设施畜牧业关键技术研究态势分析

孙艺伟，任 妮，郭 婷，戴红君

(江苏省农业科学院信息中心,南京 210014)

1 引言

设施畜牧业是在现代工业发展之后，采用先进设施和饲养技术为畜禽创造适宜的生活环境，并保证饲料营养，使分散的畜禽养殖转变成规模化工厂养殖[1]。目前中国畜牧产业正处于加快转型的重要时期，先进的畜牧养殖技术与装备能够实现畜牧产业快速发展的目标，而其中以“笼舍技术”“饲喂饮水技术”和“环境控制技术”为重点的设施畜牧业关键技术更值得引起重视[2]。在动物笼舍方面，设施畜牧养殖环境自动化控制、笼舍构造和内部装置创新研发等，使得畜牧集约化养殖有效发展。在饲喂饮水方面，当前畜牧业发达国家的畜牧养殖研究和应用重点是以信息感知为基础，在构建基于环境、营养、生理与生产调控模型的基础上，将畜牧业领域知识与养殖设备结合起来，形成针对不同畜牧的精准饲喂理论与管控技术[3]。在环境控制方面，除了养殖设施内温、湿度的控制外，随着规模化畜牧养殖业不断发展，大量畜禽粪便在固定区域内集中产生[4]，生产废弃物的处理也是一大重要问题。发达国家曾经借助先进、实用技术的研发和应用使之得到妥善解决，相比之下,中国畜禽废弃物污染防治技术研究起步较晚[5]，畜牧养殖业的环境控制问题已成为阻碍国内产业健康发展的重要因素[6]。

专利计量是竞争情报研究的重要方法之一[7]，以专利文献中的信息作为统计分析基础判断行业的竞争态势[8]。当前已被广泛应用于农业、医药、计算机、通讯、能源[9-21]等领域。本文以设施畜牧业笼舍、饲喂饮水和环境控制技术相关专利为分析对象，从发展趋势、技术分解、申请人等方面对设施畜牧业关键技术进行了分析，以期全面的揭示设施畜牧业关键技术的热点主题、研究布局及发展态势等，为该领域技术研发主体及个人提供数据支撑。

2 数据来源及工具

设施畜牧领域涉及的范围较广，笔者通过文献阅读、资料查阅和专家咨询对于设施畜牧的定义、范围等内容进行调研分析并构建检索式。在Incopat 数据库检索的基础上，从DII 数据库中共获取到相关数据40 256 项。根据IPC 号（表1）从中抽取出与“笼舍技术”“饲喂饮水技术”以及“环境控制技术”有关的专利，共计38 814 项作为本研究分析的数据集。使用DDA 等软件对专利数据进行了清洗处理。

表1 设施畜牧业技术与对应IPCTable 1 Technology of livestock and poultry farming facilities and the corresponding IPC

3 技术发展态势

根据设施畜牧业关键技术的相关专利申请时间，绘制了该领域关键技术的发展态势图。如图1 所示，笼舍、饲喂饮水和环境控制技术发展几乎同步经历了萌芽期（1988—1974 年）、波动发展期（1975—2006年）、快速发展期（2007 年—）3 个阶段。其中，在萌芽期3 类技术的专利申请量均整体偏少；自波动发展期开始，3 类技术的专利申请量均开始逐步波动增长，且各技术分支占比基本定型；到了快速发展期，3 类专利的申请量开始飞速增长，呈现直线上升态势。

图1 设施畜牧业关键技术发展态势Fig.1 Development trend of the key technology of livestock and poultry farming facilities

4 技术分解

对专利进行技术分解可以对领域的技术组成有更加清晰、深入的了解。本文根据IPC 分类号将全球设施畜牧业3 类关键技术进行分解，如图2～图4。笼舍技术和饲喂饮水技术主要根据家畜和家禽适用性进行分类，环境控制技术则为畜禽的共性技术。

4.1 笼舍技术

设施畜牧业笼舍技术指的是对畜牧业生产设施及其内部结构的研究及应用，主要分为家畜房舍、家禽笼舍和围栏技术3 方面的研究（图2），其中家畜房舍占比最多，围栏技术占比最少。在家畜房舍技术方面，房舍圈栏和房舍装置的专利申请量相当，房舍装置的研究重点方向有粪尿清除装置、垫板、拴系技术、挤奶站、饲喂架等。在家禽笼舍方面笼舍孵房与笼舍装置的相关专利的申请量相当，笼舍孵房中81.84%以上为产卵巢/孵房技术；而笼舍装置的研究重点方向有粪尿清除装置、家禽踏板、孵化供热装置等。综合来看，无论是家禽还是家畜，笼舍内装置研发均侧重于粪尿清除、垫板等技术。

图2 笼舍技术分解Fig.2 Cage technology decomposition

4.2 饲喂饮水技术

设施畜牧业饲喂饮水技术指的是设施内动物饲喂、饮水装置的研发与利用，主要从家畜适用和家禽适用的角度进行划分（图3），其中家畜适用的专利申请量更多。在家畜饲喂饮水技术方面，专利申请量最多的是饲喂技术，其次是饮水技术，而幼畜哺乳技术较少。家畜饲喂技术的研究重点方向有自动饲喂装置、饲喂槽技术、饲喂架等；家畜饮水技术的研究重点方向有自动饮水装置、动物控制式供水、浮子控制式供水等。在家禽饲喂饮水技术方面，专利申请量最多的是饲喂技术，饮水技术等均较少。家禽饲喂技术的研究重点方向有自动喂料技术、饲喂槽技术等。综合来看，无论是家禽还是家畜，饲喂技术的研究均多于饮水技术，而饲喂技术侧重于研发自动化饲喂设备和饲喂槽装置，饮水技术侧重研发自动化饮水装置。

图3 饮水饲喂技术分解Fig.3 Feeding technology decomposition

4.3 环境控制技术

设施畜牧业环境控制技术主要指对设施内的温度、湿度、生产废弃物等的调控及处理，可以分为三大类（图4）：废弃物处理技术、空气调节技术和房舍清洁刷洗技术，其中专利申请量最高的是废弃物处理技术，研究重点是粪尿清除技术；空气调节技术的研究重点方向有保温加热、通风技术和空气调节等。

图4 环境控制技术分解Fig.4 Technology decomposition of environment control

5 重点申请人

5.1 专利申请量分析

根据全球设施畜牧业3 类关键技术的专利申请量，本文分别选择排名前四位的申请人作为重点申请人进行对比分析（图5）。设施畜牧业3 类关键技术共涉及8 个重点申请人，其中，牧原食品股份有限公司在3 个技术领域的专利量均排前二位，VAN DER LELY NV C在笼舍技术和环境控制技术方面专利量均排第一位，表明他们在该领域的技术投入和创新成果较多。从重点申请人所属类型来看，8 个重点申请人中仅有一所大学（四川农业大学）和一所科研机构（中国农业科学院），其余均为企业，且企业专利量明显较多，说明在设施畜牧技术领域企业是重要的研发投入群体。

图5 设施畜牧业关键技术重点申请人Fig.5 Key applicants of livestock and poultry farming facilities

5.2 专利技术布局分析

如图6 所示，通过气泡图来展示设施畜牧业关键技术的8 个重要申请人的具体技术分布情况。可以看出，由于各个申请人的主营业务或类型不同，各申请人之间技术研究的差异较大，几乎都在各自的主要业务或研究方向上聚焦。其中，牧原食品股份有限公司的主营业务是生猪养殖，其专利技术主要布局在家畜房舍、家畜饲喂饮水和环境控制方面；VAN DER LELY NV C 和TETRA LAVAL Group 主要从事奶牛和乳业的发展，所以这两位申请人对房舍、挤奶站技术方面的研究较多，VAN DER LELY NV C 在粪尿清除和清洁刷洗技术方面也有较多专利布局；青岛田瑞牧业科技有限公司主要从事肉鸡的养殖业务，其在家禽的笼舍和饲喂饮水方面的研究较多；四川农业大学和TOYO SYSTEM KK 的专利主要布局在环境控制技术方面；CTB INC 公司在家禽、家畜方面的业务都有所涉及，专利布局主要侧重于家禽、家畜的饲喂饮水技术；中国农业科学院专利主要分布在家畜饲喂饮水和环境控制技术方面，其中自动饲喂和粪尿清除技术是布局重点。

图6 重点申请人技术布局Fig.6 Technical layout of key applicants

6 不同阶段重点专利

本文根据专利的被引频次统计了全球设施畜牧业关键技术不同阶段的重点专利及其技术要素，如图7～图9，可以看出设施畜牧业关键技术早期的重点专利主要集中在欧洲、美国、德国、澳大利亚、加拿大等国家/地区，近些年重点专利中的国内专利明显增多，原因主要有两个方面：一是国内设施畜牧业快速发展及知识产权保护意识提升，二是国内市场越来越受到国外的重视。

图7 笼舍技术重点专利及技术要素Fig.7 Key patents and technical elements of cage

图8 饲喂饮水技术重点专利及技术要素Fig.8 Key patents and technical elements of feeding

图9 环境控制技术重点专利及技术要素Fig.9 Key patents and technical elements of environment control

6.1 笼舍技术

家禽笼舍技术方面的重点专利主要包括笼舍结构、拣蛋装置、禽类运输装置等方面的研究。关于笼舍结构的研究早期主要有窗帘控制装置（US3915377A）、育雏设备（US4480588A）、移动/旋转式笼子（EP19891A1、CA1188578A1）、入口保护（CA1315618C）等，后期主要有加热通风（US5123595A）、照明（CN101925296A）、饲喂槽组件（US20050263085A1）、发酵床（CN101779600B）等；关于拣蛋技术研究从早期的各种鸡蛋收集装置（US4159696A、US4364332A、CA2002588A1）发展到近些年的鸡蛋自动计数装置（CN101073312B）。

家畜房舍技术方面的重点专利主要包括笼舍和挤奶机械两个方面的研究。早期笼舍技术已经开始着重于通风（US3915377A）、废弃物处理（US3982499A、US3980050A）等方面的研究；但在随后较长一段时间内，重点专利均与挤奶设备相关，包括自动挤奶杯（DE3474090D1）、超声波定位自动挤奶（DE3681924D1）、基于传感器的挤奶机器人（DE3875414D1、NZ332623A、DE69621272D1）、旋转挤奶站（EP689762A1、CN102711448A）、有质量分析功能的预挤奶设备（NZ580383A）等。

6.2 饲喂饮水技术

家禽饮水饲喂技术的重点专利主要包括输送装置、喂食装置等方面的研究。饲料输送装置早期由总分式（US3811412A）、螺旋式（US3911868A）等发展到后期的自动可调式（CA1216542A1）、悬挂式（AU643832B）；喂食装置方面，早期已有针对不同食性的喂食器（US4102308A），随后出现了流量控制式（EP68023A1）、套筒式（DE68901335D1）、悬挂式（CA2026791C）、折叠式（US6073582A）、可回收式（CA2610527C）等多种喂食器。

家畜饮水饲喂技术的重点专利主要侧重于研究养殖设备与饲喂机制的结合。在饲喂设备方面，由早期的便携式（US3885524A、NL197613634A）发展到后期的悬挂式（AU643832B）、两侧式（CN1265004A）饲喂装置；从饲喂机制方面来看，早期已有根据行为来控制饲喂量（DE3218438A1）、个性化口粮输送系统等（US4712511A）专利，后期更多的是应用各种技术的饲喂控制综合管理系统（CA1311057C、FR2689727 A1、CN101861837A、CN102105050A）等。

6.3 环境控制技术

废弃物处理技术方面的重点专利主要包括粪尿清除和废弃物综合利用等。粪尿清除技术的研究主要有传送装置（CA1041033A1）、刮板（US4321887A）、垫板（CA1125591A1）、明矾冲洗（US5890454A）、清洁滑轨（DE69913016D1）、可自动更换垫板（US20040050338A1）等；在废弃物综合利用方面，由早期的闭环式收集好氧堆肥（US3982499A）、干燥处理（DE3701677C1、DE3715735A1）等发展到了近期的发酵床技术（CN101779600B）。

空气调节技术方面的重点专利主要是利用空气调节部件对舍内温度和湿度的控制研究。在通风控制方面，早期有窗帘控制（US3915377A）、排风机（DE2556630A1、US4079665A）、空气循环系统（EP47043A2）等，后来有空气扩散器（FR2713317A1）、超声波空气清洁器（JP2003014267A）、地道风空调装置（CN1442637A）、供气百叶窗（CN101303157B）等；在温度控制方面，早期有地板加热（CH628948A5）、供暖系统（US4700887A）等，后来有了循环冷却喷雾（JP2002051657A）、可控温组合式温室（CN20117861 9Y）、地热式鸡舍（CN204272912U）等。

7 结论与讨论

本文对全球设施畜牧业笼舍、饲喂饮水和环境控制三大关键技术的发展趋势、技术分支、重要研发力量、重点专利等进行了分析，主要结论有：①笼舍、饲喂饮水和环境控制技术发展几乎同步经历了萌芽期、波动发展期、快速发展期3 个阶段，当前该领域专利的申请量呈现直线上升的态势。早期的重点专利主要集中在欧洲、美国、德国、澳大利亚、加拿大等国家/地区，近些年重点专利中的国内专利明显增多。技术研发主体以企业为主，各研发单位之间技术布局差异性明显。②笼舍技术方面装置研发均侧重于粪尿清除、垫板等技术。其中，家禽笼舍技术的重点专利主要包括笼舍结构、拣蛋装置、禽类运输装置等，家畜笼舍技术的重点专利主要包括笼舍和挤奶机械。③饲喂饮水技术方面饲喂技术的研究多于饮水技术，且均侧重于研发自动化设备。其中，家禽饮水饲喂技术的重点专利主要包括输送装置、喂食装置等，家畜饮水饲喂技术的重点专利主要侧重于研究养殖设备与饲喂机制的结合。④环境控制技术侧重于废弃物处理技术、空气调节技术和房舍清洁刷洗技术。其中，废弃物处理技术的重点专利主要包括粪尿清除和废弃物综合利用等，空气调节技术的重点专利主要是利用空气调节部件对舍内温度和湿度的控制研究。

通过对设施畜牧业三大技术领域专利进行深入分析，可以发现全球设施畜牧业领域技术研发活跃，创新性强，尤其是中国近些年发展迅速。下一步研究可从技术-功效和专利引证分析的角度出发，针对重点申请人的系列专利进行分析，构建技术路线图以发现前沿新兴技术，并预测未来技术的发展方向。