信息技術在畜禽養(yǎng)殖中的應用進展

李奇峰，王文婷，余禮根，高榮華，肖伯祥，馬為紅，丁露雨

（北京農業(yè)信息技術研究中心/農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室，北京100097）

0 引言

近年來，以數(shù)字化為核心的信息技術不斷深入到畜禽養(yǎng)殖各個環(huán)節(jié)，促進了傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖、規(guī)?；B(yǎng)殖、工業(yè)化養(yǎng)殖到智能化養(yǎng)殖方式的轉變，畜禽品種資源的遺傳育種與智能繁育、環(huán)境監(jiān)測與智能調控、飼養(yǎng)管理與精準飼喂及疫病防控與智能預警[1]，基本上實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖生產、管理、流通和調控的信息化，全面提高畜禽養(yǎng)殖經濟運行效率、勞動生產率和企業(yè)競爭力[2]。因此，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)為信息技術依托，以信息資源共享、信息技術應用為主要特征，通過軟硬件技術的集成，構建出智慧養(yǎng)殖的現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展模式，是當前畜禽養(yǎng)殖智能化、裝備化和信息化的迫切需求。

畜禽養(yǎng)殖中常用的信息化技術，包括：①生物傳感技術。主要應用于環(huán)境參數(shù)監(jiān)測如空氣溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、NH3濃度；另外還應用在對體溫、心率等生物體征或行為的采集；②電子標簽技術。通過無線射頻（Radio Frequency Identification，RFID）信號實現(xiàn)非接觸方式下的雙向通信，完成對畜禽的自動識別和數(shù)據(jù)的讀寫操作，包括畜禽電子標簽、PDA手持終端和二維溯源碼等；③智能識別算法。根據(jù)不同的監(jiān)測識別數(shù)據(jù)，通過機器學習、人工神經網(wǎng)絡、支持向量機、隱馬爾科夫模型等進行數(shù)據(jù)計算，用于識別和判斷復雜的動物行為模式；④數(shù)據(jù)存儲技術。使用云計算、分布式存儲技術解決了海量畜禽數(shù)據(jù)的存儲與處理問題；⑤網(wǎng)絡通訊技術。包括運營商3G/4G通訊技術、TCP/IP協(xié)議等，應用的無線通信技術有RFID、GPRS、Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、UWB、Zig-Bee和NFC，為畜禽數(shù)據(jù)傳輸提供了基礎網(wǎng)絡與通訊條件。

現(xiàn)代信息化技術在畜禽養(yǎng)殖各個環(huán)節(jié)均有應用，該文將主要介紹信息技術在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測控制、畜禽體征信息獲取與行為監(jiān)測、畜禽疫病防控決策與預警、畜禽智能繁育與精準飼養(yǎng)管理4個方面的應用現(xiàn)狀及問題，并展望其未來發(fā)展的重點，為今后開展畜禽信息化、智能化提供參考。

1 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測控制技術

適宜的養(yǎng)殖環(huán)境有利于畜禽的生長，有助于提高畜禽養(yǎng)殖產量和質量，同時能減少環(huán)境變化引起的畜禽感染疾病的發(fā)病率。對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的人工觀察、人工控制等傳統(tǒng)方法已經不能滿足現(xiàn)代化大型養(yǎng)殖場的需要，由人工和電機結合的調節(jié)方式具有滯后性、生產效率低、占用人力資源多缺點[3]。環(huán)境監(jiān)測和控制的本質在于按季節(jié)和生長階段的不同，確定最適宜的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照強度、氣體濃度等，采用環(huán)境控制物聯(lián)網(wǎng)技術，實施環(huán)境的目標控制[4]。

環(huán)境控制系統(tǒng)設計離不開這幾個方面：信息采集、信息傳輸、信息處理、自動控制、網(wǎng)絡發(fā)布，一個完整的控制系統(tǒng)的設計從這些方面部分出發(fā)，實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測和控制（圖1）。早期對養(yǎng)殖場環(huán)境的研究集中在設備的自動化和機械化，如暖風設備[5]、通風系統(tǒng)[6]。最近幾年國內外學者將算法或模型引入環(huán)境檢測和控制過程中，如粒子群優(yōu)化算法[7]、模糊控制[8]、流體力學[9]。隨著云計算的大規(guī)模應用，利用Hadoop、HBase等算法解決了海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲與處理問題[10]。

圖1 環(huán)境控制系統(tǒng)一般流程Fig.1 General diagram of environmental control system

謝秋菊[11]將環(huán)境監(jiān)測與控制的研究方向大致分成4類：①基于數(shù)學模型對環(huán)境因子分布及產生機理及規(guī)律的研究；②養(yǎng)殖場內環(huán)境與通風、氣流的相關研究；③基于圖像識別技術的環(huán)境監(jiān)控研究；④基于無線傳感器網(wǎng)絡技術及智能環(huán)境控制技術的畜舍環(huán)境監(jiān)測及控制研究。其中①和②所用的技術偏數(shù)學計算或數(shù)學建模，而圖像識別技術和無線傳感技術屬于信息技術層面的應用。在圖像識別技術方面，Shao等人[12]通過對豬行為圖像的識別對豬舍進行實時監(jiān)控，進而采取相應的控制措施；汪建等[13]基于圖像信息融合技術，進行養(yǎng)殖環(huán)境和監(jiān)視區(qū)域的監(jiān)測研究。在無線傳感器網(wǎng)絡技術及智能環(huán)境控制技術方面，Pan等人[14]利用神經網(wǎng)絡技術與模糊控制技術，實現(xiàn)對豬舍的氣味的調節(jié)；Wu等人[15]基于ARM和ZigBee技術開發(fā)出遠程雞舍智能環(huán)境控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了雞舍環(huán)境的遠程監(jiān)測；Li等人[16]采用無線傳感器技術和計算機網(wǎng)絡技術，開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡的雞舍在線監(jiān)測系統(tǒng)；Guo等人[17]開發(fā)了智能鵝舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用BP神經網(wǎng)絡構建了具有歷史溫度和相對濕度數(shù)據(jù)的智能控制模型，用于協(xié)助鵝的季節(jié)外養(yǎng)殖實踐。國內的環(huán)境檢測和控制系統(tǒng)研究比較廣泛，開發(fā)的系統(tǒng)類型多樣，如郝光健[18]設計的室內環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)、劉燕昌[19]設計實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)、高平[20]設計的生豬遠程監(jiān)控系統(tǒng)、王媛[21]設計的智能雞舍監(jiān)測系統(tǒng)、李華龍等人[22]研制的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的蛋雞養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)等。

環(huán)境是畜牧業(yè)生產的重要因素，環(huán)境質量影響畜禽生產性能和健康，進而影響動物的行為和福利，最終影響著養(yǎng)殖場的經濟效益和民眾健康。在不同地區(qū)、不同養(yǎng)殖規(guī)模和管理模式的畜禽養(yǎng)殖條件下，養(yǎng)殖環(huán)境精準控制，對環(huán)境的自動控制提出了更高的要求，需要領域專家、飼養(yǎng)管理專家與信息專家的協(xié)作。國內學者開發(fā)的環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)不在少數(shù)，但是在實際操作中還是部分依賴于人工，而且所占市場份額遠不如國外的設備和其配套的軟件系統(tǒng)。

2 畜禽體征信息獲取與行為監(jiān)測技術

畜禽體征信息獲取與行為監(jiān)測是指使用生物傳感技術、電子個體標識技術、圖像識別技術、音視頻分析技術等采集畜禽生物信息和行為數(shù)據(jù)（健康信息、生命體征信息、情緒信息、動作信息等），構建動物行為模型，實現(xiàn)對動物不同生長階段的行為特征解析、疾病診斷預警、生理生長過程調控。汪開英等人[23]將生物信息獲取和行為監(jiān)測技術分成人工監(jiān)測、有損監(jiān)測技術和無損監(jiān)測技術3類。隨著畜禽規(guī)?；⒓谢a，人工觀察方式已經不能滿足養(yǎng)殖的需要，通過信息化技術進行監(jiān)測是未來的發(fā)展趨勢，其中有損監(jiān)測技術是將設備植入動物體內或對動物進行手術，而無損監(jiān)測技術不會對動物健康造成影響，主要技術包括傳感器監(jiān)測、圖像檢測和聲音監(jiān)測等。

對于畜禽體征信息監(jiān)測主要集中在動物體溫、呼吸頻率、聲音、體重等。在體溫檢測方面，體溫檢測技術經歷了從人工水銀體溫計的測量、傳感器測量、通過機器視覺技術對紅外圖像進行處理實現(xiàn)對體溫檢測的發(fā)展過程，其中紅外圖像成為體溫檢測的熱點，如周麗萍等[24]使用改進的Otsu算法從紅外圖像中提取豬的耳部區(qū)域特征，實現(xiàn)對體溫的監(jiān)測；Siewert等人[25]使用差分ROI法分析生豬頭部的熱紅外圖像，從而檢測豬頭部的表面溫度分布。在體重檢測方面，Yang等人[26]采集生豬的圖像后使用圖像處理的方法，根據(jù)體積和投影面積大小來計算豬只的體重，方法的平均誤差均小于5%，而李卓等[27]開發(fā)出的基于雙目視覺原理的豬體尺監(jiān)測系統(tǒng)，相對誤差能達到1%以下。

行為監(jiān)測集中在動物的采食、飲水、活動、排泄、發(fā)情、聲音等。通過傳感器、圖像視頻、聲音實現(xiàn)對采食和飲水行為的檢測，如田富陽[28]使用傳感器與單片機結合來檢測奶牛的采食量；周雅婷等人[29]利用集陀螺加速度計和藍牙模塊為一體的傳感器節(jié)點采集肉牛的行為姿態(tài)數(shù)據(jù)，使用BP神經網(wǎng)絡算法對肉牛采食行為進行分類識別，準確率達90%以上。動物的叫聲能有效地反映出其生理健康狀態(tài)和情緒變化，因此對動物叫聲的檢測在疾病診斷、發(fā)情等行為檢測、進食和成長率檢測中有廣泛的應用，如Guarino等[30]對豬的咳嗽聲音的識別實現(xiàn)呼吸疾病的檢測；Jahns等人[31]研究單個牛的各種叫聲建立隱馬爾科夫模型識別叫聲中蘊含的情緒信息。

畜禽體征信息和行為信息的監(jiān)測對日常畜禽管理具有直接作用，其直接反饋畜禽養(yǎng)殖的生命需求，可根據(jù)其反饋信號進行生產過程、智慧調控。表1展示了監(jiān)測部分動物生理特征和行為所采用的技術和裝備的特點比較，信息技術在這方面的應用仍有發(fā)展上的局限性，第一，監(jiān)測設備成本、抗干擾性、測量的準確性等方面制約著畜禽生理信息和行為的監(jiān)測走向實際化的應用；第二，監(jiān)測模型的準確性和實用性等方面需要進一步提高，尤其是如神經網(wǎng)絡、機器視覺等相關算法，因其訓練過程繁雜、數(shù)據(jù)量大、算法過程復雜等特點，目前在實際的養(yǎng)殖應用中受到較多的因素限制。

表1 畜禽生理特征和行為監(jiān)測技術的特點比較Table 1 Comparison of livestock physiological characteristics and behavior technologies

3 畜禽疫病防控決策與預警技術

隨著養(yǎng)殖規(guī)?；?、集約化的發(fā)展，動物疾病防控不當不僅會造成養(yǎng)殖場巨大的經濟損失，也會危害社會健康。因此，在整個生產周期需對畜禽個體進行全程監(jiān)控，以確保畜禽健康成長，及時對患病的個體進行識別與處理以免形成傳染性疾病。信息化技術已經滲入到了疾病監(jiān)控各個方面，如疾病監(jiān)測、診斷、預測、控制、撲滅等，使用的技術有數(shù)字視頻技術、計算機技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術、遠程通訊技術、人工智能模擬等。

對畜禽個體疾病檢測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖場中患有疾病的動物個體是畜禽養(yǎng)殖的重要工作。紅外熱成像技術在大型牲畜的疾病檢測方面具有廣泛的應用，其應用熱紅外敏感元件對動物進行成像，反映動物體表的溫度場，有效評估動物的疾病狀態(tài)、發(fā)病部位、病理階段等。紅外熱成像（Infrared Thermography，IRT）和紅外測溫（Infrared Thermal Mapper，IRTM）是非接觸式溫度測量，這類方法與獸醫(yī)使用的其他溫度測量方法相比大大降低了傳播感染的風險[32]，如Amezcua等[33]使用紅外熱成像對懷孕母豬體溫的測量加上步態(tài)的識別，成功的檢測出跛行的行為；Rainwater-Lovett等[34]實現(xiàn)了對牛的口蹄疫病毒感染的有效檢測。另外，使用聲音檢測技術對疾病的診斷和預警也是疾病控制的重要方式，宣傳忠等人[35]提出一種改進MFCC并結合隱馬爾科夫鏈模型的山羊咳嗽聲識別系統(tǒng)；Chung等人[36]提取出豬叫聲中的梅爾倒頻譜系數(shù)，并使用支持向量機對其計算分析，識別正確率高達94%。

為了使養(yǎng)殖戶及時迅速地掌握畜禽發(fā)病類型、治療方案和防治措施，遠程診斷系統(tǒng)的開發(fā)和應用成為研究熱點。遠程診斷系統(tǒng)能夠隨時隨地實現(xiàn)發(fā)病個體信息上傳，專家了解情況后及時診斷出病源，并提出最優(yōu)治療方案，很好地解決由于豬病專家和獸醫(yī)基層人員短缺，養(yǎng)殖場分散、偏遠，豬病診治技術推廣手段落后等因素所造成的問題[37]。早在1995年丹麥學者[38]根據(jù)氣候環(huán)境等開發(fā)出一個豬的流行性疫病模擬診斷系統(tǒng)；美國Saehpazidis等[39]開發(fā)出一套基于Jabber協(xié)議的疾病遠程診斷系統(tǒng)；2005年湯承林[40]建立了基于模糊神經網(wǎng)絡的畜禽疾病診斷系統(tǒng)；鄒慶鵬等[41]推出的“河南省農業(yè)專家在線視頻診斷系統(tǒng)”，將計算機、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等技術結合在一起，是一個實現(xiàn)遠程視頻會議、3G手機視頻通話、遠程視頻監(jiān)控等方式結合的農業(yè)遠程診斷系統(tǒng)；李盼玉[37]設計了豬病遠程診斷系統(tǒng)，以智能手機為應用平臺，實現(xiàn)了豬病智能診斷、豬病在線診斷、豬病知識庫的建立和實時動態(tài)；雷萌桐等人[42]設計了基于B/S（Browser/Server）模式的奶牛主要疫病診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)奶牛主要疫病的在線診斷和查詢，與專家進行在線實時交流。

雖然信息技術在疾病診斷與預警預防方面發(fā)揮了價值，但是目前開發(fā)的各種類型的畜禽疾病診斷系統(tǒng)在診斷疑似病癥的準確率上與實際情況有出入。因此，挖掘畜禽疫病相關因子，采取數(shù)據(jù)分析技術對相關疫情參數(shù)進行分析、整合和判斷，建立動物健康/疫病對應關系，構建生長環(huán)境、動物體溫與表面體征最優(yōu)組合疫病預警方法，提高畜禽疫病預警的實時性與準確性，如何在養(yǎng)殖場中得到廣泛應用將是接下來亟待解決的難題。

4 畜禽智能繁育與精準飼養(yǎng)管理技術

4.1 畜禽智能繁育

計算機信息技術應用在畜禽育種中能促進畜禽業(yè)生產的發(fā)展和品種改良，提高畜禽的生產性能。計算機在畜禽育種中的應用既有宏觀的仿真和模擬，又有微觀的計算和分析，所用的技術有統(tǒng)計分析、專家系統(tǒng)和人工智能等[43]。

最初計算機技術在畜禽育種中應用多為簡單的統(tǒng)計分析，如平均數(shù)、方差、標準差等。隨后，世界各國積極開展畜禽品種資源庫和動物遺傳資源庫的研究，對大量遺傳數(shù)據(jù)進行儲存、分析，如張金成等人[44]開發(fā)了一套DPS數(shù)據(jù)處理軟件應用在動物育種工作過程。另外計算機遺傳評估系統(tǒng)廣泛應用于牛、羊、豬、馬和禽等，進行統(tǒng)計分析、遺傳參數(shù)計算、育種值估計、選種選配、系譜與近交分析、遺傳進展估計及育種規(guī)劃等方面[45]。黃冬維等人[46]應用最佳線性無偏預測（Best Linear Unbiased Prediction，BLUP）作為家畜遺傳評定方法；龍繼蓉[47]介紹了RAPD技術在動物遺傳育種中的應用，包括在構建遺傳連鎖圖譜、基因定位、標記輔助選擇、品種（系）的鑒定及其親緣關系的分析。

畜禽繁育不僅僅只是遺傳育種學理論、人工授精、胚胎工程等遺傳理論和生物技術的應用，同步需要信息技術的支持，通過利用信息技術調查、評估、保存、管理畜禽遺傳資源，尋找最優(yōu)的育種方案。

4.2 精準飼養(yǎng)管理

根據(jù)畜禽品種、體重、生理階段、身體狀態(tài)、營養(yǎng)需求等的不同，使用不同的飼料類型和飼料數(shù)量，將這種飼養(yǎng)方式稱為精準飼養(yǎng)。精準飼喂不僅大大提高了飼料的利用率，也有效提高了養(yǎng)殖場的經濟效益。隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，畜禽的精準飼養(yǎng)進入了新的發(fā)展階段，尤其是泌乳奶牛，影響日營養(yǎng)需要的因素有環(huán)境溫度、妊娠胎次、胎兒重量、牛乳構成等等，采用人工的方式調整配料比和飼料量不能達到飼養(yǎng)利用和營養(yǎng)攝入的最優(yōu)化，而與計算機技術結合的方式實現(xiàn)了個體體況信息采集、飼料配比計算、自動化飼養(yǎng)等全過程的自動化、精準化、智能化。

隨著自動化飼料配置系統(tǒng)、電子自動稱量系統(tǒng)、微型計算機和電子識別系統(tǒng)等高新技術的應用，國內外的精準飼養(yǎng)的自動化水平大大提高[48]。在飼料配比方面，張國華等人[49]采用精準飼養(yǎng)技術來評估生長育肥豬的賴氨酸需要量；高振江等人[50]提出了“全混合日糧（Total Mixed Ration，TMR）+精飼料精確飼喂”的模式。在自動飼養(yǎng)控制方面，懸掛式飼喂系統(tǒng)、自走式飼喂系統(tǒng)和在位飼喂系統(tǒng)等自動化飼喂設備的研究發(fā)展成熟[51]，熊本海等人在2013年以妊娠母豬為對象，設計了一種妊娠母豬自動飼喂機電控制系統(tǒng)[52]；隨后在2014年以哺乳母豬為對象，設計了一種哺乳母豬自動飼喂控制智能系統(tǒng)[53]；該研究團隊在2017年設計了一種新型哺乳母豬精準下料控制系統(tǒng)[54]；高振江等人[55]以計算機為信息管理平臺，運用無線通信技術、射頻識別技術及單片機等，設計了根據(jù)奶牛個體生理特征信息進行精確投料的控制系統(tǒng)；蒙賀偉等人[56]設計了雙模自走式奶牛精確飼喂裝備，顯著提高奶牛產奶性能。

隨著我國勞動力成本提升，國內很多規(guī)?；鰧ψ詣踊男枨笤絹碓狡惹?，飼喂環(huán)節(jié)已基本采用機械設備，但是飼喂的精準化不僅限于機械化，還包括自動化、智能化，信息技術的發(fā)展為此提供了技術支持。針對目前的精準飼喂情況，研發(fā)畜禽自動飼喂與精準飼養(yǎng)技術，根據(jù)畜禽生產階段與個體差異實現(xiàn)精準投喂，快速準確調整日糧供應，實時獲得飼料效率和營養(yǎng)水平等參數(shù)，減少飼料浪費和污染，運用計算機仿真與數(shù)學模型運算等方法，實現(xiàn)個體差異與群體水平生產性能信息的建立。

5 未來發(fā)展的重點與建議

從畜禽生產需求來看，亟需加快畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；?、生態(tài)化、特色化和產業(yè)化，提高畜禽養(yǎng)殖業(yè)綜合生產能力、可持續(xù)發(fā)展能力和經營服務能力，為畜禽業(yè)信息化發(fā)展提供了前所未有的產業(yè)環(huán)境。從信息化發(fā)展趨勢來看，信息社會開啟了“互聯(lián)網(wǎng)+畜牧業(yè)”發(fā)展的新時代，推進畜畜禽生產智能化、信息化、數(shù)字化和標準化，為畜牧業(yè)信息化發(fā)展創(chuàng)造前所未有的內在需求。面向畜禽養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重大需求，未來一段時間，信息技術在畜禽養(yǎng)殖中仍將是發(fā)展的重點，體現(xiàn)在以下3方面。

（1）畜牧養(yǎng)殖標準化體系建設工程。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)標準，編制必要的接口程序，實現(xiàn)各類畜牧相關信息集中共享、按需交換，同步更新，消除孤島。為畜禽養(yǎng)殖過程的互聯(lián)互通搭建橋梁。

（2）畜牧產業(yè)信息化融合服務工程。畜禽業(yè)產前、產中和產后全鏈條、各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集、分析、挖掘、融合和服務，服務于生產、經營、管理和決策，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖過程的數(shù)字化監(jiān)測、管控和預警。

（3）畜牧養(yǎng)殖智能裝備工程。面向智能農業(yè)生產價值鏈，全面推進人工智能技術與畜禽養(yǎng)殖過程深度融合，建立共享牧場、智能豬舍、數(shù)字雞舍等智慧養(yǎng)殖應用模式。為未來一段時間畜牧信息化的發(fā)展指明方向。

6 結論

我國畜牧業(yè)正向標準化、規(guī)?；c智能化的趨勢發(fā)展，需要智能化設備、物聯(lián)網(wǎng)作為技術支撐，更需要信息化技術的支持。該文主要從環(huán)境監(jiān)測與控制、生物信息獲取與行為監(jiān)測、疫病防控決策與支持、畜禽繁育與精準飼養(yǎng)4個方面介紹了信息化技術在畜禽養(yǎng)殖中的研究現(xiàn)狀、應用成果以及未來的發(fā)展方向。目前一些畜禽信息化的研究仍處于起步階段，部分技術難題還需要克服，與實際養(yǎng)殖的結合還需要進一步探索。將信息化技術應用到畜禽養(yǎng)殖，實現(xiàn)畜禽生產、管理、服務和經營的數(shù)字化、信息化和智能化，推動傳統(tǒng)畜牧業(yè)升級改造和結構調整，加速提高畜牧產業(yè)的競爭力，保證我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)性的發(fā)展。