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文章引用
杨亮,王辉,陈瑞鹏,等. 畜禽个体识别技术发展进展及展望[J]. 猪科学, 2023, 40(9): 24-27.
畜禽个体识别技术发展进展及前景
杨亮、王辉、陈瑞鹏、熊本凯
(中国农业科学院畜牧兽医研究所动物营养与饲养国家重点实验室，北京)
前言
畜禽个体识别在从养殖、屠宰、加工到消费的每一个环节中都发挥着重要作用。在养殖阶段，通过识别来测定猪只个体的生产性能，指导种猪的选择；利用自动识别和物联网技术采集猪只生理参数和养殖信息，调控生产环境和养殖过程，实现精准养殖目标；在疾病防控监测环节，利用识别技术建立疾病追溯体系，监测猪只个体的免疫记录，在疫情爆发时可以快速追溯传染源和传播途径，发现疫情趋势和生物学规律，及时控制传染源的流动，减少经济和社会损失；在产品贸易和食品安全方面，建立畜禽个体识别追溯体系，可以保障消费者免受食品安全事故的侵害。为此，各国都集中优势科研和产业力量进行技术攻关，取得了一定的成果。本文将重点对畜禽个体识别技术进行探讨。探讨了个体识别技术的发展演变过程，并对机器视觉等相关领域的发展进行了展望。
传统致病性与免疫性标记技术研究
当动物由野外驯化转为人工饲养时，古人采用各种物理方法对其进行标记，如在皮肤、尾巴、嘴唇、蹄、角上纹身或烙印，穿刺或剪断耳朵，涂抹或做标记，佩戴项圈、脚镯或标签等。
1.1 剪耳
剪耳又称割耳或刻耳，用特制的耳号钳在家畜的左右耳上刻出缺口或孔洞，每个缺口或孔洞代表一个特定的数字。耳号组成规则包括：数字规则和编码规则。数字规则主要分为“内外法”和“上下法”，编码规则主要有“大排列法”、“窝排列法”和“标签亲属法”。
1.2 纹身
耳标是动物永久性识别的常用方法之一。用热水洗净新生动物的右耳并擦干，然后用耳标钳在右耳内侧刺穿。耳标钳可插入不同号码的别针。穿刺处涂上黑色墨水，或烟灰酒精溶液。对于深色或黑耳品种，绿色染料更合适。除耳标外，有些地区还用锤子刺穿来刻上数字，标记待宰的猪，但此法现已基本被废除。
纹身法需束缚住动物头部进行纹身识别，不太适合日常使用，但标记准确度高，不易出错，伤口小，不易引起细菌感染。
1.3 品牌
最初的烙印方法采用火烙法。烙铁用低碳钢合金等导热性良好的材料制成文字或符号的形状。将加热的烙铁放在动物皮肤上几秒钟，根据体形滚动施压，最后用冷水或伤油缓解。烫伤皮肤，促进愈合。火烙会损伤真皮，影响皮革的质量。另外，烫伤疤痕常常会感染溃烂，使字迹模糊，难以辨认。
出于动物福利考虑，火烙法已逐渐被冷冻烙法所取代。冷冻烙铁由铜或青铜合金制成，用二氧化碳钢瓶、干冰乙醇混合液或液氮将烙铁冷却至-60℃，可破坏皮肤。此法优点是烙印清晰明显，容易识别，永不消失；操作简便，对皮肤损伤小，无痛苦。
1.4 色法
在生产过程中，有时需要做临时标记，例如分娩时，需要用相同颜色的油漆在产妇和婴儿身上做标记，可使用专用标记漆或易洗掉的彩色材料做标记。
条码标记技术
随着材料和技术的发展，耳标，主要是塑料耳标，在世界范围内的畜牧生产中得到了广泛的应用。在耳标上加设条形码，可以实现耳标号的自动识别和读取。在管理方面，建立了畜禽追溯管理制度，建立了完善的食品质量安全体系，在各国得到使用和推广。
美国成立了牲畜识别发展小组，制定并制定了牲畜识别工作计划，目标是在发现外来疾病时48小时内识别所有相关公司，并于2004年开始使用带有公司编号或个人标识的耳标。加拿大实施“ 品牌加拿大”战略，2008年实现农业食品行业农产品可追溯性达到80%。欧盟要求大多数国家建立和执行牲畜及肉类产品强制性追溯制度，2002年以后销售的所有产品必须带有追溯标签。法国对屠宰生猪实行强制贴标，荷兰对断奶一周内的仔猪加贴耳标，生长猪在屠宰或出口时必须贴上屠宰标记，丹麦要求新生猪必须贴上耳标。澳大利亚有全国性牲畜标记计划，可以对牲畜从出生到屠宰进行跟踪，每头牲畜都用经过认证的耳标或瘤胃标签进行识别，农民出售羊时必须在申请表上填写标签号码。
中国高度重视重大动物疫病防控和食品质量安全，2001年开始实行动物免疫接种标识制度，2002年农业部发布《动物免疫接种标识管理办法》，规定动物免疫接种标识包括免疫标识和免疫记录，还要求对接种过重大疫病的猪、牛、羊进行免疫后必须佩戴免疫耳标。 《中华人民共和国畜牧法》于2005年通过，规定畜禽养殖者必须对其饲养的畜禽进行标识，建立养殖档案，采取措施，落实畜禽产品质量安全管理。2006年，农业部颁布了《畜禽标识及养殖档案管理规定》，并在北京、上海、重庆、四川等1省开展了“动物标识及疫病追溯系统”建设试点，正在全国范围内推广“动物标识及疫病追溯系统”。我国采用塑料耳标作为动物标识。
射频识别
射频识别（RFID）是一种非接触式自动识别技术，其基本原理是利用射频信号与空间耦合传输特性，实现对被识别对象的自动识别。RFID技术具有非接触式识别、读取率高、准确率高、抗干扰能力强等特点，用于畜禽个体识别。RFID识别方式有多种，如电子耳标、项圈、腿环等佩戴式识别，皮下植入式识别，瘤胃内置式识别等；RFID标签具有集成传感器、信号收发器等多种功能。
常用的畜禽个体RFID有动物耳标、颈圈标、注射用玻璃标、瘤胃电子胶囊等。
动物耳标主要有低频和超高频两种类型，二者的芯片、天线、封装方式均有所不同，低频耳标的RFID芯片与天线组成的中间嵌体置于母标内部，外面用聚氨酯塑料包裹。颈圈式电子标签根据动物种类、生理特点选择，家禽多采用脚环、翼标，用于养殖家禽管理和产品追溯，牛、羊多采用颈圈，用于群养系统、自动饲喂系统、挤奶系统等。注射式电子标签是利用专用工具将电子标签置入动物皮下，通过对比电子芯片不同植入位置的效果发现，耳下位置最为合适，保存率高且不易被触及。将标签注射到牲畜体内的方法会引起动物组织产生排斥反应；受植入部位等因素影响，在体内存在标签丢失、破损、移位等问题。瘤胃电子胶囊是安装在耐酸圆柱形壳体内的电子标签，经动物食道置入反刍动物瘤胃液中，一般终身留在动物瘤胃内。宰杀后注射式电子标签的移除是个问题，需要尽量避免，以免进入食物链带来的潜在危害。
机器视觉识别技术
机器视觉是信息技术领域的热门研究方向，该系统通过分析图像或视频，实现对场景中目标的定位、识别和跟踪，分析判断目标的行为，判断异常情况的发生，近年来在畜禽养殖中得到广泛应用。非接触式的机器视觉识别方法可以提高识别的实时性和自动化程度，降低养殖管理成本，减少动物应激，但识别准确率和鲁棒性还有待进一步提高。
4.1 鼻纹识别技术
1922年，人们开始利用鼻纹来识别牛个体，将墨水喷在牛鼻子上，然后打印在纸上，用肉眼比对进行身份匹配。1998年，等发展了利用鼻纹分布特征识别牛的方法，利用编码系统对带耳标的牛建立档案，实现了牛产品的全程可追溯。2007年，Barry等通过拍摄牛鼻纹采集牛鼻纹信息，利用主成分分析和欧氏距离分类算法对牛鼻纹照片进行分类，结果表明，牛鼻纹识别准确率可达98.85%。虽然鼻纹不可改变、可采集、识别准确率高，但动物行为具有随机性，在提高采集效率、优化识别等方面还有待进一步改进。
4.2 虹膜识别
虹膜是瞳孔与巩膜之间的环状可见部分，由复杂的纤维组织构成，随瞳孔直径的变化而伸展。动物出生前的随机生长过程导致每个虹膜的组织结构存在差异，终生不变。虹膜一般呈现由内向外的放射状结构，包含许多相互交织的细微特征，形状包括斑点、丝状、冠状、条纹、隐窝等。
在红外光照射下，通过高分辨率的摄像机接收并采样反映其图像特征的模拟信号，数字化后存入计算机，每个虹膜数据的长度为256字节，整个过程在系统中瞬间完成，虹膜识别技术的优点是准确率高；缺点是虹膜技术系统过于昂贵，需要相对完备的成像条件和一定的成像时间，在畜禽养殖中使用较为繁琐。
4.3 视网膜血管识别
视网膜是位于眼球后部的一组非常细小的神经，是感知光线并通过视神经向大脑传递信息的重要器官，用于生物识别的血管分布在神经视网膜周围，在采集视网膜数据时，扫描仪会发出一束光射入用户的眼睛并反射回扫描仪，系统会快速绘制出眼睛的血管图案并将其输入到数据库中。
视网膜识别技术具有极高的可靠性，视网膜血管分布具有唯一性，无法伪造，即使是双胞胎动物，其血管分布也各不相同，视网膜结构在动物成长过程中保持稳定，视网膜识别系统误识别率低，记录装置可以从视网膜上获取700个特征点，这使得视网膜扫描技术记录装置的误识别率低于百万分之一。
视网膜识别技术的采集设备价格昂贵，采集过程繁琐，为了使视网膜扫描装置获取视网膜图像，眼球与记录装置之间的距离要在半英寸以内，并且记录装置读取图像时眼球必须静止，使用起来并不方便。
分子标记识别技术
自DNA分子标记技术建立以来，各种DNA分子标记被广泛应用于遗传图谱构建、遗传多样性评价、个体识别和亲子鉴定等，常用的畜禽个体识别分子标记主要有简单序列重复(SSR)、单核苷酸多态性(SNP)等，与具有多个等位基因的SSR方法相比，SNP方法只有两个等位基因，技术相对简单，成本相对较低，有利于在基于分子标记的追溯体系中对牲畜个体进行追溯，其优点是准确率极高，对疾病控制效果显著；其缺点是只能从肉制品追溯到养殖场及种畜的追溯，无法实现从超市到经销商到加工厂到屠宰场的全程追溯。
畜禽个体识别技术研究展望
随着信息技术的发展，传统的识别方法已不再满足现代养殖的要求。机器视觉技术是发展最快、应用潜力最大的方法，基于个体识别，可实现动物跟踪、行为感知、生理监测、智能控制、资产管理“一揽子”解决方案。未来需进一步解决实际养殖条件下的技术研发和实施问题；RFID技术相对成熟，是目前替代人工应用最多的方法，但需解决兼容性差的行业标准问题，并发展基于RFID的多参数传感技术；生物特征识别技术识别准确率高，但对应用场景、技术设备和人为参与要求较高，未来需改进现有的硬件设备，提高准确率和兼容性。利用环境和生产特点发展自动化生物特征识别系统。
6.1 机器视觉技术
精准养殖模式日渐普及，在充分考虑畜禽生理习性、养殖设备等因素的前提下，畜禽个体识别将朝着非接触、自动化、实时、连续检测的方向发展，特别是基于机器视觉的个体识别技术。
在数据采集技术方面，农场环境相对复杂，受光线等因素影响，动物相互遮挡，所以采集到的数据会有偏差，需要开发适合各类养殖场景的自动数据采集、目标跟踪技术以及与算法结合使用的方法。
在增量识别学习模型方面，基于大量训练样本利用机器学习方法训练出来的模型仅适用于测试场景下的畜禽个体，但由于群体繁衍、群养等生产需要，畜禽个体可能会出现离群值或者新增个体的情况，需要对模型进行重新训练，需要将个体识别模型与迁移学习相结合，开发无需重复训练模型的增量识别模型。
在嵌入式设备研发方面，虽然国内外学者在实验室研究上取得了不错的成果，但具体应用仍比较有限，集图像数据采集、特征提取、个体识别于一体的嵌入式识别设备研发已成为一个亟待解决的问题。开发的嵌入式设备需要兼容深度学习模型，需要进一步研究如何在嵌入式设备中快速高效地完成深度学习。
在智能化养殖系统方面，基于畜禽个体识别技术，提高个体信息采集的智能化，研究如何整合牛采食量、体温、活动量、体况评分等信息，以及养殖环境对畜禽个体生长的影响，开发智能化养殖系统。
6.2 RFID 技术
在畜禽个体识别RFID技术方面，目前仅有低频识别的国际和国家标准，而我国大规模应用的主流技术为超高频识别，技术标准方面尚属空白。
第一，提高超高频标签识别准确率。低频标签识别距离短，传输速率低，缺乏同时识别多个目标的能力。超高频RFID读写器可同时读取多个标签，读取速率快。通过引入或改进相应算法，可以提高识别准确率，消除信号干扰，在大群体中单个动物的摄食、产卵、活动行为监测方面具有很大的应用潜力。
其次，降低超高频标签的工作功率。超高频标签的工作频率包括433.92MHz、862(902)～、2.45GHz及5.8GHz，其中前两个频段动物标签使用较多，大部分为无源标签，目前对超高频标签电磁辐射对动物的长期影响尚无公认的研究结果，更没有相关的规范和标准，考虑到超高频动物标签主要在我国使用，国内学者应加强相关研究。
最后，提高超高频标签的感知能力。RFID感知技术的发展经历了从“物”到“人”的转变，通过进一步主动设计和部署标签或标签阵列，可以将其用于某些特定动物行为感知应用，将标签转换成轻量级的无源传感设备，用于各方面，如声音感知、振动感知等，实现标签从识别到感知的进化。
6.3 生物特征识别技术
畜禽的生物特征识别包括毛皮花纹、体形、五官等宏观特征，以及口、鼻、眼、血管等微观特征。发展新型生物特征识别分析技术，融合两种或两种以上生物特征识别，可以拓展生物特征识别的应用领域，提高识别系统的准确率。
在声纹识别技术方面，贝尔实验室通过观察语音的频谱图，首次提出了声纹的概念；各国学者对语音中的性格参数进行了研究，提出了梅尔频率倒谱技术和线性预测分析技术，在准确率上取得了很大的提高；基于最大似然概率统计的高斯混合模型由于其简单、可靠、稳定，成为声纹识别的重要模型之一。生理生长信息将成为畜禽行为研究的热点。
步态识别技术方面，其优势在于非接触式、远距离感知。步态特征可分为静态特征识别和动态特征识别两大类，静态特征和动态特征都会影响步态识别的准确率。步态识别主要针对动物患病时出现的步态异常，在疾病早期更容易观察到异常。步态识别技术尚处于研究阶段，识别准确率和速度有待进一步提高。
校对│乔春玲
版面设计│乔春玲
评论│甄梦颖