豬舍小氣候環境模擬預測技術研究綜述

劉炫文，劉仁鑫*

（1.江西農業大學 軟件學院，江西 南昌 330045；2.江西省畜牧設施技術開發工程研究中心，江西 南昌 330045）

隨著生活水平的提高，人們對肉類的需求日益增長。傳統的生豬養殖模式已經無法滿足市場需求，生豬養殖正向規模化、現代化、集約化、智能化快速轉型。在生豬養殖生產過程中，豬舍小氣候環境的質量是限制生產水平的重要因素之一。Cole等［1］研究表明：家畜生長性能約20%～30%取決于養殖環境因素。良好的養殖環境能夠有效降低生產成本，提高生產效率；惡劣的養殖環境會導致豬產生各種應激反應和免疫力的降低，引發各種疾病。對養殖豬舍環境溫度、濕度、空氣質量等指標進行綜合分析，有助于準確、可靠、客觀地評價養殖豬舍環境的質量狀況，便于對養殖豬舍結構布局與養殖環境進行更加合理和精準有效的優化調控管理，從而更好地適應規模化養殖。高效精準的豬舍小氣候環境模擬預測技術是構建良好豬舍環境，推動生豬養殖業向精細化、智能化、自動化方向發展的重要手段。

1 豬舍小氣候概述

小氣候的概念在傅抱璞等［2］的書籍《小氣候學》中被定義為受到下墊面條件或構造特性影響而形成的與大氣候不同的小范圍的氣候；在《建筑氣候學》中，楊柳［3］在對小氣候尺度的研究中在空間維度之外又引入了時間維度，認為建筑外部的小氣候尺度為0.01～1.00 km水平范圍、0.10 km垂直范圍、24 h時間范圍。豬舍小氣候是指在豬舍建筑內的時空范圍內，受豬舍整體結構、建筑材料、通風模式等影響所形成的相對獨立于豬舍建筑外部大氣候環境的局部氣候，可通過對溫度、濕度、通風量等環境因子的干預而改變豬舍小氣候環境。

1.1 影響豬舍小氣候的環境因子

1.1.1 溫度 豬舍環境溫度是影響豬群生產和繁殖性能的最直接相關的因素，只有在適宜的溫度范圍內，豬的自由采食量和能量的利用才能達到最大效率［4-5］。在低溫寒冷的環境下，為了維持自身體溫的恒定，豬需要大量采食以用于產熱消耗，導致機體用于生產的能量減少［6］。在高溫炎熱的環境下，由于豬的散熱能力較差，豬會產生熱應激現象，從而導致體溫的升高和采食量的下降；環境溫度過高不但會導致繁殖母豬的卵巢功能下降，使排卵量和卵子質量大大下降［7］，還使得公豬的性欲降低，產生的精液質量也會受到影響［8］。

1.1.2 相對濕度 相對濕度也是影響豬生長與生產性能的一個重要環境評估依據，受豬舍中相關機械設備以及糞便的影響，集約化豬舍的空氣濕度通常都高于外部環境。濕度對豬舍環境的影響總是與溫度相耦合產生的，當氣溫處于適宜范圍內時，空氣濕度與豬的產能之間并不會呈現出明顯的相關性［9］；在高溫環境下，如果豬舍內濕度過高，豬體無法靠蒸發散熱這個主要散熱途徑維持自身體熱平衡，從而會放大高溫對豬生產和繁殖性能的危害程度；在低溫高濕的環境下，室內的空氣環境過于悶熱潮濕，導致室內空氣導熱性增強，豬的自身散熱能力增加，會增加豬流感、腹瀉病等呼吸道病癥的發生概率；在這種高溫和低濕度的飼養環境條件下，豬身上的水分揮發過快，導致皮膚黏膜的干裂以及各種慢性呼吸道疾病死亡率的增加［10-13］。此外，過于陰暗濕熱的飼養環境會促使豬舍環境里的細菌、微生物大量滋生繁衍，使豬皮膚病、呼吸道、消化系統疾病等的發生率明顯上升［14-15］。

1.1.3 通風量 通風量指每小時內每千克豬所需的空氣量，是控制豬舍環境質量的關鍵因素［16］。豬舍通風量與舍內環境溫度緊密聯系。在高溫情況下，適當通風能夠增強豬體自身的蒸發散熱，有效調節體溫，對豬的健康產生有利影響。而在低溫條件下，通風會增加豬的散熱量，造成豬的體溫下降和能量損耗，產生冷應激反應，不利于生產［17］。通風量的大小還直接影響豬舍內的空氣質量，充足的通風量能夠有效減少豬舍內有害氣體和粉塵顆粒物的濃度，從而提高豬自身的免疫力，降低誘發豬群呼吸道疾病的可能［18-20］。

1.1.4 空氣質量 相關研究結果表明：集約化豬舍存在多種氣體污染物，主要包括豬的新陳代謝產物和豬舍內部糞尿沒有得到及時處理而引發復雜物理和化學反應生成的混合有毒氣體［21］。這些污染物中的有害氣體、顆粒物被認為是影響豬舍內空氣質量的直接因素［22-24］。豬對周圍環境中的空氣質量十分敏感，例如Done等［25］的研究發現，空氣質量長期惡劣的環境會誘發呼吸道疾病，導致豬呼吸系統、消化系統、免疫系統等遭受破壞，從而影響豬的生長性能。

氨氣為豬舍內產生的一種主要有害氣體，主要由豬舍內糞尿和污水混合物中氮元素的分解反應產生［26-28］。豬舍內氨氣濃度長期超出標準規定會損害豬的呼吸道黏膜，使之喪失正常功能，導致免疫力下降，從而降低豬的進食量并且誘發各種呼吸道疾病。Michiels等［29］研究了不同濃度的氨氣誘導豬肺部器官組織病變的過程，發現隨著氨氣濃度的升高，生豬非正常死亡率和肺炎的患病率均明顯提高。

硫化氫也是豬舍排放的主要有害氣體，主要來源于豬舍內含硫物質的分解反應，且攪動糞污會促進其進一步分解釋放［30］。在豬舍內低濃度的硫化氫會使豬的眼睛和呼吸器官受到刺激，使豬的免疫力下降；孫朋朋等［31］研究認為豬舍中的硫化氫濃度盡量不要超過10 mg/m3。此外，豬舍內硫化氫濃度過高會導致豬食欲下降，甚至會抑制豬的呼吸，嚴重時會使豬窒息死亡。

二氧化碳主要來源于豬的新陳代謝活動以及糞便的分解。二氧化碳本身并無毒性，但是過高濃度的二氧化碳會造成豬神經中樞麻痹、反應遲滯，嚴重時會導致豬缺氧休克甚至死亡。同時豬舍內二氧化碳濃度較高通常表明豬舍內部通風系統工作異常，其他有害氣體含量也可能超過了臨界值，因此，二氧化碳常作為評價豬舍中通風量的標志性氣體［32］。

豬舍空氣中的粉塵顆粒物（Particle Matter，簡稱PM）主要來源于豬的糞便和飼料。細小的顆粒物會刺激皮膚、呼吸道黏膜以及肺泡，削弱豬自身免疫系統的正常功能［33］。粉塵還是細菌病原體在傳播過程中的重要載體，其可以增加細菌病原體的傳播范圍，造成豬舍內疾病多發。

1.2 豬舍小氣候的特征

1.2.1 時滯性 在調控豬舍小氣候環境的過程中，豬舍的降溫主要是靠風機抽取豬舍內的空氣，使豬舍內壓強小于大氣壓強，通過壓強差將新鮮空氣從外界送入豬舍內，達到降溫換氣的效果；當豬舍內出現高溫或低濕的情況時，往往會通過開啟濕簾達到降溫加濕的效果。由于集約化豬舍占地面積通常較大，空氣從進風口到出風口往往需要一段時間，使得在風機和濕簾開啟后，豬舍內溫度和濕度的改變往往有一定的延時而不是立即發生改變，因此豬舍小氣候呈現出一定的時滯性。

1.2.2 時變性 以溫度和濕度為例，在影響豬舍內溫度和濕度的諸多因素中，豬舍外部環境的溫度和濕度以及豬的新陳代謝活動起主要作用。由于豬舍外的環境溫度和濕度在一天內并不是固定不變的，并且豬自身的新陳代謝活動在一天特定的時間節點根據不同的動作和行為而發生改變，所以豬舍內的溫度和濕度會在不同的時間段發生變化；同樣地，有害氣體等環境因子也具有相同特性，因此豬舍小氣候有著明顯的時變性。

1.2.3 不均勻性 在面積相對較大的集約化豬舍內，受到室內結構的影響，往往會存在一些死角，空氣無法在這里流通，因此這部分區域的風速、有害氣體濃度等通常與其他正常空氣流通區域有不可忽略的差異。同樣地，豬舍內的空氣在流通過程中，通過周圍的墻壁、窗戶、地板等與外界進行熱交換，也會導致豬舍內靠近熱交換區域的溫度異于其他區域。因此在同一時間段，豬舍內不同區域之間的環境存在差異性，所以豬舍內小氣候往往具有不均勻性。

1.2.4 耦合性 溫度、濕度都是衡量豬舍內小氣候環境舒適度的重要評估依據。由于這2個因素在現實生產中并非相互獨立，而是相互影響的，并且在兩者之間的相互作用不符合簡單的線性規律，而是非線性的耦合。因此在評價豬舍內環境是否滿足要求時，單獨用其中任何一個因素作為評價標準，得出的評價結果往往與豬舍的實際情況不符。同時空氣質量、通風量與溫度、濕度之間也具有相關性。因此豬舍內的小氣候環境是多個因素共同影響、共同作用而形成的復雜體系，所以豬舍內小氣候具有耦合性。

2 豬舍小氣候環境模擬預測技術研究現狀

在世界各國生豬養殖模式先后向著集約化、精準化、智能化方向的發展過程中，豬舍小氣候環境對生豬生產性能影響的研究成為學術界的熱點，因此有必要掌握豬舍內溫度、濕度等環境因子的動態變化規律及其影響范圍，這也是全面客觀地評估豬舍環境質量和精準調控豬舍內環境的需要。

與傳統的實地測量方法和風洞試驗方法相比，數值模擬方法由于具有成本低、應用范圍廣以及模擬數據精度高等優點而在近幾十年來逐步在豬舍環境預測、優化研究中得到了廣泛的應用和推廣。其中，以計算流體力學（Computational fluid dynamics，簡稱CFD）為基礎的數值仿真技術成為了相關領域學者的研究重點和關注焦點。計算流體力學是一種融合了流體動力學、計算機科學和數值數學的一門交叉應用學科［34］。目前，國內外眾多學者利用CFD開展了豬舍環境因子對豬舍小氣候影響的研究。

Rong等［35］利用CFD技術對豬舍中的溫室氣體場分布模型進行了仿真，總結歸納出了豬舍氣體場的空間分布規律和建立豬舍模型的主要參考標準，提高了模型仿真研究成果結論的科學可信度；賀城等［36］采用CFD對豬舍溫度場進行了模擬研究，模擬得到的舍內溫度變化規律與實測值相同，各檢測點的空氣溫度誤差最大值不超過1.30 ℃，平均絕對誤差為0.24 ℃，平均相對誤差為0.70%，為豬舍通風系統的設計提供了有效指導；周丹等［37］采用CFD技術對自然通風仔豬舍內的二氧化碳濃度進行了數值模擬，研究結果表明在寒冷的冬季，斷奶仔豬舍采用半封閉式自然通風方式不但不能保障豬舍內部保溫性能的良好發揮，還易造成二氧化碳的蓄積；佟國紅等［38］以等比例縮小的豬舍建模作為實驗模型，對模型內氨氣濃度進行了穩態模擬，將模擬結果與實測數據進行比對，模擬結果的相對誤差范圍在0.4%～11.4%；Kwon等［39］基于CFD對保育豬舍內粉塵顆粒物的濃度進行了仿真試驗，并建立了粉塵顆粒物排放物的經驗模型，試驗結果表明通風、室內空氣溫度和動物活動是產生粉塵顆粒物的重要因素。上述研究側重于研究單獨的環境因子對豬舍小氣候環境的動態影響和工作機理，將模擬得到的結果與實測數據進行對比分析，構建豬舍環境評價方法，為豬舍小氣候環境的預測和調控提供了理論依據。但是由于豬舍小氣候環境具有耦合性，豬舍小氣候環境受到多個環境因子的共同影響，因此單個環境因子指標無法客觀地反映豬舍內部環境的實際情況。

與此同時，國內學者對豬舍內多個環境因子對豬舍小氣候環境的影響進行了初步研究。例如：王鵬鵬［40］利用CFD模擬了北方冬季豬舍的氣流場和溫度場，探究了在空氣流動速度與溫度的共同耦合下豬舍環境的動態變化過程；高云等［41］采用CFD對夏季通過濕簾通風的豬舍建立了溫度、濕度耦合模型，并在此基礎上計算得到了豬體PMV場仿真模型。盡管這些研究探究了處于特殊環境下豬舍內部分環境因子之間的耦合關系，解決了難以對環境進行精準調控的問題，但是模擬精度仍然有待進一步提升。

學者們注意到將神經網絡技術應用在豬舍小氣候環境模擬與預測中能夠極大地提高模擬精度，例如：劉春紅等［42］基于ARIMA-BP神經網絡構建的豬舍氨氣濃度預測模型，預測數據與實測值的平均絕對誤差（MAE）、平均絕對百分比誤差（MAPE）和均方根誤差（RMSE）分別只有0.0319 mg/m3、0.1580%和0.0365 mg/m3，表示基于該算法的神經網絡在擬合豬舍環境與氨氣濃度之間的關系時能夠保證較高的精度。謝秋菊等［43］將L-M算法應用于BP神經網絡的優化，基于L-M算法優化的BP神經網絡與Elman神經網絡、線性神經網絡預測方法相比，收斂速度更快，氨氣濃度預測值與真實值的最大絕對誤差僅為0.1720 mg/m3。曾智雄等［44］采用時間序列模型構建了基于門控循環單元網絡（GRU）的豬舍溫度預測模型，對比溫度預測值與實測值發現，采用GRU模型預測的豬舍溫度結果的均方根誤差和平均絕對誤差分別為0.25和0.19 ℃，平均絕對百分比誤差為0.65%，且對母豬分娩舍溫度的變化能夠起到有效預警作用。盡管神經網絡技術對豬舍小氣候單一環境因子的模擬精度相比于CFD技術具有較大優勢，但是為了獲得滿意的預測結果，需要投入大量的數據樣本和訓練時間，計算代價較為高昂。盡管基于各種先進算法改進的神經網絡預測技術在計算性能和預測精度上不斷進步，但不能較好地處理多個環境因子之間耦合變化的相關數據，因此神經網絡預測技術有待于進一步研究。

3 討論

目前，關于豬舍小氣候環境模擬預測技術的研究仍然存在以下不足：（1）對豬舍小氣候環境因子的研究主要局限于溫度、濕度、空氣流速以及氨氣等主要污染氣體，而關于其他環境影響因子如輻射、聲波以及次要污染氣體的研究較少；（2）受豬舍內粉塵顆粒物、腐蝕性氣液混合物含量較高以及人類生產活動的影響，感知并記錄豬舍實時環境數據的傳感器的故障率和傳導數據的失真率較高，嚴重影響了豬舍環境模擬預測結果的精確度和可靠性；（3）當前環境預測技術的工作效率以及預測數據的可靠性仍不能達到預期標準；（4）大多數研究基于單一環境因子的影響，所得預測結果不能細致充分地反映豬舍全局的環境變化和質量優劣，具有局限性。

由于豬舍小氣候環境系統具有時滯性、耦合性和時變性等特點，單純的畜牧科學并不能解決目前該行業已有的困難。因此由畜禽養殖、計算機科學、應用數學等多領域專家合作構建信息化、自動化、智能化豬舍環境預測系統，對提高生豬養殖業的生產效益具有重要的意義，也是未來豬舍環境模擬預測研究的發展方向。今后需對以下4個方面進行進一步的研究：（1）全面探究其他環境因子（例如輻射、聲波等）對豬舍環境的影響，完善豬舍小氣候環境影響體系的建立；（2）利用先進的數據收集和傳遞技術手段構建在高溫、高濕、腐蝕能力強的極端豬舍環境下具有穩定性高、精確度好、抗干擾能力強、能耗低等特點的環境檢測采集系統；（3）對豬舍內多環境因子的耦合變化和內在機理進行重點研究，明確引起豬舍環境復雜變化的關鍵因子，構建多環境因子作用下豬舍環境變化的精準動態模型；（4）將豬的生理參數、行為特征，以及豬舍環境參數同時作為反饋依據，構建一套不受地域、季節、豬舍結構影響的集約化豬舍小氣候環境評價標準體系，促進豬舍環境控制技術的發展。