摘? ?要：畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖是現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，其核心在于物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)設(shè)施養(yǎng)殖的深度融合。近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)家庭式養(yǎng)殖模式逐漸退出，中國(guó)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的管理方式已逐步邁向集約化、規(guī)?；驮O(shè)施化，基于養(yǎng)殖動(dòng)物個(gè)體管理和質(zhì)量保障且滿足動(dòng)物福利要求的畜禽設(shè)施精細(xì)化養(yǎng)殖已成為畜禽養(yǎng)殖業(yè)的最新發(fā)展趨勢(shì)。本文在闡述畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖信息感知與環(huán)境調(diào)控的重要性的基礎(chǔ)上，介紹了信息感知與環(huán)境調(diào)控相關(guān)前沿技術(shù)，分析了面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，指出智能傳感器技術(shù)將成為推動(dòng)畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖進(jìn)步的底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)，兼顧畜禽福利和生產(chǎn)性能的動(dòng)物擬人化智能調(diào)控技術(shù)和策略等是面臨的重要挑戰(zhàn)。最后，就中國(guó)畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)如何落地提出了相關(guān)建議，旨在為中國(guó)畜禽設(shè)施養(yǎng)殖業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展提供理論參考和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖;信息感知;環(huán)境調(diào)控;精細(xì)畜牧業(yè);智能傳感器

中圖分類號(hào)：S-1? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：201905-SA006

滕光輝. 畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖中信息感知與環(huán)境調(diào)控綜述[J]. 智慧農(nóng)業(yè)， 2019， 1（3）： 1-12.

Teng G. Information sensing and environment control of precision facility livestock and poultry farming[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（3）： 1-12. （in Chinese with English abstract）

1? 引言

快速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新一代信息技術(shù)與各行業(yè)的深度融合已成為當(dāng)前和今后一段時(shí)期全球范圍內(nèi)各行各業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要趨勢(shì)。在此大潮的沖擊下，世界畜禽養(yǎng)殖業(yè)正在迎來(lái)一場(chǎng)巨大的變革。

德國(guó)漢諾威國(guó)際畜牧展（EuroTier）是由德國(guó)農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)（DLG e.V.）主辦的全球規(guī)模最大、專業(yè)度最高、綜合性最廣、影響力最大的世界頂級(jí)畜牧展，被譽(yù)為全球畜牧行業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。2018 EuroTier技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新獎(jiǎng)“Innovation Award EuroTier 2018”[1]已表明，以數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)等為核心的精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)在整個(gè)畜牧養(yǎng)殖價(jià)值鏈中的作用快速提升，滿足動(dòng)物福利要求的基于養(yǎng)殖動(dòng)物個(gè)體管理和產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境保障的數(shù)字化成套解決方案已成為日益重要的精細(xì)畜牧業(yè)技術(shù)的發(fā)展前沿領(lǐng)域。

精細(xì)畜牧業(yè)（Precision Livestock Farming，PLF）是指基于過(guò)程工程原理和技術(shù)，連續(xù)、實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖動(dòng)物健康、福利、生產(chǎn)、繁殖及其環(huán)境影響及動(dòng)態(tài)變化，并將獲取的生物，環(huán)境信息直接轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖者所需的不同管理策略應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)管理的現(xiàn)代畜牧業(yè)理念。精細(xì)畜牧業(yè)也被稱為“基于傳感器”的個(gè)體動(dòng)物養(yǎng)殖方法，已成為滿足養(yǎng)殖動(dòng)物健康和福利以及畜牧業(yè)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的良好途徑[2-4]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)行業(yè)將迎來(lái)以信息化、精細(xì)化養(yǎng)殖管理為特色的設(shè)施化精細(xì)養(yǎng)殖新模式[5]。信息化、精細(xì)化技術(shù)的快速發(fā)展，將會(huì)為畜禽生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境調(diào)控與自然資源的可持續(xù)利用等有機(jī)結(jié)合提供新的機(jī)遇。經(jīng)濟(jì)效益、動(dòng)物健康與福利生產(chǎn)過(guò)程管理精細(xì)化和產(chǎn)品質(zhì)量這三大關(guān)鍵因素事關(guān)畜牧養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展，精細(xì)養(yǎng)殖已成為畜禽養(yǎng)殖業(yè)的最新發(fā)展趨勢(shì)。

本文在闡述畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖信息感知與環(huán)境調(diào)控的重要性的基礎(chǔ)上，介紹了畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖信息感知與環(huán)境調(diào)控前沿技術(shù)，并就我國(guó)畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)如何落地提出了相關(guān)建議，目的在于分析當(dāng)前該行業(yè)面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，指出智能傳感器技術(shù)將成為推動(dòng)畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖領(lǐng)域進(jìn)步的底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)，為我國(guó)畜禽設(shè)施養(yǎng)殖業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展提供理論參考和技術(shù)支撐。

2? 畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖

畜禽設(shè)施養(yǎng)殖主要涉及畜禽品種、核心裝備和設(shè)施環(huán)境3大要素（圖1），其中，畜禽品種是核心，核心裝備是支撐，設(shè)施環(huán)境是保障畜禽生產(chǎn)潛力充分發(fā)揮的基礎(chǔ)。畜禽設(shè)施養(yǎng)殖過(guò)程中，設(shè)施裝備通過(guò)養(yǎng)殖工藝、配套管理技術(shù)和專家經(jīng)驗(yàn)滿足畜禽采食、飲水及生長(zhǎng)過(guò)程所需運(yùn)行條件;通過(guò)調(diào)控設(shè)施環(huán)境為畜禽生長(zhǎng)提供適宜的生長(zhǎng)小氣候環(huán)境，實(shí)現(xiàn)滿足畜禽生產(chǎn)力需要并發(fā)揮其最佳遺傳潛力的目標(biāo)。

畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖是精細(xì)畜牧業(yè)的具體實(shí)踐。它是在設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境條件下，以動(dòng)物行為學(xué)、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)、設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境工程學(xué)理論為指導(dǎo)，以新一代信息科學(xué)技術(shù)為支撐，以滿足畜禽生理和福利需要為前提，以基于群體中個(gè)體差異按需、定點(diǎn)、定時(shí)飼養(yǎng)管理為特征的智能化養(yǎng)殖方法。

具體而言，以能夠滿足畜禽生長(zhǎng)、生活和生產(chǎn)管理需要的舍內(nèi)籠具、圈欄、飼喂、通風(fēng)、清糞等養(yǎng)殖全程機(jī)械化、信息化設(shè)備為基礎(chǔ)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全方位實(shí)時(shí)感知獲取與養(yǎng)殖畜禽群體或個(gè)體生態(tài)、生理及生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的數(shù)字化信息，包括體溫、體重、呼吸、活動(dòng)量、采食量等體況及行為信息，基于構(gòu)建的畜禽生長(zhǎng)模型或生理調(diào)控算法，科學(xué)預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)響應(yīng)畜禽的健康、發(fā)情或繁殖力等，運(yùn)用閉環(huán)工業(yè)控制理論智能化調(diào)控畜禽舍內(nèi)小氣候環(huán)境，并基于獲取的數(shù)字化信息實(shí)施營(yíng)養(yǎng)供給、疫病防控等全程全自動(dòng)生產(chǎn)管理與決策服務(wù)。

畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖的核心在于物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)設(shè)施養(yǎng)殖的結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)將“養(yǎng)殖工藝”與“環(huán)境調(diào)控”有機(jī)結(jié)合，最終通過(guò)精細(xì)調(diào)控設(shè)施裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)畜禽的優(yōu)質(zhì)低耗生產(chǎn)。物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施畜禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用，就是在配備自動(dòng)化養(yǎng)殖設(shè)施（通風(fēng)換氣、飼喂、飲水和防疫消毒、畜禽排泄物處理等設(shè)施裝備）、飼料散裝配送設(shè)備的畜禽舍中，針對(duì)舍內(nèi)局部小氣候環(huán)境控制系統(tǒng)，運(yùn)用“物聯(lián)網(wǎng)+”系統(tǒng)感知舍內(nèi)溫濕度、光照、CO2、NH3等傳感器設(shè)備，檢測(cè)設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等物理量參數(shù)，通過(guò)各種儀器儀表實(shí)時(shí)顯示或作為自動(dòng)控制的參變量參與到自動(dòng)控制中，保證畜禽有一個(gè)良好的、適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。

畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖成功的關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確可靠感知、正確解讀、準(zhǔn)確理解畜禽面對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境變化展示的自然行為響應(yīng)的內(nèi)涵，由此確定不同畜禽在不同生長(zhǎng)生理階段的最適宜環(huán)境參數(shù)與閾值，并據(jù)此構(gòu)建完善的畜禽生長(zhǎng)生理控制模型[6]。此外，養(yǎng)殖設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使養(yǎng)殖管理人員不受時(shí)空的限制，就能對(duì)養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制，包括基于預(yù)設(shè)環(huán)境閾值的自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程個(gè)性化的手動(dòng)控制，從而形成畜禽舍環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控的物聯(lián)網(wǎng)閉環(huán)，達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3? 畜禽信息實(shí)時(shí)感知

3.1? 專用感知技術(shù)及智能傳感器

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)感知設(shè)施養(yǎng)殖過(guò)程中的畜禽行為與生長(zhǎng)狀態(tài)，可方便養(yǎng)殖者及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決與畜禽健康相關(guān)的問(wèn)題。在打通從感知畜禽生命體征行為，從行為推理過(guò)渡到認(rèn)知畜禽自然行為內(nèi)涵，并最終為其提供舒適生存空間的系列流程中，傳感技術(shù)發(fā)揮著不可或缺的作用[7]。

近年來(lái)，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境、生理和生長(zhǎng)過(guò)程信息實(shí)時(shí)感知技術(shù)的發(fā)展十分迅速，機(jī)器視覺(jué)、GPS、電子鼻等先進(jìn)傳感技術(shù)的應(yīng)用為實(shí)施畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖提供了重要技術(shù)支撐[8，9]。表1列

出了各類先進(jìn)感知技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域中的應(yīng)用情況[10]。

畜禽體征信息感知是傳感器檢測(cè)技術(shù)突破的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的感知技術(shù)多采用光、聲、磁學(xué)等物理學(xué)原理，依據(jù)被測(cè)對(duì)象性質(zhì)和特點(diǎn)不同，選擇從X射線[11-13]、可見(jiàn)光[14-19]到（超）聲波[20-22]等不同電磁波段進(jìn)行檢測(cè)，由檢測(cè)到的物理參量通過(guò)模型間接計(jì)算反映畜禽體征的生理（形態(tài)）參變量[3，6]。從圖像識(shí)別、生理檢測(cè)到聲音識(shí)別等一系列新型智能傳感器構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖領(lǐng)域的核心應(yīng)用（圖2和圖3），其特點(diǎn)是將畜禽監(jiān)測(cè)模式由原來(lái)的常規(guī)周期性應(yīng)激監(jiān)測(cè)發(fā)展至現(xiàn)今的非接觸、無(wú)應(yīng)激實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，極大地提高了對(duì)畜禽行為的感知能力[23]。

通過(guò)音、視頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)激感知畜禽體尺、體況、體溫、采食以及飲水等一系列畜禽生態(tài)、生理及生產(chǎn)過(guò)程行為[24]。由于畜禽活體特征非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)畜禽體征信息非接觸、無(wú)應(yīng)激實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感知，必須在其生長(zhǎng)周期的物理表征機(jī)理和計(jì)量模型上實(shí)現(xiàn)突破。反之，無(wú)論是以經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚴穷愃粕疃葘W(xué)習(xí)為特色的數(shù)學(xué)新算法創(chuàng)建感知信息的反演模型及系統(tǒng)，準(zhǔn)確感知信息都將是反演模型或算法能否成功推理或準(zhǔn)確理解畜禽行為的關(guān)鍵。

3.2? 面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

當(dāng)前，在制約我國(guó)精細(xì)畜牧業(yè)發(fā)展的多項(xiàng)短板硬件技術(shù)中，排在首位的就是專用傳感器技術(shù)落后且穩(wěn)定性差[25]。量值定義世界，精準(zhǔn)決定未來(lái)。信息感知技術(shù)的突破首先在于智能傳感器技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。主要是指常規(guī)傳感器的智能化，即具有信息處理功能的傳感器，結(jié)合單片機(jī)運(yùn)作，具有采集、處理、交換信息的能力，這是傳感器集成化與單片機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物[26]。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是通過(guò)軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低;二是具備一定的編程自動(dòng)化能力;三是功能多樣化，具備連續(xù)監(jiān)測(cè)多項(xiàng)特征參數(shù)的聯(lián)動(dòng)能力，可同步了解整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)理。近年來(lái)，該類傳感器多以嵌入式、微形化的形式異軍突起。另外，基于光學(xué)、（超）聲波等原理的“非接觸式傳感器”一改“接觸式傳感器”對(duì)畜禽監(jiān)測(cè)時(shí)造成應(yīng)激的缺點(diǎn)，在畜禽生產(chǎn)中前景廣闊[27]。智能傳感器所具備的快速檢測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)反饋能力，將為系統(tǒng)認(rèn)知提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，賦予人類“防患于未然”的能力，即在出現(xiàn)問(wèn)題前就能及早發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。如何能在畜禽生長(zhǎng)要素的利用環(huán)節(jié)既可精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)和定量識(shí)別可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，又能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，此類傳感器技術(shù)引入設(shè)施養(yǎng)殖業(yè)用于畜禽生長(zhǎng)環(huán)境及體征信息感知，將極大改善專用傳感器落后的局面。相關(guān)傳感器技術(shù)的升級(jí)換代將帶動(dòng)“物聯(lián)網(wǎng)+”的升級(jí)換代，換句話說(shuō)，智能傳感器技術(shù)將是推動(dòng)設(shè)施養(yǎng)殖領(lǐng)域進(jìn)步的底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

4? 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控

4.1? 環(huán)境精細(xì)調(diào)控及設(shè)備

在影響畜禽生產(chǎn)性能方面，畜禽設(shè)施養(yǎng)殖行業(yè)具有品種、飼養(yǎng)、環(huán)境三分天下的共識(shí)，三者共同作用于畜禽生產(chǎn)性能的提升，同等重要，但各有側(cè)重點(diǎn)[28]。

養(yǎng)殖環(huán)境是影響畜禽健康和生產(chǎn)力的重要因素之一。國(guó)內(nèi)外設(shè)施養(yǎng)殖領(lǐng)域中，畜禽品種、生產(chǎn)工藝雖趨于相同，但不同國(guó)家畜禽設(shè)施養(yǎng)殖生產(chǎn)性能水平卻存在較大差異。究其原因，很大程度上是設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境差異所致。例如，就同等規(guī)模的養(yǎng)豬場(chǎng)而言，相同類型圈欄中所養(yǎng)殖的生豬品種、養(yǎng)殖工藝基本相同，但國(guó)外母豬的斷奶仔豬數(shù)（Piglets weaned/ Sow/ Year，PSY）最高可達(dá)30頭左右，而我國(guó)母豬PSY則長(zhǎng)期徘徊在18頭左右[29]。其原因是國(guó)內(nèi)引進(jìn)的豬品種往往對(duì)其生長(zhǎng)溫度環(huán)境要求較高，以長(zhǎng)白豬為例，其最佳適宜生長(zhǎng)環(huán)境溫度一般要求在20℃左右[30]。而我國(guó)各地氣候環(huán)境差異極大，如果舍內(nèi)常年保持上述環(huán)境溫度，則必然夏天需要降溫及冬天需要采暖，而規(guī)?；i場(chǎng)按此實(shí)施運(yùn)行費(fèi)用必然不菲，使得養(yǎng)殖企業(yè)往往做不到溫度精細(xì)調(diào)控，豬場(chǎng)舍內(nèi)環(huán)境常達(dá)不到上述最佳溫度范圍要求。

此外，畜禽養(yǎng)殖環(huán)境狀態(tài)與動(dòng)物體征和行為又互為因果且連續(xù)變化。影響畜禽業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生物安全問(wèn)題、畜牧環(huán)保問(wèn)題和畜禽產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題都與養(yǎng)殖環(huán)境控制密切相關(guān)。為畜禽營(yíng)造舒適的生長(zhǎng)、生產(chǎn)環(huán)境，不僅關(guān)系到畜禽本身的福利健康，更與畜禽產(chǎn)品質(zhì)量、食品安全和養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。滿足畜禽福利、生理、健康及生產(chǎn)過(guò)程等需求，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畜禽舍內(nèi)生態(tài)環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)感知舍內(nèi)畜禽個(gè)體或群體的行為變化，并借助相應(yīng)動(dòng)物的環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)、生長(zhǎng)及健康模型給出調(diào)控決策，為實(shí)現(xiàn)畜禽精細(xì)飼喂和環(huán)境動(dòng)態(tài)精細(xì)控制奠定基礎(chǔ)（圖4和圖5）[31，32]。

設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控的技術(shù)發(fā)展可劃分三個(gè)階段：機(jī)電一體化時(shí)代[33]，其特點(diǎn)是傳統(tǒng)感知技術(shù)的應(yīng)用;工廠化農(nóng)業(yè)時(shí)代[34，35]，其特點(diǎn)是專家決策、模糊控制等具備學(xué)習(xí)、推理能力的調(diào)控設(shè)備應(yīng)用;未來(lái)畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖乃至無(wú)人值守時(shí)代[36-38]?，F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，為畜禽養(yǎng)殖設(shè)施環(huán)境精細(xì)調(diào)控提供了一個(gè)很好的發(fā)展契機(jī)[39]。人工智能技術(shù)將大規(guī)模應(yīng)用，通過(guò)感知、學(xué)習(xí)、推理，準(zhǔn)確獲取動(dòng)物自然行為的含義并進(jìn)行深度感知，使得畜禽設(shè)施養(yǎng)殖設(shè)備具有智能性，從而代替人工完成一些復(fù)雜繁瑣或危險(xiǎn)的工作，真正實(shí)現(xiàn)基于“物聯(lián)網(wǎng)+”的設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖全過(guò)程的無(wú)人操作。

大數(shù)據(jù)、人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，提供了高效感知、分析、存儲(chǔ)、共享和集成異構(gòu)數(shù)據(jù)的能力和分析手段?，F(xiàn)代畜禽精細(xì)養(yǎng)殖系統(tǒng)首先借助安全可靠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)感知技術(shù)獲取生產(chǎn)一線的真實(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)4G、5G等無(wú)線網(wǎng)傳輸上傳到云平臺(tái)，借助強(qiáng)大的云計(jì)算能力，通過(guò)專業(yè)算法進(jìn)行決策，再將相關(guān)調(diào)控規(guī)則下行到配備在智能養(yǎng)殖裝備上的現(xiàn)場(chǎng)控制器上進(jìn)行設(shè)施養(yǎng)殖全過(guò)程的智能調(diào)控[40]。

智能調(diào)控是在解決感知信息獲取的可靠性與算法的基礎(chǔ)上，在動(dòng)態(tài)變化條件下自動(dòng)整合感知獲得的設(shè)施養(yǎng)殖多因子數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，與傳統(tǒng)設(shè)施養(yǎng)殖裝備（環(huán)控、清糞、采食、飲水等）相結(jié)合，構(gòu)建具備精細(xì)環(huán)控、精細(xì)飼喂等功能的智能化養(yǎng)殖設(shè)備體系，促進(jìn)形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的畜禽養(yǎng)殖精細(xì)管控能力。實(shí)現(xiàn)在感知傳輸層，主要基于不同類型的傳感器感知畜禽舍內(nèi)環(huán)境參數(shù)（溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2、NH3濃度等）及體征行為（聲音、體重、體溫及運(yùn)動(dòng)行為等）;在數(shù)據(jù)傳輸層，主要采用無(wú)線（4G/5G）網(wǎng)絡(luò)將來(lái)自上述感知傳輸層的環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)及個(gè)體生理、行為狀態(tài)數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)较嚓P(guān)數(shù)據(jù)庫(kù);在數(shù)據(jù)應(yīng)用層，主要是通過(guò)嵌入式控制器，依據(jù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的分析決策，對(duì)畜禽舍內(nèi)環(huán)境控制設(shè)備（風(fēng)機(jī)、光照、水泵等）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控（圖6）。換言之，數(shù)據(jù)科學(xué)和信息技術(shù)極大地提高了對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解決能力，其核心是共享基于可靠獲取及存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，將人工經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)積累及一線技術(shù)人員、管理人員的專業(yè)知識(shí)數(shù)字化，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的回溯及結(jié)果評(píng)判逐步去偽存真，優(yōu)化專業(yè)算法。借助于多媒體及觸摸屏實(shí)現(xiàn)“能說(shuō)的就不寫”的人機(jī)交互方式、卡通化其控制規(guī)律便于普通人使用，利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，以達(dá)到對(duì)設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)施智能化精準(zhǔn)控制的目標(biāo)。

4.2? 設(shè)施環(huán)境精細(xì)調(diào)控面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

本節(jié)闡述在養(yǎng)殖品種和工藝確定后，為設(shè)施養(yǎng)殖畜禽提供性價(jià)比可接受的適宜生長(zhǎng)環(huán)境所面臨的挑戰(zhàn)。

4.2.1? 基于畜禽福利和生產(chǎn)性能的環(huán)境調(diào)控新策略

就養(yǎng)殖生產(chǎn)環(huán)境而言，各類畜禽生存所需的環(huán)境條件對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育速度、健康狀態(tài)及生產(chǎn)性能的發(fā)揮具有重要影響[41]。但是，2012年以來(lái)，針對(duì)傳統(tǒng)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖方式，歐洲率先立法，采取禁止蛋雞籠養(yǎng)[42]、母豬限位欄飼養(yǎng)[43]等一系列措施，并開(kāi)始在設(shè)施養(yǎng)殖中強(qiáng)制增加滿足動(dòng)物福利的一系列配套設(shè)施，尤其是在降低養(yǎng)殖密度、強(qiáng)化通風(fēng)質(zhì)量方面提高了相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，力度之大，對(duì)世界畜禽養(yǎng)殖業(yè)未來(lái)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

從經(jīng)營(yíng)者的角度來(lái)看，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)營(yíng)的目的是為了獲取養(yǎng)殖盈利，增加收入和控制成本同樣重要，經(jīng)營(yíng)更追求簡(jiǎn)單化。當(dāng)前大型規(guī)?；O(shè)施養(yǎng)殖生產(chǎn)工藝一方面生產(chǎn)效率高，但另一方面很少考慮動(dòng)物福利，設(shè)施養(yǎng)殖畜禽健康水平不容樂(lè)觀，進(jìn)而影響人類食品安全[44]。從消費(fèi)者的角度而言，價(jià)廉物美、食品安全是其首要考慮?；诓煌嵌鹊男枨蠖呷绾斡行ЫY(jié)合、博弈，亦即在充分考慮技術(shù)可用性、可靠性及成本可控性的前提下，如何解決這一需求矛盾，是當(dāng)前面臨的困境。因此，畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控策略，首先需要在不降低現(xiàn)代規(guī)?；B(yǎng)殖生產(chǎn)效益的前提下，從現(xiàn)有規(guī)?；B(yǎng)殖工藝僅重視生產(chǎn)效益、方便組織管理的“以人為本”的技術(shù)路線，轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙孕鬄楸尽保角笤跐M足基本動(dòng)物福利需求下尋求如何發(fā)揮其最大遺傳潛力的技術(shù)路線。

4.2.2? 現(xiàn)代工業(yè)控制理論不完全適用于畜禽養(yǎng)殖

畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖是基于現(xiàn)代控制理論的原理與技術(shù)，對(duì)工廠化（或規(guī)?；┬笄萆a(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理的一種機(jī)制。它通過(guò)對(duì)畜禽生長(zhǎng)環(huán)境及畜禽動(dòng)態(tài)生理響應(yīng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，并生成畜禽生產(chǎn)過(guò)程決策所需的數(shù)學(xué)模型，以負(fù)反饋形式（閉環(huán)控制）合理調(diào)節(jié)和控制舍內(nèi)生態(tài)環(huán)境，使養(yǎng)殖者及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制與畜禽優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)相關(guān)的生長(zhǎng)環(huán)境問(wèn)題，進(jìn)而獲得預(yù)期的生產(chǎn)結(jié)果[45]。

在現(xiàn)代品種選育、規(guī)范養(yǎng)殖工藝條件下，全球同品種畜禽的生產(chǎn)性能好壞與其生長(zhǎng)環(huán)境密切相關(guān)。因此，從環(huán)境控制的角度而言，引入在工業(yè)界有著成功應(yīng)用的相關(guān)控制理論與成熟技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境的調(diào)控顯得順理成章。但從控制論的觀點(diǎn)來(lái)看，相比工業(yè)領(lǐng)域控制對(duì)象的整齊劃一和標(biāo)準(zhǔn)化，畜禽生命體作為相對(duì)復(fù)雜的控制對(duì)象，其多變、獨(dú)特性使其控制難度驟然增加，實(shí)現(xiàn)完全、最優(yōu)控制的難度極大，主要挑戰(zhàn)表現(xiàn)在以下方面[46]：一是如何實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知獲取畜禽生理變化信息并準(zhǔn)確判斷畜禽生長(zhǎng)環(huán)境是否適宜，并且如何從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)型“定性”評(píng)判進(jìn)化到基于數(shù)字化模型的“定量”評(píng)判。二是如何且能否在性價(jià)比合適的條件下，采用適宜的控制手段實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)。

4.2.3? 設(shè)施養(yǎng)殖控制的人性化或擬人化要求

以人類的思維代替畜禽的思維，只能是一種虛妄的想象。子非畜禽，安知畜禽之苦樂(lè)？解決設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境下的畜禽福利問(wèn)題，不是因?yàn)槲覀兇_實(shí)了解畜禽的痛苦，而是知道一旦養(yǎng)殖的畜禽生存環(huán)境遭到破壞，合理利用畜禽產(chǎn)品和制品的人類也會(huì)隨之遭殃[47，48]。唯有按照自然法則滿足畜禽的基本生理、行為需求，善待它們，以此促進(jìn)畜禽健康生產(chǎn)，才能使生產(chǎn)者獲得高品質(zhì)、安全的畜禽產(chǎn)品并為人類安全享用[49]。

一直以來(lái)，養(yǎng)殖業(yè)成功之處在于將工業(yè)化生產(chǎn)成熟的技術(shù)手段大量應(yīng)用于畜禽生產(chǎn)，尤其是設(shè)施養(yǎng)殖實(shí)施的機(jī)電一體化設(shè)備控制體系，成就了以規(guī)?；a(chǎn)效率高、成本低為特色的價(jià)廉物美、欣欣向榮的規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，這種大型規(guī)?；笄萆a(chǎn)工藝“重群體輕個(gè)體”的弊端也隨之顯現(xiàn)。亦即伴隨養(yǎng)殖規(guī)模越來(lái)越大，畜禽個(gè)體在生長(zhǎng)環(huán)境、生理健康等方面的需求無(wú)法及時(shí)得到滿足或響應(yīng)，群體中弱勢(shì)個(gè)體營(yíng)養(yǎng)需求跟不上，禽流感、非洲豬瘟、瘋牛病等畜禽群體性疫病時(shí)有爆發(fā)。究其原因，重生產(chǎn)效率、輕動(dòng)物福利的現(xiàn)今規(guī)?；B(yǎng)殖生產(chǎn)方式難辭其咎。這迫使人們重新審視現(xiàn)代養(yǎng)殖模式的利弊[44]，諸如在設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境下如何準(zhǔn)確理解圈養(yǎng)畜禽對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)的需求，究竟是以人們現(xiàn)在追求的工業(yè)化高生產(chǎn)效率的“以人為本”的養(yǎng)殖模式為先，還是“基于動(dòng)物需求為本”來(lái)配置設(shè)施裝備并服務(wù)于人工養(yǎng)殖環(huán)境下的畜禽？若以養(yǎng)殖動(dòng)物的需求為本，則需要將控制對(duì)象擬人化或畜性化，其出發(fā)點(diǎn)在于如何正確理解圈養(yǎng)環(huán)境下養(yǎng)殖動(dòng)物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境狀況的所思所想，而非依賴目前多由人們主觀認(rèn)定為“有利于畜禽健康”而采取的一系列動(dòng)物福利措施，減少所謂“好心辦錯(cuò)事”事件的發(fā)生概率。若想實(shí)現(xiàn)“以動(dòng)物需求為本”的理念，其前提則是正確感知身處設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境中的畜禽對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境的真實(shí)反映[50]。針對(duì)畜禽活體特征控制的復(fù)雜性、多樣性，探求如何將工業(yè)領(lǐng)域以“剛性”控制為特點(diǎn)的控制理論及方法“人性化”使之適用于“柔性”控制畜禽群體及個(gè)體的養(yǎng)殖過(guò)程，或許值得探究[51]。

4.2.4? ?缺乏有效、準(zhǔn)確的畜禽生長(zhǎng)模型與智能決?策算法

盡管收集了大量畜禽生態(tài)、生理及生長(zhǎng)過(guò)程等各類數(shù)據(jù)，但由于實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的數(shù)據(jù)一直處于彼此脫節(jié)的狀態(tài)，實(shí)際生產(chǎn)仍缺

乏有效的工具來(lái)廣泛使用已有的數(shù)據(jù)、知識(shí)和模型[52]。因此，畜禽養(yǎng)殖行業(yè)相關(guān)控制系統(tǒng)多采用“時(shí)序控制”而非“按需決策控制”。應(yīng)用專家決策、模糊評(píng)判、大數(shù)據(jù)解析等新興技術(shù)將行業(yè)知識(shí)數(shù)字化并上升為模型化，通過(guò)軟件匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)傳感器的參數(shù)調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)數(shù)字化，將感知到的各種物理量?jī)?chǔ)存起來(lái)并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，從而派生出新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)傳感器之間的信息交流、異常數(shù)據(jù)的舍棄等傳輸數(shù)據(jù)的自我決定，并完成分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等，此乃智能傳感器的核心價(jià)值所在[53]。

5? 我國(guó)畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖發(fā)展建議

當(dāng)前，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖主體逐步向規(guī)?；皹?biāo)準(zhǔn)化方式過(guò)渡，總體機(jī)械裝備水平不高，畜禽養(yǎng)殖的機(jī)械化率尚不到1/3，畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖尚處于起步階段[54]?；凇拔锫?lián)網(wǎng)+”的畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)更多體現(xiàn)在環(huán)境信息感知、數(shù)據(jù)傳輸和畜禽監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)?；谛笄萆L(zhǎng)生理調(diào)控模型按需決策控制相關(guān)技術(shù)水平尚處于工廠化農(nóng)業(yè)控制階段，代表精細(xì)養(yǎng)殖先進(jìn)水平的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在部分規(guī)模化程度比較高的養(yǎng)殖企業(yè)才剛剛開(kāi)始推廣應(yīng)用。有感知無(wú)決策、有決策無(wú)控制的單因子應(yīng)用比較普遍，尚未形成“感知—學(xué)習(xí)—決策—負(fù)反饋”的應(yīng)用“閉環(huán)”，從而大大降低了畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖對(duì)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的作用。

面向未來(lái)，我國(guó)畜禽設(shè)施精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)應(yīng)與不同區(qū)域、不同養(yǎng)殖模式、不同養(yǎng)殖規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化圈舍設(shè)計(jì)、養(yǎng)殖工藝參數(shù)相配套，基于可靠獲取及存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，將領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)數(shù)字化，優(yōu)化專業(yè)算法，利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，合理匹配“養(yǎng)殖工藝—設(shè)施設(shè)備—環(huán)境控制技術(shù)”之間的關(guān)聯(lián)度，以達(dá)到對(duì)畜禽設(shè)施養(yǎng)殖精細(xì)管控的目的，在信息感知層面的各類傳感器的智能化，在應(yīng)用層面將專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突?，促使最終用戶受益最大化。

從粗放養(yǎng)殖、注重?cái)?shù)量，到保障畜禽產(chǎn)品的供給安全，再到減少環(huán)境污染、提高動(dòng)物福利，我國(guó)畜牧業(yè)正在加速升級(jí)，當(dāng)今世界數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的快速發(fā)展，為動(dòng)物福利、信息管理與自然資源永續(xù)利用的融合發(fā)展創(chuàng)造了新的發(fā)展空間。數(shù)字畜牧、動(dòng)物福利、精細(xì)養(yǎng)殖等新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，已成為國(guó)際畜牧業(yè)發(fā)展的前沿領(lǐng)域。國(guó)家相關(guān)部門應(yīng)高度重視并主動(dòng)作為，抓住機(jī)遇盡快布局并加快開(kāi)展相關(guān)科技創(chuàng)新，加快提升畜牧業(yè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)的數(shù)字化、信息化水平，以便在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

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Information sensing and environment control of precision facility livestock and poultry farming

Guanghui Teng

（College of Water Resources & Civil Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract： The fine breeding of livestock and poultry facilities is the frontier of the development of modern animal husbandry. The core of the fine breeding of livestock and poultry facilities lies in the deep integration of the "Internet of Things+" with traditional farming facilities. In recent years， with the withdrawal of more and more individual family-based breeding models， the management methods of livestock and poultry farms in China have gradually moved towards intensification， large scale，and automated facilitation. The traditional family-style livestock and poultry management experience is falling behind and gradually withdrawing from the historical stage. The refined farming of livestock and poultry facilities based on the individual animal management and quality assurance of farmed animals and animal welfare requirements have become the latest development trend of livestock and poultry farming industry. The rapid development of digital and network technology will provide new opportunities for the organic combination of animal husbandry production， animal welfare， information management and sustainable utilization of natural resources. Economic benefit， animal health and welfare， refinement of production process management and product quality are three key factors that affect the sustainable development of animal husbandry. In this paper， based on expounding the importance of the information sensing and the environmental regulation and control of the fine breeding livestock and poultry facilities， a cutting-edge technology of the information sensing and the environmental regulation and control of the livestock and poultry facilities was introduced; problems and challenges to be faced with were analyzed; and it was concluded that the smart sensor technology would become the base driving force for progress of livestock and fine poultry breeding facilities， taking account of the welfare of livestock and animal performance of animal anthropomorphizing intelligent control technology and strategy is facing significant challenges. In the field of pig farming， the core direction is mechanized production mode， which is light simplification， feed hygiene and animal health. In the field of cattle farming， the main direction is the automation of the whole chain of forage and the safety of its enclosure facilities. In the field of milking technology， the frontier of technological innovation is to further improve milking efficiency and quality， milking process， low disturbance milk metering， and cow individual milk production prediction. In the field of poultry production， similar to cattle farming， more attention is paid to the improvement of engineering processes such as bedding， environment and drinking water. Finally the paper put forward suggestions on how to implement the key technologies of fine farming of livestock and poultry facilities in China， with purpose of providing theoretical reference and technical support for the transformation， upgrading sustainable development of livestock and poultry breeding industry.

Key words： precision facility farming; information sensing; environmental control; precision livestock and poultry farming; intelligent sensors