智能化技术在现代养猪业的应用

现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2024/6/5 15:04:04 关注：136 评论： 我要投稿

  智能化技术在现代养猪业的应用
  姜新鹏，秦梓椋，姜耀坤，罗兵赫，韩丰泽
  （东北农业大学动物科学技术学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

  根据国家统计局统计数据显示，2023年底，中国生猪存栏量为43 422万头，全年猪肉总产量为5 794万t，在所有肉类中所占比例最大，约占肉类总产量的60%。此外，猪肉在许多国家的畜产品中的占比也很大。因此，猪肉作为一种可持续畜产品对全球粮食安全至关重要。随着全球经济的增长，人们对健康食品的意识越来越强，对猪的健康和福利越来越关注。在欧洲，随着市场的不断发展，动物福利标准不断提高，生猪养殖、运输和屠宰全过程中都制定了不同的福利标准。动物福利目前可以从自然生活、情绪状态和基本健康与功能三个方面进行评估。在猪的健康和福利方面，可以从外观表型(如体型、体重)、行为表现或声音识别等因素进行评估。在传统上，猪的福利和健康是由养殖户根据个人经验观察来判断的。然而，人工观察并不能实现养猪业实时监控的要求。为了提高养猪业的效率和可持续性，智能传感器、物联网(IoT)和人工智能(AI)等新技术已逐步应用于养猪业。
  利用人工智能和物联网等技术对畜群进行饲养管理。将传感器和设备与智能软件结合起来，提取关键的动物行为和体况信息，然后提供养殖方案，使农民能够自动监测动物，以改善动物的健康、福利、畜产品产量和环境影响。在现代智能畜牧业中，人工智能和物联网等技术变得越来越重要，因为没有技术的帮助很难实现集约化养殖和单一动物护理。人工智能提高了智能畜牧业中传感器和电子设备的可用性，极大地促进了大型养殖场低人力成本的养殖发展。在信息技术的推动下，养猪模式正在发生前所未有的巨大变化。人工智能与养猪相结合，可以实现智能感知，准确了解猪只的发情、饲喂、行走、站立等行为，通过猪的声音信号准确监测猪的生理状况，进行精细化、个性化的饲养管理，使养猪过程更加科学化、智能化、现代化。
  1
  准养猪的整体框架
  精准养猪旨在提高养殖户管理大型猪群的能力，并加强对每头猪的健康和福利的有效监控和管理。典型的精准确养猪系统由四个关键模块组成：物联网设备模块、数据模块、基于人工智能的决策和分析模块，以及可视化模块。近年来，随着大数据、人工智能和物联网的发展，精准养猪取得了重大发展。物联网设备模块包含数据采集传感器、环境监控设备、连接和网络传输设备及其他相关设施。物联网系统需要确保能常在恶劣环境下正常运行，以确保数据和信息能够满足养猪需求。数据模块由数据采集、数据处理、数据存储和设备故障预警系统组成。数据采集和处理主要负责处理物联网设备采集的数据，生成可用的数据和信息。设备故障预警系统主要监测传感器、自动给料机、泵等物理设备正常运行。基于人工智能的决策和分析模块包括猪只健康和福利评估、疾病诊断、环境控制、营养和生产管理及养猪场决策系统。猪只的福利通常由猪只的行为来体现，并且可以通过使用视觉和声音信号的监测系统来评估猪的健康、福利和疾病诊断。另一方面，基于人工智能的决策系统控制涉及环境控制和营养管理的物理设备的操作，以增加猪只的健康和福利，主要基于上述分析的结果。可视化模块为养殖管理人员提供可视化信息，并显示其他模块输出的有效信息。精准养猪利用物联网和人工智能等技术持续监控猪的健康和福利，主要功能如下：
  （1）物联网主要用于温度、湿度等传感器的设计和布局，以及相关的组网设备和数据采集。工业互联网主要用于将数据传输到服务器；人工智能和云计算主要应用于特征提取、数据分析、建模和决策，可靠性是精准养猪系统部署早期成功的关键之一。
  （2）智能分析系统将摄像机和麦克风测得的动物反应特征数据转化为关键指标信息，并通过 AI 和机器学习方法进行分析，用于猪只管理的最终决策。
  （3）优化生产和繁殖过程，避免过度饲养，减少养殖浪费和成本，使畜牧业在经济、社会和环境方面更可持续。人工智能、物联网和智能传感器继续推动精准养猪系统的发展和应用。
  2
  基于AI的精准养猪智能设备
  基于AI的智能设备在精准养猪系统中占有重要地位，是实现养殖应用的物质基础。在现代养猪业中，仪器设备是获取和传输数据的渠道，具有AI的智能设备可以实现现场的数据处理和分析，有助于快速做出管理方案。智能设备具有有效的执行功能，可以根据当前的监测数据向自身或其他智能设备发出相应的执行指令，使养殖环境达到科学养殖的最佳状态。基于人工智能的精准养猪智能设备目前已在产品可追溯性，行为监测和声音监测中实现应用。在可追溯性方面，通过使用物联网和各种传感器捕获信息，改进了生产、加工、储存、分销和零售等过程。当人们发现食品存在质量或安全问题时，他们可以根据产品的可追溯系统定位问题，并找到发生问题的最直接原因。
  研究表明，现有的精准养猪监测系统使用各种传感器技术来监测猪只生活的各个方面。其中，地面称重秤称取猪只的体重，麦克风用于监测猪的声音，热像仪监测猪的体温分布，红外温度计测量猪的温度。此外，通过RFID技术可以准确有效地监测每头猪，并且可以使用温度传感器获得猪只耳根部位的温度。为了研究采食量与猪只生长速度之间的关系，使用RFID技术通过称重传感器采集体重数据和猪采食饲料量的数据，并通过网络将采集的数据传输给服务器。为了解决人工养猪自动化程度低、成本高的问题，研究人员设计了一种基于嵌入式先进设备和RFID、RN30、RN31、RN32、RN33的生猪智能自动饲养系统。该系统由控制系统、传感器和其他机械设备组成。控制系统用于精确配料，机械设备用于实现饲料自动混合和精确进料。随着视觉AI的发展，将猪的声音和图像与深度学习模型相结合，在精准养猪中更为有利。使用监控摄像头收集数据有两种主要方法，第一种方法是在猪舍顶部安装监控摄像头，它使用顶视图方法覆盖整个猪舍，并收集更多关于猪只背部的信息。第二种方法从侧面收集猪只体况视频。类似地，声音采集设备用于获取猪只的声音，并且通过频率倒谱系数和其他方法提取猪只声音特征图像。这些方法与基于视觉的AI算法相结合，以实现对猪只声音的监测。对于猪只的行为监测的眼动系统用于猪和家禽养殖，以监测猪只的行为。该系统通过摄像机获取猪只的图像数据，并使用分析软件将获取的图像转换为测量动物位置、运动和行为的指标。它可以实时监测猪只的异常行为，并采取相应的救援措施，减少养殖经济损失。另外还将一种新颖的空间感知时间响应过滤模型部署到带有单目鱼眼相机的机器人上，并通过实时计数和分析视频中的猪只数量来监测猪只的健康和安全。此外，用于增强版的智能眼镜具有清晰快速的获取可读性和大数据的优点，可以远程协助支持养殖。总体而言，精准畜牧业（PLF）系统主要包括数据采集和处理、信息分析和决策以及可视化显示。在声音监测方面，猪咳嗽监测仪通过声音分析连续自动监测猪只的呼吸系统健康。呼吸窘迫监测仪可自动连续计算呼吸窘迫指数，并在猪只出现仓促呼吸问题时发出警报。2020年，研究人员为了监测猪只的呼吸系统疾病，用驻极体麦克风和心型驻极体麦克风收集声音，将人工智能技术与声音采集设备相结合，可以实现对猪只咳嗽声音的识别，有效地为养猪业提供技术指导。此外，研究人员研究了患病猪只的图像与呼吸系统疾病或其他疾病相关的心率和呼吸频率之间的关系。2020年，Jorquera Chavez等人从热红外和常规图像中测量猪只的体温、心率和呼吸频率的变化，利用计算机视觉技术可以提供有关生理变化的重要且可用的数据，这可能有助于猪只疾病管理。2021年，Jorquera-Chavez等人构建并评估了基于RGB和热成像相机，计算机跟踪技术和光体积描记法原理等技术构建的系统，用于远程监测猪只的心率和呼吸频率。实验表明，病猪和健康猪之间存在显著差异，呼吸频率的显著变化主要发生在疾病的后期，然而该技术仍需要进一步研究。在猪只体重预测中，3D相机比2D相机更有利于估计猪只体重。Kongsro等人使用Kinect 3D相机获得了猪只的深度图和点云图，将其与机器学习技术相结合，以提高估计猪只体重的准确性。实验表明，该方法的误差估计为平均权重的4%～5%。
  3
  AI技术在养猪中的机遇与挑战
  尽管基于人工智能的视觉和声音在生猪检测和行为识别方面的发展良好，但由于养猪规模、养猪人员的教育水平、智能设备的标准和养猪数据等因素，精准养猪系统的应用仍面临诸多挑战。其主要面临的挑战包括智能设备的可靠性、使用和维护的便利性。在可靠性方面，传感器或其他精密设备可能需要安装在猪舍屋顶或其他恶劣环境(如高温、潮湿、灰尘和不稳定的电力供应)中，这会对硬件(如传感器)造成一定的侵蚀和损坏。另一方面，养猪场往往位于偏远的农村地区，给设备厂家进行常规维护或者维修带来不便。同时，高科技设备或系统需要熟练的农业工作人员来操作，如何开发不受教育程度限制的精密养猪设备或系统是一个重大的挑战。
  随着智能传感器、人工智能等相关技术的发展，精准养猪不断向知识型、科技型、现代智慧畜牧业方向发展。传感器模式和专家知识相结合，朝着标准化、规模化和智能化方向发展。继续开发复杂养殖环境中猪的表型和内在生理状态的自动识别系统，建立多模态方法，利用视觉和声音信号检测猪只不同生长阶段的行为和诊断疾病，进一步量化识别结果。此外，还应建立数字化生猪生长模型和健康福利评价系统，以提高产品可追溯性，促进自动化生猪管理。