規模化生豬養殖場的疫病防護機器人應用研究

任春江 陶松兵 吳學棟

摘 要

隨著以機器視覺為代表的人工智能技術的快速發展，機器人技術在規?；竽琉B殖中的應用也逐漸嶄露頭角，并成為當前養殖業發展的主流。機器人技術在畜牧養殖業的應用場景眾多，本文對機器人技術在豬場養殖疫病防護中的應用進行探討。通過對豬場疫病防護機器人的基本功能單元進行介紹，對當前仍待解決的科學技術問題進行分析，為進一步促進機器人技術在豬場養殖疫病防護中的應用研究提供參考。

關鍵詞

機器人技術;人工智能;疫病防護機器人;智能豬場

中圖分類號： S858.28 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.089

Abstract

With the rapid development of artificial intelligence technology including machine vision，robotics has been widely applied for large scale animal husbandry operations， which also indicates the mainstream of the current development.As robotics is available for many cases of animal husbandry，in this paper，the development of epidemic prevention robot in pig farms which has not yet reached a mature state is discussed.Combined with the introduction of basic function units of epidemic prevention robot，problems of science and technology that still need to be solved are analyzed.Review in this study provides a reference for further developing robot technology for the epidemic prevention of pig farms.

Key Words

Robotics;Artificial intelligence;Epidemic prevention robot;Intelligent pig farm

1 機器人技術及應用

機器人，直觀理解即為，代替人類完成指定任務的特殊設備。當前，主流機器人已基本具備高度自適應的自治能力，具體表現為：具有多種途徑的感知功能，可進行基于復雜邏輯思維的自主判斷與決策，可在復雜作業環境中獨立完成指定動作及任務等[1]。得益于當前機器人高度自適應的自治能力，其已被廣泛應用于養殖場的不同生產環節，主要包括：環境感知與控制（溫濕度及光照控制等）、幼苗孵化及培育、自動飼喂、牧場品收割（擠奶，撿蛋及屠宰等）、畜禽健康監測、消毒防疫及糞污處理等[2]。

生豬養殖作為我國傳統農牧業發展的典型代表，在大數據、人工智能等新技術發展的浪潮中，也開始了行業生產經營結構的升級，開啟了“智能養豬”的新時代。當前，機器人技術在豬場養殖中的廣泛應用，不僅緩解了惡臭環境下人手不足的問題;并且通過提高豬場飼喂、清糞等過程的自動化集成，顯著提升了豬場養殖效率。此外，以機器視覺和人工智能為代表的新一代自主移動機器人，依靠其良好的環境適應特性、多功能集成特性以及大數據分析特性，正逐漸成為智能養豬中的重要一環。

2 豬場疫病防護難點

雖然近年來，國內外智能養豬話題持續走熱，網易、阿里巴巴和京東等的國內大型集團的智能養豬計劃的宣布，更是被視為人工智能養豬時代來臨的標志。但現有“智能養豬”，多針對豬場環境監測、自動投喂或清糞等養殖過程[3]，對于豬瘟等疫病防護的智能化發展不足。最為典型的就是，2018年非洲豬瘟（African Swine Fever， ASF）疫情在我國大范圍的爆發[4]，導致國內養豬業損失慘重，豬肉價格飆升，直接升級為國務院關注的影響居民生活質量的重大民生問題。

豬只疫病問題由來已久，傳統規模豬場主要以慢性豬瘟為主，常見的包括高致病性非洲豬瘟、豬藍耳病、豬丹毒、敗血性沙門氏菌等多種疫病類型。雖然在現有豬瘟預防和控制措施中，都會采用接種防疫疫苗的方式確保生豬接種質量。但地方接種疫苗種類繁多，疫苗質量難以得到全面保障。而規?；B殖場通常生豬群體大，接種時間緊湊任務重，易出現各種接種疫苗注射不規范或接種疫苗劑量不足等情況[5]，這就是為什么不少規模化豬場仍存在潛在野病毒株的原因。接種防疫的失敗，進一步導致規模化養豬場中易存在潛在的耐受豬群、亞臨床感染豬、慢性感染病例等。

另一方面，規?；B豬場生豬數量龐大，顯然，通過人對每一頭豬的健康狀態進行連續觀察并及時發現潛在疫病特征，是幾乎不可能的。主要原因：人的精力無法保證24小時連續工作;即使對豬只進行人工標記，人眼也無法快速準確辨別;期望每個記錄員都是經驗豐富的獸醫是更不現實的，而這對于豬只疫病的早發現早隔離尤為重要。

隨著以機器視覺為代表的人工智能技術在機器人中的應用，輔助以先進的機器人自主導航系統，對豬場豬只實現24小時全天候不間斷觀察，以及豬只早期疫病檢測及診斷成為可能。因此，新型豬場疫病防護機器人的使用，必將使得病豬檢測和隔離更為高效，為規?；i場的疫病傳染控制提供新的解決方法。

3 豬場疫病防護機器人

針對豬場特殊作業環境及需求，研究了豬場疫病防護機器人，以實現病豬的早期檢測和疫情的早期預警與防護。豬場疫病防護機器人主要包括：自主導航及定位系統、豬場環境監測系統、活豬疫病移動檢測系統、自動消殺系統等。

3.1 自主導航及定位系統

自動導航車（Automatic Guidance Vehicle）即AGV是一種能夠自動導航的無人駕駛車輛，疫病防護機器人也是一種特殊的AGV。傳統自動巡檢機器人多是依靠慣性導航來實現自主移動，但其導航精度會隨運行時間的增加而逐漸降低。而磁導式巡檢機器人，通常需在地面鋪設磁條等外界輔助設備，應用場景的大范圍改造，限制了其大規模應用的可行性。豬舍通道狹長，路面多顛簸不平，清潔消毒過程還導致路面潮濕，顯然，傳統的自動導航技術難以勝任。

新一代智能移動機器人，多采用激光雷達為主、深度攝像機為輔的導航結構，并結合同步定位與建圖（Simultaneous Loca lizati on and Mapping， SLAM）技術，實現機器人自主導航、定位及避障。激光雷達導航，主要是通過雷達掃描機器人所處環境，利用采集的數據構建環境地圖，然后根據目的地以及機器人在地圖上的位置信息，規劃無障礙的行進路線。其中，在行進過程中，AGV使用激光雷達連續地掃機器人周邊環境并與地圖數據進行比較，一方面用于確定AGV當前所處的位置，以對行進路線進行實時校正;另一方面用于判斷行進方向是否存在障礙物，并判斷障礙物的（靜止或移動）運動特性，以決定是否需要重新規劃路徑以到達目的地[6]。而對于深度攝像機，當前，多用于二次輔助定位。如當疫病防護機器人需對特定豬只近距離觀察時，顯然，需結合深度攝像機掃描結果對機器人位置進行微調。當前，基于深度相機的視覺導航技術還未成熟，仍以激光雷達導航為主。

3.2 豬場遠程環境監測系統

養殖場環境的溫濕度，以及硫化氫（H2S）、氨氣（NH3）以及一氧化碳（CO）等有害氣體均會直接或間接地對牲畜生長狀況產生影響，部分有毒氣體濃度過高還可能引起爆炸，威脅養殖場牲畜傷亡及財產安全。因此，對豬場環境進行實時、全方位的監測是十分有必要的。

豬只疫病防護機器人作為新型智能移動平臺，其在按照預定路線自主行進過程中，利用安裝的多種氣體測量傳感器，即可獲取豬舍各處的溫度、濕度、H2S、NH3、CO和PM2.5等信息。然后通過機器人集成的GPRS網絡將數據傳輸到監控中心的數據庫服務器，并在電腦或手機等客戶端進行可視化顯示。同時，用戶也可通過客戶端遠程發送指令，控制機器人運動至特定區域，以實現對豬舍重點區域養殖環境的主動監測。

3.3 活豬疫病移動檢測系統

3.3.1 豬只識別

要實現豬場豬只的疫病檢測，首先需實現所有豬只的標簽化，以保證不同豬只個體的有效區分。傳統的豬只識別，主要是通過給豬佩戴無線射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）電子耳標，通過無線電波的方式讀取電子耳標信息以實現豬只識別。但電子耳標通常需配合讀卡器等其他硬件設施，且隨著豬只生長周期的結束而需再次更新。相比之下，基于機器視覺的豬只識別，則是一種低成本、非侵入式且實用的豬只識別方式，其無須額外硬件投入且可在線更新豬只信息。

當前，基于機器視覺的人臉識別技術已被廣泛應用于機場、高鐵等不同公共區域，并取得了較好的實際應用效果。但在畜牧養殖行業，以豬只為代表的非侵入式牲畜身份識別技術還處于探索階段。智能豬只身份識別技術，主要通過圖像技術，對豬只面部、外貌、體型等特征細節進行提取，結合先進的人工智能算法實現每頭豬的精準識別及定位。其中，豬只識別研究中以豬只面部識別最為典型。英格蘭西部大學Bristol機器視覺中心的研究成果表明，基于豬面部識別技術的豬只識別準確性可達97%。此外，研究還表明，機器視覺也可用于識別豬核心情緒狀態（如快樂或痛苦）的面部表情，這為豬只的健康評估提供了重要的參考指標。

3.3.2 病疫識別

生豬疫病抗體檢測是相對最為直接和可靠的疫病識別方式，但其投入成本也相對較高且豬群集中檢測時間長。除去成本與時間的考慮，抗體檢測通常具有針對性，因此，疫病抗體檢測，更適合于特殊需求下有計劃的、有選擇性地進行。其次，由于生豬養殖過程中，飼料來源、環境變化以及人員出入等，都可能使豬群再次暴露于疫病風險之中。此時，對于生豬個體健康狀態的實時動態監控就顯得尤為重要。

除了抗體檢測，生豬的疫病識別主要從以下幾個方面著手：生豬體溫變化，當豬受疫病影響時，體溫常會出現時高時低的特點，對于急性疫病，則會出現突然發熱，發熱甚至高達41℃以上;生豬行為變化，當疫病情況較輕時，病豬通常會表現出弓背縮腹，行走搖晃等細微肢體行為變化，嚴重時則可能出現全身痙攣，四肢抽搐等肢體動作;體表特征，在疫病早期，病豬耳尖或尾尖常會出現干枯、皮膚發紺等癥狀，此外，豬藍耳病以及非洲豬瘟等疫病還會導致病豬的體表局部（耳、鼻、腹部、臀部等）顏色發生變化。

針對上述特征，為實現疫病防護機器人的疫病識別，分別設計了：無接觸體溫檢測、異常行為檢測以及體表顏色檢測等不同的疫病特征分析模塊。

（1）無接觸體溫檢測

傳統生豬體溫檢測多采用接觸式，即對肛口溫度進行檢測。其不僅消耗大量人力和時間，而且往往會使豬產生應激反應，若檢測流程不規范，甚至可能導致豬群內部交叉感染。而利用疫病防護機器人自帶的熱紅外成像儀，即可實現任意或指定豬只身體各部位的溫度檢測。疫病防護機器人利用其優異的自主導航及避障功能，可24小時不間斷對不同豬舍豬只體溫進行輪流檢測，不僅能及時發現突然發熱的病豬，也能夠通過對同一頭豬在24小時內的體溫記錄比對，及時發現體溫時高時低的病豬。

（2）異常行為檢測

正常豬只的日常行為主要包括：趴窩、站立、漫步、跑動、采食、飲水、排泄等，而病豬在疫病暴發早期，病豬個體多會出現咳嗽、弓背縮腹以及行走搖晃等肢體變化特征，病豬豬群出現非正常聚集。因此，對豬只異常行為變化的監測，也是疫病防護的極為有效和必要的環節。

目前，雖然機器視覺技術已被證明其在人的面部表情及行為動作檢測中的有效性，但其在牲畜行業的應用還未被推廣。其原因之一便是缺乏標準的生豬行為識別數據庫，而人工智能的優異性能往往是通過大量的帶標簽數據的訓練得到的。此外，當前機器視覺技術仍存在發展的空間。如，在豬場復雜背景下，光照強度、圖像視角以及圍欄遮擋等情況均會降低豬只檢測的準確性。

（3）體表顏色檢測

目前，生豬體表顏色檢測多采用可見光圖像與熱紅外圖像相結合的方法。如在生豬無接觸體溫檢測中介紹，在紅外背景中，生豬耳根部通常與身體其他部位顏色存在顯著差異，這有利于豬耳區域識別。然后結合同一時間、同一視角下的可見光圖像，在HSV色彩空間下，判斷豬耳區域的HSV值是否與標定值一致。其中，標定值是指通過健康豬只耳部區域掃描得到HSV值。

3.4 自動消殺系統

豬場環境凈化與消毒主要包括廠區進出人員、豬舍及過道、消毒車等工具器械以及糞污等。智能疫病防護機器人可根據不同的消毒任務，配備不同的消毒劑以實現設定范圍內的自動消殺作業。智能疫病防護機器人的使用，不但可以降低人員進入的頻率，保證豬場與外界環境相對隔離，還可減少各類消毒劑對消毒人員的影響。

4 總結

得益于以機器視覺為代表的人工智能技術的快速發展，豬場疫病防護機器人的功能也不斷完善和提升。豬場疫病防護機器人的使用，完成了豬場豬只24小時全天候的無人化監測，實現了豬只全生長周期的連續記錄。機器視覺的應用，配合先進的人工智能算法，同時實現了豬只面貌、行為、外形以及色斑等不同特征的檢測，為疫病防護提供重要的參考信息。此外，基于機器人集成的豬只疫病檢測系統，不僅可以高效地檢測出病豬，還能實現豬群整體疫情發展的趨勢預警。這對于豬群疫病的早發現、早隔離，控制豬群疫病暴發，避免豬只養殖場的意外經濟財產損失，具有重要意義。

參考文獻

[1]王曉芳.智能機器人的現狀、應用及其發展趨勢[J].科技視界，2015（33）：98-99.

[2]王廷軒，張欽玉.機器人技術在淡水產養殖病害測診中的應用初探[J].科技視界， 2013（24）：308-309.

[3]陸蓉，胡肄農，黃小國，等.智能化畜禽養殖場人工智能技術的應用與展望[J].天津農業科學，2018，24（07）：38-44.

[4]康樺華，張春紅，劉志成，等.非洲豬瘟診斷方法研究進展[J].廣東畜牧獸醫科技， 2019，44（4）：10-13.

[5]王俊文.規?；i場豬瘟預防與控制措施[J].中國畜禽種業，2019（5）：131-131.

[6]史風棟，劉文皓，汪鑫，等.室內激光雷達導航系統設計[J].紅外與激光工程， 2015， 44（12）：70-75.