奶牛数字化养殖技术研究进展

文/熊安然 熊本海 蒋林树*

（1 北京农学院动物科学技术学院；2 奶牛营养学北京市重点实验室；3 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所）

在过去近20 年时间里，我国奶牛饲养方式发生了巨大的改变，从传统的分散饲养逐步向标准化、规模化、集约化和产业化过渡[1]。在《2019中国奶业质量报告》中，农业农村部奶及奶制品质量监督检验测试中心主任王加启表示，我国现有61.4%的牧场实现了规模化养殖，采用了机械化投喂系统。饲养方式的改变使养殖过程实现数字化管理成为可能。日粮营养价值评估、繁殖育种管理、生产性能测定（DHI）、疾病预防与诊疗、乳制品加工与质量检测等重要环节数据的精准采集是实现数字化管理的关键，通过对各环节数据及数据之间相关性进行分析，可以实现“饲料端—牧场—兽医站”等奶业重要生产部门之间的信息流通和对生产关键环节的智能把控，从而提高了奶牛养殖业的生产效率和管理水平[2]。当前，一些大型牧场已经具备了全混合日粮（TMR）自动饲喂系统、奶牛行为监测系统、全自动挤奶系统、发情监测系统、智能化选种选配系统、DHI测定系统等现代化数据监控系统，可以自动获取牧场数据，避免了生产过程中人为因素造成的影响，提高了数字化管理水平[3]。本文从我国奶牛数字化养殖现状、数字化技术在奶牛养殖业的应用以及数字化信息管理平台的建设和发展几个方面进行综述。

1 我国奶牛数字化养殖现状

近年来，我国奶牛呈现量降质升的趋势。据USDA机构统计，2014年我国奶牛存栏量为840.0 万头；之后2014—2018年，奶牛存栏量一直呈下降趋势，直到2019年才有所回升，达到了742.0 万头。据国家统计局数据，2019年我国牛奶产量为3 201.0 万吨，比2018年增加了127.0 万吨，增长率为4.1%。依据《荷斯坦2019中国规模牧场高产榜单》，全国范围内年均单产11 吨以上的牧场达到85个，其中年均单产高于13 吨的牧场4 个，12 吨以上牧场24 个，11吨以上牧场57 个，覆盖奶牛存栏37.6 万头，奶产量237.0 万吨，达到世界先进水平。

与畜禽养殖业相比，我国的规模化奶牛养殖业起步较晚，通过引进和开发各类现代化生产设备，如全自动挤奶机器人系统（VMS）通过机器自动识别乳头及持续监测牛奶流量，当感应器感应到无牛奶流出时，通向杯组的真空关闭，然后进行自动脱杯，避免了过度挤奶而造成的奶牛乳房损伤，对增加奶牛产奶量、提高乳品质有明显效果[4]。TMR自动饲喂系统、3D扫描牛体况评分系统、智能化选种选配系统、阿菲金计步器、安乐福电子项圈、二维码电子耳标等可以快速有效地对奶牛生产数据进行采集与评估[5]，极大地提升了牧场管理水平。

随着数据库与数据产生体系的推行，我国奶业相关数据得到了整合，如我国饲料数据库使各种饲料资源得到了有效利用，提高了饲料利用率，防止饲料营养价值浪费等发挥了巨大的作用[6]。随着信息技术的不断发展，大数据[7]、人工智能[8]、基因芯片、红外光谱[9]、高通量检测等诸多新兴技术也广泛地应用到数据库的构建和奶牛养殖管理中，促进了奶牛养殖业数字化的发展。

牧场前期成本投入与后期经济效益是否平衡，影响着牧场的发展。当前一些中小型牧场受资金条件的制约，无法购买先进的数字化设备，仍然采用人工采集和统计奶牛生产信息的方法[10]，严重制约了牧场的进一步发展。也有一些牧场没有做到统一整合管理，因此，各生产部门之间未形成有效的数据网络。生产和科研人员迫切地希望通过数字化手段对生产过程的数据进行分析，将分散的、异构的可用数据标准化使其可以被合理利用[11]。

2 数字化技术在奶牛养殖业中的应用

牧场生产数据的有效处理，对及时发现牧场生产管理中存在的问题非常重要，使牧场工作能够做到有的放矢，从而减少牧场的损失[12]。

2.1 饲料端

在规模化牧场生产管理中，饲料成本占饲养成本的70.0%[13]，很大程度地影响了牧场的养殖收益。而数字化养殖可以根据奶牛的泌乳胎次、泌乳周期、体重、产奶量、乳脂率、乳蛋白率推算出奶牛的干物质采食量[14]，进而因需饲养奶牛。确定牛只营养需要量，开展饲料营养价值评定也是开展各项研究工作的基础和前提[15]，可以做到精准饲喂，合理节约成本，避免饲料浪费。极光近红外饲料检测仪可以对饲料成分进行快速检测，让管理人员更好的掌握原料质量，根据检测结果评估日粮配方。同时，畜牧工作者和动物营养专家等相关人员还可以通过与饲料数据库比对，估测饲料的营养价值，从而比较和研究各种饲料原料的营养价值及其影响因素[15]。

增加盈利是牧场可持续发展的重要目标。牧场的盈利主要依赖于奶牛的产奶量和乳品质，生鲜乳质量好坏会对产品的感官指标、风味、理化指标和卫生指标以及营养价值产生直接影响[16]，同时也直接关系到其的出售价格。因此，保障乳品质至关重要。而乳品质高低的关键在于饲料搭配的均衡、合理、健康[17]。蛋白质和脂肪是各类乳制品中最重要的营养成分，也是决定乳制品质量的核心指标。日粮中的精粗饲料比会影响到生鲜乳中乳蛋白率和乳脂率，监测乳成分的变化也可以为调整日粮配比提供数据来源。利用奶牛日粮配方软件设计合理的日粮配方，建立最为适宜的饲料配给体系，对改善乳品质，提高饲料转化率，节约饲养成本，促进奶牛养殖高产、高效有重要意义[13,18，19]。目前，自动化控制程度较高的TMR日粮投喂系统、精料自动补饲装置等设备都已被应用于奶牛数字化精细饲养[20]。这些软件和设备通过对饲料数据库及牧场生产数据的统一建模分析，确定每头泌乳牛每天所需要的饲料数量以及种类，可以有效地降低饲料的浪费，避免多喂或少喂饲料的情况，节约饲养成本[21]。

2.2 牧场

随着现代化养殖技术的不断推进，奶牛数据化设备或技术已经被广泛运用到奶牛养殖的各环节。如北京首农畜牧发展有限公司奶牛中心推出的繁殖育种数据服务综合平台，涉及了育种多个方面的内容，包括配种数据、兽医治疗数据、DHI测定结果、体型外貌数据等[10]。数据表明，对奶牛发情行为进行监测，可以有效地提高奶牛的受胎率，缩短奶牛配种胎间距[21]。同时，运用环境监控系统可以监测牧场温湿度、甲烷气体排放量，做到对奶牛发情、分群、疾病治疗和环境控制的实时监控[18,22～24]，实现对饲养环境、疾病防治的有效控制，减少牧场的经济损失[25]。其中的环境湿度监测系统，有效改善了牛舍温湿度，显著提高了奶牛的躺卧时间，使卧床率增加了15.0%[21]。

此外，奶牛养殖数字化技术的发展还减少了兽医、繁育、管理等部门员工巡视、寻找待处理牛只的时间，降低了劳动强度，提高了劳动效能；提高了人畜比，降低了劳动力成本，让牧场整体运营受益，是提高现代化牧场养殖水平，实现精细化管理的必备手段[26]。

2.3 兽医站

兽医工作是牧场日常管理中的重要环节，奶牛的健康状况直接反映了奶牛营养、繁殖育种及后续乳制品等相关环节的生产状况，关系着牧场的经济效益。以色列专家Amir先生在阿菲金新品发布会指出，每年因乳房炎、酮病、亚急性瘤胃酸中毒等问题给牧场带来的损失约为每头牛2 200元。因此，早期监测、揭发这类问题对奶牛生产、繁殖、疾病治疗等意义重大。通过阿菲金数字化监测系统整理分析奶牛反刍时间、产奶量等一些生理指标，能够及早预测奶牛疾病或者发现牛群的异常状况，为及时治疗赢得了时间，减少牧场的利益损失[4]。有研究报道，当奶牛产生炎症反应时，其瘤胃反刍时间会明显下降[27]。当奶牛患酮病或者蹄病时，反刍时间也会大大降低[28，29]。兽医人员可以通过监测奶牛反刍时间、活动量的变化预判易病牛群的患病情况，如乳房炎、蹄病、产后酮病等奶牛常见疾病[30]。而监测牛奶体细胞数的变化有助于及早发现亚临床性乳房炎并且使患病奶牛得到及时治疗，减少产奶量降低的损失和牛只的淘汰，同时有利于及时分离异常生鲜乳，保障乳品质[31]。因此，采用牧场数字化生产管理对奶牛产奶量、乳品质和降低隐性乳房炎都有不同程度的改善作用[4]。

规模化牧场每年都会定期组织牧场工作人员对奶牛奶样和血样进行DHI测定和“两病”（结核病和布鲁氏杆菌病）筛查，在整个筛查过程中需要消耗大量的人力和工作人员的精力。目前在奶牛疾病方面还没有统一的管理系统能够实现从牛只入场到转场再到淘汰的全过程跟踪管理，做到定期监控奶牛健康状况，保证及时诊断治疗，从而有效避免疾病的发生及流行，减少牧场因疾病防控导致的经济损失[32]。数字化养殖不仅兽医及时检测奶牛疾病提供了信息化管理手段，也为我国奶牛常见病历信息系统化建设提供了良好的应用和技术层面的参考[33]。

3 数字化信息管理平台的建设与作用

我国奶牛养殖业已逐渐向数字化技术发展，但与国外已经成熟的技术相比还存在一定的差距。在奶牛养殖过程中，饲喂、繁殖、泌乳、检疫、疾病防治等都会影响到奶牛的产奶量及乳品质，进而影响牧场的经济效益。因此，将我国奶牛生产资源进行系统、专门的调研，建立相关养殖数字化信息管理平台，成为我国未来奶牛养殖业发展的方向，对我国奶业的发展具有现实意义和指导意义[15]。

3.1 构建奶牛数字化信息管理平台

数字化信息管理平台是采用多学科、多设备、多机构融合，应用计算机、物联网和云计算技术实现对牧场数据的统一整合管理。应用奶牛营养学、生产学、疾病学、计算机科学、信息管理学、数据分析学等多学科领域知识的集成[20]，对奶牛的采食量、体况、活动量、反刍时间、产奶量、乳成分、健康状况、发情状况等有关指标进行实时监测与统计分析[34]，整合饲料产品监测机构、畜产品质量检验监测、乳品质量监督检验站、动物疫病预防控制中心等监测机构所得到的数据建立奶牛生产信息数据管理的信息集成系统，专门对繁育、保健、疫病、防治、饲料营养、DHI等数据进行分析处理，形成牛只档案资料、牧场数据资料，为奶牛日粮配比、饲养管理、繁殖育种、疾病预防、牛舍环境控制、提高乳品质等工作提供重要依据和技术指导[35，36]。

3.2 奶牛数字化信息管理平台在生产上的作用

数字化信息管理平台集现代饲料配方、遗传育种、疾病防治、环境控制和管理等先进技术于一体，通过对历史数据、实时监测数据的整理，建立牧场饲料资源数据库、养殖生产信息库、兽医站疫病防治信息库、检测机构DHI信息库以及科研团队得出的各个数据库之间的相关关系信息库，建立综合管理系统。并将在整个过程中涉及到的数据进行收集，随后上传到省级养殖平台，实现全面的信息化管控[34]。将地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS）与网络技术相结合，通过整合一个地区，甚至一个国家不同牧场的检测管理数据，及时掌握奶牛养殖业在营养、养殖、疾病防控等方面的数据资源[33]，既可以方便牧场管理层及时了解场内情况，对照本牧场正常的生产水平或对照行业内优秀牧场生产水平，对生产数据做出偏差比较分析，发现自己牧场隐藏的问题或生产差距，及时为牧场管理者提供决策依据[12]。也可为科研人员提供大量的数据来源，实现不同时期、不同地区的病历综合分析，及时合理的进行病情监控。同时，还可以及时地对牛舍环境、资源配置等问题解决起到一定的参考作用，从而有效地减少牧场的经济损失，降低生产成本、增加经济效益和社会效益[4]。