王晨陽，任志強(qiáng)，龐衛(wèi)軍

（西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

近年來，勞動成本上升、專業(yè)養(yǎng)殖戶稀缺，加上智能感知技術(shù)和養(yǎng)殖管理水平不斷提升，集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖優(yōu)勢凸顯，尤其在人力資源利用方面優(yōu)勢巨大。規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖模式的迅速發(fā)展，引發(fā)疾病傳播、環(huán)境污染、動物行為異常等問題，而不斷惡化的環(huán)境使豬的健康問題日益嚴(yán)重，在疾病、異常行為多發(fā)的高密度養(yǎng)殖環(huán)境中，實(shí)時監(jiān)測豬的個體信息有助于隨時掌握豬的健康狀況[1-2]。另外非洲豬瘟來襲，對豬場環(huán)境和生物安全等級要求更高，動物福利與健康養(yǎng)殖技術(shù)越來越受到重視，促進(jìn)現(xiàn)代化養(yǎng)豬的發(fā)展。創(chuàng)歷史記錄的生豬價格也刺激大型現(xiàn)代豬場加大規(guī)模投資。因此豬場環(huán)境調(diào)控、自動化設(shè)備，無人化管理，豬個體數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)診斷分析、系統(tǒng)自動控制成為趨勢，促使我國生豬向信息化、精確化、智能化養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型。研究發(fā)現(xiàn)通過智能無損監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測動物生理信息提高動物福利，可以有效地降低疾病和應(yīng)激的發(fā)生，滿足動物行為需求，提高飼料利用率和改善肉質(zhì)等[3-7]。智能無損監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備的非侵入性、抗污染性、可拓展性、兼容性等優(yōu)點(diǎn)，符合精準(zhǔn)畜牧業(yè)和改善動物福利的現(xiàn)代化養(yǎng)殖發(fā)展趨勢，在養(yǎng)殖場得到越來越多的認(rèn)可[8-10]。因此，對豬生理信息和生產(chǎn)周期的智能監(jiān)測有利于估測豬體健康與生長發(fā)育狀況，做到精準(zhǔn)飼喂和科學(xué)選種，從而提高養(yǎng)殖質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益[11-13]。然而，相比一些豬養(yǎng)殖發(fā)達(dá)國家，我國豬個體信息智能感知技術(shù)方面的應(yīng)用還相對落后，所以要加大研究力度。本文綜述了傳感器、圖像、聲音3種無損監(jiān)測技術(shù)在獲取豬個體信息方面的研究，并從疾病診斷、精準(zhǔn)飼喂、發(fā)情識別、體況管理等方面探討智能化技術(shù)在豬飼養(yǎng)管理中的應(yīng)用效果，旨在為我國生豬養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)性發(fā)展、促進(jìn)動物福利與健康養(yǎng)殖技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)。

1 智能感知技術(shù)在豬信息監(jiān)測中的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)豬的精準(zhǔn)養(yǎng)殖，準(zhǔn)確高效地獲得豬的個體信息至關(guān)重要。對豬體溫、體重、體尺、聲音、行為實(shí)時監(jiān)控和有效分析，為母豬發(fā)情預(yù)測、體況管理、疾病預(yù)防、精準(zhǔn)飼喂等相關(guān)科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐和客觀指標(biāo)。相對傳統(tǒng)人工接觸式測量，通過智能感知設(shè)備和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控，自動獲取豬的個體信息并建立檔案，結(jié)合信息決策系統(tǒng)提出可行性解決方案，具有非接觸性、可拓展性、連續(xù)性、實(shí)時有效等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)未來養(yǎng)豬全自動化且具有可追溯性、改善動物福利的愿景，符合我國生豬養(yǎng)殖向便利性、高效性、安全、可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)型。

1.1 體溫監(jiān)測

體溫是豬體健康與否的重要生理指標(biāo)，也是協(xié)助疾病診斷和豬健康監(jiān)測的有效手段。體溫監(jiān)測可用于豬熱應(yīng)激評估、肉質(zhì)性狀評估、指導(dǎo)育種[14-15]，另外體溫監(jiān)測和分析有利于及時發(fā)現(xiàn)異常行為或患病的豬。目前，在養(yǎng)殖場中對豬體溫與熱應(yīng)激的評價主要通過測量直腸體溫、呼吸頻率等生理參數(shù)，在測定過程中需要對其進(jìn)行適當(dāng)保定，因此結(jié)果的準(zhǔn)確性可能會受到豬應(yīng)激的影響。隨著互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)豬業(yè)也朝著信息化和自動化的方向發(fā)展，以紅外熱成像技術(shù)為代表的測溫技術(shù)，主要包括用于點(diǎn)分析的紅外測溫儀和現(xiàn)場分析的紅外攝像機(jī)，具有非接觸、實(shí)時和抗污染性等特性，可以快速、準(zhǔn)確地測定豬只體表面溫差變化，對群體體溫異常豬進(jìn)行篩選，提前控制流行病并減少經(jīng)濟(jì)損失，逐漸成為養(yǎng)豬生產(chǎn)中體溫監(jiān)測的一種新技術(shù)[16]。表1給出智能感知技術(shù)在測豬體溫方面的應(yīng)用。

表1 測豬體溫方面的應(yīng)用

1.2 體重和體尺測量

豬的體型參數(shù)反映了不同生長階段豬的生長發(fā)育狀況，對豬的體況評分、調(diào)整飼養(yǎng)方案、制定飼料配方、胴體性狀預(yù)估和遺傳育種工作等提供重要參考數(shù)據(jù)[24]。在選種育種工作中，體尺信息是豬繁殖性能的重要評價指標(biāo)。豬的體重與體長、體寬、體高等呈正相關(guān)，利用線性和非線性方程通過體尺可估計豬的體重[25-26]。對于豬肉胴體性狀預(yù)估方面，豬的體尺參數(shù)與屠宰后肉品等級相關(guān)聯(lián)，一些研究表明體尺與胴體性狀相關(guān)的瘦肉率、背膘厚、眼肌面積等呈相關(guān)性[27-28]。相比手工接觸式測量體尺，通過機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)無接觸豬體尺的測量，減少接觸應(yīng)激，提高測量效率成為近年來研究的焦點(diǎn)[29-30]。表2為基于機(jī)器視覺估測體型參數(shù)。

表2 基于機(jī)器視覺估測體型參數(shù)

1.3 聲音監(jiān)測

豬不同聲音代表不同信息，傳達(dá)了豬目前的健康和福利狀況。聲音監(jiān)測分析不僅有助于聲源定位，還給飼養(yǎng)員對豬的疾病預(yù)防、應(yīng)激水平、健康狀況提供參考依據(jù)[37-38]。在集約化養(yǎng)殖環(huán)境中，豬只呼吸道疾病的發(fā)病率很高，給養(yǎng)殖戶造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，使得通過咳嗽聲檢測和定位來診斷密集型養(yǎng)豬場中常見的呼吸系統(tǒng)疾病變得越來越重要?？人月暀z測是診斷肺炎等常見呼吸疾病的中心環(huán)節(jié)，根據(jù)聲音結(jié)構(gòu)、功率、頻率、持續(xù)時間和可變性將豬的異常聲音與其他聲音區(qū)別，并通過不同的算法對特定的聲音進(jìn)行識別和分類對感染動物進(jìn)行早期識別和有效管理，可防止疾病的傳播，減少抗生素等藥物的使用，改善養(yǎng)殖場的動物福利[39-40]。相對傳感器監(jiān)測豬個體信息，聲音監(jiān)測易受外界環(huán)境干擾、前期需要收集大量數(shù)據(jù)，還需與其他個體信息結(jié)合提高準(zhǔn)確性，但操作簡單、成本低、設(shè)備可多次利用，未來在疾病診斷方面有較大應(yīng)用潛力。表3為智能感知技術(shù)在聲音監(jiān)測方面的研究應(yīng)用。

表3 聲音監(jiān)測的研究

1.4 行為自動監(jiān)測

畜牧業(yè)日趨規(guī)模化、集約化的情況下，高密度、機(jī)械化、自動化的高效生產(chǎn)的同時，不同程度限制豬的正常行為活動，豬通過行為傳遞其生理狀態(tài)，行為的改變可發(fā)現(xiàn)問題的早期跡象。豬在發(fā)情、分娩、哺乳、采食、飲水、爬跨和疾病各階段所表現(xiàn)的活動形式、身體姿勢、異常行為、外表上可辨認(rèn)的變化等行為特性都有重要的參考意義。豬感染疾病第一癥狀就是發(fā)熱或運(yùn)動減少，運(yùn)動的減少通過深度攝像機(jī)自動跟蹤豬的運(yùn)動并從3D運(yùn)動軌跡中通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)識別出采食、飲水、分娩等運(yùn)動行為，使行為的度量更直觀，并具有診斷的有效性[48]。自動化監(jiān)測系統(tǒng)提供了對多種行為的持續(xù)監(jiān)控，記錄豬的行為可以追溯其健康狀況和及時發(fā)現(xiàn)異常并提出解決方案，在畜牧業(yè)生產(chǎn)管理中應(yīng)用越來越廣泛[49]。目前，在豬飼養(yǎng)管理中，缺少專業(yè)行為數(shù)據(jù)采集和分析方法，依賴管理者、生產(chǎn)者經(jīng)驗(yàn)，為構(gòu)建豬行為自動監(jiān)測分析的數(shù)據(jù)庫增加了難度。后期可以培養(yǎng)一批專業(yè)數(shù)據(jù)分析和管理的技術(shù)人員，針對不同階段、不同行為建立數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合動物病理學(xué)的普遍的狀態(tài)參數(shù)，為后期行為識別和智能匹配提供參考依據(jù)。表4給出智能感知技術(shù)在行為監(jiān)測上的應(yīng)用。

表4 行為監(jiān)測的應(yīng)用

2 智能感知技術(shù)在母豬飼養(yǎng)管理中的應(yīng)用

母豬的飼養(yǎng)管理是生豬養(yǎng)殖中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對生產(chǎn)成績和養(yǎng)殖效益都有重要影響[58-59]。目前，母豬主要通過定人、定時飼養(yǎng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估豬只繁殖情況及抗生素、疫苗、獸藥方式治療疾病，具有主觀性強(qiáng)、成本高、不科學(xué)等缺點(diǎn)，使得我國每頭母豬每年提供的斷奶仔豬數(shù)（PSY）與發(fā)達(dá)國家存在較大差距。規(guī)?；B(yǎng)殖場中，利用智能化飼養(yǎng)設(shè)備和大數(shù)據(jù)分析，不斷收集發(fā)情、配種、妊娠、泌乳到斷奶或直到下一個繁殖周期過程中個體或群體的數(shù)據(jù)，建立個體檔案，通過智能養(yǎng)殖平臺進(jìn)行母豬體況評估和發(fā)情預(yù)測，協(xié)助飼養(yǎng)目標(biāo)的準(zhǔn)確制定和實(shí)現(xiàn)飼養(yǎng)效果的準(zhǔn)確評估，同時通過模型評估母豬泌乳能力、PSY等參數(shù)變化，及時優(yōu)化繁殖、育種及營養(yǎng)調(diào)控方案[60-61]。母豬智能化飼喂體系是目前飼養(yǎng)母豬的先進(jìn)方法，包括發(fā)情識別、體況管理，以此達(dá)到對母豬的精準(zhǔn)飼喂。

2.1 母豬發(fā)情預(yù)測

母豬發(fā)情是排卵的一種外在的、可見的癥狀，母豬的發(fā)情鑒定是豬生產(chǎn)過程中重要的環(huán)節(jié)。準(zhǔn)確的母豬發(fā)情預(yù)測，可幫助配種技術(shù)人員把握母豬發(fā)情時間和最佳輸精時期，有效提高母豬受胎率、產(chǎn)仔率、縮短非生產(chǎn)時間和提升豬場的經(jīng)濟(jì)效益[62]。通過紅外攝像技術(shù)對母豬的體溫信息進(jìn)行監(jiān)測記錄，建立母豬個體信息數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)思維判斷母豬是否發(fā)情，建立排卵預(yù)測模型，旨在避免因母豬排卵預(yù)測配種時間不準(zhǔn)確造成空懷損失。相對傳統(tǒng)的技術(shù)人員觀察母豬發(fā)情和穿戴式的傳感器監(jiān)測母豬發(fā)情，紅外攝像技術(shù)測豬體溫，具有準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好、非接觸性、響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，在母豬發(fā)情預(yù)測方面應(yīng)用成為熱點(diǎn)[63]。Ostersen等[64]研究實(shí)現(xiàn)了一種通過監(jiān)視公豬的探視來檢測母豬發(fā)情的方法。通過訪問的持續(xù)時間多過程動態(tài)性建模，預(yù)測一定的觀察時間內(nèi)產(chǎn)生發(fā)情的可能性，與先前的研究相比，在特異性和響應(yīng)時間方面均優(yōu)越，但在敏感性方面不足。Lu?o等[65]根據(jù)皮膚溫度和生殖器電阻變化預(yù)測排卵時間。皮膚溫度、生殖器電阻和促黃體激素濃度之間沒有關(guān)系，但通過3種生理特征的測量可以更準(zhǔn)確地預(yù)測排卵時間。Soerensen等[66]研究發(fā)現(xiàn)，母豬的外陰和母豬溫度在發(fā)情期間變化顯著，使用紅外熱像儀作為豬發(fā)情檢測的輔助工具是很有前途的。Sykes等[67]研究表明，采用紅外熱像儀測定母豬發(fā)情前期和發(fā)情期外陰皮膚溫度，實(shí)現(xiàn)外陰溫度變化作為排卵的潛在預(yù)測指標(biāo)[68]。為更準(zhǔn)確地確定排卵時間，應(yīng)同時進(jìn)行激素測定。目前，母豬發(fā)情智能監(jiān)測技術(shù)提高了有效性，監(jiān)測過程簡便、快速，有很大優(yōu)勢，但單一體溫變化預(yù)測母豬發(fā)情準(zhǔn)確性低，通過紅外監(jiān)測母豬體溫結(jié)合圖像分析母豬行為，推算排卵時間，提高母豬發(fā)情預(yù)測準(zhǔn)確率是后續(xù)科研的重心。

2.2 母豬體況管理

在母豬飼養(yǎng)過程中，體況過肥和過瘦都會對母豬的繁殖性能有不利影響，維持最佳體況有助于提高繁殖性能，使豬群達(dá)到最佳的生產(chǎn)水平[69]。背膘厚與母豬繁殖性能有關(guān)，畜牧從業(yè)人員通過背膘厚的選擇可用于母豬的遺傳改良，從而提高其繁殖性能，因此對母豬的膘情進(jìn)行科學(xué)調(diào)控也是母豬飼養(yǎng)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。母豬妊娠期膘情進(jìn)行調(diào)控的手段主要包括根據(jù)體況評分調(diào)控飼喂量、體重調(diào)控飼喂量以及根據(jù)背膘厚調(diào)控妊娠期飼喂量[70]。通過背膘厚進(jìn)行體況管理相比其他兩種方法，可使分娩前母豬群體況的一致性更好，并獲得良好的繁殖性能。以前背膘厚測量主要有電子探針法、屠宰法、超聲波檢測法，由于主觀性強(qiáng)、重復(fù)性低、豬應(yīng)激大等缺點(diǎn)應(yīng)用效果不佳。滕光輝等[71]提出了利用計算機(jī)視覺技術(shù)對母豬體況的非接觸測量及性狀特征分析的方法，根據(jù)臀部曲率半徑與背膘厚度相關(guān)性構(gòu)建背膘厚估測模型和體況評分，相對準(zhǔn)確率為91.7%，未來有很大應(yīng)用空間。

2.3 精準(zhǔn)飼喂

母豬繁殖周期中，每個環(huán)節(jié)的營養(yǎng)需要和飼養(yǎng)目標(biāo)不同，不同品種的母豬適宜營養(yǎng)水平也有差異，母豬的胎次和環(huán)境因素對母豬營養(yǎng)需要量也有影響。在母豬飼養(yǎng)中，應(yīng)根據(jù)不同生長階段和營養(yǎng)需要，對母豬實(shí)施精準(zhǔn)飼喂。通過耳標(biāo)和紅外熱像儀智能采集、分析、建立豬只檔案及收集料塔傳感器數(shù)據(jù)等信息，以及智能養(yǎng)豬管理平臺進(jìn)行分析，遠(yuǎn)程控制下料系統(tǒng)，減少人員管理，實(shí)現(xiàn)豬只精準(zhǔn)飼喂，提高飼料利用率。甘玲等[72]研究一款通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動圈數(shù)的雨刷電機(jī)驅(qū)動螺旋輸送的供料系統(tǒng)，利用后臺數(shù)據(jù)為母豬提供適量飼料，做到多次少放來節(jié)省飼料。鄭姍姍[73]等設(shè)計一款低成本的自動飼喂控制系統(tǒng)，通過控制電動桿的推桿速率、輸入電壓和電源效率，獲得穩(wěn)定的下料量，實(shí)現(xiàn)對預(yù)計飼量的準(zhǔn)確投放。胡圣杰[74]基于RFID技術(shù)對母豬的識別，開發(fā)母豬自動飼喂控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)母豬日增重、日采食量、飼料利用率、發(fā)情預(yù)測、母豬異常情況及時提醒。徐世軍等[75]基于自動飼喂系統(tǒng)，安裝環(huán)境溫濕度感受器和母豬體溫感受器，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了收集豬舍的溫度、濕度，還收集母豬的生產(chǎn)性能相關(guān)參數(shù)，為研究環(huán)境因素對母豬生產(chǎn)性能的影響提供可能。徐利[76]開發(fā)由信息管理系統(tǒng)和自動飼喂系統(tǒng)組成生豬管理系統(tǒng)。信息管理系統(tǒng)識別母豬的身份、觀察豬的運(yùn)動行為狀況、體溫異常情況等，自動飼喂系統(tǒng)主要精準(zhǔn)添加飼料、統(tǒng)計母豬的進(jìn)食量，提高飼料的利用率，降低養(yǎng)豬的成本。目前，我國母豬精準(zhǔn)飼喂和自動飼喂系統(tǒng)缺乏自主研發(fā)能力，主要通過購買國外先進(jìn)設(shè)備，而且設(shè)備特異性較差等，使母豬管理水平和PSY水平落后于發(fā)達(dá)國家。圖1為生豬精準(zhǔn)飼喂的一般流程，圖2為3種智能無損監(jiān)測技術(shù)一般流程。

3 問題與展望

我國養(yǎng)殖業(yè)從集約化、規(guī)?；蛑悄芑?、信息化模式轉(zhuǎn)型的過程中，智能感知技術(shù)在豬飼養(yǎng)管理中應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家存在很大差距，因此研發(fā)豬個體信息智能感知和飼養(yǎng)管理技術(shù)成為我國養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵。我國養(yǎng)豬業(yè)中的智能養(yǎng)殖技術(shù)存在以下問題，并提出相對應(yīng)的建議。

（1）我國豬養(yǎng)殖以中小規(guī)模為主，沒有能力購買智能養(yǎng)殖設(shè)備，導(dǎo)致豬場環(huán)境長期處于不佳狀態(tài)，降低養(yǎng)殖效益與動物福利水平。政府應(yīng)出臺一些優(yōu)惠政策，給予豬養(yǎng)殖設(shè)備和技術(shù)一定比例的補(bǔ)貼，使中小規(guī)模的豬場有購買能力。另外在準(zhǔn)確獲得健康狀況和疾病診斷的僅適用于人類的技術(shù)，經(jīng)過動物模型的測試，這些創(chuàng)新技術(shù)可以應(yīng)用于未來的豬發(fā)展和福利領(lǐng)域。

（2）智能感知技術(shù)監(jiān)測豬個體信息，大多數(shù)處于科研試驗(yàn)層面，科研成果轉(zhuǎn)化及推廣應(yīng)用不足。應(yīng)加強(qiáng)校企合作，針對生產(chǎn)中的問題開展專項(xiàng)課題研究，促使豬信息智能感知技術(shù)和飼養(yǎng)管理設(shè)備從試驗(yàn)研究走向大規(guī)模生產(chǎn)，另外高校開展科研創(chuàng)新大賽，對優(yōu)秀科技成果給予資金支持和申請專利保護(hù)，為豬場養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型升級打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3）規(guī)?；肛i飼養(yǎng)管理中，電子飼喂系統(tǒng)和母豬管理設(shè)備存在缺乏自主研發(fā)能力、特異性低、技術(shù)落后等缺點(diǎn)，使得我國PSY與發(fā)達(dá)國家相差較大。智能養(yǎng)殖設(shè)備必須與養(yǎng)殖模式、豬場建設(shè)布局結(jié)合起來，同時結(jié)合豬個體信息實(shí)時監(jiān)測，開發(fā)具有嵌入式自動控制系統(tǒng)，針對豬不同生理、體況、生長階段及時得調(diào)整飼料配方，準(zhǔn)確預(yù)測母豬的發(fā)情期，解決母豬限位飼養(yǎng)繁殖障礙病，爭取把中小型養(yǎng)殖PSY從23頭提升到28頭。

（4）畜牧業(yè)生產(chǎn)者、消費(fèi)者、立法者對信息需求不斷增加，規(guī)?；B(yǎng)殖中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)僅當(dāng)作績效考核的依據(jù)，使數(shù)據(jù)共享、共知、共利用不能有效普及。我們需要挖掘數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)找關(guān)鍵和依據(jù)數(shù)據(jù)作決策，并且培訓(xùn)畜牧技術(shù)人員具備數(shù)據(jù)思維并將與精準(zhǔn)飼喂結(jié)合應(yīng)用。另外將體溫、行為、聲音等多個病理特征相結(jié)合收集數(shù)據(jù)，并通過疾病及流行病學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行智能分析診斷，對異常行為進(jìn)行預(yù)警，從根本上降低養(yǎng)殖風(fēng)險。