人工智能養豬在我國的發展現狀與研究展望

楊 亮，熊本海，王 輝，陳睿鵬

（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所動物營養學國家重點實驗室，北京 100193）

0 前言

近年來，人工智能技術不斷發展并在多個行業領域中得到了廣泛應用，推動了相關產業的創新與發展，取得了顯著的成效。中國是畜牧業大國，畜牧業發展在國民經濟中占有重要的地位。2022年1-3月全國農林牧漁總產值約為20 470.6億元，其中畜牧業占比達41.37%，達到8 468.6億元。農業農村部印發的《“十四五”全國畜牧獸醫行業發展規劃》提及到，2025年生豬養殖業產值將達到1.5萬億元。生豬養殖在畜牧業中的占比較重，特別是隨著生豬養殖規?；潭炔粩嗵嵘?，其對現代化養殖技術的需求日趨迫切。利用人工智能技術構建我國智能化生豬養殖解決方案，研發生豬養殖過程中的信息智能感知、個體（小群體）精準飼喂、養殖環境智能調控等核心技術與裝備，是推動我國生豬養殖業健康發展的關鍵因素。2020年，中國發布了《數字農業農村發展規劃（2019—2025年）》，明確提出要推進人工智能等數字技術向農業農村滲透，加快建設數字農業標準體系，推進現代化數字畜牧業的發展。應用人工智能技術，發展生豬智能化養殖已勢在

必行。在國家政策的大力支持下，科研院所、高校和相關企業集中優勢科研力量進行技術攻關，利用人工智能技術研發生豬養殖裝備與技術等，目前已取得了一定的成果。為了更好地發揮人工智能對生豬養殖行業的推動作用，助力生豬產業種業振興，本文將重點介紹人工智能養豬在我國的發展現狀并展望人工智能技術在生豬養殖領域未來的應用前景。

1 人工智能

1.1 人工智能的定義

人工智能概念最早由美國科學家約翰·麥卡錫（John McCarthy）定義為“制造智能機器的科學與工程”。從此，人工智能作為一門新興學科逐漸興起，經過60多年的發展，人工智能成為眾多交叉學科的前沿綜合科學。目前，學者們普遍認為人工智能是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用系統的技術科學，人工智能的主要目標是使機器能夠替代人類完成一些智能的復雜性的工作。

從技術基礎來看，人工智能分為符號智能與計算智能。符號智能指的是所謂的傳統人工智能，即以知識為基礎，通過建立規則和推理來完成問題的求解，如專家系統、知識推理等，研究多以知識為對象，重點研究知識的獲取、表示及運用。計算智能則是以數據為基礎，通過大樣本數據訓練、構建數學關系模型，實現對問題的求解，如神經網絡、遺傳算法、模糊系統、進化程序設計以及人工生命等算法和理論。

從發展等級來看，人工智能一般分為超人工智能、強人工智能和弱人工智能。超人工智能指的是能實現與人類智能等同的功能，具備“遞歸自我改進功能”。強人工智能即通用人工智能，指的是能夠像人類一樣勝任智力性任務的智能，要求人工智能具備思考能力、計劃能力、學習能力、交流能力等。弱人工智能又被稱作狹義人工智能或應用人工智能，指的是能完成某項特定任務或特定問題的人工智能，其本身并不具備自主意識或真正的人類智能。目前，絕大多數人工智能及其應用仍然屬于弱人工智能。

1.2 人工智能的組成要素

人工智能的組成要素包括四個層面，即基礎設施層、算法模型層、技術研究層和行業應用層?；A設施層主要包括支撐人工智能所需的基礎數據資源、計算硬件資源以及計算平臺資源等；算法模型層主要包括支撐人工智能所需的基礎算法與模型，如深度學習、機器學習等理論中的相關算法和模型；技術研究層主要包括支撐人工智能各分支領域所需的核心技術，是人工智能研究領域最為活躍和廣泛且持續時間最長的一個層面，當前主要包括自然語言處理、語音信息處理、計算機視覺、大數據分析和智能決策支持系統等；行業應用層面是前述人工智能相關技術在各個行業的落地，也是近年來人工智能技術從研究領域走向社會大眾的具體應用。

2 人工智能養豬

2.1 人工智能養豬的定義

人工智能養豬，就是應用人工智能技術、融合智能設備與設施等，對傳統的養豬模式、養殖過程及關鍵飼養環節進行改進或優化，通過智能化設施實現豬只個體體況信息的智能化感知與數字化表征、養殖環境的智能化監測與控制，養殖過程數據的自動化采集與智能化處理，包括養分供給的動態計算、豬只個體或群體日糧的精細化飼喂等。通過智能設備或機器人的應用實現機器換人，減少養殖過程中的勞動力投入，最終實現養豬環境的最優化、投入品的減量化、養分轉化的最大化和人機結合的最優化，全面提升豬只健康水平及養豬效益。人工智能養豬不是一個簡單的定義，也不是一個簡單的養豬模式，它具有豐富的內涵，需要貫穿養豬生產的全過程，需要各種知識、技術與工程的跨界融合，才具備開展人工智能養豬技術的實踐應用條件。

2.2 人工智能養豬的核心技術

實現人工智能養豬，需要解決養豬過程中的關鍵技術，如養豬環境智能控制技術、豬只個體或群體的精準飼喂技術、養豬機器人技術與養豬精細化管理技術，上述技術貫穿養豬產業鏈的全過程。在養豬生產過程的不同節點上應用人工智能技術，可實現人工智能技術與養豬過程的結合，促進人工智能技術在養豬領域的應用。

2.2.1 養豬環境智能控制技術

在設施養殖的模式下，豬只在不同的生理、生長階段以及不同氣候的養殖區域，理論上存在最佳的養殖環境，包括適宜的溫濕度、空氣質量（主要指NH3濃度、H2S等有害氣體的可承受的上限值）、O2的濃度（空氣交換量）、光照強度等。豬只在此環境下進行繁殖與生產，既能滿足動物的福利及健康，又能促進養分的轉化與利用，生產的投入與產出的效率及經濟效益最為理想。

養豬環境智能控制技術指的是采用物聯網技術，通過傳感器的部署與工作，動態采集特定豬舍的環境指標，當環境狀態超出系統設定的閾值時，智能啟動環境控制設備，如風機、水簾、空調或光照設備等，使溫度、濕度、空氣質量等環境參數的數值處于合理區間，確保豬只在設施養殖環境下健康生長?；趥鞲衅鞯奈锫摼W技術，主要集成了環境感知、數據采集與傳輸、數據分析及控制的物聯網閉環過程?；诃h境控制專家、動物福利與營養專家的聯合，實現智能控制的難點是構建環境指標智能調控的多維模型，實現較佳的設備開啟時間與節律，獲得經濟的環境參數控制及優化。

2.2.2 豬只個體或群體的精準飼喂技術

豬只個體或群體的精準飼喂及控制受制于多方面的因素或技術，實現的精準是一種相對的精準，即在不同養殖模式、不同生理階段、預期生產性能下的精準。在生產性能方面，養殖種豬的目標是實現母豬生產力PSY的最大化，養殖商品豬的目標是實現料重比（FCR）的最小化。理論養分需要量即每天供給的最低或最佳的養分需要量，包括能量、蛋白質、氨基酸、礦物質元素等。通過制定合理的飼喂制度，對飼喂次數及供給的具有特定養分濃度的日糧數量進行控制，確保飼喂日糧提供的養分總量與理論養分需要量一致，最終實現豬只個體或群體的精準飼喂。

2.2.3 養豬機器人技術

隨著人工智能技術的發展，養豬機器人技術與產品不斷取得突破，逐漸進入養豬行業取代傳統的需要人或設備完成的工序或生產過程。近年來，非洲豬瘟的暴發嚴重影響養豬業的發展，減少人和豬只的接觸，利用機器人設備替代人在養殖環節的工作成為促進養豬機器人快速發展的動力，研究及應用養豬機器人具有巨大的市場需求。

巡檢機器人裝載了多種感知器件及分析系統，按預定的軌道和時間節律到目標豬舍進行巡檢，可及時獲得豬只的環境信息、個體位置、行為信息及健康信息。通過對采集的信息進行機器視覺與挖掘分析，智能感知豬舍環境是否舒適，獲得目標豬舍的豬只個數，檢測豬只群體中溫度異常、發情狀態及采食量異常的豬只，實現真正的無應激、非接觸式的智能感知。巡檢機器人的研制，需要運用遠紅外熱成像動態快速采集技術，在對采集的大樣本數據進行深度分析的基礎上，獲得準確的預測模型。消毒機器人基于防疫及解放勞動力的需求，將機器人行走的導航軌道與豬舍的建筑設計結合起來，實現機器人消毒的強度差異、消毒液的配制及噴灑的揚程等的綜合優化，促進豬場消毒機器人在豬舍的應用。清糞機器人針對豬場的漏縫地板或地溝地板，通過人工智能的定位導航技術，實現對豬場糞尿的清除，可以有效減少勞動力的投入。

2.2.4 養豬精細化管理技術

豬只養殖過程中，實現繁殖豬群及商品豬群的全過程的精細化管理至關重要。通過精細化管理，針對不同類型和生產目的豬群的協調、周轉與耦合，達到養豬生產系統運行的資源投入最小化，實現效益產出最大化。針對繁殖母豬，保證其發情、配種、妊娠、分娩、哺乳、斷奶整個繁殖周期的循環推進，促進仔豬的均衡供給、后備豬的選育與留種，獲得群體最大的母豬生產性天數、平均胎數、母豬生產力PSY，以及繁殖豬群的最佳胎次結構。針對商品豬，合理調配保育豬、生長豬及育肥豬的分群分欄飼養與轉群，獲得最佳的飼料轉化效率，縮短出欄時間，提高成活率。精細化管理就是及時準確獲取豬只個體的繁殖狀態數據，包括母豬發情、配種、妊娠、分娩、哺乳、斷奶等信息，以及商品豬的位置信息、飼喂數據及健康數據；結合養豬生產過程中的多參數融合計算模型，通過數據的在線化分析，查找養殖環節中出現的問題，及時采用智能環境控制、繁殖控制、飼養控制、生產周轉控制等技術解決發現的問題，最終實現生產過程的動態監管及精細化管理，規避過程風險，保證生產的有序與目標化，達到數據產業化效果。

3 人工智能養豬在我國的發展現狀

3.1 智能環境調控

隨著散養戶的逐漸退出，集約化、規?；椭悄芑酿B殖方式成為主流。智能環境調控是保障豬只充分發揮生產潛力的基礎，直接關系到豬只的福利健康、肉產品質量與食品安全、養殖場經濟效益等。運用前沿科技技術，實現與豬只生理生長特性的深度融合是智能環境調控的主要特點。

豬舍智能環境調控主要基于舍內環境參數的采集和系統評估。采集的環境參數主要包括溫熱環境、有害氣體和顆粒物。隨著傳感器技術的發展，傳感器檢測原理不斷改進，智能化的非接觸式傳感器不斷涌現，既提高了自身的使用壽命，也減少了檢測引起的豬只應激反應。一批價格適宜、攜帶方便的多元環境參數集成檢測設備在豬場得到了應用，例如中國農業大學研發的便攜式檢測設備PMU（Portable Monitoring Unit），通過將多種傳感器集成于一個檢測單元，結合無線傳輸技術，能夠對豬舍內外的溫濕度以及二氧化碳、氨氣濃度等進行實時在線檢測，有效提高了環境檢測效率。

人工智能在智能環境調控方面的應用，主要是將深度學習算法應用于豬只行為、體征信息識別，進而對智能環境調控提供參考依據。深度學習算法以人工神經網絡數學原理為基礎、以多層參數學習體系為結構、以海量數據訓練參數，應用最為廣泛的是圖像識別、語音識別等技術。在養殖過程中，及時準確識別豬只個體和行為，減少環境引起的豬只應激具有重要意義，深度學習方法可以顯著提高識別的精度，為及時做出智能環境調控決策提供支撐。

3.2 智能精準飼喂

生豬智能精準飼喂設備是智能農機裝備的重要組成部分，代表著先進的農業生產力，是提高生豬養殖生產效率、轉變發展方式、增強綜合生產能力的基礎。隨著農業勞動力人口向城鎮的轉移，對智能農機技術與裝備的需求更高。我國生豬養殖智能設備研發還處于初始階段，提高裝備可靠性和智能化程度、加快智能精準飼喂技術與設備的研發及減少對核心部件和高端產品的進口依賴將促進我國生豬養殖產業的健康發展。

妊娠母豬小群散養智能精準飼喂站配置有RFID電子耳標識別系統及嵌入式控制系統，飼喂站根據每頭妊娠母豬的妊娠日齡及采食量曲線，對每天及每次的采食量與下料量進行智能控制。試驗數據表明，電子飼喂站可以增加動物福利、減少母豬肢體疾病與應激、提高母子健康狀況、延長母豬生產使用壽命，同時還可以減少飼料的浪費，節省勞動力。國內妊娠母豬飼喂站的研究經過了模仿到自主創新的階段，中國農業科學院智慧畜牧業創新團隊歷時10余年，聯合國內優勢科研院所、高校和設備制造企業，不斷總結經驗與教訓，創新研制出具有自主知識產權的4代妊娠母豬智能精準飼喂系統，引領了我國智能精準飼喂理論與技術的發展。

哺乳母豬智能精準飼喂的研究目標是實現哺乳母豬21 d哺乳期的采食量最大化，提高斷奶仔豬的平均重。在消化吸收國內外同類產品的特點及自身前期研究的1～2代產品的基礎上，河南南商農牧科技有限公司在下料方式上進行了創新研究，創制了一種下料精準、無飼料殘留，性能穩定、成本低廉且操作、維護方便的哺乳母豬智能飼喂系統，在國內規?；i場進行了應用，取得了較好的效果。

3.3 智能養殖機器人

隨著規?；B豬業的發展，豬場每天有大量又臟又累的日常工作，亟需智能養殖機器人“機器換人”。諸如清洗、消毒、清糞、巡檢等工作，都可以在沒有勞動力參與的情況下，由機器人自主完成，消毒、清糞、健康巡檢機器人等應運而生，投入到規?；i場的工作崗位上。

對豬舍的全面消毒是豬只養殖過程中最基礎、最有效、最廣泛的防疫措施，可以有效消滅豬場環境中的病原微生物和有害物質，阻止疫病的傳入和蔓延，減少有害物質排放風險。針對豬只養殖過程中的智能化防疫、消毒需求，國家農業智能裝備工程中心組織研發了第一代專用于畜舍防疫消毒機器人。該機器人具備全方位自動導航、實時視頻監測、消毒液噴灑精準等功能，實現豬舍內智能化噴霧消毒，并支持PC機和智能手機終端的遠程監控。

針對豬只養殖過程中清糞與健康巡檢的需求，北京佳沃天河智能科技有限公司研發了一款清糞巡檢一體機器人。機器人采用組合式自動導航，實現微光、無光等惡劣環境的精準導航；采用彎弧型緊貼刷具，解決刮糞板故障多、維護難等問題，實現糞污的徹底清掃；采用履帶及輔助輪驅動模式，產生足夠推力，避免地面濕滑發生偏航；采用密封式驅動總成，改進了主軸固定結構，通過增加密封圈有效防止污水、污泥、糞便等進入到減速器和主軸安裝孔內。機器人的應用，減少養殖環節對勞動力的需求，保障豬舍的生物安全。

3.4 智能精細化管理

通過將人工智能、物聯網、云計算等現代科學技術與傳統養豬業進行深度融合，建立生豬養殖全產業鏈大數據智能服務平臺，可有效解決我國養豬業存在的智能化、精細化管理水平低導致的生產效率低的問題。北京農信互聯科技集團有限公司運用家畜個體標識技術、傳感器技術、智能裝備、養豬過程的數字化管理等技術研發了“豬聯網”系統。

“豬聯網”應用互聯網思維和技術手段，將與豬只相關的主體、資源、產品、渠道、金融和服務有效連接成一個閉環。通過物聯網、人工智能技術實現豬場報表數據的線上記錄與整合，方便管理者隨時了解豬場生產情況，高效制定管理決策。通過對數據進行挖掘，可以對養殖場的毛利、生產成本、生產力等數據進行智能分析，找出制約豬場生產力提升的關鍵因素，促進養殖企業的發展。

4 人工智能養豬面臨的挑戰與展望

目前，我國人工智能養豬取得了初步進展，如豬舍環境智能控制系統、種豬性能測定站、豬只精準飼喂裝備及消毒、清糞、巡檢機器人等典型設備在部分規?；i場得到了應用，從不同層面促進了我國人工智能養豬智能裝備的研究與發展，從自主創新進程逐步走向成熟，也是我國人工智能養豬所必需經歷的階段。但是，從整體上看，國產的人工智能養豬設備仍在趕超國際先進制造水平，特別是在智能裝備的制造工藝與智能化設計方面還存在較大差距。對于規?；i場，要實現豬只的精準飼喂需要配備料線系統，保證飼料從料塔到飼喂設備緩沖斗的穩定送料。目前，國產的智能飼喂設備逐步實現了在規?；i場的商品化應用，智能設備與料線的結合需要在新建豬舍的結構設計上提前規劃，從而保證智能飼喂系統的高效運轉。

隨著人工智能技術的不斷進步，我國養豬業向標準化、規?；c智能化的方向高速發展，迫切需要引入人工智能技術，需要現代智能裝備及養殖機器人的支撐，需要設備與信息技術的高度融合。突破不同生長、生理階段豬只體型、體征與健康狀態等養殖過程信息數字化表征和獲取技術的復雜性，建立豬只養殖數字化表征方法和獲取技術；突破豬只養分需求的動態性及差異性，創制豬只精準飼喂與加藥設備；突破豬舍地面與環境的不規則性挑戰，創制清洗、消毒、巡檢等智能作業裝備開發；突破環境多元動態控制的瓶頸，創制豬只設施智能環境調控系統與養殖過程大數據管控分析平臺。通過將信息感知技術、環境控制技術、精準飼喂理論與智能裝備技術、養殖機器人技術、養殖精細化管理技術結合起來，開發具有人工智能系統控制的從種豬到商品豬的智能化養殖智能設備及養殖生產過程機器人。此外，智能養殖設備及養殖機器人的產業化應用，必須與我國現有的生豬養殖模式、豬舍結構結合起來，充分發揮設備的作用；必須與豬的生理、生長及豬舍生態結合起來，滿足豬只的福利養殖需求，形成智能設備與豬只的互作；必須與養豬業生產的理論、目標產品的功能驅動及養殖方式的創新協調一致，有力助推我國養豬業的轉型升級與振興。