規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價*

吳繼成，單東林，楊曉文,2，楊娟，張岫琪

(1.農業部南京設計院，南京市，210014；2.農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

經過多年的發展，畜牧業已成為我國農業農村經濟中舉足輕重的產業。2019年統計數據顯示，除生豬產量受非洲豬瘟沖擊影響下降較多外，其他主要畜產品產量仍然保持相對平穩[1-2]。盡管從主要畜產品產量上來看，我國是名副其實的畜牧業大國，但畜牧業的發展面臨諸如土地資源緊缺、標準化生產程度低、科技支撐能力弱、重大疫病防控難、糞污處理難度大、養殖綜合效益不高等突出問題[3]，這些都是制約我國成為畜牧業強國的主要障礙，畜牧業已處于亟需突破產業發展瓶頸的關鍵時期。

隨著科技的不斷進步，以物聯網、云計算、大數據、人工智能等為特征的新一代信息技術深刻改變畜牧業發展方式，成為產業提檔升級的重要推動力量[4-5]。《數字農業農村發展規劃(2019—2025年)》《國務院辦公廳關于促進畜牧業高質量發展的意見》(國辦發〔2020〕31號)等文件要求加強數字農業技術在畜牧業中的應用，不斷提升我國畜牧業信息化水平。當前，在縱深推進鄉村振興、構建“雙循環”新格局戰略背景下，通過數字農業技術對畜禽養殖生產、加工、流通、營銷、監管等各環節賦能增效，推動傳統養殖向數字化養殖轉變成為產業高質量發展的必然選擇。

綜合評價是指在多個因素或多個指標相互作用下，按照一定的標準對評價對象的優劣進行綜合判斷，從而為科學決策提供依據[6]。綜合評價方法在畜禽養殖行業中已得到廣泛的應用，目前國內外相關文獻主要針對畜禽養殖圈舍內環境適宜性、糞污處理技術效能、養殖環境承載力、畜禽產品質量監管績效等方面進行綜合評價[7-10]，尚無涉及規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價的研究。近年來國家不斷加大對規模化畜禽養殖場數字農業項目資金投入，盡管為項目申報單位提供了菜單式選項，但由于單個項目投資規模較大，其規劃方案本身又是一個全面、系統的工程，這就為項目投資決策、規劃建設帶來了難點。因此，本文基于組合賦權-TOPSIS法構建了綜合評價模型，依據技術、經濟、社會、生態四大類指標對規劃備選方案進行綜合評判，從中選擇最優方案，為規模化畜禽養殖場數字農業規劃建設提供方法體系和理論支撐。

1 規模化畜禽養殖場數字農業規劃基礎

1.1 畜禽養殖數字農業項目現狀

為加快推進數字農業技術在農業重要領域集成應用和推廣示范，農業農村部從2017年開始連續多年組織開展數字農業建設試點。2017年、2018年圍繞大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖四大領域探索數字農業技術集成應用方案和經驗模式，兩年累計立項批復57個數字農業建設試點項目，其中畜禽養殖類21個[11]。2019年、2020年開展數字農業試點縣、單品種全產業鏈大數據、數字農業創新中心三大類項目建設，其中針對畜禽養殖數字化關鍵技術研發、技術標準體系建設、產品推廣應用等任務，由北京市農林科學院建立國家畜禽智慧養殖數字農業創新中心[12]。2021年結合最新上位規劃和優勢主導產業數字化轉型需求，以前期已建立的國家數字農業創新中心為支撐，將“智慧+”理念貫穿推進相關產業高質量發展的全過程，通過數字化種植、養殖應用推廣基地建設，為全國提供數字化、智能化轉型樣板。從近幾年的試點工作來看，畜禽養殖數字農業建設是數字農業項目支持的重要類型，其主要建設內容包括構建環境智能控制、精準飼喂管理、產品自動收集、畜禽糞污處理、動態監測預警、育種繁育管理、產品質量溯源等系統，同時對與之關聯的設施設備進行必要的改造。

1.2 規模化畜禽養殖場數字農業規劃內涵

現代化畜禽養殖場工程規劃主要涉及場址比選、功能布局、生產工藝、工程工藝、設備選型、投資估算、效益分析、風險評估等多方面內容[13]，而規模化畜禽養殖場數字農業規劃則綜合考慮現代信息技術在養殖生產過程中對改善圈舍環境質量，提升畜禽生產性能，降低生產成本，提高生產效率，增強養殖綜合效益等方面的作用，更側重基于智能養殖設備的數字農業技術集成應用，因此，其集合了養殖工藝、疫病防治、環境控制、建筑工程、智能設備等技術內容，是一個復雜的系統工程。規模化畜禽養殖場數字農業平臺通常采用三級架構(應用層—現場控制層—前端采集)：前端采集即通過采集器、傳感器、控制器、攝像機等采集、傳輸環境及生產相關數據；現場控制層主要利用基礎層的數據資源開發環境調控、飼喂管理、糞污處理、監測預警、質量溯源等各類控制子系統；應用層主要是通過向行業各個領域滲透應用從而實現數字農業技術與產業的深度融合。

2 規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價方法

2.1 評價指標體系構建

評價指標體系的構建應符合簡約性、可比性、獨立性、可行性等基本原則。規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案的優劣主要受技術條件和項目效益的影響，數字農業基本特征是“信息知識+智能裝備”，以現代信息技術為核心的智能養殖設備在產業轉型升級中發揮巨大作用[14]，因此在構建評價指標體系時，需要將設備技術作為重要指標加以考慮；對于農業項目效益的評價考核通常可從經濟、社會及生態三個維度來建立評價指標。在評價指標進一步分解篩選過程中，最大限度收集農業項目可行性、養殖設備選型、循環農業發展、畜牧業信息化、數字農業農村等相關研究的評價指標[15-19]，并結合規模化畜禽養殖場數字農業規劃內涵，初步建立指標庫。同時廣泛征求相關行業領域專家意見，合理刪增或替換指標。最終，得到包含4個一級指標、18個二級指標的規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價指標體系，體系框架如圖1所示。

圖1 規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價指標體系框架

上述評價指標體系中，按指標趨勢方向可分為正向指標和逆向指標，正向指標如技術成熟度(B1)、工藝符合性(B2)等是其指標值越大評價越好，逆向指標如項目總投資(B7)、靜態投資回收期(B8)等則與之相反；另外按指標是否能夠直接精確衡量，又可分為定量指標和定性指標，各評價指標含義及屬性見表1。顯然定性指標具有模糊性不易量化，本文所涉及的定性指標全部為正向指標，可采用分級賦值進行量化處理，將該類指標的考評統一劃分為9個等級，最小值為1、最大值為9，即指標賦值越大則評價越好。

表1 規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價指標體系

2.2 建立初始評價矩陣

規模化畜禽養殖場數字農業規劃備選方案P為待評價對象，若待評價的方案有m個，相應的每個方案有n個評價指標，根據指標定義獲取各指標原始值，第i個方案第j個評價指標值記為xij(i∈m=1，2，…，m；j∈n=1，2，…，n，)，則建立初始評價矩陣X=(xij)m×n如式(1)所示。

(1)

2.3 計算評價指標權重

評價指標權重的確定是綜合評價的基礎，根據主客觀因素影響的大小，其計算方法大體分為主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法三種。主觀賦權法是將專家的經驗判斷量化后來確定權重，因此存在主觀隨意性的缺陷；客觀賦權法是根據指標之間內在關系，應用一定的數理方法計算確定權重；而本文根據規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價指標體系，綜合考慮主觀賦權和客觀賦權兩者優缺點，采用組合賦權法來計算確定評價指標權重。

2.3.1 層次分析法

層次分析法(簡稱AHP)是一種簡潔而實用、定量定性結合的系統分析方法，在多準則、多指標復雜問題的決策和評價中應用較為普遍。通過問題逐級分解建立層次結構模型，由專家根據自身經驗對每層指標兩兩相對重要性賦值，引入1～9標度法將比較判定量化為矩陣形式，計算判斷矩陣最大特征值的特征向量并歸一化得到層次單排序權重，根據層次結構模型由上而下依次計算。本文構建了兩級指標體系，若一級指標體系中層次單排序權重分別為a1，a2，…，ak，二級指標體系中與ai對應的層次單排序權重分別為bi1，bi2，…，bin，則二級指標對目標層的層次總排序權重[20]計算如式(2)所示。

(2)

式中：ωj＇——層次分析法確定的指標權重；

ai——一級指標層第i個指標的層次單排序權重；

bij——二級指標層第j個指標對上一層第i個指標的層次單排序權重，兩者無關聯時，bij=0。

2.3.2 熵權法

熱物理學中熵的概念引申至信息論中又被稱為信息熵。熵權法是根據各指標離散程度，利用信息熵來計算評價指標的權重。若某一指標的離散程度越大，說明其對評價結果的影響越大，相應的其權重越大；反之則其權重越小，當某一指標無差異時則說明其對評價結果完全沒有影響，可考慮剔除該指標。利用熵權法計算評價指標權重時，首先需將蘊含指標客觀信息的初始評價矩陣歸一化，再根據信息熵定義計算各指標的信息熵，最后利用信息熵計算確定各指標權重。

(3)

(4)

(5)

式中：pij——第j個指標下第i個方案指標值的比重；

ej——第j個指標的信息熵；

ωj″——熵權法確定的指標權重。

2.3.3 綜合權重計算

為使評價指標權重更加合理可靠，將層次分析法和熵權法確定的兩組指標權重通過乘積法有機結合，再對結果進行歸一化處理，由此可得到評價指標的綜合權重[21]。

(6)

2.4 指標標準化處理

(7)

(8)

式中：maxxj——第j個指標最大值；

minxj——第j個指標最小值。

2.5 TOPSIS綜合評價模型

理想解法(簡稱TOPSIS)是解決有限方案優選、多指標決策問題常用的系統分析方法。該方法利用備選方案中各指標最大值集合和最小值集合，構造兩個虛擬的參照對象分別稱為“理想解”和“負理想解”，通過計算備選方案與理想解、負理想解的相對接近度來進行方案的綜合評價[23]。基于組合賦權-TOPSIS法評價模型具體操作過程如下。

(9)

Step 2：利用組合賦權法確定的綜合權重ωj和規范化評價矩陣Y=(yij)m×n，構建加權的規范化評價矩陣記為Z=(zij)m×n。

zij=ωjyij,i∈m,j∈n

(10)

Step 3：通過加權的規范評價矩陣確定備選方案理想解和負理想解，各指標最大值的集合為理想解Z+，各指標最小值的集合為負理想解Z-。

(11)

(12)

(13)

(14)

Step 5：計算備選方案對理想解的相對接近度cj，其體現的是接近理想解并遠離負理想解的程度。根據cj值的大小進行備選方案優劣評價，0≤cj≤1，cj值越大表示該規劃方案越優。

(15)

3 綜合評價實例

3.1 項目概況

廣東省某集團公司創立于2002年，現已成為一家集科研、生產、貿易于一體的現代化農業集團，其下屬某規模化豬場為本次畜禽養殖數字農業項目實施主體，養殖場現有5條生產線，能繁母豬3 900頭，年出欄生豬6.5萬頭，已配建辦公生活區3 500 m2、年產10 kt 有機肥廠、日處理400 m3污水處理廠、日處理1 t無害化處理設施。

項目規劃目標是通過數字化改造升級，提高生產綜合水平，養豬成活率提高2%，生產成本降低30元/頭，年出欄優質生豬10萬頭(新增3.5萬頭)，廢水產生量及排放量要求比現狀削減35%以上，COD、NH3-N排放量大幅縮減，糞污無害化和資源化率得到提升，將養殖場打造成生豬養殖信息化、智能化發展示范樣板。

3.2 備選方案

綜合考慮場區功能布局、基礎設施條件，分析該場現狀生產能力、技術條件、主要障礙因素，按照畜禽養殖場數字農業建設要求，重點加強環境控制、飼喂管理、糞污處理、育種管理、質量追溯等系統建設及設施改造，在項目前期規劃階段初步擬定了3套備選方案。

方案1(P1)：規劃采用定位飼養生產工藝，其妊娠母豬采用單體欄飼養。環境控制采用水簾降溫，機械、自然相結合通風，豬舍內溫度、濕度、光照等參數采用單因素控制；飼喂管理采用自動加料車配合自動食槽、自動飲水器；糞污處理采用全漏縫地板、水泡糞清糞工藝；配套國產豬場育種管理軟件、基于RFID的生豬產品質量安全追溯系統；綜合管理主要借助普通的企業管理軟件；結合數字化系統設備安裝要求對豬舍土建設施進行改造。

方案2(P2)：規劃采用圈欄飼養生產工藝，其妊娠母豬以及斷奶期仔豬、育肥育成期豬均在圈欄中飼養。環境控制通過傳感器采集溫濕度、光照度、CO2(NH3)濃度等參數，利用濕簾、風機、天窗等精準聯動控制豬舍內環境；飼喂管理采用液態自動喂料系統，并配置哺乳母豬智能飼喂設備及妊娠母豬智能飼喂設備；采用高床漏縫地板，底層墊料發酵車間，糞污通過翻堆設備、刮糞設備自動化處理；配套國產豬場育種管理軟件、基于RFID的生豬產品質量安全追溯系統；綜合管理由專業信息公司開發，對生產環節各子系統進行集成，預留第三方子系統數據接口；結合數字化系統設備安裝要求對豬舍采用高床發酵型生態養豬模式改造。

方案3(P3)：規劃采用定位飼養生產工藝，其妊娠母豬采用單體欄飼養。環境控制采用滴水噴霧、排風扇組合降溫，豬舍內溫度、濕度、光照等參數采用閉環控制系統；飼喂管理采用定量裝置的給料系統、自動飲水器；糞污處理采用全漏縫地板、往復式刮糞板清糞方式；配套國產豬場育種管理軟件、基于RFID的生豬產品質量安全追溯系統；綜合管理采用國產成熟的豬場生產管理信息系統；結合數字化系統設備安裝要求對豬舍土建設施進行改造。

3.3 方案綜合評價

備選方案擬定后進行初步評審，由養殖場負責人、生產管理員、養殖行業專家、智能化養殖設備專家等組成評審小組，重點對技術成熟度、工藝符合性等定性指標進行統一標準的量化評價。定量指標則按指標計算規則精確考核，最終根據18個指標的原始值建立備選方案初設評價矩陣如表2。

表2 備選方案初始評價矩陣

根據式(2)～式(6)綜合運用層次分析法和熵權法計算得到評價指標綜合權重如表3。

表3 組合賦權評價指標綜合權重

根據式(7)～式(9)將初始評價矩陣標準化、規范化，根據式(10)建立加權的規范化評價矩陣如表4。

表4 加權的規范化評價矩陣

根據式(11)、式(12)計算各指標理想解Z+和負理想解Z-。

Z+=(0.178，0.041，0.030，0.006，0.006，0.080，0.017，0.034，0.042，0.020，0.020，0.061，0.091，0.016，0.051，0.006，0.023，0.004)

Z-=(0.089，0.020，0.015，0.003，0.003，0.040，0.009，0.017，0.021，0.010，0.010，0.031，0.046，0.008，0.025，0.003，0.011，0.002)

根據式(15)計算備選方案對理想解的相對接近度cj。

cj=(0.161，0.840，0.691)

按照cj值由大到小進行排序為c2、c3、c1，則對應的備選方案優劣順序為P2、P3、P1，因此選取方案2(P2)為本次規模化豬場數字農業規劃最優方案。

3.4 評價結果分析

方案1除主要生產環節采用自動控制設備外，大部分還是通過采用傳統的人為控制方式，自動化、信息化建設水平相對較低。對比方案2、方案3，雖然初期建設投資和后期設備運行維護成本低，但是存在豬舍內環境質量控制差、養殖工人勞動強度大、糞污后續處理費用高和養殖綜合效益低等弊端。

方案2采用更符合當前規模化豬場生產工藝技術發展趨勢的設施與設備，基本實現生豬養殖全過程數字化、信息化建設。雖然先期一次性投資較大，但可大幅度減少企業用工成本，節水節能效益顯著，糞污資源化效率提升，可大幅提高生豬養殖的綜合效益。通過生豬養殖和新一代信息技術的緊密融合示范，能有效帶動生豬養豬模式轉型升級。

方案3是參照目前國內大部分集約化豬場養殖模式而擬定的數字化建設規劃方案，區別于方案2妊娠母豬采用智能化群養系統，其妊娠母豬采用單體欄飼養，表面上來看可節約項目建設投資，實際上未考慮母豬健康福利養殖，沒有按照母豬生物學特性和不同生理階段需求進行飼養管理，這也是造成母豬疾病感染率高、生產性能低下的重要原因。

4 結論

1)針對規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案評價結果總目標，本文構建了兩級評價指標體系。根據項目自身特點建立設備技術、經濟效益、社會效益和生態效益共4個一級指標，并將一級指標進一步細分為技術成熟度、工藝符合性、項目總投資、靜態投資回收期、技術示范推廣、環保投資占比等共18個二級指標。從整體來看，評價指標數量適中，可操作性強。

2)規模化畜禽養殖場數字農業規劃方案綜合評價前提條件是指標權重的確定，而指標權重準確、客觀與否直接影響評價結果的可信程度。本文在指標權重計算時，兼顧主觀經驗和客觀實際采用組合賦權法，即綜合運用偏主觀的層次分析法和偏客觀的熵權法，得到了更加科學合理的指標權重值。計算結果顯示，指標權重排序靠前的依次為技術成熟度(0.248)、智能化(0.120)、直接帶動就業(0.119)、節水節能效益(0.082)、技術示范推廣(0.071)、工藝符合性(0.055)，另外設備技術層指標綜合權重最大(0.484)，說明在規模化畜禽養殖場數字化改造升級中，合理配置智能養殖設備是各項工作的重中之重。

3)建立了基于組合賦權-TOPSIS法的綜合評價模型，利用該模型對某規模化豬場數字農業規劃3套備選方案進行了實證研究。結果表明，方案2接近度0.840，明顯高于方案1(0.161)和方案3(0.691)，因此確定方案2為最優方案。評價結果也與當前規模化畜禽養殖場朝信息化、自動化、智能化發展趨勢一致，該評價方法為規模化畜禽養殖場數字農業規劃建設提供有益參考。