新一代信息技术背景下养殖智能装备发展趋势分析
2023-11-17胡天赐王文生齐景伟蒋呈祥陈新文郑文新郭雷风
胡天赐，王文生，齐景伟，蒋呈祥，陈新文，郑文新，郭雷风*
研究论文
新一代信息技术背景下养殖智能装备发展趋势分析
胡天赐1，王文生2，齐景伟3，蒋呈祥1，陈新文4，郑文新4，郭雷风2*
1.新疆农业大学计算机与信息工程学院，乌鲁木齐 830052，中国；2.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081，中国；3.内蒙古农业大学动物科学学院，呼和浩特 010018，中国；4.新疆畜牧科学院畜牧业质量标准研究所，乌鲁木齐 830011，中国
在国家推广发展数字农业和智慧养殖的背景下，国内开始大力发展养殖智能装备。在规模养殖场中使用智能装备能够提高养殖效率，缩减人工成本。目前，国内养殖场智能装备尚未普及，对智能装备的研究不充分，部分智能装备还处于研发阶段尚不能规模量产。文中以牛羊养殖为例，综述了养殖过程中各阶段所需要的智能装备及其功能，列举了当前国内智能装备的部分研究内容，介绍了大数据、人工智能等新一代技术对养殖智能装备发展的影响，讨论了当前国内发展养殖智能装备的意义及存在问题，分析了在当前新一代信息技术的快速发展背景下养殖智能装备的发展趋势。养殖智能装备能够加快我国数字畜牧的发展，提高畜牧业的经济效益，发展前景广阔，同时智能养殖装备可作为智慧养殖及精准饲喂的硬件支撑，为建造新一代智慧养殖场奠定基础。
智慧养殖；智能装备；人工智能；大数据；趋势分析
1 引言
数字农业蓬勃发展。2019年，在农业农村部中央网络安全和信息化委员会办公室关于印发《数字农业农村发展规划（2019—2025年）》的通知中指明了农业各方面数字化建设的发展目标，在“加快生产经营数字化改造”中对畜牧业提出了智能化建设要求，要“建设数字养殖牧场，推进畜禽圈舍通风温控、空气过滤、环境感知等设备智能化改造，集成应用电子识别、精准上料、畜禽粪污处理等数字化设备，精准监测畜禽养殖投入品和产出品数量，实现畜禽养殖环境智能监控和精准饲喂。加快应用个体体征智能监测技术，加强动物疫病疫情的精准诊断、预警、防控”[1]。
畜牧生产是保障城乡居民肉蛋奶消费和动物蛋白摄取的重要来源。2018年1月农业农村部印发《2018年畜牧业工作要点》通知，指出从全球化竞争的大趋势看，畜牧业养殖效率仍然不够高，且养殖成本较高，强调“推动畜牧业在农业中率先实现现代化，是畜牧业助力‘农业强’的重大责任”。2020年2月，农业农村部印发《关于加快畜牧业机械化发展的意见》，提出推动畜牧机械装备科技创新、推进主要畜种规模化养殖全程机械化、加强绿色高效新装备新技术示范推广、提高重点环节社会化服务水平、推进机械化信息化融合，到2025年畜牧业机械化率提升到50%以上。2020年9月国务院办公厅发布了《国务院办公厅关于促进畜牧业高质量发展的意见》（国办发〔2020〕31号），强调要加快构建现代养殖体系、建立健全动物防疫体系、加快构建现代加工流通体系、持续推动畜牧业绿色循环发展。
中国畜牧业正在加快转变发展理念、变革生产方式，逐步进入以提质增效为重点的高质量发展新时期。在当今智能化的背景下，传统畜牧产业与智能化装备相结合逐步走向成熟，大量与人工智能、大数据、物联网等现代化技术相结合。为推动畜牧业智能化发展，专家学者从各个方面提出了观点。李德发院士在“中国畜牧、水产业未来25年”大会上表示：“畜牧业未来要向资源节约型、技术密集型和环境友好型转变，背后就需要有先进的科学技术和战略性工程来支撑”；赵春江院士提出“智能养猪是猪业发展大方向”[2]；李保明教授认为“全球畜禽产业都在转型升级，现代化的养殖技术装备与信息化相融合才是实现智慧畜牧业的必由之路”[3]；熊本海研究员从家畜编码规范及标识技术、畜禽养殖环境及体征行为远程监测、畜禽养殖智能装备及养殖过程数字化监管与大数据平台构建等方面，论述了畜牧业智能养殖技术体系[4]。
目前，国内使用智能设备的养殖场较少，人工养殖仍处于主导地位，智慧养殖在智能化技术应用中处于发展阶段，部分技术仍不成熟。不同种类牲畜饲喂方式不同，所需的智能化养殖技术应用模式也不相同。在奶牛场应用较为成熟的技术装备有挤奶机、智能全混合日粮车、智能分群设备、智能称重设备等等。本文主要介绍对于智慧养殖场各个环节中所涉及的现代智能装备的应用现状及相关技术分析。
2 规模养殖智能装备
智慧养殖场需要使用大量智能装备，以节省人工、提高生产效益。以下以规模化牛羊养殖场中使用的较先进的装备为例进行介绍（图1）。
图1 养殖场各环节对应智能装备
2.1 全混合日粮智能饲喂搅拌车
全混合日粮（Total Mixed Ration，TMR）是将精饲料、粗饲料、预混饲料和其他辅助饲料按一定比例充分混合，制成适宜反刍动物采食、营养合理的混合饲料[5]。荷兰的Trioliet公司研发了各种较为先进的饲喂搅拌车，如：自走式饲喂搅拌车（图2）。该设备机械工艺精湛、切割和装载系统独特，每分钟可以切割和装载高达2500 kg的饲草或青贮饲料，能切取的青贮饲料墙可达6米高，采用巡航定速控制，带有可编程的称重显示器，在上料和下料都具有可编程的控制系统，在行走、控制、切割各方面具有优势[6]。国内饲喂搅拌车主要处于小型搅拌车应用阶段，其原因，可能在于市场需求及国内大部分养殖场的规模限制。国内产品的制造工艺及相关智能化功能仍处于较低水平，智能TMR技术还在持续研究中。席瑞谦等对奶牛智能饲喂关键技术进行研究，提出规模化智慧养殖需要发展TMR技术，要结合我国具体情况进行改进、结合现实情况进行研发[7]。
图2 荷兰Trioliet公司的自走式饲喂搅拌车
2.2 饲喂机器人
饲喂机器人是针对牲畜饲喂环节，用以减少人工、提高效率。机器人通过预先设计好的程序首先进入配料车间自动装料，然后通过导轨或者自主导航行驶至圈舍，通过识别技术识别牲畜进行精准投料[8]。加拿大Rovibec公司设计的一款轨道式送料机器人如图3所示。该设备能够装载、混合，将饲料运送到饲喂区域，且无需任何人为干预，同时可针对不同的饲喂方案设置不同的运送周期，该机器人有双面卸料输送机，可同时控制前进和放料速度[9]。饲喂机器人的应用具有一定的局限性：应用轨道式饲喂机器人，需要对养殖场进行设计规划，前期成本较高，同时要配备相应的饲料输送系统；应用自走式的饲喂机器人，需要配备高精度的定位及避障系统。国内饲喂机器人的应用对比国外较少，在产品设计及研发上存在一定局限性，包括算法的精准度、国外对硬件原材料的限制等方面。近年来国内外对智能饲喂机器人的研究十分关注。方建军（2005）从行走、料箱、分料螺旋和控制系统，以及机器人对奶牛的识别方面进行了研究[10]。杨存志等（2014）研制了FR-200型奶牛智能化精确饲喂机器人，采用轨道吊挂式，自动运行、定位、识别奶牛，对奶牛进行规律饲喂[11]。孙芊芊等（2019）基于羊只的应激反应，在功能机造型方面对智能饲喂机器人进行研究，有效避免了羊只的应激反应[12]。Bakirov等（2020）提出了牛舍自动饲喂机器人的饲料配送自动控制算法，对控制参数进行了突出显示，并描述了一个牛舍中应用的现实例子[13]。智能化饲喂机器人是发展现代化养殖场不可缺少的一部分。
图3 加拿大Rovibec公司的送料机器人
2.3 自动推料机
自动推料机是针对牲畜采食过程中将饲料推出饲喂带的情况，自动将推出饲料带的饲料推送回饲料带的装置。该设备同时配备自动导航和行驶功能，能够自主避障[14]。美国Boumatic公司的FP-2进料推杆机器人（图4），配备可编程引导系统可创建安全而精确的路线，同时设有手动模式可人为遥控，机器匀速行驶最大运行时长为1小时，重量为998 kg，直径为152 cm，能够精准地推动饲料，减少饲料浪费[15]。推料机器人对比饲喂机器人来说是进行辅助饲喂的，通过将饲料推至奶牛近旁来提高饲料的利用率，增加奶牛的产奶量。推料机器人的工作模式，主要依靠精准的定位轨迹以及机器人的续航能力。针对推料机器人的研究主要在算法层面。焦盼德等（2018）研制了奶牛智能推料机器人，具有自主定位、故障报警等功能，能够代替人工进行工作[16]。Rumba（2018）等对牛场中的自动推料机器人开发了一种自由流动堆的算法[17]。沈治等（2020）研制了自适应PID（Proportional Integral Derivative）控制的自动推料机器人，利用自适应PID控制策略来完成对行走的纠偏，同时可设置推料路径、推送频率和送料类型等，解决了人工推料用工多、夜间无法及时推料的缺陷[18]。推料机器人在部分养殖场的应用是十分必要的，可以提高养殖场的经济效益。
图4 美国Boumatic公司的FP-2进料推杆机器人
2.4 智能穿戴式设备
羊、牛的智能穿戴设备主要有智能耳标、智能项圈等。智能耳标有采用射频技术的和采用QR（Quick Response）二维码技术的两种。对于射频技术需要设置相应的射频感应区进行牲畜个体识别；对于QR二维码则需要进行扫码识别个体。智能项圈包含多种功能模块，如定位模块、温度检测模块，同时配备三轴加速度计，通过分析加速度计数据可对动物行为进行分类。美国Cowlar公司针对肉牛、奶牛的健康监控设计了佩戴于牛脖子上的项圈（图5），依靠项圈采集到的数据可以对牛的运动、反刍和饮食等行为进行衡量，项圈采用红外温度传感器和六轴运动传感器，能长时间待机[19]。国内养殖场智能穿戴式设备的应用较少，由于设备的佩戴及更换十分麻烦，设备的功耗问题十分关键，若待机时间过短则增加成本不合算，若电池太大则会影响到动物福利。国内针对穿戴式设备的研发较少，当前多是用设备做实验，对设备的改进及发展研究较少。Munari（2021）使用穿戴式设备采集数据，采用机器学习算法对放牧肉牛的高低频行为进行预测[20]。智能穿戴设备对智慧养殖发展具有十分重要的意义，穿戴式设备采集的数据，可以作为养殖场精准饲喂策略的依据，通过个体数据，把握饲喂方向进行科学饲喂。穿戴式设备是精准畜牧中必不可少的设备。
图5 美国Cowlar公司的智能项圈
2.5 挤奶机器人
挤奶机器人主要是通过激光和摄像视觉来确定位置，通过机械臂来控制吸奶杯放置的位置进行挤奶，同时配备吸奶杯的清洁系统，防止牛只感染疾病。同时，挤奶机器人配置有奶牛识别、牛奶品质检测和奶牛健康监测等模块，通过对奶牛个体的识别，根据在挤奶过程中利用机械臂监测到的挤奶量及牛奶品质等信息参数来对奶牛的健康状况进行评估，达到精准个体养殖管理[21]。美国AMS Galaxy USA公司研发了一种自动挤奶机器人（图6）[22]，该装置配备有机械臂、视觉系统和清洁系统，实现双箱奶牛自动挤奶、自动清洁，视觉系统同时配备摄像头和激光，使用激光照亮乳头轮廓采用摄像头快速找到乳头，乳头位置的寻找可以自我学习无需人工干预，同时自动清洁照相机镜头。挤奶机器人的发展推动了奶业的发展，提高了挤奶效率同时保证了牛奶质量。但是，目前大部分先进的挤奶设备仍来自国外，国内的挤奶设备人工操作较多，不能实现全自动挤奶。挤奶机器人在国内外仍具有较好的研究前景。Simões Filho等（2020）对机器人挤奶技术进行综述，阐述了机器人挤奶技术的发展历史、操作、优点和局限性并给出一些建议[23]。Monov（2021）介绍了一些主流的自动挤奶系统，讨论了存在于挤奶系统中的创新[24]。王成军（2022）为解决转盘式挤奶机智能化程度不足的问题，设计了一种适用于大中型牧场的高效率智能化挤奶设备[25]。国内挤奶机器人的发展潜力较大，部分奶牛场仍是人工操作为主、机器为辅，没有完全依靠科技解放劳动力。目前，国产挤奶机器人占有的市场份额较低，国内采用的挤奶机器人智能化程度较低，有较大发展空间。
图6 美国AMS Galaxy USA公司自动挤奶机器人
2.6 智能称重分栏装备
针对大型养殖场，无论是牛还是羊，都需要在某个生长阶段适时进行分栏饲养。智能称重分栏设备，可根据牲畜所处体重及分栏要求对牲畜进行自动分栏。国内国科诚泰农牧设备公司设计了一款基于牛自动称重的分群系统（图7）。该设备在硬件上以智能分栏秤为核心，采集活牛体重数据，通过三防平板电脑工作站现场协同控制分栏秤；收集的数据上传到服务器，进行数据存储以及分析处理[26]。智能称重分栏装备仍存在一些局限性，如分群的条件不够精细等。该装备适合应用于各种规模养牛场，为牲畜分群提供了合适的工具。关于智能分栏设备，也可利用体况或者个体指标去进行分栏决策，通过机器视觉及机器学习，对牲畜的生长状况进行评判分栏。孙建英等（2020）设计了羊只智能称重分栏系统，可通过快速读取羊的耳标信息和羊只体重对其进行分栏[27]。
2.7 粪污处理装备
养殖场粪污处理因圈舍结构不同处理方式不同。国内大部分养殖场构建有粪道，粪污处理主要是将粪污推至粪道，一般采用铲车或者机械刮板清粪；国外由于圈舍环境不同，一些采用的是漏缝地板，较先进的技术为自走式清粪机器人[28]。奥地利Hetwin公司设计了一款基于漏缝地板的清洁机器人（图8）。用户可在电脑上对该机器人进行编程定制，设置适合的路线和行驶时间，速度可达到4～20米/分钟，每天可以清洁地板数次，确保非常高的卫生水平[29]。国内目前也开展了清粪机器人研究，杨存志等（2017）针对漏缝地板环境设计了全自走牛舍清洁机器人[30]。尧李慧等（2018）对自走式牛舍清洁机器人的路径设计进行了研究[31]。
3 规模养殖智能装备发展趋势分析
3.1 当前养殖智能装备发展中的不足
养殖智能装备的发展主要是为了节省人力同时提高生产效率，当前计算机技术高速发展，装备也越来越智能化，养殖智能装备的发展趋向逐步摆脱人为干预，但是在发展中仍存在一些局限性。1、部分场景不能较好地展示出智能装备的扩展性；2、智能装备的使用可能要对养殖场进行大规模改造；3、部分产品只是减少人为的机械性工作，不能做到精准饲喂和精准管理；4、整个养殖场内的智能装备存在信息壁垒，协同工作主要还是依靠人为控制。
3.2 养殖智能装备国内外发展现状
国内外养殖智能装备的发展存在较大差异，国外的装备研发结合较多尖端技术，在智能化、自动化方面有较大优势；国内的养殖装备则停留在装备的功能层面，只在机械层面研究没有进一步发挥科技的作用。因此，对比国外发展状况找出国内发展的不足，有助于促进国内发展（表1）。
3.3 当前国内养殖智能装备发展趋势
当前国内养殖智能装备的发展是逐步向前的。随着国家政策及国内环境的改变，养殖业的发展也在逐步转型，慢慢由传统型养殖场向工厂集约养殖转变，对养殖智能装备的需求也在逐步扩大，有助于推进国内养殖智能装备的发展。当前，智慧养殖的概念逐步被人们接受，新的事物在降低成本的同时也提高了生产效率；国外养殖智能装备价格高昂，部分用户难以接受，这对于国内养殖智能装备的发展是一个机遇（图9）。
鉴于国内养殖智能装备的发展现状及养殖智能装备发展中的局限性，养殖智能装备的发展仍具有较大前景。在国内养殖场智能化程度低的现状上，发展养殖智能装备仍是提高数字农业、智慧养殖的关键点。国内应加快养殖智能装备的发展，在借鉴先进国家技术与设备的同时加大完全自主产权养殖装备的研发，打造出属于中国特色的养殖智能装备。畜牧业的发展离不开养殖装备的发展，新一代规模养殖场离不开养殖智能装备，养殖智能装备体现了现代技术在畜牧业中的应用。
4 新一代信息技术在养殖智能装备的中的应用及趋势
对于养殖智能装备，在设计和制造时，若结合先进的技术，则到实际生产中更能发挥装备的作用。在新一代信息技术兴起的背景下，大数据、人工智能、区块链和数字孪生等先进技术快速发展，与各个领域相结合发挥了巨大的作用。新一代信息技术将对上述智能装备产生较大影响，结合技术的发展将在装备智能化方面发挥最大作用。以下分别介绍各项技术在养殖智能装备及畜牧业中的应用。
图9 养殖智能装备发展趋势影响因素图
Fig 9 Factors influencing the development trend of breeding intelligent equipment
4.1 大数据技术
在智慧养殖中不仅是将信息数字化，还需要从数据中获取关键信息来服务于养殖，对于智慧养殖中庞大的数据，大数据的构建是十分必要的[32]。通过大量的数据可促进智能装备的准确度，如对饲喂机器人投料量的多少进行控制，长时间的大数据分析可得出牛羊个体健康成长所需的饲料量和配比，以此进行精准投料；同时也可通过大数据来分析奶牛所产牛奶的质量，优化挤奶机器人的设计和应用；对于圈舍内的异常数据进行大数据分析，可优化巡检机器人的自动巡检路径。同时通过对穿戴式设备的数据以及圈舍环境数据的构建及分析，可以分析出牛羊的健康状况、牛羊的生活习性，由此可得出最佳的生长环境指标，同时可为现代养殖场中的精准饲喂作数据支撑。国内外在畜牧业上使用大数据分析做了较多研究。White等（2018）指出，使用当前收集的或可能收集的关于畜牧业经营的数据应用系统的预测分析过程，将通过加强畜牧业经营决策来促进精确的动物管理[33]。Lokhorst等（2019）评论奶牛养殖中的大数据时，通过对多篇论文的分析提出，当有多种大数据特征和来源时将充分发挥大数据在精准奶牛养殖领域的应用潜力[34]。Koltes等（2019）描述了在畜牧业使用高通量表型分析、“大数据”分析和相关技术的机遇和挑战[35]。郗风江等（2021）对国内外智慧养殖场调研，提出设计智慧养殖场大数据平台，对牲畜的疾病、特殊情况等进行决策分析，实现对草场放牧的自动化管理[36]。Sokolov等（2021）在论文中指出，大数据技术允许处理海量和不同组成的信息，这些信息可以定期更新并位于不同的来源，这些技术的使用提高了工作效率和竞争力，并开发了新知识[37]。养殖场正越来越依赖传感器和监测设备来采集关于动物、环境和生产过程的数据。大数据分析将在养殖业中发挥更重要的作用。预测分析、数据挖掘和机器学习算法将用于处理庞大的数据集，以帮助决策制定者更好地管理养殖过程。这将提高生产效率和资源利用率。
4.2 人工智能技术
在现代科技领域，人工智能技术包括的范围非常广泛，但在智能装备中所涉及的相关技术仅有机器视觉、相关人工智能算法等[38]。下面主要就机器视觉及算法对相关智能装备的影响作相关介绍。对物体的避障和识别对养殖智能装备十分重要，无论是轨道式还是自走式机器人都需要去识别个体及障碍物。机器视觉的快速发展，为机器人选择避障及识别系统又多了一种选择，通过视觉观察去计算距离来达到避障的效果，通过人工智能算法来达到识别的效果。对控制饲喂机器人的投喂、挤奶机器人的挤奶、巡检机器人的个体检测等操作，机器视觉的应用都能达到很好的效果。算法是人工智能的核心，各行各业的人工智能技术应用都离不开算法的支撑，在智慧养殖中智能装备的研发核心问题就是算法的设计实现问题。在各个智能机器人的设计中，算法的实现是机器人能够自动工作的主要原因，前述大部分装备都需要人工智能算法的支撑，算法的改进与发展直接影响到智能装备的性能。关于在养殖智能装备中如何使用人工智能算法，也有一些学者在研究。Chuan等（2020）针对人工调整送料机器人送料路径不均匀、质量差等问题，提出一种改进的RRT算法，以搜索一条平滑的、避开障碍物的优质喂养路径[39]。姚礼垚等（2019）采用网络模型算法对牛的脸部进行检测，对比了Faster R-CNN检测模型、R-FCN检测模型和SSD检测模型，得出SSD检测模型识别快，但精度不如Faster R-CNN检测模型的结论[40]。苏恒强等（2020）利用深度学习算法对生猪进行个体识别，对比各种深度学习算法，实现了对生猪图像的目标检测[41]。Qiao等（2021）对智能感知技术在牛的识别、体征指标评分和体重监测中应用的现状做了综述[42]。深度学习技术，特别是卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）在图像识别、声音识别和自然语言处理方面取得了巨大的成功。在养殖装备中，可用这些技术监测动植物的行为、健康状况和环境条件。越来越多的设备将集成深度学习来提高预测和分析的准确性。机器视觉技术可以用于动植物自动检测和分类，监测它们的生长和健康状况。自动化装置如自动喂食器、自动化采集系统以及自动化环境控制系统也得到了广泛应用。无人牧场相关技术的兴起是一个显著趋势。通过自主机器和远程监控系统，养殖场主可以实现更高程度的自动化和远程管理。这不仅提高了生产效率，还节约了劳动力成本。
4.3 区块链技术
区块链技术最先是在数字货币的支付中提出来的，由于其可溯源、不可篡改等特点现在被应用在众多领域[43]。随着人们生活水平的提高，人们对肉制品的质量要求也逐步提高，肉制品的溯源也变得十分重要。根据区块链自身的特点，应用于智慧养殖场中对肉制品溯源显然具有优势。同时，区块链技术还能保障养殖场信息的真实性，在养殖业保险方面发挥作用，提高养殖企业的可信度。区块链技术的发展对养殖场智能个体装备的发展可以达到促进的效果，通过耳标或者二维码等便携物品进行溯源，达到有迹可循。Neethirajan等（2021）表示，利用精准畜牧业(PLF)技术实现畜牧业数字化的最新技术，特别是生物识别传感器、大数据和区块链技术，提出了区块链技术在精准畜牧业中的使用场景[44]。区块链可以使生产环节的数据更加透明和可追溯。在养殖业中，这意味着每个生产步骤的数据，包括动物饲养、健康状况、饲料供应等，都可以通过区块链进行记录和验证。这有助于提高食品安全，减少食品源头的问题，并提高产品质量。区块链技术在智能养殖装备领域有巨大的应用潜力，可以提高食品的安全性、生产效率和可持续性。随着该技术的不断发展，养殖业将能够更好地满足市场需求，并提供更可靠的产品。
4.4 数字孪生
4.5 传感器技术
数字养殖场是将养殖场内的信息进行数字化。目前，物联网行业兴起，各种传感器技术在农业畜牧业等行业的应用需求日益增大。但适用于智慧农业、智慧畜牧业的专用传感器种类较少、数量不足。市场上所出售的传感器，包括温度、湿度、二氧化碳等较为成熟的传感器，可用于养殖场环境控制；一些畜牧业专用传感器，如针对牛羊运动检测的智能项圈、对于检测牛尾摆动的牛尾传感器等，仍处于研发阶段，市场上相关的畜牧业专用传感器还较少[49]。传感器的精度直接影响智能机器人的发展程度，对于养殖智能装备，新的传感器技术能使养殖智能装备工作更加稳定和高效，专用传感器的发展对牲畜穿戴式装备和智能环境控制系统的发展影响十分明显。传感器技术是现代农业畜牧业数字化的基础，适用于现代农业和畜牧业的传感器是当前研究的重点，智慧养殖的需求促进了专用传感器的发展。刘志伟等（2020）研究了加速度传感器在畜禽行为上的应用，阐明只需要用传感器获取畜禽行为数据就可识别出畜禽的行为[50]。Tedeschi等（2021）提出利用传感器和物联网技术结合人工智能的决策功能来协助智慧畜牧业的可持续发展[51]。倪征等（2022）利用环境检测传感器构建了环保型蛋鸭养殖圈舍，明显提高了蛋鸭的养殖效益[52]。传感器将继续发展为能够同时测量多个参数的多功能装置，如温度、湿度、气体浓度、水质、氧气水平等。这将为用户提供更全面的数据，有助于更好地监测和管理养殖环境。传感器与物联网连接，使得用户可以通过互联网实时监测和控制养殖设备，这有助于远程监测和智能决策。除了监测环境参数，传感器技术还将发展用于监测和识别动植物的行为、健康状况和生产性能，这将有助于改进养殖条件，提高产出。未来的传感器将具有更高的精度，更少的能耗，以确保长期使用时的可持续性。由于农场环境可能恶劣，传感器将更耐用、防水、防尘和耐腐蚀，以适应各种农业条件。
养殖智能装备的发展十分迅速，装备从原来的机械装备慢慢过渡到智能装备都离不开这些技术的发展与应用。使用这些技术反过来又促进和完善了养殖智能装备，使得装备越来越智能。图10展示了相关技术对装备的主要影响。
图10 新一代信息技术对养殖智能装备的影响
Fig 10 The impact of the new-generation information technology on breeding intelligent equipment
5 新一代信息技术背景下智能装备发展趋势分析
5.1 新一代信息技术在畜牧业上的应用现状
在新一代信息技术智能养殖装备的实践上，国内外有着不同程度的应用。在奶牛、肉牛和肉羊等家畜的智能养殖装备研发实践中，科研人员主要针对研发而在应用方面主要依托于公司及成果转化。国内外基于新一代信息技术研制的智能养殖装备已逐步走向产品化。以色列的阿菲金公司研发了奶牛相关的智能养殖装备，包括智能脚环、项圈等，能对奶牛的发情进行预测。奶牛的智能分群和智能挤奶厅等装备已经比较成熟；国内的南京丰顿科技公司在牛、羊等家畜的饲喂方面有一些智能产品，包括智能分群设备和TMR饲喂智能监测等产品。
综上所述，各项新一代信息技术在畜牧业上都有较为成熟的应用案例，人工智能在视觉感知及算法上都对传统畜牧业的发展进行了智能化推进；大数据在建立个体饲喂档案、相关决策模型上发挥了巨大的作用；养殖场中数据的可信性及农产品的溯源离不开区块链技术；传感器技术及数字孪生对于整个养殖场的环境数据采集及养殖场构建数字孪生系统提供了不可缺少的技术支撑。目前各项技术发展已经比较成熟，如何与畜牧业的需求相结合是当前研究发展的重点，把握畜牧生产各环节技术切入点能够更好地让技术为畜牧业服务，提高我国畜牧业的产出率。
5.2 新一代信息技术下养殖智能装备发展面临的困难
5.2.1 高成本问题
新一代信息技术通常需要大量的资金来研发和部署。智能装备的成本可能对小型养殖场来说过高，限制了它们的采用。这可能导致产业中的不平等，大规模养殖场可能更容易受益于新技术，而小规模养殖场难以承受高成本。
5.2.2 技术依赖性问题
新技术装备通常需要高度的技术知识来维护和操作。这对一些农民或养殖场主来说可能是一个障碍，特别是对那些缺乏技术培训和支持的人来说。
5.2.3 数据隐私和安全问题
智能装备通常涉及大量的数据收集和分析。这可能引发数据的隐私和安全问题，特别是在农业领域，养殖数据可能包含商业机密和个人信息。确保数据的安全性和合规性是一个挑战。
5.3 新一代信息技术下养殖智能装备的发展趋势
在新一代信息技术发展背景下，加快养殖智能设备的研制及相关技术的融入，在智能装备方面要达到精准高效，加快我国智慧养殖行业发展。未来智能养殖装备发展应达到前所未有的高度，智慧养殖将走进更多养殖户的生活中。新一代信息技术的使用能够解决当前养殖智能装备发展中的一些不足，提高养殖智能装备的智能化程度。
5.3.1 养殖智能装备国产化发展
借鉴和参考国外相关先进技术，研发完全产权自主的本土化智能养殖装备。本土化装备将更加智能和灵敏，能够针对不同场景进行定制化设计，具有中国特色。
5.3.2 养殖智能设备更加智能统一
各独立智能养殖装备的使用能够互联互通，打破各装备之间的信息壁垒，打造完整的智能养殖装备系统，统一调度管理智能养殖装备。
5.3.3 养殖智能设备的研究将加快成果落地进程
首先根据现实情况可建立一批相应的智能养殖装备示范场，对智能养殖装备进行示范展示，将研究成果进行转化，使智能养殖装备能够产业化，逐步将传统养殖场过渡至智慧养殖场。
6 总结
本文主要从规模化智慧养殖场建设所涉及的相关智能装备和装备发展趋势、新一代信息技术对智能装备的影响及发展趋势进行论述，详细介绍了各种智能装备在智慧养殖场中的应用、当前已经做过的部分研究、未来养殖智能装备的发展趋势和新一代信息技术对智能装备的影响，同时分析了新一代信息技术在智慧养殖中的应用及影响。针对养殖智能装备的发展，我们要做到本土化研制，结合新一代信息技术快速研制，同时我们要加快步伐构建国内完整的智慧养殖场体系，促进国内智慧畜牧业发展。
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Analysis on the Development Trend of Breeding Intelligent Equipment Under the Background of New-Generation Information Technology
HU TianCi1, WANG WenSheng2, QI JingWei3, JIANG ChengXiang1, CHEN XinWen4, ZHENG WenXin4, GUO LeiFeng2*
1. College of Computer and Information Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Agricultural Information Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. College of Animal Sciences, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 4. Quality Standards Institute of Animal Husbandry of Xinjiang Academy Animal Science, Urumqi 830011, China
In the current background of national promotion of the digital agriculture and smart farming , the breeding intelligent equipment began to develop vigorously. Using intelligent equipment in large-scale farms can improve breeding efficiency and reduce labor costs. At present, the domestic intelligent equipment has not been popularized, the domestic research on intelligent equipment is not sufficient, some of the intelligent equipments are still in the research and development stage, which can not reday for mass-scale production. Taking cattle and sheep breeding as example, the paper 1) summarizes breeding intelligent equipment and equipment function introduction demanded in the various stages of farming, 2) lists some of the current domestic research in the intelligent equipment, 3) introduces the impact of the new-generation technology, such as big data, artificial intelligence, etc. on the breeding intelligent equipment, 4) discusses the significance and existing problems of the domestic current development of breeding intelligent equipment, and 5) analyses the future development of the breeding intelligent equipment under the current background. The breeding intelligent equipment can accelerate the development of China's digital animal husbandry and improve the economic benefits of animal husbandry, which embraces the expansive prospects. Moreover, the breeding intelligent equipment can be used as hardware support for intelligent breeding and precision feeding, laying the foundation for the construction of a new generation of intelligent farm construction.
smart farming; smart equipment; artificial intelligence; big data; trend analysis
胡天赐, 王文生, 齐景伟, 蒋呈祥, 陈新文, 郑文新, 郭雷风. 新一代信息技术背景下养殖智能装备发展趋势分析[J]. 农业大数据学报, 2023,5(3):56-68.
HU TianCi, WANG WenSheng, QI JingWei, JIANG ChengXiang, CHEN XinWen, ZHENG WenXin, GUO LeiFeng. Analysis on the development trend of breeding intelligent equipment under the background of new-generation information technology[J]. Journal of Agricultural Big Data, 2023,5(3):56-68.
2023-07-04；
2023-08-10
运动马及马场智慧管理关键技术研发（2022B02027-2），宁夏回族自治区重点研发计划（2022BBF02021），内蒙古自治区科技重大专项(2020ZD0004)，中国农业科学院农业科技创新工程（CAAS-ASTIP-2023-AII），规模奶牛场中央厨房精准饲喂决策系统研发与应用(22326609D)
胡天赐，E-mail：1272341570@qq.com；通信作者郭雷风，E-mail：guoleifeng@caas.cn。
