人工智能在養(yǎng)豬生產(chǎn)中應(yīng)用研究進(jìn)展

陳 輝

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)動(dòng)物遺傳育種與繁殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

隨著我國(guó)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)朝著規(guī)模化方向發(fā)展，我國(guó)豬肉產(chǎn)量以及消費(fèi)量已有全世界50%以上的占有量，養(yǎng)豬業(yè)在我國(guó)畜牧業(yè)產(chǎn)值中占比43.2%，我國(guó)生豬出欄量在2016年已達(dá)4.344億頭，表明養(yǎng)豬業(yè)已成為我國(guó)畜牧業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)[1]。畜牧科技也不斷在發(fā)展，越來(lái)越多的智能設(shè)備被應(yīng)用于養(yǎng)豬生產(chǎn)中，極大地提高了養(yǎng)豬生產(chǎn)的效益[2]。盡管如此，我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)的智能水平仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于丹麥等發(fā)達(dá)養(yǎng)豬國(guó)家[3]，人工智能（AI）養(yǎng)豬的概念因而受到更廣泛的關(guān)注。AI是基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展而提出，其定義是集合工業(yè)制造的概念構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，最大限度地取代人工[4]。AI并不是一個(gè)新的概念，早在20世紀(jì)50年代就被提出，目的是通過(guò)采用智能設(shè)備，從而部分或全部取代人工，降低人力資本，提高生產(chǎn)效益，AI的提出很好地迎合現(xiàn)代養(yǎng)豬理念。隨著AI的發(fā)展，近年被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代養(yǎng)豬生產(chǎn)中，文章就AI在生豬精準(zhǔn)飼養(yǎng)[5]、肉品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)[6]、改善母豬繁殖性能[7]以及疾病檢測(cè)與診斷[8]等方面的應(yīng)用展開綜述，并簡(jiǎn)要分析了AI養(yǎng)豬的概念和內(nèi)涵，闡述了AI養(yǎng)豬的優(yōu)越性，進(jìn)而對(duì)AI養(yǎng)豬提出展望，旨在為AI在養(yǎng)豬生產(chǎn)中更好地發(fā)揮作用，促進(jìn)我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)朝著智能化以及高效化的方向發(fā)展。

1 人工智能養(yǎng)豬的概念與內(nèi)涵

AI養(yǎng)豬是基于工業(yè)制造理念的基礎(chǔ)，是一種感知智能、數(shù)據(jù)融合智能、預(yù)測(cè)決策智能的統(tǒng)一體，通過(guò)綜合各類軟件和硬件以及最新的技術(shù)構(gòu)建的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)，其核心是圍繞養(yǎng)豬生產(chǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)養(yǎng)豬生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，從而在養(yǎng)豬生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)決策、自我分析以及精準(zhǔn)執(zhí)行，最終有效地解決養(yǎng)豬生產(chǎn)中的問(wèn)題，不斷提高養(yǎng)豬生產(chǎn)的效益[9]。在新的時(shí)代，AI養(yǎng)豬被賦予了新的內(nèi)涵，AI養(yǎng)豬始終應(yīng)圍繞著養(yǎng)豬生產(chǎn)，為實(shí)際養(yǎng)豬生產(chǎn)構(gòu)建更充分完善的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，不斷地收集養(yǎng)豬生產(chǎn)中實(shí)際數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而更好地開發(fā)出符合實(shí)際養(yǎng)豬生產(chǎn)的場(chǎng)景和相應(yīng)的配套設(shè)備以及服務(wù)等，最終發(fā)揮AI的積極作用，促進(jìn)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)的成功轉(zhuǎn)型[4]AI養(yǎng)豬的具體原理及操作流程見圖1[10]。

2 AI在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 精準(zhǔn)飼喂

AI是基于大數(shù)據(jù)背景為養(yǎng)豬生產(chǎn)服務(wù)，通過(guò)在養(yǎng)豬生產(chǎn)中使用AI設(shè)備，可以真正的實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼養(yǎng)，從而有效地減少飼料資源的浪費(fèi)以及改善生豬生產(chǎn)性能。周洪等[5]（2018）針對(duì)哺乳母豬設(shè)計(jì)開發(fā)了一套哺乳母豬智能飼喂器，研究發(fā)現(xiàn)使用該設(shè)備后，可使哺乳母豬在1 d內(nèi)多次采食，并且均是新鮮飼糧，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)哺乳母豬采食量最大化，對(duì)哺乳母豬體況的維持具有積極作用；同時(shí)，該設(shè)備還可有效地減少飼糧浪費(fèi)和人工勞動(dòng)強(qiáng)度，在哺乳母豬養(yǎng)殖中具有積極意義。林升峰[11]（2018）針對(duì)妊娠母豬建立了一個(gè)基于模糊控制器的飼喂量控制模型，該模型可根據(jù)妊娠母豬所處的生產(chǎn)階段以及體況進(jìn)行精準(zhǔn)飼喂，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該模型可以有效地根據(jù)妊娠母豬所處階段或體況進(jìn)行飼喂量的調(diào)整。對(duì)于生長(zhǎng)育肥豬，黃利軍等開發(fā)了一種智能液體飼料飼喂設(shè)備，通過(guò)該設(shè)備的使用，有效地減少了育肥豬的飼糧浪費(fèi)，同時(shí)有效地改善了豬舍環(huán)境[12]；李閩等[13]（2018）比較了智能液態(tài)飼料飼喂與傳統(tǒng)干料飼喂對(duì)保育豬和生長(zhǎng)豬生長(zhǎng)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用智能液體飼料設(shè)備可有效提高育肥豬與保育豬的日增重，但同時(shí)卻降低了兩者的成活率，表明設(shè)備還需完善；易烈運(yùn)等[14]（2017）根據(jù)生豬生命曲線喂食量設(shè)計(jì)了一套基于PLC智能自動(dòng)化生豬飼喂系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)定量飼喂（原理參考圖2）。AI在仔豬生產(chǎn)中也有應(yīng)用，有使用者發(fā)現(xiàn)：通過(guò)使用智能仔豬飼喂器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)仔豬精準(zhǔn)飼喂，使仔豬能少吃多餐，同時(shí)使仔豬腹瀉率降低了一大半[15]。以上表明通過(guò)在養(yǎng)豬生產(chǎn)中使用AI設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼養(yǎng)，從而有效地減少飼糧的浪費(fèi)，提高生豬生產(chǎn)性能。

圖1 AI養(yǎng)豬的原理及操作流程

圖2 基于PLC智能化飼喂設(shè)備框架

2.2 豬肉品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)

隨著我國(guó)肉類產(chǎn)量的增加以及人民對(duì)優(yōu)質(zhì)豬肉的需求不斷加大，無(wú)損準(zhǔn)確地對(duì)豬肉品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)對(duì)豬肉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有積極作用。研究表明，通過(guò)AI的使用，可以對(duì)豬肉品質(zhì)進(jìn)行無(wú)損準(zhǔn)確地檢測(cè)和評(píng)定。Aloglu等[6]（2018）基于衰減全 反 射FTIR光 譜（ATR-FTIRS）開發(fā)了一種智能豬肉鑒別模型，使用該模型可實(shí)現(xiàn)無(wú)損鑒別豬肉和牛肉。Wang等[16]（2014）開發(fā)了一種基于異丙醇-聚4-苯乙烯磺酸鈉-石墨烯復(fù)合膜檢測(cè)豬肉中鹽酸克倫特羅的電化學(xué)傳感器，通過(guò)使用該新型傳感器，可以提高對(duì)鹽酸克倫特羅的檢測(cè)靈敏度（該研究中檢測(cè)下限為 2.2×10-8mol?L-1），經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以有效無(wú)損地檢測(cè)豬肉中鹽酸克倫特羅的含量，從而對(duì)豬肉品質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)定。對(duì)于豬肉新鮮度評(píng)定，鄒小波等[17]（2017）以玫瑰茄花青素提取物制備了一種可檢測(cè)肉類新鮮度的智能指示膜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在36 h后，豬肉中揮發(fā)性鹽基氮值高于15 mg/100 g，表明豬肉腐敗，此時(shí)復(fù)合膜變?yōu)榈仙?；?jīng)過(guò)60 h后，智能指示膜變?yōu)榱撕稚芯空J(rèn)為可通過(guò)復(fù)合膜的顏色來(lái)對(duì)豬肉新鮮度進(jìn)行檢測(cè)。而潘婧等[18]（2016）基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，開發(fā)了一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)豬肉新鮮度的模型，經(jīng)驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確率高達(dá)95%以上。劉波等[19]基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工嗅覺(jué)開發(fā)了一種嵌入式手持終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要對(duì)豬肉新鮮度進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)對(duì)豬肉新鮮度檢測(cè)的準(zhǔn)確性高達(dá)99.1%，有效地實(shí)現(xiàn)了豬肉新鮮度的準(zhǔn)確檢測(cè)（具體操作原理見圖3）。對(duì)于豬肉系水力，劉影[20]基于機(jī)電一體化技術(shù)開發(fā)了一種智能系水力測(cè)定儀，通過(guò)與傳統(tǒng)系水力檢測(cè)方法相比，其相關(guān)系數(shù)在0.99以上，表明該智能設(shè)備是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)豬肉系水力進(jìn)行無(wú)損準(zhǔn)確測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了系水力檢測(cè)自動(dòng)化以及高效化。通過(guò)使用AI設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)豬肉品質(zhì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)以及自動(dòng)化檢測(cè)，從而提高了豬肉品質(zhì)的檢測(cè)效率。

2.3 改善母豬繁殖性能

圖3 智能嵌入式手持終端系統(tǒng)檢測(cè)肉品質(zhì)原理

由于AI設(shè)備具有精準(zhǔn)的功效，可以有效地調(diào)整飼喂量、環(huán)境溫度、光照和濕度等因子，滿足母豬的福利，使母豬處于最舒適的環(huán)境，從而有效地改善其繁殖性能。于桂陽(yáng)等[21]（2018）為探究智能化豬場(chǎng)對(duì)母豬繁殖性能的影響，對(duì)永州某豬場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)查比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用AI設(shè)備的豬場(chǎng)與普通集約化豬場(chǎng)相比，智能化豬場(chǎng)的母豬具有更高的分娩率、窩產(chǎn)仔數(shù)、窩產(chǎn)活仔數(shù)、健仔數(shù)以及仔豬成活率，表明通過(guò)AI設(shè)備的使用，有效地改善了母豬的繁殖性能。許棟等[22]（2016）發(fā)現(xiàn)，智能化豬場(chǎng)的母豬窩產(chǎn)弱仔率和日投料量顯著降低（P＜0.05），而初生個(gè)體重則顯著增加（P＜0.05）。王樹華[23]（2014）的研究也得到了類似的發(fā)現(xiàn)，該研究發(fā)現(xiàn)智能化豬場(chǎng)的母豬與普通群養(yǎng)群飼母豬相比，分娩率提高了10%（P＜0.05），除此以外智能化豬場(chǎng)母豬的窩產(chǎn)仔數(shù)、窩產(chǎn)活仔數(shù)、初生窩重、泌乳力、窩斷奶仔豬數(shù)和斷奶窩重均顯著提高（P＜0.05）。使用AI設(shè)備可以很好地改善母豬的福利，進(jìn)而改善母豬繁殖性能，賴友輝等[24]（2017）比較了“大欄群養(yǎng)智能管理”與普通“限位欄飼養(yǎng)”對(duì)妊娠母豬繁殖性能的影響，結(jié)果表明，使用智能管理后的母豬順產(chǎn)率顯著高于普通限位飼養(yǎng)的母豬（P＜0.05），而流產(chǎn)率顯著低于普通限位飼養(yǎng)的母豬（P＜0.05），研究認(rèn)為智能管理設(shè)備為妊娠母豬提供了福利，從而有效地改善了母豬的繁殖性能。綜上表明，AI設(shè)備由于其精準(zhǔn)的特性，為母豬提供了舒適的環(huán)境，滿足了其福利，進(jìn)而有效改善其繁殖性能。

2.4 實(shí)現(xiàn)疾病監(jiān)測(cè)與診斷

AI可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速比對(duì)，從而對(duì)豬只的疾病進(jìn)行快速有效的預(yù)警和檢測(cè)，為豬只疾病的輔助診斷和治療提供了有效的工具。在生豬疾病監(jiān)測(cè)方面，Jiao等[8]（2016）基于Kinect（微軟旗下一款傳感器產(chǎn)品）傳感器和紅外熱成像儀以用于豬體表溫度的測(cè)定方法，該方法通過(guò)補(bǔ)償處理后，溫差范圍僅在0.03～1.2℃間，可用于生豬體溫的準(zhǔn)確檢測(cè)和健康的監(jiān)控。謝海員[25]（2015）基于Harris角點(diǎn)去除腿部輪廓的算法，開發(fā)了一種豬喘氣行為的波形模型，提出了一種生豬呼吸頻率的計(jì)算方法，對(duì)生豬喘氣時(shí)的呼吸異常提供了定量描述，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬呼吸異常連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，為其診斷提供了依據(jù)。除此以外，AI設(shè)備的使用還可實(shí)現(xiàn)對(duì)豬病進(jìn)行診斷。Guo等[26]（2016）開發(fā)了一種檢測(cè)豬瘟病毒（CSFV）的磁彈性（ME）傳感系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)與CSFV濃度在0～2.5 μg/ ml范圍間成線性關(guān)系，其檢測(cè)下限僅為0.6 μg/ ml，通過(guò)該系統(tǒng)的使用，可對(duì)是否感染CSFV做出準(zhǔn)確的診斷。李盼玉[27]（2015）基于智能手機(jī)開發(fā)了一種豬病遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用模糊數(shù)學(xué)原理將豬病的癥狀進(jìn)行序化、量化以及二維化，同時(shí)該系統(tǒng)建立了生豬常見?。ㄘi瘟、仔豬白痢等）數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶通過(guò)收集生豬的照片視頻等信息進(jìn)行比對(duì)，系統(tǒng)將作出診斷和建議，從而實(shí)現(xiàn)豬病的遠(yuǎn)程診斷。綜上表明，AI通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)豬病的監(jiān)測(cè)與診斷，從而使患病生豬能得到快速有效的治療。

2.5 智能設(shè)備在養(yǎng)豬其他方面中的應(yīng)用

AI在養(yǎng)豬生產(chǎn)中除了上述應(yīng)用外，還在豬精液品質(zhì)智能檢測(cè)、母豬發(fā)情智能檢測(cè)、體重智能分析以及仔豬生長(zhǎng)性能智能測(cè)定等方面均有應(yīng)用。雷正達(dá)等[28]（2018）整合超微芯片、數(shù)據(jù)分析處理、大數(shù)據(jù)、人工智能平臺(tái)開發(fā)了一套豬精液品質(zhì)快速檢測(cè)的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬精液品質(zhì)快速檢測(cè)，極大地促進(jìn)了養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的母豬發(fā)情檢測(cè)耗費(fèi)時(shí)間和人力，基于此，劉哲等[7]（2019）根據(jù)種豬的關(guān)鍵體征參數(shù)（如體溫、運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、進(jìn)食總量、靜臥時(shí)長(zhǎng)、發(fā)情時(shí)間等與母豬發(fā)情概率的關(guān)系，構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，該模型可實(shí)現(xiàn)母豬發(fā)情的快速準(zhǔn)確檢測(cè)，極大地提高了母豬發(fā)情鑒定的準(zhǔn)確性（具體原理參考圖4[7]）。在體重智能分析方面，張凱等[29]（2017）基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，對(duì)豬的側(cè)視圖像進(jìn)行處理（顏色特征、閾值分隔等），通過(guò)比較逐步回歸法與MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行育肥豬體重預(yù)測(cè)，通過(guò)比較，該模型的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.993，相對(duì)誤差僅為1.38%，表明通過(guò)該模型可以對(duì)育肥豬體重進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估。羅土玉等[30]（2017）基于RFID射頻電子技術(shù)設(shè)計(jì)了一種幼豬生長(zhǎng)性能智能測(cè)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)斷奶后6～30 kg的仔豬進(jìn)行日增重、日采食量進(jìn)行測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了幼豬生長(zhǎng)性能測(cè)定的自動(dòng)化，極大的提高了測(cè)定的準(zhǔn)確性，降低了人力，從而降低生產(chǎn)成本，提高了效益。除此以外，有學(xué)者設(shè)計(jì)了一套減重式產(chǎn)床智能飼喂系統(tǒng)，有效地避免了飼料粘接、發(fā)霉等問(wèn)題[31]；也有學(xué)者基于動(dòng)物福利開發(fā)了一種母豬大欄智能飼養(yǎng)系統(tǒng)，極大降低了人工成本和飼料浪費(fèi)，同時(shí)滿足了豬的福利，有效地提高了養(yǎng)豬生產(chǎn)的效益[32]。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能母豬發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

3 小結(jié)及展望

綜合以上，AI在養(yǎng)豬生產(chǎn)中發(fā)揮著積極作用，在生豬精準(zhǔn)飼養(yǎng)、肉品質(zhì)無(wú)損準(zhǔn)確檢測(cè)、改善母豬繁殖性能、生豬疾病監(jiān)測(cè)與診斷以及養(yǎng)豬生產(chǎn)的其他方面均發(fā)揮著積極的作用，可以說(shuō)，通過(guò)AI的使用，有效地降低了養(yǎng)豬生產(chǎn)中的成本（人工、飼料等），從而提高了養(yǎng)豬生產(chǎn)的效益。AI使養(yǎng)豬業(yè)由傳統(tǒng)的勞動(dòng)力密集型企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榧s化和智能化企業(yè)，AI養(yǎng)豬將會(huì)是今后養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。但由于我國(guó)AI起步較晚，運(yùn)行起來(lái)仍存在諸多困難，如大部分豬場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化程度低以及智能設(shè)備普及率低，同時(shí)現(xiàn)有智能算法模型仍與實(shí)際養(yǎng)豬生產(chǎn)還存在一些距離[4]；另一個(gè)困難是AI養(yǎng)豬雖然從一定程度降低了人力成本，但不意味著可完全取代養(yǎng)豬人，因而需要既了解養(yǎng)豬生產(chǎn)又懂得應(yīng)用AI設(shè)備的人才，這將會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)意義的養(yǎng)豬能手失業(yè)；最后一個(gè)困難是許多AI設(shè)備高昂的價(jià)格讓很多豬場(chǎng)望而卻步，這嚴(yán)重阻礙了AI養(yǎng)豬進(jìn)程的發(fā)展[3]。但AI養(yǎng)豬是今后養(yǎng)豬發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)于上述困難，可以通過(guò)：1）通過(guò)技術(shù)提高機(jī)器的自我學(xué)習(xí)能力，做好數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，數(shù)據(jù)庫(kù)是AI養(yǎng)豬的核心，通過(guò)機(jī)器對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而開發(fā)出更貼近實(shí)際養(yǎng)豬生產(chǎn)的模型或算法[4]；2）加大對(duì)相應(yīng)AI養(yǎng)豬人才的培養(yǎng)，培養(yǎng)出能把握數(shù)字化技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，從而填補(bǔ)AI養(yǎng)豬人才的缺口[9]；3）加快我國(guó)AI算法、模型以及設(shè)備的開發(fā)，尋求性價(jià)比更高的AI算法、模型以及設(shè)備，進(jìn)而開發(fā)出適用于我國(guó)養(yǎng)豬場(chǎng)且能用的AI設(shè)備，從而加快我國(guó)AI養(yǎng)豬的進(jìn)程。總而言之，AI對(duì)養(yǎng)豬生產(chǎn)具有很大的促進(jìn)作用，今后我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)將會(huì)朝著AI養(yǎng)豬方向前進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)養(yǎng)豬業(yè)精準(zhǔn)化和高效化。