奶牛智能饲喂关键技术研究*

2021-03-31席瑞谦王娟李正义周棕凯

中国农机化学报 2021年2期

席瑞谦，王娟，李正义，周棕凯

(河北农业大学机电工程学院，河北保定，071001)

0 引言

奶业是世界公认的经济、高效型产业，奶业的发展影响着一个国家畜牧业乃至整个农业的发展，因此提高奶牛养殖管理水平是奶业发展的必然要求。近年来的奶牛养殖产业体系正在发生变化，全混合日粮(Total Mixed Rations，TMR)饲喂技术的推广应用推动了养殖业的快速发展，促进装备与技术更加先进[1]，在奶牛养殖管理过程中能够提高奶牛单产量，降低劳动成本。截止到2019年，中国奶类产量保持在3 600万t以上，居世界第三位，其中牛奶产量占奶类总产量的比例约为96%[2]。我国奶牛养殖呈现散养、小区化、规模化共存的局面[3]。在我国奶牛养殖业发展历程中，早期以栓系和散养模式为主，饲养管理较为落后，制约了我国奶牛养殖产业的进一步发展[4]。为此开发适合我国国情的结构简单、性价比高、性能稳定的奶牛饲喂系统，是奶牛养殖业机械化、自动化和精细化发展的必然趋势[5]。

本文对奶牛TMR饲喂技术的特点及研究现状进行总结，对国内相关饲喂技术起步较晚，与技术配套的饲喂装备推广范围较小，受到饲养规模以及相关经济因素的影响等存在的问题进行分析，提出将技术与装备相匹配，依据实际饲喂情况进行TMR技术的实施等发展目标。同时对奶牛饲喂装置的应用情况进行统计分析，指出我国智能饲喂装备存在推广范围较小，装置与实际情况契合不完整等问题，提出智能化饲喂装备要向高效、低成本、适用性强的目标发展，为我国奶牛养殖行业进一步发展提供参考。

1 TMR饲喂技术

1.1 TMR技术优势

TMR是一种根据反刍牲畜在不同生长阶段的营养需求，将精、粗饲料及各种饲料添加剂按照一定配比混合均匀，然后由运料车运送至食槽让牲畜自由采食的饲养技术[6]。与传统的栓系和散养饲喂模式相比，TMR饲喂方式采用先干后湿、先精后粗、先轻后重的基本原则[7]，应用TMR技术将精饲料、粗饲料以及各种添加剂合理科学混合，混合后的饲料能够达到松散不分离、色泽均匀，新鲜不发热、无异味，不结块的效果[8]；不仅可以确保不同生长阶段的奶牛个体获得其所需的营养物质，将奶牛瘤胃pH值控制在6.4～6.8之间，同时有利于微生物增长[9]，提高氮元素利用率达4%左右[10]，奶含蛋白质量高出0.11 g/100 mL[11]，增加产奶量5%～15%，降低发病率20%左右[12]，能够提高奶牛健康水平。与传统饲养模式相比，因内在成分与加工流程的改善及分群饲喂模式的实施，每公斤干物质能使奶牛增产5%～8%的奶量[13]。同时单劳动力工作效率可提升至80～150头[14]。

1.2 TMR制备机发展现状

在奶牛饲养的全过程中，采用TMR技术有利于从根源上提升奶牛饲喂与管理的整体质量，也符合奶牛智能饲养的基本原则[15]，为此必须将技术与装备科学的配套使用。TMR制备机的研制有效解决了这一问题，并且能够通过物料切割、搅拌等方式将饲喂原料进行加工，优质的加工装置能够将TMR饲喂技术发挥到最佳性能[16]。

国外的TMR制备机品牌有美国LEO Ag、以色列RMH、土耳其Enderun、巴基斯坦MALIK、德国GTECH、加拿大NDEco等。国外TMR日粮制备机与其它农作物生产管理机械一样，具有大功率、技术先进、作业效率高和性能稳定等特点。

我国TMR制备机技术起步较晚，常用的有固定式、卧式、牵引式、立式等[17]。王德福、于克强[18-19]等主要针对卧式与轮转式进行研究；冯静安等[20]选用了单螺旋立式搅拌机；刘光照等[21]对9JQL-12型TMR制备机产品，如图1所示，根据生产需求对装置进行试验分析，结果表明该装置符合国家标准；白宇等[22]研究的TMR饲喂搅拌装置，采用固定式搅拌机，主要由箱体、螺旋绞龙、饲料称重系统、控制系统组成，将饲料按顺序、比例进行混合、切割搅拌后送出。

图1 9JQL-12型TMR制备机Fig. 1 9JQL-12 TMR preparation machine1.传动系统 2.卸料装置 3.称重系统 4.搅拌箱5.定刀 6.牵引式底盘 7.绞龙装置

1.3 TMR饲喂关键技术研究

针对国内TMR饲喂技术存在的问题，很多科技人员进行了相关研究。

1) 奶牛的分群化管理。奶牛分群管理具体可以划分为泌乳前期、泌乳中期与后期等几个阶段[23-24]，不同产期的奶牛在产奶量方面也存在差异，最大可达到10%左右[25]，其中对于早期的泌乳牛来说，无论其产量如何，都要适当提高干物质含量；对于中期泌乳牛中产量较高或体型偏瘦的个体乳牛，也应采取相同措施[26]。

2) 饲料的养分检测管理。不同的营养成分有不同的降解速率和利用速率[27]，低蛋白TMR粗精比为55∶45，高蛋白TMR粗精比为51∶49[28]。在TMR饲料中混入一定比例豆科类牧草能够有效提高饲喂效率[29]，原料中水分的偏差度会直接影响混合饲料中的营养浓度[30]，因此必要时可加入一定比例的水，大致为35%～45%[31]。

王秀等[32]给出了奶牛饲养过程中干物质采食量DMI的预测公式

泌乳中后期奶牛：DMI=0.025W+0.1Z

(1)

式中:W——体重；

Z——日产奶量。

成年母奶牛：DMI=8+M/5+Y/1 000

(2)

青年母奶牛：DMI=6+M/5+Y/1 000

(3)

式中:M——日产奶量；

Y——年产奶量。

在采用TMR进行饲喂时，会改变一天中DMI的分布，同时增加奶牛采食的时间[33]。因此要合理对饲料中养分进行检测。

填料次序与搅拌时间。一般按照干草→精料→副料→青贮→湿糟类等次序进行填料，可依据不同奶牛群体进行适当调整，搅拌时间控制在最后一批原料添加完成后再搅拌4～5 min较为适宜[34]。

料槽的科学管理。在对奶牛进行饲喂时，合理记录奶牛采食量，并且应预留3%～5%的饲喂量[35]；与此同时每天早上清槽，将成年母牛剩料投放给后备牛[36]，节约饲养成本。

饲喂技术混合度评价标准。需要提高管理人员水平，增强防疫意识。疾病不仅会浪费大量资源，还会带来严重的经济损失，因此应提升饲养人员的技能水平，加大检查力度，做好防疫的相关工作[37]。目前科技人员已经进行了大量研究，探索出一系列评价标准。

王凯军等[38]提出的以变异系数cv作为TMR饲喂技术混合度的评价标准。

(4)

式中:cv——混合物样品的变异系数，%；

S——样品测定值标准差；

混合均匀度

M=1-cv

(5)

混合物颗粒度的评价标准由美国宾州颗粒度分级筛[39]确定，筛网直径从第一层到底层依次为>19.00 mm、8.00～19.00 mm、1.18～8.00 mm、<1.18 mm。

TMR饲喂技术优势明显，必将获得广泛的应用推广，同时也要注意其存在的问题，针对实际的饲喂规模以及条件制定相应的饲喂规划，做到技术与装备合理使用，促使我国奶牛养殖行业的快速发展。另外，在大力推广现代化奶业产业体系、增强奶业竞争力的同时，采用自动饲喂装置与TMR技术相结合的方式，能够提高奶牛单产量，降低劳动成本，以最少的生产耗能获取最大的畜牧业产值和经济效益是现代畜牧业发展最重要的标志[40]。

1.4 我国TMR技术存在的问题与建议

随着TMR技术的不断发展，本文基于TMR发展状况对我国与国际情况进行了对比分析，如表1所示，对比分析后发现我国的TMR技术还存在着一些问题，表现在投资成本较高；对日粮成分检测要求严格，各成分比例要求精确；对不同种类的牛场应采用不同的配比配方，制作工序较为复杂；牛群分群不合理、调群不及时等方面[23]。

我国未来奶牛养殖将转向规模化养殖模式，为此要进一步发展TMR技术，结合我国实际养殖情况对该技术进行改善，针对我国畜禽养殖标准制定出相应的TMR配比方案，加强对原料成分检测力度，将原料比例控制在更加精确的范围内；在牛场管理方面加大分群管理制度，科学的将牛群管理与饲喂技术相结合；在TMR制备装置方面，要研发出操作简单、运行安全、价格合理的装备，逐步摆脱装置系统进口的局面，要针对具体问题去研发装置。

表1 国内外TMR技术发展情况对比Tab. 1 Comparison of domestic and foreign TMR technology development

2 奶牛饲喂装置

奶牛养殖业快速发展，养殖规模不断扩大，机械化装置的应用对提高产奶质量与管理水平具有重要作用，如表2所示，将我国与国际饲喂装备的现状进行对比分析，受我国传统奶牛养殖模式的影响，有关自动化饲喂装备的研究起步较晚，但随着现代化农业的不断发展，养殖模式的转变导致相关饲喂装置相继出现，其中大部分设备适用于小规模养殖场，而符合大型养殖规模的先进设备仍面临进口的问题，进口设备价格昂贵且维修较为复杂，但其配套的系统能够很好的提升养殖效率，因此在未来研发过程中，要进一步提高装置的工作效率，结合我国实际饲养环境，对自主研发的设备进行推广试验，将配套装置组成完整的饲喂系统，不仅能够提升牛场管理效率，而且进一步推进我国奶牛养殖模式的转变与发展。

表2 国内外奶牛饲喂装置的应用情况对比Tab. 2 Comparison of the application of domestic and foreign cow feeding devices

2.1 成牛自动饲喂装置

国外自1983年开始便已采用自动配料系统[41]，如今我国也相继开展了相关装置的研究工作，但还未实现大面积的推广应用。赵丽萍等将我国国情与自动饲喂装置进行结合，介绍了5种不同的给料系统：圆盘式、柱塞式、振动式、螺旋式和槽轮式给料系统。陈晓明等[42]设计的奶牛螺旋给料装置搅拌设备，由搅拌轴、搅拌叶片、电机等组成，可消除堵料的现象，将饲料更加均匀的混合、输送，进一步提高自动饲喂装置的效率，大幅度降低饲喂成本。

奶牛自动饲喂装置的研制，推动了我国奶牛养殖业发展，一定程度上解决了奶牛养殖过程中的难题，提高了生产效率。但是，装备技术方面仍存在一些不足，缺少核心技术的自主权。研制的装备不能很好结合我国的养殖特点，并且受到奶牛传统养殖管理模式的限制，装备产品的推广应用范围较小。许立新等[43]提出的自动化传送带饲喂系统(图2)，能够对所需饲料量进行计算，然后计量配置，投放在填料装置中，在滑动犁作用下将饲料投撒在饲喂面之上。

图2 传送带填料装置Fig. 2 Conveyor packing device

2.2 犊牛自动饲喂装置

传统的奶牛养殖场饲喂犊牛时需要大量人工投入，成本高、效率低，不利于奶牛养殖场的大规模发展，并且饲喂的牛奶需要维持在合适的温度范围，犊牛健康状况直接影响配种率和产犊月龄的早晚[44]。

国外在犊牛饲喂方面的装置技术较为成熟，瑞典的Delaval、荷兰的Lely、德国的Urban、GEA等公司[45]进行了犊牛饲喂装置的研究。Oliveira等[45]介绍的犊牛精细化饲喂装置，结合无线射频技术，完成了对犊牛采食量的检测与投放控制。

我国近年来也开展了犊牛饲喂装置的研究。王玄等[46]为解决犊牛饲喂问题设计的全自动犊牛饲喂装置，能够实现自动识别、奶源加热消毒、自动搅拌以及定量排放输送等功能，模拟了奶牛乳头喂养的自然状态，大幅度节省了劳动力。靳蜜肖等[47]设计的犊牛自动饲喂控制系统，以PC机为信息管理平台，基于计算机技术与无线通信技术，实现在饲喂过程中对温度和奶量合理的控制。

2.3 成牛精准饲喂装置

随着电子信息技术的快速发展，国内外养殖模式发生转变，我国正从增加奶牛存栏数向提高奶牛单产量的目标发展[48]，为了满足奶牛所需的营养需求，结合精细化养殖方式，研究与开发简单实用的精准饲喂装置尤为重要。

国外的奶牛精细化养殖起步较早，结合自动控制技术联合多种配套设施，奶牛养殖效率明显高于我国[49]。国外如以色列的Afimilk、美国的BOUMATIC、加拿大的ARROWQUIP、澳大利亚的Morrissey & Co、荷兰的LELY、芬兰的PELLON、新西兰的Farmquip等公司开展了更加精细的饲喂装置研究。Simona Büchel等[50]设计的奶牛饲喂检测系统，通过穿戴式传感器检测到数据，推测不同奶牛个体采食习惯，完成个体的精准饲喂。

随着现代化技术的快速发展，我国科技人员也对精准饲喂装置进行了研究。在对奶牛个体进行精准饲喂时，无线识别技术因其采用非接触式对象识别，且具有识别速度快、性能稳定等特点[51]，被广泛应用于奶牛个体识别。熊本海等[52]设计的奶牛饲喂机电控制系统，包括机械装置、电子识别系统、料槽称重系统、电控系统、现场数据采集及远程数据传输与分析系统等部分，实现了奶牛的自动化精准饲喂。赵丽萍等[53]设计的奶牛饲喂送料系统，结合自动控制、射频识别技术等，可对奶牛个体进行识别，根据其个体需求量而制定相应的饲喂计划，从而实现对奶牛的精准饲喂。李亚萍等[54]设计的牛场信息管理系统，采用原型法进行设计，实现了对奶牛信息的采集检测，并通过无线传输装置将数据与饲喂装置相结合，使饲喂装置能够掌握奶牛个体信息，在实现精准饲喂的同时也提升了牛场信息化管理水平。赵毅等[55]设计的奶牛饲喂机器人PLC程序，能够完成定点给料、全方向行走等一系列功能，利用饲喂机器人代替人工作业有效的降低了饲喂成本。

精准饲喂装置的研发能够加快我国养殖结构的转变，是奶牛养殖走向精细化发展的重要标志。相关装置的试验结果表明，所研发的成牛精准饲喂装置能够达到国家标准，并且运行安全可靠。但是，精准饲喂装置系统研发成本较高、设备维修繁琐、装置系统运行所需环境条件较为严格，并且对工作人员的技术操作水平要求较高，因而成牛精准饲喂装置的大范围推广仍有待解决。

2.4 成牛精准补饲装置

满足奶牛个体营养需求能够进一步提高产奶质量，其需求量受自身状态、养殖环境等因素影响，为此在精细化分群饲养时，要依据奶牛个体之间的差异，研发精准补饲装置，对奶牛个体信息进行分析，计算出所需增补的饲料量，通过配套装置实施对奶牛个体的补饲。

焦盼德等[56]设计的奶牛智能推料机器人(图3)，将旋转机构配合自主行走机构进行推料作业，结合有蓄电池防护罩，提供了一种全新的二次补料形式，降低了生产成本。

颜世涛等[57]设计的奶牛个体精料变量补饲系统，采用北京完美WM-18系列无线射频识别系统获取奶牛个体的采食量与产奶量的差异，从而将4种精饲料按差异进行增补。王冉冉等[58]设计的动态补饲装置，利用射频技术识别奶牛信息，依据不同奶牛个体的补饲量进行补饲。李文等[59]设计的自动称重精准补饲装置，当奶牛进入护栏时，上位机接收到检测信号，对奶牛进行自动称重从而确定补饲量，再根据奶牛体重判断是否需要补饲。

图3 奶牛智能推料机器人Fig. 3 Cow intelligent feed robot1.自主行走机构 2.旋转机构 3.蓄电池 4.防护罩

随着我国现代化奶牛养殖格局的形成以及养殖模式的转变，对于奶牛饲喂装备的需求不断提升，在工作效率、饲喂精准度、自动化水平等方面的要求更加严格，为此对奶牛智能化饲喂装备的研究状况进行总结分析，针对不同饲喂状况以及装备特点，提出有关饲喂装备在自动化程度、饲喂效果等方面的改善的发展目标，进一步完善与饲养模式的结合程度，切实提升我国奶牛养殖水平。