奶牛養(yǎng)殖智能化技術(shù)和裝備應(yīng)用的科學(xué)總結(jié)分析

隨著全球人口的增長和消費(fèi)模式的變化，對高質(zhì)量動物蛋白的需求持續(xù)上升，而奶牛養(yǎng)殖業(yè)作為重要的動物蛋白源之一，在滿足市場需求中扮演著關(guān)鍵角色。但傳統(tǒng)的奶牛養(yǎng)殖方法生產(chǎn)效率低下，極易造成環(huán)境污染，在目前勞動力短缺情況下，難以滿足不斷增加的市場需求。此背景下，智能化技術(shù)和裝備的應(yīng)用成為推動奶牛養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。近年來，信息技術(shù)、自動化技術(shù)以及生物技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)展極快，為奶牛養(yǎng)殖業(yè)提供了新的解決方案。智能監(jiān)控系統(tǒng)、自動喂食機(jī)器人等創(chuàng)新技術(shù)被逐漸引入到奶牛養(yǎng)殖中，不僅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還降低了對環(huán)境的影響。因此，如何將智能化技術(shù)、裝備有效整合到現(xiàn)有養(yǎng)殖體系中，確保它們既經(jīng)濟(jì)實(shí)用又符合可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，是當(dāng)前實(shí)踐中亟待解決的問題。

一、奶牛養(yǎng)殖中智能化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

1、提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量

奶牛養(yǎng)殖業(yè)中的智能化技術(shù)主要包括自動擠奶系統(tǒng)、健康監(jiān)測傳感器以及基于云的數(shù)據(jù)分析平臺。其中自動擠奶系統(tǒng)能夠確保奶牛按需擠奶，減少了人力成本，同時提高了擠奶的一致性和頻率，進(jìn)而增加了產(chǎn)奶量，而且此種自動化過程減少了由人工擠奶引起的交叉感染風(fēng)險，保證了乳品的衛(wèi)生質(zhì)量。健康監(jiān)測傳感器則能實(shí)時追蹤奶牛的健康狀態(tài)，如活動量、體溫、心率等指標(biāo)，再依托智能分析技術(shù)可及時發(fā)現(xiàn)疾病跡象，使養(yǎng)殖場的疾病預(yù)防和治療更加及時有效，此種早期干預(yù)有效減少了潛在的健康問題，從而間接提高產(chǎn)奶效率和奶質(zhì)。最后，通過收集和分析上述產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，管理人員可更好地了解奶牛的生產(chǎn)情況和健康狀況，進(jìn)而優(yōu)化飼養(yǎng)管理策略。例如，數(shù)據(jù)分析可以明確飼料對產(chǎn)奶量的影響，或者識別出最高產(chǎn)奶量奶牛的共同特征，為繁殖選擇提供依據(jù)，此種精細(xì)化管理不僅提高了生產(chǎn)效率，還提升了乳品的整體質(zhì)量。

2、降低環(huán)境影響

智能化技術(shù)在奶牛養(yǎng)殖中的應(yīng)用還有助于降低農(nóng)業(yè)對環(huán)境的影響，如精確控制飼料的投喂量和成分，可以減少飼料的浪費(fèi)并降低糞便和尿液的產(chǎn)量，進(jìn)而直接減少了農(nóng)場的氮和磷排放，而且智能環(huán)境管理系統(tǒng)能夠優(yōu)化牛棚的通風(fēng)、溫濕度，減少能源消耗。廢物利用方面，則可利用生物質(zhì)能技術(shù)，如將牛糞轉(zhuǎn)化為生物天然氣，不僅可以提供農(nóng)場的能源需求，還可減少對化石燃料的依賴，進(jìn)一步減輕了養(yǎng)殖活動對環(huán)境的影響，此種循環(huán)利用的模式不僅實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，也為農(nóng)場創(chuàng)造了新的收入來源。

3、優(yōu)化資源利用和提高成本效益

從養(yǎng)殖場生產(chǎn)的角度分析，智能喂食系統(tǒng)可以根據(jù)奶牛的具體需求和健康狀況調(diào)整飼料種類和供給量，可直接提高奶牛的生長效率和產(chǎn)奶量，不僅確保了營養(yǎng)的最大化吸收，減少了飼料浪費(fèi)，同時也優(yōu)化了生產(chǎn)成本，從而提升了經(jīng)濟(jì)收益。同時智能環(huán)境管理系統(tǒng)能夠有效地控制牛舍內(nèi)的溫度、濕度和通風(fēng)，不僅為奶牛提供了更舒適的生活環(huán)境，還可以節(jié)省能源消耗，如減少暖氣和空調(diào)的使用，此種精細(xì)化的環(huán)境控制不僅減少了養(yǎng)殖場所的能源成本，也有助于提高奶牛的健康水平和生產(chǎn)性能，進(jìn)一步提升養(yǎng)殖場的整體經(jīng)濟(jì)效益。

二、奶牛養(yǎng)殖中智能化技術(shù)和裝備的應(yīng)用策略

1、構(gòu)建智能監(jiān)控系統(tǒng)

奶牛養(yǎng)殖中的智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控目標(biāo)為奶牛個體，即利用智能化技術(shù)實(shí)時監(jiān)測每頭奶牛的健康狀況、生產(chǎn)情況和行為模式。為實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)，該系統(tǒng)應(yīng)依托于傳感器技術(shù)與數(shù)據(jù)處理平臺。

硬件層面，養(yǎng)殖場可在奶牛中布署穿戴設(shè)備和環(huán)境傳感器。其中穿戴設(shè)備如項(xiàng)圈或耳標(biāo)內(nèi)嵌RFID（射頻識別）芯片與傳感器，可持續(xù)追蹤個體奶牛的活動量、位置和身體溫度，利用此數(shù)據(jù)可以監(jiān)測奶牛的運(yùn)動活躍度，從而間接推斷其健康狀況。例如，奶牛減少移動可能代表其存在疾病或存在外傷，身體溫度的異常波動可能是處于發(fā)情周期或健康問題的早期預(yù)警?？紤]到采食量下降可能預(yù)示著健康問題或營養(yǎng)不足，所以可在奶牛頭部安裝咀嚼次數(shù)傳感器記錄奶牛的采食行為，并將皮膚溫度傳感器安裝在擠奶區(qū)域，監(jiān)測潛在乳腺炎情況。

軟件層面則依托數(shù)據(jù)處理平臺分析收集到的數(shù)據(jù)，該平臺應(yīng)具備機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠?qū)Υ罅繗v史和實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并建立起每頭奶牛健康和生產(chǎn)性能的模型，通過對比實(shí)時數(shù)據(jù)與歷史模型可以快速識別出異常行為或健康指標(biāo)。為將奶牛的數(shù)據(jù)和實(shí)際相對應(yīng)，可增設(shè)圖像識別技術(shù)，將攝像頭安裝于牛舍各處關(guān)鍵位置捕捉視頻流，并使用圖像識別軟件來分析視頻內(nèi)容，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，可辨認(rèn)特定行為模式如進(jìn)食、休息等，并且奶牛是否存在監(jiān)測跛行等運(yùn)動障礙。

上述所有設(shè)備均需連接至中心處理單元，該處理單元可位于農(nóng)場本地服務(wù)器或云基礎(chǔ)設(shè)施，以保證信息實(shí)時上傳，同時構(gòu)建穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，確保有足夠帶寬以支持海量數(shù)據(jù)流的無延遲傳輸。

2、構(gòu)建自動喂食系統(tǒng)

自動喂食系統(tǒng)可保證每頭奶牛根據(jù)其生理需求獲得適量及適宜類型的飼料，以提升整體健康和生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)收集與分析方面，依托上述智能監(jiān)控系統(tǒng)所安裝的傳感器，可以收集關(guān)于奶牛的各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，如體重、活動量、產(chǎn)奶量及采食行為等，此類數(shù)據(jù)再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央處理系統(tǒng)，用于分析每頭奶牛的營養(yǎng)需求和飼料攝入量，同時考慮飼料的營養(yǎng)成分，確保配方滿足不同生產(chǎn)階段奶牛的需求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段需要規(guī)劃飼料的存儲、輸送和分配過程。飼料庫應(yīng)設(shè)計(jì)為能夠存儲多種類型的飼料，同時保持其新鮮度和防止交叉污染。輸送系統(tǒng)，可采用螺旋輸送帶或氣動輸送系統(tǒng)，需能夠高效、準(zhǔn)確地將飼料從存儲區(qū)輸送到喂食點(diǎn)，分配器則需能夠根據(jù)軟件算法的指令，精確分配飼料給每頭奶牛。具體而言，飼料庫存儲設(shè)計(jì)需根據(jù)動物數(shù)量和喂養(yǎng)周期估算所需飼料總量，以確定庫存容量，并設(shè)計(jì)多個獨(dú)立艙室以存放不同類型的飼料，防止交叉污染，在其中安裝恒溫恒濕設(shè)備以保持飼料新鮮，避免霉變和營養(yǎng)流失，最后確保倉庫密封性好，并采用適當(dāng)措施預(yù)防蟲害。輸送系統(tǒng)方面，可根據(jù)飼料類型選擇輸送機(jī)型，其中螺旋輸送帶適合干燥顆?；蚍勰钗锪?，氣動輸送系統(tǒng)則適合于長距離或多點(diǎn)分配需求，最后使用傳感器監(jiān)測輸送狀態(tài)，確保準(zhǔn)確無誤。分配器設(shè)計(jì)方面，則可以使用螺旋計(jì)量器或電子稱重設(shè)備精確控制每份飼料的重量，并根據(jù)奶牛的生產(chǎn)情況、健康狀況和營養(yǎng)需求編寫算法，以實(shí)現(xiàn)精確分配。

硬件選擇關(guān)鍵在于系統(tǒng)的可靠性和耐用性，選擇的設(shè)備需要能夠適應(yīng)農(nóng)場環(huán)境，抵抗塵土、濕氣等惡劣條件，并且容易維護(hù)。同時，考慮到不同奶牛的需求，喂食系統(tǒng)的組件如飼料稱重傳感器、自動門控制器等都應(yīng)定期檢查，避免其精度不足，出現(xiàn)過量或不足喂食的情況。軟件方面則是自動喂食系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)處理收集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)奶牛的需求計(jì)算出每天每頭奶牛的飼料配方和分配量。具體而言，可基于動物營養(yǎng)學(xué)的原理，考慮奶牛的體重、生產(chǎn)階段（如泌乳期或干乳期）、健康狀況、產(chǎn)奶量以及環(huán)境因素，建立數(shù)學(xué)模型，以該模型為核心輸出每頭奶牛每天所需的各種營養(yǎng)素的最佳量。再輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，如個體奶牛的實(shí)時數(shù)據(jù)（從傳感器等獲得）和飼料成分的數(shù)據(jù)庫信息。使用線性編程（LP）或非線性編程（NLP），找出在滿足所有營養(yǎng)需求的前提下，成本最低的飼料組合，處理成本與營養(yǎng)需求之間的權(quán)衡，同時考慮飼料的可獲得性和新鮮度。一旦確定了最優(yōu)飼料配方，再根據(jù)奶牛的日常活動和生理節(jié)律，制定喂食計(jì)劃，并開發(fā)與飼料配送硬件（如自動喂食機(jī)、螺旋輸送帶、氣動輸送系統(tǒng)等）交互的控制邏輯，將交互邏輯輸入到分配器中，利用PLC對分配器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)自動喂食。

按照上述方法將自動喂食系統(tǒng)安裝完畢后，再對系統(tǒng)進(jìn)行測試，確保所有部件都能按照預(yù)定程序正常工作。在系統(tǒng)投入使用后，進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控和維護(hù)，定期檢查硬件的磨損情況、軟件的更新版本以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，避免因損壞影響到喂食。考慮到后續(xù)管理人員使用過程的易用性，該軟件應(yīng)具備用戶友好的界面，即便無相關(guān)信息技術(shù)教育背景的工作人員也可根據(jù)界面設(shè)定喂食計(jì)劃、調(diào)整飼料配方和監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，而且軟件還需要能夠自動記錄喂食數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理和未來的決策提供依據(jù)。

3、采用自動擠奶機(jī)器人

自動擠奶機(jī)器人系統(tǒng)可大幅降低養(yǎng)殖場對于勞動力的需求，實(shí)現(xiàn)整個擠奶過程的自動化，提升效率和奶質(zhì)量。該技術(shù)應(yīng)用中，養(yǎng)殖場需評估現(xiàn)有的設(shè)施條件和經(jīng)濟(jì)能力，確定引入自動擠奶機(jī)器人的可行性，并綜合考慮場地布局、動物管理、技術(shù)選型、人員培訓(xùn)和系統(tǒng)維護(hù)等因素。確定該技術(shù)的應(yīng)用具有可行性后，將自動擠奶機(jī)器人應(yīng)安裝在易于牛群進(jìn)出的位置，同時保證有足夠空間容納相關(guān)的設(shè)備和技術(shù)支持設(shè)施。擠奶區(qū)的設(shè)計(jì)需符合動物自然行為習(xí)慣，并利用食物引誘奶牛自主進(jìn)入擠奶站，也可對牛舍進(jìn)行改造或設(shè)計(jì)，以便于自然牽引奶牛至擠奶站，并區(qū)分待擠區(qū)和后待區(qū)，以控制奶牛流動和減少奶牛等待時間。

技術(shù)選型方面，可選擇適合養(yǎng)殖規(guī)模和特定需求的自動擠奶機(jī)器人。目前市場上的自動擠奶系統(tǒng)各有特點(diǎn)，如擠奶站的類型（如固定或移動站）、擠奶機(jī)器人的臂型（如橫向或縱向移動）等，但不同系統(tǒng)的配置和性能存在一定差異，其擠奶效率和適應(yīng)性各不相同。其中固定擠奶站則在固定位置設(shè)有擠奶裝置，奶牛按計(jì)劃進(jìn)行擠奶，此種類型適合于中到大規(guī)模的養(yǎng)殖場，可以實(shí)現(xiàn)較高的擠奶效率，但固定擠奶站需要對奶牛進(jìn)行針對性訓(xùn)練，以適應(yīng)固定的擠奶流程。移動擠奶站則可移動到奶牛所在區(qū)域進(jìn)行擠奶，更加靈活，適合小規(guī)模養(yǎng)殖場或者對奶牛干擾要求較高的養(yǎng)殖場中，移動擠奶站對奶牛的應(yīng)激反應(yīng)較小，有利于提高奶質(zhì)和奶量。臂型方面，橫向移動的機(jī)器人的擠奶臂可沿著奶牛身體的橫向移動，適合于空間較寬敞的養(yǎng)殖場，可以更靈活地適應(yīng)不同體型的奶牛，但需要更大的空間。縱向移動的機(jī)器人則沿著奶牛身體的縱向方向移動，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，適用于空間有限的環(huán)境，而且縱向移動的設(shè)計(jì)適合小到中型養(yǎng)殖場，能有效利用區(qū)域上方的空間，提高了空間利用率。在選擇適合的自動擠奶機(jī)器人時，大規(guī)模養(yǎng)殖場可選擇固定擠奶站和橫向移動的機(jī)器人，以提高擠奶效率，而小規(guī)模養(yǎng)殖場可選擇移動擠奶站和縱向移動的機(jī)器人，以減少對空間的要求和對奶牛的干擾。

4、構(gòu)建自動化環(huán)境管理系統(tǒng)

為保持牛舍內(nèi)的環(huán)境條件，控制溫度、濕度、光照和空氣質(zhì)量等參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，可結(jié)合傳感器技術(shù)構(gòu)建自動化環(huán)境管理系統(tǒng)。和智能監(jiān)控系統(tǒng)不同，環(huán)境管理系統(tǒng)的傳感器安裝位置主要在牛舍內(nèi)部環(huán)境，負(fù)責(zé)實(shí)時收集牛舍內(nèi)的溫度、濕度、氨氣濃度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，應(yīng)選擇高質(zhì)量傳感器，并合理布局于牛舍內(nèi)以覆蓋所有關(guān)鍵區(qū)域。例如，溫度和濕度傳感器應(yīng)分布在不同高度和區(qū)域，以反映牛舍內(nèi)的整體和局部環(huán)境條件。數(shù)據(jù)收集后，利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央處理單元，該中央處理單元是自動化環(huán)境管理系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)分析傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和算法，決定是否需要啟動調(diào)節(jié)設(shè)備來優(yōu)化牛舍環(huán)境。例如，如果監(jiān)測到牛舍內(nèi)部溫度超過設(shè)定的舒適范圍，中央處理單元將自動啟動通風(fēng)系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)以降低溫度。同理，如果濕度過高，系統(tǒng)會增加通風(fēng)或啟動除濕設(shè)備，光照則通過自動調(diào)節(jié)窗戶遮陽或內(nèi)部照明強(qiáng)度來控制。

對于空氣質(zhì)量管理，當(dāng)氨氣或二氧化碳濃度超過安全標(biāo)準(zhǔn)時，中央處理單元可啟動增強(qiáng)通風(fēng)或空氣凈化系統(tǒng)，以快速降低有害氣體濃度至安全水平，此過程中，系統(tǒng)需考慮外部環(huán)境條件，如外界溫度極低時，過度通風(fēng)可能會導(dǎo)致牛舍內(nèi)溫度過低，因此需要智能判斷并平衡各種環(huán)境因素的影響。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，系統(tǒng)可以根據(jù)牛只的生長階段、健康狀況和生產(chǎn)周期自動調(diào)整環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。比如，幼崽和泌乳期的牛只對環(huán)境條件的需求不同，系統(tǒng)可根據(jù)這些需求自動調(diào)節(jié)，以促進(jìn)健康成長和高效生產(chǎn)。

5、建立自動化廢物回收處理系統(tǒng)

為避免奶牛養(yǎng)殖過程中糞污水對外部環(huán)境造成影響，養(yǎng)殖場內(nèi)部首先應(yīng)設(shè)計(jì)高效的糞便收集機(jī)制，將刮糞板或者滾筒式糞便清理機(jī)器人安裝在牛舍地面下方，自動收集分布在牛舍內(nèi)的固體廢棄物，并定時運(yùn)行，將糞便推向預(yù)先設(shè)置的集中位置或直接輸送至主要處理區(qū)域。在糞便轉(zhuǎn)移過程中應(yīng)使用封閉式輸送系統(tǒng)，如螺旋輸送帶或真空管道系統(tǒng)，以減少異味釋放到環(huán)境中并防止二次污染。糞污進(jìn)入主要處理區(qū)域后，使用機(jī)械篩選器或沉淀技術(shù)進(jìn)行液體與固體分離，為后續(xù)堆肥或者作為生物能源原料使用，而液態(tài)部分則可用于灌溉或者經(jīng)過進(jìn)一步處理后排放。對于固體廢物進(jìn)行堆肥化處理時，可采用自動翻堆機(jī)械加速有機(jī)物質(zhì)分解過程，以提升堆肥質(zhì)量縮短堆肥周期。同時，在整個處理流程中安裝傳感器監(jiān)測溫度、濕度、氣體排放等關(guān)鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時反饋至中央控制系統(tǒng)以優(yōu)化操作參數(shù)。例如，在發(fā)酵過程中監(jiān)測氨氣和硫化氫等有害氣體濃度，并通過通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)內(nèi)部空氣質(zhì)量。最后將已經(jīng)穩(wěn)定且符合標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)肥料輸出給農(nóng)田使用或銷售市場，液態(tài)廢棄物可經(jīng)過適當(dāng)處理作為灌溉水復(fù)用回農(nóng)場土地。

綜上所述，本文圍繞奶牛養(yǎng)殖智能化技術(shù)和裝備，結(jié)合奶牛養(yǎng)殖流程，進(jìn)行了深入探討。實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)人員可結(jié)合養(yǎng)殖場實(shí)際情況，依托傳感器技術(shù)，構(gòu)建智能監(jiān)控系統(tǒng)和自動喂食系統(tǒng)，生產(chǎn)方面，可采用自動化擠奶機(jī)器人降低對勞動力的需求。同時為提高牛奶產(chǎn)量，可構(gòu)建自動化環(huán)境管理系統(tǒng)，創(chuàng)建良好的養(yǎng)殖環(huán)境。污染方面，則可結(jié)合養(yǎng)殖場所結(jié)構(gòu)，建立自動化廢物回收處理系統(tǒng)，降低對環(huán)境的污染。未來，隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，將有更為先進(jìn)的智能化技術(shù)與裝備應(yīng)用于奶牛養(yǎng)殖業(yè)，進(jìn)一步推動行業(yè)向著更加高效、環(huán)保的方向發(fā)展，相關(guān)人員應(yīng)積極采納新技術(shù)，并探索如何將其融入奶牛養(yǎng)殖中，以促進(jìn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

（作者單位：751100 寧夏回族自治區(qū)吳忠市利通區(qū)畜牧獸醫(yī)技術(shù)服務(wù)中心）

DOI： 10.3969/j.issn.1003-1650.2024.28.036