肉鴨養(yǎng)殖環(huán)控智能化管理技術(shù)探討

付友 王成森 郭瑞萍 李義 王兆山 劉建勝

中圖分類號：S834.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C 文章編號：1673-1085（2023）08-0059-03

中國是世界肉鴨生產(chǎn)第一大國，2022年中國大陸肉鴨出欄重量占世界總重量比約為69%，全年商品肉鴨出欄40.02億只，總產(chǎn)值1 203.07億元 [1]。肉鴨養(yǎng)殖環(huán)境是影響肉鴨健康生長和產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一，改善其生活環(huán)境能提升肉鴨養(yǎng)殖水平和生產(chǎn)性能[2]。肉鴨產(chǎn)業(yè)正在加速數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)手段推動肉鴨產(chǎn)業(yè)智能化改造是肉鴨產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[3]。立體籠養(yǎng)鴨舍養(yǎng)殖裝備布置密集、肉鴨飼養(yǎng)密度大、環(huán)境控制難度大，對環(huán)境穩(wěn)定性要求十分嚴(yán)格[4]，應(yīng)用智能環(huán)控技術(shù)能更精準(zhǔn)調(diào)控養(yǎng)殖環(huán)境。本文從肉鴨智能環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、肉鴨立體養(yǎng)殖全棚育雛技術(shù)和肉鴨養(yǎng)殖棚舍CFD仿真模擬等方面闡述了肉鴨養(yǎng)殖過程中環(huán)境控制智能化，實(shí)現(xiàn)肉鴨養(yǎng)殖環(huán)控信息感知準(zhǔn)確全面、安全可靠、決策及時(shí)、立體覆蓋、高效運(yùn)行。

1 肉鴨智能環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肉鴨養(yǎng)殖環(huán)境的穩(wěn)定性、通風(fēng)均勻性、環(huán)境調(diào)控程度和環(huán)境應(yīng)激對肉鴨生產(chǎn)至關(guān)重要。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市面上的環(huán)控設(shè)備主要存在以下問題：一是產(chǎn)品控制路數(shù)固定，后期升級換代只能直接更換；二是產(chǎn)品功能固定，不能根據(jù)用戶需求和技術(shù)發(fā)展及時(shí)更新升級軟件；三是環(huán)境數(shù)據(jù)無法上云；四是無自主邏輯，全靠養(yǎng)殖人員預(yù)置，養(yǎng)殖成績完全取決于養(yǎng)殖人員的經(jīng)驗(yàn)和水平；五是操作界面復(fù)雜，學(xué)習(xí)成本高。

傳統(tǒng)環(huán)控器只是基于溫度、日齡、體重、最小通風(fēng)量等幾個簡單參數(shù)，既不能應(yīng)對復(fù)雜的氣候變化，又不能基于肉鴨本身健康狀態(tài)，其養(yǎng)殖環(huán)控水平取決于養(yǎng)殖人員自身對環(huán)控的理解水平。

1.1 智能環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于肉鴨生理學(xué)和動物行為學(xué)研究——肉鴨體感溫度的量化算法和對環(huán)境微氣候中的熱能工程學(xué)、空氣動力學(xué)、傳熱學(xué)、PID精準(zhǔn)通風(fēng)控制算法的研究實(shí)踐，設(shè)計(jì)研發(fā)具有人工智能算法和控制邏輯的肉鴨養(yǎng)殖邊緣端控制系統(tǒng)。利用算法代替人的經(jīng)驗(yàn)完成自動調(diào)控，同時(shí)根據(jù)既往歷史數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化算法模型，使養(yǎng)殖從“主觀經(jīng)驗(yàn)型”轉(zhuǎn)變成“模型和數(shù)據(jù)型”。

1.2 智能環(huán)控系統(tǒng)的創(chuàng)新

1.2.1 通風(fēng)量的變化 增加變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，利用智能插補(bǔ)算法，在增加較少成本的情況下實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量近似無極變化，同時(shí)降低傳統(tǒng)通風(fēng)等級切換時(shí)較大風(fēng)量落差造成的落風(fēng)點(diǎn)短時(shí)變化以及對肉鴨的應(yīng)激，更靈敏應(yīng)對棚舍環(huán)境的細(xì)微變化并調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)微調(diào)。傳統(tǒng)通風(fēng)與改進(jìn)后的通風(fēng)量變化對比圖見圖1。

1.2.2 環(huán)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì) 環(huán)控系統(tǒng)從電路板到機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用可裁剪、可擴(kuò)展、可插拔的設(shè)計(jì)思路。環(huán)控系統(tǒng)可無限擴(kuò)展，便于后期升級改造。環(huán)控系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容見表1。

1.2.3 安裝高精度傳感器 利用安裝在棚舍各個位置的高精度傳感器，綜合計(jì)算棚舍不同位置的溫差，自動調(diào)整屋頂風(fēng)機(jī)、攪拌風(fēng)機(jī)、尾部風(fēng)機(jī)，使棚舍綜合溫差小于1.5 ℃，實(shí)現(xiàn)育雛期不再分群，大大節(jié)省分群所造成的肉鴨應(yīng)激，降低人力成本。每個日齡按照濕熱系數(shù)進(jìn)行濕度調(diào)整，根據(jù)外界溫度的變化進(jìn)行濕度補(bǔ)償，避免因外界天氣突變導(dǎo)致通風(fēng)問題。

1.2.4 具有智能報(bào)警功能 增加了大量的智能報(bào)警功能，包括：露點(diǎn)溫度報(bào)警、肉鴨張嘴狀態(tài)報(bào)警、肉鴨實(shí)時(shí)體核溫度及健康狀態(tài)報(bào)警、溫濕度報(bào)警、體感溫度報(bào)警、氣體濃度報(bào)警、負(fù)壓報(bào)警、通風(fēng)異常預(yù)警、溫度驟變報(bào)警、棚舍溫差報(bào)警、斷電報(bào)警等功能。

1.2.5 具備以太網(wǎng)、NB-IoT及5G功能 可靈活接入后臺監(jiān)、管、控一體化智慧平臺，通過手機(jī)APP或中央控制室大屏，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、多級預(yù)警、設(shè)備監(jiān)控、養(yǎng)殖過程數(shù)據(jù)、通風(fēng)方案數(shù)據(jù)的綜合分析和展示。

1.2.6 研發(fā)一種基于紅外熱成像實(shí)時(shí)監(jiān)測肉鴨體表溫度異常變化的技術(shù) 利用紅外熱成像環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和肉鴨體表溫度監(jiān)控技術(shù)、肉鴨本體物聯(lián)網(wǎng)無線溫度傳感技術(shù)，紅外熱成像的拍攝圖片，分析找出亞健康肉鴨個體，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，提醒養(yǎng)殖戶應(yīng)對處理，減少損失，提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。

2 肉鴨立體養(yǎng)殖全棚育雛技術(shù)

目前國內(nèi)肉鴨立體養(yǎng)殖，主流的通風(fēng)模式是縱向通風(fēng)模式，優(yōu)點(diǎn)是簡單、成本低，同時(shí)缺點(diǎn)也很明顯。傳統(tǒng)肉鴨立體養(yǎng)殖模式下的育雛過程：

（1）先在中間層育雛，再均分轉(zhuǎn)群到其他層育成； （2）育雛期間使用料盤人工上料，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且料盤易污染；（3）采用小窗進(jìn)風(fēng)+末端風(fēng)機(jī)負(fù)壓出風(fēng)方式，棚舍的前后之間、上下層之間的溫差較大，甚至可以達(dá)到6～8 ℃的溫差；（4）傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)用3個溫度探頭的平均值參與控制，難以實(shí)時(shí)量化描述和控制復(fù)雜的棚舍內(nèi)環(huán)境；（5）大量采用人工觀測手段來判斷肉鴨的體感溫度。

研究全棚育雛技術(shù)，創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）建立在屋頂風(fēng)機(jī)＋攪拌通風(fēng)的基礎(chǔ)上，用垂直排風(fēng)取代縱向排風(fēng)，育雛期間籠內(nèi)靜壓無風(fēng)；（2）通過智能環(huán)控算法、CFD流體動力學(xué)仿真技術(shù)和智能供熱系統(tǒng)，9個溫度探頭全部參與環(huán)控控制，實(shí)現(xiàn)溫差自動調(diào)節(jié)（舍內(nèi)各處溫差相差1 ℃以內(nèi)，體感溫差0.5 ℃以內(nèi)）；（3）通過采食孔技術(shù)、一體化調(diào)節(jié)擋板技術(shù)、喂料行車智能控制系統(tǒng)等多種技術(shù)手段，在整個育雛期間不再使用料盤和人工加料，育雛期間一次性上苗育雛、不再轉(zhuǎn)群分群，直到出欄；（4）結(jié)合AI人工智能肉鴨張嘴自動監(jiān)測技術(shù)、肉鴨穿戴式無線體核溫度監(jiān)測技術(shù)、養(yǎng)殖巡檢機(jī)器人技術(shù)，大大提升育雛期間的精準(zhǔn)控制水平和智能化自動化水平，并最終實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖成活率、料重比和只增重方面養(yǎng)殖成績的穩(wěn)定提高。

3 肉鴨養(yǎng)殖棚舍CFD仿真模擬

計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）廣泛應(yīng)用于畜禽舍內(nèi)部環(huán)境研究[5]，應(yīng)用CFD計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，模擬肉鴨養(yǎng)殖棚舍通風(fēng)效果，對鴨舍內(nèi)環(huán)境包括風(fēng)速、溫度和相對濕度進(jìn)行評估分析，合理優(yōu)化鴨舍通風(fēng)模式提高舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量[6]，指導(dǎo)優(yōu)化養(yǎng)殖棚舍通風(fēng)設(shè)計(jì)、加熱制冷設(shè)計(jì)、空氣流動設(shè)計(jì)，保障最佳養(yǎng)殖效果。CFD仿真能夠?qū)ε锷嵩O(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性進(jìn)行驗(yàn)證，嘗試新的設(shè)計(jì)思路，能夠解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)中沒有標(biāo)準(zhǔn)、缺乏科學(xué)依據(jù)的問題。采用通風(fēng)仿真對問題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，能夠讓養(yǎng)殖戶比較直觀了解問題。養(yǎng)殖規(guī)劃設(shè)計(jì)中結(jié)合流體力學(xué)（CFD）仿真計(jì)算，對設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性進(jìn)行驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)與不足，并提出改進(jìn)方案，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中先建設(shè)、后改造帶來的巨大試錯成本。養(yǎng)殖棚舍流體力學(xué)仿真效果圖見圖2。

參考文獻(xiàn)：

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[2] ?趙東偉，王錢保等.雞舍環(huán)境參數(shù)控制與福利養(yǎng)殖研究進(jìn)展[J].中國家禽. 2023，45（03） ：99-105.

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[4] ?李保明，王陽，鄭煒超，等. 中國規(guī)?；B(yǎng)雞環(huán)境控制關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)施設(shè)備研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào). 2020，36（16）： 212-221.

[5] ?程瓊儀，穆鈺，李保明.進(jìn)風(fēng)位置對縱向通風(fēng)疊層雞舍氣流和溫度影響CFD模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2019，35（15）：192-199.

[6] ?董耀宗. 階梯籠雛雞舍夏冬季熱環(huán)境CFD模擬與效果測試分析[D].重慶：西南大學(xué)，2022.