畜禽個體身份標(biāo)識技術(shù)發(fā)展進(jìn)程與展望

楊 亮，王 輝，陳睿鵬，熊本海

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所 畜禽營養(yǎng)與飼養(yǎng)全國重點實驗室，北京 100193）

0 前言

畜禽個體身份標(biāo)識在養(yǎng)殖、屠宰、加工到消費(fèi)等各個環(huán)節(jié)中均發(fā)揮著重要的作用。在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，基于身份標(biāo)識對豬只進(jìn)行個體生產(chǎn)性能測定，指導(dǎo)種豬的選育；基于豬只個體自動識別及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集豬只生理參數(shù)和養(yǎng)殖信息，調(diào)控生產(chǎn)環(huán)境和養(yǎng)殖流程，實現(xiàn)精準(zhǔn)養(yǎng)殖目標(biāo)。在疫病防治監(jiān)控環(huán)節(jié)，應(yīng)用標(biāo)識技術(shù)建立疫病追溯系統(tǒng)，對豬只個體的免疫情況進(jìn)行記錄，當(dāng)疫病暴發(fā)時快速追溯傳染源和傳播途徑，發(fā)現(xiàn)疫病流行趨勢和生物學(xué)規(guī)律，及時控制傳染源的移動，減少經(jīng)濟(jì)及社會損失。在產(chǎn)品貿(mào)易和食品安全環(huán)節(jié)，建立豬只及其產(chǎn)品的標(biāo)識與可追溯系統(tǒng)，保護(hù)消費(fèi)者免受食品安全事故危害。為此，各國均集中優(yōu)勢科研、產(chǎn)業(yè)力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，并取得了一定的成果。本文將重點介紹畜禽個體身份識別技術(shù)的發(fā)展演化過程，對個體標(biāo)識技術(shù)在機(jī)器視覺等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 傳統(tǒng)標(biāo)識技術(shù)

動物從野生狀態(tài)被馴化為人工養(yǎng)殖，古人就采用各種物理方法標(biāo)識，如皮膚、尾巴、嘴唇、蹄和角的紋身或烙印，耳朵的打孔或割痕，顏料的涂抹或記號，佩戴的項圈、腳環(huán)或標(biāo)簽等。

1.1 剪耳法

剪耳法又稱截耳法、耳刻法等。用特制的耳號鉗，在家畜的左、右耳打上缺口或圓洞，每個耳缺或圓洞代表特定數(shù)字，耳號組成規(guī)則包括數(shù)字規(guī)則和編碼規(guī)則。數(shù)字規(guī)則主要分為“內(nèi)外法”和“上下法”，編碼規(guī)則主要包括“大排法”、“窩排法”和“標(biāo)親法”。

1.2 紋身法

耳朵紋身是永久識別動物的常規(guī)方法之一。將出生不久的幼畜右耳里面用熱水洗凈擦干，用耳標(biāo)鉗在右耳內(nèi)部進(jìn)行穿刺。耳標(biāo)鉗可放入不同號碼針，在穿刺處涂以黑色的墨汁，或煤煙酒精溶液，對于深色或黑耳品種，使用綠色染料更適合。除耳朵紋身外，一些地區(qū)使用刺青錘紋刻號碼，對待宰豬只進(jìn)行標(biāo)記，但該法目前已基本淘汰。

紋身法必須對動物頭部進(jìn)行約束才能紋刺和識別，不適于日常使用，但標(biāo)識準(zhǔn)確率高、不易出錯、創(chuàng)口較小，不易引發(fā)細(xì)菌感染。

1.3 烙印法

最初的烙印法采用火燙烙印法，烙鐵由低碳鋼合金等優(yōu)良導(dǎo)熱體制成字符或符號形狀，將加熱的烙鐵放在動物皮膚上數(shù)秒，按照身體形狀滾動施壓，最后用冷水或傷口油緩解皮膚灼傷并促進(jìn)愈合?；鹄臃〞p傷真皮部，影響皮革質(zhì)量，而且燙傷結(jié)疤往往感染化膿，造成字跡模糊，難以識別。

由于動物福利的原因，火燙法逐漸被冷凍烙號法取代。冷凍烙鐵由銅或青銅合金制成，使用二氧化碳?xì)馄?、干冰乙醇混合物或液態(tài)氮，將烙鐵冷卻到-60℃，能破壞皮膚中生產(chǎn)色素的色素細(xì)胞，而不致?lián)p傷毛囊。該法的優(yōu)點是清晰明顯，極易識別，永不消失；操作簡便，對皮膚損傷少、無痛感。

1.4 顏色法

在生產(chǎn)過程中，有時需要作臨時標(biāo)記。如產(chǎn)仔時需在母畜和仔畜身上用相同顏色的涂料打出母畜號和仔畜號，可選用專用標(biāo)記涂料，或用易洗掉的色料作標(biāo)記。

2 條形碼標(biāo)識技術(shù)

隨著材料和工藝的發(fā)展，以塑料耳標(biāo)為主的佩戴標(biāo)識在全球畜牧業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在耳標(biāo)上增加條形碼標(biāo)識，可實現(xiàn)耳標(biāo)編號的自動識別和讀取，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建畜禽可追溯管理系統(tǒng)，建立完善食品質(zhì)量安全體系，在各國相繼得到使用和推廣。

美國組成家畜標(biāo)識開發(fā)小組，制定并建立家畜標(biāo)識工作計劃，目的是發(fā)現(xiàn)外來疫病時，能夠在48 h內(nèi)確定所有涉及的企業(yè)。2004 年開始使用具有企業(yè)編號或個體標(biāo)識的耳標(biāo)。加拿大實施“品牌加拿大”戰(zhàn)略，于2008 年實現(xiàn)80%農(nóng)業(yè)食品聯(lián)合體農(nóng)產(chǎn)品可追溯源頭。歐盟要求大多數(shù)國家對家畜和肉制品開發(fā)和強(qiáng)制性實施追溯制度，2002 年后所有銷售的產(chǎn)品必須具有可追溯標(biāo)簽。法國對屠宰的生豬，實施強(qiáng)制標(biāo)識。荷蘭在仔豬斷奶一周內(nèi)加掛耳標(biāo)，育成豬在屠宰或出口時必須用屠宰標(biāo)識。丹麥對出生的豬從出生地向外運(yùn)輸時，必須標(biāo)有耳標(biāo)。澳大利亞實施國家牲畜標(biāo)識計劃，能夠追蹤家畜從出生到屠宰的全部信息。家畜個體用認(rèn)證的耳標(biāo)或瘤胃標(biāo)識來標(biāo)識身份。當(dāng)牧場主將羊出售時，必須在申請表上填寫標(biāo)簽號碼。

中國高度重視重大動物疫病防控和食品質(zhì)量安全工作，2001 年開始實行動物免疫標(biāo)識制度；2002 年農(nóng)業(yè)部發(fā)布“動物免疫標(biāo)識管理辦法”，規(guī)定動物免疫標(biāo)識包括免疫標(biāo)識和免疫檔案，并對豬、牛、羊經(jīng)過重大疫病免疫后佩帶免疫耳標(biāo)。2005 年通過《中華人民共和國畜牧法》，規(guī)定畜禽養(yǎng)殖者必須對畜禽進(jìn)行標(biāo)識，并建立養(yǎng)殖檔案，要求采取措施落實畜禽產(chǎn)品質(zhì)量責(zé)任追究制度。2006 年農(nóng)業(yè)部頒布《畜禽標(biāo)識和養(yǎng)殖檔案管理辦法》，在北京、上海、重慶、四川三市一省啟動“動物標(biāo)識與疫病可追溯體系”建設(shè)試點，2007 年起，在全國范圍推廣“動物標(biāo)識及疫病可追溯體系”。中國使用塑料耳標(biāo)作為畜體標(biāo)識。

3 射頻識別技術(shù)

射 頻 識 別 技 術(shù)（Radio Frequency Identif ication，RFID） 是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID技術(shù)具有非接觸識別、讀取率高、防干擾能力較強(qiáng)等特點，應(yīng)用于畜禽個體標(biāo)識。RFID 標(biāo)識有多種方式，如電子耳標(biāo)、項圈、腿環(huán)等可穿戴式標(biāo)識、皮下植入式標(biāo)識、瘤胃內(nèi)置式標(biāo)識等；RFID 標(biāo)識具有集成傳感器、信號收發(fā)器等多種功能。

常用的畜禽個體RFID 主要有動物耳標(biāo)、項圈式標(biāo)簽、可注射玻璃標(biāo)簽和瘤胃電子膠囊等。

動物耳標(biāo)主要有低頻和超高頻兩種類型，兩者的芯片、天線、封裝方式等均不相同。低頻耳標(biāo)的RFID 芯片和天線組成的中間體inlay，被放置在母標(biāo)的內(nèi)部，外面被聚氨酯塑料包裹。項圈式電子標(biāo)簽根據(jù)動物種類和生理特點選擇使用，家禽多使用腳環(huán)和翅標(biāo)，應(yīng)用于種禽管理、產(chǎn)品溯源等；牛、羊等多使用項圈，應(yīng)用于分群系統(tǒng)、自動飼喂系統(tǒng)，擠奶系統(tǒng)等。注射式電子標(biāo)簽利用特殊工具將電子標(biāo)簽放置在動物皮下，通過對電子芯片不同植入位置效果對比，發(fā)現(xiàn)耳部下面位置最合適，保存率高且不易被觸摸到。家畜注射標(biāo)簽的方法會引起動物機(jī)體組織排斥反應(yīng)；受埋植位置等因素影響，存在掉標(biāo)、破損及體內(nèi)位移等問題。瘤胃電子膠囊是將電子標(biāo)簽安裝在耐酸的圓柱形外殼內(nèi)，通過動物食道放置到反芻動物的瘤胃液內(nèi)，一般會終身停留在動物的瘤胃內(nèi)。屠宰后注射式電子標(biāo)識的取出是個問題，需要避免進(jìn)入食物鏈的潛在危險。

4 機(jī)器視覺標(biāo)識技術(shù)

機(jī)器視覺是信息技術(shù)領(lǐng)域熱門的研究方向。系統(tǒng)通過分析圖像或視頻，實現(xiàn)對場景中目標(biāo)的定位、識別和跟蹤，分析和判斷目標(biāo)的行為，判斷異常情況發(fā)生，近年來被廣泛應(yīng)用于畜禽識別。非接觸式的機(jī)器視覺識別方法能提高識別的實時性和自動化程度，降低養(yǎng)殖管理成本和減少動物應(yīng)激，但是識別精度和魯棒性有待進(jìn)一步提高。

4.1 鼻紋識別技術(shù)

1922 年，Petersen 使用鼻紋識別牛個體身份，將墨汁噴在牛鼻子上，再將其印在紙上，采用肉眼觀察比對的方式進(jìn)行身份匹配；1998年，Mishra 等通過鼻紋的分布特征來開發(fā)牛的編碼系統(tǒng)，配合耳標(biāo)對牛建立檔案，實現(xiàn)了牛產(chǎn)品的全程追溯；2007 年，Barry 等通過對牛鼻紋拍攝來采集牛鼻紋信息，使用主成分分析和歐氏距離分類算法對牛鼻紋照片進(jìn)行識別，最后得出通過鼻紋識別牛的身份準(zhǔn)確率可達(dá)98.85%。雖然鼻紋具有不變性、可采集性和識別準(zhǔn)確率高等特點，但是動物動作行為具有隨意性，在采集鼻紋圖片和提升采集效率、識別優(yōu)化方面需要更進(jìn)一步的提升。

4.2 虹膜識別

虹膜是瞳孔與鞏膜之間的環(huán)形可視部分，是由隨瞳孔直徑變化而拉伸的復(fù)雜纖維狀組織構(gòu)成，動物出生前的隨機(jī)生長過程，造成了各自虹膜組織結(jié)構(gòu)的差異，具有終生不變性和差異性。虹膜總體上呈現(xiàn)一種由里到外的放射狀結(jié)構(gòu)，包含許多相互交錯的類似斑點、細(xì)絲、冠狀、條紋、隱窩等形狀的細(xì)微特征。

在紅外光照射下，反映其圖像特征的模擬信號被高分辨率的攝像機(jī)接收采樣，經(jīng)數(shù)字化后存入計算機(jī)，每個虹膜數(shù)據(jù)長度為256 字節(jié)，整個過程在系統(tǒng)中瞬間完成。虹膜識別技術(shù)的優(yōu)點是精確度高；而缺點是虹膜技術(shù)系統(tǒng)成本過高，需要比較完備的成像條件和一定的成像時間，在畜禽養(yǎng)殖中應(yīng)用較為繁瑣。

4.3 視網(wǎng)膜血管識別

視網(wǎng)膜是一些位于眼球后部十分細(xì)小的神經(jīng)，是感受光線并將信息通過視神經(jīng)傳給大腦的重要器官，用于生物特征識別的血管分布在神經(jīng)視網(wǎng)膜周圍，在采集視網(wǎng)膜的數(shù)據(jù)時，掃描器發(fā)出一束光射入使用者的眼睛，并反射回掃描器，系統(tǒng)會迅速描繪出眼睛的血管圖案并錄入到數(shù)據(jù)庫中。

視網(wǎng)膜識別技術(shù)具有相當(dāng)高的可靠性，視網(wǎng)膜血管分布具有唯一性，并且無法偽造，即使是雙胞胎動物，血管分布也是有區(qū)別的；視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)形式在動物生長過程中保持穩(wěn)定；視網(wǎng)膜識別系統(tǒng)誤識率低，錄入設(shè)備從視網(wǎng)膜上可以獲得700 個特征點，這使得視網(wǎng)膜掃描技術(shù)錄入設(shè)備的誤識率低于一百萬分之一。

視網(wǎng)膜識別技術(shù)的采集設(shè)備成本較高，采集過程較為煩瑣。視網(wǎng)膜掃描設(shè)備要獲得視網(wǎng)膜圖像，眼睛與錄入設(shè)備的距離應(yīng)在半英寸之內(nèi)，并且在錄入設(shè)備讀取圖像時，眼睛必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，使用不夠方便。

5 分子標(biāo)記識別技術(shù)

自從DNA 分子標(biāo)記技術(shù)建立以來，各種DNA 分子標(biāo)記相繼被廣泛地應(yīng)用于遺傳圖譜的構(gòu)建，評估遺傳多樣性，以及個體識別和親權(quán)鑒定等方面。常用的畜禽個體標(biāo)識的分子標(biāo)記主要有簡單序列重復(fù)（Simple Sequence Repeats，SSR）、單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP） 等， 與SSR方法有許多等位基因相比，SNP 方法僅有兩個等位基因，技術(shù)相對簡單，成本相對低廉，有益于全自動分析。在基于分子標(biāo)記的可追溯系統(tǒng)中，進(jìn)行家畜個體追溯是可行的，其優(yōu)點是具有非常高的準(zhǔn)確率，對疾病控制有顯著效果；缺點是僅能從肉制品向農(nóng)場及種畜追溯，對從超市到分銷商到加工商到屠宰場的過程無法追溯。

6 畜禽個體標(biāo)識技術(shù)研究展望

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)識別方法已不再滿足現(xiàn)代化養(yǎng)殖的要求。機(jī)器視覺技術(shù)是發(fā)展最快、應(yīng)用潛力最大的方法，在個體識別的基礎(chǔ)上，能實現(xiàn)動物跟蹤、行為感知、生理監(jiān)測、智能管控、資產(chǎn)管理的“一攬子”解決方案，未來要進(jìn)一步解決實際養(yǎng)殖條件下的技術(shù)研發(fā)和落地問題；RFID 技術(shù)較為成熟，是目前替代人工應(yīng)用較多的方法，但需要解決兼容性差的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)問題，同時開發(fā)基于RFID 的多參數(shù)感知技術(shù)；生物識別技術(shù)識別精度高，但對應(yīng)用場景、技術(shù)設(shè)備和人工參與要求較高，未來需要改進(jìn)現(xiàn)有硬件設(shè)備，提高準(zhǔn)確性、兼容性，根據(jù)使用環(huán)境和生產(chǎn)特點開發(fā)自動化生物識別系統(tǒng)。

6.1 機(jī)器視覺技術(shù)

精準(zhǔn)化養(yǎng)殖模式日益興起，在充分考慮畜禽生理習(xí)性及養(yǎng)殖裝備等因素的前提下，畜禽個體識別將向無接觸、自動化、實時、連續(xù)檢測的方向發(fā)展，特別是基于機(jī)器視覺的個體識別技術(shù)。

在數(shù)據(jù)采集技術(shù)方面，養(yǎng)殖場的環(huán)境相對復(fù)雜，受光照等因素影響，同時動物之間相互遮擋，采集數(shù)據(jù)會有所偏差，需要開發(fā)適用于各種養(yǎng)殖場景下的數(shù)據(jù)自動采集和目標(biāo)跟蹤類算法結(jié)合使用的方法。

在增量識別學(xué)習(xí)模型方面，基于大量訓(xùn)練樣本，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練的模型，僅適用于試驗場景中的畜禽個體。而養(yǎng)殖場因為種群繁殖、分群飼養(yǎng)等生產(chǎn)需求，會發(fā)生畜禽個體離群或引入新個體的情況，需要重新訓(xùn)練模型。需要將個體識別模型與遷移學(xué)習(xí)結(jié)合，開發(fā)增量識別模型，無需重復(fù)訓(xùn)練模型。

在研發(fā)嵌入式設(shè)備方面，雖然國內(nèi)外學(xué)者在實驗室開展的研究都取得較好成果，但具體應(yīng)用仍然受限。將圖像數(shù)據(jù)采集、特征提取、個體識別融合在一起，研發(fā)嵌入式識別設(shè)備成為亟需解決的問題。所開發(fā)的嵌入式設(shè)備需兼容深度學(xué)習(xí)模型，在嵌入式設(shè)備中快速高效地完成深度學(xué)習(xí)需進(jìn)一步研究。

在智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)方面，基于畜禽個體識別技術(shù)，提升個體信息采集的智能化程度，研究如何融合牛只的采食量、體溫、活動量以及體況評分等信息，及養(yǎng)殖環(huán)境對畜禽個體生長的影響，開發(fā)智能化養(yǎng)殖系統(tǒng)。

6.2 RFID 技術(shù)

畜禽個體標(biāo)識的RFID 技術(shù)方面，目前僅有低頻標(biāo)識的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，而國內(nèi)規(guī)?；瘧?yīng)用的主流技術(shù)為超高頻標(biāo)識，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面尚屬空白。

首先，提高超高頻標(biāo)識的識別精度。低頻標(biāo)識識別距離短、傳輸速率低、不具備多目標(biāo)同時識別性能。超高頻RFID 讀寫器，可同時讀取多個標(biāo)簽，讀取速率快，通過引入或改進(jìn)相應(yīng)算法可提高識別準(zhǔn)確性，排除信號干擾，應(yīng)用于大群體動物個體采食、產(chǎn)蛋、活動等行為監(jiān)測的潛力巨大。

其次，降低超高頻標(biāo)識的工作功率。超高頻標(biāo)識的工作頻率有433.92 MHz、862（902） ～928 MHz、2.45 GHz 和5.8 GHz 等，其中動物標(biāo)識使用較多的是前兩個頻段，且多為無源標(biāo)識。超高頻標(biāo)識的電磁輻射對動物的長期影響，目前尚無普遍接受的研究結(jié)果，更沒有相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到超高頻動物標(biāo)識主要在中國應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究。

最后，提高超高頻標(biāo)識的感知能力。RFID 感知技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了由“物”逐漸到“人”的主體轉(zhuǎn)化。通過進(jìn)一步主動設(shè)計并部署標(biāo)簽或者標(biāo)簽陣列，將其用于某些特定的動物行為感知應(yīng)用中，將標(biāo)簽轉(zhuǎn)化為一個輕量級的無源傳感設(shè)備用于各個方面，如聲音感知、振動感知等，實現(xiàn)標(biāo)簽從識別到感知的進(jìn)化。

6.3 生物特征識別技術(shù)

畜禽的生物特征標(biāo)識包括皮毛花紋、軀體形態(tài)、面部特征等宏觀特征，及口鼻、眼睛、血管等細(xì)微特征。開發(fā)新的生物特征標(biāo)識分析技術(shù)，及融合兩個或多個生物識別標(biāo)識，可以擴(kuò)大生物識別的應(yīng)用，提高識別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

在聲紋識別技術(shù)方面，Bell 實驗室通過觀察聲音的語譜圖第一次提出了聲紋的概念；各國學(xué)者對聲音中的個性參數(shù)進(jìn)行了研究，提出梅爾倒譜技術(shù)和線性預(yù)測分析技術(shù)，實現(xiàn)了準(zhǔn)確率的極大提高；基于最大似然概率統(tǒng)計的高斯混合模型因其簡單、可靠、穩(wěn)定的優(yōu)點，使其成為聲紋識別的重要模型之一。畜禽發(fā)聲反饋其健康狀態(tài)和生理生長信息，將是畜禽行為研究的熱點。

在步態(tài)識別技術(shù)方面，優(yōu)勢是其非接觸、遠(yuǎn)距離感知。步態(tài)特征可以分為靜態(tài)特征識別和動態(tài)特征識別兩類，靜態(tài)特征和動態(tài)特征都會影響步態(tài)識別的準(zhǔn)確性。針對養(yǎng)殖動物的步態(tài)識別，主要針對動物生病時發(fā)生步態(tài)異常的情況，在發(fā)病初期較容易觀察出異常。步態(tài)識別技術(shù)尚處于研究階段，識別準(zhǔn)確率和識別速度有待進(jìn)一步提升。