畜禽個體身份標識技術發展進程與展望

楊 亮，王 輝，陳睿鵬，熊本海

（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所 畜禽營養與飼養全國重點實驗室，北京 100193）

0 前言

畜禽個體身份標識在養殖、屠宰、加工到消費等各個環節中均發揮著重要的作用。在養殖環節，基于身份標識對豬只進行個體生產性能測定，指導種豬的選育；基于豬只個體自動識別及物聯網技術，采集豬只生理參數和養殖信息，調控生產環境和養殖流程，實現精準養殖目標。在疫病防治監控環節，應用標識技術建立疫病追溯系統，對豬只個體的免疫情況進行記錄，當疫病暴發時快速追溯傳染源和傳播途徑，發現疫病流行趨勢和生物學規律，及時控制傳染源的移動，減少經濟及社會損失。在產品貿易和食品安全環節，建立豬只及其產品的標識與可追溯系統，保護消費者免受食品安全事故危害。為此，各國均集中優勢科研、產業力量進行技術攻關，并取得了一定的成果。本文將重點介紹畜禽個體身份識別技術的發展演化過程，對個體標識技術在機器視覺等相關領域的發展進行展望。

1 傳統標識技術

動物從野生狀態被馴化為人工養殖，古人就采用各種物理方法標識，如皮膚、尾巴、嘴唇、蹄和角的紋身或烙印，耳朵的打孔或割痕，顏料的涂抹或記號，佩戴的項圈、腳環或標簽等。

1.1 剪耳法

剪耳法又稱截耳法、耳刻法等。用特制的耳號鉗，在家畜的左、右耳打上缺口或圓洞，每個耳缺或圓洞代表特定數字，耳號組成規則包括數字規則和編碼規則。數字規則主要分為“內外法”和“上下法”，編碼規則主要包括“大排法”、“窩排法”和“標親法”。

1.2 紋身法

耳朵紋身是永久識別動物的常規方法之一。將出生不久的幼畜右耳里面用熱水洗凈擦干，用耳標鉗在右耳內部進行穿刺。耳標鉗可放入不同號碼針，在穿刺處涂以黑色的墨汁，或煤煙酒精溶液，對于深色或黑耳品種，使用綠色染料更適合。除耳朵紋身外，一些地區使用刺青錘紋刻號碼，對待宰豬只進行標記，但該法目前已基本淘汰。

紋身法必須對動物頭部進行約束才能紋刺和識別，不適于日常使用，但標識準確率高、不易出錯、創口較小，不易引發細菌感染。

1.3 烙印法

最初的烙印法采用火燙烙印法，烙鐵由低碳鋼合金等優良導熱體制成字符或符號形狀，將加熱的烙鐵放在動物皮膚上數秒，按照身體形狀滾動施壓，最后用冷水或傷口油緩解皮膚灼傷并促進愈合。火烙法會損傷真皮部，影響皮革質量，而且燙傷結疤往往感染化膿，造成字跡模糊，難以識別。

由于動物福利的原因，火燙法逐漸被冷凍烙號法取代。冷凍烙鐵由銅或青銅合金制成，使用二氧化碳氣瓶、干冰乙醇混合物或液態氮，將烙鐵冷卻到-60℃，能破壞皮膚中生產色素的色素細胞，而不致損傷毛囊。該法的優點是清晰明顯，極易識別，永不消失；操作簡便，對皮膚損傷少、無痛感。

1.4 顏色法

在生產過程中，有時需要作臨時標記。如產仔時需在母畜和仔畜身上用相同顏色的涂料打出母畜號和仔畜號，可選用專用標記涂料，或用易洗掉的色料作標記。

2 條形碼標識技術

隨著材料和工藝的發展，以塑料耳標為主的佩戴標識在全球畜牧業生產中得到廣泛應用。在耳標上增加條形碼標識，可實現耳標編號的自動識別和讀取，在此基礎上，構建畜禽可追溯管理系統，建立完善食品質量安全體系，在各國相繼得到使用和推廣。

美國組成家畜標識開發小組，制定并建立家畜標識工作計劃，目的是發現外來疫病時，能夠在48 h內確定所有涉及的企業。2004 年開始使用具有企業編號或個體標識的耳標。加拿大實施“品牌加拿大”戰略，于2008 年實現80%農業食品聯合體農產品可追溯源頭。歐盟要求大多數國家對家畜和肉制品開發和強制性實施追溯制度，2002 年后所有銷售的產品必須具有可追溯標簽。法國對屠宰的生豬，實施強制標識。荷蘭在仔豬斷奶一周內加掛耳標，育成豬在屠宰或出口時必須用屠宰標識。丹麥對出生的豬從出生地向外運輸時，必須標有耳標。澳大利亞實施國家牲畜標識計劃，能夠追蹤家畜從出生到屠宰的全部信息。家畜個體用認證的耳標或瘤胃標識來標識身份。當牧場主將羊出售時，必須在申請表上填寫標簽號碼。

中國高度重視重大動物疫病防控和食品質量安全工作，2001 年開始實行動物免疫標識制度；2002 年農業部發布“動物免疫標識管理辦法”，規定動物免疫標識包括免疫標識和免疫檔案，并對豬、牛、羊經過重大疫病免疫后佩帶免疫耳標。2005 年通過《中華人民共和國畜牧法》，規定畜禽養殖者必須對畜禽進行標識，并建立養殖檔案，要求采取措施落實畜禽產品質量責任追究制度。2006 年農業部頒布《畜禽標識和養殖檔案管理辦法》，在北京、上海、重慶、四川三市一省啟動“動物標識與疫病可追溯體系”建設試點，2007 年起，在全國范圍推廣“動物標識及疫病可追溯體系”。中國使用塑料耳標作為畜體標識。

3 射頻識別技術

射 頻 識 別 技 術（Radio Frequency Identif ication，RFID） 是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。RFID技術具有非接觸識別、讀取率高、防干擾能力較強等特點，應用于畜禽個體標識。RFID 標識有多種方式，如電子耳標、項圈、腿環等可穿戴式標識、皮下植入式標識、瘤胃內置式標識等；RFID 標識具有集成傳感器、信號收發器等多種功能。

常用的畜禽個體RFID 主要有動物耳標、項圈式標簽、可注射玻璃標簽和瘤胃電子膠囊等。

動物耳標主要有低頻和超高頻兩種類型，兩者的芯片、天線、封裝方式等均不相同。低頻耳標的RFID 芯片和天線組成的中間體inlay，被放置在母標的內部，外面被聚氨酯塑料包裹。項圈式電子標簽根據動物種類和生理特點選擇使用，家禽多使用腳環和翅標，應用于種禽管理、產品溯源等；牛、羊等多使用項圈，應用于分群系統、自動飼喂系統，擠奶系統等。注射式電子標簽利用特殊工具將電子標簽放置在動物皮下，通過對電子芯片不同植入位置效果對比，發現耳部下面位置最合適，保存率高且不易被觸摸到。家畜注射標簽的方法會引起動物機體組織排斥反應；受埋植位置等因素影響，存在掉標、破損及體內位移等問題。瘤胃電子膠囊是將電子標簽安裝在耐酸的圓柱形外殼內，通過動物食道放置到反芻動物的瘤胃液內，一般會終身停留在動物的瘤胃內。屠宰后注射式電子標識的取出是個問題，需要避免進入食物鏈的潛在危險。

4 機器視覺標識技術

機器視覺是信息技術領域熱門的研究方向。系統通過分析圖像或視頻，實現對場景中目標的定位、識別和跟蹤，分析和判斷目標的行為，判斷異常情況發生，近年來被廣泛應用于畜禽識別。非接觸式的機器視覺識別方法能提高識別的實時性和自動化程度，降低養殖管理成本和減少動物應激，但是識別精度和魯棒性有待進一步提高。

4.1 鼻紋識別技術

1922 年，Petersen 使用鼻紋識別牛個體身份，將墨汁噴在牛鼻子上，再將其印在紙上，采用肉眼觀察比對的方式進行身份匹配；1998年，Mishra 等通過鼻紋的分布特征來開發牛的編碼系統，配合耳標對牛建立檔案，實現了牛產品的全程追溯；2007 年，Barry 等通過對牛鼻紋拍攝來采集牛鼻紋信息，使用主成分分析和歐氏距離分類算法對牛鼻紋照片進行識別，最后得出通過鼻紋識別牛的身份準確率可達98.85%。雖然鼻紋具有不變性、可采集性和識別準確率高等特點，但是動物動作行為具有隨意性，在采集鼻紋圖片和提升采集效率、識別優化方面需要更進一步的提升。

4.2 虹膜識別

虹膜是瞳孔與鞏膜之間的環形可視部分，是由隨瞳孔直徑變化而拉伸的復雜纖維狀組織構成，動物出生前的隨機生長過程，造成了各自虹膜組織結構的差異，具有終生不變性和差異性。虹膜總體上呈現一種由里到外的放射狀結構，包含許多相互交錯的類似斑點、細絲、冠狀、條紋、隱窩等形狀的細微特征。

在紅外光照射下，反映其圖像特征的模擬信號被高分辨率的攝像機接收采樣，經數字化后存入計算機，每個虹膜數據長度為256 字節，整個過程在系統中瞬間完成。虹膜識別技術的優點是精確度高；而缺點是虹膜技術系統成本過高，需要比較完備的成像條件和一定的成像時間，在畜禽養殖中應用較為繁瑣。

4.3 視網膜血管識別

視網膜是一些位于眼球后部十分細小的神經，是感受光線并將信息通過視神經傳給大腦的重要器官，用于生物特征識別的血管分布在神經視網膜周圍，在采集視網膜的數據時，掃描器發出一束光射入使用者的眼睛，并反射回掃描器，系統會迅速描繪出眼睛的血管圖案并錄入到數據庫中。

視網膜識別技術具有相當高的可靠性，視網膜血管分布具有唯一性，并且無法偽造，即使是雙胞胎動物，血管分布也是有區別的；視網膜的結構形式在動物生長過程中保持穩定；視網膜識別系統誤識率低，錄入設備從視網膜上可以獲得700 個特征點，這使得視網膜掃描技術錄入設備的誤識率低于一百萬分之一。

視網膜識別技術的采集設備成本較高，采集過程較為煩瑣。視網膜掃描設備要獲得視網膜圖像，眼睛與錄入設備的距離應在半英寸之內，并且在錄入設備讀取圖像時，眼睛必須處于靜止狀態，使用不夠方便。

5 分子標記識別技術

自從DNA 分子標記技術建立以來，各種DNA 分子標記相繼被廣泛地應用于遺傳圖譜的構建，評估遺傳多樣性，以及個體識別和親權鑒定等方面。常用的畜禽個體標識的分子標記主要有簡單序列重復（Simple Sequence Repeats，SSR）、單核苷酸多態性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP） 等， 與SSR方法有許多等位基因相比，SNP 方法僅有兩個等位基因，技術相對簡單，成本相對低廉，有益于全自動分析。在基于分子標記的可追溯系統中，進行家畜個體追溯是可行的，其優點是具有非常高的準確率，對疾病控制有顯著效果；缺點是僅能從肉制品向農場及種畜追溯，對從超市到分銷商到加工商到屠宰場的過程無法追溯。

6 畜禽個體標識技術研究展望

隨著信息技術的發展，傳統識別方法已不再滿足現代化養殖的要求。機器視覺技術是發展最快、應用潛力最大的方法，在個體識別的基礎上，能實現動物跟蹤、行為感知、生理監測、智能管控、資產管理的“一攬子”解決方案，未來要進一步解決實際養殖條件下的技術研發和落地問題；RFID 技術較為成熟，是目前替代人工應用較多的方法，但需要解決兼容性差的行業標準問題，同時開發基于RFID 的多參數感知技術；生物識別技術識別精度高，但對應用場景、技術設備和人工參與要求較高，未來需要改進現有硬件設備，提高準確性、兼容性，根據使用環境和生產特點開發自動化生物識別系統。

6.1 機器視覺技術

精準化養殖模式日益興起，在充分考慮畜禽生理習性及養殖裝備等因素的前提下，畜禽個體識別將向無接觸、自動化、實時、連續檢測的方向發展，特別是基于機器視覺的個體識別技術。

在數據采集技術方面，養殖場的環境相對復雜，受光照等因素影響，同時動物之間相互遮擋，采集數據會有所偏差，需要開發適用于各種養殖場景下的數據自動采集和目標跟蹤類算法結合使用的方法。

在增量識別學習模型方面，基于大量訓練樣本，應用機器學習方法訓練的模型，僅適用于試驗場景中的畜禽個體。而養殖場因為種群繁殖、分群飼養等生產需求，會發生畜禽個體離群或引入新個體的情況，需要重新訓練模型。需要將個體識別模型與遷移學習結合，開發增量識別模型，無需重復訓練模型。

在研發嵌入式設備方面，雖然國內外學者在實驗室開展的研究都取得較好成果，但具體應用仍然受限。將圖像數據采集、特征提取、個體識別融合在一起，研發嵌入式識別設備成為亟需解決的問題。所開發的嵌入式設備需兼容深度學習模型，在嵌入式設備中快速高效地完成深度學習需進一步研究。

在智能化養殖系統方面，基于畜禽個體識別技術，提升個體信息采集的智能化程度，研究如何融合牛只的采食量、體溫、活動量以及體況評分等信息，及養殖環境對畜禽個體生長的影響，開發智能化養殖系統。

6.2 RFID 技術

畜禽個體標識的RFID 技術方面，目前僅有低頻標識的國際標準和國家標準，而國內規模化應用的主流技術為超高頻標識，在技術標準方面尚屬空白。

首先，提高超高頻標識的識別精度。低頻標識識別距離短、傳輸速率低、不具備多目標同時識別性能。超高頻RFID 讀寫器，可同時讀取多個標簽，讀取速率快，通過引入或改進相應算法可提高識別準確性，排除信號干擾，應用于大群體動物個體采食、產蛋、活動等行為監測的潛力巨大。

其次，降低超高頻標識的工作功率。超高頻標識的工作頻率有433.92 MHz、862（902） ～928 MHz、2.45 GHz 和5.8 GHz 等，其中動物標識使用較多的是前兩個頻段，且多為無源標識。超高頻標識的電磁輻射對動物的長期影響，目前尚無普遍接受的研究結果，更沒有相關規范和標準。考慮到超高頻動物標識主要在中國應用，國內學者應加強相關研究。

最后，提高超高頻標識的感知能力。RFID 感知技術的發展經歷了由“物”逐漸到“人”的主體轉化。通過進一步主動設計并部署標簽或者標簽陣列，將其用于某些特定的動物行為感知應用中，將標簽轉化為一個輕量級的無源傳感設備用于各個方面，如聲音感知、振動感知等，實現標簽從識別到感知的進化。

6.3 生物特征識別技術

畜禽的生物特征標識包括皮毛花紋、軀體形態、面部特征等宏觀特征，及口鼻、眼睛、血管等細微特征。開發新的生物特征標識分析技術，及融合兩個或多個生物識別標識，可以擴大生物識別的應用，提高識別系統的準確性。

在聲紋識別技術方面，Bell 實驗室通過觀察聲音的語譜圖第一次提出了聲紋的概念；各國學者對聲音中的個性參數進行了研究，提出梅爾倒譜技術和線性預測分析技術，實現了準確率的極大提高；基于最大似然概率統計的高斯混合模型因其簡單、可靠、穩定的優點，使其成為聲紋識別的重要模型之一。畜禽發聲反饋其健康狀態和生理生長信息，將是畜禽行為研究的熱點。

在步態識別技術方面，優勢是其非接觸、遠距離感知。步態特征可以分為靜態特征識別和動態特征識別兩類，靜態特征和動態特征都會影響步態識別的準確性。針對養殖動物的步態識別，主要針對動物生病時發生步態異常的情況，在發病初期較容易觀察出異常。步態識別技術尚處于研究階段，識別準確率和識別速度有待進一步提升。