刘红刚，张丽慧，钟林忆，黎国明，谢秋波，陈万云
（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；
2.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630；
3.广州市健坤网络科技发展有限公司，广东 广州 510630）
近两年数字畜牧业发展势头强劲，与生猪养殖相关的各类信息技术、智能装备、管理平台密集涌现。生猪养殖的主要特点是集中化、规模化，并以营利为生产目的。在新冠和非洲猪瘟双疫情之下，管理人员不方便频繁进出猪场，猪场也必须尽可能减少人员、车辆、物资的流动，在线管理、远程监控成为猪场的刚需。因此，养殖企业通过信息技术、大数据技术对生物安全、生产管理进行优化，开展疫病防控的情况越来越普遍。智慧养猪开始成为行业改革的助推剂，以物联网、大数据及人工智能为代表的技术应用推动了粗放式传统生猪养殖向知识型、技术型、现代化的智慧生猪养殖转变。
智慧养猪，就是将传统的养猪模式改造为智慧养猪模式，利用先进的信息与通信技术、云计算、5G 通讯技术，构建起端、边、云智能化现代生产体系；
核心技术是人工智能（AI），自动感知，包括猪只自动点数、车辆识别、人员识别、周界管理等经典应用场景，智慧养猪更强调系统性，利用人工智能算法指挥设备自动运行[1]。
数字孪生属于当前信息技术领域的热词，是指在信息空间构建一个可以映射表征物理设备的虚拟系统。其以信息为基础、模型为核心、平台为载体，能够实现由实入虚，监测并映射实体状态，利用算法进行仿真分析与行为洞察；
同时也能够由虚入实，利用控制器指令实现反向控制、精准操控、智能优化。
自从GRIEVES 教授[2]率先提出数字孪生概念之后，数字孪生逐步应用到包括建筑、医疗、运输、制造等各行各业中[3]，但与农业的融合应用还处于探索阶段。数字孪生应用到猪场理论上是可行的。通过“数字孪生猪场”的模拟仿真，以这种虚实交互、智能服务的理念，用巨量、孪生、融智的场景作为核心，深度融合大数据、云计算、物联网、AI、GIS、可视化等技术，通过建立增强型猪场信息模型，构建一个虚实交互映射的猪场，可以展现未来无人猪场的无限可能[4-5]。
本文将从“数字孪生”及“智慧养猪”的价值内涵与业务需求入手，提出基于数字孪生的智慧猪场管理平台设计与应用研究，将猪场管理与数字孪生技术深度融合，用装备和数字为猪场赋能，促进猪场从“有人化”向“无人化”升级，切实解决猪场降本增效、提质增产、安全防控等管理核心难题。
利用数字孪生技术理念，围绕猪场生产、管理的数字化需求，从实现猪场广泛的各类软硬件与数字技术集成应用角度入手，研究与设计基于数字孪生的智慧猪场管理平台，创建多维化的场景应用。平台设计原理图如图1 所示。
图1 基于数字孪生的智慧猪场管理平台原理图
平台设计主要围绕2 个核心内容：
1）构建智慧猪场“数-云-端”协同信息网络。从猪场信息采集网络、设备互联网络和云端决策网络的组网与建模，构建猪场信息感知智能、装备互联智能、决策控制智能的数字孪生智慧猪场合体。信息采集网络实现猪场各类信息的感知监测，设备互联网络实现猪场各类具有控制功能的智能装备互联互通，云端决策网络实现基于感知数据的实时计算、基于智能设备的自动控制。
2）实现一系列前沿信息技术和智能设备在智慧猪场管理的集成。智慧是一个相对泛化的概念，智慧猪场管理需要实现多种技术集成，包含生产设备与嵌入式设备数据互通、嵌入式设备边缘计算及通信设备数据传输、服务端大数据存储、计算与分析等。
1.1 基于数字孪生的智慧猪场管理平台总体设计
基于数字孪生的智慧猪场管理平台是一个复杂、综合、专业的大集成平台，通过信息技术、智能装备、大数据、物联网、人工智能等与猪场养殖生产深度融合，实现管理精细化、设备智能化、决策科学化，助力高效、智慧养殖。
因此，在平台总体设计上搭建“数-云-端”协同信息网络，划分为感知层（采集层）、传输层（网络层）、数据层（含数据层和支撑层）、应用层（含应用层和访问层）4 个层次，如图2 所示。
图2 基于数字孪生的智慧猪场管理平台架构图
应用层支持各种可视化呈现、远程监控、远程控制、智能提示，提供了移动应用 APP、电脑端软件、嵌入式应用等多种形态的产品。按照实际的业务板块，划分为多个具体的子应用系统，实现项目所需的各项业务功能。
①感知层。感知层主要通过在猪场内部署各类智能感知设备硬件资源，对猪场环境、设备运行状态、视频监控、猪只/人员/车流/物流等开展各项信息监测。②网络层。通过猪场有线及无线（如4G/5G 网络）、综合传感网（如Zigbee、LoRa、Wifi）、AIoT 等媒介，将感知层采集的数据传输上传到数据资源层中。③数据层。数据层作为整个平台长效运行的基石，首先基于平台架构提供底层采集数据的上报、存储和检索，通过数据采集与治理能力、数据分析与应用能力、数据共享和交换能力等，搭建一个可靠稳定的大数据架构底座，满足平台业务扩展集数据不断积累和沉淀，确保未来的扩展性。支撑层主要是提供模拟仿真、算法模型、智能控制等服务，全面支撑所有业务层应用。④应用层。业务应用层是平台业务开展和决策支持的核心，建立在支撑服务层的基础之上，面向猪场的各类终端客户，提供各类业务应用系统。终端访问层包括生猪养殖企业管理人员、技术人员及一线养殖人员等用户。建立统一信息门户，为各类终端用户提供电脑端和手机移动端的系统使用方法，进行各类可视化数据专题指标、报表、报告、平台运营状态及成果的展现。
1.2 基于数字孪生的智慧猪场管理平台应用系统设计
基于数字孪生的智慧猪场管理平台主要包括4个应用系统，如图3 所示。①信息感知系统，实现从猪场内不同维度开展全方位、全周期信息感知与采集，重点实现猪只全生命周期的动态跟踪与信息监测。②模拟仿真系统，建立满足猪场环境管理、猪只生长管理、动物疫病防控、人员精准管控等核心业务需求的数据模型，立足猪场虚拟仿真，实现对养殖过程产生的不良影响、潜在危险提前预判，给出合理决策预案。③智能控制系统，通过软件定义与数据驱动实现对猪场各类装备、设备的精准操控，基于平台模型不断实现设备的自动运行。④可视化管理系统，建立适配大中小屏及web、移动端全面应用的可视化管理系统，协助猪场管理者、技术人员及一线养殖人员、外部权限访问用户实现智慧操作。
图3 基于数字孪生的智慧猪场管理平台应用系统结构示意图
1.2.1 信息感知系统
基于数字孪生的智慧猪场管理平台信息感知系统主要利用融合了各项物联网传感装置的智能设备实现对猪场内猪流、人流、物流、车流的全面信息感知与动态监测，如图4 所示。
图4 信息感知系统结构图
1）猪流信息感知。对室内环境与气体监测、风机水帘等设备运行状态进行监测，对猪只数量、猪只采食饮水、猪只行为进行监控，掌握猪只从入栏到出栏全过程的动态信息。
2）人流信息感知。对出入猪舍的一线养殖人员进行洗消达标、跨区作业、操作管理等行为，进行精准感知与信息获取。
3）物流信息感知。对进出猪场的饲料、原料、水等物资关键点进行监控，建立全方位猪场物流感知网络。
4）车流信息感知。对车辆类型、车牌识别、车辆人员、运输路线、安全洗消等车流信息进行监控，严防交替使用和跨功能使用。
按照猪流、人流、物流、车流4 个层面来进行划分，就可以从猪场的各个维度、各个方面建立综合、不留死角的信息感知与监测体系，深入刻画猪场全部关键内容，从而通过虚拟孪生的手段来构建一个数字世界中一模一样的猪场映射体，借此来实现对猪场实体和核心环节的洞察、聚合，以开展下一步模拟仿真和优化。
1.2.2 模拟仿真系统
基于数字孪生的智慧猪场管理平台模拟仿真系统主要通过以下4 个步骤来实现模拟仿真操作，如图5 所示。
图5 模拟仿真系统结构图
1）数据描述。当基于信息感知系统的猪场全部关键数据流进入到平台后，将会对实体猪场中的各项监测要素进行动态描述，如通过猪只站卧等行为数据、猪只采食饮水等生理需求数据，综合反映和描述其健康状态。
2）数据诊断。不同品种的猪只在全生命周期的不同阶段会呈现相应的成长规律，因此，综合其猪只行为、体态、体重、生理需求等多维度历史数据，可以对异常信息进行判断，从而及时诊断并检查对应实体猪生长、性状变化，并分析原因。
3）数据预测。通过包含肌理模型和驱动模型在内的平台模型集不断驯化演练，揭示猪场环境、猪只生长行为、精准饲喂、人为管理操作、动物疫病等各类要素在内的猪场管理关系，如环境报警、日龄管理、疫病防控等，从而在一系列核心指标诊断基础上精准预测未来。
4）数据决策。在分析过去和预测未来的基础上，对猪场的养殖行为进行指导。在虚拟猪中完成映射并监测实体猪的状态，运用数据分析进行仿真决策。通过软件定义和数据驱动实现由虚入实的精准操控、智能优化。
综上，通过“数字孪生猪场”的模拟仿真，对养殖过程产生的不良影响、潜在危险提前进行预判，并提出合理可行的预案，进而引导猪场管理体系与制度规范的规划、建设、监督、分析，从而干预和指导猪场内各项设备的智能控制，减少决策失误。
1.2.3 智能控制系统
智能控制系统是实现整个基于数字孪生的智慧猪场管理平台发挥应用价值对的关键。通过信息感知产生一系列数据，再有模拟仿真产生分析决策后，精准的数据流将会驱动猪场的相关设施设备实现运行参数智能检测、精准作业调控、作业精准执行、调控智能决策，形成“信息链-装备链”智能融合管理模式。
系统具体对猪场的以下几类设备开展智能控制，包括：
1）猪场环境控制装备。环境对生猪生产的影响占比在20%～30%之间，涉及到温度、湿度、光环境、氨气及硫化氢等多要素[6]；
猪舍中的湿度超过80%时容易导致猪患病[7]，因此是目前大部分猪场开展数字化建设的重要一项，也是智慧养殖的首要要求。为了对获取的大量监测数据科学有效地加以利用，进一步指导生产，提出将数字孪生与物联网融合，针对猪场圈舍养殖环境多变量共存、复杂结构及高密集因素等特点，模拟分析每栋猪舍环境参数及生猪生长情况参数数据，自动建立参数异常条件设置，及时触发报警系统。基于场域多因子智能调控模型，能够根据猪舍不同饲养阶段，对风机、水帘等不同配置进行参数调优，确保猪只在最适宜的环境下生长，提高猪群的健康度。
基于“1+N+N”网络管理架构，将多栋猪舍的智能控制器接入平台，实现本地终端或者远程终端对猪舍内环境的集中管理。
2）猪只生长监控与管理设备。随着现代信息技术、人工智能、信号处理等技术的快速发展，将视频、音频特征分析与计算机技术相结合能提高效率，有助于养猪业的发展[8]。通过具备AI 行为识别功能的智慧摄像头、自动巡检设备、声音咳嗽检测系统等，对猪只数量、行为、体重、声音等进行自动监测；
借助智能耳标、精准饲喂系统将猪只整个生命周期的信息记录，包括饲喂、检疫、生病、用药记录等；
构建起猪只从出生到出栏的全生产周期的智能监测体系，实现生猪从出生到出栏的全景化智能管理。
在平台生猪日龄生长模型中，可以基于猪只料肉比、均采食量、总采食量、均饮水量、总饮水量等数据，给出生猪饲养优化建议，从而自动调控精准饲喂等设备参数，实现每只猪的营养均衡、体重均匀，便于集中出栏。
3）动物疫病防控设备。在生物安全性上，现代化猪场的目标是达成无人或尽量少人的状态，构建完善的生猪疫病防控体系则是疫病可防可控的重要基础[9]。因此，为了排除一切可能诱发猪场发生事故的要素，开展人流、车流、物流、猪流4个方面的监控，比如对猪场洗消中心车辆、物料等多级洗消过程进行监控，判断时长是否足够；
对一线养殖人员生活区和生产区人员进行监管，禁止不同生产线甚至不同猪舍员工串门，确保人员消毒达标；
通过智能监测终端监控售猪运输车辆是否按照既定路线行驶、有无中间违规停留等现象，一旦发生异常及时预警。
同时，通过场内物联网检测数据、猪只异常行为登记、防疫登记等上报数据，结合实验室检测管理系统数据、企业防疫专家设定的疫病指标开展综合疫病预警，分析生猪生理参数及行为特征与常见猪病之间的关系，建立诊断模型，第一时间对异常情况的诊断进行推送。
1.2.4 可视化管理系统
建立适配大中小屏全面应用的web、移动端可视化管理系统，协助猪场管理者、技术人员及一线养殖人员、外部权限访问用户实现智慧操作，做到数据指标化、指标图文化、图文决策化、决策可视化。
基于数字孪生的智慧猪场管理平台可视化系统建设内容包括：
1）数字孪生猪场一张图。由于图形具有直观简洁、含义丰富等特点，将使模型的使用者与共享者能够高效地获取模型信息，实现通过模型认知物理对象的目的[10]。因此，首先，采用倾斜摄影技术与3D 建模技术，对猪场进行多级场舍模型孪生构建。模型中对猪场、栋舍功能分区进行标注介绍，点击相应功能分区可进入具体栋舍模型。在栋舍模型中展示栏位分布、智能装备配置等情况。其次，实现猪场智能装备与孪生猪场模型的融合。重点将猪场各项设备进行接入，以“物联网+模型”“视频+模型”“数据+模型”“物联网+视频+模型”等方式实现设备运行状态、设备监测数据、设备调控参数等内容，随时控制设施设备的开启和关闭，做到所见即所得。最后，提取猪场关键性数据指标，建立决策分析专题，将各类模拟仿真分析值集中在一张图上进行展示，满足生产、管理、成本计算等业务需要，轻松全览猪场全貌，便捷开展生产经营、运营消耗、成本核算、设备设施集中管控和应急指挥调度等。
2）数字孪生猪场APP。为用户提供移动式的智慧猪场管理工具，尤其方便一线养殖人员使用。数字孪生猪场APP 内容包括：生产管理、猪场物联网、场内设备控制、疫病诊断、防疫管理、信息预警、专家咨询等。
本文设计研究的基于数字孪生的智慧猪场管理平台已在某生猪产业园进行应用。通过平台建设最终达到3 个层次的管理目标：①聚，可看。即归集猪场各环节、各端、全生命周期数据，并以数字孪生猪场形式呈现，描绘“智慧猪场全景图”。②通，可管。打通生猪从入栏到出栏全生命周期养殖过程，实现生产可管理、过程可调控、产品可追溯。③服，可用。利用好平台集成猪流、人流、物流、车流等猪场管理4 大要素体系，能够针对猪场降本增效、提质增产、安全防控等管理核心提供落地性强的解决方案。数字孪生猪场管理平台界面如6 所示。
图6 数字孪生猪场管理平台界面
在信息化、互联网、大数据等一系列现代化进程渗透到社会发展的各个角落后，畜牧业发展所遇瓶颈的突破方向也逐渐明朗[11]，在双疫情大环境之下，畜牧业数字化发展趋势已不可逆转。企业面对智慧猪场转型，有着诸多核心管理需求，因此提出建立基于数字孪生的智慧猪场管理平台，能够充分利用数字孪生+多技术融合集成优势，在优化养殖过程数据感知和信息处理能力的同时，面对猪场生产管理中遇到的各种实际问题，加强智能感知控制、生猪个体识别与健康监测、疫病早期诊断与智能分析预警、猪场生物安全防控等装备+信息融合与集成应用[12]，打通养殖管理、精准饲喂、疫情预测诊断、生物资产管理、产品溯源等全链条信息流，推动多源数据、养殖关键技术、智能装备的综合研究与应用示范，促进猪场从“有人化”向“无人化”升级，真正为猪场赋能。
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