母猪智能化精准饲喂系统研究现状及展望

程维波，吴德胜，李 辉，查德翔，谭荣英，张春颖

(1.中机华丰(北京)科技有限公司，北京100083； 2.中国农业机械化科学研究院，北京100083)

0 引言

中国是世界猪肉生产和消费第1大国，2018年猪肉产量5 403.7万t[1]。我国母猪饲养模式主要以限位栏饲养为主，饲养空间狭小、环境较差，母猪缺乏运动、心肺功能下降；饲养管理模式落后，猪群体质退化、抗病力下降，母猪容易生病。这种状况造成母猪饲养质量不佳，表现为母猪发情率低、生产率低、难产率较高和仔猪成活率低等诸多问题，影响生猪行业的生产效率。

为提高我国生猪生产效率，准确、可靠的饲喂技术和设备是必不可少的条件。智能化精准饲喂技术在提高母猪饲养质量、生猪生产效率方面具有明显的作用。目前，国内每头母猪年产断奶仔猪数在20头左右，而使用智能化精准饲喂技术的欧美国家提供的断奶仔猪数达到26头以上，荷兰达到29头，丹麦甚至超过34头[2]。

总结国内外智能化精准饲喂系统的研究现状，分析存在的问题，有助于推进智能化精准饲喂技术研究与应用，提高我国生猪生产水平，对我国从生猪饲养大国迈向生猪饲养强国有重要的意义。

1 母猪智能化精准饲喂技术与系统

1.1 母猪智能化精准饲喂技术

研究表明，均衡合理的营养对于维持母猪体况和繁殖性能至关重要。母猪的营养分配模式决定了母猪妊娠阶段的体况，妊娠期营养供应不足将降低胚胎存活率，从而对产仔数产生影响[3]。同时，哺乳期的营养供应影响仔猪存活率和哺乳期日增质量，增加母猪泌乳量可以有效减少新生仔猪的死亡率[4]。若哺乳母猪采食量低下，会分解体组织来满足产奶的营养需求，造成泌乳期体质量降低、背膘损失和体况下降，断奶至发情间隔延长，排卵数减少，受胎率下降、胚胎存活率降低，窝产仔数减少，甚至缩短母猪的生产寿命。

科学的精准饲喂技术对母猪至关重要。精准饲喂技术可以根据母猪的妊娠天数和体质量变化，控制其饲喂量，提高营养利用效率，保证胚胎存活率；根据仔猪数量和仔猪日龄，控制哺乳母猪的饲喂量，保证仔猪健康，提高仔猪的断奶率；通过检测母猪的体质量、体膘厚度和日常活动，判断母猪的健康情况，进行猪群的防疫工作；根据母猪的生理行为，判断母猪的发情情况，进行发情诊断，确保母猪顺利受孕[5]。

母猪精准饲喂技术分为人工精准饲喂和智能化精准饲喂。人工精准饲喂技术主要依靠丰富养殖知识和经验饲喂猪只，但工作量较大、工作要求细致，对养殖人员要求较高；人工单位饲喂数量较少，饲喂成本较高。

智能化精准饲喂技术是把工业上智能制造的理念应用到养猪业，结合计算机、无线射频识别、网络技术、母猪阶段饲养营养配饲工艺，来实现智能化的母猪管理。智能化精准饲喂技术在数据收集、管理和提高生产率等方面具有明显优势，管理方便、工作简单；与限位栏饲养模式相比，能够减少50%以上的管理人员，节约20%以上的母猪饲料，母猪综合生产率提高25%以上，同时显著提高20%以上的胎产仔猪存活率[6]。智能化精准饲喂技术是欧美国家母猪管理采用的主要技术。

1.2 母猪智能化精准饲喂系统

母猪智能化精准饲喂系统是使用精准饲喂技术进行饲养母猪的智能化养殖系统，分为妊娠母猪智能化精准饲喂系统和哺乳母猪智能化精准饲喂系统。

1.2.1妊娠母猪智能化精准饲喂系统

妊娠母猪智能化精准饲喂系统如图1所示。入口门处耳标阅读器识别猪只耳部RFID纽扣式耳标，智能控制器判断猪只可否进食，若可以进食，入口门开启；否则，入口门保持关闭。当猪只进入饲喂栏后，入口门关闭，猪只到达喂料器处时，耳标阅读器再次识别猪只信息，智能控制器判断计算后，喂料器开始投料，喂料器的食槽门开启，投料采用“少量多次”的方式，先少量给下部的食槽投料供猪只采食，当食槽内料位器感应到食槽无料时，喂料器再次投料，直到达到计算的饲喂量停止投料。同时称量平台对猪只称量，将猪只体质量上传智能控制器；喷墨装置对要分娩、生病、无耳标等猪只进行喷墨，以便管理员处理。当猪只离开采食区，或者投料量达到计算的饲喂量且食槽无料后，或者猪只进食时间达到智能控制器计算的采食时间，智能控制器关闭食槽门、喂料器停止投料，猪只通过出口门经分离门被分离或正常回饲喂区。

1.喂料器 2.采食区 3.喷墨装置 4.称量平台 5.入口门 6.出口门 7.分离门图1 妊娠母猪智能化精准饲喂系统Fig.1 Intelligent precision feeding equipment for gestation sow

1.2.2哺乳母猪智能化精准饲喂系统

哺乳母猪智能化精准饲喂系统如图2所示。每台饲喂一头哺乳母猪，当母猪进食时，触碰下水下料感应开关，感应开关信号传输到智能控制器，智能控制器判断母猪是否可以进食、食槽料位器感应是否有余料，若可以进食且无余料，则下水和送料装置启动，饲料和水落入食槽后混合，供猪采食；若母猪不可进食则送料装置、下水装置不启动；若可以进食且有余料，下水和送料装置暂时不启动，直至食槽内无饲料再启动。为避免母猪频繁触碰浪费饲料，在下料后一段时间内，母猪再次触碰，智能控制器不会再次下水下料[7]。

1.下水下料感应开关 2.自动下水装置 3.料筒 4.智能控制器5.送料装置 6.带料位器食槽图2 哺乳母猪智能化精准饲喂系统Fig.2 Intelligent precision feeding equipment for lactating sow

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外一些国家对母猪智能化精准饲喂技术的研究和使用起步较早，20世纪80年代，欧美国家初步形成动物福利体系，各国纷纷对动物福利立法，制定动物福利标准。如英国1999年立法禁止母猪限位栏饲养；欧盟规定2013年1月1日起，所有的繁殖母猪从授精后的4周到分娩前的1周，必须在群房中进行群养。为满足母猪福利需求，欧美等国家和地区先后研制母猪智能化精准饲喂系统。经过几十年的发展，荷兰、德国、美国和加拿大等国家的母猪智能化精准饲喂系统已经完善成熟、种类齐全。

2.1.1Nedap Velos母猪电子饲喂站

智能化精准饲喂技术最早起源于荷兰。1982年，荷兰Nedap公司应用射频识别、个体精确饲喂和软件管理等技术，研究开发出第1个母猪智能化精准饲喂系统——Nedap Velos母猪电子饲喂站(图3)，包含精确饲喂、发情监测和栏体3大模块，在大群饲养条件下，每台系统可自动饲养50头母猪。

图3 Nedap Velos母猪电子饲喂站Fig.3 Nedap Velos electronic sow feeder

精确饲喂模块是母猪智能化精准饲喂系统的核心机构。精确饲喂模块通过扫描电子耳标识别母猪，根据母猪所处不同妊娠阶段确定饲料最佳投放量；对母猪采用“少量多次”的投料方式，充分调动母猪食欲，减少饲料浪费；根据母猪的进食速度确定投料速度，防止母猪采食过快产生应激反应。喂料模块结构包括料仓、下料器和食槽。料仓储存饲料，内部装有料位器，用于检测料仓内饲料量，方便及时补料；仓内设有破拱装置，消除饲料结拱。下料器采用螺旋结构、装于仓内下方；物料由料仓流进下料器后，受转动螺旋叶片的推力作用，沿着螺旋轴移动到下料器末端，从出口流出；螺旋结构具有落料均匀连续、便于控制和投料精确等优点。食槽与采食区设置气缸驱动的隔离食槽门，只有在识别到授权进食的母猪时才打开。另外，采用双料仓、双螺旋结构，可以投放两种饲料，满足母猪不同需求的饲喂。

发情监测模块根据母猪发情时主动靠近公猪、嗅闻公猪气味的原理设计。当处于发情期的母猪靠近发情监测装置时，耳标阅读器识别母猪的耳标身份信息与母猪滞留时间传输到智能控制器，智能控制器根据母猪靠近发情监测装置的次数和滞留时间，判断母猪是否发情。当判断母猪处于发情状态时，智能控制器控制发情监测器的标记喷墨装置对母猪进行喷墨标记，同时将发情母猪信息发送给管理员。发情监测模块根据母猪的自然行为习惯及生理规律设计，充分发挥了数字化养殖信息管理的能动性，解决了发情诊断的难题；更可以在发情初期进行诊断，缩短诊断时间，帮助管理人员把握最佳配种时间，提高繁殖效率。监测过程无须人工对猪群进行检查，避免人为对母猪的干扰，保证母猪的怀孕受胎率。

栏体模块有进出口门、喷墨标识装置和封闭的采食区。入口处有气动门或机械门两种结构选择，智能控制器根据母猪身份控制开关。出口门采用双重保险出口，防止母猪从出口处反向进入采食区，扰乱饲喂计划。喷墨标识装置根据母猪的身份和状态采用微型气缸技术进行喷墨，以便饲养员根据母猪身上的颜色进行相应处理，提高饲养员的工作效率。

Nedap公司后来在母猪电子饲喂站的基础上增加智能化分离模块，设计出Nedap Velos母猪分离饲喂站。增加了双侧分离门对接饲养区和分离区，可以对怀孕母猪、临产母猪、发情母猪和生病母猪等要分离母猪进行自动分离。试验表明，Velos系统可以将分娩率提高到88.69%，平均返情率降低至7.4%；同时有效避免了限位栏对母猪心肺功能、肢蹄、泌尿生殖系统的伤害，提高了健康水平和生产寿命。

2.1.2Gestal F2母猪自动饲喂系统

加拿大JYGA公司的科技人员提出分阶段母猪智能化精准饲喂理念，研发了Gestal 3G妊娠母猪群养系统(图4)和Gestal F2哺乳母猪自动饲喂系统(图5)。

图4 Gestal 3G妊娠母猪群养系统Fig.4 Gestal 3G computerized feeding system for group housed sow

图5 Gestal F2哺乳母猪自动饲喂系统Fig.5 Gestal F2 automatic feeding system for lactating sow

Gestal 3G是针对妊娠母猪用的饲喂系统，每台设备可饲喂16～22头母猪[8]。在结构上，进出口及通道融合，设备占地面积少，而且安装与移动方便，实现从设计理念到结构调整的创新性突破，满足群养环境下母猪活动空间的需求，减少猪只之间因争抢进食发生的撕咬[9]。

Gestal F2是适用分娩栏哺乳母猪的一种饲喂系统。该系统根据母猪泌乳期、胎次、产仔日期和仔猪数等不同阶段、不同状态的营养需求提供饲料，采用“少食多餐”的饲喂方式，做到针对性饲喂，增加哺乳母猪采食量。王定杰等[10]对长白猪进行的试验表明，使用Gestal饲喂系统的哺乳母猪日均采食量增加16.8%，哺乳期失重减少38.4%，背膘损失减少42.4%，断奶至发情间隔平均缩短2 d。Gestal F2系统增加了母猪产奶量，提高仔猪生长速度，仅靠母乳可在18 d断奶时体质量达到6.5 kg，每头母猪每年提供断奶仔猪25头以上[11]。

2.1.3动态饲喂系统Compident VII和静态饲喂系统Compident Smart

奥地利Schauer公司研发了应用于不同饲养模式的两种智能饲喂系统，动态饲喂系统Compident VII(图6)和静态饲喂系统Compident Smart(图7)。

图6 Compident VII动态饲喂系统Fig.6 Compident VII dynamic feeding system

图7 Compident Smart静态饲喂系统Fig.7 Compident Smart static feeding system

Compident VII饲喂站为动态饲养模式母猪智能饲喂系统，适用于多台饲喂设备大圈中饲养，将后备母猪、不同妊娠日期的母猪均放在一个大圈中，并配备分离设备、发情鉴定设备管理发情、返情、生病及临产等情况的母猪。该系统结构采用直通式设计，保证母猪顺利采食的同时可以方便安全地离开饲喂站；出口区域设有缓冲区，可以实现一头母猪在缓冲区逗留时，另一头母猪可以进站采食；为自行离开的母猪设制加速传感器，以便下一头母猪提前进站采食；喂料槽料仓设计为140 L大料筒，采用转盘精准投料器，装满一次料可饲喂30多头母猪，每天只需上料2～3次。该系统提高了设备的利用率，不同生产阶段的母猪集中混合养殖，使得管理更加便捷、有效，母猪只在快要分娩时转入分娩舍，减少母猪转舍次数，降低应激，每台饲养设备母猪饲喂头数达到80头[12]。

Compident Smart饲喂站适用于静态饲养模式，将配种后28 d已确认怀孕的母猪，一般50～60头组群转入大栏群养，使用一台饲喂站根据母猪营养需求进行最佳饲喂。这种模式由于整群母猪生产周期一致，可以实现整群全进全出的生产模式，饲养管理更方便；避免混群饲养时疾病传播的可能；防止返情母猪爬跨其他怀孕母猪的情况出现，减少猪群打架和流产等现象[9]。

2.1.4Callmatic 2母猪电子饲喂系统

德国Big Dutchman公司设计一种应用于母猪群养管理的母猪电子饲喂系统Callmatic 2(图8)。该系统采用模块结构设计，可以根据不同气候、场地和需求进行组合，适用于不同的养殖场，尤其适应已有的房舍设计，并且运输方便。饲喂站配套两个料仓储存饲喂干料，还可以使用液态饲料供料系统进行供料。喂料器设计了额外的饲料添加剂料箱，方便矿物质补充和药物添加。系统控制设计专门的训练模式，用于训练后备母猪，气动进口门保持开启状态，后备母猪进入后，智能控制器自动关闭进口门。该系统投料采用少量多次的模式，可充分调动母猪食欲，避免饲料浪费，大群饲喂量可达60头。

图8 Callmatic 2母猪电子饲喂系统Fig.8 Callmatic 2 electronic sow feeding

2.2 国内研究现状

国内在母猪智能化精准饲喂系统领域的研究起步较晚，早期的应用主要以引进为主。随着养猪产业的发展，从21世纪开始，国内在借鉴的基础上开始进行研制。

国内妊娠母猪智能化精确喂养系统下料装置一般采用螺旋式，投料精度达到国外水平。智能控制器采用单片机技术，可设置记录母猪身份信息、采食参数和下料参数等数据；母猪的饲喂量根据其胎次、背膘和妊娠状态精确控制下料器下料[13]。这些系统进出口门大多设计为母猪自主开关，不通过智能控制，同一母猪可重复进入栏体，母猪额外占用时间增加，降低了饲喂能力；缺少自动分离模块，无法实现问题母猪的自动分离，仍然需要管理人员根据母猪身上的喷墨来人工分离。

中国农业机械化科学研究院所属的中机华丰(北京)科技有限公司根据国内实际养猪要求和国外成熟设计经验，为妊娠母猪群养研制了具有分离功能的ZWZ50C型母猪电子饲喂站，如图9所示。

1.入口门A测 2.入口门B测 3.进口门 4.红外对射开关 5.称重平台 6.电控柜 7.喷墨装置 8.出口门 9.分离门B测 10.分离门A测 11.喂料器 12.食槽门耳标阅读器 13.进口门耳标阅读器图9 ZWZ50C型母猪电子饲喂站Fig.9 ZWZ50C electronic sow feeder

母猪自由通过入口门时，进口门耳标阅读器识别母猪耳标信息，智能控制器判断母猪可否进食，若不可进食，则进口门保持关闭状态；若可以进食，智能控制器通过电磁阀控制驱动气缸将进口门打开，允许母猪进入采食区。红外对射开关感应到母猪完全进入采食区后，进口门关闭，以防母猪进食时采食区有其他母猪进入。在采食区，喷墨标识装置对要分娩、生病等母猪进行喷墨标记，以便管理人员处理问题；称量平台对猪只称量，将猪只体质量上传到智能控制器。食槽门耳标阅读器对母猪身份进行识别后，智能控制器程序根据母猪的猪龄、妊娠天数、胎龄和体况计算出饲喂量、采食时间，然后控制喂料器投料、喂料器的食槽门开启，投料采用“少量多次”的方式。当母猪离开采食区，或者投料量达到计算的饲喂量且食槽无料后，或者猪只进食时间达到智能控制器计算的采食时间，智能控制器关闭食槽门、喂料器停止投料；进口门再次打开，放入后一头进食的母猪，后一头母猪进入驱赶前面母猪离开。若智能控制器判断母猪需分群，电磁阀控制驱动气缸将分离门开向分离区，否则，分离门开向饲养区。若前面母猪不离开的时间过长，警报器发出报警，通知管理人员及时处理。

ZWZ50C型母猪电子饲喂站包括精确饲喂、智能分离和栏体3大模块，可实现母猪的智能分离，并且进行了创新，将入口门设计成双侧入口，使得分离区与饲养区母猪隔离的同时共用一台饲喂站，使没有及时移走和处理的分离区母猪按时进食。饲喂站母猪识别率达99%，饲料投放精度达98%，单台饲喂站的饲喂能力达到50头以上。该系统缺少配套的发情监测模块和疾病诊断设备。

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所研制了哺乳母猪精准下料控制系统。该系统采用电动推杆给料装置下料，通过电动推杆上下运动带动堵料上球、堵料下球移动，利用上球、下球与定量仓之间的间隙实现下料，通过控制电动杆的推杆速率获得稳定的下料量。该系统结构紧凑、体积小、耗料少，运行过程节能、维护方便；下料既无饲料残留，又能破除储料仓上的饲料结拱，设计高效、简单，制造成本低。试验显示，使用该系统后母猪的日均采食量从人工饲喂的3.8 kg增加到4.58～4.65 kg，母猪哺乳期采食量变化曲线符合哺乳母猪的采食特性[14]。

张超等[15]发明了一种母猪发情检测系统，采用距离测量传感器实时检测母猪与检测装置的距离，中央处理单元实时分析母猪距离的变化，根据变化特征预测母猪是否发情，具有简单、方便、易操作和准确率高的特点。胡天剑等[16]发明了母猪发情智能检测标记装置，该装置通过射频识别技术实时监控待测母猪与试情公猪的接触时间、次数、频率，判断母猪是否发情。杨亮等[17]设计了母猪发情监测装置，通过监测母猪的体温，并配合射频识别、压力和红外等技术监测母猪在试情公猪附近的滞留情况，通过记录母猪在种公猪附近滞留的次数和滞留时间判定母猪是否发情，对鉴定为发情的母猪进行喷色标记或将母猪的信息发送给管理人员。

3 结束语

国外的母猪智能化精准技术发展较为成熟，母猪智能化精准饲喂系统及其配套设备较全，但是价格相对昂贵。

国内母猪智能化精准饲喂系统的研究目前处于起步阶段，生产厂家较少。虽然在精准饲喂系统设备方面取得一些进展，但主要集中在硬件仿制上，有关母猪智能化精准饲喂核心技术的基础研究较少，缺乏精准养殖的实用技术。智能发情监测装置是母猪智能化精准饲喂系统的研究重点和难点，国内尽管做了一些这方面的研究工作，但未见真正应用到实际生产中的报道。

目前，国内母猪疾病诊断主要依靠人工观察的方式，主观性强且精度低，对传感器监测、图像监测及声音监测等高效、智能、精准和无刺激的无损监测技术的研究开发较少，且尚未应用到养殖生产中。母猪营养学对生猪生产率影响的研究不多，如母猪的饲喂参数对母猪产仔数、仔猪成活率、仔猪断奶天数及仔猪体质量等指标的影响研究较少。各方面研究较分散，未将精准饲喂、智能分离、发情监测、疾病诊断和母猪营养学等技术集中在一套系统中。

国内应加大相关技术的研究，开发高效、智能、精准和无刺激的疾病诊断技术，加快猪发情检测设备在生产中的应用，增加母猪营养学方面的研究。加快系统及其配套设备研发升级的投入，尽快将饲喂技术集成于饲喂系统中，使母猪智能化精准系统向标准化、模块化和配套化的方向发展，尽快丰富国内市场，提高母猪的饲养质量、生猪生产效率，保证生猪养殖行业的健康可持续发展。