肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

付友，都振玉，張興國(guó)，李義 ，王成森，郭瑞萍，王兆山，劉建勝**

（1.山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261061；2.山東眾客食品有限公司，山東 新泰 271200）

中國(guó)已成為世界肉鴨生產(chǎn)第一大國(guó)，肉鴨養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、數(shù)量多、發(fā)展快速[1-2]。肉鴨養(yǎng)殖業(yè)正逐步向集約化、設(shè)施化、智能化及環(huán)境友好的方向發(fā)展。但在發(fā)展過(guò)程中，仍然擺脫不了養(yǎng)殖方式粗放、效率低下、成本高、養(yǎng)殖成績(jī)不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題[3]。

養(yǎng)殖戶(hù)大都靠經(jīng)驗(yàn)養(yǎng)殖，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化養(yǎng)殖；普遍缺乏養(yǎng)殖環(huán)控計(jì)劃，或者計(jì)劃形同虛設(shè)，生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的人工觀測(cè)和決策，且這些觀測(cè)和決策沒(méi)有形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)；行業(yè)缺少對(duì)肉鴨生理習(xí)性和動(dòng)物行為的研究；物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用產(chǎn)生了大量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（視頻數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖數(shù)據(jù)、肉鴨本體數(shù)據(jù)、飼喂數(shù)據(jù)），但數(shù)據(jù)分析和利用程度很低。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、計(jì)算機(jī)仿真等先進(jìn)技術(shù)手段，設(shè)計(jì)肉鴨智慧養(yǎng)殖監(jiān)、管、控一體化數(shù)智化云平臺(tái)，實(shí)行精準(zhǔn)化智能養(yǎng)殖，可大幅降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖效率和養(yǎng)殖效益。

1 需求分析

山東、江蘇等地大力推廣立體多層籠養(yǎng)技術(shù)，土地集中利用，充分利用鴨舍空間，立體養(yǎng)殖模式占地面積是平養(yǎng)棚舍的三分之一，鴨舍長(zhǎng)80～100 m，寬14m，屋脊高4 m，一棟鴨舍可養(yǎng)20 000～26 000只肉鴨，每批規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)可出欄30萬(wàn)～50萬(wàn)羽商品肉鴨。自動(dòng)化管理系統(tǒng)雖然減少了人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，但對(duì)養(yǎng)殖設(shè)備和從業(yè)人員技能素質(zhì)提出了更高要求[4]。

肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)功能設(shè)計(jì)從規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)際情況出發(fā)，加強(qiáng)肉鴨生理和動(dòng)物行為的研究，綜合使用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、計(jì)算機(jī)仿真等先進(jìn)技術(shù)手段，將養(yǎng)殖場(chǎng)的人、畜、設(shè)備連接起來(lái)，對(duì)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理的全過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、預(yù)警和決策。為精準(zhǔn)記錄和管理肉鴨養(yǎng)殖過(guò)程，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)養(yǎng)殖環(huán)境信息、養(yǎng)殖場(chǎng)信息、畜舍信息、飼喂信息和疫病信息等，以便查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)集成肉鴨養(yǎng)殖信息智能感知技術(shù)及設(shè)備、無(wú)線傳輸技術(shù)及設(shè)備、智能處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)肉鴨養(yǎng)殖的環(huán)境監(jiān)控、智能精細(xì)飼喂、糞便清理、疾病診治等功能。應(yīng)用養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)變傳統(tǒng)養(yǎng)殖為規(guī)?；⒆詣?dòng)化、信息化、智能化的養(yǎng)殖模式，實(shí)行精準(zhǔn)化智能養(yǎng)殖[5]。

2 肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)的設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式存在的問(wèn)題，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、計(jì)算機(jī)仿真等先進(jìn)技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)（圖1）。

圖1 肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面

基于肉鴨的生理特征、動(dòng)物行為等基礎(chǔ)研究，建立肉鴨新一代體感最優(yōu)環(huán)控算法模型，并將算法模型移植到智能環(huán)控器芯片里。配合使用養(yǎng)殖專(zhuān)用傳感器實(shí)時(shí)采集的棚舍內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)，圍繞養(yǎng)殖最優(yōu)環(huán)控目標(biāo)，智能環(huán)控器自動(dòng)控制調(diào)節(jié)環(huán)控外部設(shè)備的精準(zhǔn)運(yùn)行，幫助養(yǎng)殖場(chǎng)以較低成本提高了關(guān)鍵養(yǎng)殖指標(biāo)。

肉鴨體核溫度異常是環(huán)境參數(shù)異常和健康狀態(tài)異常的重要表現(xiàn)。傳統(tǒng)養(yǎng)殖中，養(yǎng)殖人員通過(guò)人工方式手動(dòng)將體溫計(jì)插入肉鴨的泄殖腔來(lái)檢測(cè)體核體溫。肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)傳感器與健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)綁定、植入等方式將傳感芯片固定在肉鴨腋下，獲取到的體核溫度實(shí)時(shí)上傳到云端服務(wù)器，數(shù)智化云平臺(tái)對(duì)這些數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、處理學(xué)習(xí)與報(bào)警，形成肉鴨健康狀態(tài)的分析與預(yù)警模型，以利于養(yǎng)殖的生產(chǎn)管理。

2.2 大數(shù)據(jù)方面

大數(shù)據(jù)的目的并不是去追求數(shù)據(jù)量大，而是通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和分析手段預(yù)測(cè)需求、解決和避免不可見(jiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，利用數(shù)據(jù)整合產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)價(jià)值的最大化。

通過(guò)智慧養(yǎng)殖監(jiān)、管、控一體化云平臺(tái)，確保養(yǎng)殖過(guò)程中所有事件可監(jiān)控、可預(yù)警、可管理、可追溯，使設(shè)備、業(yè)務(wù)、財(cái)務(wù)、人員管理等完全透明地集成于一個(gè)數(shù)字化平臺(tái)之上。通過(guò)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，為養(yǎng)殖用戶(hù)提供養(yǎng)殖環(huán)境及飼養(yǎng)管理方面切實(shí)有效的改善建議。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，平臺(tái)還會(huì)及時(shí)給養(yǎng)殖用戶(hù)發(fā)出預(yù)警或報(bào)警指令，使養(yǎng)殖用戶(hù)可同時(shí)管理成百上千棟的棚舍，幫助養(yǎng)殖場(chǎng)減少損失。

2.3 人工智能方面

養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境異常，肉鴨悶熱時(shí)，會(huì)通過(guò)張嘴加速呼吸來(lái)散熱。傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下，人員需要1天當(dāng)中24 h內(nèi)多次進(jìn)入養(yǎng)殖舍巡檢，通過(guò)觀察肉鴨的張嘴比率來(lái)判斷肉鴨的舒適狀態(tài)，再通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)等方式來(lái)降低肉鴨的體感溫度。但人工巡檢的準(zhǔn)確度和效率很難得到保障。

建立AI攝像頭和人工智能算法，智能監(jiān)測(cè)肉鴨張嘴、扎堆等異常行為，實(shí)時(shí)進(jìn)行張嘴率統(tǒng)計(jì)和報(bào)警。利用個(gè)體識(shí)別可視化算法，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)智能盤(pán)點(diǎn)、自動(dòng)識(shí)別體長(zhǎng)、體重，進(jìn)行死禽的監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)，對(duì)異常問(wèn)題系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警和調(diào)控，使肉鴨的生長(zhǎng)一直保持在最佳舒適狀態(tài)。

建立AI疾病自動(dòng)診斷系統(tǒng)。攝像頭智能采集不同疾病的圖像、體溫和行為等大數(shù)據(jù)，建立肉鴨疾病知識(shí)圖譜。結(jié)合專(zhuān)家建議，機(jī)器學(xué)習(xí)不斷優(yōu)化，提高系統(tǒng)診斷的準(zhǔn)確性。在疾病發(fā)展初級(jí)能夠快速及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)于疾病提供相應(yīng)的預(yù)防措施和治療措施，提升疾病診斷能力、提高診斷效率，減少疾病帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

3 云平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制

傳統(tǒng)環(huán)境控制系統(tǒng)僅僅考慮溫度、濕度、體重、通風(fēng)量等幾個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)，不能應(yīng)對(duì)多變的氣候情況，不能基于肉鴨本身的健康狀態(tài)，養(yǎng)殖環(huán)控水平取決于養(yǎng)殖人員自身的經(jīng)驗(yàn)。環(huán)控設(shè)備是執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的條件和指令，需要根據(jù)外部因素的變化，不斷對(duì)條件和指令進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，環(huán)控設(shè)備不能應(yīng)對(duì)氣候變化等突發(fā)因素，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化自主調(diào)控，導(dǎo)致養(yǎng)殖舍內(nèi)溫度波動(dòng)，引起肉鴨應(yīng)激反應(yīng)，增加養(yǎng)殖管理難點(diǎn)和養(yǎng)殖成本。

肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)根據(jù)肉鴨標(biāo)準(zhǔn)化棚舍的結(jié)構(gòu)和四季環(huán)境特點(diǎn)，建立溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、硫化氫、氨氣、光照等環(huán)境因子數(shù)據(jù)庫(kù)。平臺(tái)對(duì)肉鴨養(yǎng)殖環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，集成了養(yǎng)殖場(chǎng)的溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器、氨氣濃度傳感器和攝像頭、智能網(wǎng)關(guān)、智能控制柜等控制器，建立智慧養(yǎng)殖環(huán)境感知系統(tǒng)。平臺(tái)增加智能溫濕度算法、分段加熱、智能燈光控制等功能。設(shè)置溫濕度報(bào)警、肉鴨張嘴狀態(tài)報(bào)警、實(shí)時(shí)體核溫度及健康狀態(tài)報(bào)警等功能，環(huán)控設(shè)備無(wú)人化、智能化水平不斷提升。

系統(tǒng)自動(dòng)將環(huán)控?cái)?shù)據(jù)上傳到云端，管理人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看棟舍環(huán)境數(shù)據(jù)。云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)對(duì)比、數(shù)據(jù)決策，對(duì)異常數(shù)據(jù)能進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)面向智慧養(yǎng)殖的環(huán)境監(jiān)測(cè)、超標(biāo)警報(bào)、數(shù)據(jù)可視化等功能。

3.2 養(yǎng)殖生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控與預(yù)警

設(shè)計(jì)穿戴式傳感器與配套的健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可精確地預(yù)測(cè)肉鴨的環(huán)境舒適度、健康狀態(tài)等行為，做好肉鴨的飼養(yǎng)管理。試驗(yàn)表明肉鴨在出現(xiàn)發(fā)病狀況前24～48 h，體核溫度會(huì)異常升高，且不同疾病的升溫曲線亦不相同。肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)提前檢測(cè)肉鴨發(fā)病情況，提前采取措施預(yù)防疾病，減少了抗生素的使用和經(jīng)濟(jì)損失。

傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下，飼養(yǎng)員使用效率低下的紙質(zhì)、電子excel表格記錄吃料量、飲水量、水料比和體重等信息，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，數(shù)據(jù)利用率低，分析困難。肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，形成高效的智能化數(shù)字管理模式體系。系統(tǒng)自動(dòng)生成各種養(yǎng)殖指標(biāo)，與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)自動(dòng)比對(duì)，對(duì)異常指標(biāo)自動(dòng)預(yù)警?？纱蟠蠼档腿怿啺l(fā)病率、提高生長(zhǎng)速度、降低飼養(yǎng)成本和人工成本。

3.3 數(shù)據(jù)互聯(lián)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控監(jiān)控與預(yù)警

肉鴨養(yǎng)殖數(shù)智化云平臺(tái)具備以太網(wǎng)、NBIoT、5G等通訊方式，可以使用手機(jī)APP和中央控制室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、預(yù)警、設(shè)備監(jiān)控，養(yǎng)殖數(shù)據(jù)、環(huán)控方案數(shù)據(jù)的綜合分析和展示等功能。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從“端-管-云-手機(jī)端”的全鏈傳輸和無(wú)縫連接?？蓪?shí)現(xiàn)養(yǎng)殖棚舍設(shè)備的集中監(jiān)測(cè)、預(yù)警、控制、分析，可在中央控制室集中遠(yuǎn)程進(jìn)行棟舍內(nèi)燈光、加熱裝置、飼喂系統(tǒng)、清糞帶、風(fēng)機(jī)、濕簾、導(dǎo)流板等設(shè)備等的控制，智能調(diào)整開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、電流電壓功率、流量流速、開(kāi)合角度等參數(shù)，提高飼喂效率，保證最佳養(yǎng)殖環(huán)境，減少養(yǎng)殖人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

肉鴨數(shù)智化云平臺(tái)基于對(duì)肉鴨生理與動(dòng)物行為的監(jiān)測(cè)，對(duì)動(dòng)物體感溫度、最佳環(huán)控參數(shù)的研究，綜合使用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、計(jì)算機(jī)仿真等先進(jìn)技術(shù)手段，將養(yǎng)殖場(chǎng)的人、畜、設(shè)備連接起來(lái)，對(duì)養(yǎng)殖生產(chǎn)管理的全過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、預(yù)警和決策，數(shù)智化云平臺(tái)設(shè)備連接示意圖見(jiàn)圖2。多屏多端的實(shí)時(shí)可視化展示實(shí)現(xiàn)了多棟棚舍的遠(yuǎn)程管理。使用肉鴨數(shù)智化云平臺(tái)全面降低了養(yǎng)殖成本，提高了養(yǎng)殖效率和養(yǎng)殖效益。

圖2 數(shù)智化云平臺(tái)設(shè)備連接示意圖