趙一廣 楊亮 鄭姍姍 熊本海

摘? ?要：家畜智能養(yǎng)殖設(shè)備是智能農(nóng)機(jī)裝備的組成部分之一，是國際農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的焦點(diǎn)。本文重點(diǎn)圍繞家畜智能養(yǎng)殖設(shè)備與飼喂技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用，進(jìn)行了系統(tǒng)的性能特點(diǎn)分析。目前家畜智能養(yǎng)殖設(shè)備的開發(fā)對象主要針對豬和奶牛，主要研發(fā)的系統(tǒng)包括妊娠母豬電子飼喂站、哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)、奶牛精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)和擠奶機(jī)器人等。家畜智能養(yǎng)殖設(shè)備的工業(yè)化應(yīng)用必須與養(yǎng)殖模式、畜舍結(jié)構(gòu)布局結(jié)合起來，才能發(fā)揮設(shè)備的使用效率，同時(shí)從滿足動(dòng)物的福利出發(fā)，與動(dòng)物生理、生長及行為結(jié)合起來，形成設(shè)備與動(dòng)物的互作和相互適應(yīng)。最后指出了智能設(shè)備的研究必須與畜牧業(yè)生產(chǎn)的理論、目標(biāo)產(chǎn)品的功能驅(qū)動(dòng)及養(yǎng)殖方式的創(chuàng)新協(xié)調(diào)一致，要不斷地更新?lián)Q代，才能助推畜牧業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)鍵詞：家畜;智能養(yǎng)殖設(shè)備;精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng);電子飼喂站;養(yǎng)殖機(jī)器人;動(dòng)物福利

中圖分類號：S8-1? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：201812-SA017

趙一廣， 楊? ?亮， 鄭姍姍， 熊本海. 家畜智能養(yǎng)殖設(shè)備和飼喂技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 智慧農(nóng)業(yè)， 2019， 1（1）： 20-31.

Zhao Y， Yang L， Zheng S， Xiong B. Advances in the development and applications of intelligent equipment and feeding technology for livestock production[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（1）： 20-31. （in Chinese with English

abstract）

1? 引言

畜牧養(yǎng)殖業(yè)是關(guān)系國計(jì)民生的農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)正面臨“養(yǎng)殖效益低下、疫病問題突出、環(huán)境污染嚴(yán)重、設(shè)施設(shè)備落后”四大瓶頸問題[1]。解決這些問題的根本出路除了大力開展家畜疫病防控，凈化與根除養(yǎng)殖環(huán)境污染源，推進(jìn)養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理與資源化利用之外，在我國農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)急劇變化、數(shù)量急劇減少的情形下，更要推動(dòng)智能家畜養(yǎng)殖設(shè)備的技術(shù)自主創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化，這也是實(shí)現(xiàn)我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)快速轉(zhuǎn)型、提質(zhì)增效和新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的重要領(lǐng)域[2]。

智能家畜養(yǎng)殖設(shè)備是智能農(nóng)機(jī)裝備的組成部分之一，是提高生產(chǎn)效率、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前，我國畜牧養(yǎng)殖設(shè)施化、規(guī)?；?jīng)營比例顯著增加[3]，以生豬養(yǎng)殖為例，2014 年我國規(guī)?；B(yǎng)殖場（年出欄500 頭以上）生豬出欄占比42%， 到2015 年我國規(guī)模化養(yǎng)殖場生豬出欄占比44%，到2016 年占比已接近50%[4]。但隨著農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的大量轉(zhuǎn)移，對裝備技術(shù)的智能化要求更高，產(chǎn)品需求巨大。長期以來，我國家畜養(yǎng)殖裝備尤其是智能設(shè)備研究基礎(chǔ)薄弱，整機(jī)可靠性和智能化程度不高，核心部件和高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口，導(dǎo)致設(shè)施養(yǎng)殖場的硬件投入大，成本回收期長。而核心養(yǎng)殖設(shè)備尤其是作業(yè)機(jī)器人嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致畜牧業(yè)綜合生產(chǎn)力較低，成本居高不下。發(fā)達(dá)養(yǎng)豬國家，如荷蘭、丹麥的繁殖母豬年供斷奶仔豬頭數(shù)（Piglets weaned/Sow/Year， PSY，反映母豬生產(chǎn)力）可達(dá)30頭以上[5]，而我國2016年的PSY為16頭左右[6]，與發(fā)達(dá)國家差距明顯。而最能體現(xiàn)精細(xì)化與智能化水平的泌乳牛年單產(chǎn)水平，以色列超過了11t，美國接近10t，而我國總體水平為6.5t[7]。另一方面，我國肉、奶生產(chǎn)總體成本明顯偏高，缺乏市場競爭力。例如，牛羊肉的生產(chǎn)成本是美國和澳大利亞的2～3倍，生乳生產(chǎn)成本是新西蘭的2倍以上等[8]。國際知名智能養(yǎng)殖設(shè)備制造企業(yè)，如德國大荷蘭人（Big Dutchman）公司，法國ACEMO公司， 奧地利Schauer公司[3]，荷蘭睿寶樂（NeDaP）公司[9]，美國奧斯本工業(yè)（Osborne）公司[10]，瑞典利拉伐公司[11]等，正憑借技術(shù)和資本優(yōu)勢全面進(jìn)入中國，搶占高端家畜養(yǎng)殖設(shè)備市場。因此，加快智能養(yǎng)殖裝備技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)，提升供給能力，縮小與國外主流產(chǎn)品差距，支撐現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展，對保障畜產(chǎn)品安全意義重大。本文主要從豬和奶牛的智能養(yǎng)殖設(shè)備兩方面，總結(jié)國際上主要智能養(yǎng)殖裝備的性能特點(diǎn)，為國產(chǎn)智能養(yǎng)殖設(shè)備的設(shè)計(jì)布局及發(fā)展提供參考。

2? 豬智能養(yǎng)殖設(shè)備

養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)主要涉及的智能養(yǎng)殖設(shè)備包括妊娠母豬電子飼喂站和哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)兩種。

2.1? 妊娠母豬電子飼喂站

妊娠母豬是指配種后到產(chǎn)崽之前的繁殖母豬。母豬妊娠平均為114天[12]。傳統(tǒng)的飼喂方式是限位欄飼喂，即一豬一欄飼喂。一是可防止胚胎附植前流產(chǎn)，二是有利于妊娠前期限制飼料喂量。隨著電子標(biāo)識及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，尤其在歐美倡導(dǎo)的動(dòng)物福利理念作用下，母豬電子飼喂站應(yīng)運(yùn)而生。其飼喂的原理是圈欄散養(yǎng)，即數(shù)十頭妊娠母豬在一個(gè)圈欄內(nèi)，共用一臺母豬電子飼喂站（Electronic Sow Feeding， ESF）飼喂、休息、排泄甚至監(jiān)測發(fā)情等[13]。電子飼喂站系統(tǒng)包括耳標(biāo)識別及嵌入式控制系統(tǒng)，可以按每頭母豬的采食曲線或妊娠日齡控制每天甚至每次的采食量，并自動(dòng)記錄采食量數(shù)據(jù)。反過來也可依據(jù)已完成的采食量，調(diào)控后續(xù)的采食量，因此具有智能化控制的特點(diǎn)。長期的飼喂數(shù)據(jù)及效果表明，采用ESF不僅符合動(dòng)物福利，還能有效減少母豬肢體疾病、減少應(yīng)激、改善體況、促進(jìn)產(chǎn)仔健康，提高母豬生產(chǎn)壽命[14]。如果設(shè)備進(jìn)一步和自動(dòng)供料線配套，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備與養(yǎng)殖畜舍的合理匹配，可明顯節(jié)省勞動(dòng)力。

在國際上，研究時(shí)間較長且市場占有率較高的ESF有荷蘭NeDaP公司生產(chǎn)的Velos系統(tǒng)[15]和加拿大JYGA公司生產(chǎn)的Gestal 3G系統(tǒng)[16]。

圖1所示為荷蘭NeDaP公司生產(chǎn)的Velos ESF。每臺飼喂站可飼喂40～50頭母豬，每頭母豬單獨(dú)進(jìn)入采食不受其他豬只的干擾，進(jìn)入的豬只采食到它應(yīng)食入的飼料后，飼喂站會(huì)自動(dòng)停止下料。如果采食完的豬只在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不離開飼喂站，進(jìn)入門也會(huì)打開讓后續(xù)豬只進(jìn)入，去驅(qū)趕前序豬只離開，從而提高設(shè)備的利用率。一般豬只經(jīng)過5～7天的飼喂過程培訓(xùn)后，都會(huì)有序采食并在圈欄中友好相處，體現(xiàn)了智能設(shè)備與動(dòng)物的和諧互動(dòng)。

圖2所示為加拿大JYGA公司生產(chǎn)的Gestal 3G ESF[16]，每臺ESF可飼喂16～22頭母豬，進(jìn)出口及通道高度融合，設(shè)備占地面積少，且安裝與移動(dòng)方便，可依據(jù)圈欄面積大小配備不同數(shù)量的ESF。這樣即使個(gè)別設(shè)備出問題，也不太影響正常的飼喂，豬只之間因爭搶進(jìn)食發(fā)生的撕咬頻率明顯減少，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)理念到結(jié)構(gòu)調(diào)整的創(chuàng)新性突破。

對比Velos和Gestal 3G兩種飼喂站不難發(fā)現(xiàn)，前者屬于傳統(tǒng)型飼喂站，每個(gè)豬圈放置一臺，每臺占地面積較大，可飼喂豬只頭數(shù)較多，因而限制了每頭母豬每天的采食次數(shù)。一旦飼喂站出現(xiàn)故障，會(huì)影響全圈母豬采食。而且設(shè)備設(shè)計(jì)較復(fù)雜，維修不便。相反，后者屬于簡便性飼喂站，雖然每臺可飼喂豬只頭數(shù)相對較少，但占地面積小，每個(gè)豬圈可放置一組多臺，適合各種規(guī)模的母豬群。由于設(shè)計(jì)輕便，即使出現(xiàn)故障，維修也相對簡易快速，減少對正常生產(chǎn)的影響。

在中國，母豬電子飼喂站的研究正在經(jīng)歷從模仿到自主創(chuàng)新的起步階段，大規(guī)模應(yīng)用尚需時(shí)日。代表性的產(chǎn)品是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所聯(lián)合南商農(nóng)牧科技股份有限公司研究的ESF（圖3），其實(shí)現(xiàn)了雨刷電機(jī)、接近傳感器與母豬采食行為的協(xié)同工作，基本上解決了國產(chǎn)飼喂站長期存在的剩料難題，可飼喂的妊娠母豬頭數(shù)達(dá)40頭以上[14]。成都肇元科技有限公司結(jié)合我國目前妊娠母豬的養(yǎng)殖規(guī)模、養(yǎng)殖設(shè)施及從業(yè)人員的養(yǎng)殖習(xí)慣，研制了一種輕便、適合小群體妊娠母豬的飼喂站[17]（圖4），可飼喂16～22頭妊娠母豬。這種類型的ESF在我國擁有廣闊的應(yīng)用市場。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，圖3和圖4的國產(chǎn)ESF分別對應(yīng)圖1和圖2的國外同類型產(chǎn)品，性能和優(yōu)缺點(diǎn)也與前述圖1和圖2的類似。目前，國產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)還基本處在跟蹤模仿階段，設(shè)備的制造工藝與外觀設(shè)計(jì)方面與國際主要產(chǎn)品有不小的差距。飼料從料塔到設(shè)備緩沖斗的穩(wěn)定送料是保證每臺設(shè)備精確下料的前提。除設(shè)備本身外，與設(shè)備運(yùn)行配套的料線也極其重要。國外的電子飼喂站系統(tǒng)與豬場料線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)整合和智能化自動(dòng)控制，國產(chǎn)智能飼喂設(shè)備尚未大范圍商業(yè)化應(yīng)用，智能設(shè)備與料線的結(jié)合問題未涉及，這是進(jìn)一步研發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)。

2.2? 哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)

母豬分娩后一般上產(chǎn)床，在產(chǎn)床的有限區(qū)域內(nèi)哺乳仔豬。懷孕母豬分娩后，并處于哺乳期的母豬稱之為哺乳母豬，其飼喂模式不同于妊娠母豬小群體的圈欄。隨著現(xiàn)代養(yǎng)殖效率的提升，設(shè)備養(yǎng)殖的哺乳期已縮短到21天左右[18]，在此階段的飼喂目標(biāo)是使母豬采食量最大化。有研究表明，每增加1kg母豬干物質(zhì)采食量，產(chǎn)仔率可提高8%，斷奶到發(fā)情間隔縮短1.8天，還有利于提高下一胎次的母豬生產(chǎn)成績[19]。因此，圍繞哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂設(shè)備的研究非常活躍。

加拿大JYGA公司生產(chǎn)的Gestal哺乳母豬飼喂站[20]是本領(lǐng)域代表產(chǎn)品，包括Gestal QUATTRO和Gestal SOLO兩種（圖5）。QUATTRO的特點(diǎn)是使用定制的加熱曲線和溫度探頭，在提高母豬產(chǎn)仔性能的同時(shí)可減少用電需求。此外，每個(gè)喂料器都兼容Wi-Fi，可以快速將數(shù)據(jù)傳送到平板電腦或移動(dòng)手機(jī)端，并向工作人員快速傳遞分娩信息，幫助改進(jìn)舍內(nèi)分娩母豬的監(jiān)測。特別地，其使用兩種飼料供料線，根據(jù)每頭母豬的營養(yǎng)需要，定制多種日糧，還可實(shí)現(xiàn)分娩母豬一日四餐或六餐的個(gè)性化營養(yǎng)供應(yīng)（圖5a）[21]。Gestal SOLO飼喂器同樣具有每日多次、連續(xù)及精確飼喂功能，且采用Wi-Fi無線通訊技術(shù)與移動(dòng)端管理軟件相連，在整個(gè)哺乳期間可以根據(jù)母豬食欲調(diào)整飼喂頻率，促進(jìn)哺乳母豬的采食量及泌乳量，改善仔豬斷奶體重（圖5b）。此外，由于每個(gè)飼喂器擁有獨(dú)立控制芯片和存儲器，當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)也不影響每臺飼喂站的獨(dú)立運(yùn)行[22]。但與QUATTRO比較，SOLO不具備雙料線功能，不會(huì)改變?nèi)占Z的養(yǎng)分濃度，但可通過調(diào)控每天的飼喂次數(shù)來控制采食量。

上述兩種類型的哺乳母豬精準(zhǔn)飼喂站，代表了哺乳母豬飼喂設(shè)備的領(lǐng)先水平，從飼喂控制機(jī)理方面也為國產(chǎn)產(chǎn)品的研發(fā)指明了方向。

3? 奶牛智能養(yǎng)殖設(shè)備

奶牛的體型、養(yǎng)殖的模式及采食的飼料形態(tài)與豬有明顯不同，其飼喂設(shè)備，尤其是電子控制設(shè)備與養(yǎng)豬設(shè)備結(jié)構(gòu)迥異，奶牛的智能飼喂設(shè)備設(shè)施具有其自身特點(diǎn)。

3.1? 奶牛個(gè)體精準(zhǔn)飼喂站

奧地利Schauer公司生產(chǎn)的COMPIDENT奶牛飼喂站（圖6），采用堅(jiān)固的氣動(dòng)入口門設(shè)計(jì)，每臺飼喂站可飼喂50頭奶牛，在飼喂站里可以模塊化集成6種不同精飼料原料分配器。與飼喂站配套的TOPO飼料管理程序，可以使奶牛在一個(gè)綜合生產(chǎn)周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精飼料配方和飼喂量的靈活調(diào)整，方便了料倉的管理。并且可以根據(jù)每頭奶牛的生產(chǎn)階段和泌乳曲線分別計(jì)算和提供其所需的采食量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)周期內(nèi)全混合日糧飼喂效果的最優(yōu)化[23]。由荷蘭Hokofarm集團(tuán)研制的奶牛精準(zhǔn)飼喂與計(jì)量裝置（圖7），同樣具有堅(jiān)固的氣動(dòng)門，配備有電子耳標(biāo)識讀系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)奶牛采食次數(shù)，采食時(shí)間及采食量自動(dòng)控制和記錄，適用于研究牛只個(gè)體的采食規(guī)律[24]。

顯然，圖6的個(gè)體飼喂站適合于為奶牛精準(zhǔn)提供精料補(bǔ)充料，但無法控制和記錄每頭牛粗飼料采食量，因此無法獲取每頭牛每天完整的干物質(zhì)采食量。圖7的精準(zhǔn)飼喂系統(tǒng)更適用于牛群青粗飼料或TMR全混合飼料。因其裝備簡潔，可在牛舍中成排安裝，并能同時(shí)精準(zhǔn)控制和記錄多頭奶牛個(gè)體全天采食量。其軟件管理系統(tǒng)可以為奶牛分組，通過RFID耳標(biāo)可控制每個(gè)料槽允許訪問的奶牛個(gè)體，因此十分便于開展比較不同飼料營養(yǎng)價(jià)值的科學(xué)實(shí)驗(yàn)[25]。

3.2 奶牛自動(dòng)投料和推料機(jī)器人

投料機(jī)器人與飼喂站的不同是，飼喂站是固定不動(dòng)的，供不同的家畜去采食，而機(jī)器人則具有可行走的特性，代替人去完成飼喂工作。下圖分別是飼喂機(jī)器人和推料機(jī)器人。

圖8所示是荷蘭Lely公司研制的導(dǎo)軌式投料機(jī)器人[26]。其智能化程度高，可通過移動(dòng)終端選擇預(yù)存的日糧配方，下達(dá)配料任務(wù)后，機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)入配料車間的特定位置，按順序接收不同的飼料原料。配料車間安裝有配套的起重機(jī)抓手，其可依據(jù)飼料配方依次抓取所需的飼料原料。飼料原料按種類及比例投入機(jī)器人料倉后，機(jī)器人按固定的導(dǎo)航軌道進(jìn)入牛舍。在行走至約定的投料位置過程中，基本完成必要的飼料混合，然后邊行走邊攪拌并邊投料，完成投料后會(huì)自動(dòng)返回到待崗位置。然而導(dǎo)軌式投料機(jī)器人需要牛舍及配料車間安裝有固定導(dǎo)航軌道，才能實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備與養(yǎng)殖畜舍的合理匹配。

圖9是荷蘭Lely公司研制的Juno自動(dòng)推料機(jī)器人，其安裝有超聲波感應(yīng)器，可以感知與牛欄的距離并按預(yù)設(shè)的距離行進(jìn)推料。牛場可以通過軟件自由預(yù)設(shè)該距離，例如距離牛欄從遠(yuǎn)至近逐漸推料。其底部內(nèi)置的電感式器件傳感器一方面保證其準(zhǔn)確按照預(yù)設(shè)路線行進(jìn)，另一方面也可以判定充電站的位置。推料機(jī)器人無論白天夜間均可準(zhǔn)時(shí)按照預(yù)設(shè)時(shí)間點(diǎn)為牛只推送飼料，不僅節(jié)省體力勞動(dòng)和時(shí)間，讓農(nóng)場主可以處理牛場其他的管理工作，還有利于增進(jìn)牛只采食量，尤其是粗飼料進(jìn)食量，從而提高產(chǎn)奶量和質(zhì)量[27]。顯然推料機(jī)器人并不具備投料機(jī)器人存儲日糧配方和自動(dòng)取料，混料和投料的多種功能。但其是投料機(jī)器人的得力搭檔，可以簡潔低能耗地完成全天多次后續(xù)推料工作，兩者結(jié)合使用可構(gòu)建起智能化牛場自動(dòng)飼喂系統(tǒng)。

3.3? 擠奶機(jī)器人

在家畜養(yǎng)殖機(jī)器人研究領(lǐng)域中，投入最大、研究時(shí)間較長、挑戰(zhàn)性最高、且產(chǎn)品最多的機(jī)器人是擠奶機(jī)器人[28，29]。目前，在全球范圍內(nèi)，主要的領(lǐng)導(dǎo)品牌有Lely， DeLaval， Hokofarm，GEA Farm，F(xiàn)ullwood五大產(chǎn)品[30，31]。然而，擠奶機(jī)器人的效率目前仍明顯低于其他自動(dòng)擠奶系統(tǒng)，設(shè)備的技術(shù)瓶頸卡在真空擠奶前的清洗及上杯的環(huán)節(jié)[32，33]。由于奶牛個(gè)體有差異，每頭奶牛的4個(gè)乳頭的大小、位置及垂直度不同，在機(jī)器人通過紅外定位時(shí)，時(shí)有定位模糊、反復(fù)套不上杯或者是擠奶用的管道卡住而拽不出來的情況發(fā)生。一旦發(fā)生這類情形，系統(tǒng)就得復(fù)位重新啟動(dòng)全過程程序進(jìn)行糾偏，這無疑延長了奶牛個(gè)體的擠奶時(shí)間，增加了該奶牛的站立時(shí)間與應(yīng)激，同時(shí)影響后續(xù)排隊(duì)等待進(jìn)入的奶牛的擠奶過程，導(dǎo)致出現(xiàn)連鎖反應(yīng)。因此，即便是可全自動(dòng)擠奶，也要有專人處理異常情形，這意味著全自動(dòng)機(jī)器人擠奶技術(shù)的優(yōu)化空間還很大[34]。圖10和圖11分別為Lely Astronaut A4[35]和DeLaval VMS擠奶機(jī)器人[36]。上述兩大品牌的機(jī)器人也在不斷地從實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化上杯方法，從而實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備與動(dòng)物的和諧互動(dòng)。

4? 國內(nèi)外畜牧業(yè)智能裝備對比分析及對中國的啟示

4.1? 國內(nèi)外畜牧業(yè)裝備水平、研發(fā)思路和職業(yè)態(tài)度對比

中國與世界發(fā)達(dá)國家在畜牧業(yè)智能裝備水平、研發(fā)思路和職業(yè)發(fā)展態(tài)度上存在一定差距。首先，中國畜牧業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題是勞動(dòng)效率低，主要投入品如飼料及獸藥的成本高，加之私人養(yǎng)殖場甚至規(guī)?；B(yǎng)殖場的設(shè)備裝備水平較低，導(dǎo)致畜牧業(yè)綜合生產(chǎn)力低下、綜合成本高。例如，在歐洲，一個(gè)裝備規(guī)范、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)智能化及專業(yè)化程度高的養(yǎng)雞企業(yè)，一個(gè)工人平均可飼養(yǎng)管理多達(dá)12萬只[37]。但在中國，即便是裝有自動(dòng)供料、供水的養(yǎng)雞場，人均最多可管理1～2萬只[38]。其次，在智能設(shè)備的研發(fā)思路上，國際上密切結(jié)合動(dòng)物的福利，甚至與文化和生活體驗(yàn)融合起來，不斷追求人、機(jī)、動(dòng)物與環(huán)境的和諧發(fā)展，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。例如，歐美的家庭牧場，一般采用種養(yǎng)結(jié)合模式和采用全機(jī)械化作業(yè)。一個(gè)家庭可管理幾百頭奶牛，不僅奶牛的福利好，利用年限長，而且將養(yǎng)殖當(dāng)做家族事業(yè)去傳承與發(fā)展，不過度追求高回報(bào)，善待家畜，整體上養(yǎng)殖效率相對穩(wěn)定[38]。加之養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，較少出現(xiàn)行情大起大落的“養(yǎng)殖周期”。而我國目前畜禽養(yǎng)殖的主流還停留在小規(guī)模養(yǎng)殖，出于養(yǎng)殖成本的考慮，一般不會(huì)采用規(guī)?；酿B(yǎng)殖設(shè)備產(chǎn)品，往往導(dǎo)致養(yǎng)殖環(huán)境條件長期處于低端水平，降低生產(chǎn)效率并影響動(dòng)物福利[39]。另一方面部分養(yǎng)殖企業(yè)對養(yǎng)殖周期缺乏理性認(rèn)識，畜產(chǎn)品價(jià)格好時(shí)盲目擴(kuò)張或抽走資金挪作他用， 當(dāng)價(jià)格下跌時(shí)易因資金斷裂而倒閉[40]。第三，在對待職業(yè)的態(tài)度上，養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國家，從事養(yǎng)殖的牧民或農(nóng)場主，將養(yǎng)殖看成是一件很體面的事業(yè)，一直追求如何解放勞動(dòng)力。由于對智能養(yǎng)殖設(shè)備的持續(xù)創(chuàng)新性研制與應(yīng)用，成就了像NeDaP[41]，JYGA[42]，Lely[35]及DeLaval[11]等智能化養(yǎng)殖設(shè)備公司，引領(lǐng)了畜牧業(yè)智能設(shè)備的發(fā)展方向。而伴隨著我國改革開放40年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的生活改善和我國逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，畜牧養(yǎng)殖業(yè)面臨著人力資源緊張難題。一方面，是新一代年輕人不愿意從事養(yǎng)殖業(yè);另一方面，是養(yǎng)殖業(yè)骨干們漸漸老去。因此，依靠先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)施設(shè)備、科學(xué)化管理和先進(jìn)生產(chǎn)工藝，讓飼養(yǎng)員變成管理員，是解決我國養(yǎng)殖業(yè)人力資源短缺的必然選擇[43]。

4.2? 中國發(fā)展畜牧業(yè)智能裝備分析

基于國內(nèi)外差距，我國畜牧業(yè)智能裝備的進(jìn)一步發(fā)展，既需要注重設(shè)備“觸手可及”的便利性，又要體現(xiàn)動(dòng)物福利“畜性化”的追求。首先，隨著各種感知技術(shù)的發(fā)展與成熟、人工智能技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外智能設(shè)備的研發(fā)已成為畜牧業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)。一方面是現(xiàn)代信息技術(shù)、感知技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)與畜牧養(yǎng)殖技術(shù)的結(jié)合，向各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的滲透與應(yīng)用，探索新技術(shù)的增長點(diǎn)。另一方面從畜牧業(yè)生產(chǎn)本身而言，迫切需要解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率和改善新農(nóng)人的生活品質(zhì)，使農(nóng)牧業(yè)成為體面的行業(yè)，使未來的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)成為“觸手可及”的輕便性行為[44]，成為新的“工業(yè)”。前面主要介紹的智能養(yǎng)殖設(shè)備和機(jī)器人，都從不同程度體現(xiàn)了“觸手可及”的追求。盡管在不同的設(shè)備及同一設(shè)備在不同應(yīng)用階段達(dá)成的程度有別，但研發(fā)的目標(biāo)都是朝著更智能、更便利、更可靠及更經(jīng)濟(jì)的方向推進(jìn)。

其次，智能設(shè)備研究的另一個(gè)特別關(guān)注點(diǎn)是要與養(yǎng)殖模式結(jié)合，與動(dòng)物福利結(jié)合，體現(xiàn)設(shè)備的“畜性化”。例如，妊娠母豬電子飼喂站的研究目的是希望將傳統(tǒng)的對妊娠全過程的限位欄飼喂回歸到圈欄自由飼喂。也可以在小群圈欄飼喂前在限位欄內(nèi)飼喂幾周，讓母豬安靜保胎后進(jìn)入圈欄飼喂，在一定的空間內(nèi)休養(yǎng)生息，繁衍后代。這不僅符合動(dòng)物福利，同時(shí)也有助于提高母豬的生產(chǎn)力水平[45]。而哺乳母豬飼喂器則從另外一個(gè)角度追求豬只的福利，即通過計(jì)算機(jī)控制飼喂的次數(shù)和動(dòng)態(tài)變化的采食量，促進(jìn)哺乳母豬采食量的最大化，滿足母豬本身及撫養(yǎng)仔豬的養(yǎng)分需求[46]。奶牛智能化飼喂設(shè)備與技術(shù)研發(fā)的挑戰(zhàn)難度明顯高于如豬和雞等單胃動(dòng)物，這是由奶牛本身的生長、生理特點(diǎn)的復(fù)雜性決定的。奶牛要不斷地從配種、妊娠、產(chǎn)犢、泌乳、干奶，再到下一個(gè)泌乳周期，因而需要配套研制從不同生理或生產(chǎn)階段的自動(dòng)飼喂[26，27]、轉(zhuǎn)料[47]、清糞[48]、修蹄及蹄保健[49]到擠奶[35]等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)每個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化甚至機(jī)器人生產(chǎn)，而且不少設(shè)備均可以研制成通過手機(jī)遠(yuǎn)程遙控或在局域網(wǎng)內(nèi)控制的智能設(shè)備[26，27]。

然而，智能裝備或機(jī)器人的應(yīng)用也是具有先決條件的，既需要對畜舍結(jié)構(gòu)建設(shè)進(jìn)行超前布局，又要求從業(yè)者掌握相關(guān)技能，同時(shí)也要訓(xùn)練家畜與智能設(shè)備協(xié)調(diào)互動(dòng)。首先是養(yǎng)殖設(shè)備必須與養(yǎng)殖模式結(jié)合起來，而養(yǎng)殖模式又與建筑結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)聯(lián)。例如，限位欄的豬圈結(jié)構(gòu)就無法使用母豬ESF，牛舍內(nèi)的喂料通道如果地面不平整或?qū)挾炔粔?，喂料和推料機(jī)器人也無法正常工作。因此，全自動(dòng)機(jī)器人的使用需要從畜舍結(jié)構(gòu)建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)著手，為設(shè)備的使用預(yù)留位置及作業(yè)空間[50]。其次，凡是智能設(shè)備均具有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)及下位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)即所謂嵌入式控制系統(tǒng)，一般以控制面板的方式呈現(xiàn)在運(yùn)行設(shè)備的某個(gè)位置上。例如，從圖1至圖5，圖10和圖11所示的每臺機(jī)器均有控制面板系統(tǒng)，可直接顯示或設(shè)置控制參數(shù)。而上位機(jī)系統(tǒng)則是接收來自系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的飼喂控制參數(shù)及實(shí)際發(fā)生的數(shù)據(jù)，也可遠(yuǎn)程設(shè)置管轄的下位機(jī)的參數(shù)，并對采集的數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)分析及可視化展示等。因此，要求從業(yè)者具有一定的綜合素質(zhì)與技能，維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而發(fā)揮出設(shè)備最好的應(yīng)用效果。第三，設(shè)備的使用對象—家畜，也存在與設(shè)備協(xié)調(diào)互作的適應(yīng)問題，這要求設(shè)備應(yīng)滿足家畜的習(xí)性。一般情況下，當(dāng)智能養(yǎng)殖設(shè)備與作用對象有密切接觸時(shí)，往往需要進(jìn)行人為監(jiān)督下的適應(yīng)性訓(xùn)練。典型的有母豬ESF，奶牛的擠奶機(jī)器人等，都需要事先試訓(xùn)，消除家畜的恐懼心理并對使用設(shè)備產(chǎn)生肌肉記憶，讓家畜意識到餓了去飼喂站進(jìn)食，乳房脹了去讓機(jī)器人擠奶等。

5? 結(jié)論

全球的畜牧業(yè)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；c智能化的發(fā)展態(tài)勢不可逆轉(zhuǎn)，迫切需要現(xiàn)代智能裝備和養(yǎng)殖機(jī)器人的支撐，需要設(shè)備與信息技術(shù)的高度融合。只有將信息感知技術(shù)、精準(zhǔn)飼喂理論與設(shè)備的自動(dòng)化控制結(jié)合起來，才能開發(fā)出具有嵌入式系統(tǒng)控制的、從種畜到商品畜的智能化的養(yǎng)殖設(shè)備以及各種養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的機(jī)器人。但是，智能養(yǎng)殖設(shè)備尤其是機(jī)器人的工業(yè)化應(yīng)用必須與養(yǎng)殖模式、畜舍結(jié)構(gòu)布局結(jié)合起來，才能發(fā)揮設(shè)備的使用效率。同時(shí)也必須與動(dòng)物的生理、生長及行為結(jié)合起來，從滿足動(dòng)物的福利出發(fā)，形成設(shè)備與動(dòng)物的互作和相互適應(yīng)。

縱觀國際先進(jìn)的豬、牛智能養(yǎng)殖設(shè)備和技術(shù)現(xiàn)狀，已經(jīng)從以提高生產(chǎn)效率為目標(biāo)到追求人、機(jī)、動(dòng)物與環(huán)境的和諧發(fā)展，并不斷向更智能、更便利、更可靠及更經(jīng)濟(jì)的方向推進(jìn)。但目前在智能設(shè)備與動(dòng)物的和諧互動(dòng)（如母豬ESF試訓(xùn)和奶牛擠奶機(jī)器人上杯）和智能設(shè)備與養(yǎng)殖畜舍的合理匹配（如母豬ESF與豬圈結(jié)構(gòu)和奶牛投料推料機(jī)器人與牛舍設(shè)計(jì)）等方面仍有不少技術(shù)瓶頸待解決。因此，我國智慧畜牧業(yè)設(shè)備研發(fā)需要在改進(jìn)設(shè)備的制造工藝同時(shí)，也要加強(qiáng)畜牧業(yè)從業(yè)人員技術(shù)培訓(xùn)，合理規(guī)劃畜舍結(jié)構(gòu)，改善動(dòng)物行為和福利。

最后，我國今后智能設(shè)備的研究必須與畜牧業(yè)生產(chǎn)的理論、目標(biāo)產(chǎn)品的功能驅(qū)動(dòng)及養(yǎng)殖方式的創(chuàng)新協(xié)調(diào)一致，不斷更新?lián)Q代，助推畜牧業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

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Advances in the development and applications of intelligent equipment and feeding technology for livestock production

Yiguang Zhao， Liang Yang， Shanshan Zheng， Benhai Xiong*

（State Key Laboratory of Animal Nutrition， Institute of Animal Science， Chinese Academy of Agricultural Sciences，

Beijing 100193， China）

Abstract： Intelligent equipment for livestock production is one of the components of intelligent agricultural machinery equipment， and is the focus of technology development in international agricultural equipment industry. This paper reviewed the current situation and development trend of intelligent equipment for livestock production systems nationally and internationally， including electronic feeding stations， animal farming robots， and many supporting intelligent facilities within the animal house. The features and performance characteristics of the equipment were discussed. The development of intelligent equipment for livestock production systems mainly focused on pigs and dairy cows including electronic sow feeding station， lactating sow precision feeding system， electronic cattle feeding station， automatic cattle feeding system， cattle feed pusher and dairy cow milking robot. The development and application of intelligent livestock equipment such as the electronic feeding stations and feeding robots， have significantly increased the production efficiency and saved labor cost in both pig and dairy farms. In addition， it also contributed to improve both of the animal and farmer welfare. However， there is still considerable room to get the application of intelligent livestock equipment improved in practice. For example， the animals have to be trained to get used to the intelligent facilities. On the other hand， the intelligent facilities are also required to identify individual animal or animal organ more accurately in order to further increase the production efficiency. Therefore， the key features in the further development of intelligent livestock equipment would be smarter， more convenient， more reliable， and more economical. At the meantime， it should be a highly integrated and coordinated intelligent system including intelligent facilities， well trained staff， good animal welfare， and comfortable environment. Therefore， the industrial application of the intelligent livestock equipment should be integrated with the local farming practice and fitted with the layout of animal houses in order to increase the efficiency of the equipment， and consequently， to improve animal welfare. The systematical combination of intelligent facilities and animal physiology， animal growth， and animal behavior could contribute to the dynamic interactions between the equipment and animal. Finally， it was concluded that the development of intelligent equipment should be coordinated with the theory of animal production， the function of animal products and the innovation of farming practice. And it also should be continuously updated to promote the transformation and upgrading of animal husbandry industry.

Key words： livestock; intelligent livestock equipment; precision feeding system; electronic feeding station; robot; animal welfare