智能感知技術在豬飼養管理中的應用研究進展

王晨陽，任志強，龐衛軍

（西北農林科技大學動物科技學院，陜西 楊凌 712100）

近年來，勞動成本上升、專業養殖戶稀缺，加上智能感知技術和養殖管理水平不斷提升，集約化、規模化養殖優勢凸顯，尤其在人力資源利用方面優勢巨大。規模化、集約化養殖模式的迅速發展，引發疾病傳播、環境污染、動物行為異常等問題，而不斷惡化的環境使豬的健康問題日益嚴重，在疾病、異常行為多發的高密度養殖環境中，實時監測豬的個體信息有助于隨時掌握豬的健康狀況[1-2]。另外非洲豬瘟來襲，對豬場環境和生物安全等級要求更高，動物福利與健康養殖技術越來越受到重視，促進現代化養豬的發展。創歷史記錄的生豬價格也刺激大型現代豬場加大規模投資。因此豬場環境調控、自動化設備，無人化管理，豬個體數據自動采集、數據診斷分析、系統自動控制成為趨勢，促使我國生豬向信息化、精確化、智能化養殖模式轉型。研究發現通過智能無損監測技術監測動物生理信息提高動物福利，可以有效地降低疾病和應激的發生，滿足動物行為需求，提高飼料利用率和改善肉質等[3-7]。智能無損監測技術和設備的非侵入性、抗污染性、可拓展性、兼容性等優點，符合精準畜牧業和改善動物福利的現代化養殖發展趨勢，在養殖場得到越來越多的認可[8-10]。因此，對豬生理信息和生產周期的智能監測有利于估測豬體健康與生長發育狀況，做到精準飼喂和科學選種，從而提高養殖質量和經濟效益[11-13]。然而，相比一些豬養殖發達國家，我國豬個體信息智能感知技術方面的應用還相對落后，所以要加大研究力度。本文綜述了傳感器、圖像、聲音3種無損監測技術在獲取豬個體信息方面的研究，并從疾病診斷、精準飼喂、發情識別、體況管理等方面探討智能化技術在豬飼養管理中的應用效果，旨在為我國生豬養殖業可持續性發展、促進動物福利與健康養殖技術的推廣提供理論依據。

1 智能感知技術在豬信息監測中的應用

實現豬的精準養殖，準確高效地獲得豬的個體信息至關重要。對豬體溫、體重、體尺、聲音、行為實時監控和有效分析，為母豬發情預測、體況管理、疾病預防、精準飼喂等相關科學研究提供數據支撐和客觀指標。相對傳統人工接觸式測量，通過智能感知設備和數據分析系統實時監控，自動獲取豬的個體信息并建立檔案，結合信息決策系統提出可行性解決方案，具有非接觸性、可拓展性、連續性、實時有效等優點，可實現未來養豬全自動化且具有可追溯性、改善動物福利的愿景，符合我國生豬養殖向便利性、高效性、安全、可持續發展模式轉型。

1.1 體溫監測

體溫是豬體健康與否的重要生理指標，也是協助疾病診斷和豬健康監測的有效手段。體溫監測可用于豬熱應激評估、肉質性狀評估、指導育種[14-15]，另外體溫監測和分析有利于及時發現異常行為或患病的豬。目前，在養殖場中對豬體溫與熱應激的評價主要通過測量直腸體溫、呼吸頻率等生理參數，在測定過程中需要對其進行適當保定，因此結果的準確性可能會受到豬應激的影響。隨著互聯網農業的不斷發展，養豬業也朝著信息化和自動化的方向發展，以紅外熱成像技術為代表的測溫技術，主要包括用于點分析的紅外測溫儀和現場分析的紅外攝像機，具有非接觸、實時和抗污染性等特性，可以快速、準確地測定豬只體表面溫差變化，對群體體溫異常豬進行篩選，提前控制流行病并減少經濟損失，逐漸成為養豬生產中體溫監測的一種新技術[16]。表1給出智能感知技術在測豬體溫方面的應用。

表1 測豬體溫方面的應用

1.2 體重和體尺測量

豬的體型參數反映了不同生長階段豬的生長發育狀況，對豬的體況評分、調整飼養方案、制定飼料配方、胴體性狀預估和遺傳育種工作等提供重要參考數據[24]。在選種育種工作中，體尺信息是豬繁殖性能的重要評價指標。豬的體重與體長、體寬、體高等呈正相關，利用線性和非線性方程通過體尺可估計豬的體重[25-26]。對于豬肉胴體性狀預估方面，豬的體尺參數與屠宰后肉品等級相關聯，一些研究表明體尺與胴體性狀相關的瘦肉率、背膘厚、眼肌面積等呈相關性[27-28]。相比手工接觸式測量體尺，通過機器視覺技術實現無接觸豬體尺的測量，減少接觸應激，提高測量效率成為近年來研究的焦點[29-30]。表2為基于機器視覺估測體型參數。

表2 基于機器視覺估測體型參數

1.3 聲音監測

豬不同聲音代表不同信息，傳達了豬目前的健康和福利狀況。聲音監測分析不僅有助于聲源定位，還給飼養員對豬的疾病預防、應激水平、健康狀況提供參考依據[37-38]。在集約化養殖環境中，豬只呼吸道疾病的發病率很高，給養殖戶造成嚴重的經濟損失，使得通過咳嗽聲檢測和定位來診斷密集型養豬場中常見的呼吸系統疾病變得越來越重要。咳嗽聲檢測是診斷肺炎等常見呼吸疾病的中心環節，根據聲音結構、功率、頻率、持續時間和可變性將豬的異常聲音與其他聲音區別，并通過不同的算法對特定的聲音進行識別和分類對感染動物進行早期識別和有效管理，可防止疾病的傳播，減少抗生素等藥物的使用，改善養殖場的動物福利[39-40]。相對傳感器監測豬個體信息，聲音監測易受外界環境干擾、前期需要收集大量數據，還需與其他個體信息結合提高準確性，但操作簡單、成本低、設備可多次利用，未來在疾病診斷方面有較大應用潛力。表3為智能感知技術在聲音監測方面的研究應用。

表3 聲音監測的研究

1.4 行為自動監測

畜牧業日趨規模化、集約化的情況下，高密度、機械化、自動化的高效生產的同時，不同程度限制豬的正常行為活動，豬通過行為傳遞其生理狀態，行為的改變可發現問題的早期跡象。豬在發情、分娩、哺乳、采食、飲水、爬跨和疾病各階段所表現的活動形式、身體姿勢、異常行為、外表上可辨認的變化等行為特性都有重要的參考意義。豬感染疾病第一癥狀就是發熱或運動減少，運動的減少通過深度攝像機自動跟蹤豬的運動并從3D運動軌跡中通過自動化監測系統識別出采食、飲水、分娩等運動行為，使行為的度量更直觀，并具有診斷的有效性[48]。自動化監測系統提供了對多種行為的持續監控，記錄豬的行為可以追溯其健康狀況和及時發現異常并提出解決方案，在畜牧業生產管理中應用越來越廣泛[49]。目前，在豬飼養管理中，缺少專業行為數據采集和分析方法，依賴管理者、生產者經驗，為構建豬行為自動監測分析的數據庫增加了難度。后期可以培養一批專業數據分析和管理的技術人員，針對不同階段、不同行為建立數據庫，并結合動物病理學的普遍的狀態參數，為后期行為識別和智能匹配提供參考依據。表4給出智能感知技術在行為監測上的應用。

表4 行為監測的應用

2 智能感知技術在母豬飼養管理中的應用

母豬的飼養管理是生豬養殖中的關鍵環節，對生產成績和養殖效益都有重要影響[58-59]。目前，母豬主要通過定人、定時飼養，根據經驗預估豬只繁殖情況及抗生素、疫苗、獸藥方式治療疾病，具有主觀性強、成本高、不科學等缺點，使得我國每頭母豬每年提供的斷奶仔豬數（PSY）與發達國家存在較大差距。規模化養殖場中，利用智能化飼養設備和大數據分析，不斷收集發情、配種、妊娠、泌乳到斷奶或直到下一個繁殖周期過程中個體或群體的數據，建立個體檔案，通過智能養殖平臺進行母豬體況評估和發情預測，協助飼養目標的準確制定和實現飼養效果的準確評估，同時通過模型評估母豬泌乳能力、PSY等參數變化，及時優化繁殖、育種及營養調控方案[60-61]。母豬智能化飼喂體系是目前飼養母豬的先進方法，包括發情識別、體況管理，以此達到對母豬的精準飼喂。

2.1 母豬發情預測

母豬發情是排卵的一種外在的、可見的癥狀，母豬的發情鑒定是豬生產過程中重要的環節。準確的母豬發情預測，可幫助配種技術人員把握母豬發情時間和最佳輸精時期，有效提高母豬受胎率、產仔率、縮短非生產時間和提升豬場的經濟效益[62]。通過紅外攝像技術對母豬的體溫信息進行監測記錄，建立母豬個體信息數據庫，并通過數據分析和深度學習思維判斷母豬是否發情，建立排卵預測模型，旨在避免因母豬排卵預測配種時間不準確造成空懷損失。相對傳統的技術人員觀察母豬發情和穿戴式的傳感器監測母豬發情，紅外攝像技術測豬體溫，具有準確性高、重復性好、非接觸性、響應時間短等優點，在母豬發情預測方面應用成為熱點[63]。Ostersen等[64]研究實現了一種通過監視公豬的探視來檢測母豬發情的方法。通過訪問的持續時間多過程動態性建模，預測一定的觀察時間內產生發情的可能性，與先前的研究相比，在特異性和響應時間方面均優越，但在敏感性方面不足。Lu?o等[65]根據皮膚溫度和生殖器電阻變化預測排卵時間。皮膚溫度、生殖器電阻和促黃體激素濃度之間沒有關系，但通過3種生理特征的測量可以更準確地預測排卵時間。Soerensen等[66]研究發現，母豬的外陰和母豬溫度在發情期間變化顯著，使用紅外熱像儀作為豬發情檢測的輔助工具是很有前途的。Sykes等[67]研究表明，采用紅外熱像儀測定母豬發情前期和發情期外陰皮膚溫度，實現外陰溫度變化作為排卵的潛在預測指標[68]。為更準確地確定排卵時間，應同時進行激素測定。目前，母豬發情智能監測技術提高了有效性，監測過程簡便、快速，有很大優勢，但單一體溫變化預測母豬發情準確性低，通過紅外監測母豬體溫結合圖像分析母豬行為，推算排卵時間，提高母豬發情預測準確率是后續科研的重心。

2.2 母豬體況管理

在母豬飼養過程中，體況過肥和過瘦都會對母豬的繁殖性能有不利影響，維持最佳體況有助于提高繁殖性能，使豬群達到最佳的生產水平[69]。背膘厚與母豬繁殖性能有關，畜牧從業人員通過背膘厚的選擇可用于母豬的遺傳改良，從而提高其繁殖性能，因此對母豬的膘情進行科學調控也是母豬飼養管理的關鍵環節。母豬妊娠期膘情進行調控的手段主要包括根據體況評分調控飼喂量、體重調控飼喂量以及根據背膘厚調控妊娠期飼喂量[70]。通過背膘厚進行體況管理相比其他兩種方法，可使分娩前母豬群體況的一致性更好，并獲得良好的繁殖性能。以前背膘厚測量主要有電子探針法、屠宰法、超聲波檢測法，由于主觀性強、重復性低、豬應激大等缺點應用效果不佳。滕光輝等[71]提出了利用計算機視覺技術對母豬體況的非接觸測量及性狀特征分析的方法，根據臀部曲率半徑與背膘厚度相關性構建背膘厚估測模型和體況評分，相對準確率為91.7%，未來有很大應用空間。

2.3 精準飼喂

母豬繁殖周期中，每個環節的營養需要和飼養目標不同，不同品種的母豬適宜營養水平也有差異，母豬的胎次和環境因素對母豬營養需要量也有影響。在母豬飼養中，應根據不同生長階段和營養需要，對母豬實施精準飼喂。通過耳標和紅外熱像儀智能采集、分析、建立豬只檔案及收集料塔傳感器數據等信息，以及智能養豬管理平臺進行分析，遠程控制下料系統，減少人員管理，實現豬只精準飼喂，提高飼料利用率。甘玲等[72]研究一款通過控制電機轉速和轉動圈數的雨刷電機驅動螺旋輸送的供料系統，利用后臺數據為母豬提供適量飼料，做到多次少放來節省飼料。鄭姍姍[73]等設計一款低成本的自動飼喂控制系統，通過控制電動桿的推桿速率、輸入電壓和電源效率，獲得穩定的下料量，實現對預計飼量的準確投放。胡圣杰[74]基于RFID技術對母豬的識別，開發母豬自動飼喂控制系統，實現母豬日增重、日采食量、飼料利用率、發情預測、母豬異常情況及時提醒。徐世軍等[75]基于自動飼喂系統，安裝環境溫濕度感受器和母豬體溫感受器，該系統實現了收集豬舍的溫度、濕度，還收集母豬的生產性能相關參數，為研究環境因素對母豬生產性能的影響提供可能。徐利[76]開發由信息管理系統和自動飼喂系統組成生豬管理系統。信息管理系統識別母豬的身份、觀察豬的運動行為狀況、體溫異常情況等，自動飼喂系統主要精準添加飼料、統計母豬的進食量，提高飼料的利用率，降低養豬的成本。目前，我國母豬精準飼喂和自動飼喂系統缺乏自主研發能力，主要通過購買國外先進設備，而且設備特異性較差等，使母豬管理水平和PSY水平落后于發達國家。圖1為生豬精準飼喂的一般流程，圖2為3種智能無損監測技術一般流程。

3 問題與展望

我國養殖業從集約化、規模化向智能化、信息化模式轉型的過程中，智能感知技術在豬飼養管理中應用與發達國家存在很大差距，因此研發豬個體信息智能感知和飼養管理技術成為我國養殖模式轉型升級的關鍵。我國養豬業中的智能養殖技術存在以下問題，并提出相對應的建議。

（1）我國豬養殖以中小規模為主，沒有能力購買智能養殖設備，導致豬場環境長期處于不佳狀態，降低養殖效益與動物福利水平。政府應出臺一些優惠政策，給予豬養殖設備和技術一定比例的補貼，使中小規模的豬場有購買能力。另外在準確獲得健康狀況和疾病診斷的僅適用于人類的技術，經過動物模型的測試，這些創新技術可以應用于未來的豬發展和福利領域。

（2）智能感知技術監測豬個體信息，大多數處于科研試驗層面，科研成果轉化及推廣應用不足。應加強校企合作，針對生產中的問題開展專項課題研究，促使豬信息智能感知技術和飼養管理設備從試驗研究走向大規模生產，另外高校開展科研創新大賽，對優秀科技成果給予資金支持和申請專利保護，為豬場養殖模式轉型升級打好堅實基礎。

（3）規模化母豬飼養管理中，電子飼喂系統和母豬管理設備存在缺乏自主研發能力、特異性低、技術落后等缺點，使得我國PSY與發達國家相差較大。智能養殖設備必須與養殖模式、豬場建設布局結合起來，同時結合豬個體信息實時監測，開發具有嵌入式自動控制系統，針對豬不同生理、體況、生長階段及時得調整飼料配方，準確預測母豬的發情期，解決母豬限位飼養繁殖障礙病，爭取把中小型養殖PSY從23頭提升到28頭。

（4）畜牧業生產者、消費者、立法者對信息需求不斷增加，規模化養殖中產生的大數據僅當作績效考核的依據，使數據共享、共知、共利用不能有效普及。我們需要挖掘數據，從數據找關鍵和依據數據作決策，并且培訓畜牧技術人員具備數據思維并將與精準飼喂結合應用。另外將體溫、行為、聲音等多個病理特征相結合收集數據，并通過疾病及流行病學數據庫進行智能分析診斷，對異常行為進行預警，從根本上降低養殖風險。