我国畜牧业信息化与智能装备技术应用研究进展*

2018-05-22熊本海郑姗姗

中国农业信息 2018年1期

熊本海，杨亮，郑姗姗

（中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京100193）

0 引言

随着“互联网+”技术［1］向传统产业的不断渗透，现代畜禽养殖业的发展标志之一必然是与互联网技术进行深度融合，通过智能化装备，全面“感知”生产要素与生产环境，通过精准化生产控制，生产过程可跟踪与产品质量可溯源，畜产品的扁平化流通，以及通过信息技术的应用实施畜牧业产前、产中及产后的个性化服务，以期达到畜牧业生产的全透明管理，最小化各种资源的投入，最大化畜产品的产出，包括数量与质量及环境的综合效益的改善，实现节本增效及提质增效的多赢效果。以“互联网+”技术为基础的物联网技术逐步渗透到畜牧生产的各个领域，通过集成与自主开发，不断有研究报道畜禽养殖环境监测物联网、精细饲养物联网及畜产品质量安全溯源物联网等内容［2-3］。信息技术及智能设备的装备已经成为畜牧业生产力的主要要素，逐步成为现代畜牧业的制高点，也越来越得到行业的认可，为助推畜牧业产业升级、合理利用畜牧业生产的全要素资源、提高畜牧业数字化管理水平、提高畜禽经营者的收入发挥着不可或缺的作用。尤其，在中共中央总书记习近平在2017年底提出要“审时度势、精心谋划、超前布局、力争主动，实现国家大数据战略、建设数字经济中国［4］”的号令下，实施以“互联网+”为基础的、集成“信息感知—畜牧业生产理论（农艺）—智能装备”为一体的现代畜牧业也是新形势下促进新农村经济社会全面发展的重大战略部署，是践行新“四化”战略的重大举措，也是解决“三农”问题，振兴乡村经济发展［5］的新动力。

1 畜牧业信息化与智能装备研究进展

1.1 畜禽编码标准与标识技术研究

1.1.1 国际上家畜标识标准的制定现状

解决畜禽的个体及小群体的编码与标识是发展信息型畜牧业的基础，不仅是解决畜禽的个性化育种、繁殖与精细饲喂与管理的基础，也是实现畜产品生产的全程跟踪与溯源的基础［2］。因此，可以说，没有针对畜禽及其产品的编码与标识，也就没有畜牧业的现代化与信息化。

在国际上，国际标准化组织（ISO）发布有动物管理RFID（Radio Frequency IDentification）方面标准，主要包括ISO 11784/11785和ISO 14223三个标准［6］。ISO 11784编码结构规定了动物射频识别码的64位编码结构，动物射频识别码要求读写器与电子标签之间能够互相识别。代码结构为64位，其中的27～64位可由各个国家自行定义。而ISO 11785技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134.2kHz，属于低频RFID。此外，ISO 14223-2-2010则是针对动物射频识别高级应答器的指令结构与编码，主要实现让动物数据直接存储在标记上，可以在离线状态下直接取得每只动物的数据，进而改善库存追踪以及提升全球的进出口控制能力。通过符合ISO 14223标准的读取设备，可以自动识别家畜，它所具备的防碰撞算法和抗干扰特性，即使家畜的数量极为庞大，识别也没有问题。ISO 14223标准包含空中接口、编码和命令结构、应用3个部分，它是ISO 11784/11785的扩展版本，但标准的实施成本较高，目前在中国推广尚需时日。

动物电子标识的编码及技术准则标准目前主要在美国、日本及我国台湾省推广应用，而且采用的编码均为15位编码［7］，且前3位代表国家或地区编码。例如，以“840”开头代表美国，符合ISO 3166规范［7］。图1是美国应用于家畜标识的6种封装的RFID标签。

图1所示，每一种电子标签的外壳上，都印制有肉眼可识读的、均以“840”开头的15位编码，且数字非常醒目，便于人眼阅读。此外，耳标上也均带有“”的Logo标志，结合了肉眼识别与电子机器自动识别两种识别方式的优点。上述耳标的内部RFID芯片符合ISO11784/85的标准，但封装后的耳标没有国际标准，仅服从生产企业的内部标准或规范，主要由美国安乐福（Allflex）公司生产［9］，并取得美国农业部的许可。

图1 美国农业部授权使用的6种RFID家畜（野牛、牛、鹿、麋鹿）用电子标签Fig.1 Six kinds of official animal RFID button and panel RFID ear tags in USA used for Bison，Cattle，Deer and Elk.

在加拿大，成立了专门的牛标识管理机构（Canadian Cattle Identification Agency，CCIA），并执行加拿大牛的标识与追溯体系计划［8］。在该计划中采用的耳标对所有离开其原种群的牛及野牛进行分别标识，其耳标编码具有唯一性，但长度没有明确规定。图2是CCIA采用的非RFID的牛只耳标。耳牌正面上除有官方的标志外，还有唯一编码对应的二维码，便于机器阅读。特别地，在耳标上还增加了犊牛编码或牛群管理编号，如图2中所示“1234”。该编码可以对应牛场编号，更有利于对于牛群的管理，具有个体的唯一性编码无法实现的特性。

此外，加拿大的养殖业协会组织实施的猪溯源计划项目采取的猪的个体编码则是由猪业协会组织发放的15位编码，同样在耳标上也可以附件猪群的编码号，如图3所示的“12345B”的图形，并具有不同的Logo标识。

图2 加拿大牛只耳标及其标识信息Fig.2 Canadian cattle ear tag and its identification information

图3 一种加拿大的猪只个体耳标Fig.3 A kind of Canadian swine ID ear tag

在欧盟，对家畜的标识尽管有统一的标识建议规范，甚至包括了对转基因动物的标识［9］，但各成员国是否采用无硬性规定。法国作为畜牧业发达的国家，对大家畜的标识采用符合国际动物编码委员会（International Committee for Animal Recording，ICAR）的编码规则，但对猪只个体编码采用养殖场的官方编码加上个体在场内带有年份的顺序号，由此构成的个体唯一编码从13位到17位不等，这主要是由于养殖场的官方编码长度不等造成的，总体上缺乏顶层设计，有些随意。在荷兰，因为猪只的饲养量少，则采用内部统一的编码——7位UFN［10］，非常实用、有效。

总之，在北美及欧洲养殖业发达的国家对牛只的标识还是非常重视，尤其在1998年加拿大发现疯牛病后，对离开原种群的牛只基本上要求强制性的标识，标识的技术采用RFID、条形码及可读数字相结合的复合标识技术，除了对个体的编码标识外，加拿大无论对牛还是猪，都附件上牛群或猪群的编码，实质上是对应养殖场的编码，弥补了对标识对象的唯一性编码存在的缺陷。

1.1.2 国内畜禽标识标准的制定现状

自2006年以来，农业部兽医局实施了“动物标识及疫病可追溯体系建设”试点工作［11］，同时中华人民共和国农业部早前发布的67号令对家畜编码规则进行了定义［12］：这种编码方法存在的问题如同美国制定的15位编码方法存在的局限性一样，在编码中不能体现家畜的群体编码或养殖场的编码，带来的问题在熊本海等［3］已经描述过。因此，在我国的一些部分或企业建立肉牛及牛肉的追溯体系中，如北大荒牛业股份有限公司［13］及阳信亿利源清真肉类有限公司建立的肉牛及其牛肉产品的溯源系统中［14］，对67号规定的前6位的编码不变，而最后8位个体顺序号进行适当调整，即前2位为养殖场编码，顺位的3～4为年份，如“17”代表2017年，最后4位是当年场内出生牛犊的顺序号，因而丰富了原先定义的后8位编码的含义，改善了15位编码的内涵，具有可读性，是对过去编码含义的完善。由于肉牛个体编码规则的修改，使得养殖企业具有个体的编码权，无需去申请。

RFID电子标识技术的应用。从市场需求及技术成本的逐步降低的趋势，给RFID技术及产品的应用打来巨大的空间。为解决RFID技术输入的高成本，国内几家高新技术企业非常执着地攻坚克难，终于突破RFID生产的关键技术瓶颈，不仅可自主生产RFID的芯片与标签，而且部分省市及相关企业还率先制定相关的技术规范。例如，上海市2005年发布了《动物电子标识通用技术规范》［15］，该地方标准中采纳了RFID相关国际标准，结合了ISO11784中的国家或区域编码，与ICAR的规定相符。新疆维吾尔自治区于2011年也发布了《动物电子标识（射频识别RFID）通用技术规范》（DB 65/T3209—2011）［16］。该标准主要就低频（134.2KHz±5%）RFID标识的物理特性与环境适应性进行了规定，尤其是将中国的行政区划代码和动物的64位二进制编码相结合进行了实例化。

在自主RFID芯片的研制与批量生产上，代表厂家有上海生物电子标识公司［17］和无锡富华科技责任有限公司［18］。两家企业均获得了ICAR的认证，并获得了ICAR赋予的企业编码，意味着它们生产的标签编码的前6位在国际上是唯一的。目前，2家公司自主生产的RFID标签成本下降，仅为过去进口产品的1/3～1/4，而且他们生产的RFID标签及其阅读器不仅远销东欧、西欧及东南亚国家，而且打破了进口标签价格居高不上的局面。图4为无锡富华科技公司自主研制的RFID芯片，并且同一芯片可以封装为不同形式的标签，如普通式样的耳标、注射玻璃式标签及弹丸标签等，以满足标识不同动物甚至宠物的需求。图5显示了无锡富华科技公司自主研究的与不同封装格式配套的阅读器产品。

图4 由RFID芯片封装成不同形式的标签（来自无锡富华公司）Fig.4 Encapsulated into different forms of tags by RFID chips note：from Wuxi FOFIA company

图5 与不同形式耳标或标签配套的阅读器产品Fig.5 RFID readers that match different forms of earmarks or tags

在中国台湾，主要由台湾农委会委托丰田生技资讯股份有限公司［19］依照RFID的ISO标准研发家畜电子耳标的企业，但RFID标签封装的规格与式样有其特殊性，即针对畜舍及家畜个体的RFID有明显的区别（图5、图6），识读器为手柄式阅读器，用于畜舍的标签采用钥匙链式佩挂标签，标识与循环使用方便，而用于个体的采用最广泛的按钮式耳标。但是两种均为RFID标签。

1.2 养殖环境及体征行为的远程监测与精准控制

监控畜禽的养殖环境是实施精细养殖的基础，已越来越受到养殖企业的高度重视，尤其对规模化及集约化的养殖企业，通过按饲喂的不同季节及不同的生长及生理阶段，确定最适的包括温湿度、空气质量及气体流速，甚至水的交换量等指标参数，采用环境控制物联网技术，实施环境的目标控制。在家禽环境精准控制方面，长江证劵2016的行业报告深度总结了肉鸡环境精准控制的指标参数或阈值（表1）［20］，为科学搭建肉鸡环境控制系统提供了依据。其次，我国最大的生猪养殖企业—广东温氏食品集团股份有限公司也总结了在南方设施养殖生猪的环境精准控制参数（表2）［21］。

图6 中国台湾农委会授权的用于猪舍RFID标签Fig.6 RFID tags used for pig’s shed authorized by Taiwan agricultural committee of China

图7 中国台湾农委会授权的用于猪只RFID标签Fig.7 RFID tags used for individual pigs authorized by Taiwan agricultural committee of China

表1 美国肉鸡饲养环境控制目标参数Table 1 Objective parameters for environmental control of broilers in USA

表2 温氏集团推荐的设施养猪的舍内环境参数控制阈值Table 2 The indoor environment parameters control threshold of facility pig recommended by Wen’s group

尽管如表1、表2总结了环境控制的阈值阐述，但是在实际开发的环境控制物联网系统中，阈值参数可以因地域、季节及养殖具体品种的变化及特性等可调整，扩大控制系统的广泛适应性。例如，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所联合河南南商农牧科技公司，研究开发了畜禽养殖环境监控物联网系统［22］，主要利用环境感知传感器，如温湿度传感器、光照度传感器，氨气传感器，CO2传感器等，对连续变化的环境参数进行远程监测，监测的数据首先通过2G或3G/4G的SIM卡传输到数据服务器中贮存，开发的手机客户端APP文件则可在线查看连续变化的环境参数及历史数据，依据监测的数据及预设的环境参数的阈值，系统会提醒用户开启相应的控制设备，如水帘、电暖、风机的开启与关闭等。图9显示了手机客户端的处理结果。需要特别提到的是，对现场设备实现远程控制，首先需要事先对现场设备的控制开关进行集成，并追加可接受信息的通信端口。

图9 通过移动端连续监测环境参数的变化与远程控制Fig.9 Continuous monitoring of changes in environmental parameters and remote control through mobile terminal

图9右侧的画面显示了远程控制设备的功能画面，图10为广东温氏食品集团股份有限公司（以下简称为“温氏集团”）的智慧养殖手机监测与控制端，包括“主页”、“消息”及“关注”3个重要页面，尤其在“关注”页面，通过用不同的颜色标注不同的环境参数状态值，反映应关注的程度，较好体现了数字化智慧移动养殖［21］。

图10 温氏集团智慧养殖手机监测与控制端Fig.10 Monitoring and controlling end of Wen’s intelligent breeding mobile phone

在畜禽的行为感知方面，随着物理、电化学、光学、电磁学、材料科学等基础研究的发展，越来越多的高新技术被应用于动物生理传感器。21世纪以来，美国和欧洲在机器视觉、声音等物理量在线监测和动物生理信息提取方法获得了长足的进步，一些技术由实验室走向应用。如机器视觉传感器用于动物取食、运动、发情、体重等信息的实时感知，通过声音传感器提取动物的疾病信息等。与人的健康监测传感技术发展类似，穿戴式传感器也成为动物生理传感技术发展的一大趋势，如动物智能背心、项圈、背负式设备、口套等，这些设备搭载了振动、加速度、位移、重力、压力等传感器，通过计算实现动物个体运动、行为、心率、血压等信息的监测［23-25］。为了获得更为精确的生理信息，侵入式传感方法也开始进入动物生理监测的视野，如植入动物体内的RFID标签、植入牛眼内的眼压监测传感器、植入动物牙床内的温度和盐分传感器、植入奶牛瘤胃的pH值传感器等。而作为生理信息最重要的指标，部分疾病信息（如禽流感等）可以通过生物传感器实现快检。结合了抗原抗体芯片和荧光免疫传感器、介电频谱传感器、表面等离子体共振传感器的便携式设备，可以实现部分疾病的快速筛查。目前已经进入应用阶段的感知畜禽行为及生理特征的传感器产品有4种（图11），包括图11所示的前3种形式的传感器及奶牛计步器［18］。

图11 4种进入应用阶段的动物生理传感器产品Fig.11 Four kinds of animal physiological sensors in application stage

4种传感器产品各有特点：其中，A耳戴式传感器采用2.4G有源RFID技术，内置加速度传感器与温度传感器，毎10s发报1次，识别距离可达150m，对环境的适应性极强，工作温度范围可达-45～85℃，湿度≤95%；B型传感器产品与A相比，除具备A的主要特性外，还内置了GPS功能，工作频率及通讯频率均可调，具有对标识动物的可跟踪的能力；C型传感器为典型的生理传感器，可实现对体温、活动量及定位数据的采集，克服了耳标的脱标问题，并可全向识别；D型奶牛计步器也是一种集成有源超高频RFID技术、三维运动传感器及温度传感器。不同的是可以在时速达200km/h内识别与采集数据，典型用于奶牛发情监测与健康识别。今后，将RFID标识技术与各种生理传感器融合起来，无应激感知动物的生理行为，从而了解动物的健康与生产性能是重要的研究方向。

在企业内部的物联网及大数据建设方面，作为中国最大的2家畜禽养殖企业——广东温氏食品集团股份有限公司及北京大北农集团所属农信互联网络公司，率先开展了企业畜牧业物联网与大数据平台的应用研究与实战搭建，并取得了明显进展。例如，图12所示温氏集团的物联网信息化建设的框架与实现的基本功能［21］。该平台的特点是一个典型的符合物联网定义的应用平台，将对生产设备（温控、喂料、孵化、计量等）运行状态的数据，包括对畜禽粪便的多级排放与处理后的水质监测数据及流量，主要饲料原料及饲料产品、兽药等相关生产资料的消耗状态，以及出栏活体包括生猪、家禽数量及走向等，采用在线化的感知、自动记录与传输技术，集成到物联网数据中心，分类贮存、统计与可视化展示，提供了集团决策者对全公司运营状态的动态了解，不同于一般的事后分析的MIS系统，可在线分析与决策，实现管理抉择的及时性和生产效率及效益的最大化控制。

图12 大型生产企业物联网信息化建设案例（广东温氏食品集团股份有限公司）Fig.12 The case of internet of things informatization construction in large-scale production enterprises（Guangdong Wen’s Food Group Co.，Ltd.）

图13显示的是北京农信互联网络科技有限公司搭建的、以国家级生猪荣昌交易中心数据为基础的农信大数据平台中的一部分内容［26］。称之为大数据平台，是因为在该平台集成的数据的海量、高速、多样及可变特性决定的，平台中包含了生猪的养殖过程数据、出栏与交易数据，猪肉消费及社会经济数据等，为了解特定区域、特定时段的生猪生产性能数据、经济特性数据，甚至生猪生产的景气指数的大数据分析与挖掘提供了可能。

图13 农信大数据——农信网实时运行平台（http：//dsj.nxin.com/index.vm）Fig.13 Nongxin big data—nongxin real time operation platform

1.3 畜禽养殖生产模型与智能设备研发进展

养殖设施化与智能化已经成为先进生产力的方向，不仅能解放生产力，而且符合动物福利的要求，最大化满足畜禽的个性化精准饲喂的要求。例如，从家禽的自动化料线饲喂而言，国内从没有自动给料系统到有自动给料系统，饲喂效率1万～2万只/（天 · 人）。在欧美，每人每天可管理4栋12m×150m的鸡舍，管理的鸡只数可达12万，数倍于我国的饲喂效率［27］。对于家畜的饲喂，由于养殖发达的欧美国家，长期关注家畜生产的自动化与智能化，从饲料的采收、打包、制作、投放、自动挤奶（或机器人挤奶）、自动清粪与处理，一家几口人可以高效饲养管理几百头奶牛或肉牛，单位生产效率同样数倍于我们的家庭养殖户，而且从饲料原料的成本支出、劳动力投入、融资成本等相对于总的产值是合理的或偏低的，使得畜牧业产生的效率高，效益稳定，畜产品价格稳定，较少出现像国内的“猪周期”、奶牛养殖的“倒春寒”不见底现象，影响了居民的正常生活水品。因此，迅速全面开展包括畜牧业生产的供给侧结构改革，通过智能化现代畜牧业的发展，降低生产成本，达到提质增效，增强畜产品的竞争力是一项长期艰巨的任务。

目前在畜禽智能装备的研究领域，在国内通过科研院所、相关设备的生产企业的携手合作，主要在家畜的精准饲喂理论、智能饲喂设备、家禽自动供料线及饮水设备取得了一定进展，并获得一批发明专利及实用新型专利。

在精准饲喂的理论模型研究方面，针对家畜个体尤其是猪和奶牛，熊本海等［28］构建产床母猪的采食量模型：收敛于对数曲线Y=1.062ln（x）+1.910（R²=0.913，Y日采食量，kg；x哺乳日龄），潘晓花等［29］总结了泌乳奶牛的采食量有效模型［30］：DMI=（0.0185×BW+0.305×FCM）×DMIAF×Mud×LAG。其中，LAG=1-e-［（0.564-0.124×PKMK）×（WOL+P）］；熊本海等［30-31］构建主要泌乳牛的乳成分与自然月份之间的关系模型，即：MPP（乳蛋白，%）=3.094X-0.0464*e0.0117X，MFP（乳脂肪，%）=4.2116X-0.0344*e0.0276X，MLP（乳糖率，%）=4.9824X-0.0196*e0.0106X，式中：x代表自然月份1，2，…，12。

在畜禽精准饲喂设备与相关装备研制方面，随着养殖智能化、自动化设备的需求急剧增加，一批从事智能设备生产的企业不断创新，研发与推广了相应的设备。主要研制的典型智能设备包括妊娠母猪饲喂站、产床母猪饲喂系统、仔猪补奶机、保育猪干湿饲喂器、奶牛精准饲喂系统、奶羊智能饲喂系统及种猪性能测定装置等。这里所谓的智能设备是指每个设备必须具有下位机控制系统，通过该控制系统按预制的控制程序及饲喂的数量实施个性化的精准饲喂，并记录实际发生的数据、时间长度或时间点，便于生产者进行饲喂数据的分析。图14给出了中国农业科学院北京畜牧兽医研究所与河南南商农牧科技股份有限公司联合研制的部分专利技术智能饲喂设备。

图14中的设备①为第4代国产饲喂站［32］，改进后的特点是组件式安装、电动式入口门、必要时通过后猪拱前猪的非物理损伤模式提供设备的饲喂效率，其次，将接近传感器与下料系统相结合，有效控制剩余料的发生，提高实际喂料数据的系统可靠性；设备②［28］为产床母猪饲喂系统，完全改变传统的螺旋供料方式，采用电动推杆产生的改变容积的方式下料，避免了残余料的发生与料仓结拱现象；设备③可根据体重或日粮的变化分几级调整水和干饲料的比例，满足干物质采食或养分摄入量的动态变化；设备④的饲喂原理与设备②基本相同，显示的群体饲喂的场景；设备⑤［33］集成了电子标识、采食时间点记录、传感器称重自动记录，为研究奶牛个体的采食频率、自由采食量或采食量精准控制提供了智能化方法。除智能精准饲喂外，在国家“十三五”重大专项“重大畜禽疫病防控及健康高效养殖”中也部署了关于畜禽的智能节水技术与设备及精准投药设备的项目研究，由此构成涉及饲料、水及药3种投入品的智能化技术与设备的协同创新研究，有望在“十三五”计划结束后，获得一批自主创新的畜禽智能装备产品。

图14 自主研制的几种典型的家畜智能饲喂设备Fig.14 Self-made intelligent feeding equipment for domestic animals

1.4 种畜生产数字化监管与分析计算平台

畜牧业生产中，种畜的生产过程极为复杂，尤其在奶牛及种猪的生产周期中，不断发生的生理与生产节律的变化。从发情、配种、孕检、妊娠到分娩、空怀或干奶或断奶，直到下一个繁殖周期或淘汰，不断地产生个体及群体的状态数据及周期性数据，周而复始。因此需要不断的记录和模型化分析繁殖性能、泌乳性能、断奶性能等参数的变化，及时对繁殖、育种及营养调控方案进行优化，以保持种畜的高效与稳定的生产。国际上在种猪生产的信息化领域，代表性协同有PIG WIN系统［34］，及西班牙农业技术软件公司开发的porcitec系列系统［35］等。

随着信息技术尤其是移动通信技术与设备的成熟及大众化，畜禽养殖专业的网络数据库平台，均配置有相应的移动端数据采集器或系统，以及支撑硬件及系统运行的、完整的数据采集规范。相比较而言，PIG WIN系统的数据规范更完整，还提供通过已有数据派生其他综合的、不同时间区段的繁殖性能指标，如不同要求的近交系数、综合繁殖率、母猪生产力（PSY）、成活率及死淘率等，具有大数据的数据挖掘特征。国际上在奶牛精准饲喂物联网系统方面进行了更多的开发研究。其中，与奶牛发情监测计步器及牛奶品质在线检测系统物理连接的阿菲牧管理软件系统［36］是一个典型的牧业物联网管理系统，在各国大型奶牛养殖企业得到广泛的应用。其优势在于研发的系统与挤奶设备相结合，实现了阅读器、传感器及计量设备，与数据的采集、传输及计算机软件进行了内在的嵌入，可将动物个体体况、乳品品质与产奶量，以及繁殖与营养状况之间的数据进行内在的关联，然后通过业务逻辑模型在线分析采集的数据后，给出各种智能提醒或阈值的报告。总之，整个系统的感知—传输—分析—控制的闭环效果明显。

在国内，研制开发种畜场计算机网络管理系统的企业及科研队伍逐步壮大。其中，孙德林等［37］最早开发了我国第一套单机版的“工厂化养猪信息化管理系统”，提出了工厂化养猪信息化的基本功能框架；中国农业科学院北京畜牧兽医研究所联合江苏省农业科学院、东北农业大学等一直结合物联网技术的快速发展，充分融合畜牧业的专业领域模型与种畜禽场的生产实际，主要研制了种猪场及奶牛场的全程生产过程与数据分析网络平台及出版多部专著［38-39］，还专门针对山黑猪的繁殖与生产特点，开发了山黑猪繁殖数字化网络平台［40］。取得了一系列的计算机软件版权登记。在2013版的管理软件分析系统中，特别增强了从已知录入或采集的数据中，通过数据的关联与业务逻辑模型的嵌入，挖掘出最大量的繁殖与生产性能参数，并进行在线可视化分析（图15），为管理者提升数据的升值服务。

图15 山黑种猪生产管理网络平台及数据挖掘分析结果Fig.15 Internet management platform for breeding pigs and data mining visual results

图15仅针对一个规模化养殖企业开发的应用系统，但从一个地区或者国家层面开展种猪生产性能比较研究则需要云计算平台。这样的平台管理与分析的不是一个种猪场，而且通过网络数据库群将数以百计或千计的种猪场的基础数据，采用规范的元数据规范进行物理的或虚拟的集中式管理与分析，实时云存贮与云计算。该项基础性工作已由国家种猪改良评估中心、中国奶业协会等部门组织全国相关的育种单位，构建所谓的云计算平台，限于篇幅不在展开。

1.5 领域计算软件的开发与应用

在畜牧业科学尤其产业化领域，与科学计算与智能判断最为密切的领域是畜禽的育种理论、饲料配方优化理论及畜禽疾病的决策诊断。因此随着本领域的育种、配方理论与诊断模型的不断更新及软件开发技术的日新月异，对应的软件产品的产业化也非常活跃，软件系统的推广应用大大提高畜禽育种的效率与数据的积累速度，提高了畜禽饲料配方的便捷性、科学性及提高饲料资源的转化效率，最终为缓解我国日益紧张的饲料资源供给量，监控畜禽的健康状况等做出了贡献，提高科技贡献率水平。

在国内最早开发的种猪育种软件GBS系统是由中国农业大学开发［41］，并在国内的种猪场得到较好的推广应用，尤其是近些年借助于专业的畜牧业软件开发公司，对GBS不断升级换代，至目前的最新版本为丰顿种猪管理与育种分析系统GBS5.0［42］，同时还开发了丰顿种羊场管理与育种分析系统软件 SGBS V2.0［43］，较好地通过计算机软件技术与育种理论的融合，为实施畜禽的育种提供了快捷的使用产品。

在饲料配方技术领域，不同版本软件系统的开发与应用已经有30多年的历程。最早的配方软件是在具有计算功能的PC1211便携计算器上开发的，开发语言为BASIC语言，是我国最早的饲料配方计算模块，但计算速度慢，计算与处理功能弱。随着计算机的内存、软件系统的升级，配方系统不断改进，直到1993年才有第4代配方系统——CMIX系统［44］的商品化，大大促进了配方技术电算化的发展。该产品1994年获得浙江省科技进步2等奖。其次，随着PC计算机的操作平台从DOS版本向Windows桌面过渡，计算机软件也需要随着平台的变化而升迁，因此又出现了三新饲料配方系统［45］、资源配方师［46］等。尽管这些系统是在Windows平台上使用，但仍然是单机版本，不能实现多人在线使用与远程后台数据库的共享。进入21世纪后，具有网络特征的第六代饲料配方，率先由中国农业科学院北京畜牧兽医研究所开发成功，其成果“网络远程畜禽饲料知识咨询与配方系统”［47］2004年获北京市科技进步2等奖。其后，还有不少涉足畜牧业领域的专业软件公司，也相继开发了具有不同功能特点的动物饲料配方系统，典型的有北京佑格科技发展公司［48］，进一步推动了饲料配方系统的商业化应用。移动互联技术，android技术与智能手机终端的快速发展，为从远程获取饲料养分数据及移动计算提供了比过去PC机还要强大的功能。为此，新一代移动智能手机端的饲料配方系统应运而生。中国饲料数据库情报网中心率先开发了手机端的“奶牛安卓版饲料配方”，产品很快投入商品化应用。

畜禽疾病诊断专家系统领域的研究起步于20世纪90年代，从知识库的构建，到病理图谱的采集与数字化，借助于早期的智能开发工具Prolog 2.0来获取领域知识并相继开发了针对多种畜禽、水产动物的疾病诊断专家系统，并随着国际互联网及无线通讯技术（2G/3G/4G）的发展，又逐步拓展到开发网络版本的远程诊断与移动智能诊断系统的开发。总之，信息及通讯技术的快速发展，为开发针对各种畜禽的疾病诊治专家系统提供了技术上的保障。此外，在通过计算机实施疾病诊断的理论研究上，诊断系统根据任务对象和应用领域的特点，通过集成控制决策、智能推理、机器学习、人工智能、模拟仿真等技术来提高系统决策的精确性、智能性和实用性，为研究和构建农场动物的疾病诊断系统或公共平台积累了较好的前期理论基础与经验。典型的畜禽疾病诊断系统有“鸡常见疾病计算机临床诊断专家系统”［49］、鸡病诊断多媒体专家系统［49］、鱼病诊断推理系统［50］、动物健康管理信息系统［51］，以及“基于安卓的动物疫病远程诊断系统”［52］等。尽管目前开发的各种类型的畜禽疾病诊断系统在诊断疑似病症的准确率上与实际情况有出入，但在促进疾病诊断科学的研究与信息技术的应用上发挥了作用，当然随着大数据时代的到来还有巨大的发展空间。

2 畜牧业信息化与物联网技术研究存在的问题

尽管我国畜禽智能装备与畜牧业信息化的应用顺应规模化养殖企业生产的需求与政府监管的要求，从软、硬件的开发到解决方案的优化方面，获得了一批自主知识产权，形成了一批产品，得到了不同程度的应用，但从开发系统的技术应用环节而言，我国畜禽养殖的智能化与数字化还处于初级研究阶段，主要体现在如下几方面。

2.1 数字化标准及数据采集规范研究落后，已有的标准或规范需重新制定或完善

就家畜个体的编码标准或规则而言，农业部的67号令发布《畜禽标识及养殖档案管理办法》中的畜禽编码，一是未与国际标准接轨，二是标准缺乏可读性，应尽快重新修订。而上海的及新疆的地方标准虽然考虑了与国际标准的接轨及RFID技术的应用，但在编码上不宜在全国范围内推广开。因此，应从编码的前瞻性、国际性、唯一性、可读性及可扩展性等方面，做好中国家畜个体编码的顶层设计。其次，在规模化饲养的家禽编码规范上还是空白，需尽快考虑将养殖场代码与生产批次结合起来进行编码，不能停滞不前。在采集畜禽生产过程数据的标准上，目前还是各行其是，处于无约束状态，导致数据的整合难度大，数据的重复建设频繁，人力资源浪费严重。因此，亟待从不同畜禽的繁殖、育种、饲养与健康管理等技术层面及管理层面，标准化采集数据的单元与定义，数据采集的方法及派生数据的计算模型等，为实现行业大数据平台的构建、数据的交换与共享解决最基本的元数据及数据标准问题。

2.2 智能化产品缺乏统一的行业技术标准

目前，瞄准畜禽智能化装备产品研发的企业及产品增加迅速，但同类型的产品毫无规范可言，基本上处在相互模仿阶段，在实践应用中摸索前行，缺乏行业的指导。一是相应的技术标准没有纳入国家或行业层面的标准研制计划中；二是设备使用的对象，例如猪的品种、生长生理阶段的不同，体型也差异明显，导致对饲喂设备的要求也不尽相同，甚至对饮水的高度也是动态变化的。因此，需要在技术标准层面将共性的需求和个性化的差异结合起来，指导智能化产品的研发。

2.3 缺乏关键的感知技术与产品

表现在专业的感知生命信息的传感器或识别产品类型少，能选用的产品价格高，投入大规模的应用对于畜禽养殖企业有困难。其次，高通量、低资费的通讯技术没有整体解决途径，采用市面上的3G或4G通信技术于畜牧行业不可行。再者，基于牧业生产的知识模型及应用控制阈值研究远远不够，缺乏像PIGWIN或阿菲牧这样的将软件及硬件高度融合的专业物联网解决方案。因为不同地区、不同养殖模式及不同管理水平的养殖动物，实施环境精准控制阈值应差异化，即使是针对同一类型的畜种，控制阈值也是有别的，需要领域专家、饲养管理专家与信息专家协同制定，才能让物联网系统具有智能性、区域性及物种差异性的特点。

2.4 政府层面对畜禽智能装备和信息技术认识要提升高度

从政府层面对畜禽智能装备及信息化技术在畜牧业领域应用的作用与发展前景，尽管从认识上在近些年提升到一定的高度，甚至提到“信息化是现代农业的制高点”［53］。但是从政府的配套政策上往往关注的是品种的改良、生物技术大的应用等，导致信息技术、物联网技术，特别是智能装备技术应用规模小、分散，应用的环境单一，稳定的维护运行投入不足，在将来更需要设立养殖企业信息化与智能装备的专项政策补贴，全面提供企业的信息化与设备装备水平。

2.5 缺乏可持续发展的商业模式

包括缺乏成熟的技术应用模式及商业运作模型。前已述及，中国最新一代的母猪电子饲喂站解决了多项技术瓶颈，因其价格优势，特别适合在中国中小规模种猪场推广应用，但国家的农机补贴目录中还未列上相关的智能畜牧机械产品，或者列出的较少。因此有关从事畜禽智能装备与信息化技术的运营者需要探索成熟的商业运作模式，力争政府的政策支持，将好的产品包装进入市场，发展壮大中国牧业装备及信息化产业。

2.6 缺乏真正含义上行业大数据平台

尽管目前一些旗舰式的畜牧业上市公司建立有企业级或者跨企业的一些物联网数据平台，象前已述及的温氏集团内部的数据集成平台、北京农信互联建立的“猪联网”平台，以及“中国饲料网络数据库”［54-55］、“中国家养动物资源网络数据库［56］”，但从大数据的定义来评价目前构建的行业数据库及企业级数据库，还不是真正的大数据。行业大数据平台需要行业的实体运行企业将不断产生的过程数据，生产资料需求数据，科学研究数据及相关产业与政策数据，通过不同的数据采集模式与数据共享机制，有序在线进入到行业数据库中，使数据平台具有海量、高速、多维及可变的特点，数据覆盖的相关领域广和年限长，才能通过数据模型的构建，建立不同类型数据之间的关联，实现行业大数据平台的构建与运行。

3 讨论

中国是畜牧产业大国，但不是强国。畜牧业总产值到2017年总量超过了2万亿元，但占农业总产值的比例并未达到农业部规划末期的36%［57］，实际为30.04%［58］，远低于畜牧业发达的国家平均50%以上水平，这表明中国畜牧业发展空间较大，尤其在提高劳动生产率及降低单位产出的生产成本上，我国畜牧业还有相当大的差距，如何实现突破，弯道超车，任务艰巨。例如，国际上追求高产的奶牛养殖发达国家如以色列、美国和加拿大，奶母牛年单产都超过10t，追求生乳高品质的和生产综合效益的澳大利亚及新西兰，尽管单产目前低于我国平均6.5t以上的水平，但生乳产出成本优势明显，分别为2.56元/kg及1.79元/kg，远低于我国的3.6元/kg［59］，而且国产生乳的品质更不能与之相提并论。实现上述的生产效率，上述国家基本采用了奶牛养殖设备及挤奶信息化管理系统，采用了个体及群体的精准饲喂技术。其次，在养猪业领域，养殖最发达的西欧国家如丹麦、挪威及荷兰等，长期以来推行与实施动物福利，去限位栏饲喂模式，研究推广母猪电子饲喂站的圈养模式，大大提高繁殖母猪的生产力，使得丹麦的母猪年可提供断奶的仔猪数即PSY高达30头，并提供向35头迈进的计划，远高于我国平均17头的水平［60］。据初步测算，如果中国存栏的能繁母猪约50%以上采用母猪电子饲喂站，将妊娠母猪从围栏饲养模式中解放出来，并配合使用哺乳母猪的电子自动饲喂技术，因综合提高母猪的繁殖率水平，在保证提供相同数量的出栏商品猪的前提下，可减少能繁母猪的存栏数在1 000万头以上。仅此一项可大大缓解对土地、环境、劳动力及饲料资源的需求压力，还能最终稳定猪肉的供给量，维护CPI的稳定；第三，为物联网技术为特征的信息化向畜牧业生产全过程的应用，将大大提高对各个环节的监控能力，提高对各种投入品的监控能力，尤其提供对畜产品质量安全监管的能力，对保障食品质量安全，维护社会的公共卫生秩序，同样意义深远与重大。

4 结论

我国畜牧业向标准化、规模化与智能装备化的发展态势不可逆转，迫切需要现代智能装备及物联网技术的支撑，需要信息化技术的全覆盖。这也是在畜牧业领域践行“四化”同步与乡村振兴的发展战略。没有信息技术的应用，何谈畜牧业的现代化！而信息—农艺（畜牧业）—智能设备等技术的融合，才能发挥协同共赢的效果，实现畜牧业生产的网络化、智能化和服务现代化。相信在不远的未来，通过移动手机终端，完全可实现对养殖环境的远程监测与控制，饲料、水与药的投放远程精准控制，对粪尿的自动检测、收集与处理等，并实现可视化的数据分析，即实现所谓手机养殖不是梦，“互联网+养殖业”将使得搞养殖的新牧人或牧场主成为体面的业主或牛人。

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