生豬自動化養(yǎng)殖裝備與技術研究進展與展望

沈明霞 陳金鑫 丁奇安 陳 佳 劉龍申 孫玉文

(1.南京農(nóng)業(yè)大學人工智能學院， 南京 210031； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部養(yǎng)殖裝備重點實驗室， 南京 210031；3.南京農(nóng)業(yè)大學工學院， 南京 210031； 4.江蘇智慧牧業(yè)裝備科技創(chuàng)新中心， 南京 210031)

0 引言

我國是世界上最大的生豬養(yǎng)殖國與豬肉消費國，生豬產(chǎn)業(yè)是我國畜牧業(yè)支柱性產(chǎn)業(yè)，養(yǎng)豬業(yè)產(chǎn)值占畜牧業(yè)總產(chǎn)值的1/3，豬肉產(chǎn)量占肉類產(chǎn)量近2/3[1]。但我國養(yǎng)豬業(yè)平均成本是美國的1.5倍以上，其中主要原因是我國生豬養(yǎng)殖的人工成本較高[2]。從農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2022年1月的生豬產(chǎn)品數(shù)據(jù)可知，我國散養(yǎng)生豬每頭成本比規(guī)?；B(yǎng)殖高80元[3]。因此提升生豬的國際競爭力需要減少養(yǎng)殖過程中的人工成本占比，規(guī)?；?、集約化和自動化的養(yǎng)殖模式是生豬養(yǎng)殖的主流。

在2022年國務院關于印發(fā)“十四五”推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃的通知中，提出發(fā)展現(xiàn)代化畜牧業(yè)，推動一批生豬標準化養(yǎng)殖場改造養(yǎng)殖飼喂、動物防疫及糞污處理等設施裝備[4]。在養(yǎng)殖飼喂方面，限位欄是我國母豬飼養(yǎng)的主要模式，豬只缺乏運動，生理與心理健康難以保障。國外的智能群養(yǎng)飼喂系統(tǒng)研發(fā)起步較早，系統(tǒng)相對成熟，但進口裝備昂貴，國內(nèi)豬場情況復雜，且豬場缺乏維護，目前應用較少；在動物防疫方面，一方面環(huán)控裝備較為簡單，控制因素單一，缺乏對具體空氣質(zhì)量的檢測與凈化裝備，另一方面由于豬場現(xiàn)代化程度不夠，引入的人工較多，對豬場整體疫病防控帶來極大考驗；在糞污處理裝備方面，由于缺乏有效糞污清理裝備，豬場多采用水泡糞的處理方式，產(chǎn)生的污水較多，且整體糞污利用率低，資源浪費嚴重。

隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展，養(yǎng)豬裝備需求逐年擴大，對于裝備的自動化及智能化程度提出了新的需求。目前，智能化生豬養(yǎng)殖裝備的研發(fā)已成為業(yè)界的熱點。在常規(guī)的飼喂、環(huán)控和糞污處理方面取得了很大進展，也隨著信息化、智能化技術的進步，在新興的生豬養(yǎng)殖智能監(jiān)測裝備以及智能養(yǎng)豬機器人方面取得更多成果。因此，本文總結(jié)歸納當前的生豬自動化養(yǎng)殖裝備，并對新興的智能化養(yǎng)殖裝備進行延伸，對后續(xù)的生豬養(yǎng)殖裝備發(fā)展趨勢進行展望。

1 生豬養(yǎng)殖裝備發(fā)展概述

規(guī)?；i養(yǎng)殖推動了生豬養(yǎng)殖裝備的發(fā)展，同時生豬養(yǎng)殖裝備占據(jù)整體養(yǎng)殖成本的比例也持續(xù)提高。按照生豬年平均存欄數(shù)量可將生豬養(yǎng)殖規(guī)模劃分為小規(guī)模(年均存欄數(shù)量小于1 000頭)、中規(guī)模(年均存欄數(shù)量在1 000～4 000頭之間)、大規(guī)模(年均存欄數(shù)量在4 000～10 000頭之間)、特大規(guī)模(年均存欄數(shù)量在10 000頭以上)4個等級。根據(jù)李鵬程[5]2017—2018年對仔豬外購模式養(yǎng)殖場的飼養(yǎng)成本調(diào)研情況，其具體成本構(gòu)成如表1所示。總體而言，養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，促使養(yǎng)殖裝備以及廠房成本逐步提升，相應的飼料成本與人力成本不斷下降，從而豬場養(yǎng)殖的總成本降低。

表1 不同規(guī)模生豬養(yǎng)殖場生豬飼養(yǎng)成本Tab.1 Pig breeding costs of different scale pig farms 元/kg

從國外的生豬養(yǎng)殖業(yè)來看，美國在20世紀80年代經(jīng)歷規(guī)模化生豬養(yǎng)殖加速階段，到2000年基本完成規(guī)?；i場整合，發(fā)展進入平穩(wěn)階段，而我國仍處于規(guī)?；l(fā)展啟動加速階段。其中養(yǎng)殖裝備成本占比差距尤為明顯，在美國生豬養(yǎng)殖業(yè)中養(yǎng)殖裝備占比超過20%，而國內(nèi)的生豬養(yǎng)殖裝備成本占比不足5%。相應的美國生豬養(yǎng)殖業(yè)人工費用占比在15%左右，而國內(nèi)的人工費用占比超過20%。從2017年的平均成本來看，其中自繁自養(yǎng)的養(yǎng)豬模式中，中國的養(yǎng)豬成本為12.42元/kg，美國生豬養(yǎng)殖成本折合為8.74元/kg，相當于中國的70%。在外購仔豬模式中，2016年中國養(yǎng)殖成本16.14元/kg，同期美國生豬養(yǎng)殖成本折合為8.62元/kg，僅相當于中國的一半。因此，隨著我國規(guī)?；B(yǎng)豬場的養(yǎng)殖裝備占比進一步提高，成本結(jié)構(gòu)深入優(yōu)化，本土生豬養(yǎng)殖業(yè)的國際競爭力將得到提高。

我國的生豬養(yǎng)殖裝備發(fā)展與規(guī)?；i場發(fā)展息息相關，主要經(jīng)歷了機械化、自動化和智能化3個發(fā)展階段。在20世紀80年代以前，由于我國生豬養(yǎng)殖主要作為家庭副業(yè)，以人工和散養(yǎng)模式為主，生豬養(yǎng)殖裝備近乎于零。從1980年深圳首次引入機械化養(yǎng)豬裝備開始，標志我國開始步入機械化生豬養(yǎng)殖階段。早期的機械化生豬養(yǎng)殖裝備，主要是金屬圍欄、機械送料裝置等，功能較為簡單，無法自動控制。從20世紀90年代到21世紀初期，隨著自動化料線、糞污處理以及風機濕簾自動調(diào)控等養(yǎng)殖裝備的普及，我國養(yǎng)豬業(yè)規(guī)模飛速擴大，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的普及，生豬養(yǎng)殖裝備的網(wǎng)絡化、數(shù)字化水平提高，生豬養(yǎng)殖信息化得以高速發(fā)展，其中產(chǎn)生的海量養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，結(jié)合日益成熟的人工智能、云計算技術，將使新興的生豬養(yǎng)殖裝備替代人工完成特定任務，生豬養(yǎng)殖裝備步入智能化發(fā)展階段。

2 自動化生豬養(yǎng)殖裝備

傳統(tǒng)純?nèi)斯どi養(yǎng)殖模式中，豬舍依賴人工送料，飼喂量無法控制，豬圈內(nèi)糞污堆積，環(huán)境惡劣，豬只不僅容易生病，而且飼養(yǎng)效率低下。自動化生豬養(yǎng)殖裝備與現(xiàn)代化豬舍的出現(xiàn)以及在豬場的廣泛運用，提升了傳統(tǒng)人工養(yǎng)殖的效率。目前規(guī)模化豬場常用的自動化養(yǎng)殖裝備可按功能劃分為欄體裝備、飼喂裝備、環(huán)境控制裝備、糞污處理裝備，其主要裝備構(gòu)成如圖1所示。

圖1 規(guī)?；i場常用自動化養(yǎng)殖裝備Fig.1 Automated farming equipment commonly used in large-scale pig farms

2.1 欄體裝備

生豬養(yǎng)殖應用金屬柵欄式豬欄可以減少豬舍占地面積，便于飼養(yǎng)管理和改善環(huán)境。豬欄一般采用鋼管焊接后整體熱鍍鋅制成，按照生豬養(yǎng)殖種類與養(yǎng)殖階段可以分為公豬限位欄、母豬限位欄、母豬小群欄、母豬產(chǎn)床、仔豬保育床、生長育肥欄等[6]。目前該類裝備加工工藝成熟，豬欄裝配簡單，大規(guī)模的現(xiàn)代化養(yǎng)豬場普遍采用。

豬欄是傳統(tǒng)的機械化生豬養(yǎng)殖裝備，其中母豬產(chǎn)床的自動化程度較高。母豬產(chǎn)床又稱高培產(chǎn)仔欄，組成示意圖如圖2所示。隨著對生豬養(yǎng)殖福利的重視，母豬定位架設計成單側(cè)活動結(jié)構(gòu)，可增加臨產(chǎn)前母豬活動范圍[7]。此外，由于母豬躺臥易壓傷或壓死仔豬，河南南商農(nóng)牧科技股份有限公司設計了一款可升降的母豬底板，當母豬站立時，觸碰到定位架上的限位開關，驅(qū)動液壓控制器將底板升起，阻止仔豬待在母豬身下，有效避免了踩壓事故的發(fā)生。

圖2 母豬產(chǎn)床Fig.2 Sow farrowing bed1.母豬定位架 2.仔豬圍欄 3.漏縫地板 4.母豬食槽 5.仔豬保溫箱

2.2 飼喂裝備

早期的生豬養(yǎng)殖使用人力進行飼料與水源貯存、輸送和飼喂，不僅飼料與水源利用不充分，而且清潔衛(wèi)生難以保障?，F(xiàn)代豬場大多將飼料廠加工好的全價配合飼料，運送到豬場貯存在飼料塔中，然后經(jīng)自動料線將飼料運到豬舍內(nèi)的飼喂器進行飼喂。飲用水源由自動飲水器直接供給。

(1)自動料線

自動料線實現(xiàn)了定時定量飼喂，不僅提高飼喂效率，節(jié)省人工，還降低豬只應激，提高生產(chǎn)性能。干料自動料線裝配構(gòu)成如圖3所示，料線主機驅(qū)動輸送鏈條，將料塔中的飼料經(jīng)輸料管、下料管、定量杯，最終運送到料槽中。根據(jù)其中飼料輸送鏈條的差異，可分為絞龍料線與塞盤料線。絞龍料線鏈條用于較長豬舍會容易斷裂，且傳輸動力不夠?qū)е铝暇€末端下料困難，所以一般豬場在限位欄及產(chǎn)房使用塞盤料線，保育及育肥舍使用絞龍料線以降低成本。液態(tài)料自動送料系統(tǒng)是將飼料與水先在混合罐均勻調(diào)配好，經(jīng)過一段時間的恒溫發(fā)酵，然后用飼料泵經(jīng)管道輸送至對應的豬食槽內(nèi)。液態(tài)料能夠提高飼料吸收率、利用率，減少豬只消化道疾病等[8]，但由于液態(tài)料線成本偏高，使用維護困難，國內(nèi)普及率不高。

圖3 料線裝配示意圖Fig.3 Assembly diagram of feed line1.輸料管 2.轉(zhuǎn)角輪 3.下料管 4.定量杯 5.控制電箱 6.料塔 7.料線主機 8.料槽 9.輸送鏈條

(2)自動飼喂

自動料線將飼料投放至飼喂器，目前豬場常用的飼喂器有干濕料槽、粥料器以及針對特定豬只的飼喂器等。干濕料槽(圖4a)集成自動料槽和飲水功能，通過閥門控制均勻出料，另外附加飲水設備，讓豬只不必在飲水與采食間來回移動，便于飼料的消化吸收。粥料器(圖4b)主要用于保育豬飼喂，可幫助仔豬克服斷奶應激，提高保育成活率[9]。此外，還有哺乳母豬飼喂器(圖4c)、保育豬飼喂器、育肥豬飼喂器等裝備，這些飼喂器針對特定的生豬種類以及養(yǎng)殖階段，在粥料器的基礎上進行定時定量的下料控制，做到精準飼喂。目前國內(nèi)自動飼喂器采用濕料飼喂居多，是在維持豬場已有干料料線不變動情況下，對濕料飼喂模式的一種折中補充。

圖4 干濕料槽與粥料器Fig.4 Wet and dry troughs and porridge feeder

(3)自動飲水

傳統(tǒng)的水槽飲水方式不衛(wèi)生、浪費大，現(xiàn)代化養(yǎng)豬場多采用鴨嘴、乳頭式飲水裝置。這種裝置只需把飲水器安裝在適當高度，豬只飲水時咬動開關，水通過膠墊縫隙流出，停止飲水則通過彈簧自動復位。碗(杯)式飲水器是在乳頭式飲水器基礎上改良而來，應用不銹鋼碗防止水源浪費以及便于豬只添藥。與之類似的還有豬用水位控制器，該裝備根據(jù)大氣壓和水壓自動控制水槽水位，保障豬只飲水供應且飲水方式最為簡便。以上幾種豬只飲水器(圖5)的優(yōu)缺點如表2所示。在冬季給斷奶仔豬飲用溫水，可以減少斷奶應激等[10]，可以采用豬用空氣能、太陽能、電能加熱飲水器等裝備。

圖5 豬只飲水器Fig.5 Pig water dispenser

2.3 環(huán)境控制裝備

環(huán)境控制裝備能夠有效控制有害氣體、病菌、水汽、粉塵,調(diào)節(jié)豬舍溫度，使之符合規(guī)模豬場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理[11]要求。提供豬只健康的生長環(huán)境，保障豬只生產(chǎn)性能，最終提升養(yǎng)豬效益。環(huán)境控制裝備主要有通風降溫、供熱保溫與清洗消毒裝備等。

表2 豬場常用飲水器性能對比Tab.2 Performance comparison of commonly used water dispenser in pig farm

(1)通風降溫裝備

夏季豬舍溫度過高會影響豬只繁殖性能、生產(chǎn)性能等[12-13]，因此現(xiàn)代化豬場一般配置有根據(jù)溫度自動控制風機啟停與濕簾升降的系統(tǒng)。通風裝備一般選用大直徑、小功率的負壓風機，負壓風機將豬舍內(nèi)空氣抽出，使豬舍內(nèi)形成負壓，豬舍外面空氣則由進氣口吸入。配合電機驅(qū)動升降的濕簾，一同實現(xiàn)水汽蒸發(fā)吸熱降溫。還有將負壓風機與濕簾結(jié)合在一起設計的濕簾式冷風機，又稱蒸發(fā)式水冷空調(diào)。其他降溫設施還有旋轉(zhuǎn)式噴霧降溫設備，在豬舍內(nèi)噴霧，對準母豬頸部和背部不斷滴水給母豬降溫防暑。冬季通風主要目的是排出豬舍內(nèi)的有害氣體，此外進氣口一般還裝有空氣過濾器，可以有效防控豬場疫病[14]。

(2)供熱保溫裝備

在北方的現(xiàn)代化豬場，由于冬季氣候較寒冷，需供熱保溫裝備?，F(xiàn)代化豬舍供暖分為集中和局部供暖兩種方法。集中供暖可以采用鍋爐燃燒煤炭通過地暖系統(tǒng)供暖，但是采用消耗天然氣或者電能的方式，發(fā)熱設備易于控制，可以接入豬舍環(huán)境溫控系統(tǒng)，保持舍內(nèi)的溫度穩(wěn)定。局部供暖裝備主要有電熱板和保溫燈等。哺乳仔豬在冬天更需要防寒保溫，提高其存活率[15]，較為經(jīng)濟的做法是采用保育箱創(chuàng)造一個小氣候環(huán)境，采用保溫燈或電熱板作為熱源進行加熱保溫，避免大范圍空間的加熱，減少不必要的電能損耗。

(3)清洗消毒裝備

豬場清洗消毒可以消滅傳染源、切斷傳播途徑、改善空氣質(zhì)量，有效保護豬只免受病原體感染[16]。其中豬舍清洗，一般是在生產(chǎn)區(qū)設置高壓清洗系統(tǒng)，通過高壓水泵，把水通過高壓水管輸送到每個豬舍，也可以每個豬舍配一個高壓沖洗機，降低成本。自動消毒系統(tǒng)安裝在包括進入生產(chǎn)區(qū)的通道以及豬舍內(nèi)部[17]，當豬場工作人員進入通道時，傳感器自動感應到人員進入，開啟消毒噴霧裝置，完成消殺后自動關閉。豬舍內(nèi)部的消毒裝置會根據(jù)豬場設定的消毒頻率自動開啟作業(yè)，無需耗費人力。

2.4 糞污處理裝備

豬場糞污處理可以減少生豬排泄等污染物對環(huán)境的影響。糞污處理裝備主要運用在糞污清理以及糞污無害化處理兩個環(huán)節(jié)。

(1)糞污清理裝備

糞污清理方式主要有水(尿)泡糞和干清糞兩種[18]。水泡糞即豬舍中的糞尿、沖洗和飼養(yǎng)管理用水一并排放到漏縫地板下的糞溝中，定期拔起排污糞塞，靠虹吸負壓原理形成自然真空使溝中的糞水沿管道進入地下儲糞池，或用泵抽吸到地上儲糞池。干清糞即用刮糞機(圖6)驅(qū)動機械刮板清糞，豬舍中糞尿分流，干糞由機械收集、運走，尿與沖洗水從專用管道流出，實現(xiàn)干濕分離，降低后續(xù)糞尿處理的成本。水泡糞清理的優(yōu)點是投資小，使用方便，而干清糞的優(yōu)點是產(chǎn)生的污水較少，易達到環(huán)評標準[19]，有利于加工有機肥。對于目前自動化程度較高的豬場，水泡糞是主流，但隨著對豬場環(huán)境保護政策的強化，機械刮板清糞將會受到重視。

圖6 刮糞機Fig.6 Manure scraper

(2)糞污無害化處理裝備

糞污處理主要使用生物處理方法，即通過微生物的生命過程把糞污中的有機物轉(zhuǎn)化為新的微生物細胞以及簡單形式的無機物，從而達到糞污無害化處理的目的。主要的糞污處理裝備有糞污固液分離機(圖7a)、有機廢棄物好氧發(fā)酵翻堆機(圖7b)、有機廢棄物干式厭氧發(fā)酵裝置(圖7c)、畜禽糞便發(fā)酵處理機(圖7d)等[20]。糞污固液分離機將分離后糞污固體進行堆肥發(fā)酵，液體分離液送入沼氣池或污水處理池處理。堆肥發(fā)酵可以配合有機廢棄物好氧發(fā)酵翻堆機，經(jīng)過連續(xù)翻堆作業(yè)，可改善三角形或梯形料堆的通風供氧，從而加快物料發(fā)酵腐熟和去除水分。經(jīng)過固液分離的糞污固體也可以通過干式厭氧發(fā)酵裝置，或者收集的糞污直接通過發(fā)酵處理裝備，使有機廢棄物轉(zhuǎn)化成有機肥原料，實現(xiàn)糞污的無害化處理。

圖7 糞污處理裝備Fig.7 Manure treatment equipment

3 智能化生豬養(yǎng)殖裝備

常規(guī)的自動化生豬養(yǎng)殖設備僅滿足基本的豬場養(yǎng)殖作業(yè)。隨著智能傳感技術、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術向農(nóng)業(yè)領域的擴展，自動化生豬養(yǎng)殖裝備開始向智能化發(fā)展[21]，再次提升了豬場的智能化管理水平和養(yǎng)殖效率。目前智能化生豬養(yǎng)殖裝備主要圍繞監(jiān)測、飼喂、繁育、環(huán)控以及養(yǎng)殖機器人方面展開，其主要應用場景及實現(xiàn)功能如表3所示。目前智能化生豬養(yǎng)殖裝備在智能飼喂、繁育以及環(huán)控方面發(fā)展應用較為成熟，而智能檢測與養(yǎng)殖機器人領域還缺乏大規(guī)模應用的能力，相關技術以及裝備仍處于研發(fā)階段。

3.1 智能監(jiān)測裝備

生豬智能監(jiān)測裝備主要有云臺監(jiān)控裝備、監(jiān)聽拾音裝備、便攜式監(jiān)測裝備、穿戴式監(jiān)測裝備等。豬只信息智能監(jiān)測系統(tǒng)(圖8)主要是利用音、視頻監(jiān)控與穿戴式裝備獲取實時數(shù)據(jù)，通過交換機、路由器、網(wǎng)路硬盤錄像機(NVR)傳輸?shù)椒掌髦羞M行數(shù)據(jù)分析，運用圖像、音頻等數(shù)據(jù)處理技術識別當前豬只表征信息，并能夠通過云服務器發(fā)送實時數(shù)據(jù)到移動手機端或網(wǎng)頁端，讓豬場飼養(yǎng)管理人員時刻了解豬舍內(nèi)的狀況。智能監(jiān)測裝備主要監(jiān)測信息、功能以及實現(xiàn)方法如表4所示，通過這些信息評估當前豬只生理或精神狀況，指導豬場的作業(yè)生產(chǎn)。

3.1.1身份信息

豬只身份確定是監(jiān)測裝備將獲取分析的信息對應到有效豬只個體的前提，其不僅提高了生豬生產(chǎn)過程中的數(shù)字化管理水平，有利于豬場生豬養(yǎng)殖的疫病控制，也為生豬產(chǎn)品質(zhì)量的追蹤溯源奠定了基礎。目前現(xiàn)代化豬場主要使用射頻識別技術(電子耳標)來確定豬只身份信息。射頻識別技術于20世紀80年代開始商業(yè)應用，我國于2006年首次應用在生豬養(yǎng)殖中[22]。國內(nèi)成熟的電子耳標生產(chǎn)企業(yè)有無錫富華、上海生物電子標識、洛陽萊普生等，國外有安樂福、安德仕等。電子耳標存儲數(shù)據(jù)量大、精度高、抗干擾能力強，且成本較低，已在養(yǎng)豬業(yè)得到廣泛使用。

表3 智能化生豬養(yǎng)殖裝備主要應用場景及功能Tab.3 Main application scenarios and realization of intelligent pig breeding equipment

電子耳標可根據(jù)是否有電源獨立供電分為有源與無源電子耳標。無源耳標存在識別距離較短[23]，讀取需要閱讀器具備較大的發(fā)射功率，且多只豬只聚集會存在相互干擾難以準確讀取問題。另外無源電子耳標對安裝佩戴位置也有一定要求，豬耳朵前后側(cè)差異顯著，佩戴在耳朵后部效果更好[24]。按照豬只佩戴方式可將電子耳標分為耳掛式(圖9a)和植入式(圖9b)。在豬只屠宰期間發(fā)現(xiàn)，植入式芯片雖然對豬耳組織創(chuàng)傷小，但芯片保留率較低，而小型耳標造成的創(chuàng)傷小于大型耳標，且獲得了較高的耳標保留率[25]。有源耳標可以有效規(guī)避無源耳標缺陷，但是有源耳標難以控制體積，并且使用壽命有限，因此研制有源微型耳標將是后續(xù)研發(fā)工作重點。

圖8 豬只信息智能監(jiān)測系統(tǒng)Fig.8 Pig information intelligent monitoring system

表4 生豬智能監(jiān)測裝備主要監(jiān)測信息Tab.4 Main monitoring information of intelligent pig monitoring equipment

圖9 電子耳標Fig.9 Electronic ear tags

耳掛式電子耳標容易在豬只打架撕咬時脫落，且與注射式相同，都會對豬只組織造成一定傷害。隨著人工智能領域中計算機視覺技術的突破，非侵入式、非接觸、低應激的豬臉識別技術(圖10)開始興起。目前尚未成熟的豬臉識別技術還未能大規(guī)模應用，但有大量互聯(lián)網(wǎng)公司跟進該領域。國內(nèi)相關報道有2018年廣州影子科技在“雙新雙創(chuàng)博覽會”展示了豬臉識別技術，同年浙江萬維識別也宣布在豬臉識別領域取得突破性進展，另外還有阿里云、京東農(nóng)牧等頭部互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開展相應研究。國外相關報道有美國全球食品公司嘉吉(Cargill)與愛爾蘭機器視覺公司(Cainthus)合作開發(fā)的牛面部識別技術。

圖10 豬臉識別Fig.10 Pig face identification

豬臉識別前需要進行豬只目標檢測與定位[26-27]，該階段任務可以實現(xiàn)豬只盤點，可以代替人工計數(shù)并提高計數(shù)準確性。此外實現(xiàn)豬只盤點還有利用圖像實例分割[28-29]、密度估計[30-31]等視覺算法，其中實例分割算法應用于豬群密度較低、遮擋較少的場景，而密度估計應用場景與之相反，但是獲得的準確率也會下降。早期進行豬臉識別由于缺乏良好的豬臉特征提取算法，需要提取人為特征再進行機器學習分類算法進行豬只身份信息識別[32]。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡擺脫了人工特征提取依賴，無需人工干預即可自動學習提取豬只面部特征，直接在網(wǎng)絡的全連接層抽取編碼信息實現(xiàn)不同個體之間的區(qū)分，實現(xiàn)單階段豬臉識別任務[33-35]。目前基于計算機視覺的豬只身份信息識別與電子耳標相比，無組織創(chuàng)傷且成本較小，但識別準確率目前不如電子耳標。而且由于豬只運動或污漬、面部數(shù)據(jù)采集困難、豬只生長周期短、外貌變化大以及不同品種之間的差異等因素，都對基于計算機視覺的豬只身份信息識別造成了挑戰(zhàn)，需要進一步改進才具備在大規(guī)模豬場應用的可行性。

3.1.2生理信息

豬只生理信息反映其當前生長狀況，利用生理信息測量裝備驗證豬只是否符合生理指標要求，對于豬場養(yǎng)殖具有重要價值，其中較受關注的豬只生理信息主要有體溫、體尺與體質(zhì)量等。此外豬只的心率[36-37]、呼吸率[38]檢測方法與裝備還處于探索階段。

(1)體溫

通過體溫檢測可以實現(xiàn)傳染病及炎癥篩查[39]、母豬排卵預測[40]等。豬只體溫數(shù)據(jù)采集主要方法有溫度計采集豬只肛腸(核心)溫度[41]、基于耳標式溫度傳感器或紅外熱成像的測溫方法。基于熱紅外成像具有非接觸測量的優(yōu)點，避免了生豬應激反應對體溫的影響，可以獲取更加準確的體溫數(shù)據(jù)。目前的熱紅外測溫裝備可以分為手持式紅外測溫儀與固定式熱紅外攝像頭(圖11)，后者可以一次性完成整個豬群的體溫檢測，相較于前者更節(jié)省人力，實現(xiàn)的豬場智能化程度更高。但紅外測溫算法是建立體表溫度與核心溫度之間的關聯(lián)，需要優(yōu)化其測量精度。ZHONG等[42-44]設計了一系列生豬紅外圖像和可見光圖像的融合算法，為后續(xù)豬只體溫精確測量奠定了基礎。賈桂鋒等[45]探究了生豬體表被毛對體溫測量精度的影響，并設計了消除該溫度噪聲的算法。馬麗等[46]提出了基于骨架掃描策略的生豬耳根定位算法，并進行黑體溫度矯正，提取耳根溫度最大誤差為0.32℃。肖德琴等[47]借助YOLO V4對生豬耳部定位，溫度提取算法結(jié)果與人工統(tǒng)計耳溫具有高度相關性。

圖11 紅外測溫裝備Fig.11 Infrared temperature measuring equipment

(2)體尺與體質(zhì)量

豬只體尺與體質(zhì)量是其重要的生理信息，一方面用來評價其生長情況和調(diào)節(jié)飼喂量，另一方面也是選種、育種方面的重要指標。傳統(tǒng)的豬只體尺獲取采用皮尺進行測定，而體質(zhì)量稱量更需要把豬只趕到地磅秤上，或使豬只通過帶有地磅秤的過道。這些測量方法不僅消耗工作人員體力，而且還易使豬只產(chǎn)生應激反應，可能使豬只產(chǎn)能下降、生病乃至死亡，從而給豬場造成損失，因此利用機器視覺實現(xiàn)無接觸的豬只體尺和體質(zhì)量估測成為新的研發(fā)方向。該方法降低人工工作量，避免了人與豬只之間的直接接觸，有利于豬場的疫病防控。

利用機器視覺實現(xiàn)無接觸式的豬只體尺測量，主要有基于普通圖像、深度圖像或點云數(shù)據(jù)進行豬只建模的方法。滕光輝團隊[48-50]最早利用俯拍的豬只彩色圖像，進行測量點確定，實現(xiàn)體寬、體長等測量；后續(xù)研究利用三維激光掃描儀，建立了豬只三維模型，實現(xiàn)體尺計算；為排除污物和光照干擾，開發(fā)了基于雙目視覺豬只體尺檢測系統(tǒng)，利用深度圖像實現(xiàn)更精確的輪廓提取和體尺獲取。后續(xù)研究人員進一步在豬只模型構(gòu)建[51-52]、豬只深度圖像理想幀檢測與處理[53]等方面進行研究，以獲取更精確的體尺。無接觸體質(zhì)量測量可以借助豬只體尺，建立關聯(lián)模型[54-55]，另外也有利用豬只背部投影面積或整體體積尋求與體質(zhì)量之間的映射關系[56-59]。

3.1.3行為信息

準確的豬只行為識別有助于實現(xiàn)精細化養(yǎng)殖，保障豬只福利，提升養(yǎng)殖經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)外的豬只物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)尚處于起步階段，可識別的行為信息較少，相關學者主要致力于豬只飲食、運動、繁育、交互、咳嗽與腹瀉等行為檢測算法研究。

(1)飲食與運動行為

豬只的采食與飲水是最基本的行為，豬只采食飲水行為的變化，與豬只健康有著密切關聯(lián)。在豬只采食量與飲水量方面，主要采用電子耳標結(jié)合流量傳感器的方案[41,60]，而采食行為識別以及頻次統(tǒng)計方面，大多是基于機器視覺的方法。早期主要是基于空間相對位置的方法，有基于粒子濾波實現(xiàn)豬只跟蹤識別豬只進入采食區(qū)域[61]，或根據(jù)輪廓匹配指數(shù)來統(tǒng)計水槽區(qū)域的豬只飲水次數(shù)[62]等。但相對空間位置獲得的細節(jié)信息較少，對于豬只是否在采食飲水無從得知。因此現(xiàn)在主要借助卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法，研究趨勢也從單幀圖像識別[63-65]，到綜合時空信息利用多幀圖像[66-68]，識別的采食飲水行為更加準確。

豬只的運動行為主要有躺臥、站立、行走等。目前主要關注母豬運動行為，可以用來對臨產(chǎn)狀態(tài)進行估計，或是減免產(chǎn)后母豬的哺乳姿態(tài)轉(zhuǎn)換可能對仔豬引起的擠壓危險。早期的母豬姿態(tài)識別一般是利用穿戴式加速度傳感器[69-72]，分析其動作發(fā)生頻率與變換方式；近些年機器視覺的方法成為主流，該類方法主要是結(jié)合時空特征，對一段時間上的圖像序列發(fā)生動作進行分析[73-75]，或者是利用目標檢測算法，對每一幀動作進行分類，在不同動作之間的行為即是姿態(tài)轉(zhuǎn)換[76-79]。另一方面，統(tǒng)計豬只的行走距離，可以轉(zhuǎn)化為運動量來衡量豬只的健康狀況[80-82]。

(2)繁育與交互行為

豬只繁育行為主要有發(fā)情、分娩與哺乳等。母豬發(fā)情行為主要表現(xiàn)為采食量變化、頻繁訪問公豬、活動量增加和爬跨行為等。王凱等[83]使用母豬頸部穿戴式姿態(tài)傳感器，獲取運動數(shù)據(jù)結(jié)合LSTM算法分析活動量和爬跨行為實現(xiàn)母豬發(fā)情檢測。李丹等[84]使用圖像分割網(wǎng)絡Mask R-CNN對豬只爬跨圖像進行分割，界定爬跨行為的圖像像素閾值進行行為識別。莊晏榕等[85]用AlexNet網(wǎng)絡檢測當公豬試情時母豬雙耳豎立持續(xù)時間，實現(xiàn)發(fā)情行為識別，這些行為便于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測裝備進行捕獲采集，進行智能化分析判定，有利于豬場養(yǎng)殖實現(xiàn)同期發(fā)情以及保障產(chǎn)仔率。

傳統(tǒng)養(yǎng)殖中，母豬分娩行為依賴養(yǎng)殖人員的監(jiān)視，以防止仔豬死亡或母豬難產(chǎn)，但人工監(jiān)視任務繁重，且增加傳染病傳播概率，因此無接觸式的機器視覺監(jiān)測是良好的解決方案。劉龍申等[86-87]使用半圓匹配算法實現(xiàn)了初生仔豬的監(jiān)測，并基于EfficientDet目標檢測網(wǎng)絡識別哺乳母豬姿態(tài)，得出母豬哺乳面向保溫箱的姿態(tài)會使得仔豬存活率更高的結(jié)論。OKINDA等[88]根據(jù)機器視覺監(jiān)測仔豬分娩時長間隔，以判斷仔豬是否發(fā)生窒息。沈明霞等[89]利用YOLO V3目標檢測網(wǎng)絡，能夠精確識別初生仔豬，以及辨別死亡仔豬?；谏鲜黾夹g，江蘇智慧牧業(yè)裝備科技創(chuàng)新中心研發(fā)了針對限位欄場景下的圍產(chǎn)期、泌乳期階段母豬產(chǎn)房管理系統(tǒng)(圖12)，該系統(tǒng)對母豬產(chǎn)前姿態(tài)與初生仔豬目標識別的準確率高于90%，分娩時間預測誤差不超過2 h，已在生豬養(yǎng)殖示范點應用。

圖12 母豬產(chǎn)房管理系統(tǒng)原理圖Fig.12 Sow farrowing room management system schematic

關注母豬哺乳行為，是因為提升母豬的哺乳時長，能夠減少仔豬營養(yǎng)缺乏或饑餓，對豬只福利以及生豬養(yǎng)殖有著重要意義，鑒于此，閆麗等[90]利用支持向量機(SVM)對哺乳母豬聲音進行分類，不僅可以辨別哺乳聲，還可以對咀嚼、采食以及飲水聲進行區(qū)分。YANG等[91-92]與甘海明等[93-94]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡綜合時空信息等方法實現(xiàn)母豬的哺乳行為判別，可以有效統(tǒng)計母豬哺乳頻率與哺乳時長，獲取哺乳行為信息。劉亞楠等[95]基于YOLO V5進行母豬哺乳區(qū)域檢測，進而統(tǒng)計母豬哺乳時長，結(jié)合db4小波變換提升了算法檢測準確率。

豬只交互行為主要是發(fā)生在兩頭及以上豬只之間，其中主要關注的是打斗、咬尾、咬耳等行為。在集約化養(yǎng)殖過程中，由于生豬攝取的膳食纖維含量低、豬群構(gòu)成發(fā)生變化或活動空間有限時會發(fā)生以上侵略性行為[96]。長時間的侵略性行為會使豬只皮膚損傷、感染，采食減少，生長緩慢，影響豬只繁殖力，嚴重的甚至出現(xiàn)傷亡，給豬場帶來經(jīng)濟損失[97]。鑒于此，高云等[98]在C3D模型的基礎上進行群養(yǎng)豬的7類侵略性行為分類，在其收集的驗證數(shù)據(jù)集上取得了95.7%的識別準確率；劉冬等[99]設計了與早期算法類似[100-101]的自適應學習率的GMM算法，對計算的豬只運動指數(shù)運用SVM算法進行分類，取得97.6%的打斗識別準確率。

(3)咳嗽與腹瀉行為

豬只咳嗽是其出現(xiàn)呼吸道疾病的主要征兆，智能監(jiān)測系統(tǒng)通過拾音器捕獲分析聲音數(shù)據(jù)，對早期的咳嗽癥狀進行預警，有助于豬只呼吸道疾病的及時治療。豬只咳嗽檢測需要對聲音進行預處理，然后再對其中有效聲音片段進行分類。聲音預處理首先排除低頻環(huán)境噪聲對咳嗽聲的影響，再進行語言端點檢測，去除無聲音的片段。后續(xù)的聲音識別主要分為基于一維特征[102]以及將語言信息轉(zhuǎn)化為二維圖像進行識別分類的算法[103-104]。但基于孤立片段的咳嗽識別實際應用價值不大，目前已有連續(xù)豬只咳嗽識別相關方面的探討[105]，但仍需推廣到更普遍適用的場景以提高咳嗽檢測算法的實用性。

仔豬斷奶后體內(nèi)母源抗體水平降低，抵抗力差，極易發(fā)生腹瀉。浦雪峰等[106]提出一種改進運動目標檢測算法，統(tǒng)計不同豬只進入排泄區(qū)的次數(shù)，超過設定閾值則判定為腹瀉。AHMED等[107]使用三軸加速度傳感器比較腹瀉仔豬與對照組在X、Y、Z軸運動量間的差異，實現(xiàn)斷奶仔豬腹瀉的早期檢測。丁靜等[108]利用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的目標檢測算法綜合豬只排泄物與豬只的時空關系，實現(xiàn)對斷奶仔豬腹瀉檢測以及相應目標定位。對仔豬腹瀉行為及時檢測并進行治療，能夠有效降低仔豬死亡率，提升豬場經(jīng)濟效益。

3.2 智能飼喂裝備

傳統(tǒng)的限位欄模式使得豬只缺乏運動，肢蹄病增多，生理生殖功能下降，精神長期受到壓抑。隨著福利化養(yǎng)殖理念興起(例如歐盟開始施行妊娠母豬必須群養(yǎng))，根據(jù)生豬養(yǎng)殖的方式、種類以及不同階段，設計智能化飼喂裝備成為新的研發(fā)方向。市場上代表性的飼喂裝備有母豬電子飼喂系統(tǒng)、種豬性能測定系統(tǒng)、育肥豬分欄系統(tǒng)等。

母豬電子飼喂系統(tǒng)一定程度上提高了母豬健康與孕期福利，給予小群養(yǎng)母豬(母豬數(shù)量在20～40頭)較大的活動空間并進行飼喂。國外進行群養(yǎng)母豬飼喂系統(tǒng)的研究較早，目前有荷蘭NeDaP-Velos、美國Osborne-Team、加拿大JYGA-Gestal、法國Acemo-Elistar等飼喂系統(tǒng)，國內(nèi)的廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所[109]、中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所[110]等也開發(fā)了相應的裝備。母豬電子飼喂系統(tǒng)通過計算機進行控制，由一臺或者多臺飼喂站(圖13)作為控制終端。射頻讀卡器采集母豬的身份信息，控制器控制機電執(zhí)行部分精確下料。飼喂系統(tǒng)把母豬的身份、采食量、采食時間等信息通過無線方式傳輸給計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，方便豬場管理人員查看每頭豬信息，從而實現(xiàn)對母豬的精確飼喂和數(shù)據(jù)管理。目前國內(nèi)在電子飼喂系統(tǒng)上，進行了機電系統(tǒng)控制優(yōu)化[111]、精準下料[112]、云端控制[113]以及飼喂量[114]等方面的系列研究。

圖13 母豬電子飼喂站Fig.13 Sow electronic feeding station

國外對于生豬育種較為重視，丹麥首先建立了種豬性能測定站和測定方案，美國Osborne公司研制了全自動種豬性能測定系統(tǒng)FIRE，荷蘭NeDaP公司研制了種豬性能測定系統(tǒng)PPT等。國內(nèi)對于生豬育種方面較為忽視，受即時效益的引導，容易陷入“引種-退化-引種”的惡性循環(huán)，最終致使生豬養(yǎng)殖成本上升。為此，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所開發(fā)了國內(nèi)首款種豬性能測定系統(tǒng)[115-116]，中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所也開發(fā)了自主產(chǎn)權的種豬生產(chǎn)性能測定系統(tǒng)[117]。與母豬電子飼喂系統(tǒng)類似，測定站通過準確記錄種豬體質(zhì)量，計算平均日增重，以及準確記錄日采食量等重要指標，篩選出具有出色生產(chǎn)性能的測定豬只，進行遺傳選育和種豬生產(chǎn)。黎煊等[118]設計的封閉式種豬性能測定站不僅自動化程度高，而且提供豬只體尺信息，使生豬育種工作更為客觀全面。與之類似的還有保育幼豬生長性能測定系統(tǒng)[119-120]等，主要是針對不同的生長階段豬只進行設計。

進行育肥豬分欄的主要目的是為了根據(jù)豬只不同生長發(fā)育情況分欄飼喂，以實現(xiàn)同期出欄，降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖場效益。相應的智能分欄裝備，國外有荷蘭NeDaP公司、德國Big Dutchman公司的育肥豬分欄管理系統(tǒng)，國內(nèi)有段棟梁等[121]通過光電傳感器檢測豬只進出，使用地秤和電子耳標獲取豬只體質(zhì)量與身份信息，再匹配不同的通道進行分欄；張建龍等[122]利用機器視覺實現(xiàn)豬只的體質(zhì)量估計，然后自動開啟相應通道進行分欄。

3.3 智能繁育裝備

智能繁育裝備主要有公豬自動采精器、精子質(zhì)量分析儀、母豬排卵檢測儀、智能背膘測量儀、智能B超測孕儀等。這些裝備幫助豬場實現(xiàn)生豬繁殖育種，對提高母豬利用率和降低母豬非生產(chǎn)天數(shù)起到重要作用。公豬自動采精裝備借助信息素誘導公豬爬跨假母豬臺，使用氣囊和振動馬達等刺激公豬完成精液采集[123]，減少人工參與和精液污染。然后用豬只精子質(zhì)量分析儀檢測采集精液的密度與活力，篩選合格精液，配合母豬排卵檢測儀使用，降低母豬空懷率。

背膘厚度反映了母豬體況以及母豬的繁殖性能等，是進行育種選擇以及反映營養(yǎng)需求的重要參數(shù)[124-125]。自1950年Wild發(fā)表了超聲波對活體動物刺激小且對機體無害，此后超聲波測量儀器開始應用于豬只皮下脂肪的測定。CISNEROS等[126]比較了橫向與縱向超聲檢測生豬肌內(nèi)脂肪的差異，但取得的差異性并不顯著。NIOLES等[127]分析了不同飼喂方式下豬只背膘測量值與脂肪酸含量之間的關系，驗證了通過超聲波測定可以對豬只背膘進行表征與分類。馬小軍等[128]采用B超測量技術進行豬活體肌內(nèi)脂肪預測，根據(jù)獲取的圖像數(shù)據(jù)建立回歸預測模型，為豬只育種工作提供技術基礎。目前生豬背膘測量位置主要沿用20世紀70年代提出的P2點測量法[129]，倪德斌等[130]分析生豬背膘測定部位的選定方法，闡述了如何界定高質(zhì)量的B超影像和測量起止點。此外豬用超聲波設備(圖14)還可以進行母豬早期(配種后25 d左右)妊娠檢測[131-133]。

圖14 豬用超聲波設備Fig.14 Ultrasound equipment for pigs

3.4 智能環(huán)控裝備

豬只生長環(huán)境控制智能化程度較低，大多豬場通過溫度變化控制濕簾、風機開關，控制因素單一。目前有綜合多因素進行調(diào)控的物聯(lián)網(wǎng)智能環(huán)境控制系統(tǒng)(圖15)，該系統(tǒng)首先利用多種環(huán)境傳感器監(jiān)測豬舍內(nèi)部的溫濕度、二氧化碳濃度、氨氣濃度以及光強等數(shù)據(jù)，再通過無線節(jié)點把實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳入控制系統(tǒng)，綜合調(diào)控豬舍內(nèi)的通風降溫以及加熱保溫裝備等。國內(nèi)提供相應智能環(huán)控解決方案的公司有北京京鵬環(huán)宇、蘇州普立茲、南陽南商農(nóng)科、青島科創(chuàng)信達等，國外企業(yè)有瑞典Munters、韓國CIT SYSTEM等。

圖15 物聯(lián)網(wǎng)智能環(huán)境控制系統(tǒng)Fig.15 IoT intelligent environmental control system

在整體環(huán)控裝備構(gòu)建方面，曾志雄等[134-135]設計了豬舍環(huán)境無線多點多源遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用ZigBee進行無線分布式組網(wǎng)，搭載溫濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度傳感器，通過STM32主控芯片上傳服務器，實現(xiàn)WEB端的遠程監(jiān)測功能，并且對豬舍環(huán)境參數(shù)時空分布特性進行了研究[136]。與只進行監(jiān)測任務不同，李立峰等[137]利用模糊、解耦控制技術，通過機械通風與熱水采暖系統(tǒng)實現(xiàn)了豬舍環(huán)境控制，不僅保障豬舍環(huán)境溫度恒定，而且使氨氣濃度與濕度在適宜范圍。朱偉興等[138]對保育豬舍環(huán)控裝備進行無線組網(wǎng)，通過服務器客戶端即可實現(xiàn)豬舍內(nèi)部小氣候環(huán)境的自動控制、精準調(diào)控和遠程實時監(jiān)控。

在環(huán)控裝備調(diào)控策略與效果評估方面，王美芝等[139]使用PID算法對保溫燈進行變功率溫度控制，不僅滿足了仔豬溫度需求還節(jié)約電能。謝秋菊等[140]基于模糊控制理論，對于多變量的非線性環(huán)境控制系統(tǒng)，加入動態(tài)補償控制，優(yōu)化豬舍環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。針對環(huán)境控制效果滯后的問題，利用LSTM網(wǎng)絡模型結(jié)合豬舍內(nèi)歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)及時的舍內(nèi)溫濕度變化預測[141]。同時提出基于模糊集理論的豬舍環(huán)境綜合評價方法，比單一指標更合理的反映豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量情況[142]。針對母豬舍多環(huán)境因子相互耦合難以評估豬舍環(huán)境舒適度的問題，陳沖等[143]提出基于變尺度混沌布谷鳥算法的環(huán)境舒適度評價預測模型，可以為豬舍環(huán)境精準調(diào)控提供決策支持。

3.5 生豬養(yǎng)殖機器人

生豬養(yǎng)殖機器人可以取代人工提高工作效率，避免人與生豬之間的直接接觸，降低疫病傳播的可能性，能夠勝任生豬養(yǎng)殖中的復雜環(huán)境。常見的生豬養(yǎng)殖機器人主要有軌道式機器人和車載(輪式、履帶式)機器人兩種類型，這些機器人可完成巡檢、糞污清理、殺菌消毒等任務。

周麗萍[144]設計了一款集成生豬藍耳病識別、環(huán)境監(jiān)測控制和消毒噴藥的移動裝置，結(jié)合紅外與可見光圖像采用主動形狀模型定位豬只耳部位置，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡和移動通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)豬舍環(huán)境的遠程監(jiān)控，能夠在移動巡檢的同時進行消毒。連京華等[145]設計一款家禽巡檢機器人，通過視頻、聲音采集設備識別家禽異常狀況，并能夠?qū)ぷ魅藛T進行預警，通知其及時處理。CHANPRAKON等[146]開發(fā)了一種紫外線機器人，紫外線機器人采用基于 Raspberry Pi的嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)導航以避開障礙物，經(jīng)測試可以在8 s內(nèi)消除距機器人35 cm的病菌。

圖16 養(yǎng)殖機器人Fig.16 Breeding robots

瑞典DeLaval公司有成熟應用的清糞機器人RS250(圖16a)，可以按照事先設定好的軌道清理糞便，自動化程度高，其噪聲小，對牲畜幾乎無干擾，但是該產(chǎn)品是用于奶牛場糞污清理，并非專門針對豬場進行設計。江蘇智慧牧業(yè)裝備科技創(chuàng)新中心開發(fā)的豬只養(yǎng)殖智能巡檢機器人WIT-Robot(圖16b)，其主要由機器人本體、充電倉及軌道，數(shù)據(jù)存儲及上傳單元，云服務器處理系統(tǒng)構(gòu)成。巡檢機器人在軌道上全天候不間斷運行，且每5 min采集一次豬只數(shù)據(jù)，實時上傳云服務器進行數(shù)據(jù)分析處理。適用于限位欄場景下的母豬及群養(yǎng)育肥豬，對豬只體質(zhì)量、體溫、數(shù)量等信息進行非接觸式監(jiān)測，在避免豬只應激的情況下準確估測豬只體質(zhì)量、體溫，快速盤點數(shù)目。總體而言，目前生豬養(yǎng)殖機器人仍處于起步階段，相關的產(chǎn)品較為匱乏，具有更大發(fā)展空間。

4 發(fā)展趨勢展望

我國養(yǎng)豬業(yè)正向精細化、信息化、智能化方向發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)豬場提高養(yǎng)殖裝備在養(yǎng)豬成本中的占比，減少人工成本，從而降低養(yǎng)豬成本，提高生豬養(yǎng)殖的整體收益，實現(xiàn)降本增效的目標。對于豬只而言，機器換人，減少了人為接觸助長疫病傳播的概率，避免豬只應激，有利于豬只身心健康，提高了豬只生長生產(chǎn)效率與豬只福利。通過對目前生豬養(yǎng)殖裝備以及智能化發(fā)展的總結(jié)，未來的研究重點主要有：

(1)智能監(jiān)測裝備獲取豬場大數(shù)據(jù)的高效處理?，F(xiàn)代規(guī)模化豬場生豬養(yǎng)殖數(shù)量巨大，使用智能監(jiān)測裝備將產(chǎn)生海量的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，如何有效獲取、傳輸數(shù)據(jù)與提取關鍵信息將是研究重點。在數(shù)據(jù)獲取方面，監(jiān)測裝備需要擁有在豬場粉塵、高溫高濕等惡劣環(huán)境下可靠運行的能力，一方面是從監(jiān)測裝備本身著手改良，另一方面是數(shù)據(jù)有效信息分析手段的提升。另外監(jiān)測裝備是移動式還是固定式，需要從具體的應用場景出發(fā)，權衡設備成本與監(jiān)測信息價值，其中地面巡檢裝備的路徑規(guī)劃與巡檢策略，需要結(jié)合豬只的生理行為特性進行設計。在數(shù)據(jù)傳輸方面，可以考慮采取邊緣計算或分布式計算，減少海量數(shù)據(jù)帶來的傳輸帶寬以及中央服務器的處理壓力。在關鍵信息提取方面，監(jiān)測裝備獲取豬只的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，目前處理單模態(tài)的技術較為成熟，尚缺乏跨模態(tài)的數(shù)據(jù)處理手段，對信息的綜合利用程度較低。

(2)豬只精準飼喂技術與繁育淘汰模型構(gòu)建。隨著對福利化養(yǎng)殖的重視，例如歐盟開始執(zhí)行妊娠母豬必須群養(yǎng)的政策，我國可能也會在將來出臺相關規(guī)定，因此群養(yǎng)場景中的豬只電子飼喂系統(tǒng)有待進一步完善，對不同品種豬只做到全方位多階段的精準飼喂，實現(xiàn)精準飼喂降低料肉比、提高斷奶仔豬窩均重、延長母豬使用年限等目標。進而根據(jù)飼喂系統(tǒng)獲取的多維養(yǎng)殖數(shù)據(jù)評估豬只狀態(tài)，構(gòu)建恰當?shù)呢i只繁育淘汰模型，不斷優(yōu)化生豬品質(zhì)，最終提高豬場養(yǎng)殖效益。

(3)智能環(huán)控裝備與標準化豬場的配合。目前由于國內(nèi)不同地點的氣候條件差異較大，標準化豬場建設應當因地制宜，且標準化養(yǎng)豬場建設僅有基本要求[147]，缺乏可執(zhí)行性。所以需要環(huán)控裝備的設計與豬舍建設相配合，建立合理理論仿真模型，用以指導豬場的建設和環(huán)控裝備選型和具體安裝位置，并能夠?qū)Νh(huán)控裝備的運行策略予以合理配置，減少人工參與和能源消耗。且目前還缺乏環(huán)控裝備改善適宜度與豬只生長生產(chǎn)效率之間關系的研究。

(4)生豬養(yǎng)殖機器人的進一步研制與推廣。目前生豬養(yǎng)殖機器人還處于初步階段，生豬健康與環(huán)境巡檢方面還不完善，對于限位欄養(yǎng)殖模式而言，豬只身份信息可以根據(jù)欄位來確定，而應對群養(yǎng)豬只場景，巡檢發(fā)現(xiàn)的異常無法準確對應豬只身份，也無法做到長期的目標跟蹤，從而巡檢任務并不徹底。另外在實現(xiàn)清糞、消毒、免疫注射等任務的機器人方面，用于生豬養(yǎng)殖的設備還沒有應用，例如用于奶牛的清糞機器人，并不適用于目前規(guī)?；i場中采用的限位欄與漏縫地板模式，需要進行針對性的優(yōu)化設計才能實際應用。