滕光辉：畜禽养殖设施环境精细调控面临的问题与挑战

畜禽养殖设施环境精细调控面临的问题与挑战

本文节选自：

滕光辉. 畜禽设施精细养殖中信息感知与环境调控综述[J]. 智慧农业, 2019, 1(3): 1-12.

TENG Guanghui. Information sensing and environment control of precision facility livestock and poultry farming[J]. Smart Agriculture, 2019, 1(3): 1-12.

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01

基于畜禽福利和生产性能的环境调控新策略

就养殖生产环境而言，各类畜禽生存所需的环境条件对其生长发育速度、健康状态及生产性能的发挥具有重要影响。但是，2012年以来，针对传统规模化畜禽养殖方式，欧洲率先立法，采取禁止蛋鸡笼养、母猪限位栏饲养等一系列措施，并开始在设施养殖中强制增加满足动物福利的一系列配套设施，尤其是在降低养殖密度、强化通风质量方面提高了相应的检测标准要求，力度之大，对世界畜禽养殖业未来发展影响深远。从经营者的角度来看，畜禽养殖场经营的目的是为了获取养殖盈利，增加收入和控制成本同样重要，经营更追求简单化。当前大型规模化设施养殖生产工艺一方面生产效率高，但另一方面很少考虑动物福利，设施养殖畜禽健康水平不容乐观，进而影响人类食品安全。从消费者的角度而言，价廉物美、食品安全是其首要考虑。基于不同角度的需求二者如何有效结合、博弈，亦即在充分考虑技术可用性、可靠性及成本可控性的前提下，如何解决这一需求矛盾，是当前面临的困境。因此，畜禽设施精细养殖环境调控策略，首先需要在不降低现代规模化养殖生产效益的前提下，从现有规模化养殖工艺仅重视生产效益、方便组织管理的“以人为本” 的技术路线，转变为“以畜为本”，探求在满足基本动物福利需求下寻求如何发挥其最大遗传潜力的技术路线。

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现代工业控制理论不完全适用于畜禽养殖

畜禽设施精细养殖是基于现代控制理论的原理与技术，对工厂化（或规模化）畜禽生产系统进行智能化管理的一种机制。它通过对畜禽生长环境及畜禽动态生理响应进行持续监测，并生成畜禽生产过程决策所需的数学模型，以负反馈形式（闭环控制）合理调节和控制舍内生态环境，使养殖者及时发现和控制与畜禽优质高产相关的生长环境问题，进而获得预期的生产结果。在现代品种选育、规范养殖工艺条件下，全球同品种畜禽的生产性能好坏与其生长环境密切相关。因此，从环境控制的角度而言，引入在工业界有着成功应用的相关控制理论与成熟技术方案来实现对设施养殖环境的调控显得顺理成章。但从控制论的观点来看，相比工业领域控制对象的整齐划一和标准化，畜禽生命体作为相对复杂的控制对象，其多变、独特性使其控制难度骤然增加，实现完全、最优控制的难度极大，主要挑战表现在以下方面：一是如何实时动态感知获取畜禽生理变化信息并准确判断畜禽生长环境是否适宜，并且如何从传统的经验型“定性” 评判进化到基于数字化模型的“定量” 评判。二是如何且能否在性价比合适的条件下，采用适宜的控制手段实现预期的控制目标。

03

设施养殖控制的人性化或拟人化要求

以人类的思维代替畜禽的思维，只能是一种虚妄的想象。子非畜禽， 知畜禽之苦乐？解决设施养殖环境下的畜禽福利问题，不是因为我们确实了解畜禽的痛苦，而是知道一旦养殖的畜禽生存环境遭到破坏，合理利用畜禽产品和制品的人类也会随之遭殃。唯有按照自然法则满足畜禽的基本生理、行为需求，善待它们，以此促进畜禽健康生产，才能使生产者获得高品质，安全的畜禽产品并为人类安全享用。一直以来，养殖业成功之处在于将工业化生产成熟的技术手段大量应用于畜禽生产，尤其是设施养殖实施的机电一体化设备控制体系，成就了以规模化生产效率高、成本低为特色的价廉物美、欣欣向荣的规模化畜禽养殖产业。但随着生产规模的不断扩张，这种大型规模化畜禽生产工艺“重群体轻个体” 的弊端也随之显现。亦即伴随养殖规模越来越大，畜禽个体在生长环境、生理健康等方面的需求无法及时得到满足或响应，群体中弱势个体营养需求跟不上，禽流感、非洲猪瘟、疯牛病等畜禽群体性疫病时有爆发。究其原因，重生产效率、轻动物福利的现今规模化养殖生产方式难辞其咎。这迫使人们重新审视现代养殖模式的利弊，诸如在设施养殖环境下如何准确理解圈养畜禽对其生长环境、营养的需求，究竟是以人们现在追求的工业化高生产效率的“以人为本” 的养殖模式为先，还是“基于动物需求为本”来配置设施装备并服务于人工养殖环境下的畜禽？若以养殖动物的需求为本，则需要将控制对象拟人化或畜性化，其出发点在于如何正确理解圈养环境下养殖动物对生长环境状况的所思所想，而非依赖目前多由人们主观认定为“有利于畜禽健康” 而采取的一系列动物福利措施，减少所谓“好心办错事” 事件的发生概率。若想实现“以动物需求为本” 的理念， 前提则是正确感知身处设施养殖环境中的畜禽对其生长环境的真实反映。针对畜禽活体特征控制的复杂性、多样性，探求如何将工业领域以“刚性”控制为特点的控制理论及方法“人性化”使之适用于“柔性”控制畜禽群体及个体的养殖过程，或许值得探究。

04

缺乏有效、准确的畜禽生长模型与智能决策算法

尽管收集了大量畜禽生态、生理及生长过程等各类数据，但由于实验室研究和生产实践中的数据一直处于彼此脱节的状态，实际生产仍缺乏有效的工具来广泛使用已有的数据、知识和模型。因此，畜禽养殖行业相关控制系统多采用“时序控制”而非“按需决策控制”。应用专家决策、模糊评判、大数据解析等新兴技术将行业知识数字化并上升为模型化，通过软件匹配技术实现对传统传感器的参数调节、校准数字化，将感知到的各种物理量储存起来并按照指令处理这些数据，从而派生出新数据，实现传感器之间的信息交流、异常数据的舍弃等传输数据的自我决定，并完成分析和统计计算等，此乃智能传感器的核心价值所在。

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