畜禽精準飼喂管理技術發展現狀與展望

孟 蕊,崔曉東,余禮根,3,丁露雨,3,高榮華,3，祝 軍,杜天天,李奇峰,3*

(1.北京農業信息技術研究中心/農業農村部農業信息技術重點實驗室,北京 100097；2.北京市畜牧總站,北京 100029；3.農芯(南京)智慧農業研究院,南京 211899)

畜禽是人們肉蛋白食品的主要來源，合理飼喂是畜禽成長的重要環節[1]。傳統的畜禽飼喂方式易造成畜禽營養不均、飼料浪費等問題，且人工勞動強度較大、生產率有待提高[2]，隨著現代畜禽業規模化和集約化的快速發展，畜禽飼喂方式正不斷從粗放向精細化轉變[3-4]。研究畜禽精準飼喂管理技術，即根據畜禽的品種、體重、生理階段等實現個性化飼喂，不僅能夠有效提高飼料利用率、降低飼料浪費、提高生產率進而節約生產成本、提高經濟效益，在保障畜禽產品安全、降低環境污染等方面也發揮了重要作用[5-6]。

畜禽精準飼喂管理技術大致可分為飼養信息獲取、飼料精準配方、智能飼喂3個階段，主要是由畜禽精準飼喂管理軟件和智能飼喂設備組成。當畜禽主動到智能飼喂設備尋飼時，畜禽所佩戴的識別卡在距離飼喂設備感應器一定范圍內即可自動識別畜禽個體，計算機通過飼喂管理軟件自動查詢數據庫內的飼喂計劃及飼料配方，決定是否投料及投料量[7]。在飼養信息獲取方面，隨著微型計算機、電子識別系統、電子自動稱量系統等高新技術的應用，精準飼養的自動化水平大大提高[8]，通過準確獲取動物飲食行為，合理分析畜禽生理狀況，進而制定飼喂計劃，有助于最大限度的發揮動物生長和繁殖潛力[9]。在飼料精準配方方面，充分挖掘飼料中潛在的營養成分，科學配備飼料，能夠促進畜禽營養吸收[10]，通過降低少量昂貴營養物質的供給，還可降低10%～15%的飼養成本，減少2%～3%飼料制備、儲存、管理和運輸成本，減少40%以上氮、磷和其他污染物的排放[11]。家畜智能飼喂設備的開發對象主要針對豬和奶牛，主要研發的系統包括妊娠母豬電子飼喂站、哺乳母豬精準飼喂系統、奶牛精準飼喂系統等[12-13]，智能飼喂提升了工作效率，降低了畜禽發病率，促進了喂養環節的專業化和自動化。

目前國內外部分學者在畜禽精準飼喂技術方面開展了較為深入的研究，并在生產中得到了應用。本文重點分析國內外包括飼養信息獲取、飼料精準配方及智能飼喂3個階段在畜禽精準飼喂管理中的應用現狀及問題，并展望其發展方向，為國內畜禽精準飼喂管理技術研究提供參考。

1 飼養信息獲取

飼養信息獲取是畜禽精準飼喂管理技術的重要前提，是通過傳感器、圖像、聲音等監測技術獲取畜禽體重、體尺、行為等個體信息，建立畜禽飼養信息數據庫，建模計算準確分析畜禽生長狀況和飼養過程，也是測算飼料配方及評價飼喂情況的依據。

使用傳感設備監測能夠將一些難以直接測量的數據轉換為易測量的信息，類似用于人的智能手環，一般將其佩戴在畜禽的耳朵、脖子、四肢或者尾巴上，可隨時感知畜禽的體溫、心率等生理信息和位置信息，并實時上傳到服務器，經過系統數據的分析處理，可得到畜禽發情、疾病、采食量、活動量等信息[14]。如Lovendahl等[15]利用電子活動標簽采集奶牛運動的數據，通過數據分析將奶牛運動分為強運動和弱運動，在通過1 d內兩種運動的比例來判斷奶牛發情狀況；陸明洲等[16]利用紅外線感應器、水流量傳感器、RFID閱讀器等設計了群養母豬飲水監測點，可計算出母豬使用飲水器的頻率和消耗水量；田富洋等[17]通過傳感器實時檢測奶牛的吞咽次數和食團質量的大小測算出奶牛采食量。

圖像監測通過采用視頻及錄像技術對畜禽進行圖像采集，并對圖像片段進行分析來估算畜禽體質量、體尺等。如Yang等[18]通過采集分析長白豬進出豬欄的圖像，利用投影區域和參考系的比例關系即可估算出長白豬的體質量和體高。Schofield等[19]通過試驗認為利用投影面積估算生豬體質量的算法需要增加擬合直線的截距。李卓等[20]設計了一種不易受到臟污和光照干擾的豬體尺檢測系統，該系統基于雙視覺原理，可在2 m物距范圍內測算出豬的體長、體高、體寬、臀高、臀寬等5個體尺，且誤差較小。

聲音監測通過數字信號處理技術、模式識別等技術對畜禽聲音采集處理、分析識別[21]，其在反芻動物采食監測方面有良好的應用效果[22]。如Clapham等[23]研發的一種采集分析自由放牧下牛進食聲音的系統，主要是在牛嘴邊配置專用麥克風收集牛咬斷和咀嚼草料的聲音，并將聲音轉化成數字信號以量化分析牛的進食行為，該系統可檢測到95%的咬斷行為，且周圍牧區環境的聲音對記錄聲音的完整性影響較小。Galli等[24]通過研究山羊進食不同植物時的聲音，發現山羊下巴咬合速度和每次咬合的能量是影響山羊進食效率的主要因素，而進食植物的種類對進食效率并沒有太大影響。

傳感器監測、圖像監測、聲音監測這3種監測技術各有利弊。目前傳感器監測技術應用最為廣泛，主要監測畜禽的飲食、行為姿態等，但動物互相打鬧、躺臥時常使傳感器設備遭到破壞，適合畜禽穿戴且可長期高效工作的傳感器技術有待突破；圖像監測技術主要用于監測動物行為以及畜禽質量估算，其算法還不成熟，受光照、環境的影響較大；聲音監測技術起步較晚，有良好的應用前景，但易受環境噪音的干擾，信息獲取精確度和正確率有待提升。

2 飼料精準配方

飼料精準配方是畜禽精準飼喂管理技術的關鍵核心，是指在畜禽生理信息獲取的基礎上，圍繞飼喂目標綜合考慮畜禽生理狀況、飼料營養成分、飼料原料價格等要素來測算畜禽的飼料配方[25]。本文主要從飼料配方測算、飼料動態優化兩個方面來闡述飼料精準配方技術發展現狀。

2.1 飼料配方測算

畜禽養殖飼料成本能夠占到總飼養成本的60%～70%，但飼料中營養物質轉化效率卻較低[26]。因此，在明確飼養目標的基礎上，根據飼料原材料市場信息、采購價格數據、畜禽個體數據和生長過程參數，利用投喂決策模型和算法，優化設計營養素平衡的飼料配方極為重要[27]。

在測算技術方面，需要測算動物的營養需要和飼料的營養成分來建立能量體系。NRC研究了奶牛在典型條件下的營養需求量，包括奶牛體況、預期泌乳數量等[28]。熊本海等[29]設計出了一種泌乳奶牛全混合日糧精準計算系統，是基于凈碳水化合物和蛋白質體系，采用FPXPRO數據庫技術和參數線性規劃優化技術，集成NRC推薦的奶牛主要養分需要動態預測模型及奶牛常用飼料CNCPS參數數據的全混合日糧(Total Mixture Ration，TMR)配方優化系統。利用大數據設計飼料配方時，將動物營養最適需求量、飼料營養成分及飼料原料價格作為已知條件，畜禽營養需求量設為約束條件，飼料最低成本設為目標函數，并通過計算機技術、運籌學和線性規劃方法進行運算，是當前最常用的飼料配方設計方法[30]。

在測算軟件方面，軟件的廣泛應用推動了飼料配方從粗糙化向精細化的轉變，提升了飼料轉化率。歐美等發達國家在20世紀90年代已經廣泛使用了計算機飼料配方軟件，國外較著名的飼料配方軟件包括美國的Brill、PC-dairy、CPM-dairy、Feedsoft、Mixit、NRC軟件，英國的Format、軟件，以色列的Gavish軟件等。隨著飼料工業的迅猛發展，我國在21世紀初開始較為迅速的發展飼料配方軟件，目前飼料配方軟件已逐漸成熟，國內常用的飼料配方軟件包括CMIX配方軟件、三新配方軟件、勝豐飼料配方軟件、金牧飼料配方軟件等[31]。

飼料配方測算能夠以最小的生產成本使畜禽獲得最佳的生長能量，幫助養殖戶節省生產成本，增加養殖效益。但從整體來看，飼料配方仍需要向環保化、無抗化、個體定制化的趨勢發展，測算軟件需向專用型、智能決策型的方向轉變，飼料配方設計方法也需要在達成飼喂目標前提上，綜合考慮畜禽生理狀況、飼料營養均衡、飼料原料價格、畜產品質量安全要求、環境保護等更多要素來設計多參數飼料配方模型。

2.2 飼料動態優化

根據飼喂效果檢測評估飼料配方是否達到飼喂目標，對飼料配方進行動態優化，以更好的滿足畜禽飼喂需求[32]。

在飼喂效果檢測方面，馬明新等[33]認為奶牛攝入日糧后并沒有結束飼喂這項工作，通過觀察奶牛挑食、剩料、反芻及糞便的情況，能夠得出奶牛對日糧的吸收消化效果，從而更好地指導飼料配方。奶牛的采食量在一定程度上代表其是否健康[34]，如果反芻異常，很有可能是出現了消化問題或患病，也有可能是日糧中精料比例過高或粗飼料處理的過短。盧德勛[35]提出的營養檢測技術是衡量豬營養工程技術體系中各種技術措施系統集成化程度的根本手段，依靠此項技術可以衡量營養工程技術體系中各項技術內部和相互之間的系統集成化程度，全面監控和評估形成的技術方案，且還可依據檢測結果不斷進行動態優化。在飼料配方調整方面，楊海天等[36]認為通過多次修正飼料配方能夠使飼料營養水平更加貼近豬的生理需求，以期達到精準飼喂。張吉鹍等[37]認為可以采用實測妊娠母豬P2點背膘來評定母豬體況，測定背膘的時間點應分別選在配種當日、7 d、38 d、100 d、110 d這樣5個時間點，根據測定結果及時調整飼養方案。于愛梅和李華偉[38]認為精準營養是個動態過程，需要根據季節變化、分布區域以及豬場的群體變化進行綜合考慮，通過飼料配方優化系統制定詳實的營養方案，才能夠保證豬場獲取高效穩定的生產成績。

飼料配方測算和飼料動態優化兩個環節均存在不足。飼料配方需要向環保化、無抗化、個體定制化的趨勢發展，飼料軟件也需向專用型、智能決策型的方向轉變，配方設計方法考慮的參數有待增加，計算模型也有待完善；飼料配方的動態優化還需在飼料原料種類復雜化、飼料營養精準化、原料飼料添加劑有機化、減量化等方面不斷優化。通過兩個環節的不斷改進，飼料配方將更加精準。

3 智能飼喂

智能飼喂是畜禽精準飼喂管理技術的實現方式，是指在獲取飼養信息、精準配備飼料的基礎上，根據畜禽養殖的數量、生長階段、平均體重等基本信息，設定飼喂決策模型和算法，得到固定畜舍的飲水量、次投喂量、投喂次數和投喂時間，為養殖戶提供科學合理的飼喂決策，并按照飼喂決策將飼料通過養殖智能化、自動化設備飼喂畜禽。目前畜禽智能飼喂技術的開發對象主要是針對豬和奶牛[9]，分別是非反芻和反芻動物智能飼喂研究的集中代表，少部分學者對雞智能飼喂技術進行了研究，其他畜禽智能飼喂技術研究及應用較少，且多參考豬和奶牛的飼喂方法，故本文主要從豬智能飼喂、奶牛智能飼喂、雞智能飼喂3個方面來闡述智能飼喂技術的發展現狀。

表1 飼料精準配方分析Table 1 Analysis of feed precise formula

3.1 生豬智能飼喂

按照飼喂飼料的狀態，可將生豬智能飼喂技術分為干飼料飼喂技術和液態飼料飼喂技術兩種。

干飼料飼喂技術涉及的智能養殖設備主要包括妊娠母豬電子飼喂站、母豬精準飼喂系統、仔豬飼喂系統等[39]。楊亮等[40]認為電子飼喂站系統包括耳標識別及嵌入式控制系統，可以按每頭母豬的采食曲線或妊娠日齡控制每天甚至每次的采食量，并自動記錄采食量數據，反過來也可依據已完成的采食量，調控后續的采食量，因此具有智能化控制的特點。史利軍等[41]設計了一種群養母豬智能化精準飼喂裝置，該裝置能夠準確識別進食母豬身份，還能實現隔離飼喂和精準下料，有助于降低養殖成本，提高管理效率。干飼料飼喂技術一定程度節約了勞動成本，但也存在著畜禽飼料消化率較低、畜禽易產生腸胃疾病等問題。

液態飼料飼喂并不是一個新鮮的概念，傳統家庭養豬采用的就是液態或半液態飼料飼喂，受集約化養殖中勞動強度和技術的制約，干飼料飼喂技術迅速發展并得到了較為廣泛的使用。由于液態飼料在提高生豬采食量、提高飼料轉化率、顯著提高生長性能等方面具有干飼料不可比擬的優勢，20世紀80年代以來液態飼喂技術又開始在歐洲廣泛使用，目前已有30%～60%的規模場采用這種技術[42]。郭吉利等[43]通過試驗比較研究了液態飼料和干飼料對斷奶仔豬的影響，發現液態料組日增重比干料組高0.1 kg，末重比干料組高4.52 kg，顯著提高了仔豬的生長性能。雷胡龍等[44]在高溫高壓條件下研究了液態飼料的加工參數，認為液態飼糧的適宜加工條件為料水比1∶2，經121～126 ℃處理3 min。黃利軍等[45]認為液態料智能飼喂系統包括電腦控制程序、配料攪拌及輸送3個部分，操作系統會根據豬群數量、飼喂配方、日飼喂次數等參數計算出水量和飼料量，攪拌后送至食槽。但液態飼料飼喂技術也有一定的不足，冬天時液態飼料會導致豬舍濕度較大，生豬容易感冒患病，夏天液態飼料常易殘留在管道中，造成腐敗變質[46]。液態料智能飼喂系統將是未來全球養豬業主流的飼喂方式。

3.2 奶牛智能飼喂

中國奶牛飼喂方式已逐漸從傳統飼喂發展至TMR飼喂，未來還將向自動化飼喂方式不斷轉型升級。傳統奶牛飼喂技術主要依靠人工飼喂，采用的機械設備包括手動推車式飼料攪拌車、拖拉機式飼料攪拌車、精料自動補充設備等，這種飼喂方式常常伴隨著飼養工作人員勞動強度大、準備時間長、勞動效率較低等問題[47]，且由于精、粗飼料飲食不均還易造成奶牛腸胃不暢，進而影響到奶牛的產奶量。

TMR是一種營養相對均衡的日糧，是按照一定的配方比例，將青貯、精飼料、干草及飼料添加劑等充分攪拌、混合所制成[48]。目前，國內規模化牛場在飼喂環節已經普遍采用了TMR飼喂技術以提高飼喂的精準化水平、保障奶牛營養[49]。其攪拌飼喂環節主要采用TMR設備，包括固定式攪拌機、牽引式攪拌車和自走式攪拌車[50]。但在實際飼喂過程中，TMR飼喂技術常常需要操作員駕駛車輛在牛舍進行粗放式布料，造成飼喂效率低、飼料浪費嚴重、投料過程易產生人為誤差等問題[51]。

為彌補TMR設備存在的不足，國內外研究人員已展開了相關研究，開發設計了自動化奶牛飼喂設備，但國內尚未大規模推廣。已研發的自動化奶牛設備主要包括懸掛軌道飼喂系統、自走式飼喂系統、在位飼喂系統和傳送帶飼喂系統[52]。懸掛式飼喂系統是一種通過懸臂梁滑動行走的飼喂系統，以TMR Robot 和Triomatic T10為代表，可以避免攪拌車駛入牛舍帶來的廢氣和噪聲問題[53]。自走式飼喂機器人是一種在地面沿設定路線自動行走的飼喂系統，以Vector、Triomatic T15為代表[54]。在位飼喂系統是一種在牛欄口單獨安裝飼喂裝置的飼喂系統，具有維護方便、可靠性高等優點。該系統不僅可以用于牛舍，也可以用在擠奶廳擠奶位補飼系統，以Dairymaster奶廳定位補飼系統為代表[55]。傳送帶式飼喂系統主要由橫縱向飼料輸送帶和飼料分撥器構成，其工作原理相對機器人簡單，以芬蘭Belt feeder為代表[56]。

3.3 雞智能飼喂

傳統雞的飼喂方式也主要依靠人工飼喂，通過飼養員將飼料撒在地上或者加入料槽，這種飼喂方式常常造成飼料的浪費。為節約飼料成本，提高勞動生產率，喂料設備逐漸在規模化養雞場得到青睞，常用的喂料設備主要包括鏈式、索盤式、跨籠式、行車式等種類。其中，行車式飼喂設備在行車的過程中使得喂料更加均勻，是籠養雞最理想的飼喂方式[57]。

雞智能飼喂系統目前還不成熟，還處于起步階段[58]。李國發等[59]設計了一種蛋雞智能化養殖系統，該系統可智能定時定量向蛋雞供水供料，同時可根據環境條件及時調節供水和飼料的溫度，還能根據現實使用需求靈活調整設備結構，從而滿足不同數量及位置蛋雞飼養作業的需要。李麗華等[60]運用超高頻RFID識別技術及STM32微處理器，設計了一種根據種雞個體需求信息進行精確投料的控制系統及機械結構裝置，該裝置可實現智能識別與精確下料，且下料范圍能夠限制在80～150 g，4個標準質量下，誤差在(0.25±0.06)%；RFID個體識別率達到100%。Syam等[61]研制了在肉雞籠的頂部運輸飼料的機器人，并在實際應用中證實該機器人可按養殖人員意圖執行任務，有效節省人力資源。

生豬和奶牛智能飼喂技術的發展一定程度上代表了當前畜禽智能飼喂技術的發展前沿。生豬智能飼喂技術中，液態飼料飼喂技術憑借其優勢將成為未來養豬業主流的飼喂方式。奶牛智能飼喂技術中，自動化奶牛設備也有較好的應用前景。雞智能飼喂技術參考在豬和奶牛智能飼喂技術研究的基礎上，將會取得較快進展。

4 存在的主要技術問題

當前國內外學者在畜禽精準飼喂技術方面的研究相對較少，整體來看，飼養信息獲取階段的抗干擾能力有待加強，飼料配方精準性有待提升以及智能飼喂設備智能化程度有待提高是目前畜禽精準飼喂技術需要突破的3個門檻。研究應用畜禽精準飼喂管理技術時需要重點考慮以下問題：(1)傳感器節點容易在畜禽躺臥或打鬧過程中遭到破壞；圖像采集受光照和環境的影響較大，有障礙物、陰天、晚上時采集圖像受到影響；環境中各種噪音易對聲音監測起到干擾作用，影響了聲音信息獲取的準確度和正確率；(2)飼料軟件通用型較多，專門針對單品種畜禽的飼料軟件較少，配方設計方法考慮的參數也有待增加，計算模型有待完善；(3)部分智能飼喂技術應用范圍較小，且除豬和奶牛外，專門針對其他畜禽種類智能飼喂技術研究及應用較少，人工智能、機器人、5G等技術與智能飼喂的結合需更加緊密。

表2 生豬智能飼喂技術Table 2 The intelligent feeding technologies of pigs

表3 奶牛智能飼喂技術Table 3 The intelligent feeding technologies of cows

5 當前研究的重點

基于以上存在的問題，當前應研究的重點包括：(1)設計更加符合畜禽體結構且易于穿戴的傳感器節點；研發在黑暗中和正常光照下均能拍攝清楚的圖像信息采集設備，優化圖像處理算法；優化聲音降噪方法，降低環境中各種噪聲對畜禽聲音信息獲取的影響。(2)飼料配方需更加環保化、無抗化和個體定制化，飼料軟件也需向專用型、智能決策型的方向轉變，飼料配方設計方法也需要在達成飼喂目標前提上，綜合考慮畜禽生理狀況、飼料營養均衡、飼料原料價格、畜產品質量安全要求、環境保護等更多要素來設計多參數飼料配方模型；飼料配方需不斷動態優化。(3)加快部分智能飼喂技術的推廣應用，推進其他畜禽種類智能飼喂技術的研究與應用，盡快推動人工智能、機器人、5G等技術在智能飼喂方面的應用。

6 小 結

本文通過對畜禽精準飼喂管理技術的發展現狀、應用成果以及未來發展趨勢等方面進行深入分析，闡述了畜禽精準飼喂在畜禽養殖業的重要意義，并提出了未來畜禽精準飼喂管理技術的應用前景及研究重點。在飼養信息獲取方面，傳感器、聲音、圖像監測技術各有利弊，均需不斷降低干擾以精準獲取畜禽信息；在飼料精準配方方面，考慮更多要素的多參數飼料配方模型發展空間較大，以定制、環保等關鍵詞為特征的飼料配方將加快涌現；在智能飼喂方面，人工智能、機器人、5G等先進技術與智能飼喂的融合將更加緊密。未來通過進一步研究開發精準、高效、智能、經濟的畜禽精準飼喂管理技術，畜禽生產效率將不斷提升，養殖效益將不斷提高，畜產品質量安全將更有保障。