畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

羅堅強，金 松，王 姣，柴文嫻，李榮杰，龍衛(wèi)麗

（1.常州市動物疫病預(yù)防控制中心，江蘇常州 213000；2.常州市四季禽業(yè)有限公司，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖防疫、環(huán)保等要求不斷提升，規(guī)模養(yǎng)殖比例不斷提高，標(biāo)準(zhǔn)化、智能化成為各先進養(yǎng)殖企業(yè)追求的目標(biāo)。同時，隨著網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，萬物互聯(lián)、云端控制等技術(shù)迸發(fā)出強大的生命力，快速融入和重塑各傳統(tǒng)行業(yè)。在此潮流下，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制已成為畜禽養(yǎng)殖高質(zhì)量、精細化發(fā)展的重要方向。禽舍的環(huán)境智能控制的主要內(nèi)容就是智能化地控制溫度、調(diào)節(jié)濕度、改善空氣質(zhì)量及適當(dāng)增加光照等。通過智能控制系統(tǒng)改善畜禽生存環(huán)境，以減少應(yīng)激，增強畜禽的抗病力，力爭少用或不用藥從源頭上保障了禽肉蛋類食品的安全性，同時降低人工成本、提升管理水平，獲取企業(yè)競爭優(yōu)勢[1]。

1 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)簡介

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)一般包含各類傳感器、控制柜、服務(wù)器、電腦PC端、網(wǎng)頁和手機App端[2]。傳感器一般由溫濕度傳感器、光照傳感器、NH3傳感器、CO2傳感器等，主要負責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和采集；控制柜在分析傳感數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，通過智能算法完成對畜禽舍內(nèi)的風(fēng)機、濕簾、熱風(fēng)爐、照明燈等的智能調(diào)控；服務(wù)器用于采集數(shù)據(jù)的信息化傳輸與交互，包括與下端的各控制柜、上端的云數(shù)據(jù)庫進行實時通訊，以及數(shù)據(jù)存儲；電腦PC端主要用于養(yǎng)殖場內(nèi)的人機交互；網(wǎng)頁和手機App端則是用于遠程監(jiān)控和一定權(quán)限的遠程控制。其主要目的是根據(jù)畜禽生長的最佳環(huán)境要求，智能地控制溫度、調(diào)節(jié)濕度、優(yōu)化空氣質(zhì)量和補充光照等。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1950年代開始，國外畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐步向集約標(biāo)準(zhǔn)化過渡，畜禽環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)則在上世紀(jì)70年代起步。目前，在荷蘭、美國、日本和以色列等發(fā)達國家，智能化的環(huán)境控制系統(tǒng)，已經(jīng)普遍在現(xiàn)代化養(yǎng)殖場中應(yīng)用。有些先進的智能控制系統(tǒng)，甚至整合了投喂料系統(tǒng)、疫病診斷、畜禽污染物產(chǎn)生管理等功能，組成了智能養(yǎng)殖管理系統(tǒng)。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)主要集中于2000年以后，涉及畜禽環(huán)境測量與監(jiān)控、單一指標(biāo)的監(jiān)控和干預(yù)、多指標(biāo)控制策略研究、硬件開發(fā)與系統(tǒng)組建等各方面，側(cè)重于技術(shù)研發(fā)和驗證。與國外差距主要在系統(tǒng)的集成度、商品化程度、行業(yè)滲透率等方面，與大規(guī)模推廣所需的安全性、可靠性、適應(yīng)性還有一段距離。

2.3 目前技術(shù)研發(fā)熱點

一是研發(fā)新型的傳感器，趨向于集成度更高、能耗更低、精度更高、抗干擾能力更強，以及更準(zhǔn)確反映畜禽舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)動態(tài)狀況的傳感器布局體系；二是畜禽舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)變化的模擬與預(yù)測，在環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，利用流體動力學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方法，進一步掌握各指標(biāo)變化規(guī)律，提前預(yù)測環(huán)境變化趨勢，為之后的環(huán)境控制的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)提供支撐；三是環(huán)境智能控制策略的優(yōu)化，達到降低能耗和穩(wěn)定控制環(huán)境指標(biāo)的目的，目前研究集中于PID控制、模糊控制等控制策略的研究。

3 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 提升養(yǎng)殖效益的重要選項

近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖水平的不斷提高，規(guī)?；B(yǎng)殖場的料肉比、產(chǎn)蛋率、死淘率等生產(chǎn)性能指標(biāo)與先進國家差距逐步縮小，品種改良、管理提升、飼料配方改進等方式呈現(xiàn)邊際效應(yīng)遞減，技術(shù)難度增大，在此背景下，通過引進畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)，穩(wěn)定提升畜禽生產(chǎn)性能，已越過成本收益平衡點。經(jīng)估算，一棟養(yǎng)殖量在8 000羽左右父母代肉種雞場，在扣除各項成本后，使用畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)能凈增收15萬元以上。

3.2 保障畜禽產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)能有效控制畜禽舍內(nèi)有害氣體濃度，能大幅減少畜禽呼吸系統(tǒng)、眼鼻粘膜刺激，減少相關(guān)疾病的發(fā)生；而適宜的溫濕度，能增加畜禽采食，促進生長，減少腹水、細菌感染、關(guān)節(jié)病變等狀況發(fā)生。抵抗力的提高，疾病的減少，最終降低了抗生素等藥物的使用，提升了成活率和成品率，保障了產(chǎn)品的品質(zhì)，也節(jié)約了藥物費用支出。

3.3 動物福利的需要

隨著人類文明進步、物質(zhì)的豐富、以及人與自然關(guān)系認識的變遷，人們在獲取食物時，在重視食物的數(shù)量、質(zhì)量、口感等基礎(chǔ)上，逐步開始重視食物獲取的方式、途徑，檢視相關(guān)方式途徑是否滿足人類感官和心理的要求，部分國家甚至立法，將動物福利作為畜禽生產(chǎn)的必要條件。畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)然是比較符合動物福利要求的。在我國，雖然尚無動物福利法規(guī)，但也可作為產(chǎn)品差異化的一部分，影響中高端客戶的選擇。

4 存在的問題

4.1 初次建設(shè)門檻較高

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能控制系統(tǒng)的建設(shè)涉及機電、信息化、軟件等多學(xué)科，與原有的傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)關(guān)聯(lián)性不大。除大型集團化養(yǎng)殖企業(yè)外，一般養(yǎng)殖企業(yè)無相關(guān)人員技術(shù)儲備，可以說是全新領(lǐng)域。一套系統(tǒng)引進需要核算成本收益、人員配備、維護保養(yǎng)等一系列問題。同時，目前市場能提供成熟產(chǎn)品和服務(wù)的供應(yīng)商不多。對大型企業(yè)集團，可以組建專門的智能化部門進行研發(fā)和裝備；但對大部門養(yǎng)殖企業(yè)，一般采用初期成套軟硬件引進和現(xiàn)有設(shè)施改造，加上后期運行調(diào)試的方式，存在一定的風(fēng)險和門檻，建成后的效果難以保證。

4.2 無統(tǒng)一的建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制系統(tǒng)雖經(jīng)多年發(fā)展研制，并在各類養(yǎng)殖企業(yè)使用，但目前尚無相關(guān)建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致研制使用的各類系統(tǒng)粗看大同小異，細看千奇百怪，系統(tǒng)集成度、智能化程度參差不齊。建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，阻礙了環(huán)境智能控制系統(tǒng)的普及應(yīng)用，有必要針對不同畜禽種類、系統(tǒng)布局設(shè)置、傳輸接口、網(wǎng)絡(luò)安全、容錯機制等方面設(shè)置基本的技術(shù)要求。

4.3 技術(shù)研發(fā)仍有短板

首先，畜禽養(yǎng)殖高濕高粉塵的環(huán)境，對精密部件的長時間持續(xù)運行是很大的挑戰(zhàn)。如畜禽舍內(nèi)的各類傳感器，短時間內(nèi)就會積滿灰塵，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)監(jiān)測的靈敏性和準(zhǔn)確性，而在傳感器外部加裝防塵罩等，則會阻礙空氣流動，同樣導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)滯后和不準(zhǔn)。其次，需要針對不同的畜禽種類，完善多環(huán)境因子的耦合關(guān)系和動態(tài)變化機理進行研究，建立多環(huán)境因子與關(guān)鍵驅(qū)動因子的精準(zhǔn)動態(tài)模型，優(yōu)化智能控制策略，降低使用成本。

4.4 現(xiàn)有人員可能難以勝任關(guān)鍵管理崗位

環(huán)境智能控制系統(tǒng)的使用，一方面減少的一線人員的數(shù)量，同時也使得風(fēng)險管理的責(zé)任集中。從多人多設(shè)備的機械操控到無人多設(shè)備的智能控制，從人工巡查到有限的人工干預(yù)，系統(tǒng)控制等關(guān)鍵崗位責(zé)任重大，需要熟悉系統(tǒng)運行、畜禽養(yǎng)殖技術(shù)、緊急情況的處置等方方面面，人員素質(zhì)要求很高。特別是冬夏季節(jié)，系統(tǒng)負載高，出現(xiàn)系統(tǒng)故障時不能及時正確處置，可能導(dǎo)致巨大經(jīng)濟損失。而為了降低風(fēng)險，增加人員現(xiàn)場巡查和使用另一套儀表作為數(shù)據(jù)比對，則與智能化方向違背，增效的目標(biāo)將大打折扣。

5 下一步發(fā)展方向

5.1 畜禽環(huán)境智能控制系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)要更加系統(tǒng)化

整合前期硬件選擇、軟件研發(fā)、環(huán)境因子數(shù)據(jù)采集的成果，與生產(chǎn)實際結(jié)合，研發(fā)不同季節(jié)、不同畜禽種類和日齡相關(guān)的環(huán)境多因子調(diào)控的優(yōu)化策略，同時在畜禽舍設(shè)計、建造方面提出優(yōu)化方案。

5.2 加快推進畜禽環(huán)境智能控制系統(tǒng)的商業(yè)化進程

商業(yè)化是環(huán)境智能控制系統(tǒng)推廣使用的重要前提，也是目前國內(nèi)與國際差距的一個重要方面。我認為當(dāng)前商業(yè)化的路徑：一是社會資本與科研院所技術(shù)結(jié)合孵化；二是養(yǎng)殖業(yè)龍頭企業(yè)智能化部門轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芸刂葡到y(tǒng)生產(chǎn)商。

5.3 加快推進畜禽環(huán)境智能控制系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)制定

建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，有利于軟硬件的開發(fā)，方便養(yǎng)殖企業(yè)投資引進，提升設(shè)計研發(fā)效率，從整體上降低社會成本。標(biāo)準(zhǔn)的制定，需要有關(guān)部門或協(xié)會牽頭，從現(xiàn)有方案中比較研究，兼顧現(xiàn)狀與未來發(fā)展。

5.4 提升畜禽環(huán)境智能控制系統(tǒng)的可靠性

相對于畜禽環(huán)境智能控制系統(tǒng)應(yīng)用帶來的收益，養(yǎng)殖企業(yè)也憂慮系統(tǒng)的不穩(wěn)定帶來的損失。一般的系統(tǒng)都會加裝報警系統(tǒng)，用于舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)在系統(tǒng)控制情況下仍偏離設(shè)定范圍的提醒但理論上不能排除指標(biāo)偏離而不報警的可能。在系統(tǒng)建設(shè)的初期，可考慮增加獨立的環(huán)境主要指標(biāo)監(jiān)控器或舍內(nèi)畜禽行為監(jiān)視器，作為環(huán)境控制的參考。

5.5 加強復(fù)合型人才培養(yǎng)

信息化、自動化與畜牧養(yǎng)殖專業(yè)間的跨度，體現(xiàn)了畜禽環(huán)境智能控制系統(tǒng)在研發(fā)與應(yīng)用上的難度。高等院校特別是農(nóng)業(yè)院校，要加強專業(yè)復(fù)合人才培養(yǎng)，以適應(yīng)未來的信息化、自動化時代。