2024年我国智能化养猪技术与装备的发展趋势
摘要：随着网络化、智能化、信息化为特征的人工智能技术发展，传统的猪只养殖技术已经无法满足我国生猪市场需求，规模化、集约化和智能化的猪只养殖模式已经逐渐成为主流方向。针对新时代我国智能化养猪发展与趋势，从智能装备（智能化养猪场舍设计、环境调控、智能饲喂、粪尿处理等）和智能管理（智能监测、智能分析和智能决策）两大方面，分析其发展现状、存在困难，进而指明未来智能养猪技术发展的主要方向，为养猪智能技术发展提供思路与借鉴。
01、引言
生猪产业是我国重要的农业经济组成部分之一，我国是全球重要的猪肉生产和消费大国，2020年猪肉产量4113万吨，占全球猪肉产量50%以上。为了满足我国对猪肉巨大的需求量，现代养殖业已经逐步从传统的养殖模式向规模化、集约化和智能化的模式升级。随着物联网、深度学习和大数据等技术的发展，近年来，我国生猪产业技术从育种、育肥、贩运、检疫、屠宰到销售等各个环节开展了多方位的智能化技术研究与应用，取得了较为显著的成果。本文以新时代我国智能化养猪发展与趋势为目标，从智能化养猪概念、场舍设计、环境调控、智能饲喂、粪尿处理和智能管理等方面阐述智能养猪业的发展现状、存在困难和未来发展方向，为生猪智能养殖管理提供技术选型参考。
02、智能化养猪基本概念
智能化养猪技术是指以智能装备、物联网、互联网、大数据和人工智能技术为核心要素，通过物联网技术进行猪只环境和生长过程信息采集，使用互联网进行数据传输，然后利用大数据技术对各类相关数据进行分析，最终采用人工智能技术进行决策和控制，实现猪只养殖信息全面感知、环境精准调控、精准饲喂、自动清粪与智能监管等功能，以逐步实现无人化养猪的下一代新型养殖管理技术。
03、智能化养猪装备的发展现状
# 01 智能场舍设计
智能猪舍是根据猪只生活习惯结合智能化猪只养殖技术，以只需个别养殖管理人员或者无人化养殖为目标，进行设计的规模化猪舍。我国的猪舍在1955年之前主要以一家一户的形式存在的小型猪舍为主，该类型猪舍最大的问题是养殖效率低。1955年后，我国猪舍逐渐出现了以通过小型猪舍改造的连排猪舍，但是由于电力和机械化的发展程度低导致大部分连排猪舍都是纯人工的方式进行养殖。1980年后我国逐渐出现了现代化养殖猪舍，这些猪舍通过安装风机、水帘和刮粪机等设备，不仅降低了人工劳动力，还提高了猪只的养殖率，智能化程度不断提高。近年来，随着科技的发展，通过自动化技术、物联网技术和互联网技术等设计智能化楼房进行养猪的概念逐渐进入大家的视线，因为楼房养猪具有占地面积小、管理效率高和疾病防控效率高等优点，所以目前不少公司都在准备着建楼房进行养猪。
# 02 环境监控
环境监控以各种传感器进行环境监测，当环境发生异常时，使用自动化、互联网、人工智能和大数据等技术进行环境调控，让猪只一直处于舒适的生活环境中。通过环境调控保持猪舍环境的卫生整洁不仅有利于猪只育肥，还能防止疾病在猪只之间传播。在我国传统的猪只养殖中，一直是通过自然风、人工清粪和喷水进行环境调控。随着科学技术的发展，猪舍逐渐引入手控风机和自动化喷水设备。随着科学技术进一步的发展，我国猪舍正逐渐实现通过智能设备实现湿度调控、温度调控、空气质量调控、光照调控和排泄物清理等功能，并且我国环境调控技术已经基本成熟，相关的研究也较多。虽然实现智能化调控猪场环境成本仍然较高，但是目前电控风机、自动喷水器、自动刮粪机等也已经趋于成熟。
# 03 智能饲喂
智能饲喂是在无人监管的情况下，通过计算机视觉、物联网和人工智能等技术根据猪只生长需求进行分析，实现猪只自动化精准饲喂。生猪的饲喂是传统猪只养殖中最需要投入人工劳动力的环节。目前，我国小规模养殖猪只养殖场大部分依赖人工饲喂模式，而大、中规模养殖场已经基本实现自动化饲喂和半自动化饲喂模式。虽然精准饲喂和精准调控由于成本任然较高难以推广，但是目前可以通过限喂式自动喂料技术达到精准饲喂水平。
# 04 无害化粪污处理
无害化粪污处理是通过干湿分离、氧化和发酵等一系列复杂操作，使得粪污的排放不会对环境产生任何有害的影响。猪只养殖中必定会产生大量的粪污，如果粪污处理不当，就一定会对周围的空气、土壤和水源等产生不同程度污染，因此粪污合理处理是养殖业可持续发展的关键。传统粪污处理方法主要是好氧堆肥发酵为主，但是好氧堆肥发酵需要较大的土地面积且效率慢，而沼气池处理和生态型处理为主好氧堆肥为辅的混合模式因具有环保效果好、处理时间短和处理效率高等优点逐渐成为主流方向。林代炎等以福清市星源农牧开发有限公司作为研究对象，构建了包含沼气池、食用真菌生产模块、植物种植模块和氧化塘模块的规模化养猪场粪污循环利用技术模式，成功解决了生猪存栏1.0万头的规模化猪场粪污循环再利用问题。
# 05 巡检装备
巡检机器人以人工智能技术为核心，利用物联网和互联网等技术辅助，代替人的双脚进行猪场巡逻，对猪场异常情况及时进行预警和处理。巡检机器人是智能化养猪技术中研究成本和制造难度最大的装备，也是智能化养猪实现无人养猪厂的必备装置。巡检机器人目前分为轨道机器人和走地机器人2种。轨道机器人主要通过在猪场上方设计轨道，实现机器人定时巡检。同时，北京小龙潜行科技有限公司目前也研发了一种牧场守望者轨道机器人，用于协助猪场智能养殖管理和提升养殖效率。
此外，高新兴机器人有限公司正与华南农业大学农业大数据工程中心联合开发猪场巡检机器人，该机器人除了自动巡航、自动充电和自动检测障碍物，还用于探究猪只体温监测、行为监测、体尺测量和声音监测等智能算法的实际应用。
04、智能管理技术的发展现状
# 01 智能检测
智能检测主要是通过彩色摄像头、红外摄像头、3D摄像头和耳标等进行数据采集，然后使用算法对猪只进行行为监测、体温监测、体尺测量和体重估算等操作。智能检测算法是智能化猪场的眼睛，为智能化猪场分析提供重要数据支持。
猪只行为监测是通过彩色摄像头对猪只运动、休息、爬跨、跛行、饮水和进食等行为进行监测。猪只行为监测最终目的是让摄像头代替人的眼睛对猪只日常生活进行监测，是基于计算机视觉和人工智能技术研究的重要分支。肖德琴等通过使用颜色特征识别策略、噪声消除、粘连与遮挡分割处理、最小化代价函数的椭圆拟合和最短距离匹配法等方法，设计了用于追踪视频中猪只运动监测方法。该方法可以在分割粘连猪只成功率达92.6％情况下，有效地监测猪只运动信息。杨秋妹等通过在猪只背部喷涂上记号进行身份标识，然后使用深度学习算法对视频图像中的猪的头部、尾部和身份进行识别，经过反复调整参数，最终识别猪只饮水准确率达92.11%。
通过图像或视频对猪只进行体尺测量和体重预估，有利于养殖人员及时评估猪只养殖情况、调整养殖方法和制定销售方案。猪只体尺测量包括身高、体长和体宽的测量，而猪只体重预估需要根据猪只体尺信息、养殖时间、品种和饲料类型等进行预估。
猪只体温监测能及时发现患病猪只，对防止猪只疾病大规模传播和减少养殖户经济损失起到关键性作用。肖德琴等设计了一套猪场体温红外监测系统，该系统包括FLIR A310型热像仪、微型计算机、XP2-18R / RT集成控制器和DM542数字电动机驱动器，实现准巡检精度达90％的猪耳根区域的温度监测。
# 02 智能分析
在获取畜禽信息后，通过大数据、云计算和云存储等技术，对数据进行清洗、结构化存储、数据备份和数据分析等操作，其中数据分析包括体温分析、行为分析、运动量分析、体重预估和背膘分析等。
健康监测需要结合猪只的行为监测、体温监测、体尺测量和体重预估等技术进行整体的大数据分析。当猪只患有严重疾病时必定存在行为异常、体温局部异常和一定时间内体型变化等信息，只有将这些数据积累到一定程度，并进行规律探索和模型建立，这样才能实现猪只健康监测。由于我国关于猪只行为监测、体温监测、体尺测量和体重预估的数据积累还不够深厚，因此我国正处于对上述数据积累向大数据健康监测研究的过度阶段。
# 03 智能决策
智能决策以大数据技术为核心，结合人工智能、互联网和物联网等多种技术，对产业和市场进行及时地分析、判断和行动。进行智能决策是企业和国家发展智能养殖的源动力，是企业和国家最关心的问题。有利于帮助企业提高生产利润和企业竞争力，可以帮助国家实现宏观调控和产业布局目标。
企业通常是通过构建自己企业级的物联网系统、生产管控系统、溯源系统和全链条大数据平台等实现养殖环境和生长过程信息的全面感知、精准决策和溯源服务，例如给猪佩戴耳标、剪耳缺或者喷二维码等方式进行猪只身份识别，然后利用带有电子秤饲喂器和带有水流量记录的喂水器对猪只进行喂食，接着还需要对猪场中的温度、湿地、光照以及空气质量进行记录，最后利用生产过程中收集的大量数据研究一套属于企业自己的猪只养殖技术体系，如搞清不同品种的猪只与不同饲料之间的料肉比关系、不同品种猪只与猪只不同年龄段之间的饲料配方关系、不同品种猪只与环境调控之间的关系和不同品种猪只的饲料成本收益等问题。进一步地企业可以根据不同猪只品种在生长过中不同的年龄阶段所需要的饲料类型、饲料数量、饮水量、最舒适的温度、最合适空气要求、最适宜的湿度等，进行智能化调控，从而使企业的生产利润最大化。
国家层面，针对传统的人工监管模式存在费时费力、只能抽样监测和难以信息化等问题，利用区块链、大数据和互联网等技术建立猪肉安全溯源系统，该系统以耳标、条形码和二维码等作为信息载体，通过智能网络设备将猪只育种、饲养、贩运、检疫、屠宰、加工和销售过程中全部数据传输至省级和中央数据库存储，已经在58个城市试点建设了对应肉类蔬菜流通追溯体系。此外，近年国家在重庆市荣昌区布局了国家生猪大数据中心，该中心以建立生猪大数据标准体系作为目标，建立了生猪大数据监测预警应用平台、生猪数据监测采集平台、标准化质量分级服务平台、生猪质量追溯服务平台、生猪物流大数据平台、企业征信服务平台和生猪数据在线服务平台一共7个平台。通过以上平台可以实现猪只产业监测预警、避免生猪供求周期性失衡、防止生猪价格波动、提升生猪产业科技创新能力、促进我国生猪产业数字化、保证猪肉食品安全和实时了解猪只产业情况等功能。
05、我国智能养猪面临的困难与发展趋势分析
# 01 智能化养猪存在的不足与困难
虽然目前我国猪只自动饲喂、粪污处理、环境调控、行为监测、体温监测、体尺测量和体重预估技术等智能化养猪技术取得了长足的进步，但是依旧还不够成熟无法大面积推广，这是因为目前我国猪只养殖业还存在以下5点问题：
（1）基于动态行为的环境调控技术应用不足。目前大部分猪只环境调控都是使用根据地域和生长期进行约定的环境调控，还未能通过基于生长过程实时的行为表征等因子为依据进行实时调控。主要原因是当前对不同品质、不同地域、不同生长期的猪只行为表现研究还不够深入。
（2）生猪表型信息采集还不够及时和精准。在规模化猪只养殖中，由于猪只数量庞大，无法及时对每只猪只进行身高、体重、体长和体宽等信息进行测量，往往只是在猪出栏时进行一次测量。这种情况下加大人工对猪只进行测量是不现实的，只有使用算法对猪只进行测量，才能做到及时动态的。但是我国目前这方面的算法精度仍然较低，无法进行大面积推广。
（3）生猪健康自动监测技术还很不成熟。利用人工智能技术对猪只行为和温度进行监测，从而实现猪只健康监测，还存在一些困难需要解决。比如：猪舍高度低摄像头无法拍全、精准的红外设备价格昂贵、猪舍存在蜘蛛网和图像畸变校正难等，这些问题导致目前生猪健康自动监测技术还很不成熟。
（4）精准饲喂应用面还不广。精准饲喂目前主要应用于育种母猪，育肥猪的应用还比较少。一方面要实现精准饲喂就要对猪场进行改造，这需要非常高的成本，另一方面目前精准饲喂只是让每只猪吃一定量的饲料，还未能做到根据猪只身体情况进行定量调制饲料，所以无法实现猪只肉类比的控制。这导致精准饲喂无法直接为企业带来利润提升，难以应用推广。
（5）人才匮乏。养殖企业非常需要与计算机、大数据和人工智能方面相关的人才进行智能化改造，但是既懂数字农业又懂生猪养殖的复合型人才很缺乏。
# 02 智能化养猪未来发展趋势
由于传统的猪只养殖方式存在人工成本高、生产效率低、疾病防控能力低和饲料浪费率大等问题，难以满足我国社会在发展过程中日益增加的猪肉需求，因此未来猪只养殖业必定是向具有人工成本低、生产效率高和疾病防控能力强等优点的规模化、智能化和集约化的养殖模式进行升级。未来智能化养猪技术主要发展方向主要体现在以下四方面：
（1）基于生猪福利养殖的环境动态管控。实现根据不同的品种的猪只的不同年龄阶段的不同生活环境要求进行自动化环境管控，如在猪休息时间进行光照调控以诱导猪只进行休息，并且进行温度和湿度调节，在防止猪只生病的同时，也保证了猪只拥有更好的健康生长环境。
（2）猪只个体营养精准调控。根据不同的品种的猪只的不同年龄阶段对营养的需求进行合理的营养搭配和饲喂，关于生猪养殖精准饲喂模型的构建是开展营养精准管控的前提，是当前热门的研究领域。
（3）智能健康监测预警。使用行为监测、体温监测、体尺测量、体重预估以及大数据分析等技术，对患病猪只和处于亚健康的猪只进行预警，防止疾病在猪舍之间传播，如使用红外摄像头持续监测猪只温度，一旦猪只体温出现异常，就发出警告并通知工作人员对猪只进行隔离。
（4）工厂化智能养殖。未来规模化、智能化和集约化的猪只养殖模式可通过建立标准化楼房，并在楼房内安装各种环境传感器、红外摄像头和自动饲喂器等设备，实现智能化楼房养猪。
