畜牧物联网系统装备研制与推广应用

曹姗姗，李奇峰，高荣华，阮怀军，于莹，黄河，杨卫芳，吴建寨※

（1.中国农业科学院农业信息研究所，农业部农业大数据重点实验室，北京 100081；2.北京农业信息技术研究中心，北京 100097；3.山东省农业科学院科技信息研究所，山东 济南 250100；4.北京农信互联科技有限公司，北京 100080；5.新希望六和股份有限公司，山东 青岛 266000；6.北京市畜牧总站，北京 100101）

信息化是农业现代化的制高点，而畜牧业占农业总产值的近1/3，标志着农业现代化发展水平[1]。进入新世纪以来，信息技术日新月异、方兴未艾，物联网、大数据、云计算、AI 和畜牧业融合的深度、广度不断加强。随着我国膳食营养改善、经济社会转型和资源环境趋紧，亟需加快畜牧养殖和信息技术深度融合，转变畜牧业生产方式，推进畜牧业高质量发展[2]。当前我国畜牧业信息化水平不高，与发达国家相比差距明显，突出表现在物联网等现代信息技术与畜牧业深度融合难、畜禽养殖复杂环境多特征联动监测难、高效养殖智能化分析预警难等问题。为加快我国畜牧业信息化发展，中国农业科学院农业信息研究所农业物联网技术与服务创新团队联合全国畜牧总站、中国农业大学、中国农业科学院北京畜牧兽医研究所、北京农业信息技术研究中心、山东省农业科学院科技信息研究所、新希望六和股份有限公司、北京农信互联科技集团有限公司和广东广垦畜牧工程研究院有限公司等单位开展了畜禽养殖物联网关键技术创新和智能装备研制与应用研究，围绕奶牛、肉牛、生猪、蛋鸡和肉鸡5种主要畜禽，提出了“物联牧场”理论方法[3]，研制了畜禽“生态—生理—生长”多通量专用传感技术，创新了畜禽多维立体感知方法，突破了“感知难”的问题，为智慧养殖获取海量数据提供了技术保障。在此基础上，构建畜禽养殖物联网标准体系和综合平台，研制健康养殖智慧管理系统与设备，并开展推广应用。

1 畜禽养殖物联网标准体系和综合平台构建

搭建了国家级农业物联网技术创新综合平台，克服了物联网等现代信息技术和畜牧产业深度融合难的问题，为推进畜牧业信息化创新发展提供了方法论。

1.1 提出了畜禽养殖物联网自适应组网基本方法，构建了“信息采集—数据处理—应用服务”的物联网标准体系，为畜禽多元数据汇聚与智能平台构建提供了技术支撑。

针对我国畜牧业品种、区域的差异性，提出5种畜禽14种养殖模式的自适应无线传感网（WSN）组网方法，解决了不同畜禽种类、不同气候极值以及不同养殖模式的差异化组网难题，为畜禽养殖场全域优化组网提供技术保障。为提高物联网数据传输的实时性、准确性，提出基于SW-SVR 的畜禽物联网数据流异常实时检测处理、批量数据特征提取等方法，能够及时、准确地检测感知数据流中的异常数据，并制定了物联网应用满意度评价标准。探明不同畜种最佳生理生长的温度、湿度和光照等阈值，以及氨气等有害气体警情警线，研究确定精准调控参数，结合养殖实践，制定《畜禽养殖物联网环境监测技术规范》、《畜禽养殖无线局域网总体技术规范》等标准11 项，形成了较为完善的畜禽养殖物联网“信息采集—数据处理—应用服务”的标准体系。综合考量农业农村部67 号令及国际ISO 11784 标准的有效接驳，提出特有的与电子标识、条码标识相匹配的畜禽个体和小群体编码规则，构建低频RFID、二维码等混合标识技术与关联信息库6个，为畜禽养殖精细化管理、畜产品质量安全正向跟踪与反向溯源提供了技术保障。成果创建的畜禽养殖物联网组网方法、异常数据识别、标准规范和标识关联信息库，为畜禽养殖动态感知与智能管控提供了技术支撑。

1.2 建成了首个国家级农业物联网技术应用综合服务平台，解决了畜牧业物联网仿真模拟、性能测试等官方认证缺失的难题，为畜禽养殖物联网技术设备研发提供了基础支撑。

根据农业农村部信息化推进战略部署，创建了包括“技术创新、仿真测试、技术服务”3个子平台14个系统、66 台套核心仪器装备的农业物联网技术创新综合平台。一是支撑生物材料、微纳米材料等新型传感器的基础研究，探索新型材料生物电信号、光信号、微电压和细胞膜电阻等特异性的识别机理、实现路径和动态解析，部署新型传感器研发环境，满足了面向世界畜牧业物联网科技前沿需要。二是支撑养殖传感器、数据传输设备和物联网装备的性能测试评价，包括养殖环境温湿度、风速风向、空气质量、光照及动物生理、生长等传感器的功能性、稳定性、准确性以及安全性等，和数据传输的无线组网、感知节点、自适应调节等传输方式、速度和质量，以及物联网装备的性能指标等76 项，满足了面向国家重大战略需求。三是支撑我国畜禽养殖不同品种、不同区域和不同规模的环境极值、适宜阈值等应用场景仿真模拟，基于引进设备与自主研发系统，模拟环境温度- 40 ～ + 85 ℃、湿度5%～99%RH、淋雨0.1～20 L/min、试验台无极调速1～17 r/min、砂尘风速≥7.5 m/s、震动最大负载60 kg 等16种极值条件，占极值环境的90% 以上，为极端条件下畜禽专用传感器的研发与测试提供了场景，满足了面向现代畜牧业主战场需要。成果建成的国家级畜牧业物联网科技创新、仿真测试和技术服务的综合平台，填补了国内空白。

2 健康养殖智慧管理系统与装备研制

构建了基于大数据的畜禽养殖分析预测模型库，研制了智能化调控设备，解决了畜禽养殖监测预警难的问题，实现了畜禽高效健康养殖的智慧管理与科学决策[4]。

2.1 创建了面向大数据的畜禽养殖分析预测调控模型算法，突破了畜禽养殖预警不及时和调控不精准的难题，为畜禽健康养殖提供智能化决策支持。

创新基于DNN 的养殖环境多变量PID 神经元解耦控制算法，构建畜禽舍内温湿度增量式自回归（IARX）预测模型，实现了养殖环境多因素耦合非线性动态系统的精准预控制，误差比计算流体力学模型降低30%以上。探索猪舍复杂环境下氨气浓度的变化规律，提出基于ARIMA-BP 神经网络残差优化组合的猪舍氨气浓度预测方法，预测值与实际值的均方根误差（RMSE）仅为0.0365 mg/m3，为猪舍氨气浓度环境精准化调控提供了科学依据[5]。构建生猪养殖环境预警指标，提出基于模糊算法的生猪健康养殖综合多环境因子预警模型，智慧化地发出无警、中警和重警等预警信号，为生猪生长发育创造了最优环境条件。提出基于奶牛体况及预期生产性能的干物质采食量预测模型，实现了符合中国饲料原料特征及养殖模式的干物质采食量精准预测，预测精度高达95%以上，比NRC 模型提高5～8个百分点[6]。构建基于双向长短时记忆网络-连接时序分类（BLSTM-CTC）算法的家禽声纹健康决策树诊断模型，端到端连续识别多场景下家禽咳嗽声，实现了家禽集约饲养呼吸道疾病的早期预警，识别准确率为94.1%。成果创建的畜禽“生态—生理—生长”调控模型算法50套，形成了畜禽养殖决策的“智慧大脑”。

2.2 创制了系列畜禽养殖智能设备，解决了养殖装备现代化水平低的难题，实现了畜禽养殖装备的国产化和自主创新。

创制畜禽舍内外立柱式、悬挂式、移动式3 大系列的环境智能控制设备，经过多次技术迭代至目前3.0版，实现了多场景、多环境、自适应的通风、照明、加热、降温和增湿等13 项功能的智能管控[7]。研制出粉尘试验箱等物联网实验装置8 项，强化了畜禽物联网技术创新综合平台的整体功能[8-10]。自主研制畜禽粪污清洁机器人，攻克自动上水与避障技术难点，实现了畜禽舍的全天候智能清粪，比国际同类型产品价格降低31%左右[11]。发明具有自主知识产权的妊娠母猪精准饲喂装备，集成个体标识、自动称重、采食记录及变量下料等功能，攻克全价配合饲料变量调控难的关键技术，实现了妊娠母猪个体和小群体的精细饲喂，实际采量与理论采食量的误差≤0.5%[12]。发明基于智能应用的仔猪自动护理系统装置，集成动态感知、柔性抓取、自动消毒、自动保暖及分析预警等多环节智能技术，优化仔猪护理过程，仔猪成活率提高5% 以上，实现了仔猪生长发育的实时监测和精细护理[13]。研发出禽舍自动喂料装置，研制家禽饲喂自动出料驱动机构和自动清除剩余饲料的料斗，无需人工投料，省时省力，实现了禽舍自动投料和剩料清除，降低了家禽因食用剩余被污染的饲料而产生细菌性疾病的发生率[14]。成果自主设计并创制的主要畜禽智能装备17 类，推动了我国畜禽养殖先进设备国产化进程。

2.3 研建了畜禽养殖智慧决策云平台，攻克了海量多源数据融合弱、数据清洗繁杂及精准管控效率低的难题，实现了畜禽养殖的在线智能分析和实时智慧调控。

汇聚环境数据6.6 亿余条、音视频样本390 TB、养殖数据2.1 亿条，形成环境、行为、生理、饲喂和控制等10 类数据集，建立了基于分布式存储的畜禽养殖动态感知与智能决策大数据中心，同时为国家农业物联网技术创新综合平台提供了测试评价基准参考库。提出畜禽养殖多源异构数据融合算法，构建专家知识模型库1个，研建数据清洗、可视化、二三维GIS、深度学习及时空检索等组件库7个，开发流数据并行处理与多维分析引擎模块，研发了基于微服务架构的畜禽养殖智慧决策云平台。基于该云平台，开发“畜禽养殖环境监测与智能调控系统”“基于RFID 的奶牛精细化饲养管理系统”“AH IoT 信息管理系统”等业务流系统74个（包括生态环境类24个、生理健康类29个、生长发育类21个）、数据流系统23个，开展数据挖掘和智能分析，对养殖设施和装备单元进行远程控制，搭建数据反馈链路，形成了畜禽智慧养殖的“感知—传输—应用—反馈”闭环控制系统，实现了畜禽养殖物联网数据应用服务的无人值守。面向政府部门、养殖场户、科研高校、科技公司和社会公众等不同群体，云平台运用精准推送、用户画像等技术，开展个性化、专业化、定制化服务，构建了具有中国特色的畜禽健康养殖全过程智慧化管理[15]。

3 推广应用及社会效益

本项目2007年到2020年实现综合经济效益36.68 亿元；投资年纯收益率3.95，科研投资回报水平较高。预计未来5年，可新增经济效益15.62 亿元。

3.1 推广应用情况

中国农业科学院农业物联网技术服务与创新团队一直立足国家重大战略需求，瞄准世界科技前沿，面向现代农业主战场，密切联系畜禽养殖生产实际，取得了一系列创新性成果。成果采用产、学、研、用一体化及技术转让、社会化服务+政府技术推广+龙头企业等模式，先后在31 省（市、区）推广应用，取得了良好的经济、社会和生态效益。推广应用呈现如下特点：

一是在政府推广领域，本成果经过政府管理部门推广应用，发挥政府引导作用，体现科技进步的驱动性，有力提高了我国畜牧业信息化发展水平。农业农村部市场与信息化司认为：该成果在31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团得到广泛推广应用，其技术兼具先进性和普适性，促进了畜禽养殖信息化、智慧化和现代化，加快了农业农村经济社会发展，有效提升了我国农业农村信息化发展水平。农业农村部畜牧兽医局认为：该成果创新性突出，应用效果显著，社会反响较好，显著提升了我国畜牧业信息化发展水平，有力推进了畜牧业高质量发展步伐。北京市农业局信息中心认为：该成果符合北京市肉鸡、蛋鸡、生猪和奶牛等生产实际，符合北京市畜牧养殖场（智慧牧场）对信息化关键技术和智能装备的迫切需求，推动了北京畜牧业健康持续发展。

二是在成果转化领域，本成果经过科技公司等单位推广应用，发挥科技引领作用，体现科技创新的先进性，有力提高了我国畜牧产业智能装备水平。北京旗硕基业科技股份有限公司认为：该成果的先进技术和装备被我公司吸收借鉴，并转化为产品；目前，产品已销往20 多个省、市、自治区，产生了良好的经济、社会和生态效益。铭农（上海）信息科技有限公司认为：该成果在江苏、山东、河北等地的兽药经营企业、规模养殖场和兽药监管部门开展了示范应用推广，公司用户不断增加，销售业绩逐年提升，累计增加经济效益1300 多万元。成都天田科技有限公司认为：自2014年开始在西南地区的大型养殖场推广应用该成果，累计新增产值达5316.65 万元，新增利税达463 万元，为促进西南地区的智慧养殖技术应用提供了支撑。

三是在生产应用领域，本成果经过畜禽养殖企业推广应用，发挥示范带动作用，体现科技应用的效应性，有力提高了我国畜牧产业节本增效能力。北京大北农科技集团股份有限公司认为：我公司应用该成果后，生猪企业饲料转化效率提高6%，死淘率降低至10%以下，养殖能耗降低15%，防疫成本降低10 元/头，人工投入成本降低20 元/头；能繁母猪繁殖率提高10%，有效胎次提高1～2 胎，仔猪成活率提高5%，折算后的总体经济收益增幅31%左右。

山东阳信亿利源清真肉类有限公司认为：推广应用之后，公司工作人员数量可减少1/3，料肉比降低0.4，防疫成本平均减少70 元/头，效益平均增长10%，利润增长600 元/头；另据测算，2012年6 月至2019年6 月期间，该成果新增销售收入达23640 万元。广东湛江广垦沃而多原种猪有限公司认为：该项目数字化、自动化设备及技术的应用，使生产母猪窝均产健仔数增加了0.02 头，生猪全程成活率同比提高1%，为公司创造了显著的经济效益，为全面提高集团及行业生猪养殖业现代化水平提供了技术和装备支撑。

3.2 社会效益

本研究紧紧围绕我国物联网等现代信息技术与畜牧业深度融合难、畜禽养殖复杂环境多特征联动监测难、高效养殖智能分析预警调控难等现代畜牧业产业发展中的重点、难点和关键问题，取得了一系列创新性成果，产生了良好的社会效益和生态效益。

一方面促进了畜牧业信息化学科发展和行业科技进步。本成果整体国际先进、部分国际领先，畜禽养殖部分仪器装备通过自主创新实现了国产化、低成本，推动了产业技术进步，引领了智慧农业发展方向。本成果2007-2019年畜禽感知专利占全球的2.19 %，为我国农业生产信息化水平由2011年的3%提升为2018年的18.6%做出了贡献。其次，推动了畜牧业节本增效和绿色发展。据测算，本成果每年节约各类饲料1300 万吨、减少家畜死亡500 万头、节约生产用水1800 万吨，保护了自然资源和生态环境，实现了畜牧业产业升级换代，推动了畜牧业高质量发展。另外，提高了畜禽生产效率并保障了畜产品质量安全。本成果“生态-生理-生长”多维专用传感技术的早感知、早分析及早预测，有利于动物生长发育的早促进、早调控和早施策，动物疫病的早发现、早预防和早治疗，有效提高了畜产品产量，降低了畜产品质量安全中的生物风险，保障和改善了民生。