng)濟損失起到關(guān)鍵性作用。肖德琴等設計了一套豬場體溫紅外監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括FLIR A310型熱像儀、微型計算機、XP2-18R / RT集成控制器和DM542數(shù)字電動機驅(qū)動器，實現(xiàn)準巡檢精度達90％的豬耳根區(qū)域的溫度監(jiān)測。

4.2. 智能分析

在獲取畜禽信息后，通過大數(shù)據(jù)、云計算和云存儲等技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行清洗、結(jié)構(gòu)化存儲、數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)分析等操作，其中數(shù)據(jù)分析包括體溫分析、行為分析、運動量分析、體重預估和背膘分析等。

健康監(jiān)測需要結(jié)合豬只的行為監(jiān)測、體溫監(jiān)測、體尺測量和體重預估等技術(shù)進行整體的大數(shù)據(jù)分析。當豬只患有嚴重疾病時必定存在行為異常、體溫局部異常和一定時間內(nèi)體型變化等信息，只有將這些數(shù)據(jù)積累到一定程度，并進行規(guī)律探索和模型建立，這樣才能實現(xiàn)豬只健康監(jiān)測。由于我國關(guān)于豬只行為監(jiān)測、體溫監(jiān)測、體尺測量和體重預估的數(shù)據(jù)積累還不夠深厚，因此我國正處于對上述數(shù)據(jù)積累向大數(shù)據(jù)健康監(jiān)測研究的過度階段。

4.3. 智能決策

智能決策以大數(shù)據(jù)技術(shù)為核心，結(jié)合人工智能、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)，對產(chǎn)業(yè)和市場進行及時地分析、判斷和行動。進行智能決策是企業(yè)和國家發(fā)展智能養(yǎng)殖的源動力，是企業(yè)和國家最關(guān)心的問題。有利于幫助企業(yè)提高生產(chǎn)利潤和企業(yè)競爭力，可以幫助國家實現(xiàn)宏觀調(diào)控和產(chǎn)業(yè)布局目標。

企業(yè)通常是通過構(gòu)建自己企業(yè)級的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、生產(chǎn)管控系統(tǒng)、溯源系統(tǒng)和全鏈條大數(shù)據(jù)平臺等實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境和生長過程信息的全面感知、精準決策和溯源服務，例如給豬佩戴耳標、剪耳缺或者噴二維碼等方式進行豬只身份識別，然后利用帶有電子秤飼喂器和帶有水流量記錄的喂水器對豬只進行喂食，接著還需要對豬場中的溫度、濕地、光照以及空氣質(zhì)量進行記錄，最后利用生產(chǎn)過程中收集的大量數(shù)據(jù)研究一套屬于企業(yè)自己的豬只養(yǎng)殖技術(shù)體系，如搞清不同品種的豬只與不同飼料之間的料肉比關(guān)系、不同品種豬只與豬只不同年齡段之間的飼料配方關(guān)系、不同品種豬只與環(huán)境調(diào)控之間的關(guān)系和不同品種豬只的飼料成本收益等問題。進一步地企業(yè)可以根據(jù)不同豬只品種在生長過中不同的年齡階段所需要的飼料類型、飼料數(shù)量、飲水量、最舒適的溫度、最合適空氣要求、最適宜的濕度等，進行智能化調(diào)控，從而使企業(yè)的生產(chǎn)利潤最大化。

國家層面，針對傳統(tǒng)的人工監(jiān)管模式存在費時費力、只能抽樣監(jiān)測和難以信息化等問題，利用區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立豬肉安全溯源系統(tǒng)，該系統(tǒng)以耳標、條形碼和二維碼等作為信息載體，通過智能網(wǎng)絡設備將豬只育種、飼養(yǎng)、販運、檢疫、屠宰、加工和銷售過程中全部數(shù)據(jù)傳輸至省級和中央數(shù)據(jù)庫存儲，已經(jīng)在58 個城市試點建設了對應肉類蔬菜流通追溯體系。此外，近年國家在重慶市榮昌區(qū)布局了國家生豬大數(shù)據(jù)中心，該中心以建立生豬大數(shù)據(jù)標準體系作為目標，建立了生豬大數(shù)據(jù)監(jiān)測預警應用平臺、生豬數(shù)據(jù)監(jiān)測采集平臺、標準化質(zhì)量分級服務平臺、生豬質(zhì)量追溯服務平臺、生豬物流大數(shù)據(jù)平臺、企業(yè)征信服務平臺和生豬數(shù)據(jù)在線服務平臺一共7個平臺。通過以上平臺可以實現(xiàn)豬只產(chǎn)業(yè)監(jiān)測預警、避免生豬供求周期性失衡、防止生豬價格波動、提升生豬產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新能力、促進我國生豬產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、保證豬肉食品安全和實時了解豬只產(chǎn)業(yè)情況等功能。

5.1. 智能化養(yǎng)豬存在的不足與困難

雖然目前我國豬只自動飼喂、糞污處理、環(huán)境調(diào)控、行為監(jiān)測、體溫監(jiān)測、體尺測量和體重預估技術(shù)等智能化養(yǎng)豬技術(shù)取得了長足的進步，但是依舊還不夠成熟無法大面積推廣，這是因為目前我國豬只養(yǎng)殖業(yè)還存在以下5點問題：

（1）基于動態(tài)行為的環(huán)境調(diào)控技術(shù)應用不足。目前大部分豬只環(huán)境調(diào)控都是使用根據(jù)地域和生長期進行約定的環(huán)境調(diào)控，還未能通過基于生長過程實時的行為表征等因子為依據(jù)進行實時調(diào)控。主要原因是當前對不同品質(zhì)、不同地域、不同生長期的豬只行為表現(xiàn)研究還不夠深入。

（2）生豬表型信息采集還不夠及時和精準。在規(guī)模化豬只養(yǎng)殖中，由于豬只數(shù)量龐大，無法及時對每只豬只進行身高、體重、體長和體寬等信息進行測量，往往只是在豬出欄時進行一次測量。這種情況下加大人工對豬只進行測量是不現(xiàn)實的，只有使用算法對豬只進行測量，才能做到及時動態(tài)的。但是我國目前這方面的算法精度仍然較低，無法進行大面積推廣。

（3）生豬健康自動監(jiān)測技術(shù)還很不成熟。利用人工智能技術(shù)對豬只行為和溫度進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)豬只健康監(jiān)測，還存在一些困難需要解決。比如：豬舍高度低攝像頭無法拍全、精準的紅外設備價格昂貴、豬舍存在蜘蛛網(wǎng)和圖像畸變校正難等，這些問題導致目前生豬健康自動監(jiān)測技術(shù)還很不成熟。

（4）精準飼喂應用面還不廣。精準飼喂目前主要應用于育種母豬，育肥豬的應用還比較少。一方面要實現(xiàn)精準飼喂就要對豬場進行改造，這需要非常高的成本，另一方面目前精準飼喂只是讓每只豬吃一定量的飼料，還未能做到根據(jù)豬只身體情況進行定量調(diào)制飼料，所以無法實現(xiàn)豬只肉類比的控制。這導致精準飼喂無法直接為企業(yè)帶來利潤提升，難以應用推廣。

（5）人才匱乏。養(yǎng)殖企業(yè)非常需要與計算機、大數(shù)據(jù)和人工智能方面相關(guān)的人才進行智能化改造，但是既懂數(shù)字農(nóng)業(yè)又懂生豬養(yǎng)殖的復合型人才很缺乏。

5.2. 智能化養(yǎng)豬未來發(fā)展趨勢

由于傳統(tǒng)的豬只養(yǎng)殖方式存在人工成本高、生產(chǎn)效率低、疾病防控能力低和飼料浪費率大等問題，難以滿足我國社會在發(fā)展過程中日益增加的豬肉需求，因此未來豬只養(yǎng)殖業(yè)必定是向具有人工成本低、生產(chǎn)效率高和疾病防控能力強等優(yōu)點的規(guī)模化、智能化和集約化的養(yǎng)殖模式進行升級。未來智能化養(yǎng)豬技術(shù)主要發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下四方面：

（1）基于生豬福利養(yǎng)殖的環(huán)境動態(tài)管控。實現(xiàn)根據(jù)不同的品種的豬只的不同年齡階段的不同生活環(huán)境要求進行自動化環(huán)境管控，如在豬休息時間進行光照調(diào)控以誘導豬只進行休息，并且進行溫度和濕度調(diào)節(jié)，在防止豬只生病的同時，也保證了豬只擁有更好的健康生長環(huán)境。

（2）豬只個體營養(yǎng)精準調(diào)控。根據(jù)不同的品種的豬只的不同年齡階段對營養(yǎng)的需求進行合理的營養(yǎng)搭配和飼喂，關(guān)于生豬養(yǎng)殖精準飼喂模型的構(gòu)建是開展營養(yǎng)精準管控的前提，是當前熱門的研究領(lǐng)域。

（3）智能健康監(jiān)測預警。使用行為監(jiān)測、體溫監(jiān)測、體尺測量、體重預估以及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對患病豬只和處于亞健康的豬只進行預警，防止疾病在豬舍之間傳播，如使用紅外攝像頭持續(xù)監(jiān)測豬只溫度，一旦豬只體溫出現(xiàn)異常，就發(fā)出警告并通知工作人員對豬只進行隔離。

（4）工廠化智能養(yǎng)殖。未來規(guī)模化、智能化和集約化的豬只養(yǎng)殖模式可通過建立標準化樓房，并在樓房內(nèi)安裝各種環(huán)境傳感器、紅外攝像頭和自動飼喂器等設備，實現(xiàn)智能化樓房養(yǎng)豬。

來源：《豬業(yè)》2021年第3期

作者：肖德琴  黃一桂  劉又夫 楊秋妹 張哲（華南農(nóng)業(yè)大學數(shù)學與信息學院）