畜禽个体身份标识技术发展进程与展望

现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2023/10/6 14:28:57 关注：440 评论： 我要投稿

  畜禽个体身份标识技术发展进程与展望
  杨?亮，王 辉，陈睿鹏，熊本海
  （中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 畜禽营养与饲养全国重点实验室，北京 100193）

  前言
  畜禽个体身份标识在养殖、屠宰、加工到消费等各个环节中均发挥着重要的作用。在养殖环节，基于身份标识对猪只进行个体生产性能测定，指导种猪的选育；基于猪只个体自动识别及物联网技术，采集猪只生理参数和养殖信息，调控生产环境和养殖流程，实现精准养殖目标。在疫病防治监控环节，应用标识技术建立疫病追溯系统，对猪只个体的免疫情况进行记录，当疫病暴发时快速追溯传染源和传播途径，发现疫病流行趋势和生物学规律，及时控制传染源的移动，减少经济及社会损失。在产品贸易和食品安全环节，建立猪只及其产品的标识与可追溯系统，保护消费者免受食品安全事故危害。为此，各国均集中优势科研、产业力量进行技术攻关，并取得了一定的成果。本文将重点介绍畜禽个体身份识别技术的发展演化过程，对个体标识技术在机器视觉等相关领域的发展进行展望。
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  致病性与免疫性传统标识技术研究
  动物从野生状态被驯化为人工养殖，古人就采用各种物理方法标识，如皮肤、尾巴、嘴唇、蹄和角的纹身或烙印，耳朵的打孔或割痕，颜料的涂抹或记号，佩戴的项圈、脚环或标签等。
  1.1 剪耳法
  剪耳法又称截耳法、耳刻法等。用特制的耳号钳，在家畜的左、右耳打上缺口或圆洞，每个耳缺或圆洞代表特定数字，耳号组成规则包括数字规则和编码规则。数字规则主要分为“内外法”和“上下法”，编码规则主要包括“大排法”、“窝排法”和“标亲法”。
  1.2 纹身法
  耳朵纹身是永久识别动物的常规方法之一。将出生不久的幼畜右耳里面用热水洗净擦干，用耳标钳在右耳内部进行穿刺。耳标钳可放入不同号码针，在穿刺处涂以黑色的墨汁，或煤烟酒精溶液，对于深色或黑耳品种，使用绿色染料更适合。除耳朵纹身外，一些地区使用刺青锤纹刻号码，对待宰猪只进行标记，但该法目前已基本淘汰。
  纹身法必须对动物头部进行约束才能纹刺和识别，不适于日常使用，但标识准确率高、不易出错、创口较小，不易引发细菌感染。
  1.3 烙印法
  最初的烙印法采用火烫烙印法，烙铁由低碳钢合金等优良导热体制成字符或符号形状，将加热的烙铁放在动物皮肤上数秒，按照身体形状滚动施压，最后用冷水或伤口油缓解皮肤灼伤并促进愈合。火烙法会损伤真皮部，影响皮革质量，而且烫伤结疤往往感染化脓，造成字迹模糊，难以识别。
  由于动物福利的原因，火烫法逐渐被冷冻烙号法取代。冷冻烙铁由铜或青铜合金制成，使用二氧化碳气瓶、干冰乙醇混合物或液态氮，将烙铁冷却到-60℃，能破坏皮肤中生产色素的色素细胞，而不致损伤毛囊。该法的优点是清晰明显，极易识别，永不消失；操作简便，对皮肤损伤少、无痛感。
  1.4 颜色法
  在生产过程中，有时需要作临时标记。如产仔时需在母畜和仔畜身上用相同颜色的涂料打出母畜号和仔畜号，可选用专用标记涂料，或用易洗掉的色料作标记。
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  条形码标识技术
  随着材料和工艺的发展，以塑料耳标为主的佩戴标识在全球畜牧业生产中得到广泛应用。在耳标上增加条形码标识，可实现耳标编号的自动识别和读取，在此基础上，构建畜禽可追溯管理系统，建立完善食品质量安全体系，在各国相继得到使用和推广。
  美国组成家畜标识开发小组，制定并建立家畜标识工作计划，目的是发现外来疫病时，能够在48 h内确定所有涉及的企业。2004年开始使用具有企业编号或个体标识的耳标。加拿大实施“品牌加拿大”战略，于2008年实现80%农业食品联合体农产品可追溯源头。欧盟要求大多数国家对家畜和肉制品开发和强制性实施追溯制度，2002年后所有销售的产品必须具有可追溯标签。法国对屠宰的生猪，实施强制标识。荷兰在仔猪断奶一周内加挂耳标，育成猪在屠宰或出口时必须用屠宰标识。丹麦对出生的猪从出生地向外运输时，必须标有耳标。澳大利亚实施国家牲畜标识计划，能够追踪家畜从出生到屠宰的全部信息。家畜个体用认证的耳标或瘤胃标识来标识身份。当牧场主将羊出售时，必须在申请表上填写标签号码。
  中国高度重视重大动物疫病防控和食品质量安全工作，2001年开始实行动物免疫标识制度；2002年农业部发布“动物免疫标识管理办法”，规定动物免疫标识包括免疫标识和免疫档案，并对猪、牛、羊经过重大疫病免疫后佩带免疫耳标。2005年通过《中华人民共和国畜牧法》，规定畜禽养殖者必须对畜禽进行标识，并建立养殖档案，要求采取措施落实畜禽产品质量责任追究制度。2006年农业部颁布《畜禽标识和养殖档案管理办法》，在北京、上海、重庆、四川三市一省启动“动物标识与疫病可追溯体系”建设试点，2007年起，在全国范围推广“动物标识及疫病可追溯体系”。中国使用塑料耳标作为畜体标识。
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  射频识别技术
  射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID技术具有非接触识别、读取率高、防干扰能力较强等特点，应用于畜禽个体标识。RFID标识有多种方式，如电子耳标、项圈、腿环等可穿戴式标识、皮下植入式标识、瘤胃内置式标识等；RFID标识具有集成传感器、信号收发器等多种功能。
  常用的畜禽个体RFID主要有动物耳标、项圈式标签、可注射玻璃标签和瘤胃电子胶囊等。
  动物耳标主要有低频和超高频两种类型，两者的芯片、天线、封装方式等均不相同。低频耳标的RFID芯片和天线组成的中间体inlay，被放置在母标的内部，外面被聚氨酯塑料包裹。项圈式电子标签根据动物种类和生理特点选择使用，家禽多使用脚环和翅标，应用于种禽管理、产品溯源等；牛、羊等多使用项圈，应用于分群系统、自动饲喂系统，挤奶系统等。注射式电子标签利用特殊工具将电子标签放置在动物皮下，通过对电子芯片不同植入位置效果对比，发现耳部下面位置最合适，保存率高且不易被触摸到。家畜注射标签的方法会引起动物机体组织排斥反应；受埋植位置等因素影响，存在掉标、破损及体内位移等问题。瘤胃电子胶囊是将电子标签安装在耐酸的圆柱形外壳内，通过动物食道放置到反刍动物的瘤胃液内，一般会终身停留在动物的瘤胃内。屠宰后注射式电子标识的取出是个问题，需要避免进入食物链的潜在危险。
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  机器视觉标识技术
  机器视觉是信息技术领域热门的研究方向。系统通过分析图像或视频，实现对场景中目标的定位、识别和跟踪，分析和判断目标的行为，判断异常情况发生，近年来被广泛应用于畜禽识别。非接触式的机器视觉识别方法能提高识别的实时性和自动化程度，降低养殖管理成本和减少动物应激，但是识别精度和鲁棒性有待进一步提高。
  4.1 鼻纹识别技术
  1922年，Petersen使用鼻纹识别牛个体身份，将墨汁喷在牛鼻子上，再将其印在纸上，采用肉眼观察比对的方式进行身份匹配；1998年，Mishra等通过鼻纹的分布特征来开发牛的编码系统，配合耳标对牛建立档案，实现了牛产品的全程追溯；2007年，Barry等通过对牛鼻纹拍摄来采集牛鼻纹信息，使用主成分分析和欧氏距离分类算法对牛鼻纹照片进行识别，最后得出通过鼻纹识别牛的身份准确率可达98.85%。虽然鼻纹具有不变性、可采集性和识别准确率高等特点，但是动物动作行为具有随意性，在采集鼻纹图片和提升采集效率、识别优化方面需要更进一步的提升。
  4.2 虹膜识别
  虹膜是瞳孔与巩膜之间的环形可视部分，是由随瞳孔直径变化而拉伸的复杂纤维状组织构成，动物出生前的随机生长过程，造成了各自虹膜组织结构的差异，具有终生不变性和差异性。虹膜总体上呈现一种由里到外的放射状结构，包含许多相互交错的类似斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等形状的细微特征。
  在红外光照射下，反映其图像特征的模拟信号被高分辨率的摄像机接收采样，经数字化后存入计算机，每个虹膜数据长度为256字节，整个过程在系统中瞬间完成。虹膜识别技术的优点是精确度高；而缺点是虹膜技术系统成本过高，需要比较完备的成像条件和一定的成像时间，在畜禽养殖中应用较为繁琐。
  4.3 视网膜血管识别
  视网膜是一些位于眼球后部十分细小的神经，是感受光线并将信息通过视神经传给大脑的重要器官，用于生物特征识别的血管分布在神经视网膜周围，在采集视网膜的数据时，扫描器发出一束光射入使用者的眼睛，并反射回扫描器，系统会迅速描绘出眼睛的血管图案并录入到数据库中。
  视网膜识别技术具有相当高的可靠性，视网膜血管分布具有唯一性，并且无法伪造，即使是双胞胎动物，血管分布也是有区别的；视网膜的结构形式在动物生长过程中保持稳定；视网膜识别系统误识率低，录入设备从视网膜上可以获得700个特征点，这使得视网膜扫描技术录入设备的误识率低于一百万分之一。
  视网膜识别技术的采集设备成本较高，采集过程较为烦琐。视网膜扫描设备要获得视网膜图像，眼睛与录入设备的距离应在半英寸之内，并且在录入设备读取图像时，眼睛必须处于静止状态，使用不够方便。
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  分子标记识别技术
  自从DNA分子标记技术建立以来，各种DNA分子标记相继被广泛地应用于遗传图谱的构建，评估遗传多样性，以及个体识别和亲权鉴定等方面。常用的畜禽个体标识的分子标记主要有简单序列重复（Simple Sequence Repeats，SSR）、单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）等，与SSR方法有许多等位基因相比，SNP方法仅有两个等位基因，技术相对简单，成本相对低廉，有益于全自动分析。在基于分子标记的可追溯系统中，进行家畜个体追溯是可行的，其优点是具有非常高的准确率，对疾病控制有显著效果；缺点是仅能从肉制品向农场及种畜追溯，对从超市到分销商到加工商到屠宰场的过程无法追溯。
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  畜禽个体标识技术研究展望
  随着信息技术的发展，传统识别方法已不再满足现代化养殖的要求。机器视觉技术是发展最快、应用潜力最大的方法，在个体识别的基础上，能实现动物跟踪、行为感知、生理监测、智能管控、资产管理的“一揽子”解决方案，未来要进一步解决实际养殖条件下的技术研发和落地问题；RFID技术较为成熟，是目前替代人工应用较多的方法，但需要解决兼容性差的行业标准问题，同时开发基于RFID的多参数感知技术；生物识别技术识别精度高，但对应用场景、技术设备和人工参与要求较高，未来需要改进现有硬件设备，提高准确性、兼容性，根据使用环境和生产特点开发自动化生物识别系统。
  6.1 机器视觉技术
  精准化养殖模式日益兴起，在充分考虑畜禽生理习性及养殖装备等因素的前提下，畜禽个体识别将向无接触、自动化、实时、连续检测的方向发展，特别是基于机器视觉的个体识别技术。
  在数据采集技术方面，养殖场的环境相对复杂，受光照等因素影响，同时动物之间相互遮挡，采集数据会有所偏差，需要开发适用于各种养殖场景下的数据自动采集和目标跟踪类算法结合使用的方法。
  在增量识别学习模型方面，基于大量训练样本，应用机器学习方法训练的模型，仅适用于试验场景中的畜禽个体。而养殖场因为种群繁殖、分群饲养等生产需求，会发生畜禽个体离群或引入新个体的情况，需要重新训练模型。需要将个体识别模型与迁移学习结合，开发增量识别模型，无需重复训练模型。
  在研发嵌入式设备方面，虽然国内外学者在实验室开展的研究都取得较好成果，但具体应用仍然受限。将图像数据采集、特征提取、个体识别融合在一起，研发嵌入式识别设备成为亟需解决的问题。所开发的嵌入式设备需兼容深度学习模型，在嵌入式设备中快速高效地完成深度学习需进一步研究。
  在智能化养殖系统方面，基于畜禽个体识别技术，提升个体信息采集的智能化程度，研究如何融合牛只的采食量、体温、活动量以及体况评分等信息，及养殖环境对畜禽个体生长的影响，开发智能化养殖系统。
  6.2 RFID技术
  畜禽个体标识的RFID技术方面，目前仅有低频标识的国际标准和国家标准，而国内规模化应用的主流技术为超高频标识，在技术标准方面尚属空白。
  首先，提高超高频标识的识别精度。低频标识识别距离短、传输速率低、不具备多目标同时识别性能。超高频RFID读写器，可同时读取多个标签，读取速率快，通过引入或改进相应算法可提高识别准确性，排除信号干扰，应用于大群体动物个体采食、产蛋、活动等行为监测的潜力巨大。
  其次，降低超高频标识的工作功率。超高频标识的工作频率有433.92 MHz、862（902）～928 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz等，其中动物标识使用较多的是前两个频段，且多为无源标识。超高频标识的电磁辐射对动物的长期影响，目前尚无普遍接受的研究结果，更没有相关规范和标准。考虑到超高频动物标识主要在中国应用，国内学者应加强相关研究。
  最后，提高超高频标识的感知能力。RFID感知技术的发展经历了由“物”逐渐到“人”的主体转化。通过进一步主动设计并部署标签或者标签阵列，将其用于某些特定的动物行为感知应用中，将标签转化为一个轻量级的无源传感设备用于各个方面，如声音感知、振动感知等，实现标签从识别到感知的进化。
  6.3 生物特征识别技术
  畜禽的生物特征标识包括皮毛花纹、躯体形态、面部特征等宏观特征，及口鼻、眼睛、血管等细微特征。开发新的生物特征标识分析技术，及融合两个或多个生物识别标识，可以扩大生物识别的应用，提高识别系统的准确性。
  在声纹识别技术方面，Bell实验室通过观察声音的语谱图第一次提出了声纹的概念；各国学者对声音中的个性参数进行了研究，提出梅尔倒谱技术和线性预测分析技术，实现了准确率的极大提高；基于最大似然概率统计的高斯混合模型因其简单、可靠、稳定的优点，使其成为声纹识别的重要模型之一。畜禽发声反馈其健康状态和生理生长信息，将是畜禽行为研究的热点。
  在步态识别技术方面，优势是其非接触、远距离感知。步态特征可以分为静态特征识别和动态特征识别两类，静态特征和动态特征都会影响步态识别的准确性。针对养殖动物的步态识别，主要针对动物生病时发生步态异常的情况，在发病初期较容易观察出异常。步态识别技术尚处于研究阶段，识别准确率和识别速度有待进一步提升。