奶牛數字化養殖技術研究進展

文/熊安然 熊本海 蔣林樹*

（1 北京農學院動物科學技術學院；2 奶牛營養學北京市重點實驗室；3 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所）

在過去近20 年時間里，我國奶牛飼養方式發生了巨大的改變，從傳統的分散飼養逐步向標準化、規模化、集約化和產業化過渡[1]。在《2019中國奶業質量報告》中，農業農村部奶及奶制品質量監督檢驗測試中心主任王加啟表示，我國現有61.4%的牧場實現了規模化養殖，采用了機械化投喂系統。飼養方式的改變使養殖過程實現數字化管理成為可能。日糧營養價值評估、繁殖育種管理、生產性能測定（DHI）、疾病預防與診療、乳制品加工與質量檢測等重要環節數據的精準采集是實現數字化管理的關鍵，通過對各環節數據及數據之間相關性進行分析，可以實現“飼料端—牧場—獸醫站”等奶業重要生產部門之間的信息流通和對生產關鍵環節的智能把控，從而提高了奶牛養殖業的生產效率和管理水平[2]。當前，一些大型牧場已經具備了全混合日糧（TMR）自動飼喂系統、奶牛行為監測系統、全自動擠奶系統、發情監測系統、智能化選種選配系統、DHI測定系統等現代化數據監控系統，可以自動獲取牧場數據，避免了生產過程中人為因素造成的影響，提高了數字化管理水平[3]。本文從我國奶牛數字化養殖現狀、數字化技術在奶牛養殖業的應用以及數字化信息管理平臺的建設和發展幾個方面進行綜述。

1 我國奶牛數字化養殖現狀

近年來，我國奶牛呈現量降質升的趨勢。據USDA機構統計，2014年我國奶牛存欄量為840.0 萬頭；之后2014—2018年，奶牛存欄量一直呈下降趨勢，直到2019年才有所回升，達到了742.0 萬頭。據國家統計局數據，2019年我國牛奶產量為3 201.0 萬噸，比2018年增加了127.0 萬噸，增長率為4.1%。依據《荷斯坦2019中國規模牧場高產榜單》，全國范圍內年均單產11 噸以上的牧場達到85個，其中年均單產高于13 噸的牧場4 個，12 噸以上牧場24 個，11噸以上牧場57 個，覆蓋奶牛存欄37.6 萬頭，奶產量237.0 萬噸，達到世界先進水平。

與畜禽養殖業相比，我國的規模化奶牛養殖業起步較晚，通過引進和開發各類現代化生產設備，如全自動擠奶機器人系統（VMS）通過機器自動識別乳頭及持續監測牛奶流量，當感應器感應到無牛奶流出時，通向杯組的真空關閉，然后進行自動脫杯，避免了過度擠奶而造成的奶牛乳房損傷，對增加奶牛產奶量、提高乳品質有明顯效果[4]。TMR自動飼喂系統、3D掃描牛體況評分系統、智能化選種選配系統、阿菲金計步器、安樂福電子項圈、二維碼電子耳標等可以快速有效地對奶牛生產數據進行采集與評估[5]，極大地提升了牧場管理水平。

隨著數據庫與數據產生體系的推行，我國奶業相關數據得到了整合，如我國飼料數據庫使各種飼料資源得到了有效利用，提高了飼料利用率，防止飼料營養價值浪費等發揮了巨大的作用[6]。隨著信息技術的不斷發展，大數據[7]、人工智能[8]、基因芯片、紅外光譜[9]、高通量檢測等諸多新興技術也廣泛地應用到數據庫的構建和奶牛養殖管理中，促進了奶牛養殖業數字化的發展。

牧場前期成本投入與后期經濟效益是否平衡，影響著牧場的發展。當前一些中小型牧場受資金條件的制約，無法購買先進的數字化設備，仍然采用人工采集和統計奶牛生產信息的方法[10]，嚴重制約了牧場的進一步發展。也有一些牧場沒有做到統一整合管理，因此，各生產部門之間未形成有效的數據網絡。生產和科研人員迫切地希望通過數字化手段對生產過程的數據進行分析，將分散的、異構的可用數據標準化使其可以被合理利用[11]。

2 數字化技術在奶牛養殖業中的應用

牧場生產數據的有效處理，對及時發現牧場生產管理中存在的問題非常重要，使牧場工作能夠做到有的放矢，從而減少牧場的損失[12]。

2.1 飼料端

在規模化牧場生產管理中，飼料成本占飼養成本的70.0%[13]，很大程度地影響了牧場的養殖收益。而數字化養殖可以根據奶牛的泌乳胎次、泌乳周期、體重、產奶量、乳脂率、乳蛋白率推算出奶牛的干物質采食量[14]，進而因需飼養奶牛。確定牛只營養需要量，開展飼料營養價值評定也是開展各項研究工作的基礎和前提[15]，可以做到精準飼喂，合理節約成本，避免飼料浪費。極光近紅外飼料檢測儀可以對飼料成分進行快速檢測，讓管理人員更好的掌握原料質量，根據檢測結果評估日糧配方。同時，畜牧工作者和動物營養專家等相關人員還可以通過與飼料數據庫比對，估測飼料的營養價值，從而比較和研究各種飼料原料的營養價值及其影響因素[15]。

增加盈利是牧場可持續發展的重要目標。牧場的盈利主要依賴于奶牛的產奶量和乳品質，生鮮乳質量好壞會對產品的感官指標、風味、理化指標和衛生指標以及營養價值產生直接影響[16]，同時也直接關系到其的出售價格。因此，保障乳品質至關重要。而乳品質高低的關鍵在于飼料搭配的均衡、合理、健康[17]。蛋白質和脂肪是各類乳制品中最重要的營養成分，也是決定乳制品質量的核心指標。日糧中的精粗飼料比會影響到生鮮乳中乳蛋白率和乳脂率，監測乳成分的變化也可以為調整日糧配比提供數據來源。利用奶牛日糧配方軟件設計合理的日糧配方，建立最為適宜的飼料配給體系，對改善乳品質，提高飼料轉化率，節約飼養成本，促進奶牛養殖高產、高效有重要意義[13,18，19]。目前，自動化控制程度較高的TMR日糧投喂系統、精料自動補飼裝置等設備都已被應用于奶牛數字化精細飼養[20]。這些軟件和設備通過對飼料數據庫及牧場生產數據的統一建模分析，確定每頭泌乳牛每天所需要的飼料數量以及種類，可以有效地降低飼料的浪費，避免多喂或少喂飼料的情況，節約飼養成本[21]。

2.2 牧場

隨著現代化養殖技術的不斷推進，奶牛數據化設備或技術已經被廣泛運用到奶牛養殖的各環節。如北京首農畜牧發展有限公司奶牛中心推出的繁殖育種數據服務綜合平臺，涉及了育種多個方面的內容，包括配種數據、獸醫治療數據、DHI測定結果、體型外貌數據等[10]。數據表明，對奶牛發情行為進行監測，可以有效地提高奶牛的受胎率，縮短奶牛配種胎間距[21]。同時，運用環境監控系統可以監測牧場溫濕度、甲烷氣體排放量，做到對奶牛發情、分群、疾病治療和環境控制的實時監控[18,22～24]，實現對飼養環境、疾病防治的有效控制，減少牧場的經濟損失[25]。其中的環境濕度監測系統，有效改善了牛舍溫濕度，顯著提高了奶牛的躺臥時間，使臥床率增加了15.0%[21]。

此外，奶牛養殖數字化技術的發展還減少了獸醫、繁育、管理等部門員工巡視、尋找待處理牛只的時間，降低了勞動強度，提高了勞動效能；提高了人畜比，降低了勞動力成本，讓牧場整體運營受益，是提高現代化牧場養殖水平，實現精細化管理的必備手段[26]。

2.3 獸醫站

獸醫工作是牧場日常管理中的重要環節，奶牛的健康狀況直接反映了奶牛營養、繁殖育種及后續乳制品等相關環節的生產狀況，關系著牧場的經濟效益。以色列專家Amir先生在阿菲金新品發布會指出，每年因乳房炎、酮病、亞急性瘤胃酸中毒等問題給牧場帶來的損失約為每頭牛2 200元。因此，早期監測、揭發這類問題對奶牛生產、繁殖、疾病治療等意義重大。通過阿菲金數字化監測系統整理分析奶牛反芻時間、產奶量等一些生理指標，能夠及早預測奶牛疾病或者發現牛群的異常狀況，為及時治療贏得了時間，減少牧場的利益損失[4]。有研究報道，當奶牛產生炎癥反應時，其瘤胃反芻時間會明顯下降[27]。當奶牛患酮病或者蹄病時，反芻時間也會大大降低[28，29]。獸醫人員可以通過監測奶牛反芻時間、活動量的變化預判易病牛群的患病情況，如乳房炎、蹄病、產后酮病等奶牛常見疾病[30]。而監測牛奶體細胞數的變化有助于及早發現亞臨床性乳房炎并且使患病奶牛得到及時治療，減少產奶量降低的損失和牛只的淘汰，同時有利于及時分離異常生鮮乳，保障乳品質[31]。因此，采用牧場數字化生產管理對奶牛產奶量、乳品質和降低隱性乳房炎都有不同程度的改善作用[4]。

規模化牧場每年都會定期組織牧場工作人員對奶牛奶樣和血樣進行DHI測定和“兩病”（結核病和布魯氏桿菌病）篩查，在整個篩查過程中需要消耗大量的人力和工作人員的精力。目前在奶牛疾病方面還沒有統一的管理系統能夠實現從牛只入場到轉場再到淘汰的全過程跟蹤管理，做到定期監控奶牛健康狀況，保證及時診斷治療，從而有效避免疾病的發生及流行，減少牧場因疾病防控導致的經濟損失[32]。數字化養殖不僅獸醫及時檢測奶牛疾病提供了信息化管理手段，也為我國奶牛常見病歷信息系統化建設提供了良好的應用和技術層面的參考[33]。

3 數字化信息管理平臺的建設與作用

我國奶牛養殖業已逐漸向數字化技術發展，但與國外已經成熟的技術相比還存在一定的差距。在奶牛養殖過程中，飼喂、繁殖、泌乳、檢疫、疾病防治等都會影響到奶牛的產奶量及乳品質，進而影響牧場的經濟效益。因此，將我國奶牛生產資源進行系統、專門的調研，建立相關養殖數字化信息管理平臺，成為我國未來奶牛養殖業發展的方向，對我國奶業的發展具有現實意義和指導意義[15]。

3.1 構建奶牛數字化信息管理平臺

數字化信息管理平臺是采用多學科、多設備、多機構融合，應用計算機、物聯網和云計算技術實現對牧場數據的統一整合管理。應用奶牛營養學、生產學、疾病學、計算機科學、信息管理學、數據分析學等多學科領域知識的集成[20]，對奶牛的采食量、體況、活動量、反芻時間、產奶量、乳成分、健康狀況、發情狀況等有關指標進行實時監測與統計分析[34]，整合飼料產品監測機構、畜產品質量檢驗監測、乳品質量監督檢驗站、動物疫病預防控制中心等監測機構所得到的數據建立奶牛生產信息數據管理的信息集成系統，專門對繁育、保健、疫病、防治、飼料營養、DHI等數據進行分析處理，形成牛只檔案資料、牧場數據資料，為奶牛日糧配比、飼養管理、繁殖育種、疾病預防、牛舍環境控制、提高乳品質等工作提供重要依據和技術指導[35，36]。

3.2 奶牛數字化信息管理平臺在生產上的作用

數字化信息管理平臺集現代飼料配方、遺傳育種、疾病防治、環境控制和管理等先進技術于一體，通過對歷史數據、實時監測數據的整理，建立牧場飼料資源數據庫、養殖生產信息庫、獸醫站疫病防治信息庫、檢測機構DHI信息庫以及科研團隊得出的各個數據庫之間的相關關系信息庫，建立綜合管理系統。并將在整個過程中涉及到的數據進行收集，隨后上傳到省級養殖平臺，實現全面的信息化管控[34]。將地理信息系統（Geographic Information Systems，GIS）與網絡技術相結合，通過整合一個地區，甚至一個國家不同牧場的檢測管理數據，及時掌握奶牛養殖業在營養、養殖、疾病防控等方面的數據資源[33]，既可以方便牧場管理層及時了解場內情況，對照本牧場正常的生產水平或對照行業內優秀牧場生產水平，對生產數據做出偏差比較分析，發現自己牧場隱藏的問題或生產差距，及時為牧場管理者提供決策依據[12]。也可為科研人員提供大量的數據來源，實現不同時期、不同地區的病歷綜合分析，及時合理的進行病情監控。同時，還可以及時地對牛舍環境、資源配置等問題解決起到一定的參考作用，從而有效地減少牧場的經濟損失，降低生產成本、增加經濟效益和社會效益[4]。