北京地区家畜养殖数字化现状

杨 亮，张 帆，王 辉，熊本海

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193

0 引言

农业正在由传统的机械化农业向以数字要素为基础的智慧农业迈进，数字农业是伴随网络化、信息化和数字化在农业经济发展中的应用，是农民信息化技能的提高而内生的农业现代化发展和转型进程，是农业生产要素、农业经营管理过程的数字化。以农业互联网、农业大数据、精准农业、智慧农业、人工智能为代表的数字农业技术已被广泛应用在农业领域。加快推进数字农业建设既是补齐农业现代化短板的重要举措，也是深入贯彻新发展理念、加快构建新发展格局的关键一环。大力发展数字农业，是推动乡村振兴，建设数字中国的重要组成部分。北京市坚持问题导向，不断夯实数字农业基础支撑，持续推进数字技术与生产经营的深度融合，全面提升农民数字化素养与技能，全面引领农业数字化转型，实现数字赋能农业高质量发展，为建设全球数字经济标杆城市提供动力和支撑。

数字化养殖技术指的是运用现代数字技术，建立高效的电子养殖系统[1]。在规模化、集约化养殖模式下，运用大数据、人工智能、物联网技术是实现数字化养殖的基础。在此过程中，需要考虑动物个体及所处生理阶段的不同需求，构建的数字化养殖体系需要具有全面性，最大限度保障动物的健康和生产性能。家畜数字化养殖主要包括养殖环境、养殖过程和养殖管理等环节，数字化在牧场上的应用包含个体身份识别、营养精准供给、发情与疾病监测、称重与分群、数字化挤奶、环境精准监控、人员管控、网络化视频监控、数据信息共享等。数字化养殖可以提高家畜养殖的生产效率，提高养殖企业的管理效率。家畜养殖是现代农业的重要组成部分，是农业现代化的标志性产业，也是京郊都市型农业的重点产业。北京作为都市奶牛养殖业的典型代表，具有显著的带动周边区域的效应。北京现有存栏奶牛5.2 万头，存栏生猪32.6 万头，规模呈现下降趋势，如何保障畜产品的稳定供应显得尤为重要。

1 养殖环境数字化

随着家畜养殖向集约化、规模化的快速发展，为家畜提供舒适的生长环境，应用数字化环控系统的重要性凸显。数字化环控系统通过数据化模式向养殖者提供养殖场的环境数据，根据预设的环境阈值自动执行相关设备的运转，保障家畜处于健康的养殖环境。数字化环控系统的应用可以提高家畜的存活率，减少热应激症状等，增加养殖企业的收益。

奶牛生产的最适宜温度是5~25 ℃，当环境温度高于35 ℃、相对湿度高于80%时，奶牛会出现明显的热应激症状，表现为呼吸频率加快，采食量下降，反刍时间减少，唾液分泌量减少，瘤胃pH值降低，产奶量下降。北京地区属于华北地区，7、8月是每年最热的月份，最高温度达到40 ℃，由于热应激导致的北京地区奶牛场日产奶量下降3 kg以上的占比达37.1%[2]，奶牛的热应激反应较为严重，炎热的夏季对泌乳牛是严峻的考验。调研发现，北京地区奶牛场夏季常用的降温方法是使用风扇、遮阳网和喷淋等。其中，喷淋、遮阳网相比风扇更能减少夏季热应激对奶牛产奶量的影响。喷淋是比较流行的夏季降温措施，喷淋装置安装和使用比较方便，降温效果较好。养殖场正确使用喷淋能有效降低热应激水平，减小产奶量降幅；不使用喷淋的养殖场，高产牛群的产奶量降幅高于低产牛群。养殖场喷淋设备的自动化程度与牛场规模直接相关，近50%的规模化奶牛场应用了能够自动喷淋处理的环境监控系统。该系统实时监测养殖场的环境温度，当温度超出阈值时，系统自动启动喷淋设施，实现养殖环境的智能化控制。家庭农场等部分小规模养殖场，还依靠人工手动控制模式进行喷淋操作，没有环境自动监测及控制设施。

2018年暴发的非洲猪瘟，对生猪产业带来巨大的影响，养殖企业深受其害。非洲猪瘟病毒传播速度快，传播途径多。养殖环境中的应激因素是疾病发生的主要诱因，良好的设施环境是猪只健康生长的重要保障。针对不同类型的猪只，养殖场设定了对应的最适宜温度，例如对于新生仔猪，环境控制箱会自动调节电热板的启停，保证环境温度在32.3~37.8 ℃区间，满足新生仔猪的需求。针对猪舍中存在的有害气体，环境控制系统中配置有传感器，检测环境中气体浓度，当有害气体值超出阈值时，就会自动启动风机等设备，保证猪只的健康生长环境。整体上，由于非洲猪瘟的影响，北京地区的养猪场均配备了智能化的环境控制系统，实现了养殖环境的数字化管理。

2 养殖过程数字化

家畜养殖过程的数字化管理尤为重要，直接影响养殖场管理分析的准确性，需要重点关注。数字化对于提高养殖场管理效率、及时发现生产问题、减少人力成本、提高经济效益发挥着重要的作用，需要引起养殖企业的高度重视。

2.1 个体信息感知

家畜个体信息感知是现代畜牧业发展的基础，通过感知家畜个体信息，实现家畜生长及生理信息的监测，是实现家畜养殖过程数字化管理的前提[3]。随着人工智能技术的快速发展，机器视觉、深度学习等技术逐渐应用到家畜养殖中，明显提高了养殖场的生产效率。奶牛的体温、活动量、反刍行为等信息直接与奶牛的健康状况相关，实现对上述信息的及时监测，构建奶牛生理、生长及健康模型，为奶牛的福利化健康养殖提供技术支撑[4]。

传统人工观察家畜发情的方法存在着工作量大、检出效率低，不易发现夜间家畜发情等弊端，导致错过家畜的最佳配种时间，影响养殖场的经济效益。数字化检测奶牛发情方法提高了奶牛发情检出率[5]，特别是非接触式发情检测技术及装置，减少对家畜的伤害，提高了家畜养殖的现代化水平。调研发现，北京地区家畜养殖过程中，SCR项圈被广泛应用于养殖场的数千头奶牛，使养殖场的管理更信息化、智能化，给养殖场的生产经营带来了积极影响。在养殖过程中，由于反刍问题而导致的奶牛产奶量下降通常在2~3 天后反映出来，会影响到奶牛这段时间的产奶量。SCR项圈具有监测奶牛反刍的功能，牛场管理者应用此功能，在2 h内就能发现问题，进而及时处理以避免产奶量下降带来的损失。SCR项圈还具有监测奶牛发情的功能，内置的微型电子磁力系统芯片能够精确的监测到奶牛发情情况，实现养殖场对牛只的全天候实时监控。SCR项圈具有监测奶牛活动的功能，每20 min收集1 次数据，每2 h传输到远程服务器，数据经过自动处理后，呈现在养殖场管理的应用设备上。

计步器也广泛应用在家畜的信息感知方面。计步器可以监测家畜的运动量、体温等基础健康数据；读取每头牛的产奶量，实现奶量数据的识别与自动上传；利用自然发情揭发技术，监测奶牛是否进入发情期，指导工作人员了解最佳配种时间，提高受胎率，提高生产效率。调研发现，牛场使用的计步器主要从国外进口，存在着成本较高的问题，不利于进行大规模应用。

奶牛养殖过程中，产后保健对奶牛的健康至关重要，可以提高奶牛的受胎率，缩短奶牛胎间距，提高奶牛繁殖率[6]。调研发现，家畜养殖过程中的产后疾病以预防为主治疗为辅，如果通过信息感知技术，及时监测家畜的生理状况，出现健康问题时做到早发现、早治疗尤为重要。北京地区针对奶牛产后的繁殖保健主要以人工监测产后母牛生殖器官为重点，进行生殖系统疾病的全面监控，先进的数字化技术应用较少。针对产后钙流失引起的产乳热等症状，Wang等[7]应用对钙离子特异性较高的DNA酶制备半导体生物传感器，并与铅离子生物传感器联用，构建了干扰解析模型，可以大幅提高钙离子的检测精度，为更高精度检测牛奶和水中钙离子含量提供了一种新方法。

2.2 个体精准饲喂

饲料成本占奶牛养殖成本的70%，是决定奶牛场养殖效益的关键因素[8]。如何在满足奶牛营养需要的前提下，实现奶牛的精准营养供给与智能饲喂，显得尤为重要。饲料作为营养物质的载体[9]，科学调控其投入和产出的关系，实现对家畜所需营养物质的最佳供给量，离不开数字化技术及装备的应用。调研发现，北京地区养殖场应用精准饲喂设备的比例较低，特别是中小规模养殖场，主要依赖传统的人工饲喂模式，对饲料的投入量、家畜个体的采食量等信息缺失，极易造成饲料的浪费。

在饲料配置方面，主要采用传统的人工称重配制模式。精料在场内自行配制，经过固定卧式TMR搅拌机搅拌后，应用三轮撒料车到牛舍进行投喂。上述方式缺少饲料制作过程的监控设施，无法对饲料制作的准确度、制作量、制作时间及剩料量进行记录监测。养殖场也缺乏家畜饲料原料质量检测、配置饲料质量的检测设施。为此，亟需运用数字化技术，建设现代化的养殖场数字饲喂系统，实现对饲料制作过程中加料种类、加料量、投喂圈舍、投喂量的智能提示，实现实际加料量与投喂量、剩料的科学记录，及时监测制作饲料准确度、用料量、圈舍家畜采食量，为提高养殖场生产和管理水平提供支撑。

2.3 生产性能测定

奶牛生产性能测定（Dairy Herd Improvement，DHI）是对牛群进行遗传改良、建立高产核心群、选育优秀种公牛，调控奶牛生产、实现牛群的规范化管理，调整饲料配方和喂量、减少浪费，开展常见病预防、实现安全生产，提高牛奶质量，提供高质量原料奶，进而提高经济效益的最为重要的必要性、基础性工作。DHI技术作为养殖场数据监控的重要手段，集数据采集、系谱追溯、群体改良、精准饲喂于一体的综合性管控技术，是现代化奶牛管控的主要抓手[10]，其工作开展的好坏，直接关系着奶业的正常健康发展。

中国DHI技术从1992年发展至今，已有30年的历程。测定的指标包括每头牛的日产奶量、乳脂率、乳蛋白率、泌乳天数、泌乳持续力、脂蛋白比、体细胞数、高峰奶量、高峰日等指标，对掌握每头牛的健康情况非常有帮助。针对产奶量、高峰奶等数据进行评估，可以及时调整围产期和新产牛的管理，监测及淘汰低产奶牛。

调研发现，北京地区养殖场根据报告对奶牛进行及时诊治，通常会把报告中产奶量排名后10%的奶牛及时淘汰掉。随着月份的变化，奶牛产奶量和乳成分的变化规律比较稳定[11]，当4月天气回暖，产奶量连续3个月小幅度上升，当7月温度较高，引起奶牛的热应激导致产奶量回落。随着日产奶量的提升，会稀释乳汁、乳蛋白在单位体积内的含量，乳成分及体细胞数呈现出下降趋势。随着奶牛胎次的增加，日产奶量相应增加，其中高峰奶在三胎牛的数值最高；体细胞数相应提高，主要是由于奶牛的乳房功能出现衰减，乳房下坠后更易与地面发生接触，导致乳房细菌微生物数量明显上升。存在的问题主要是养殖场工作人员的专业知识较差，无法对返回的DHI数据进行专业分析，还需要加强对养殖场工作人员的专业培训。

3 养殖管理数字化

随着家畜养殖规模的增加，管理难度相应增加，养殖管理的数字化需求更为迫切，亟需实行精细化管理，达到最大限度的规模效益。在人员管控方面，规模化养殖场管控比较规范，有配套的人员管理系统及网络化视频监控系统，有利于管理人员及时掌控及查询养殖场内状况。家庭农场等较小规模养殖场，固定工作人员较少，部分养殖员对数字化管理系统和设备的使用能力较为欠缺，易出现操作失误引起信息丢失、设备故障甚至系统瘫痪，难以发挥数字化养殖的最大效用，甚至对养殖场带来经济损失。为此，需要组织固定人员参加专业培训，熟悉所负责工作场景的管控及监测设备，提高规范操作与信息化水平。在数据信息共享方面，养殖场技术人员查询家畜信息时，一般需要到台式机上进行操作，缺乏移动式查询设备。如果能实现对所有数据的快速统一自动分析并做出提示，可以方便管理者准确、及时做出应对措施。

4 展望

首先，政策支持是关键。近年来，北京地区养殖场不断受到来自城建、环评等方面的多重压力，特别是随着饲料成本的居高不下，大豆粕5 500 元/吨，玉米3 000 元/吨，而奶价只有3.8 元/kg，养殖场面临着持续亏损。在如此重压之下，养殖场的基础设施维护更加困难，造成严重的经营受限，只能不断缩小养殖规模，甚至打算去外地发展，导致北京地区家畜存栏量处在的较低水平，对北京畜牧业发展将带来非常不利的影响。以北京市三石奶牛场为例，该场拥有多年的养殖经验和场地基础，养殖场现有土地可以养殖1 000~1 500 头奶牛，牛场周围有大量耕地，有利于粪污的就地还田，现实情况是场内只养殖了400 多头奶牛，造成了严重的资源闲置与浪费，亟需政府出台相应的政策和资金的支持，建立健全农业金融信贷体系，鼓励养殖场扩大规模，发展壮大北京地区养殖业。

其次，过程管理是重点。大力促进养殖场应用信息化管理系统，具有实时的指标预警、全面的问题分析与挖掘、详尽的指标注释等特色功能，引进高端挤奶机以及发情监测、精准饲喂等智能化设备。为养殖场生产繁育工作提供一种科学、高效的管理工具，助力养殖业的数字化转型升级，提高养殖场的智能化和装备化水平。建立育种中心、饲料化验室、分子生物学实验室等多个检测部门，提升对重大疫病的防控及监测能力。建立可追溯系统，实现从源头到餐桌的全程质量监控，真正让消费者放心。

最后，技术创新是手段。不断进行技术创新，在环境监测与调控方面，养殖场需要引进先进的无损监测技术获取养殖环境的主要信息，自动化控制养殖场内温度、湿度、通风、采光等，改善家畜生长环境、提升动物福利、增加经济效益。在家畜关键生理、生长信息感知方面，应用非接触式传感器技术，避免引起家畜的应激反应，例如应用热红外成像技术作为非侵入式方法来直观表现出家畜不同部位的体表温度与差异；使用机器视觉技术构建动物体尺与体重的强相关性，实现体重估测；使用传感器监测家畜的采食、饮水行为；根据奶牛发情的爬跨行为特征，开发基于卷积神经网络的奶牛发情行为识别方法，实现无接触实时监测，提高对奶牛发情行为的识别率，提高规模化奶牛养殖的管理效率。

数字化是畜牧业现代化的必然趋势，在“双循环”战略格局下，利用现代信息技术对畜牧业进行转型升级，实现由粗放到精细、由低效到高效的高质量发展尤为重要。养殖场向数字化、智能化转型是未来发展的必然趋势，信息感知和数字化管理等技术在生产中发挥着重要作用。北京地区养殖场亟需针对实际生产需求进行深入探索与持续发展，大力推广现代信息技术与智能化装备在家畜养殖领域的发展应用，加快转型效率，提升养殖水平，增加养殖经济效益，真正实现北京地区家畜养殖业的高质量发展。