信息化技術在生豬養殖中的應用現狀與分析

劉 怡 ，劉瑩瑩 ，李華麗 ，肖 毅

（1.湖南農業大學信息與智能科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省畜牧獸醫研究所，湖南 長沙 410131）

中國養豬業一直以來都扮演著滿足國內肉類需求的重要角色，然而，隨著人口的增長和生活水平的提高，對高質量、高效率、可持續性養殖的需求也在不斷增加。現階段中國的養殖業生產技術不斷提高，互聯網，云計算、大數據、數據庫等新一代信息技術逐漸滲透到新的養殖模式中，實現了實時監測、精細化管理和智能化決策，為養殖從業者提供了更多的機會來了解和滿足養豬的需求，提高生產效率，減少浪費，以及更好地適應市場變化。本文探討智能化與數字化管理技術在飼養環節的應用與發展，從種豬管理、母豬管理生豬管理以及環境控制等關鍵領域對近年來的研究進行綜述。本文將簡單介紹這些技術在養殖業中的應用，以及它們如何改善養殖效率、動物福利和環境可持續性。通過深入研究這些領域，希望為養殖業提供更多的見解，促進智能化與數字化管理技術的廣泛應用，以升豬場的整體管理水平、降低養豬企業管理成本，滿足不斷增長的食品需求并實現可持續的農業生產。

1 智能化管理技術

1.1 種豬管理

飼養種公豬的目的是為了提供優質的精液，高效傳遞優秀基因，提高育種效率。種公豬的精細飼養，是提高種豬生產力的關鍵和保證。實際上在飼養過程中由于管理不當存在著疾病增多，公豬過瘦或過胖，性欲下降，精液質量差等問題。

精液質量是衡量公豬種用的重要指標，也是實現母豬發情期受胎的重要元素。趙鵬將CASA-型系統應用于公豬精液質量監測中，結果顯示豬精液常溫保存48 h 前， 與國家種豬常溫精液質量標準校對，對精子活力、直線前進運動精子數的檢測結果差異不顯著。陳濤等指出利用生物微流芯片技術的精液質量檢測智能化設備，可實現精液的快速檢測，從而建立公豬精液的可追溯系統，而通過物聯網技術可實現公豬站精液生產和質量控制過程中數據的自動采集、統計分析和輸出。

種豬生長性能預測是畜牧業中的關鍵工具，通過收集、分析和預測豬的生長數據。幫助養殖者提高生產效率、資源利用率預防疾病，進行遺傳改良，以及增強養殖業的可持續性。通過科技和數據分析的應用，豬只生長性能預測在現代畜牧業中扮演著不可或缺的角色，有助于實現更高產、更健康和更可持續的豬肉生產。施洋劍基于深度學習設計了一個種豬生長預測云平臺，提高畜牧業中種豬育種的效率。該平臺利用物聯網技術自動收集種豬生長數據，通過深度學習模型（GRU、LSTM 和線性回歸）實現生長性能預測。數據存儲采用遠程字典服務（Redis）和MySQL。經實驗驗證，GRU 和LSTM 模型的預測效果較線性回歸模型更好，為種豬育種行業提供了更高效的管理和決策工具。陳櫟等使用機器學習模型對豬的生長性狀和全基因組估計育種值（GEBV）進行預測，并比較了深度學習（DL）、隨機森林（RF）、梯度提升機（GBM）和極致梯度提升（XGB）四種不同模型的性能。結果顯示，機器學習模型對GEBV 的估計準確性優于性狀表型。在不同性狀的GEBV 預測中GBM表現最佳，而在性狀表型預測方面，GBM 和深度學習效果較好。綜合考慮模型準確性和訓練時間，研究建議在豬基因組評估中優先考慮GBM模型。

1.2 母豬管理

母豬的飼養管理在現代養殖業中具有重要的意義，智能化管理和精準的發情檢測技術已經取得了顯著進展。

對于妊娠母豬的定量飼喂問題，楊亮等人基于射頻識別技術（RFID）和接近傳感技術以和全機械通道連鎖控制技術，設計了一種妊娠母豬自動化飼喂器，該系統可按預定的目標給母豬提供足夠的養分，保持母豬的健康發育，也減少了飼料的浪費。黃昊等基于嵌入式Linux，設計了一種智能化母豬飼喂控制系統，使用硬件設備對母豬進行信息采集，定時定量下料下水，并控制裝置中豬只的數量，再通過軟件調用輕型數據庫（SQlite-API）完成與后臺的實時數據同步，實現精細化飼喂，試驗表明誤差小于3.6%，下水誤差小于3.75%。Cheng 等利用智能母豬飼喂結合基于規則的專家系統和物聯網開發了精準飼喂系統，提出了一種改進的模式匹配算法重用度模型-RETE（RDM-RETE）用于確定每日喂食量，通過優化RETE 網絡拓撲來加快推理速度。哺乳期采食量比人工喂養提高26.84%（P＜0.05）。每頭母豬每年斷奶仔豬數（PSY）比國內養豬場較高水平可提高1.51 頭。

精準檢測發情對預測最佳授精時刻至關重要，提高受精率，減少受精次數。張震基于機器視覺，利用Mask RCNN 改進的輪廓識別模型和ViBe 輪廓識別算法，對豬只發情情況進行實時監測，并與專業人員人眼觀察做比對，證實了智能發情檢測可以替代人眼觀察。莊宴榕等提出了一種利用卷積神經網絡識別大白母豬發情行為的方法，通過建立Alex Net Sow Simplif ied 模型，并訓練耳部圖像，成功實現了高達99%的驗證準確率。該方法相較于傳統圖像分類模型表現更出色，在實際應用中對60 頭大白母豬的發情判定取得了100%的精確率，同時相比基于紅外傳感器和加速度傳感器的發情檢測方法，具有明顯的準確率提升和更短的檢測時間，為母豬發情行為的智能檢測提供了可行解決方案。

1.3 生豬管理

近年來，研究智能化遠程豬病診療方面已有較多文獻。其中，聲音監測方面的研究包括豬咳嗽監測儀SOMO 和呼吸窘迫監測儀，豬咳嗽監測儀SOMO 由SoundTalks NV 開發，能夠自動計算呼吸窘迫指數并在發現呼吸問題時發出警報。Yin 等采用MAX4466 駐極體麥克風和LIQI LM 320E 心形駐極體麥克風來采集豬只聲音，結合人工智能技術，成功實現了對豬只咳嗽聲音的識別，為生豬養殖提供了技術指導。

豬呼吸頻率監測在生豬管理中具有重要作用。通過監測每頭豬只的呼吸頻率，有助于生豬健康問題的早期診斷和治療，還可以改善生產條件，提高豬只福利和生產效益。這使養殖者能夠更好地管理豬群，減少疾病傳播風險，降低獸醫費用，提高農場的經濟效益。逯玉蘭等將Wi-Fi 無線感知技術應用到動物呼吸率監測領域，利用信道狀態信息CSI 構建非接觸式的豬只呼吸率監測系統。試驗表明平均相對誤差為1.398%，該系統相較于人工觀察法更為精準，成本更低，比穿戴式傳感器監測法更為便捷，實施維護成本更低。

針對生豬存亡狀態遠程監管難的問題，陳桂鵬等基于物聯網技術，采用無線傳感網的數據傳輸模式，研究并試驗了一種生豬存亡遠程監測系統，該系統便利地實現在靜態下對生豬進行心率監測和動態下的姿態監測，和傳統的RFID 相比，減少疾病傳播，提高獸醫的工作效率。對于目前現代養豬場建設地點空曠偏僻、豬舍環境復雜、布線困難等問題，周景文等基于ZigBee 無線傳感網絡設計了豬舍監控系統，經過試驗，與儀器所測數據誤差為5%，滿足豬舍環境監控要求，降低生豬養殖場的運營成本。

2 數字化管理技術

利用數字化管理系統，可以更高效地利用數據，對生產地各個環節進行資源的有效匹配。朱軍等基于VB6.0 和ADO 開發了種豬數字化管理系統，通過對豬只個體信息的添加修改刪和信息報表打印等功能，實現現代化養豬場的便捷管理。為解決豬場的管理核心問題，劉紅剛等基于數字孿生，設計了智慧豬場管理平臺，實現了實體豬場的虛擬孿生豬場映射，進行實時監測和智能控制，促進豬場從“有人化”向“無人化”發展。

2.1 精準配種

精準配種使用數字化管理技術精確追蹤和優化豬群的繁殖過程，提高了生殖效率，降低了無效配種的風險，有助于優化遺傳進展，改進養殖種豬的遺傳素質和品質。減少了人為誤差，提高了繁殖準確性，加強了數據分析能力，使養殖者能夠更好地了解養殖過程和市場趨勢，最終提高經濟效益。此外，精準配種也有助于改善動物福利，減輕了豬只的壓力和不適。因此，這項技術在現代養殖業中具有重要意義，促進了行業的可持續發展和競爭力。

遺傳評估通過基因測序和遺傳標記技術，可以進行豬只的遺傳評估，確定哪些豬只具有良好的遺傳特性，以便進行精準選配。20 世紀80 年代后期， 由美國康奈爾大學學者Henderson 提出的BLUP 法， 即最佳線性無偏預測法開始應用于計算種豬遺傳育種值。余聯昌等基于XML 設計出了種豬遺傳評估系統，以XML 文檔取代關系數據庫作為種豬數據存儲方式，實現種豬信息管理、譜系查詢、親緣關系查詢、遺傳評估，每頭豬的數據集中保存在一個XML 文檔中， 有利于提高個體及其親屬信息的查詢效率和計算遺傳育種值的效率。

2.2 環境控制

2.2.1 溫濕度控制

為了滿足日益增長的肉類生產需求，畜牧業的集約化生產模式已變得普遍，導致商業養豬場內相對較小的區域內生豬密度更高，豬舍內空氣清潔度較差，會使豬群的舒適度下降。如果豬群長期的生活在空氣清潔度較差的環境中，會導致豬群的食欲減退、采食量下降，健康度受到威脅等問題的出現，從而影響養殖經濟效益。因此保持環境舒適可以最大程度地減少豬只健康和福利損失。傳統的生豬養殖豬舍環境監測、調控手段技術落后，豬舍環境調控水平低、測控方式主觀性強、人工成本大且費時費力，在一定程度上制約了生豬生產能力和生產效率。

室內溫度是仔豬生長的關鍵環境因素，影響豬只的健康，福利和生產效率。豬舍內部的溫度對豬只自身的調節具有極大影響，溫度過低導致豬只體內的甲狀腺激素分泌，消化率降低；溫度過高導致豬體內熱量堆積，易引發腸胃疾病。Zheng 等提出了一種仔豬微環境自動化熱控制與管理系統（ATCMS），為仔豬提供合適的生產環境，減少能耗。李立峰等基于組態軟件、模糊控制和解耦控制技術，開發了一種綜合考慮溫度、濕度和氨氣濃度相互影響的智能舍內環境監測與控制系統，成功實現了在保持溫度基本恒定的條件下，維持相對濕度和氨氣濃度在適宜范圍內，以滿足北方寒冷地區分娩母豬對豬舍環境的需求。闞盼盼等提出模糊控制與PID 控制相結合，以STM32 為核心控制器，將設計的模糊PID 控制策略，通過STM32 應用到仔豬舍溫度控制系統，相比傳統的PID 系統，它能夠隨時根據系統調整參數，實現精準控制豬舍溫度。

濕度對豬只生產和健康有顯著影響。高濕度在高溫下會導致熱應激、沖突和急性死亡增加；低溫下會引發感冒、風濕癥、關節炎、腸炎等疾病，降低飼料轉化率和生長速度；在常溫下，高濕度滋生病原微生物和寄生蟲，導致皮膚病和飼料問題。低濕度可增加灰塵，尤其在干料條件下，飛塵問題顯著。適宜濕度對于豬只健康和生產至關重要。在豬舍溫濕度控制系統方面，已經進行了廣泛的研究。鄭爭兵基于AVR 單片機ATmega16 設計了豬舍溫濕監測系統，對溫濕度值進行動態顯示、查詢及存儲等，實現了溫濕度的實時測量和遠距離傳輸。馮江等基于自適應模糊PID 控制算法，通過降低超調量和縮短調控時間，成功提高了我國北方豬舍冬季溫濕度控制精度，為寒地豬場冬季養殖提供更精準的溫濕度環境管理。Jin 等基于機器學習和模糊控制算法設計豬舍溫濕度智能控制系統，使用傳感器收集豬舍內的溫度和濕度，并按時間順序存儲這些數據，利用這些時間序列數據來訓練GRU 模型，然后利用GRU 模型來預測未來24 h 豬舍內的溫濕度變化曲線。最后建立豬舍及相關設備的數學模型，根據GRU 的預測結果計算相關設備的輸出功率，從而有效調節室內溫度和濕度。試驗結果表明，與基于閾值的環境控制系統相比，減少了約90%的異常溫度和濕度。

2.2.2 空氣質量調控

在集約化豬舍管理中，控制有害氣體濃度至關重要。然而豬只的正常生長過程中，通過呼吸、糞便、飼料的不充分消化等途徑會產生一定的有害氣體，主要包括二氧化碳、氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）等。高濃度的二氧化碳、氨氣和硫化氫會影響豬只健康，導致呼吸困難、免疫系統受損和眼部問題。因此，有效的氣體控制對于確保豬只的生長和健康至關重要。

對于豬舍空氣惡臭，有害氣體影響豬只健康問題，Panida 等使用8 個化學氣體傳感器組成的便攜式電子鼻，用于評估養豬場豬舍空氣中的惡臭，由筆記本電腦上的內部軟件通過 USB 端口實現自動化和控制氣體流量。黃鶯基于定向天線傳感網絡，設計了生豬養殖環境監測系統，傳感器節點以MSP430 系列單片機作為主控芯片，無線通信采用nRF905 射頻模塊，溫濕度采用SHT11 數字傳感器，有害氣體檢測采用H2S 和NH3傳感器。該系統可實現環境參數監測的自動控制，改善養殖環境智聯，為生豬提供一個良好的生長環境。

2.2.3 光照調控

光照在豬舍管理中扮演著關鍵的角色，對豬只行為、生長效率、發情控制和心理健康都有著深遠的影響。豬只是對光照敏感的動物，缺乏或不適當的光照條件可能導致其出現食欲不振、活動減少或異常行為，這對于機體健康是不利的因素。適當的光照條件有助于提高豬只生長效率。研究表明，穩定的、適當強度的光照可以刺激豬只食欲，促進食物攝入，從而促進體重增長。這對于養殖業來說至關重要，因為生長效率直接影響著生產成本和產量。此外，光照條件還可以影響母豬的生殖周期和發情情況。通過精確控制光照條件，養殖者可以調整母豬的發情時間，以更好地管理繁殖計劃，提高生產效率。充足的光照對于豬只心理健康也非常重要。在長時間的黑暗環境中，豬只可能會感到沮喪或焦慮，這會對它們的生活質量造成負面影響，適當的光照可以幫助提高豬只心理健康水平。

光譜調控允許養殖者根據不同的生長階段或目標調整光照的光譜。特定的光譜可以影響豬只行為和生長，因此可以根據需要進行調整。研究數量相對有限，但其潛在影響卻非常顯著。目前，只有少數研究關注了如何調整光譜以改善豬只行為和生長。孟霞等照明度和光譜對豬只生產的影響進行研究，在某些光譜下，豬只食欲明顯增加，增加了食物攝入，從而促進了體重的增長。通過調整照明系統以提供特定光譜，可以改善豬只食物攝入量和生長效率。然而，這個領域的研究還遠未充分。未來的研究可以探索不同光譜對不同生長階段的豬只影響，以確定最佳的光照條件。

3 小結與展望

飼養環節的智能化與數字化管理在現代畜牧業中已經取得顯著進展，對提高生產效率、資源利用率、動物福利，維護養殖業的可持續發展都具有重要意義。智能化管理技術在種豬、母豬和生豬管理中的應用，包括精液質量監測、生長性能預測和發情檢測，有助于提高育種效率和健康管理，減少疾病風險，同時降低了人工成本和勞動力投入。數字化管理技術通過數字化系統實現了數據集中管理，提供了更精準的養殖決策和資源分配，優化了養殖過程。目前高成本問題仍然是一個制約因素。引入智能化設備和數字化管理系統需要相當的資金投入，包括硬件購置、軟件開發、培訓和系統維護等方面的費用。對于小型農場或資源有限的養殖戶來說，這種投資可能是一項巨大的負擔，使其難以享受到這些技術帶來的益處。智能化系統依賴于穩定的電力供應和可靠的互聯網連接。然而，在一些偏遠地區或電力供應不穩定的農場，這些技術可能無法充分發揮其優勢，導致系統的不穩定性和工作中斷。數字化管理系統產生大量的數據，包括動物健康信息、生產數據和農場管理信息。確保這些數據的隱私和安全性是至關重要的，以防止數據泄露和未經授權的訪問造成損失。今后的研究需要在養殖環節注意設備應用的成本，綜合考慮多方面的影響因素，將數智化管理技術切實落地，另外還需多考慮設備的兼容性問題，減少設備更新的成本。