智慧養殖管理模式在養豬生產中的應用

石芳權 ，王 輝，羅清堯 ，張 帆 ，熊本海 *

（1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，動物營養學國家重點實驗室，北京 100193；2.甘肅省西和縣畜牧獸醫站，甘肅 西和742100）

1 引言

我國是世界第一畜禽養殖大國，也是肉品消費大國，每年的豬肉消耗量在5 000萬噸以上，占世界消費量一半左右。美國、新西蘭、澳大利亞都是畜牧業高度發達的國家，其畜牧業產值占農業總產值都在50%以上，我國畜牧業只占到35%[1]；丹麥、荷蘭、法國等養豬技術發達的國家，繁殖母豬的生產力即PSY（每頭母豬每年可提供的斷奶仔豬數）均超過25頭，有的甚至達到28頭以上，我國總體PSY則為17頭，說明我國養豬生產的效能較低，種質資源等利用不高，與發達國家相比仍存在一定的差距[2-3]。畜牧業是農業的重要組成部分，對國計民生、社會穩定具有重要意義，養殖業將成為我國農業的戰略主導產業，并促使農業結構發生變化，更深層次地推進糧食、飼料的生產與發展[4]。近年來，在政府的引領及市場需求的拉動下，尤其在資源環境制約、社會可供給的勞動力結構與數量的制約，以及面向國際上畜牧業生產效率及效益等競爭壓力下，養殖結構與模式正悄悄發生了深刻變化。集約化及規?；酿B殖模式逐漸取代小散戶及養殖小區，一大批大型工廠化、規?；B殖場應運而生，并逐步實現設施設備自動化、養殖過程數字化與遠程控制智能化，為推動畜牧業朝著高級別的智慧方向發展起到龍頭帶動作用。

2 智慧養殖的演展

早在20世紀80年代，美國、日本、德國、荷蘭等發達國家將計算機技術投入到養殖領域，在機械化、自動化管理牧場方面逐漸走向成熟，特別是在奶牛標識、計步、稱重、飼喂、擠奶等方面融入了工業化管理模式，構建了數據監測、分析等軟件系統，有效提高了牧場管理水平和經濟效益[5]。日本將農業物聯網技術應用列入政府計劃，將農用機器人予以推廣；德國的工業體系發達，智慧農業發展也非常迅速，其投入了大量資金研發“數字農業”，將農牧業推向高效化、精準化；美國是最早把專家系統知識應用于農業領域，利用物聯網、人工智能等技術實現農業革命[6]；荷蘭最早提出了智能化發展農業，形成智慧農牧業的雛形，睿保樂公司研發的Velos畜牧管理系統，包括智能化母豬群養管理（NeDaP ESF）、哺乳母豬單欄飼喂管理（NeDaP FF）、育肥豬分欄管理（NeDaP Sorting）和種豬性能測定（NeDaP PPT）[7]；加拿大JYGA公司研發的哺乳母豬全自動飼喂Gestal系統、妊娠母豬群養Gestal 3G系統，已被得到廣泛應用。經過多年的發展，這些國家在智能化養殖設備研發和技術應用方面逐漸走向成熟，不僅可以實現精準喂料、動物行為監測，提高了生產效率，而且收集信息傳輸到計算機，方便管理者了解現場情況，實現智能化管理[8]。

其次，信息通訊與大數據技術的快速發展，也正在或將為智慧養殖方案的不斷完善提供了新的機遇。2006年，谷歌公司提出云計算，將計算機、服務器資源虛擬化，憑借其強大的計算和儲存能力打破了傳統計算機網絡資源記錄。2009年中本聰創建了比特幣（BTC），為區塊鏈世界打開了大門，后期以太坊（Ethereum，ETH）、超級賬本（Hyperledger）的誕生，再次推動區塊鏈技術跨行業應用。2014年國際標準化大數據工作組（ISO/IEC JTC1/WG 9）和國際電信聯盟電信標準分局（ITU-T）發布了相關國際標準，為了與國際標準接軌，我國也已發布了多項國家標準，其中農業大數據包括基礎標準、采集處理標準、管理標準和共享服務標準4個，涉及畜牧業監測、交易、溯源等領域[9]。

我國農業現代化起步晚于日本、歐美等發達國家，但最早引進應用于奶牛場的技術是牧場監測系統；2010年百特牧場打造現代化牧業，首次應用射頻識別技術（RFID）電子標識，通過云監測系統，實現對奶牛全方位監控[5]。2012年，科技部正式啟動“數字農業”863計劃重大項目，由中國農業科學院組織實施，其中包括“數字農業精細養殖技術平臺構建”的重大課題，其實就是“數字畜牧業”的研究內容，其后于2014年正式提出了“智慧農業”新概念。2015年，北京農信互聯公司推出豬聯網，融合了物聯網、智能設備、大數據與企業管理，成為國內智能化養豬使用最為廣泛的平臺[10]。2016年，于蓬蓬[11]提出了智慧農業發展新模式，應用大數據、物聯網等技術，實現農業生產精準化、可視化；李蔚[12]提出了“智慧牧場”概念，利用物聯網技術，融入了互聯網、云技術、大數據技術等，對畜種進行快捷高效的遠程管控和精準飼喂。區塊鏈研究聯盟和研究中心的成立推動了我國區塊鏈技術的發展，2017年，京東、阿里兩大電商巨頭在區塊鏈物流方面研發包括畜產品品質溯源防偽和追溯查詢，實現快速查找商品產地、生產日期等信息，保障了消費者的權益[13]；沃爾瑪與IBM合作研發食品溯源體系，為豬肉供應鏈安全提供了便利。2018年5月，重慶市合川區人民政府、特驅集團、德康集團及阿里云聯合發起舉辦 “2018我國智慧養豬（合川）創新發展論壇”，標志著我國養殖行業搭上了以農業IT大腦為核心的快車[14]。21世紀以來，伴隨著5G、人工智能等高科技發展，“互聯網+”在農牧業領域廣泛應用，有力推動了畜牧業向產業化、信息化和智能化發展，智慧畜牧業悄然興起。

3 智慧畜牧業的概念

智慧畜牧業屬于智慧農業的范疇，是充分應用現代信息技術成果，將計算機網絡、無線通訊、智能裝備、大數據和區塊鏈技術進行有效的融合，以全產業、高效率、智能化發展為特征，應用物聯網技術將生產、監測與管理和信息服務聯系成一個有機體，實現畜牧業優質、高效、安全和生產過程可控目標[15]。由于畜牧業的商品屬性很高，廣義的智慧養殖不僅指傳統意義上的生產自動化和管理智能化，還體現在產品網格銷售、產品溯源、動物福利及資源共享等延伸領域。智慧畜牧業的核心在于對“智慧”的界定，不僅需要成熟和完善現代科技，也要依靠先進和智慧的管理方式，整個智慧養殖過程更多地融入了管理者、社會環境、電子商務和市場動態諸多信息，要依托大數據、資源共享平臺，擴大畜產品流通半徑和銷售渠道，實現產、供、銷一體化，又要通過物聯網、區塊鏈等技術應用，實現對畜產品生產流通全過程的動態監管和可追溯[16]。

智慧畜牧業的關鍵技術體現在自動化控制與智能化管理，主要包括智能感知系統、數據信息傳輸系統、數據分析與智能控制應用三個相關聯系統，形成物聯網控制的閉環系統。感知系統是原始數據的來源，通過各種傳感器進行動物個體信息識別、運動狀況采集（如健康狀況、發情情況等）、環境監測等（如有害氣體、光照及溫濕度監測等）；傳輸系統主要為通過無線電、移動通訊、網絡等設施技術進行信息數據的輸送；數據分析及智能控制應用系統即為服務器后臺管理中心，對采集傳輸數據的分析和對相應設備進行智能控制，同時可實現信息資源共享[17]。

4 智慧畜牧業的關鍵性技術

4.1 射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）

RFID是一種非接觸式的自動識別技術，包括讀卡器和電子標簽，讀卡器使用射頻（RF）信號對這些標簽進行圖解，并對其識別碼（ID）進行識別[18]；電子標簽由天線和專用芯片組成，可分為有源電子標簽（Active Tag）和從RF信號中獲取能量的無源電子標簽（Passive Tag）。在畜牧養殖中，每個動物分配一個RFID芯片作為其身份證，用來采集記錄相關信息。

4.2 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）

WSN是一種分布式傳感網絡，主要由傳感節點、傳感網絡、用戶和PC服務器組成，從傳感器收集信息，通過無線網絡與PC服務器進行計算分析，最后通過通信衛星傳輸到用戶端，從而實現無線傳感。采用計算機遠程操控，可方便探測圈舍溫濕度、有害氣體、光照強度以及動物運動情況等參數，彌補了RFID數據傳輸距離短的缺陷[19]。

4.3 現代信息3S技術

3S是 遙 感 技 術（Remote Sensing，RS）、 地 理 信 息 系 統（Geography Information System，GIS）和全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）的統稱。RS是從空間接收地表層的電磁波信息，并進行掃描、攝影、傳輸和處理，從而對地面物進行遠距離控測和識別的技術。GIS就是一個專門管理地理信息的計算機軟件系統，具有數據輸入、處理、存儲、查詢等功能[20]。GPS全球定位系統（Global Position System）和北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）為當前最具影響力的定位導航系統，能夠快速、高效、準確地獲取與農業資源有關的空間信息[21]。3S技術綜合其各自優勢，形成資源互補，開啟了現代農業發展的信息化數字時代，GNSS負責精準定位，RS負責收集數據及監控，GIS充當“大腦”角色對信息進行空間管理和快速分析[22]。

4.4 云計算（Cloud Computing）

云計算是一種提供資源的網絡，應用于智慧牧業上具有雙重目的，一是將許多資源集合起來，通過軟件實現資源自動化傳輸、存儲、管理與共享；二是對數據進行處理并將結果顯示給用戶，可為網絡終端用戶提供便捷的信息和服務。云計算具有超大規模、高擴展性、可靠性、虛擬化等特點，為用戶提供多角度、多層次、多維度的數據查詢處理和一站式操作，多方面滿足用戶需求。新一代移動云計算（MCC），將數據處理和存儲在性能強大的云端平臺，需要信息時只需利用移動設備通過無線網絡獲取，特別是智能手機的普及推動這項技術快速發展。

4.5 大數據（Big Data）

大數據是高科技時代的產物，具有容量（Volume）大、種型（Variety）多、處理（Velocity）快、價值（Value）高等的特征，數據庫技術分數據采集、儲存、預處理和挖掘4個過程，是信息海量采集及云計算背景下的結晶，其意義更重要的在于對這些數據進行分析與處理[19]。這些數據包括數字、文檔、音頻、圖像和視頻等，通過大數據分析可以將各種復雜多樣的數據整理到決策系統之中，在養殖過程中輔助管理者制定有效方案，更好、更快地解決問題，如建立養殖模型、對環境參數的預測、市場供需判斷等，有效降低了養殖風險[23]。

4.6 物 聯 網（Internet of Things，IoT）

IoT是基于互聯網基礎之上的延伸與再擴展，是將RFID、3S、激光掃描等信息傳感設備與互聯網相聯，按照協議對物品進行能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[24]。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）為物聯網領域一個新興的技術，具有覆蓋廣、低耗能、傳輸快等特點，應用十分廣泛，如設備的智能控制、環境的實時監測等，只需簡單的通信指令可觸動許多程序的自動化運作[19]。IoT運作過程分感知層、網絡層、應用層三個模塊，感知層由各種傳感器及二維碼、讀寫器、攝像頭等感知端構成；網絡層由各種網絡、系統平臺等組成；應用層是與用戶對接，實現物聯網的智能應用。簡單的IoT控制如溫濕度、氨氣傳感，可直接觸動相應溫控或通風設備進行自動調節；復雜的IoT控制需網絡技術、云計算、MCC技術的支撐，須在特定協議下才能實現更高級的自動化流程，如母豬精準飼喂系統，在飼喂前身份識別、稱重和之前的飼喂、生理指標等信息，然后對數據進行分析、計算以驅動飼喂系統控制器。

4.7 第五代移動通信技術（5th-Generation，5G）

5G技術是在4G基礎上發展的最新一代蜂窩移動通信技術，具有數據傳輸速率高、網絡延遲低優點，支持海量的攝像頭和拾音器接入需求，其與NB-IoT技術在養殖物聯網系統中的應用，對現代智能化養殖具有很大的推進作用。未來利用5G技術引領人工智能養豬向更精準、更高效的方向發展，人類可以利用網絡優勢，通過移動終端快速高效地操控設備，進行動物遠程會診、指導現場生產實踐等[19]。

4.8 區塊鏈（Blockchain）

區塊鏈是一個分散的或分布式的網絡賬本數據庫，這些數據是公開透明、可信任的，具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點，可分為公共區塊鏈（Public Block Chains）、聯盟區塊鏈（Consortium Block Chains）和私有區塊鏈（Private Block Chains）三類[25]。區塊鏈技術在養殖領域的應用最廣的是實現了畜產品追溯，確保質量安全，增強生產、產品來源的透明度，并減少資源的浪費；可以實現從養殖、流通到肉制品銷售整個過程透明化，其相關信息都在區塊鏈上得以記錄，消費者可以通過智能終端設備實現對每一份豬肉制品的跟蹤，進而保證消費流程的透明化[26]；也可作為判斷記錄豬只健康和實施風險評估、保險理賠的依據。

4.9 人工智能（Artificial Intelligence，AI）

AI是計算機科學的一個分支，是人類智能的模擬、延伸和擴展，通過AI可以實現對人的意識、思維的信息過程的模擬，能像人一樣進行思考和判斷[27]。AI的主要目標是研發智能化的機器代替人類完成一些危險、復雜性的工作，從發展等級可分為弱、強和超人工智能，弱人工智能（Weak AI）僅能完成某一項特定工作任務，強人工智能（Strong AI）可以像人類一樣具備思考、學習和計劃能力，超人工智能（Super AI）幾乎能實現與人類智能等同的功能[19]。許多養殖大企業已將AI技術應用于動物身份識別、精準飼喂、溯源追溯等系統，實現智慧化的遠程控制與科學管理。特別是通過融合地形、自主避障、激光導航、RTK高精度定位等技術研發的新一代機器人（Robot）、無人機（Unmanned aerial vehicle，UAV）精準作業，成為未來的發展趨勢；比如應用移動機器人同步定位于建圖（Simultaneous localization and mapping，SLAM），可在復雜環境中構建和重復更新地圖，并自主執行命令，依托地圖進行自定位和自主路徑規劃導航，實現對動物精準定位，對飼養環境監測、飼料投喂和污染物清理[28]。

（未完待續）