智慧養(yǎng)殖管理模式在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

石芳權(quán) ，王 輝，羅清堯 ，張 帆 ，熊本海 *

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.甘肅省西和縣畜牧獸醫(yī)站，甘肅 西和742100）

1 引言

我國是世界第一畜禽養(yǎng)殖大國，也是肉品消費(fèi)大國，每年的豬肉消耗量在5 000萬噸以上，占世界消費(fèi)量一半左右。美國、新西蘭、澳大利亞都是畜牧業(yè)高度發(fā)達(dá)的國家，其畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值都在50%以上，我國畜牧業(yè)只占到35%[1]；丹麥、荷蘭、法國等養(yǎng)豬技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，繁殖母豬的生產(chǎn)力即PSY（每頭母豬每年可提供的斷奶仔豬數(shù)）均超過25頭，有的甚至達(dá)到28頭以上，我國總體PSY則為17頭，說明我國養(yǎng)豬生產(chǎn)的效能較低，種質(zhì)資源等利用不高，與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定的差距[2-3]。畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，對國計民生、社會穩(wěn)定具有重要意義，養(yǎng)殖業(yè)將成為我國農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，并促使農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，更深層次地推進(jìn)糧食、飼料的生產(chǎn)與發(fā)展[4]。近年來，在政府的引領(lǐng)及市場需求的拉動下，尤其在資源環(huán)境制約、社會可供給的勞動力結(jié)構(gòu)與數(shù)量的制約，以及面向國際上畜牧業(yè)生產(chǎn)效率及效益等競爭壓力下，養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)與模式正悄悄發(fā)生了深刻變化。集約化及規(guī)?；酿B(yǎng)殖模式逐漸取代小散戶及養(yǎng)殖小區(qū)，一大批大型工廠化、規(guī)模化養(yǎng)殖場應(yīng)運(yùn)而生，并逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備自動化、養(yǎng)殖過程數(shù)字化與遠(yuǎn)程控制智能化，為推動畜牧業(yè)朝著高級別的智慧方向發(fā)展起到龍頭帶動作用。

2 智慧養(yǎng)殖的演展

早在20世紀(jì)80年代，美國、日本、德國、荷蘭等發(fā)達(dá)國家將計算機(jī)技術(shù)投入到養(yǎng)殖領(lǐng)域，在機(jī)械化、自動化管理牧場方面逐漸走向成熟，特別是在奶牛標(biāo)識、計步、稱重、飼喂、擠奶等方面融入了工業(yè)化管理模式，構(gòu)建了數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析等軟件系統(tǒng)，有效提高了牧場管理水平和經(jīng)濟(jì)效益[5]。日本將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用列入政府計劃，將農(nóng)用機(jī)器人予以推廣；德國的工業(yè)體系發(fā)達(dá)，智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展也非常迅速，其投入了大量資金研發(fā)“數(shù)字農(nóng)業(yè)”，將農(nóng)牧業(yè)推向高效化、精準(zhǔn)化；美國是最早把專家系統(tǒng)知識應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)革命[6]；荷蘭最早提出了智能化發(fā)展農(nóng)業(yè)，形成智慧農(nóng)牧業(yè)的雛形，睿保樂公司研發(fā)的Velos畜牧管理系統(tǒng)，包括智能化母豬群養(yǎng)管理（NeDaP ESF）、哺乳母豬單欄飼喂管理（NeDaP FF）、育肥豬分欄管理（NeDaP Sorting）和種豬性能測定（NeDaP PPT）[7]；加拿大JYGA公司研發(fā)的哺乳母豬全自動飼喂Gestal系統(tǒng)、妊娠母豬群養(yǎng)Gestal 3G系統(tǒng)，已被得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，這些國家在智能化養(yǎng)殖設(shè)備研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用方面逐漸走向成熟，不僅可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)喂料、動物行為監(jiān)測，提高了生產(chǎn)效率，而且收集信息傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，方便管理者了解現(xiàn)場情況，實(shí)現(xiàn)智能化管理[8]。

其次，信息通訊與大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，也正在或?qū)橹腔垧B(yǎng)殖方案的不斷完善提供了新的機(jī)遇。2006年，谷歌公司提出云計算，將計算機(jī)、服務(wù)器資源虛擬化，憑借其強(qiáng)大的計算和儲存能力打破了傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源記錄。2009年中本聰創(chuàng)建了比特幣（BTC），為區(qū)塊鏈?zhǔn)澜绱蜷_了大門，后期以太坊（Ethereum，ETH）、超級賬本（Hyperledger）的誕生，再次推動區(qū)塊鏈技術(shù)跨行業(yè)應(yīng)用。2014年國際標(biāo)準(zhǔn)化大數(shù)據(jù)工作組（ISO/IEC JTC1/WG 9）和國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）發(fā)布了相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，為了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，我國也已發(fā)布了多項國家標(biāo)準(zhǔn)，其中農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、采集處理標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)和共享服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)4個，涉及畜牧業(yè)監(jiān)測、交易、溯源等領(lǐng)域[9]。

我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化起步晚于日本、歐美等發(fā)達(dá)國家，但最早引進(jìn)應(yīng)用于奶牛場的技術(shù)是牧場監(jiān)測系統(tǒng)；2010年百特牧場打造現(xiàn)代化牧業(yè)，首次應(yīng)用射頻識別技術(shù)（RFID）電子標(biāo)識，通過云監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對奶牛全方位監(jiān)控[5]。2012年，科技部正式啟動“數(shù)字農(nóng)業(yè)”863計劃重大項目，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院組織實(shí)施，其中包括“數(shù)字農(nóng)業(yè)精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)平臺構(gòu)建”的重大課題，其實(shí)就是“數(shù)字畜牧業(yè)”的研究內(nèi)容，其后于2014年正式提出了“智慧農(nóng)業(yè)”新概念。2015年，北京農(nóng)信互聯(lián)公司推出豬聯(lián)網(wǎng)，融合了物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備、大數(shù)據(jù)與企業(yè)管理，成為國內(nèi)智能化養(yǎng)豬使用最為廣泛的平臺[10]。2016年，于蓬蓬[11]提出了智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展新模式，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)化、可視化；李蔚[12]提出了“智慧牧場”概念，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融入了互聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，對畜種進(jìn)行快捷高效的遠(yuǎn)程管控和精準(zhǔn)飼喂。區(qū)塊鏈研究聯(lián)盟和研究中心的成立推動了我國區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，2017年，京東、阿里兩大電商巨頭在區(qū)塊鏈物流方面研發(fā)包括畜產(chǎn)品品質(zhì)溯源防偽和追溯查詢，實(shí)現(xiàn)快速查找商品產(chǎn)地、生產(chǎn)日期等信息，保障了消費(fèi)者的權(quán)益[13]；沃爾瑪與IBM合作研發(fā)食品溯源體系，為豬肉供應(yīng)鏈安全提供了便利。2018年5月，重慶市合川區(qū)人民政府、特驅(qū)集團(tuán)、德康集團(tuán)及阿里云聯(lián)合發(fā)起舉辦 “2018我國智慧養(yǎng)豬（合川）創(chuàng)新發(fā)展論壇”，標(biāo)志著我國養(yǎng)殖行業(yè)搭上了以農(nóng)業(yè)IT大腦為核心的快車[14]。21世紀(jì)以來，伴隨著5G、人工智能等高科技發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”在農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，有力推動了畜牧業(yè)向產(chǎn)業(yè)化、信息化和智能化發(fā)展，智慧畜牧業(yè)悄然興起。

3 智慧畜牧業(yè)的概念

智慧畜牧業(yè)屬于智慧農(nóng)業(yè)的范疇，是充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通訊、智能裝備、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行有效的融合，以全產(chǎn)業(yè)、高效率、智能化發(fā)展為特征，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將生產(chǎn)、監(jiān)測與管理和信息服務(wù)聯(lián)系成一個有機(jī)體，實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)優(yōu)質(zhì)、高效、安全和生產(chǎn)過程可控目標(biāo)[15]。由于畜牧業(yè)的商品屬性很高，廣義的智慧養(yǎng)殖不僅指傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)自動化和管理智能化，還體現(xiàn)在產(chǎn)品網(wǎng)格銷售、產(chǎn)品溯源、動物福利及資源共享等延伸領(lǐng)域。智慧畜牧業(yè)的核心在于對“智慧”的界定，不僅需要成熟和完善現(xiàn)代科技，也要依靠先進(jìn)和智慧的管理方式，整個智慧養(yǎng)殖過程更多地融入了管理者、社會環(huán)境、電子商務(wù)和市場動態(tài)諸多信息，要依托大數(shù)據(jù)、資源共享平臺，擴(kuò)大畜產(chǎn)品流通半徑和銷售渠道，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、供、銷一體化，又要通過物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對畜產(chǎn)品生產(chǎn)流通全過程的動態(tài)監(jiān)管和可追溯[16]。

智慧畜牧業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在自動化控制與智能化管理，主要包括智能感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與智能控制應(yīng)用三個相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，形成物聯(lián)網(wǎng)控制的閉環(huán)系統(tǒng)。感知系統(tǒng)是原始數(shù)據(jù)的來源，通過各種傳感器進(jìn)行動物個體信息識別、運(yùn)動狀況采集（如健康狀況、發(fā)情情況等）、環(huán)境監(jiān)測等（如有害氣體、光照及溫濕度監(jiān)測等）；傳輸系統(tǒng)主要為通過無線電、移動通訊、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施技術(shù)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的輸送；數(shù)據(jù)分析及智能控制應(yīng)用系統(tǒng)即為服務(wù)器后臺管理中心，對采集傳輸數(shù)據(jù)的分析和對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行智能控制，同時可實(shí)現(xiàn)信息資源共享[17]。

4 智慧畜牧業(yè)的關(guān)鍵性技術(shù)

4.1 射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，包括讀卡器和電子標(biāo)簽，讀卡器使用射頻（RF）信號對這些標(biāo)簽進(jìn)行圖解，并對其識別碼（ID）進(jìn)行識別[18]；電子標(biāo)簽由天線和專用芯片組成，可分為有源電子標(biāo)簽（Active Tag）和從RF信號中獲取能量的無源電子標(biāo)簽（Passive Tag）。在畜牧養(yǎng)殖中，每個動物分配一個RFID芯片作為其身份證，用來采集記錄相關(guān)信息。

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）

WSN是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，主要由傳感節(jié)點(diǎn)、傳感網(wǎng)絡(luò)、用戶和PC服務(wù)器組成，從傳感器收集信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)與PC服務(wù)器進(jìn)行計算分析，最后通過通信衛(wèi)星傳輸?shù)接脩舳?，從而?shí)現(xiàn)無線傳感。采用計算機(jī)遠(yuǎn)程操控，可方便探測圈舍溫濕度、有害氣體、光照強(qiáng)度以及動物運(yùn)動情況等參數(shù)，彌補(bǔ)了RFID數(shù)據(jù)傳輸距離短的缺陷[19]。

4.3 現(xiàn)代信息3S技術(shù)

3S是 遙 感 技 術(shù)（Remote Sensing，RS）、 地 理 信 息 系 統(tǒng)（Geography Information System，GIS）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的統(tǒng)稱。RS是從空間接收地表層的電磁波信息，并進(jìn)行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對地面物進(jìn)行遠(yuǎn)距離控測和識別的技術(shù)。GIS就是一個專門管理地理信息的計算機(jī)軟件系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)輸入、處理、存儲、查詢等功能[20]。GPS全球定位系統(tǒng)（Global Position System）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）為當(dāng)前最具影響力的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠快速、高效、準(zhǔn)確地獲取與農(nóng)業(yè)資源有關(guān)的空間信息[21]。3S技術(shù)綜合其各自優(yōu)勢，形成資源互補(bǔ)，開啟了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的信息化數(shù)字時代，GNSS負(fù)責(zé)精準(zhǔn)定位，RS負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)及監(jiān)控，GIS充當(dāng)“大腦”角色對信息進(jìn)行空間管理和快速分析[22]。

4.4 云計算（Cloud Computing）

云計算是一種提供資源的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于智慧牧業(yè)上具有雙重目的，一是將許多資源集合起來，通過軟件實(shí)現(xiàn)資源自動化傳輸、存儲、管理與共享；二是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將結(jié)果顯示給用戶，可為網(wǎng)絡(luò)終端用戶提供便捷的信息和服務(wù)。云計算具有超大規(guī)模、高擴(kuò)展性、可靠性、虛擬化等特點(diǎn)，為用戶提供多角度、多層次、多維度的數(shù)據(jù)查詢處理和一站式操作，多方面滿足用戶需求。新一代移動云計算（MCC），將數(shù)據(jù)處理和存儲在性能強(qiáng)大的云端平臺，需要信息時只需利用移動設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取，特別是智能手機(jī)的普及推動這項技術(shù)快速發(fā)展。

4.5 大數(shù)據(jù)（Big Data）

大數(shù)據(jù)是高科技時代的產(chǎn)物，具有容量（Volume）大、種型（Variety）多、處理（Velocity）快、價值（Value）高等的特征，數(shù)據(jù)庫技術(shù)分?jǐn)?shù)據(jù)采集、儲存、預(yù)處理和挖掘4個過程，是信息海量采集及云計算背景下的結(jié)晶，其意義更重要的在于對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理[19]。這些數(shù)據(jù)包括數(shù)字、文檔、音頻、圖像和視頻等，通過大數(shù)據(jù)分析可以將各種復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)整理到?jīng)Q策系統(tǒng)之中，在養(yǎng)殖過程中輔助管理者制定有效方案，更好、更快地解決問題，如建立養(yǎng)殖模型、對環(huán)境參數(shù)的預(yù)測、市場供需判斷等，有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險[23]。

4.6 物 聯(lián) 網(wǎng)（Internet of Things，IoT）

IoT是基于互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸與再擴(kuò)展，是將RFID、3S、激光掃描等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，按照協(xié)議對物品進(jìn)行能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[24]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個新興的技術(shù)，具有覆蓋廣、低耗能、傳輸快等特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，如設(shè)備的智能控制、環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測等，只需簡單的通信指令可觸動許多程序的自動化運(yùn)作[19]。IoT運(yùn)作過程分感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個模塊，感知層由各種傳感器及二維碼、讀寫器、攝像頭等感知端構(gòu)成；網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)平臺等組成；應(yīng)用層是與用戶對接，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。簡單的IoT控制如溫濕度、氨氣傳感，可直接觸動相應(yīng)溫控或通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；復(fù)雜的IoT控制需網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算、MCC技術(shù)的支撐，須在特定協(xié)議下才能實(shí)現(xiàn)更高級的自動化流程，如母豬精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)，在飼喂前身份識別、稱重和之前的飼喂、生理指標(biāo)等信息，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算以驅(qū)動飼喂系統(tǒng)控制器。

4.7 第五代移動通信技術(shù)（5th-Generation，5G）

5G技術(shù)是在4G基礎(chǔ)上發(fā)展的最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)延遲低優(yōu)點(diǎn)，支持海量的攝像頭和拾音器接入需求，其與NB-IoT技術(shù)在養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，對現(xiàn)代智能化養(yǎng)殖具有很大的推進(jìn)作用。未來利用5G技術(shù)引領(lǐng)人工智能養(yǎng)豬向更精準(zhǔn)、更高效的方向發(fā)展，人類可以利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，通過移動終端快速高效地操控設(shè)備，進(jìn)行動物遠(yuǎn)程會診、指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐等[19]。

4.8 區(qū)塊鏈（Blockchain）

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€分散的或分布式的網(wǎng)絡(luò)賬本數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)是公開透明、可信任的，具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點(diǎn)，可分為公共區(qū)塊鏈（Public Block Chains）、聯(lián)盟區(qū)塊鏈（Consortium Block Chains）和私有區(qū)塊鏈（Private Block Chains）三類[25]。區(qū)塊鏈技術(shù)在養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用最廣的是實(shí)現(xiàn)了畜產(chǎn)品追溯，確保質(zhì)量安全，增強(qiáng)生產(chǎn)、產(chǎn)品來源的透明度，并減少資源的浪費(fèi)；可以實(shí)現(xiàn)從養(yǎng)殖、流通到肉制品銷售整個過程透明化，其相關(guān)信息都在區(qū)塊鏈上得以記錄，消費(fèi)者可以通過智能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對每一份豬肉制品的跟蹤，進(jìn)而保證消費(fèi)流程的透明化[26]；也可作為判斷記錄豬只健康和實(shí)施風(fēng)險評估、保險理賠的依據(jù)。

4.9 人工智能（Artificial Intelligence，AI）

AI是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，是人類智能的模擬、延伸和擴(kuò)展，通過AI可以實(shí)現(xiàn)對人的意識、思維的信息過程的模擬，能像人一樣進(jìn)行思考和判斷[27]。AI的主要目標(biāo)是研發(fā)智能化的機(jī)器代替人類完成一些危險、復(fù)雜性的工作，從發(fā)展等級可分為弱、強(qiáng)和超人工智能，弱人工智能（Weak AI）僅能完成某一項特定工作任務(wù)，強(qiáng)人工智能（Strong AI）可以像人類一樣具備思考、學(xué)習(xí)和計劃能力，超人工智能（Super AI）幾乎能實(shí)現(xiàn)與人類智能等同的功能[19]。許多養(yǎng)殖大企業(yè)已將AI技術(shù)應(yīng)用于動物身份識別、精準(zhǔn)飼喂、溯源追溯等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧化的遠(yuǎn)程控制與科學(xué)管理。特別是通過融合地形、自主避障、激光導(dǎo)航、RTK高精度定位等技術(shù)研發(fā)的新一代機(jī)器人（Robot）、無人機(jī)（Unmanned aerial vehicle，UAV）精準(zhǔn)作業(yè)，成為未來的發(fā)展趨勢；比如應(yīng)用移動機(jī)器人同步定位于建圖（Simultaneous localization and mapping，SLAM），可在復(fù)雜環(huán)境中構(gòu)建和重復(fù)更新地圖，并自主執(zhí)行命令，依托地圖進(jìn)行自定位和自主路徑規(guī)劃導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)對動物精準(zhǔn)定位，對飼養(yǎng)環(huán)境監(jiān)測、飼料投喂和污染物清理[28]。

（未完待續(xù)）