智能化养殖技术在养猪产业中的应用

一、智能化养殖及其关键技术

在过去20年里，物联网、深度学习等现代技术与农业发展的关系愈发紧密，为实现养猪产业的综合效益提供了保障。人工智能（AI）和自动化技术通过传感器进行的现代化数据采集、高速的数据传输以及通过物联网进行的海量数据存储，共同推进智能化养殖业发展。

智能化养殖是借助布置在养殖场各个位置的传感器来采集所需要的信息，进行数据分析并发出相应指令，为猪的生长和生产提供精准化管理和智能化决策。智能化养殖可通过工程化设施，实现对猪只个体的识别及行为监测、体尺测量和体重测量、精准饲喂、疾病监测、粪污清理、环境的智能检测和调控（图1），最终达到养殖环境最佳化、饲料转化率最大化、生猪养殖利益最优化。

图1 智能技术在生猪生产中的应用

AI是计算机科学的分支，模拟人类思维以判断复杂情况并做出决策。近年来，AI广泛应用于各个领域，包括与生猪产业结合，为其发展带来便利。在生猪养殖中，AI结合实现了信息智能感知，准确识别个体，并监控猪只的行为、情绪和生理状况。

这种结合还记录了生产数据，帮助养殖者更好预测母猪产仔数。当前，生猪养殖中应用的AI多数处于弱人工智能阶段，但随着科技的进步，强人工智能和超人工智能在养殖业中的应用也变得可能。自动化技术作为一项高新技术，被广泛应用于各行各业。

基于机器视觉的自动化技术可以进行养殖场的预警，及时发现故障并报告，确保养殖场效益。随着养殖场规模的不断扩大，引入自动化设备已成为普遍趋势。物联网技术是涉及多学科且应用广泛的技术，利用传感器和网络实现物体精准识别、监控和管理。近年来，可穿戴物联网设备在生猪养殖领域应用广泛，可实时监测猪只生理指标并生成精准数据，对精准饲喂和疾病预防具有重要的意义。推广物联网技术在生猪产业中应用可促进信息化和智能化发展，提高生产效率和经济效益。此外，物联网技术也可监管和追溯猪肉产品流通过程，保障猪肉产品质量和食品安全，让消费者更安心放心地食用猪肉产品。

二、智能化养殖技术在养猪产业中的应用

养殖场内的环境是影响猪只健康与生长发育的重要因素。一个舒适、健康的环境可促进猪的健康生长，降低疾病发生率，确保生猪产品的安全性。智能化环境监测设备能够精确捕捉环境中的任何不稳定变化，并在第一时间发出警报和调控指令，提醒养殖人员及时关注温度和湿度等环境条件。

目前，我国先进养殖场大多配备智能化环境监测设备、加热系统和通风换气系统等智能环境调控系统，有效实现对环境的精准监测和调控。应用智能化环境监测和调控设备不仅提高猪生产性能，还节约成本，提高养殖场经济效益。

对猪只个体进行识别，不仅能够精准记录猪成长过程，还能加强疾病防控以及识别混入猪群中的其它猪种，维护养猪场内部猪种的纯种性，保障猪的生物安全。行为识别可以及时关注所观察猪的状态，如监测其进食时间、进食习惯等。Lao等开发了一种基于计算机视觉的系统，可以自动识别母猪在产仔箱中的行为，包括：喂奶、喝水和移动。

为方便猪群管理，提高动物福利，许多大型养殖场引进无线射频识别技术。通过RFID读取信息并进行交流和传递，实现对动物的个体识别和信息采集。在目标个体身上安装RFID标签，可进行跟踪和监测，获取基本信息，实现精准识别和行为监测。但RFID也有局限性，如识别距离较短、低频RFID不能检测多个电子标签、受电池供电限制和存在信号干扰等。目前，已有研究利用超高频的RFID检测生长育肥猪的采食次数，但该技术仍需要进一步的研究。

近些年，随着AI技术的发展，面部识别、姿势识别等技术在养殖场内的应用也逐渐成熟，面部识别的摄像机通常安装在槽前以捕捉猪脸图像，通过分析软件和算法完成对采集的猪脸图像进行提取和识别，从而做到个体的精准识别。面部识别技术在养殖场的运用具有巨大潜力，对提高猪只福利和监测个体生长具有重要意义。但图像采集需要考虑光照条件和猪的姿势等因素，Sa等提出通过俯视角度相机，利用深度和红外图像的互补信息在各种光照条件下检测猪的快速方法。但是图像处理和识别算法过于复杂，仍需软件进一步计算和校验。因此，猪脸识别的效率和准确性需要进一步提高，才能应用于商品猪生产。

猪的咬尾问题是养殖者面临的一项难题，有研究利用3D摄像机追踪猪个体并收集数据，采用机器视觉算法处理数据，以自动测量猪尾巴姿势，为解决咬尾行为提供了新思路。

猪的体尺和体重是衡量猪只健康、生长和生产性能的重要指标，也是养殖场选育品种的重要参数，精确测量猪的体尺和体重技术是智能化养殖的重要组成部分。传统测量方法为人工直接测量，耗费人力和时间，对测量人员具有危险性，还容易对个体造成应激，从而影响健康。使用机器视觉和人工智能技术进行体尺和体重预估，与传统手工测量相比，具有准确性高、测量快速且零接触等优点。

机器视觉识别是利用多角度的图像采集系统采集畜禽视频或照片，经过图像处理系统对照片或者视频进行处理，筛选出与体重和体尺有关的特征，再通过机器学习特定的算法，预估出畜禽体的体重和体尺数据。智能的体重与体尺预估已有相关的报道，显示了技术的可行性。猪的体尺测量主要利用猪的三维图像或者深度图像来提取体尺的特征点，再通过三维点云图像的坐标预估体重和体尺。滕光辉等基于Kinect传感器使用三维重构技术，获取108组母猪臀股的三维图像，并对图像进行处理与分析，最终得到了母猪臀部的高宽比、臀股面积和曲率半径与背膘厚度的相关系数。一些背部特殊的体尺数据需要获得猪背部的深度图像，利用图像上背部的凹凸进行体尺特征点的识别，从而预估背宽等体尺数据。

但是，在大型养猪场中，摄像机的视野和数量有限，无法覆盖所有的猪，且猪的位置和姿势也会影响测量精准度，在真实的养殖场环境中，不需要人工干预的全自动测量很难实现。Shi等介绍了一种基于LabVIEW的移动测量系统，该系统是一种自动化、智能化的测量系统，它将多种智能技术相结合，实现对猪的精确定位追踪后的测量，可应用于大型养猪场。Nguyen等介绍了一种手持式RGB-D相机，可快速预估育肥猪体重，打破固定式摄像机的束缚。移动测量系统具有较高的定位准度和测量精度，为猪体尺、体重的智能化测量提供了新思路。采用机器视觉技术来预估个体的体重和体尺数据，可以使得养殖场快速地获取并分析数据，管理人员可以第一时间获悉目标个体的体重和体尺数据，判断其健康状况和生长状况，有利于养殖场的精细化、规范化管理。

为满足人们消费需求和社会经济发展需要，生猪养殖业逐渐向集约化、规模化方向发展，养殖场的养殖密度不断增加，导致猪疫病暴发风险增大，为猪疾病监测和诊断增加了难度。采用智能化的疾病监测成为降低猪患病风险和阻断病毒传播的重要手段。

传统病猪检测方法是依靠肉眼观察，需要养殖人员与猪长时间的密切接触和观察，会对猪的生产产生不良影响，且养殖人员的工作环境恶劣，存在交叉感染的隐患和风险。智能化养殖下的疾病监测具有将疾病遏制在早期，节省人力等优点。智能检测主要依据健康猪和病猪在外观、行为、进食量、体温、声音等方面的差异，通过机器视觉、红外激光技术和热传感器等获取猪只图像或体征信息，提取并分析猪只的外观、行为和体温等特征，构建疾病模型，监测猪只是否健康。

智能疾病监测可以减少人与病猪接触，降低交叉感染风险，阻断病毒传播途径；节省人力财力，降低猪患病带来的经济损失；更重要的是可以加快疾病发现和诊治进程，有效遏制传染病蔓延，提高养殖场生物安全性。

猪场的粪污处理一直都是个难题，智能化、绿色化处理是关键。智能化、绿色化处理粪污不仅可以改善猪舍环境，还能减少温室气体的排放，避免对水体的污染和重金属对土壤的污染，降低生猪业发展对环境造成的危害。

传统粪污清理技术主要是堆积发酵，该方法简单实用，但需耗费大量人力和时间，且大量粪污发酵时产生有毒有害气体，影响空气质量和猪只健康。目前规模化养殖场常采用机械化粪污清理，安装刮粪板装置，引进自动粪污控制系统，实现粪污实时清理，降低猪舍内有毒有害气体的残留时间，提高猪舍卫生条件。但机械清粪仍存在问题，如在粪污清理过程中，清粪设备可能受到损坏、卡顿、过载，进而造成粪污在舍内残留，刮粪板上粪便粘结会降低工作效率等。因此，机械清粪技术需不断改进，降低生产成本和提高工作效率才能广泛应用。有研究人员设计出一款智能清粪机器人，该清粪机器人具有自动建图、导航、回充和清粪功能，具有广阔应用前景。

猪场所产生的污水是由粪便、尿液和清水等组成，需要经过处理才可以进行排放。污水处理是猪场粪污清理的一个重要环节，引进智能化技术可以提高污水处理的效率，做到有用物质的循环使用，实现猪场的可持续发展。

三、智能化养殖在生猪企业上的应用及成效 

随着猪场生物安全疫情风险的不断提高以及人工劳动成本的增长，越来越多养殖企业开始走上智慧养殖之路，并在此过程中实现经济效益和环境效益的双重提升。阿里云、京东、网易等互联网巨头与知名农牧企业推出以场景化、大数据、产业互联网为基础的养猪产业及猪场管理系统，如农信互联系统、微猪科技、“FPF”未来猪场。

浙江华腾牧业打造的占地20000多平方米的智慧牧场，综合应用了人工智能技术、云计算技术、自动化技术、物联网等多种新兴的技术，该智慧牧场全年可出栏1.2万头生猪，收集各种信息的传感器分布在牧场的各个角落，牧场全年保持恒温恒湿；猪舍地面干净整洁，猪场产生的粪污都已通过自动化设备绿色回收，变废为宝，可以实现零排放。

牧原食品股份有限公司现已形成集饲料加工、生猪育种、生猪养殖、屠宰加工为一体的猪肉产业链。公司基于物联网技术和节能环保设备，创建了无人环控平台，将自动环控系统通过物联网将猪舍接入平台管理，实现远程查看猪舍状态，远程控制猪舍设备，配置参数等功能，实现自动调节控制，对环境参数异常及时报警，极大提高了管理效率，减少了疫病风险及生产损失。成果应用后，育肥猪达115kg，平均出栏日龄≤160天，头均药费降低41.79元，母猪年提供断奶仔猪提高1.2头。

四、小结与展望