付友 王成森 郭瑞萍 李义 王兆山 刘建胜

中图分类号：S834.4 文献标识码：C 文章编号：1673-1085（2023）08-0059-03

中国是世界肉鸭生产第一大国，2022年中国大陸肉鸭出栏重量占世界总重量比约为69%，全年商品肉鸭出栏40.02亿只，总产值1 203.07亿元 [1]。肉鸭养殖环境是影响肉鸭健康生长和产品质量的重要因素之一，改善其生活环境能提升肉鸭养殖水平和生产性能[2]。肉鸭产业正在加速数智化转型升级，利用物联网、大数据、人工智能、计算机仿真等技术手段推动肉鸭产业智能化改造是肉鸭产业发展的必然趋势[3]。立体笼养鸭舍养殖装备布置密集、肉鸭饲养密度大、环境控制难度大，对环境稳定性要求十分严格[4]，应用智能环控技术能更精准调控养殖环境。本文从肉鸭智能环控系统的设计与实现、肉鸭立体养殖全棚育雏技术和肉鸭养殖棚舍CFD仿真模拟等方面阐述了肉鸭养殖过程中环境控制智能化，实现肉鸭养殖环控信息感知准确全面、安全可靠、决策及时、立体覆盖、高效运行。

1 肉鸭智能环控系统的设计与实现

肉鸭养殖环境的稳定性、通风均匀性、环境调控程度和环境应激对肉鸭生产至关重要。调研发现，市面上的环控设备主要存在以下问题：一是产品控制路数固定，后期升级换代只能直接更换；二是产品功能固定，不能根据用户需求和技术发展及时更新升级软件；三是环境数据无法上云；四是无自主逻辑，全靠养殖人员预置，养殖成绩完全取决于养殖人员的经验和水平；五是操作界面复杂，学习成本高。

传统环控器只是基于温度、日龄、体重、最小通风量等几个简单参数，既不能应对复杂的气候变化，又不能基于肉鸭本身健康状态，其养殖环控水平取决于养殖人员自身对环控的理解水平。

1.1 智能环控系统的设计目标

基于肉鸭生理学和动物行为学研究——肉鸭体感温度的量化算法和对环境微气候中的热能工程学、空气动力学、传热学、PID精准通风控制算法的研究实践，设计研发具有人工智能算法和控制逻辑的肉鸭养殖边缘端控制系统。利用算法代替人的经验完成自动调控，同时根据既往历史数据不断优化算法模型，使养殖从“主观经验型”转变成“模型和数据型”。

1.2 智能环控系统的创新

1.2.1 通风量的变化 增加变频调速风机，利用智能插补算法，在增加较少成本的情况下实现通风量近似无极变化，同时降低传统通风等级切换时较大风量落差造成的落风点短时变化以及对肉鸭的应激，更灵敏应对棚舍环境的细微变化并调整，实现精准微调。传统通风与改进后的通风量变化对比图见图1。

1.2.2 环控系统模块化设计 环控系统从电路板到机箱结构设计采用可裁剪、可扩展、可插拔的设计思路。环控系统可无限扩展，便于后期升级改造。环控系统模块化设计主要内容见表1。

1.2.3 安装高精度传感器 利用安装在棚舍各个位置的高精度传感器，综合计算棚舍不同位置的温差，自动调整屋顶风机、搅拌风机、尾部风机，使棚舍综合温差小于1.5 ℃，实现育雏期不再分群，大大节省分群所造成的肉鸭应激，降低人力成本。每个日龄按照湿热系数进行湿度调整，根据外界温度的变化进行湿度补偿，避免因外界天气突变导致通风问题。

1.2.4 具有智能报警功能 增加了大量的智能报警功能，包括：露点温度报警、肉鸭张嘴状态报警、肉鸭实时体核温度及健康状态报警、温湿度报警、体感温度报警、气体浓度报警、负压报警、通风异常预警、温度骤变报警、棚舍温差报警、断电报警等功能。

1.2.5 具备以太网、NB-IoT及5G功能 可灵活接入后台监、管、控一体化智慧平台，通过手机APP或中央控制室大屏，实现远程控制、多级预警、设备监控、养殖过程数据、通风方案数据的综合分析和展示。

1.2.6 研发一种基于红外热成像实时监测肉鸭体表温度异常变化的技术 利用红外热成像环境监测技术和肉鸭体表温度监控技术、肉鸭本体物联网无线温度传感技术，红外热成像的拍摄图片，分析找出亚健康肉鸭个体，及时发出预警，提醒养殖户应对处理，减少损失，提高养殖经济效益。

2 肉鸭立体养殖全棚育雏技术

目前国内肉鸭立体养殖，主流的通风模式是纵向通风模式，优点是简单、成本低，同时缺点也很明显。传统肉鸭立体养殖模式下的育雏过程：

（1）先在中间层育雏，再均分转群到其他层育成； （2）育雏期间使用料盘人工上料，费时费力，且料盘易污染；（3）采用小窗进风+末端风机负压出风方式，棚舍的前后之间、上下层之间的温差较大，甚至可以达到6～8 ℃的温差；（4）传统环控系统用3个温度探头的平均值参与控制，难以实时量化描述和控制复杂的棚舍内环境；（5）大量采用人工观测手段来判断肉鸭的体感温度。

研究全棚育雏技术，创新点主要体现在：

（1）建立在屋顶风机＋搅拌通风的基础上，用垂直排风取代纵向排风，育雏期间笼内静压无风；（2）通过智能环控算法、CFD流体动力学仿真技术和智能供热系统，9个温度探头全部参与环控控制，实现温差自动调节（舍内各处温差相差1 ℃以内，体感温差0.5 ℃以内）；（3）通过采食孔技术、一体化调节挡板技术、喂料行车智能控制系统等多种技术手段，在整个育雏期间不再使用料盘和人工加料，育雏期间一次性上苗育雏、不再转群分群，直到出栏；（4）结合AI人工智能肉鸭张嘴自动监测技术、肉鸭穿戴式无线体核温度监测技术、养殖巡检机器人技术，大大提升育雏期间的精准控制水平和智能化自动化水平，并最终实现养殖成活率、料重比和只增重方面养殖成绩的稳定提高。

3 肉鸭养殖棚舍CFD仿真模拟

计算机流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）广泛应用于畜禽舍内部环境研究[5]，应用CFD计算机仿真技术，模拟肉鸭养殖棚舍通风效果，对鸭舍内环境包括风速、温度和相对湿度进行评估分析，合理优化鸭舍通风模式提高舍内环境质量[6]，指导优化养殖棚舍通风设计、加热制冷设计、空气流动设计，保障最佳养殖效果。CFD仿真能够对棚舍设计的合理性、科学性进行验证，尝试新的设计思路，能够解决现有设计中没有标准、缺乏科学依据的问题。采用通风仿真对问题进行复现，能够让养殖户比较直观了解问题。养殖规划设计中结合流体力学（CFD）仿真计算，对设计方案的科学性进行验证，提前发现设计中的缺点与不足，并提出改进方案，避免传统设计中先建设、后改造带来的巨大试错成本。养殖棚舍流体力学仿真效果图见图2。

参考文献：

[1]  侯水生，刘灵芝. 2022年度水禽产业发展现状、未来发展趋势与建议[J].中国畜牧杂志，2023，59（03）：274-280.

[2]  赵东伟，王钱保等.鸡舍环境参数控制与福利养殖研究进展[J].中国家禽. 2023，45（03） ：99-105.

[3]  付友，都振玉，张兴国，等.肉鸭养殖数智化云平台的设计与实现[J].家禽科学， 2022（10）： 43-45+47.

[4]  李保明，王阳，郑炜超，等. 中国规模化养鸡环境控制关键技术与设施设备研究进展[J].农业工程学报. 2020，36（16）： 212-221.

[5]  程琼仪，穆钰，李保明.进风位置对纵向通风叠层鸡舍气流和温度影响CFD模拟[J].农业工程学报， 2019，35（15）：192-199.

[6]  董耀宗. 阶梯笼雏鸡舍夏冬季热环境CFD模拟与效果测试分析[D].重庆：西南大学，2022.