猪舍小气候环境模拟预测技术研究综述

刘炫文，刘仁鑫*

（1.江西农业大学 软件学院，江西 南昌 330045；2.江西省畜牧设施技术开发工程研究中心，江西 南昌 330045）

随着生活水平的提高，人们对肉类的需求日益增长。传统的生猪养殖模式已经无法满足市场需求，生猪养殖正向规模化、现代化、集约化、智能化快速转型。在生猪养殖生产过程中，猪舍小气候环境的质量是限制生产水平的重要因素之一。Cole等［1］研究表明：家畜生长性能约20%～30%取决于养殖环境因素。良好的养殖环境能够有效降低生产成本，提高生产效率；恶劣的养殖环境会导致猪产生各种应激反应和免疫力的降低，引发各种疾病。对养殖猪舍环境温度、湿度、空气质量等指标进行综合分析，有助于准确、可靠、客观地评价养殖猪舍环境的质量状况，便于对养殖猪舍结构布局与养殖环境进行更加合理和精准有效的优化调控管理，从而更好地适应规模化养殖。高效精准的猪舍小气候环境模拟预测技术是构建良好猪舍环境，推动生猪养殖业向精细化、智能化、自动化方向发展的重要手段。

1 猪舍小气候概述

小气候的概念在傅抱璞等［2］的书籍《小气候学》中被定义为受到下垫面条件或构造特性影响而形成的与大气候不同的小范围的气候；在《建筑气候学》中，杨柳［3］在对小气候尺度的研究中在空间维度之外又引入了时间维度，认为建筑外部的小气候尺度为0.01～1.00 km水平范围、0.10 km垂直范围、24 h时间范围。猪舍小气候是指在猪舍建筑内的时空范围内，受猪舍整体结构、建筑材料、通风模式等影响所形成的相对独立于猪舍建筑外部大气候环境的局部气候，可通过对温度、湿度、通风量等环境因子的干预而改变猪舍小气候环境。

1.1 影响猪舍小气候的环境因子

1.1.1 温度 猪舍环境温度是影响猪群生产和繁殖性能的最直接相关的因素，只有在适宜的温度范围内，猪的自由采食量和能量的利用才能达到最大效率［4-5］。在低温寒冷的环境下，为了维持自身体温的恒定，猪需要大量采食以用于产热消耗，导致机体用于生产的能量减少［6］。在高温炎热的环境下，由于猪的散热能力较差，猪会产生热应激现象，从而导致体温的升高和采食量的下降；环境温度过高不但会导致繁殖母猪的卵巢功能下降，使排卵量和卵子质量大大下降［7］，还使得公猪的性欲降低，产生的精液质量也会受到影响［8］。

1.1.2 相对湿度 相对湿度也是影响猪生长与生产性能的一个重要环境评估依据，受猪舍中相关机械设备以及粪便的影响，集约化猪舍的空气湿度通常都高于外部环境。湿度对猪舍环境的影响总是与温度相耦合产生的，当气温处于适宜范围内时，空气湿度与猪的产能之间并不会呈现出明显的相关性［9］；在高温环境下，如果猪舍内湿度过高，猪体无法靠蒸发散热这个主要散热途径维持自身体热平衡，从而会放大高温对猪生产和繁殖性能的危害程度；在低温高湿的环境下，室内的空气环境过于闷热潮湿，导致室内空气导热性增强，猪的自身散热能力增加，会增加猪流感、腹泻病等呼吸道病症的发生概率；在这种高温和低湿度的饲养环境条件下，猪身上的水分挥发过快，导致皮肤黏膜的干裂以及各种慢性呼吸道疾病死亡率的增加［10-13］。此外，过于阴暗湿热的饲养环境会促使猪舍环境里的细菌、微生物大量滋生繁衍，使猪皮肤病、呼吸道、消化系统疾病等的发生率明显上升［14-15］。

1.1.3 通风量 通风量指每小时内每千克猪所需的空气量，是控制猪舍环境质量的关键因素［16］。猪舍通风量与舍内环境温度紧密联系。在高温情况下，适当通风能够增强猪体自身的蒸发散热，有效调节体温，对猪的健康产生有利影响。而在低温条件下，通风会增加猪的散热量，造成猪的体温下降和能量损耗，产生冷应激反应，不利于生产［17］。通风量的大小还直接影响猪舍内的空气质量，充足的通风量能够有效减少猪舍内有害气体和粉尘颗粒物的浓度，从而提高猪自身的免疫力，降低诱发猪群呼吸道疾病的可能［18-20］。

1.1.4 空气质量 相关研究结果表明：集约化猪舍存在多种气体污染物，主要包括猪的新陈代谢产物和猪舍内部粪尿没有得到及时处理而引发复杂物理和化学反应生成的混合有毒气体［21］。这些污染物中的有害气体、颗粒物被认为是影响猪舍内空气质量的直接因素［22-24］。猪对周围环境中的空气质量十分敏感，例如Done等［25］的研究发现，空气质量长期恶劣的环境会诱发呼吸道疾病，导致猪呼吸系统、消化系统、免疫系统等遭受破坏，从而影响猪的生长性能。

氨气为猪舍内产生的一种主要有害气体，主要由猪舍内粪尿和污水混合物中氮元素的分解反应产生［26-28］。猪舍内氨气浓度长期超出标准规定会损害猪的呼吸道黏膜，使之丧失正常功能，导致免疫力下降，从而降低猪的进食量并且诱发各种呼吸道疾病。Michiels等［29］研究了不同浓度的氨气诱导猪肺部器官组织病变的过程，发现随着氨气浓度的升高，生猪非正常死亡率和肺炎的患病率均明显提高。

硫化氢也是猪舍排放的主要有害气体，主要来源于猪舍内含硫物质的分解反应，且搅动粪污会促进其进一步分解释放［30］。在猪舍内低浓度的硫化氢会使猪的眼睛和呼吸器官受到刺激，使猪的免疫力下降；孙朋朋等［31］研究认为猪舍中的硫化氢浓度尽量不要超过10 mg/m3。此外，猪舍内硫化氢浓度过高会导致猪食欲下降，甚至会抑制猪的呼吸，严重时会使猪窒息死亡。

二氧化碳主要来源于猪的新陈代谢活动以及粪便的分解。二氧化碳本身并无毒性，但是过高浓度的二氧化碳会造成猪神经中枢麻痹、反应迟滞，严重时会导致猪缺氧休克甚至死亡。同时猪舍内二氧化碳浓度较高通常表明猪舍内部通风系统工作异常，其他有害气体含量也可能超过了临界值，因此，二氧化碳常作为评价猪舍中通风量的标志性气体［32］。

猪舍空气中的粉尘颗粒物（Particle Matter，简称PM）主要来源于猪的粪便和饲料。细小的颗粒物会刺激皮肤、呼吸道黏膜以及肺泡，削弱猪自身免疫系统的正常功能［33］。粉尘还是细菌病原体在传播过程中的重要载体，其可以增加细菌病原体的传播范围，造成猪舍内疾病多发。

1.2 猪舍小气候的特征

1.2.1 时滞性 在调控猪舍小气候环境的过程中，猪舍的降温主要是靠风机抽取猪舍内的空气，使猪舍内压强小于大气压强，通过压强差将新鲜空气从外界送入猪舍内，达到降温换气的效果；当猪舍内出现高温或低湿的情况时，往往会通过开启湿帘达到降温加湿的效果。由于集约化猪舍占地面积通常较大，空气从进风口到出风口往往需要一段时间，使得在风机和湿帘开启后，猪舍内温度和湿度的改变往往有一定的延时而不是立即发生改变，因此猪舍小气候呈现出一定的时滞性。

1.2.2 时变性 以温度和湿度为例，在影响猪舍内温度和湿度的诸多因素中，猪舍外部环境的温度和湿度以及猪的新陈代谢活动起主要作用。由于猪舍外的环境温度和湿度在一天内并不是固定不变的，并且猪自身的新陈代谢活动在一天特定的时间节点根据不同的动作和行为而发生改变，所以猪舍内的温度和湿度会在不同的时间段发生变化；同样地，有害气体等环境因子也具有相同特性，因此猪舍小气候有着明显的时变性。

1.2.3 不均匀性 在面积相对较大的集约化猪舍内，受到室内结构的影响，往往会存在一些死角，空气无法在这里流通，因此这部分区域的风速、有害气体浓度等通常与其他正常空气流通区域有不可忽略的差异。同样地，猪舍内的空气在流通过程中，通过周围的墙壁、窗户、地板等与外界进行热交换，也会导致猪舍内靠近热交换区域的温度异于其他区域。因此在同一时间段，猪舍内不同区域之间的环境存在差异性，所以猪舍内小气候往往具有不均匀性。

1.2.4 耦合性 温度、湿度都是衡量猪舍内小气候环境舒适度的重要评估依据。由于这2个因素在现实生产中并非相互独立，而是相互影响的，并且在两者之间的相互作用不符合简单的线性规律，而是非线性的耦合。因此在评价猪舍内环境是否满足要求时，单独用其中任何一个因素作为评价标准，得出的评价结果往往与猪舍的实际情况不符。同时空气质量、通风量与温度、湿度之间也具有相关性。因此猪舍内的小气候环境是多个因素共同影响、共同作用而形成的复杂体系，所以猪舍内小气候具有耦合性。

2 猪舍小气候环境模拟预测技术研究现状

在世界各国生猪养殖模式先后向着集约化、精准化、智能化方向的发展过程中，猪舍小气候环境对生猪生产性能影响的研究成为学术界的热点，因此有必要掌握猪舍内温度、湿度等环境因子的动态变化规律及其影响范围，这也是全面客观地评估猪舍环境质量和精准调控猪舍内环境的需要。

与传统的实地测量方法和风洞试验方法相比，数值模拟方法由于具有成本低、应用范围广以及模拟数据精度高等优点而在近几十年来逐步在猪舍环境预测、优化研究中得到了广泛的应用和推广。其中，以计算流体力学（Computational fluid dynamics，简称CFD）为基础的数值仿真技术成为了相关领域学者的研究重点和关注焦点。计算流体力学是一种融合了流体动力学、计算机科学和数值数学的一门交叉应用学科［34］。目前，国内外众多学者利用CFD开展了猪舍环境因子对猪舍小气候影响的研究。

Rong等［35］利用CFD技术对猪舍中的温室气体场分布模型进行了仿真，总结归纳出了猪舍气体场的空间分布规律和建立猪舍模型的主要参考标准，提高了模型仿真研究成果结论的科学可信度；贺城等［36］采用CFD对猪舍温度场进行了模拟研究，模拟得到的舍内温度变化规律与实测值相同，各检测点的空气温度误差最大值不超过1.30 ℃，平均绝对误差为0.24 ℃，平均相对误差为0.70%，为猪舍通风系统的设计提供了有效指导；周丹等［37］采用CFD技术对自然通风仔猪舍内的二氧化碳浓度进行了数值模拟，研究结果表明在寒冷的冬季，断奶仔猪舍采用半封闭式自然通风方式不但不能保障猪舍内部保温性能的良好发挥，还易造成二氧化碳的蓄积；佟国红等［38］以等比例缩小的猪舍建模作为实验模型，对模型内氨气浓度进行了稳态模拟，将模拟结果与实测数据进行比对，模拟结果的相对误差范围在0.4%～11.4%；Kwon等［39］基于CFD对保育猪舍内粉尘颗粒物的浓度进行了仿真试验，并建立了粉尘颗粒物排放物的经验模型，试验结果表明通风、室内空气温度和动物活动是产生粉尘颗粒物的重要因素。上述研究侧重于研究单独的环境因子对猪舍小气候环境的动态影响和工作机理，将模拟得到的结果与实测数据进行对比分析，构建猪舍环境评价方法，为猪舍小气候环境的预测和调控提供了理论依据。但是由于猪舍小气候环境具有耦合性，猪舍小气候环境受到多个环境因子的共同影响，因此单个环境因子指标无法客观地反映猪舍内部环境的实际情况。

与此同时，国内学者对猪舍内多个环境因子对猪舍小气候环境的影响进行了初步研究。例如：王鹏鹏［40］利用CFD模拟了北方冬季猪舍的气流场和温度场，探究了在空气流动速度与温度的共同耦合下猪舍环境的动态变化过程；高云等［41］采用CFD对夏季通过湿帘通风的猪舍建立了温度、湿度耦合模型，并在此基础上计算得到了猪体PMV场仿真模型。尽管这些研究探究了处于特殊环境下猪舍内部分环境因子之间的耦合关系，解决了难以对环境进行精准调控的问题，但是模拟精度仍然有待进一步提升。

学者们注意到将神经网络技术应用在猪舍小气候环境模拟与预测中能够极大地提高模拟精度，例如：刘春红等［42］基于ARIMA-BP神经网络构建的猪舍氨气浓度预测模型，预测数据与实测值的平均绝对误差（MAE）、平均绝对百分比误差（MAPE）和均方根误差（RMSE）分别只有0.0319 mg/m3、0.1580%和0.0365 mg/m3，表示基于该算法的神经网络在拟合猪舍环境与氨气浓度之间的关系时能够保证较高的精度。谢秋菊等［43］将L-M算法应用于BP神经网络的优化，基于L-M算法优化的BP神经网络与Elman神经网络、线性神经网络预测方法相比，收敛速度更快，氨气浓度预测值与真实值的最大绝对误差仅为0.1720 mg/m3。曾智雄等［44］采用时间序列模型构建了基于门控循环单元网络（GRU）的猪舍温度预测模型，对比温度预测值与实测值发现，采用GRU模型预测的猪舍温度结果的均方根误差和平均绝对误差分别为0.25和0.19 ℃，平均绝对百分比误差为0.65%，且对母猪分娩舍温度的变化能够起到有效预警作用。尽管神经网络技术对猪舍小气候单一环境因子的模拟精度相比于CFD技术具有较大优势，但是为了获得满意的预测结果，需要投入大量的数据样本和训练时间，计算代价较为高昂。尽管基于各种先进算法改进的神经网络预测技术在计算性能和预测精度上不断进步，但不能较好地处理多个环境因子之间耦合变化的相关数据，因此神经网络预测技术有待于进一步研究。

3 讨论

目前，关于猪舍小气候环境模拟预测技术的研究仍然存在以下不足：（1）对猪舍小气候环境因子的研究主要局限于温度、湿度、空气流速以及氨气等主要污染气体，而关于其他环境影响因子如辐射、声波以及次要污染气体的研究较少；（2）受猪舍内粉尘颗粒物、腐蚀性气液混合物含量较高以及人类生产活动的影响，感知并记录猪舍实时环境数据的传感器的故障率和传导数据的失真率较高，严重影响了猪舍环境模拟预测结果的精确度和可靠性；（3）当前环境预测技术的工作效率以及预测数据的可靠性仍不能达到预期标准；（4）大多数研究基于单一环境因子的影响，所得预测结果不能细致充分地反映猪舍全局的环境变化和质量优劣，具有局限性。

由于猪舍小气候环境系统具有时滞性、耦合性和时变性等特点，单纯的畜牧科学并不能解决目前该行业已有的困难。因此由畜禽养殖、计算机科学、应用数学等多领域专家合作构建信息化、自动化、智能化猪舍环境预测系统，对提高生猪养殖业的生产效益具有重要的意义，也是未来猪舍环境模拟预测研究的发展方向。今后需对以下4个方面进行进一步的研究：（1）全面探究其他环境因子（例如辐射、声波等）对猪舍环境的影响，完善猪舍小气候环境影响体系的建立；（2）利用先进的数据收集和传递技术手段构建在高温、高湿、腐蚀能力强的极端猪舍环境下具有稳定性高、精确度好、抗干扰能力强、能耗低等特点的环境检测采集系统；（3）对猪舍内多环境因子的耦合变化和内在机理进行重点研究，明确引起猪舍环境复杂变化的关键因子，构建多环境因子作用下猪舍环境变化的精准动态模型；（4）将猪的生理参数、行为特征，以及猪舍环境参数同时作为反馈依据，构建一套不受地域、季节、猪舍结构影响的集约化猪舍小气候环境评价标准体系，促进猪舍环境控制技术的发展。