中国奶牛养殖设施装备技术研究进展

郑国生，施正香，滕光辉

（1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083；2.农业农村部设施农业工程重点实验室，北京100083；3.北京京鹏环宇畜牧科技股份有限公司，北京100094）

随着奶牛养殖设施装备机械化、智能化、信息化和关键生产技术的快速推广，奶业基地建设加快，奶业发展水平、一体化水平不断提升。据农业农村部统计，2015 年存栏100 头以上奶牛的规模养殖比例已达48.3%，较2008 年增长28.8%[1]，规模奶牛场基本实现全机械化挤奶，全国奶牛场全混合日粮（TMR）机械饲喂比率超过70%，80%的规模奶牛场采用机械自动化清粪，智能化牧场管理软件得到普遍应用，这些设施装备先进技术对改善养殖环境、提高奶牛单产、充分发挥奶牛优良遗传性能和提高饲料转化效率、减少疾病产生等有重要影响。然而，由于我国在现代规模养殖设施装备先进技术方面的研究和发展起步较晚，国产技术难以满足行业快速发展技术的需要，致使奶牛养殖业快速发展阶段的设施装备和技术供给主要依靠国际进口来完成。甚至，我国畜牧设施装备行业出现被国际市场垄断的局面，造成奶牛养殖成本居高不下。对此，本文从饲喂、挤奶、舍内环境控制和粪污处理4 个方面阐述了国内外奶牛养殖设施装备技术研究发展现状，通过剖析了中国奶牛养殖设施装备技术发展中存在的问题并据此提出科学建议，以期有效推进中国奶业养殖机械化发展。

1 国内外奶牛养殖设施装备技术研究现状

根据现代化规模牧场生产工艺流程，配套的工程技术装备主要包括饲草料生产、饲养、挤奶、环境控制和粪污处理利用等环节。当前奶牛养殖装备机械化主要体现在饲喂机械化、挤奶机械化、环境控制机械化和粪污处理机械化4 个方面。

1.1 饲喂设备技术研究 奶牛饲喂机械化技术分类主要包括犊牛饲喂车、TMR 饲喂搅拌车、自动饲喂传送带和饲喂机器人。

在犊牛饲喂机械化方面，我国奶牛场犊牛饲喂过程主要靠人工辅助完成，机械化程度较低。而国产相关装备研究和应用较少，且都尚在技术研究与产品开发阶段，如靳蜜肖等[2]研究设计了一种基于奶牛信息化管理技术与无线通信技术的犊牛饲喂系统，着力实现从奶牛识别到精确饲喂的过程[3]。 相比国内，国外在规模养殖设施设备技术方面的研究相对较早，经过长期的积累和发展，奶牛养殖已基本实现机械自动化管理[4]。如瑞典利拉伐公司的CF 系列全自动犊牛饲喂站、德国优本自动饲喂机及荷兰Lely Calm 犊牛站（图1、2）等，主要功能包括自动清洗、自动消毒、自动奶温控制、自动疾病监测和联网警报通知等。

图1 Paula ( U20) 型犊牛自动饲喂机

图2 Lely Calm 犊牛饮奶站

我国对奶牛饲喂设备技术方面的研究主要停留在不同类型TMR 饲喂搅拌车部件机械理论方面。赵丽萍等[5]对不同给料系统优缺点进行比较分析，为选择给料系统应考虑因素提出建议。于啸[6]通过对螺旋下料机原理、称重系统原理和相应的控制技术与网络通信技术研究，完成了奶牛精量下料装置及下料称重控制系统设计，实现了对下料称重过程的自适应控制，而相对更高层次智能化饲喂技术方面的研究还较少。杨存志等[7]研制了FR-200 型奶牛精准饲喂机器人，按人工设定程序自动运行和识别奶牛，为每头奶牛分别进行精准饲料配送，基本实现多批次小批量有规律科学饲喂。

国外关于奶牛场智能化饲喂系统的研究较早[8-10]，并在1983 年已经开始使用饲料自动配给系统。当前技术比较成熟的奶牛自动化饲喂设备主要有定位饲喂系统、自走式饲喂系统、悬挂轨道饲喂系统和传送带式饲喂系统4种形式。定位饲喂系统是一种单独安装在某固定位置的饲喂装置，该系统常用在挤奶位为奶牛进行实时补饲，以Dairymaster 奶厅定位补饲系统为代表（图3）。自走式饲喂机器人是一种在地面沿设定路线自动行走的饲喂系统，以Vector、Triomatic T15 为代表（图4）。悬挂式饲喂系统是一种通过悬臂梁滑动行走的饲喂系统[11]，以 TMR Robot 和Triomatic T10 为代表（图5）。自走式机器人和悬挂式饲喂系统都是基于无线射频技术识别奶牛信息，根据各奶牛特点进行精准识别投料，具有体积小，移动方便，噪音应激少等优点。传送带式饲喂系统主要由横纵向饲料输送带和饲料分拨器构成，其工作原理相对机器人简单，以芬兰Belt feeder 为代表（图6）。

图3 Dairymaster 定位饲喂系统

图4 Lely Vector 自走式饲喂机器

图5 Trioliet 悬挂式饲喂机器

图6 Pellon 带式自动饲喂系统

1.2 挤奶设备技术研究 我国当前对挤奶机设备技术的自主研发主要集中在移动式、鱼骨式、并列式和转盘式挤奶机骨架结构等物理机械研发及外观设计等领域，而关于核心技术设备产品的研究相对较少，如牛奶计量器、计步器、乳质检测魔盒和牧场管理系统等主要依靠国际进口来完成。根据农业农村部农业机械试验鉴定总站调研统计，调查挤奶机系统90 种产品中，其中有57%是企业自主组装生产；企业自身加工生产的占31%；代理销售国外产品占12%[12]。由此可见，我国在挤奶机技术创新方面与国外相比还有一定差距，亟待突破。

近年来，随着牧场管理要求水平的不断提高，自动挤奶机器人逐渐被行业所期许和推崇。自动挤奶机器人可以最大程度接近于奶牛自然产奶状态，在帮助牧场降低生产成本和劳动力的同时，不仅可以有效控制原料奶质量，而且能够为奶牛创造更好福利生活，保证奶牛健康[13-15]。因此，致使国内外相关企业、研究机构和学者都积极投入到了挤奶机器人的研究中。

英国Silsoe 研究所利用激光和摄像机视觉融合技术，研制出了一种气动机器人手臂，该手臂可以灵活精准的对奶牛乳房进行挤奶，大大降低了挤奶厅用工压力[16]。瑞典Delaval 采用4 个自由度液压系统机械臂，外加摄像头和双激光器，发明了全自动挤奶机器人（图7），可以准确定位乳房乳头位置，实现高效无人挤奶作业。美国Boumatic 公司采用6 个自由度的机械手臂，通过激光和摄像头三角测量法，准确定位，快速完成奶牛挤奶操作系列作业，实现奶牛例如自然状态挤奶（图8）。荷兰Lely 公司从操作便捷和工作效率的角度出发，研制出了仅有3 个自由度的机械手臂挤奶机器人（图9），相对其他挤奶机器人，该操作系统控制难度较低，更加简便，有效提高了牧场挤奶效率。

图7 Delaval 全自动挤奶机器人

图8 Pro Flex 挤奶机器人

图9 Lely 挤奶机器人

国内挤奶机器人的研究主要以基础理论研究为主，实际生产应用研究相对较少。刘俊杰等[17-18]根据国内奶牛的体貌特征，研究设计了适用于牧场奶厅挤奶的机械臂，并系统完成全自动挤奶试验，为我国奶牛养殖机械化水平的提高奠定了理论技术基础。但作为奶牛场的核心技术和关键生产环节，具有自主知识产权的先进挤奶机技术的研究和生产（如牛奶计量分析、牧场数字管理和智能机器人等）技术有待进一步快速突破和发展。

1.3 环控设备技术研究 在奶牛养殖过程中，舍内温度、相对湿度、风速及有害气体浓度对奶牛的健康生长有着重要影响。因为良好的生活环境不仅有利于奶牛的健康生长、降低发病率，还可提高生产性能、增加牧场经济效益等。因此，舍内环境实时监测和控制技术研究对现代规模奶牛养殖具有重要意义。

Hamscher 等[19]利用生物模型对禽类动物进行模拟，通过对禽舍环境参数分析，实现对禽舍内环境进行准确判断和控制。Pan 等[20-21]研发气味传感器检测设备对舍内环境条件进行实时监测，实现畜禽健康目标管理。在国内，关于畜禽舍环境控制技术的研究步伐在不断加快。王冉等[22]通过采用无线传感器技术，研发环境监测系统，自动监测畜禽舍内的温度、湿度和有害气体浓度等参数，为牧场精准科学管理奠定基础；邵林等[23]借助大数据算法对畜禽舍多环境环境参数进行系统融合分析，避免了单因素指标分析结果片面、代表性弱等问题，提高了畜禽场数据管理的准确性。钱东平等[24]采用模糊控制算法对畜禽舍环境参数进行调控研究，实现了对畜禽舍各环境参数的稳定调控。丁涛等[25-26]通过对扰流风机和喷淋水滴粒径进行研究，建议调整扰流风机扩散器开合角和长度，增加牛舍通风量；当喷淋水滴粒径设为0.947 mm 时，奶牛夏季喷淋降温效果最佳。同时，随着规模化牧场对配套设备要求的提高，工业设备也逐渐在畜牧行业得到应用，如7.2 m 直径变频吊扇，利用其大风量低风速的特点，安装在牛舍内，夏季可降低舍内温度，冬季可排除舍内有害气体。

1.4 粪污处理设备技术研究 目前，规模化奶牛场粪污清理方式主要包括铲车清粪、机械刮板清粪、水冲清粪和自动机器人清粪4 种。根据我国规模化牧场发展模式和实际生产现状，主要以铲车清粪和机械刮板清粪为主，在欧美发达地区，规模牧场粪污清理主要以机械刮板和机器人清粪为主。

基于中国牧场养殖规模大，不同地区粪污处理工艺各异等特点，当前关于清粪设备的研究主要以机械刮板和相关工艺为主，机器人研究较少。杨存志等[27]和侯云涛等[28]通过超声波测距和陀螺仪定位方法研制了一种适合于漏缝地板的远程控制自走式智能清粪机器人，运行平稳，静音安全。国外关于牛舍清粪设备的研究已经进入信息化与智能化高端先进技术研究阶段，且技术逐渐趋于成熟，其中主要以荷兰Lely 公司、德国GEA 公司、瑞典Delaval 公司、荷兰Joz 公司和加拿大Jamesway 公司的自动清粪刮板和智能化自动清粪机器人设备为代表（图10），设备精巧，操作简单，无噪声无污染，环保节能，基本实现智能化无人作业。

图10 清粪机器人

关于牧场粪污处理设备技术，我国当前仍以进口为主，虽然通过近10 多年的学习摸索，自主国产设备技术取得较大的进步，但是其实际工作性能与进口设备技术差距依旧较大，如进口固液分离机对牧场粪污分离后固体中含水率60%～70%，液体中含固率2%～3%，而国产设备要达到同样效果，则需要加大驱动电机功率，耗能高且寿命短；当前国际上牧场粪污处理设备主要包括固液分离系统、固体粪便发酵处理再利用系统和污水净化处理系统三大类，其核心技术大部分由欧美国家相关企业掌握。如具有代表性的意大利CRI-MAN 公司和奥地利BAUER 公司的固液分离系统和牛床垫料再生系统及ROTA 公司的污水处理系统（图11）。中国大型规模牧场的粪污处理系统设备技术主要由以上3 家公司提供。

固液分离是当前畜禽场粪污处理的关键技术环节，但国内关于畜禽场专业固液分离设备的研究较少，如滚轴过滤式、螺旋挤压式分离机和卧螺离心机等主要靠国外进口满足需求，到目前为止，只有少数企业能够进行一定程度的自我研发，如浙江明江环保科技有限公司等。

通过以上国内外奶牛养殖设施装备技术研究的梳理，行业先进装备技术主要被欧美国家企业所掌控，中国当前处在设备技术引进和初步研发实验阶段，短期内仍难以达到国际先进技术水平，更难以满足我国规模化奶牛场快速发展对先进技术装备的需要，因此，关于奶牛养殖设施装备先进技术方面的研究和挖掘意义深远。

图11 粪污处理设备

中国奶牛养殖设施装备发展存在问题

2.1 设施装备产业结构不合理，市场竞争无序 中国奶牛规模化养殖发展和配套服务设施装备制造企业起步晚，且设施装备企业大部分处于成长初期阶段，规模较小，产品同质化较严重。部分企业为达盈利目的，甚至利用低质量来换取低成本，严重影响到行业市场的良性发展。因此，奶牛养殖设施装备企业的产业机构有待进一步调整，实现产品结构由同质化向差异化、特征化转变，市场结构要从客户需求转向引导创新需求。只有形成优势互补的产业结构，推动行业内资源集聚，形成大规模集聚效应，才能促进整个养殖设施装备行业健康有序发展。

2.2 行业研发基础理论薄，原始技术创新匮乏，自主产品国际竞争力弱 中国养殖设施装备产业主要采用引进、学习应用的发展模式，对产品核心技术的应用研究较少，缺乏具有自主知识产权的原创新性技术产品，主要产品开发尚停留在经验设计阶段，短期内国产产品无法与国际产品在市场上展开有力竞争。如何采用现代科技和制造技术，加速传统技术改造，已成为养殖设施装备产业能否可持续发展的关键。

2.3 研发投入经费不足，关键技术研究滞后 虽然近年来中国规模化奶牛养殖设施装备行业受到了国家和社会各界的重视，但整个行业仍存在研发经费投入不足问题。通过国际畜牧装备的研发历史和经验可知，产品创新需要大量的时间和资金投入，且短期内难以产生可观的经济效益。国内农牧设施装备生产企业因新产品研发投资大，周期长，其更多采取贸易采购、模仿制造等方式解决市场新技术需求问题；在欧美国家或地区，行业大部分先进技术研发工作主要由企业负责完成，因为企业可以从生产实践中不断发现新问题并进行创新优化和改进，快速实现共性关键技术更新。而中国当前行业技术研发工作主要由科研院校等事业单位来完成，技术更新速度较实际生产慢，甚至出现部分科研技术理论结果与实际生产脱钩问题。因此，我国要加速科技创新机制的改革和完善，实现以企业为主体、市场为导向的新型产学研机制，提高企业创新发展活力。

3 建 议

3.1 完善创新体制改革，激发产业活力 以激发养殖设施装备技术创新主体活力，建议国家通过财税优惠政策，推动科研院校关注基础理论和应用技术，促使企业积极投身于行业创新技术研究发展。如设立专项促进基金，吸纳社会研发力量，鼓励科研院校与企业单位协同合作，以科研成果应用价值来评定和激励真正的创新者、合作者，促进装备技术价值的真正体现。

3.2 强化国家畜禽养殖装备工程技术研究中心建设，增强共性技术研发能力 通过建立国家养殖装备工程技术研究中心，推动养殖装备行业技术创新，为行业内企业单位、生产用户提供关键技术支撑，并具备相关先进技术的消化、吸收和创新能力，培养专业高端技术人才，为广大中小企业技术创新提供科学技术平台。

3.3 倡导合作创新，构建养殖装备技术公共服务平台由于装备技术研发工作周期长、投入大，通常小企业自身不愿意进行技术创新工作，但这些小型企业往往又最需要获得新技术以促进企业的可持续发展。因此，倡导企业合作创新，构建养殖装备技术公共服务平台，降低创新成本，提高创新效率，增强企业技术创新实力和市场竞争能力。

4 小 结

设施装备技术现代化发展对中国奶牛养殖机械化水平的提高具有重要意义。为满足规模化奶牛养殖快速发展对设施装备的需求，在未来技术发展方向上，要深化科技制造与互联网信息技术相互融合，加大奶牛养殖相关饲喂、挤奶、环境控制和粪污处理关键设备在自动化、智能化和功能多样化方面的技术研究，改变设备技术长期依赖进口的被动局面，切实提升中国奶牛养殖机械装备生产水平。为奶牛养殖提供更加舒适、节能的配套设施装备，降低牧场运营成本和人力劳动强度，提高工作效率，促进现代奶业健康可持续发展，实现奶牛养殖装备机械化全面发展。