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综合研究

家畜智能养殖设备和饲喂技术应用研究现状与发展趋势

  • 赵一广 ,
  • 杨亮 ,
  • 郑姗姗 ,
  • 熊本海 , *
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  • 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
* 熊本海(1963-),男,博士,研究员,研究方向:动物营养与智慧畜牧业,电话:010-62811680 ,E-mail:

赵一广(1986-),男,博士,助理研究员,研究方向:动物营养与智慧畜牧业,Email: zhaoyiguang@caas.cn。

收稿日期: 2018-11-18

  要求修回日期: 2018-12-29

  网络出版日期: 2019-02-22

基金资助

2017年度北京市重大科技及计划课题(D171100000417002)

“十三五”重大研发项目课题(2017YFD0700604)

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。

Advances in the development and applications of intelligent equipment and feeding technology for livestock production

  • ZHAO Yiguang ,
  • YANG Liang ,
  • ZHENG Shanshan ,
  • XIONG Benhai , *
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  • State Key Laboratory of Animal Nutrition, Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China

Received date: 2018-11-18

  Request revised date: 2018-12-29

  Online published: 2019-02-22

Copyright

Copyright reserved © 2019

摘要

家畜智能养殖设备是智能农机装备的组成部分之一,是国际农业装备产业技术竞争的焦点。本文重点围绕家畜智能养殖设备与饲喂技术在实践中的应用,进行了系统的性能特点分析。目前家畜智能养殖设备的开发对象主要针对猪和奶牛,主要研发的系统包括妊娠母猪电子饲喂站、哺乳母猪精准饲喂系统、奶牛精准饲喂系统和挤奶机器人等。家畜智能养殖设备的工业化应用必须与养殖模式、畜舍结构布局结合起来,才能发挥设备的使用效率,同时从满足动物的福利出发,与动物生理、生长及行为结合起来,形成设备与动物的互作和相互适应。最后指出了智能设备的研究必须与畜牧业生产的理论、目标产品的功能驱动及养殖方式的创新协调一致,要不断地更新换代,才能助推畜牧业的转型升级。

本文引用格式

赵一广 , 杨亮 , 郑姗姗 , 熊本海 . 家畜智能养殖设备和饲喂技术应用研究现状与发展趋势[J]. 智慧农业, 2019 , 1(1) : 20 -31 . DOI: 10.12133/j.smartag.2019.1.1.201812-SA017

Abstract

Intelligent equipment for livestock production is one of the components of intelligent agricultural machinery equipment, and is the focus of technology development in international agricultural equipment industry. This paper reviewed the current situation and development trend of intelligent equipment for livestock production systems nationally and internationally, including electronic feeding stations, animal farming robots, and many supporting intelligent facilities within the animal house. The features and performance characteristics of the equipment were discussed. The development of intelligent equipment for livestock production systems mainly focused on pigs and dairy cows including electronic sow feeding station, lactating sow precision feeding system, electronic cattle feeding station, automatic cattle feeding system, cattle feed pusher and dairy cow milking robot. The development and application of intelligent livestock equipment such as the electronic feeding stations and feeding robots, have significantly increased the production efficiency and saved labor cost in both pig and dairy farms. In addition, it also contributed to improve both of the animal and farmer welfare. However, there is still considerable room to get the application of intelligent livestock equipment improved in practice. For example, the animals have to be trained to get used to the intelligent facilities. On the other hand, the intelligent facilities are also required to identify individual animal or animal organ more accurately in order to further increase the production efficiency. Therefore, the key features in the further development of intelligent livestock equipment would be smarter, more convenient, more reliable, and more economical. At the meantime, it should be a highly integrated and coordinated intelligent system including intelligent facilities, well trained staff, good animal welfare, and comfortable environment. Therefore, the industrial application of the intelligent livestock equipment should be integrated with the local farming practice and fitted with the layout of animal houses in order to increase the efficiency of the equipment, and consequently, to improve animal welfare. The systematical combination of intelligent facilities and animal physiology, animal growth, and animal behavior could contribute to the dynamic interactions between the equipment and animal. Finally, it was concluded that the development of intelligent equipment should be coordinated with the theory of animal production, the function of animal products and the innovation of farming practice. And it also should be continuously updated to promote the transformation and upgrading of animal husbandry industry.

1 引言

畜牧养殖业是关系国计民生的农业支柱产业。当前,我国畜牧养殖业正面临“养殖效益低下、疫病问题突出、环境污染严重、设施设备落后”四大瓶颈问题[1]。解决这些问题的根本出路除了大力开展家畜疫病防控,净化与根除养殖环境污染源,推进养殖废弃物的无害化处理与资源化利用之外,在我国农业劳动力结构急剧变化、数量急剧减少的情形下,更要推动智能家畜养殖设备的技术自主创新与产业化,这也是实现我国畜牧养殖业快速转型、提质增效和新旧动能转换的重要领域[2]
智能家畜养殖设备是智能农机装备的组成部分之一,是提高生产效率、转变发展方式、增强农业综合生产力的物质基础。当前,我国畜牧养殖设施化、规模化经营比例显著增加[3],以生猪养殖为例,2014 年我国规模化养殖场(年出栏500 头以上)生猪出栏占比42%, 到2015 年我国规模化养殖场生猪出栏占比44%,到2016 年占比已接近50%[4]。但随着农业劳动力的大量转移,对装备技术的智能化要求更高,产品需求巨大。长期以来,我国家畜养殖装备尤其是智能设备研究基础薄弱,整机可靠性和智能化程度不高,核心部件和高端产品依赖进口,导致设施养殖场的硬件投入大,成本回收期长。而核心养殖设备尤其是作业机器人严重缺乏,导致畜牧业综合生产力较低,成本居高不下。发达养猪国家,如荷兰、丹麦的繁殖母猪年供断奶仔猪头数(Piglets weaned/Sow/Year, PSY,反映母猪生产力)可达30头以上[5],而我国2016年的PSY为16头左右[6],与发达国家差距明显。而最能体现精细化与智能化水平的泌乳牛年单产水平,以色列超过了11t,美国接近10t,而我国总体水平为6.5t[7]。另一方面,我国肉、奶生产总体成本明显偏高,缺乏市场竞争力。例如,牛羊肉的生产成本是美国和澳大利亚的2~3倍,生乳生产成本是新西兰的2倍以上等[8]。国际知名智能养殖设备制造企业,如德国大荷兰人(Big Dutchman)公司,法国ACEMO公司, 奥地利Schauer公司[3],荷兰睿宝乐(NeDaP)公司[9],美国奥斯本工业(Osborne)公司[10],瑞典利拉伐公司[11]等,正凭借技术和资本优势全面进入中国,抢占高端家畜养殖设备市场。因此,加快智能养殖装备技术与产品研发,提升供给能力,缩小与国外主流产品差距,支撑现代畜牧业发展,对保障畜产品安全意义重大。本文主要从猪和奶牛的智能养殖设备两方面,总结国际上主要智能养殖装备的性能特点,为国产智能养殖设备的设计布局及发展提供参考。

2 猪智能养殖设备

养猪产业主要涉及的智能养殖设备包括妊娠母猪电子饲喂站和哺乳母猪精准饲喂系统两种。

2.1 妊娠母猪电子饲喂站

妊娠母猪是指配种后到产崽之前的繁殖母猪。母猪妊娠平均为114天[12]。传统的饲喂方式是限位栏饲喂,即一猪一栏饲喂。一是可防止胚胎附植前流产,二是有利于妊娠前期限制饲料喂量。随着电子标识及自动控制技术的发展,尤其在欧美倡导的动物福利理念作用下,母猪电子饲喂站应运而生。其饲喂的原理是圈栏散养,即数十头妊娠母猪在一个圈栏内,共用一台母猪电子饲喂站(Electronic Sow Feeding, ESF)饲喂、休息、排泄甚至监测发情等[13]。电子饲喂站系统包括耳标识别及嵌入式控制系统,可以按每头母猪的采食曲线或妊娠日龄控制每天甚至每次的采食量,并自动记录采食量数据。反过来也可依据已完成的采食量,调控后续的采食量,因此具有智能化控制的特点。长期的饲喂数据及效果表明,采用ESF不仅符合动物福利,还能有效减少母猪肢体疾病、减少应激、改善体况、促进产仔健康,提高母猪生产寿命[14]。如果设备进一步和自动供料线配套,实现智能设备与养殖畜舍的合理匹配,可明显节省劳动力。
在国际上,研究时间较长且市场占有率较高的ESF有荷兰NeDaP公司生产的Velos系统[15]和加拿大JYGA公司生产的Gestal 3G系统[16]
图1所示为荷兰NeDaP公司生产的Velos ESF。每台饲喂站可饲喂40~50头母猪,每头母猪单独进入采食不受其他猪只的干扰,进入的猪只采食到它应食入的饲料后,饲喂站会自动停止下料。如果采食完的猪只在规定的时间内不离开饲喂站,进入门也会打开让后续猪只进入,去驱赶前序猪只离开,从而提高设备的利用率。一般猪只经过5~7天的饲喂过程培训后,都会有序采食并在圈栏中友好相处,体现了智能设备与动物的和谐互动。
图1 荷兰NeDaP公司生产的Velos母猪电子饲喂站

Fig. 1 Velos ESF, NeDaP Retail, The Netherlands

图2所示为加拿大JYGA公司生产的Gestal 3G ESF[16],每台ESF可饲喂16~22头母猪,进出口及通道高度融合,设备占地面积少,且安装与移动方便,可依据圈栏面积大小配备不同数量的ESF。这样即使个别设备出问题,也不太影响正常的饲喂,猪只之间因争抢进食发生的撕咬频率明显减少,实现了从设计理念到结构调整的创新性突破。
图2 加拿大JYGA公司生产的Gestal 3G母猪电子饲喂站

Fig. 2 Gestal 3G ESF, JYGA Technologies, Canada

对比Velos和Gestal 3G两种饲喂站不难发现,前者属于传统型饲喂站,每个猪圈放置一台,每台占地面积较大,可饲喂猪只头数较多,因而限制了每头母猪每天的采食次数。一旦饲喂站出现故障,会影响全圈母猪采食。而且设备设计较复杂,维修不便。相反,后者属于简便性饲喂站,虽然每台可饲喂猪只头数相对较少,但占地面积小,每个猪圈可放置一组多台,适合各种规模的母猪群。由于设计轻便,即使出现故障,维修也相对简易快速,减少对正常生产的影响。
在中国,母猪电子饲喂站的研究正在经历从模仿到自主创新的起步阶段,大规模应用尚需时日。代表性的产品是中国农业科学院北京畜牧兽医研究所联合南商农牧科技股份有限公司研究的ESF(图3),其实现了雨刷电机、接近传感器与母猪采食行为的协同工作,基本上解决了国产饲喂站长期存在的剩料难题,可饲喂的妊娠母猪头数达40头以上[14]。成都肇元科技有限公司结合我国目前妊娠母猪的养殖规模、养殖设施及从业人员的养殖习惯,研制了一种轻便、适合小群体妊娠母猪的饲喂站[17]图4),可饲喂16~22头妊娠母猪。这种类型的ESF在我国拥有广阔的应用市场。
图3 南商农牧科技公司生产的ESF

Fig. 3 ESF of Nanshang Agri-husbandry Co. Ltd., China

图4 成都肇元科技有限公司生产的ESF

Fig. 4 ESF of Chengdu Zhaoyuan Technology Co. Ltd., China

通过对比分析发现,图3图4的国产ESF分别对应图1图2的国外同类型产品,性能和优缺点也与前述图1图2的类似。目前,国产设备的结构还基本处在跟踪模仿阶段,设备的制造工艺与外观设计方面与国际主要产品有不小的差距。饲料从料塔到设备缓冲斗的稳定送料是保证每台设备精确下料的前提。除设备本身外,与设备运行配套的料线也极其重要。国外的电子饲喂站系统与猪场料线系统实现了有机整合和智能化自动控制,国产智能饲喂设备尚未大范围商业化应用,智能设备与料线的结合问题未涉及,这是进一步研发与应用的重点。

2.2 哺乳母猪精准饲喂系统

母猪分娩后一般上产床,在产床的有限区域内哺乳仔猪。怀孕母猪分娩后,并处于哺乳期的母猪称之为哺乳母猪,其饲喂模式不同于妊娠母猪小群体的圈栏。随着现代养殖效率的提升,设备养殖的哺乳期已缩短到21天左右[18],在此阶段的饲喂目标是使母猪采食量最大化。有研究表明,每增加1kg母猪干物质采食量,产仔率可提高8%,断奶到发情间隔缩短1.8天,还有利于提高下一胎次的母猪生产成绩[19]。因此,围绕哺乳母猪精准饲喂设备的研究非常活跃。
加拿大JYGA公司生产的Gestal哺乳母猪饲喂站[20]是本领域代表产品,包括Gestal QUATTRO和Gestal SOLO两种(图5)。QUATTRO的特点是使用定制的加热曲线和温度探头,在提高母猪产仔性能的同时可减少用电需求。此外,每个喂料器都兼容Wi-Fi,可以快速将数据传送到平板电脑或移动手机端,并向工作人员快速传递分娩信息,帮助改进舍内分娩母猪的监测。特别地,其使用两种饲料供料线,根据每头母猪的营养需要,定制多种日粮,还可实现分娩母猪一日四餐或六餐的个性化营养供应(图5a)[21]。Gestal SOLO饲喂器同样具有每日多次、连续及精确饲喂功能,且采用Wi-Fi无线通讯技术与移动端管理软件相连,在整个哺乳期间可以根据母猪食欲调整饲喂频率,促进哺乳母猪的采食量及泌乳量,改善仔猪断奶体重(图5b)。此外,由于每个饲喂器拥有独立控制芯片和存储器,当上位机出现故障时也不影响每台饲喂站的独立运行[22]。但与QUATTRO比较,SOLO不具备双料线功能,不会改变日粮的养分浓度,但可通过调控每天的饲喂次数来控制采食量。
图5 加拿大JYGA公司Gestal品牌哺乳母猪精准饲喂装置

Fig. 5 Gestal lactating sow precision feeding stations, JYGA Ltd., Canada

上述两种类型的哺乳母猪精准饲喂站,代表了哺乳母猪饲喂设备的领先水平,从饲喂控制机理方面也为国产产品的研发指明了方向。

3 奶牛智能养殖设备

奶牛的体型、养殖的模式及采食的饲料形态与猪有明显不同,其饲喂设备,尤其是电子控制设备与养猪设备结构迥异,奶牛的智能饲喂设备设施具有其自身特点。

3.1 奶牛个体精准饲喂站

奥地利Schauer公司生产的COMPIDENT奶牛饲喂站(图6),采用坚固的气动入口门设计,每台饲喂站可饲喂50头奶牛,在饲喂站里可以模块化集成6种不同精饲料原料分配器。与饲喂站配套的TOPO饲料管理程序,可以使奶牛在一个综合生产周期内,实现精饲料配方和饲喂量的灵活调整,方便了料仓的管理。并且可以根据每头奶牛的生产阶段和泌乳曲线分别计算和提供其所需的采食量,实现生产周期内全混合日粮饲喂效果的最优化[23]。由荷兰Hokofarm集团研制的奶牛精准饲喂与计量装置(图7),同样具有坚固的气动门,配备有电子耳标识读系统,可以实现奶牛采食次数,采食时间及采食量自动控制和记录,适用于研究牛只个体的采食规律[24]
图6 奥地利Schauer公司COMPIDENT奶牛饲喂站

Fig. 6 COMPIDENT Cow electronic cattle feeding, Schauer Ltd., Austria

图7 荷兰Hokofarm公司牛精准饲喂站

Fig. 7 RIC Feed-weigh trough, Hokofarm Group B.V., The Netherlands

显然,图6的个体饲喂站适合于为奶牛精准提供精料补充料,但无法控制和记录每头牛粗饲料采食量,因此无法获取每头牛每天完整的干物质采食量。图7的精准饲喂系统更适用于牛群青粗饲料或TMR全混合饲料。因其装备简洁,可在牛舍中成排安装,并能同时精准控制和记录多头奶牛个体全天采食量。其软件管理系统可以为奶牛分组,通过RFID耳标可控制每个料槽允许访问的奶牛个体,因此十分便于开展比较不同饲料营养价值的科学实验[25]

3.2 奶牛自动投料和推料机器人

投料机器人与饲喂站的不同是,饲喂站是固定不动的,供不同的家畜去采食,而机器人则具有可行走的特性,代替人去完成饲喂工作。下图分别是饲喂机器人和推料机器人。
图8所示是荷兰Lely公司研制的导轨式投料机器人[26]。其智能化程度高,可通过移动终端选择预存的日粮配方,下达配料任务后,机器人自动进入配料车间的特定位置,按顺序接收不同的饲料原料。配料车间安装有配套的起重机抓手,其可依据饲料配方依次抓取所需的饲料原料。饲料原料按种类及比例投入机器人料仓后,机器人按固定的导航轨道进入牛舍。在行走至约定的投料位置过程中,基本完成必要的饲料混合,然后边行走边搅拌并边投料,完成投料后会自动返回到待岗位置。然而导轨式投料机器人需要牛舍及配料车间安装有固定导航轨道,才能实现智能设备与养殖畜舍的合理匹配。
图 8 荷兰Lely 公司Vector导轨式饲喂机器人

Fig. 8 Vector automatic feeding system, Lely Global, The Netherlands

图9是荷兰Lely公司研制的Juno自动推料机器人,其安装有超声波感应器,可以感知与牛栏的距离并按预设的距离行进推料。牛场可以通过软件自由预设该距离,例如距离牛栏从远至近逐渐推料。其底部内置的电感式器件传感器一方面保证其准确按照预设路线行进,另一方面也可以判定充电站的位置。推料机器人无论白天夜间均可准时按照预设时间点为牛只推送饲料,不仅节省体力劳动和时间,让农场主可以处理牛场其他的管理工作,还有利于增进牛只采食量,尤其是粗饲料进食量,从而提高产奶量和质量[27]。显然推料机器人并不具备投料机器人存储日粮配方和自动取料,混料和投料的多种功能。但其是投料机器人的得力搭档,可以简洁低能耗地完成全天多次后续推料工作,两者结合使用可构建起智能化牛场自动饲喂系统。
图9 荷兰Lely 公司Juno 推料机器人

Fig. 9 Juno feed pusher, Lely Global, The Netherlands

3.3 挤奶机器人

在家畜养殖机器人研究领域中,投入最大、研究时间较长、挑战性最高、且产品最多的机器人是挤奶机器人[28,29]。目前,在全球范围内,主要的领导品牌有Lely, DeLaval, Hokofarm,GEA Farm,Fullwood五大产品[30,31]。然而,挤奶机器人的效率目前仍明显低于其他自动挤奶系统,设备的技术瓶颈卡在真空挤奶前的清洗及上杯的环节[32,33]。由于奶牛个体有差异,每头奶牛的4个乳头的大小、位置及垂直度不同,在机器人通过红外定位时,时有定位模糊、反复套不上杯或者是挤奶用的管道卡住而拽不出来的情况发生。一旦发生这类情形,系统就得复位重新启动全过程程序进行纠偏,这无疑延长了奶牛个体的挤奶时间,增加了该奶牛的站立时间与应激,同时影响后续排队等待进入的奶牛的挤奶过程,导致出现连锁反应。因此,即便是可全自动挤奶,也要有专人处理异常情形,这意味着全自动机器人挤奶技术的优化空间还很大[34]图10图11分别为Lely Astronaut A4[35]和DeLaval VMS挤奶机器人[36]。上述两大品牌的机器人也在不断地从实际应用中总结经验,优化上杯方法,从而实现智能设备与动物的和谐互动。
图 10 荷兰Lely Astronaut A4挤奶机器人

Fig. 10 Astronaut A4 milking robot, Lely Global, The Netherlands

图11 瑞典利拉伐挤奶机器人

Fig. 11 DeLaval Voluntary Milking System VMSTM, DeLaval, Sweden

4 国内外畜牧业智能装备对比分析及对中国的启示

4.1 国内外畜牧业装备水平、研发思路和职业态度对比

中国与世界发达国家在畜牧业智能装备水平、研发思路和职业发展态度上存在一定差距。首先,中国畜牧业生产面临的主要问题是劳动效率低,主要投入品如饲料及兽药的成本高,加之私人养殖场甚至规模化养殖场的设备装备水平较低,导致畜牧业综合生产力低下、综合成本高。例如,在欧洲,一个装备规范、各生产环节智能化及专业化程度高的养鸡企业,一个工人平均可饲养管理多达12万只[37]。但在中国,即便是装有自动供料、供水的养鸡场,人均最多可管理1~2万只[38]。其次,在智能设备的研发思路上,国际上密切结合动物的福利,甚至与文化和生活体验融合起来,不断追求人、机、动物与环境的和谐发展,促进养殖业的健康可持续发展。例如,欧美的家庭牧场,一般采用种养结合模式和采用全机械化作业。一个家庭可管理几百头奶牛,不仅奶牛的福利好,利用年限长,而且将养殖当做家族事业去传承与发展,不过度追求高回报,善待家畜,整体上养殖效率相对稳定[38]。加之养殖产业链的延伸,较少出现行情大起大落的“养殖周期”。而我国目前畜禽养殖的主流还停留在小规模养殖,出于养殖成本的考虑,一般不会采用规模化的养殖设备产品,往往导致养殖环境条件长期处于低端水平,降低生产效率并影响动物福利[39]。另一方面部分养殖企业对养殖周期缺乏理性认识,畜产品价格好时盲目扩张或抽走资金挪作他用, 当价格下跌时易因资金断裂而倒闭[40]。第三,在对待职业的态度上,养殖业发达的欧美国家,从事养殖的牧民或农场主,将养殖看成是一件很体面的事业,一直追求如何解放劳动力。由于对智能养殖设备的持续创新性研制与应用,成就了像NeDaP[41],JYGA[42],Lely[35]及DeLaval[11]等智能化养殖设备公司,引领了畜牧业智能设备的发展方向。而伴随着我国改革开放40年来经济发展带来的生活改善和我国逐渐进入老龄化社会,畜牧养殖业面临着人力资源紧张难题。一方面,是新一代年轻人不愿意从事养殖业;另一方面,是养殖业骨干们渐渐老去。因此,依靠先进的自动化设施设备、科学化管理和先进生产工艺,让饲养员变成管理员,是解决我国养殖业人力资源短缺的必然选择[43]

4.2 中国发展畜牧业智能装备分析

基于国内外差距,我国畜牧业智能装备的进一步发展,既需要注重设备“触手可及”的便利性,又要体现动物福利“畜性化”的追求。首先,随着各种感知技术的发展与成熟、人工智能技术的发展,国内外智能设备的研发已成为畜牧业发展的焦点。一方面是现代信息技术、感知技术与自动控制技术与畜牧养殖技术的结合,向各个专业领域的渗透与应用,探索新技术的增长点。另一方面从畜牧业生产本身而言,迫切需要解放劳动力,提高生产效率和改善新农人的生活品质,使农牧业成为体面的行业,使未来的农牧业生产成为“触手可及”的轻便性行为[44],成为新的“工业”。前面主要介绍的智能养殖设备和机器人,都从不同程度体现了“触手可及”的追求。尽管在不同的设备及同一设备在不同应用阶段达成的程度有别,但研发的目标都是朝着更智能、更便利、更可靠及更经济的方向推进。
其次,智能设备研究的另一个特别关注点是要与养殖模式结合,与动物福利结合,体现设备的“畜性化”。例如,妊娠母猪电子饲喂站的研究目的是希望将传统的对妊娠全过程的限位栏饲喂回归到圈栏自由饲喂。也可以在小群圈栏饲喂前在限位栏内饲喂几周,让母猪安静保胎后进入圈栏饲喂,在一定的空间内休养生息,繁衍后代。这不仅符合动物福利,同时也有助于提高母猪的生产力水平[45]。而哺乳母猪饲喂器则从另外一个角度追求猪只的福利,即通过计算机控制饲喂的次数和动态变化的采食量,促进哺乳母猪采食量的最大化,满足母猪本身及抚养仔猪的养分需求[46]。奶牛智能化饲喂设备与技术研发的挑战难度明显高于如猪和鸡等单胃动物,这是由奶牛本身的生长、生理特点的复杂性决定的。奶牛要不断地从配种、妊娠、产犊、泌乳、干奶,再到下一个泌乳周期,因而需要配套研制从不同生理或生产阶段的自动饲喂[26,27]、转料[47]、清粪[48]、修蹄及蹄保健[49]到挤奶[35]等设备,实现每个环节的自动化甚至机器人生产,而且不少设备均可以研制成通过手机远程遥控或在局域网内控制的智能设备[26,27]
然而,智能装备或机器人的应用也是具有先决条件的,既需要对畜舍结构建设进行超前布局,又要求从业者掌握相关技能,同时也要训练家畜与智能设备协调互动。首先是养殖设备必须与养殖模式结合起来,而养殖模式又与建筑结构及基础设施相关联。例如,限位栏的猪圈结构就无法使用母猪ESF,牛舍内的喂料通道如果地面不平整或宽度不够,喂料和推料机器人也无法正常工作。因此,全自动机器人的使用需要从畜舍结构建设的顶层设计着手,为设备的使用预留位置及作业空间[50]。其次,凡是智能设备均具有计算机控制系统,包括上位机系统及下位机系统。下位机即所谓嵌入式控制系统,一般以控制面板的方式呈现在运行设备的某个位置上。例如,从图1图5,图10和图11所示的每台机器均有控制面板系统,可直接显示或设置控制参数。而上位机系统则是接收来自系统内各个设备的饲喂控制参数及实际发生的数据,也可远程设置管辖的下位机的参数,并对采集的数据开展数据分析及可视化展示等。因此,要求从业者具有一定的综合素质与技能,维护整个系统的协调运转,从而发挥出设备最好的应用效果。第三,设备的使用对象—家畜,也存在与设备协调互作的适应问题,这要求设备应满足家畜的习性。一般情况下,当智能养殖设备与作用对象有密切接触时,往往需要进行人为监督下的适应性训练。典型的有母猪ESF,奶牛的挤奶机器人等,都需要事先试训,消除家畜的恐惧心理并对使用设备产生肌肉记忆,让家畜意识到饿了去饲喂站进食,乳房胀了去让机器人挤奶等。

5 结论

全球的畜牧业朝着标准化、规模化与智能化的发展态势不可逆转,迫切需要现代智能装备和养殖机器人的支撑,需要设备与信息技术的高度融合。只有将信息感知技术、精准饲喂理论与设备的自动化控制结合起来,才能开发出具有嵌入式系统控制的、从种畜到商品畜的智能化的养殖设备以及各种养殖生产过程的机器人。但是,智能养殖设备尤其是机器人的工业化应用必须与养殖模式、畜舍结构布局结合起来,才能发挥设备的使用效率。同时也必须与动物的生理、生长及行为结合起来,从满足动物的福利出发,形成设备与动物的互作和相互适应。
纵观国际先进的猪、牛智能养殖设备和技术现状,已经从以提高生产效率为目标到追求人、机、动物与环境的和谐发展,并不断向更智能、更便利、更可靠及更经济的方向推进。但目前在智能设备与动物的和谐互动(如母猪ESF试训和奶牛挤奶机器人上杯)和智能设备与养殖畜舍的合理匹配(如母猪ESF与猪圈结构和奶牛投料推料机器人与牛舍设计)等方面仍有不少技术瓶颈待解决。因此,我国智慧畜牧业设备研发需要在改进设备的制造工艺同时,也要加强畜牧业从业人员技术培训,合理规划畜舍结构,改善动物行为和福利。
最后,我国今后智能设备的研究必须与畜牧业生产的理论、目标产品的功能驱动及养殖方式的创新协调一致,不断更新换代,助推畜牧业的转型升级。
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