楊 亮,張 帆,王 輝,熊本海
中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所,動物營養(yǎng)學國家重點實驗室,北京 100193
農(nóng)業(yè)正在由傳統(tǒng)的機械化農(nóng)業(yè)向以數(shù)字要素為基礎(chǔ)的智慧農(nóng)業(yè)邁進,數(shù)字農(nóng)業(yè)是伴隨網(wǎng)絡(luò)化、信息化和數(shù)字化在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中的應(yīng)用,是農(nóng)民信息化技能的提高而內(nèi)生的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展和轉(zhuǎn)型進程,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素、農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理過程的數(shù)字化。以農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、精準農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、人工智能為代表的數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。加快推進數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)既是補齊農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化短板的重要舉措,也是深入貫徹新發(fā)展理念、加快構(gòu)建新發(fā)展格局的關(guān)鍵一環(huán)。大力發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè),是推動鄉(xiāng)村振興,建設(shè)數(shù)字中國的重要組成部分。北京市堅持問題導向,不斷夯實數(shù)字農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)支撐,持續(xù)推進數(shù)字技術(shù)與生產(chǎn)經(jīng)營的深度融合,全面提升農(nóng)民數(shù)字化素養(yǎng)與技能,全面引領(lǐng)農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)數(shù)字賦能農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,為建設(shè)全球數(shù)字經(jīng)濟標桿城市提供動力和支撐。
數(shù)字化養(yǎng)殖技術(shù)指的是運用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù),建立高效的電子養(yǎng)殖系統(tǒng)[1]。在規(guī)?;⒓s化養(yǎng)殖模式下,運用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)字化養(yǎng)殖的基礎(chǔ)。在此過程中,需要考慮動物個體及所處生理階段的不同需求,構(gòu)建的數(shù)字化養(yǎng)殖體系需要具有全面性,最大限度保障動物的健康和生產(chǎn)性能。家畜數(shù)字化養(yǎng)殖主要包括養(yǎng)殖環(huán)境、養(yǎng)殖過程和養(yǎng)殖管理等環(huán)節(jié),數(shù)字化在牧場上的應(yīng)用包含個體身份識別、營養(yǎng)精準供給、發(fā)情與疾病監(jiān)測、稱重與分群、數(shù)字化擠奶、環(huán)境精準監(jiān)控、人員管控、網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)信息共享等。數(shù)字化養(yǎng)殖可以提高家畜養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率,提高養(yǎng)殖企業(yè)的管理效率。家畜養(yǎng)殖是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分,是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的標志性產(chǎn)業(yè),也是京郊都市型農(nóng)業(yè)的重點產(chǎn)業(yè)。北京作為都市奶牛養(yǎng)殖業(yè)的典型代表,具有顯著的帶動周邊區(qū)域的效應(yīng)。北京現(xiàn)有存欄奶牛5.2 萬頭,存欄生豬32.6 萬頭,規(guī)模呈現(xiàn)下降趨勢,如何保障畜產(chǎn)品的穩(wěn)定供應(yīng)顯得尤為重要。
隨著家畜養(yǎng)殖向集約化、規(guī)?;目焖侔l(fā)展,為家畜提供舒適的生長環(huán)境,應(yīng)用數(shù)字化環(huán)控系統(tǒng)的重要性凸顯。數(shù)字化環(huán)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)化模式向養(yǎng)殖者提供養(yǎng)殖場的環(huán)境數(shù)據(jù),根據(jù)預設(shè)的環(huán)境閾值自動執(zhí)行相關(guān)設(shè)備的運轉(zhuǎn),保障家畜處于健康的養(yǎng)殖環(huán)境。數(shù)字化環(huán)控系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高家畜的存活率,減少熱應(yīng)激癥狀等,增加養(yǎng)殖企業(yè)的收益。
奶牛生產(chǎn)的最適宜溫度是5~25 ℃,當環(huán)境溫度高于35 ℃、相對濕度高于80%時,奶牛會出現(xiàn)明顯的熱應(yīng)激癥狀,表現(xiàn)為呼吸頻率加快,采食量下降,反芻時間減少,唾液分泌量減少,瘤胃pH值降低,產(chǎn)奶量下降。北京地區(qū)屬于華北地區(qū),7、8月是每年最熱的月份,最高溫度達到40 ℃,由于熱應(yīng)激導致的北京地區(qū)奶牛場日產(chǎn)奶量下降3 kg以上的占比達37.1%[2],奶牛的熱應(yīng)激反應(yīng)較為嚴重,炎熱的夏季對泌乳牛是嚴峻的考驗。調(diào)研發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)奶牛場夏季常用的降溫方法是使用風扇、遮陽網(wǎng)和噴淋等。其中,噴淋、遮陽網(wǎng)相比風扇更能減少夏季熱應(yīng)激對奶牛產(chǎn)奶量的影響。噴淋是比較流行的夏季降溫措施,噴淋裝置安裝和使用比較方便,降溫效果較好。養(yǎng)殖場正確使用噴淋能有效降低熱應(yīng)激水平,減小產(chǎn)奶量降幅;不使用噴淋的養(yǎng)殖場,高產(chǎn)牛群的產(chǎn)奶量降幅高于低產(chǎn)牛群。養(yǎng)殖場噴淋設(shè)備的自動化程度與牛場規(guī)模直接相關(guān),近50%的規(guī)?;膛鰬?yīng)用了能夠自動噴淋處理的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時監(jiān)測養(yǎng)殖場的環(huán)境溫度,當溫度超出閾值時,系統(tǒng)自動啟動噴淋設(shè)施,實現(xiàn)養(yǎng)殖環(huán)境的智能化控制。家庭農(nóng)場等部分小規(guī)模養(yǎng)殖場,還依靠人工手動控制模式進行噴淋操作,沒有環(huán)境自動監(jiān)測及控制設(shè)施。
2018年暴發(fā)的非洲豬瘟,對生豬產(chǎn)業(yè)帶來巨大的影響,養(yǎng)殖企業(yè)深受其害。非洲豬瘟病毒傳播速度快,傳播途徑多。養(yǎng)殖環(huán)境中的應(yīng)激因素是疾病發(fā)生的主要誘因,良好的設(shè)施環(huán)境是豬只健康生長的重要保障。針對不同類型的豬只,養(yǎng)殖場設(shè)定了對應(yīng)的最適宜溫度,例如對于新生仔豬,環(huán)境控制箱會自動調(diào)節(jié)電熱板的啟停,保證環(huán)境溫度在32.3~37.8 ℃區(qū)間,滿足新生仔豬的需求。針對豬舍中存在的有害氣體,環(huán)境控制系統(tǒng)中配置有傳感器,檢測環(huán)境中氣體濃度,當有害氣體值超出閾值時,就會自動啟動風機等設(shè)備,保證豬只的健康生長環(huán)境。整體上,由于非洲豬瘟的影響,北京地區(qū)的養(yǎng)豬場均配備了智能化的環(huán)境控制系統(tǒng),實現(xiàn)了養(yǎng)殖環(huán)境的數(shù)字化管理。
家畜養(yǎng)殖過程的數(shù)字化管理尤為重要,直接影響?zhàn)B殖場管理分析的準確性,需要重點關(guān)注。數(shù)字化對于提高養(yǎng)殖場管理效率、及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題、減少人力成本、提高經(jīng)濟效益發(fā)揮著重要的作用,需要引起養(yǎng)殖企業(yè)的高度重視。
家畜個體信息感知是現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ),通過感知家畜個體信息,實現(xiàn)家畜生長及生理信息的監(jiān)測,是實現(xiàn)家畜養(yǎng)殖過程數(shù)字化管理的前提[3]。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,機器視覺、深度學習等技術(shù)逐漸應(yīng)用到家畜養(yǎng)殖中,明顯提高了養(yǎng)殖場的生產(chǎn)效率。奶牛的體溫、活動量、反芻行為等信息直接與奶牛的健康狀況相關(guān),實現(xiàn)對上述信息的及時監(jiān)測,構(gòu)建奶牛生理、生長及健康模型,為奶牛的福利化健康養(yǎng)殖提供技術(shù)支撐[4]。
傳統(tǒng)人工觀察家畜發(fā)情的方法存在著工作量大、檢出效率低,不易發(fā)現(xiàn)夜間家畜發(fā)情等弊端,導致錯過家畜的最佳配種時間,影響?zhàn)B殖場的經(jīng)濟效益。數(shù)字化檢測奶牛發(fā)情方法提高了奶牛發(fā)情檢出率[5],特別是非接觸式發(fā)情檢測技術(shù)及裝置,減少對家畜的傷害,提高了家畜養(yǎng)殖的現(xiàn)代化水平。調(diào)研發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)家畜養(yǎng)殖過程中,SCR項圈被廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖場的數(shù)千頭奶牛,使養(yǎng)殖場的管理更信息化、智能化,給養(yǎng)殖場的生產(chǎn)經(jīng)營帶來了積極影響。在養(yǎng)殖過程中,由于反芻問題而導致的奶牛產(chǎn)奶量下降通常在2~3 天后反映出來,會影響到奶牛這段時間的產(chǎn)奶量。SCR項圈具有監(jiān)測奶牛反芻的功能,牛場管理者應(yīng)用此功能,在2 h內(nèi)就能發(fā)現(xiàn)問題,進而及時處理以避免產(chǎn)奶量下降帶來的損失。SCR項圈還具有監(jiān)測奶牛發(fā)情的功能,內(nèi)置的微型電子磁力系統(tǒng)芯片能夠精確的監(jiān)測到奶牛發(fā)情情況,實現(xiàn)養(yǎng)殖場對牛只的全天候?qū)崟r監(jiān)控。SCR項圈具有監(jiān)測奶?;顒拥墓δ埽?0 min收集1 次數(shù)據(jù),每2 h傳輸?shù)竭h程服務(wù)器,數(shù)據(jù)經(jīng)過自動處理后,呈現(xiàn)在養(yǎng)殖場管理的應(yīng)用設(shè)備上。
計步器也廣泛應(yīng)用在家畜的信息感知方面。計步器可以監(jiān)測家畜的運動量、體溫等基礎(chǔ)健康數(shù)據(jù);讀取每頭牛的產(chǎn)奶量,實現(xiàn)奶量數(shù)據(jù)的識別與自動上傳;利用自然發(fā)情揭發(fā)技術(shù),監(jiān)測奶牛是否進入發(fā)情期,指導工作人員了解最佳配種時間,提高受胎率,提高生產(chǎn)效率。調(diào)研發(fā)現(xiàn),牛場使用的計步器主要從國外進口,存在著成本較高的問題,不利于進行大規(guī)模應(yīng)用。
奶牛養(yǎng)殖過程中,產(chǎn)后保健對奶牛的健康至關(guān)重要,可以提高奶牛的受胎率,縮短奶牛胎間距,提高奶牛繁殖率[6]。調(diào)研發(fā)現(xiàn),家畜養(yǎng)殖過程中的產(chǎn)后疾病以預防為主治療為輔,如果通過信息感知技術(shù),及時監(jiān)測家畜的生理狀況,出現(xiàn)健康問題時做到早發(fā)現(xiàn)、早治療尤為重要。北京地區(qū)針對奶牛產(chǎn)后的繁殖保健主要以人工監(jiān)測產(chǎn)后母牛生殖器官為重點,進行生殖系統(tǒng)疾病的全面監(jiān)控,先進的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用較少。針對產(chǎn)后鈣流失引起的產(chǎn)乳熱等癥狀,Wang等[7]應(yīng)用對鈣離子特異性較高的DNA酶制備半導體生物傳感器,并與鉛離子生物傳感器聯(lián)用,構(gòu)建了干擾解析模型,可以大幅提高鈣離子的檢測精度,為更高精度檢測牛奶和水中鈣離子含量提供了一種新方法。
飼料成本占奶牛養(yǎng)殖成本的70%,是決定奶牛場養(yǎng)殖效益的關(guān)鍵因素[8]。如何在滿足奶牛營養(yǎng)需要的前提下,實現(xiàn)奶牛的精準營養(yǎng)供給與智能飼喂,顯得尤為重要。飼料作為營養(yǎng)物質(zhì)的載體[9],科學調(diào)控其投入和產(chǎn)出的關(guān)系,實現(xiàn)對家畜所需營養(yǎng)物質(zhì)的最佳供給量,離不開數(shù)字化技術(shù)及裝備的應(yīng)用。調(diào)研發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)養(yǎng)殖場應(yīng)用精準飼喂設(shè)備的比例較低,特別是中小規(guī)模養(yǎng)殖場,主要依賴傳統(tǒng)的人工飼喂模式,對飼料的投入量、家畜個體的采食量等信息缺失,極易造成飼料的浪費。
在飼料配置方面,主要采用傳統(tǒng)的人工稱重配制模式。精料在場內(nèi)自行配制,經(jīng)過固定臥式TMR攪拌機攪拌后,應(yīng)用三輪撒料車到牛舍進行投喂。上述方式缺少飼料制作過程的監(jiān)控設(shè)施,無法對飼料制作的準確度、制作量、制作時間及剩料量進行記錄監(jiān)測。養(yǎng)殖場也缺乏家畜飼料原料質(zhì)量檢測、配置飼料質(zhì)量的檢測設(shè)施。為此,亟需運用數(shù)字化技術(shù),建設(shè)現(xiàn)代化的養(yǎng)殖場數(shù)字飼喂系統(tǒng),實現(xiàn)對飼料制作過程中加料種類、加料量、投喂圈舍、投喂量的智能提示,實現(xiàn)實際加料量與投喂量、剩料的科學記錄,及時監(jiān)測制作飼料準確度、用料量、圈舍家畜采食量,為提高養(yǎng)殖場生產(chǎn)和管理水平提供支撐。
奶牛生產(chǎn)性能測定(Dairy Herd Improvement,DHI)是對牛群進行遺傳改良、建立高產(chǎn)核心群、選育優(yōu)秀種公牛,調(diào)控奶牛生產(chǎn)、實現(xiàn)牛群的規(guī)范化管理,調(diào)整飼料配方和喂量、減少浪費,開展常見病預防、實現(xiàn)安全生產(chǎn),提高牛奶質(zhì)量,提供高質(zhì)量原料奶,進而提高經(jīng)濟效益的最為重要的必要性、基礎(chǔ)性工作。DHI技術(shù)作為養(yǎng)殖場數(shù)據(jù)監(jiān)控的重要手段,集數(shù)據(jù)采集、系譜追溯、群體改良、精準飼喂于一體的綜合性管控技術(shù),是現(xiàn)代化奶牛管控的主要抓手[10],其工作開展的好壞,直接關(guān)系著奶業(yè)的正常健康發(fā)展。
中國DHI技術(shù)從1992年發(fā)展至今,已有30年的歷程。測定的指標包括每頭牛的日產(chǎn)奶量、乳脂率、乳蛋白率、泌乳天數(shù)、泌乳持續(xù)力、脂蛋白比、體細胞數(shù)、高峰奶量、高峰日等指標,對掌握每頭牛的健康情況非常有幫助。針對產(chǎn)奶量、高峰奶等數(shù)據(jù)進行評估,可以及時調(diào)整圍產(chǎn)期和新產(chǎn)牛的管理,監(jiān)測及淘汰低產(chǎn)奶牛。
調(diào)研發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)養(yǎng)殖場根據(jù)報告對奶牛進行及時診治,通常會把報告中產(chǎn)奶量排名后10%的奶牛及時淘汰掉。隨著月份的變化,奶牛產(chǎn)奶量和乳成分的變化規(guī)律比較穩(wěn)定[11],當4月天氣回暖,產(chǎn)奶量連續(xù)3個月小幅度上升,當7月溫度較高,引起奶牛的熱應(yīng)激導致產(chǎn)奶量回落。隨著日產(chǎn)奶量的提升,會稀釋乳汁、乳蛋白在單位體積內(nèi)的含量,乳成分及體細胞數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢。隨著奶牛胎次的增加,日產(chǎn)奶量相應(yīng)增加,其中高峰奶在三胎牛的數(shù)值最高;體細胞數(shù)相應(yīng)提高,主要是由于奶牛的乳房功能出現(xiàn)衰減,乳房下墜后更易與地面發(fā)生接觸,導致乳房細菌微生物數(shù)量明顯上升。存在的問題主要是養(yǎng)殖場工作人員的專業(yè)知識較差,無法對返回的DHI數(shù)據(jù)進行專業(yè)分析,還需要加強對養(yǎng)殖場工作人員的專業(yè)培訓。
隨著家畜養(yǎng)殖規(guī)模的增加,管理難度相應(yīng)增加,養(yǎng)殖管理的數(shù)字化需求更為迫切,亟需實行精細化管理,達到最大限度的規(guī)模效益。在人員管控方面,規(guī)?;B(yǎng)殖場管控比較規(guī)范,有配套的人員管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng),有利于管理人員及時掌控及查詢養(yǎng)殖場內(nèi)狀況。家庭農(nóng)場等較小規(guī)模養(yǎng)殖場,固定工作人員較少,部分養(yǎng)殖員對數(shù)字化管理系統(tǒng)和設(shè)備的使用能力較為欠缺,易出現(xiàn)操作失誤引起信息丟失、設(shè)備故障甚至系統(tǒng)癱瘓,難以發(fā)揮數(shù)字化養(yǎng)殖的最大效用,甚至對養(yǎng)殖場帶來經(jīng)濟損失。為此,需要組織固定人員參加專業(yè)培訓,熟悉所負責工作場景的管控及監(jiān)測設(shè)備,提高規(guī)范操作與信息化水平。在數(shù)據(jù)信息共享方面,養(yǎng)殖場技術(shù)人員查詢家畜信息時,一般需要到臺式機上進行操作,缺乏移動式查詢設(shè)備。如果能實現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的快速統(tǒng)一自動分析并做出提示,可以方便管理者準確、及時做出應(yīng)對措施。
首先,政策支持是關(guān)鍵。近年來,北京地區(qū)養(yǎng)殖場不斷受到來自城建、環(huán)評等方面的多重壓力,特別是隨著飼料成本的居高不下,大豆粕5 500 元/噸,玉米3 000 元/噸,而奶價只有3.8 元/kg,養(yǎng)殖場面臨著持續(xù)虧損。在如此重壓之下,養(yǎng)殖場的基礎(chǔ)設(shè)施維護更加困難,造成嚴重的經(jīng)營受限,只能不斷縮小養(yǎng)殖規(guī)模,甚至打算去外地發(fā)展,導致北京地區(qū)家畜存欄量處在的較低水平,對北京畜牧業(yè)發(fā)展將帶來非常不利的影響。以北京市三石奶牛場為例,該場擁有多年的養(yǎng)殖經(jīng)驗和場地基礎(chǔ),養(yǎng)殖場現(xiàn)有土地可以養(yǎng)殖1 000~1 500 頭奶牛,牛場周圍有大量耕地,有利于糞污的就地還田,現(xiàn)實情況是場內(nèi)只養(yǎng)殖了400 多頭奶牛,造成了嚴重的資源閑置與浪費,亟需政府出臺相應(yīng)的政策和資金的支持,建立健全農(nóng)業(yè)金融信貸體系,鼓勵養(yǎng)殖場擴大規(guī)模,發(fā)展壯大北京地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)。
其次,過程管理是重點。大力促進養(yǎng)殖場應(yīng)用信息化管理系統(tǒng),具有實時的指標預警、全面的問題分析與挖掘、詳盡的指標注釋等特色功能,引進高端擠奶機以及發(fā)情監(jiān)測、精準飼喂等智能化設(shè)備。為養(yǎng)殖場生產(chǎn)繁育工作提供一種科學、高效的管理工具,助力養(yǎng)殖業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級,提高養(yǎng)殖場的智能化和裝備化水平。建立育種中心、飼料化驗室、分子生物學實驗室等多個檢測部門,提升對重大疫病的防控及監(jiān)測能力。建立可追溯系統(tǒng),實現(xiàn)從源頭到餐桌的全程質(zhì)量監(jiān)控,真正讓消費者放心。
最后,技術(shù)創(chuàng)新是手段。不斷進行技術(shù)創(chuàng)新,在環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控方面,養(yǎng)殖場需要引進先進的無損監(jiān)測技術(shù)獲取養(yǎng)殖環(huán)境的主要信息,自動化控制養(yǎng)殖場內(nèi)溫度、濕度、通風、采光等,改善家畜生長環(huán)境、提升動物福利、增加經(jīng)濟效益。在家畜關(guān)鍵生理、生長信息感知方面,應(yīng)用非接觸式傳感器技術(shù),避免引起家畜的應(yīng)激反應(yīng),例如應(yīng)用熱紅外成像技術(shù)作為非侵入式方法來直觀表現(xiàn)出家畜不同部位的體表溫度與差異;使用機器視覺技術(shù)構(gòu)建動物體尺與體重的強相關(guān)性,實現(xiàn)體重估測;使用傳感器監(jiān)測家畜的采食、飲水行為;根據(jù)奶牛發(fā)情的爬跨行為特征,開發(fā)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的奶牛發(fā)情行為識別方法,實現(xiàn)無接觸實時監(jiān)測,提高對奶牛發(fā)情行為的識別率,提高規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖的管理效率。
數(shù)字化是畜牧業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢,在“雙循環(huán)”戰(zhàn)略格局下,利用現(xiàn)代信息技術(shù)對畜牧業(yè)進行轉(zhuǎn)型升級,實現(xiàn)由粗放到精細、由低效到高效的高質(zhì)量發(fā)展尤為重要。養(yǎng)殖場向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型是未來發(fā)展的必然趨勢,信息感知和數(shù)字化管理等技術(shù)在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。北京地區(qū)養(yǎng)殖場亟需針對實際生產(chǎn)需求進行深入探索與持續(xù)發(fā)展,大力推廣現(xiàn)代信息技術(shù)與智能化裝備在家畜養(yǎng)殖領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用,加快轉(zhuǎn)型效率,提升養(yǎng)殖水平,增加養(yǎng)殖經(jīng)濟效益,真正實現(xiàn)北京地區(qū)家畜養(yǎng)殖業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。