人工智能养猪在我国的发展现状与研究展望

杨 亮，熊本海，王 辉，陈睿鹏

（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 前言

近年来，人工智能技术不断发展并在多个行业领域中得到了广泛应用，推动了相关产业的创新与发展，取得了显著的成效。中国是畜牧业大国，畜牧业发展在国民经济中占有重要的地位。2022年1-3月全国农林牧渔总产值约为20 470.6亿元，其中畜牧业占比达41.37%，达到8 468.6亿元。农业农村部印发的《“十四五”全国畜牧兽医行业发展规划》提及到，2025年生猪养殖业产值将达到1.5万亿元。生猪养殖在畜牧业中的占比较重，特别是随着生猪养殖规模化程度不断提升，其对现代化养殖技术的需求日趋迫切。利用人工智能技术构建我国智能化生猪养殖解决方案，研发生猪养殖过程中的信息智能感知、个体（小群体）精准饲喂、养殖环境智能调控等核心技术与装备，是推动我国生猪养殖业健康发展的关键因素。2020年，中国发布了《数字农业农村发展规划（2019—2025年）》，明确提出要推进人工智能等数字技术向农业农村渗透，加快建设数字农业标准体系，推进现代化数字畜牧业的发展。应用人工智能技术，发展生猪智能化养殖已势在

必行。在国家政策的大力支持下，科研院所、高校和相关企业集中优势科研力量进行技术攻关，利用人工智能技术研发生猪养殖装备与技术等，目前已取得了一定的成果。为了更好地发挥人工智能对生猪养殖行业的推动作用，助力生猪产业种业振兴，本文将重点介绍人工智能养猪在我国的发展现状并展望人工智能技术在生猪养殖领域未来的应用前景。

1 人工智能

1.1 人工智能的定义

人工智能概念最早由美国科学家约翰·麦卡锡（John McCarthy）定义为“制造智能机器的科学与工程”。从此，人工智能作为一门新兴学科逐渐兴起，经过60多年的发展，人工智能成为众多交叉学科的前沿综合科学。目前，学者们普遍认为人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的技术科学，人工智能的主要目标是使机器能够替代人类完成一些智能的复杂性的工作。

从技术基础来看，人工智能分为符号智能与计算智能。符号智能指的是所谓的传统人工智能，即以知识为基础，通过建立规则和推理来完成问题的求解，如专家系统、知识推理等，研究多以知识为对象，重点研究知识的获取、表示及运用。计算智能则是以数据为基础，通过大样本数据训练、构建数学关系模型，实现对问题的求解，如神经网络、遗传算法、模糊系统、进化程序设计以及人工生命等算法和理论。

从发展等级来看，人工智能一般分为超人工智能、强人工智能和弱人工智能。超人工智能指的是能实现与人类智能等同的功能，具备“递归自我改进功能”。强人工智能即通用人工智能，指的是能够像人类一样胜任智力性任务的智能，要求人工智能具备思考能力、计划能力、学习能力、交流能力等。弱人工智能又被称作狭义人工智能或应用人工智能，指的是能完成某项特定任务或特定问题的人工智能，其本身并不具备自主意识或真正的人类智能。目前，绝大多数人工智能及其应用仍然属于弱人工智能。

1.2 人工智能的组成要素

人工智能的组成要素包括四个层面，即基础设施层、算法模型层、技术研究层和行业应用层。基础设施层主要包括支撑人工智能所需的基础数据资源、计算硬件资源以及计算平台资源等；算法模型层主要包括支撑人工智能所需的基础算法与模型，如深度学习、机器学习等理论中的相关算法和模型；技术研究层主要包括支撑人工智能各分支领域所需的核心技术，是人工智能研究领域最为活跃和广泛且持续时间最长的一个层面，当前主要包括自然语言处理、语音信息处理、计算机视觉、大数据分析和智能决策支持系统等；行业应用层面是前述人工智能相关技术在各个行业的落地，也是近年来人工智能技术从研究领域走向社会大众的具体应用。

2 人工智能养猪

2.1 人工智能养猪的定义

人工智能养猪，就是应用人工智能技术、融合智能设备与设施等，对传统的养猪模式、养殖过程及关键饲养环节进行改进或优化，通过智能化设施实现猪只个体体况信息的智能化感知与数字化表征、养殖环境的智能化监测与控制，养殖过程数据的自动化采集与智能化处理，包括养分供给的动态计算、猪只个体或群体日粮的精细化饲喂等。通过智能设备或机器人的应用实现机器换人，减少养殖过程中的劳动力投入，最终实现养猪环境的最优化、投入品的减量化、养分转化的最大化和人机结合的最优化，全面提升猪只健康水平及养猪效益。人工智能养猪不是一个简单的定义，也不是一个简单的养猪模式，它具有丰富的内涵，需要贯穿养猪生产的全过程，需要各种知识、技术与工程的跨界融合，才具备开展人工智能养猪技术的实践应用条件。

2.2 人工智能养猪的核心技术

实现人工智能养猪，需要解决养猪过程中的关键技术，如养猪环境智能控制技术、猪只个体或群体的精准饲喂技术、养猪机器人技术与养猪精细化管理技术，上述技术贯穿养猪产业链的全过程。在养猪生产过程的不同节点上应用人工智能技术，可实现人工智能技术与养猪过程的结合，促进人工智能技术在养猪领域的应用。

2.2.1 养猪环境智能控制技术

在设施养殖的模式下，猪只在不同的生理、生长阶段以及不同气候的养殖区域，理论上存在最佳的养殖环境，包括适宜的温湿度、空气质量（主要指NH3浓度、H2S等有害气体的可承受的上限值）、O2的浓度（空气交换量）、光照强度等。猪只在此环境下进行繁殖与生产，既能满足动物的福利及健康，又能促进养分的转化与利用，生产的投入与产出的效率及经济效益最为理想。

养猪环境智能控制技术指的是采用物联网技术，通过传感器的部署与工作，动态采集特定猪舍的环境指标，当环境状态超出系统设定的阈值时，智能启动环境控制设备，如风机、水帘、空调或光照设备等，使温度、湿度、空气质量等环境参数的数值处于合理区间，确保猪只在设施养殖环境下健康生长。基于传感器的物联网技术，主要集成了环境感知、数据采集与传输、数据分析及控制的物联网闭环过程。基于环境控制专家、动物福利与营养专家的联合，实现智能控制的难点是构建环境指标智能调控的多维模型，实现较佳的设备开启时间与节律，获得经济的环境参数控制及优化。

2.2.2 猪只个体或群体的精准饲喂技术

猪只个体或群体的精准饲喂及控制受制于多方面的因素或技术，实现的精准是一种相对的精准，即在不同养殖模式、不同生理阶段、预期生产性能下的精准。在生产性能方面，养殖种猪的目标是实现母猪生产力PSY的最大化，养殖商品猪的目标是实现料重比（FCR）的最小化。理论养分需要量即每天供给的最低或最佳的养分需要量，包括能量、蛋白质、氨基酸、矿物质元素等。通过制定合理的饲喂制度，对饲喂次数及供给的具有特定养分浓度的日粮数量进行控制，确保饲喂日粮提供的养分总量与理论养分需要量一致，最终实现猪只个体或群体的精准饲喂。

2.2.3 养猪机器人技术

随着人工智能技术的发展，养猪机器人技术与产品不断取得突破，逐渐进入养猪行业取代传统的需要人或设备完成的工序或生产过程。近年来，非洲猪瘟的暴发严重影响养猪业的发展，减少人和猪只的接触，利用机器人设备替代人在养殖环节的工作成为促进养猪机器人快速发展的动力，研究及应用养猪机器人具有巨大的市场需求。

巡检机器人装载了多种感知器件及分析系统，按预定的轨道和时间节律到目标猪舍进行巡检，可及时获得猪只的环境信息、个体位置、行为信息及健康信息。通过对采集的信息进行机器视觉与挖掘分析，智能感知猪舍环境是否舒适，获得目标猪舍的猪只个数，检测猪只群体中温度异常、发情状态及采食量异常的猪只，实现真正的无应激、非接触式的智能感知。巡检机器人的研制，需要运用远红外热成像动态快速采集技术，在对采集的大样本数据进行深度分析的基础上，获得准确的预测模型。消毒机器人基于防疫及解放劳动力的需求，将机器人行走的导航轨道与猪舍的建筑设计结合起来，实现机器人消毒的强度差异、消毒液的配制及喷洒的扬程等的综合优化，促进猪场消毒机器人在猪舍的应用。清粪机器人针对猪场的漏缝地板或地沟地板，通过人工智能的定位导航技术，实现对猪场粪尿的清除，可以有效减少劳动力的投入。

2.2.4 养猪精细化管理技术

猪只养殖过程中，实现繁殖猪群及商品猪群的全过程的精细化管理至关重要。通过精细化管理，针对不同类型和生产目的猪群的协调、周转与耦合，达到养猪生产系统运行的资源投入最小化，实现效益产出最大化。针对繁殖母猪，保证其发情、配种、妊娠、分娩、哺乳、断奶整个繁殖周期的循环推进，促进仔猪的均衡供给、后备猪的选育与留种，获得群体最大的母猪生产性天数、平均胎数、母猪生产力PSY，以及繁殖猪群的最佳胎次结构。针对商品猪，合理调配保育猪、生长猪及育肥猪的分群分栏饲养与转群，获得最佳的饲料转化效率，缩短出栏时间，提高成活率。精细化管理就是及时准确获取猪只个体的繁殖状态数据，包括母猪发情、配种、妊娠、分娩、哺乳、断奶等信息，以及商品猪的位置信息、饲喂数据及健康数据；结合养猪生产过程中的多参数融合计算模型，通过数据的在线化分析，查找养殖环节中出现的问题，及时采用智能环境控制、繁殖控制、饲养控制、生产周转控制等技术解决发现的问题，最终实现生产过程的动态监管及精细化管理，规避过程风险，保证生产的有序与目标化，达到数据产业化效果。

3 人工智能养猪在我国的发展现状

3.1 智能环境调控

随着散养户的逐渐退出，集约化、规模化和智能化的养殖方式成为主流。智能环境调控是保障猪只充分发挥生产潜力的基础，直接关系到猪只的福利健康、肉产品质量与食品安全、养殖场经济效益等。运用前沿科技技术，实现与猪只生理生长特性的深度融合是智能环境调控的主要特点。

猪舍智能环境调控主要基于舍内环境参数的采集和系统评估。采集的环境参数主要包括温热环境、有害气体和颗粒物。随着传感器技术的发展，传感器检测原理不断改进，智能化的非接触式传感器不断涌现，既提高了自身的使用寿命，也减少了检测引起的猪只应激反应。一批价格适宜、携带方便的多元环境参数集成检测设备在猪场得到了应用，例如中国农业大学研发的便携式检测设备PMU（Portable Monitoring Unit），通过将多种传感器集成于一个检测单元，结合无线传输技术，能够对猪舍内外的温湿度以及二氧化碳、氨气浓度等进行实时在线检测，有效提高了环境检测效率。

人工智能在智能环境调控方面的应用，主要是将深度学习算法应用于猪只行为、体征信息识别，进而对智能环境调控提供参考依据。深度学习算法以人工神经网络数学原理为基础、以多层参数学习体系为结构、以海量数据训练参数，应用最为广泛的是图像识别、语音识别等技术。在养殖过程中，及时准确识别猪只个体和行为，减少环境引起的猪只应激具有重要意义，深度学习方法可以显著提高识别的精度，为及时做出智能环境调控决策提供支撑。

3.2 智能精准饲喂

生猪智能精准饲喂设备是智能农机装备的重要组成部分，代表着先进的农业生产力，是提高生猪养殖生产效率、转变发展方式、增强综合生产能力的基础。随着农业劳动力人口向城镇的转移，对智能农机技术与装备的需求更高。我国生猪养殖智能设备研发还处于初始阶段，提高装备可靠性和智能化程度、加快智能精准饲喂技术与设备的研发及减少对核心部件和高端产品的进口依赖将促进我国生猪养殖产业的健康发展。

妊娠母猪小群散养智能精准饲喂站配置有RFID电子耳标识别系统及嵌入式控制系统，饲喂站根据每头妊娠母猪的妊娠日龄及采食量曲线，对每天及每次的采食量与下料量进行智能控制。试验数据表明，电子饲喂站可以增加动物福利、减少母猪肢体疾病与应激、提高母子健康状况、延长母猪生产使用寿命，同时还可以减少饲料的浪费，节省劳动力。国内妊娠母猪饲喂站的研究经过了模仿到自主创新的阶段，中国农业科学院智慧畜牧业创新团队历时10余年，联合国内优势科研院所、高校和设备制造企业，不断总结经验与教训，创新研制出具有自主知识产权的4代妊娠母猪智能精准饲喂系统，引领了我国智能精准饲喂理论与技术的发展。

哺乳母猪智能精准饲喂的研究目标是实现哺乳母猪21 d哺乳期的采食量最大化，提高断奶仔猪的平均重。在消化吸收国内外同类产品的特点及自身前期研究的1～2代产品的基础上，河南南商农牧科技有限公司在下料方式上进行了创新研究，创制了一种下料精准、无饲料残留，性能稳定、成本低廉且操作、维护方便的哺乳母猪智能饲喂系统，在国内规模化猪场进行了应用，取得了较好的效果。

3.3 智能养殖机器人

随着规模化养猪业的发展，猪场每天有大量又脏又累的日常工作，亟需智能养殖机器人“机器换人”。诸如清洗、消毒、清粪、巡检等工作，都可以在没有劳动力参与的情况下，由机器人自主完成，消毒、清粪、健康巡检机器人等应运而生，投入到规模化猪场的工作岗位上。

对猪舍的全面消毒是猪只养殖过程中最基础、最有效、最广泛的防疫措施，可以有效消灭猪场环境中的病原微生物和有害物质，阻止疫病的传入和蔓延，减少有害物质排放风险。针对猪只养殖过程中的智能化防疫、消毒需求，国家农业智能装备工程中心组织研发了第一代专用于畜舍防疫消毒机器人。该机器人具备全方位自动导航、实时视频监测、消毒液喷洒精准等功能，实现猪舍内智能化喷雾消毒，并支持PC机和智能手机终端的远程监控。

针对猪只养殖过程中清粪与健康巡检的需求，北京佳沃天河智能科技有限公司研发了一款清粪巡检一体机器人。机器人采用组合式自动导航，实现微光、无光等恶劣环境的精准导航；采用弯弧型紧贴刷具，解决刮粪板故障多、维护难等问题，实现粪污的彻底清扫；采用履带及辅助轮驱动模式，产生足够推力，避免地面湿滑发生偏航；采用密封式驱动总成，改进了主轴固定结构，通过增加密封圈有效防止污水、污泥、粪便等进入到减速器和主轴安装孔内。机器人的应用，减少养殖环节对劳动力的需求，保障猪舍的生物安全。

3.4 智能精细化管理

通过将人工智能、物联网、云计算等现代科学技术与传统养猪业进行深度融合，建立生猪养殖全产业链大数据智能服务平台，可有效解决我国养猪业存在的智能化、精细化管理水平低导致的生产效率低的问题。北京农信互联科技集团有限公司运用家畜个体标识技术、传感器技术、智能装备、养猪过程的数字化管理等技术研发了“猪联网”系统。

“猪联网”应用互联网思维和技术手段，将与猪只相关的主体、资源、产品、渠道、金融和服务有效连接成一个闭环。通过物联网、人工智能技术实现猪场报表数据的线上记录与整合，方便管理者随时了解猪场生产情况，高效制定管理决策。通过对数据进行挖掘，可以对养殖场的毛利、生产成本、生产力等数据进行智能分析，找出制约猪场生产力提升的关键因素，促进养殖企业的发展。

4 人工智能养猪面临的挑战与展望

目前，我国人工智能养猪取得了初步进展，如猪舍环境智能控制系统、种猪性能测定站、猪只精准饲喂装备及消毒、清粪、巡检机器人等典型设备在部分规模化猪场得到了应用，从不同层面促进了我国人工智能养猪智能装备的研究与发展，从自主创新进程逐步走向成熟，也是我国人工智能养猪所必需经历的阶段。但是，从整体上看，国产的人工智能养猪设备仍在赶超国际先进制造水平，特别是在智能装备的制造工艺与智能化设计方面还存在较大差距。对于规模化猪场，要实现猪只的精准饲喂需要配备料线系统，保证饲料从料塔到饲喂设备缓冲斗的稳定送料。目前，国产的智能饲喂设备逐步实现了在规模化猪场的商品化应用，智能设备与料线的结合需要在新建猪舍的结构设计上提前规划，从而保证智能饲喂系统的高效运转。

随着人工智能技术的不断进步，我国养猪业向标准化、规模化与智能化的方向高速发展，迫切需要引入人工智能技术，需要现代智能装备及养殖机器人的支撑，需要设备与信息技术的高度融合。突破不同生长、生理阶段猪只体型、体征与健康状态等养殖过程信息数字化表征和获取技术的复杂性，建立猪只养殖数字化表征方法和获取技术；突破猪只养分需求的动态性及差异性，创制猪只精准饲喂与加药设备；突破猪舍地面与环境的不规则性挑战，创制清洗、消毒、巡检等智能作业装备开发；突破环境多元动态控制的瓶颈，创制猪只设施智能环境调控系统与养殖过程大数据管控分析平台。通过将信息感知技术、环境控制技术、精准饲喂理论与智能装备技术、养殖机器人技术、养殖精细化管理技术结合起来，开发具有人工智能系统控制的从种猪到商品猪的智能化养殖智能设备及养殖生产过程机器人。此外，智能养殖设备及养殖机器人的产业化应用，必须与我国现有的生猪养殖模式、猪舍结构结合起来，充分发挥设备的作用；必须与猪的生理、生长及猪舍生态结合起来，满足猪只的福利养殖需求，形成智能设备与猪只的互作；必须与养猪业生产的理论、目标产品的功能驱动及养殖方式的创新协调一致，有力助推我国养猪业的转型升级与振兴。