《Poultry Science and Management》：Precision housing dynamics in poultry: AI-driven predictive systems for welfare, behavior, and skeletal health
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家禽是全球增长最快且普及率最高的动物蛋白来源。然而，当前家禽生产因动物福利问题与舍饲条件不佳，尚未实现可持续且具有成本效益的运行模式。过高的饲养密度及骨骼健康问题进一步削弱了生产效率。环境承载力不足导致的过度拥挤会引发应激反应，诱发有害行为，并提升疾病发生风险
家禽是全球增长最快且普及率最高的动物蛋白来源。然而，当前家禽生产因动物福利问题与舍饲条件不佳，尚未实现可持续且具有成本效益的运行模式。过高的饲养密度及骨骼健康问题进一步削弱了生产效率。环境承载力不足导致的过度拥挤会引发应激反应，诱发有害行为，并提升疾病发生风险，具体表现为跛行、胸部水疱、惊恐踩踏及屠宰废弃。现有研究尚未建立能够同时整合舍饲设计改进、种群密度优化与骨骼健康解决方案的统一精准预测模型。为填补这一空白，研究人员提出了精准舍饲动力学(PHD)概念。该框架融合结构设计、行为与骨骼健康预测，依托人工智能与精准畜牧养殖(PLF)技术构建。本综述系统梳理了家禽饲养密度效应、建筑优化、行为响应、骨骼健康管理及AI监测工具的相关文献，证实舍饲条件、饲养密度、应激相关行为与骨骼健康结局之间存在显著关联。研究证据表明，基于AI的预测系统若应用于农场，有望识别福利受损状况，支持早期干预与疾病预防。本研究提出的精准舍饲动力学(PHD)框架旨在提供系统级的决策支持架构，以优化家禽福利、骨骼健康与生产性能。此外，该框架在概念上与更广泛的可持续发展目标及新兴伦理家禽生产原则保持一致。PHD整合的结构、行为与生理要素支持基于数据的预防性干预，有助于构建更具福利导向、适应动态种群变化并具备骨骼健康预测能力的家禽舍饲系统。该框架遵循联合国可持续发展目标SDG2（零饥饿）标准，通过促进全球粮食安全，为构建可持续且合乎伦理的全球家禽养殖体系奠定根本条件。
引言
全球人口增长、城市化进程及饮食结构变迁推动动物蛋白需求持续上升，这对发展中国家的粮食安全与营养保障构成挑战。在家禽产业中，肉鸡生产扩张速度最为迅猛，预计到2030至2032年间将占据全球肉类蛋白消费的最大份额。肉鸡凭借较高的饲料转化效率、较低的单位蛋白环境足迹、快速生长周期以及对各类养殖系统的广泛适应性，在满足日益增长的蛋白需求与资源约束背景下，对全球动物蛋白供应与粮食安全目标具有重要贡献。然而，快大型肉鸡品种的广泛应用，尤其是在高密度舍饲条件下，给动物福利、行为与骨骼健康带来了严峻挑战。由于肌肉快速增长与骨骼发育不匹配，加之集约化系统中运动受限与自然行为表达机会匮乏，导致行动障碍、腿部疾病及自然行为能力下降。在集约化舍饲与非最优环境条件下，快大型肉鸡常伴随腿部畸形、行动能力受损及自然行为减少等福利问题。高密度生产系统中，快速的肌肉增长与受限的运动空间加剧了步态异常与骨骼疾病的发生，而垫料质量、通风或光照等环境管理不当则会进一步恶化应激行为。在地面平养系统中，快速生长伴随的长期不活动与运动减少，特别是在高饲养密度与劣质垫料环境下，会延长与受污染垫料的接触时间，从而增加足部皮炎（如脚垫损伤、飞节灼伤与胸部水疱）的发生风险。较高的饲养密度会加速垫料劣化与病灶流行，而降低密度与改善管理则能有效缓解此类福利问题。实证研究显示，商业生产中福利受损的情况依然普遍，屠宰时的废弃率仍不可忽视，跛行个体常表现出步态异常、活动能力下降及更高的胴体拒收概率。高饲养密度是肉鸡福利的重要限制因子，研究表明降低密度可改善垫料质量、脚垫状况及行为应激反应。当前的舍饲与高密度实践被公认为福利优化的制约因素，它们限制了动物行为表达、导致垫料质量下降，并与接触性皮炎及应激指标升高相关，使得平衡福利与可持续性目标面临挑战。2024年一项对比现代笼养系统与传统地面平养系统的实验表明，虽然笼养系统在环境控制与生长性能方面表现更优，但其腿部畸形发生率与站立能力均逊于地面平养系统，而后者则面临热应激等福利挑战。这种权衡凸显了肉鸡舍饲系统中生产力与福利结果之间的张力。监测技术、行为追踪与福利评估工具虽已逐步应用，但多呈独立运行状态，尚未建成将舍饲设计、密度、环境、行为追踪与骨骼健康评估联动的全功能集成AI预测模型。这揭示了当前家禽养殖在知识与实施层面的重大缺口。随着家禽作为主流动物蛋白来源的地位日益巩固，解决生产系统中的动物福利与健康顽疾变得愈发迫切。精准舍饲动力学(PHD)由此被提出，作为一个概念性、集成性的框架，它综合了舍饲科学、骨骼生物学、福利评估与精准畜牧技术的实证发现，旨在构建一个转化性的决策支持架构，而非一个完全验证的商业解决方案。PHD提供了一个由AI驱动的集成系统，将舍饲设计、空间分配、连续行为监测、福利追踪、骨骼健康评估与环境控制系统相结合，形成预测性框架。
饲养密度与福利
对照试验与农场调查一致表明，较高的饲养密度与较差的肉鸡福利结局相关。高密度饲养的肉鸡表现出更差的步态评分、更高的腿脚病灶发生率、活动能力下降及应激指标升高。相反，降低饲养密度通常能改善步态、脚垫皮炎、飞节灼伤评分、垫料质量及整体活动水平，证明空间供给是影响商业肉鸡福利的重要风险因素。这些效应在不同生长速度的品种中均有记录。高密度限制肉鸡运动，阻碍采食，并减少自然舒适行为的表达，导致活动水平下降与应激指标升高。自动化活动监测与行为谱研究表明，高密度饲养的肉鸡表现出较少的运动与更多的卧息时间，尤其在垫料质量差或热应激发生时，与较差的福利结局相关。高密度还会引发群居应激与逃逸行为，在拥挤环境中此类行为传播迅速，有限的逃生路径会增加受伤风险。大多数关于啄羽行为的研究集中于蛋鸡，但近期肉鸡实验表明，过度拥挤与贫瘠环境等不良因素与更严重的啄击行为相关，可能造成伤害。高密度增加了对微资源的竞争与应激，可能引发替代性啄击，而环境丰容与低密度则可降低啄击发生率，其效果受管理措施（丰容类型与时机）与品种性情调节。高饲养密度还会导致严重的福利问题，包括接触性病灶与踩踏伤，进而增加屠宰时的废弃或降级比例。快大型商业品系可能对高饲养密度更为敏感，因为体重的快速增加可能超过骨骼发育速度。因此，密度指南应考虑品系特异性差异，而非假设通用适用性。温度、湿度、垫料湿度与饲养密度的组合会共同造成损害动物福利的条件。高密度与垫料湿度升高相关，可能导致氨气积聚与接触性皮炎及其他继发性福利问题。密度的福利影响随禽只生长而加剧，因为未考虑体重与年龄的固定每平方米规则无法捕捉不断变化的风险模式。将体重与年龄结合的时间加权密度指标（kg/m2over age）已被证明是预测跛行与病灶发展的有效方法。实证证据明确显示，饲养密度是影响跛行、行为应激、啄羽与胴体废弃的主要因素。其对福利的影响处于复杂系统中，受品种类型、环境条件、垫料质量、禽只年龄及丰容措施等多重因素影响，强调需要适应性管理策略而非固定的密度限制。证据还支持在预测系统中进行连续的密度与环境监测，以帮助降低福利风险。
建筑结构设计
近期实地研究表明，在水线下方使用板条地板相比传统垫料地面，能显著改善垫料干燥度并减少脚垫病灶。通过这一干预措施，屠宰时的脚垫健康状况得到显著提升，证明合理的地板系统可减少接触性皮炎及湿垫料相关的福利问题。不同舍饲系统的比较研究揭示了重要的福利与健康权衡。封闭式鸡舍常能实现环境控制与生产高效，但也伴随着较高的接触性皮炎发生率、探索行为减少、空气质量下降（氨气与二氧化碳浓度升高）及光照强度不足，这些均会对福利产生负面影响。近期研究评估了肉鸡舍内多功能冷却平台对休息行为与热应激的影响，结果显示这些平台并未显著影响肉质或生长速率。2023年的研究发现，采用可变光强的商业肉鸡舍允许鸡只进行自然的沙浴活动，说明光照制度与强度可影响行为福利。适宜光照下的肉鸡表现出更好的活动能力与行为表达，而不当光照则会抑制自然行为并可能导致福利受损。近期的优质丰容研究表明，在高饲养密度下（31与41 kg/m2），高架平台结合秸秆捆能显著减少快大型肉鸡的脚垫皮炎与飞节灼伤，并改善行走能力。阶梯平台与激光丰容能减少亚临床脊柱问题，增强探索行为并缩短休息时间，表明结构复杂性与行为刺激可在不影响生长速率的前提下改善特定的健康与福利结局。丰容虽能改善福利，但某些栖架、昆虫或屏障组合并未提升脚垫或飞节健康，说明丰容效果取决于结构类型、放置位置及品种选择。经典研究指出，商业标准密度下的肉鸡需要足够的个体面积来执行饮水、地面啄食与休息等行为。当密度超过特定阈值时，禽只被“压缩”，限制了行为表达并可能损害福利。在舍饲系统比较试验中，拥有更好空间供给与垫料的地面平养肉鸡表现出更多的自然行为、更少的接触性皮炎、更低的跛行与病灶发生率，表明每只禽只的空间是影响福利的关键因素。
家禽骨骼健康
针对快速生长与高产肉量的遗传选育速度持续超过成比例的骨骼发育速度。证据表明，这种差距导致骨骼力学强度下降，骨矿物质含量与密度跟不上肌肉生长，增加了腿弱、骨折与跛行的风险。当禽只因空间、地板类型、丰容或环境条件限制而活动受限时，这一问题会加剧，因为正常骨骼发育所需的机械应力输入减少。近期一项针对400只黄羽肉鸡的研究报告称，6周龄时胫骨软骨发育不良(TD)发生率约为22%。值得注意的是，患TD的肉鸡表现出胫骨长度、骨密度、骨矿物质含量、骨灰分含量、钙与磷含量的显著降低。对TD与非TD肉鸡生长板的转录组分析鉴定出849个差异表达基因(DEGs)，包括胶原蛋白链基因及细胞外基质、钙信号通路与软骨/骨发育通路相关基因的表达下调。作者指出，TD骨病导致物理结构改变、生化异常、矿化受损、骨矿物质密度下降及生长板软骨生长不规则，支持TD同时影响骨结构与代谢的观点。对照研究评估了三种垫料与地板系统：添加沸石的垫料(ZL)、木屑(WS)与塑料网格地板(PF)，以确定其对骨强度、形态及TD/畸形率的影响。饲养在ZL上的肉鸡股骨与骨骺灰分含量更高，胫骨更强壮，TD与内外翻畸形率低于PF组。相比之下，塑料网格地板(PF)及某些垫料类型（PF结合标准垫料）增加了腿畸形与TD风险，即使活重更高，表明舍饲设计（地板与垫料）能在不考虑生长性能的情况下显著影响骨骼健康。2024年的一项开放获取研究报道，黄曲霉毒素B1(AFB1)（污染饲料中常见的霉菌毒素）会对肉鸡骨骼矿化产生不利影响。暴露于260 ppb AFB1显著降低了胫骨骨灰分含量，而560 ppb则导致股骨小梁骨矿物质密度下降、体积骨量减少及皮质骨变薄，表明矿质沉积受损与结构完整性下降。感染球虫病的肉鸡表现出更高的骨吸收率、更低的骨矿物质密度与矿物质含量，可能源于全身性炎症与氧化应激，共同损害了骨形成并增加了骨吸收。细胞水平的氧化应激会抑制成骨分化。2023年的一项体外研究中，暴露于过氧化氢（活性氧）的鸡骨髓间充质干细胞(MSCs)成骨分化能力显著下降，表明氧化应激可在细胞层面损害骨形成能力。热应激等外部应激源会损害骨质量。补充25-羟基胆钙化醇（一种维生素D代谢产物）被证明能改善热应激下后期肉鸡的骨质量，提示环境应激（热应激、炎症）可损害骨完整性，但其影响可通过营养干预缓解。2025年的一项研究表明，补充硫酸软骨素(CS)并结合最佳锰(Mn)水平可改善肉鸡的骨形态计量学特征、钙含量与骨断裂强度，特别是当CS为0.06–0.12%且Mn为40 mg/kg时。研究提示，保护细胞外基质(ECM)完整性并促进骨矿物质沉积有助于减少快速生长导致的结构弱点。在TD患鸡中进行的CS实验治疗改善了生长板结构，增强了ECM成分（II型胶原与聚集蛋白聚糖），并激活了Wnt/β-连环蛋白通路，这与促进软骨细胞生长与成熟相关，有助于缓解TD效应。
精准技术与AI工具
2024年的一项研究开发了一种利用卷积神经网络(CNNs)与3D卷积网络的视频识别流程，用于检测与量化个体肉鸡的伸展、理羽等行为（舒适与福利的标志）。该系统在行为分类上达到了88.1%的平均精度，证明了其在商业养殖环境中的有效性与潜在适用性。另一项2024年的研究通过对俯视视频数据进行基于2D轨迹的聚类分析，将肉鸡活动分为三类：静卧/最少活动、活跃与高度活跃。基础的CNN检测器精度达0.98，召回率为0.90，F1分数为0.94，而跨帧追踪的多目标追踪精度约为74.7%。这些结果表明，基于视频衍生轨迹的无监督聚类可以客观监测群体水平的活动动态，并有助于检测福利相关活动模式的短期变化。研究人员通过俯视视频分析研究肉鸡行走能力，测量栏内通道中的身体摆动、步数与行走持续时间。他们发现，计算机视觉衍生的代理指标与人工步态评分及腿部健康评估结果强相关，表明这些代理指标可作为非侵入性、可扩展的指标用于腿部健康与福利评估。2025年发表的一项试点研究为肉鸡配备了结合惯性测量单元(IMU)与超宽带(UWB)传感器的可穿戴设备，以追踪多达200只鸡的群体中的个体活动与位置。该系统成功区分了不同禽只与环境条件下的活动水平，而UWB实现了精度小于20 cm的定位追踪。该研究还评估了福利影响与设备留存率，表明了家禽可穿戴监测的可行性。同一研究发现，加速度计衍生的活动指标与福利相关变量相关，可用于早期发现运动能力下降（潜在的跛行），提示其作为预警系统的潜力，可补充传统的观察评分。可穿戴设备与传感器阵列因此补充了基于视频的系统，使其能在低光或拥挤鸡舍中进行监测，并提供对精细尺度福利评估有价值的个体水平运动、位置与活动数据。2025年一篇关于家禽养殖检测技术的全面综述（涵盖计算机视觉、红外热成像、RFID与声音分析）强调，现代精准畜牧养殖(PLF)系统正日益具备提供实时福利指标的能力，但完全集成的系统仍然罕见。2024年的一项研究评估了精准畜牧养殖(PLF)中的AI应用，发现结合传感器技术的AI系统能够利用机器学习与深度学习技术，对动物健康与福利进行连续监测。这些系统能够及早发现健康问题与环境问题，实现预防保健，而非仅依赖应急响应。相关研究强调了AI驱动的精准畜牧养殖工具面临的主要挑战：大多数系统仍在实验或试点条件下评估，尚未在大规模商业农场部署；大型开放数据集稀缺；光照、密度、品系与行为的变异性使得模型泛化困难；且很少有系统经过外部验证或长期部署。
整合：精准舍饲动力学
计算机视觉系统利用自动化、非侵入性方法追踪肉鸡行为，记录其运动与行为状态，具备商业应用潜力。可穿戴技术中IMU与UWB传感器的结合，能够在黑暗或视线受阻的广阔养殖环境中精确追踪个体运动与位置。精准畜牧养殖(PLF) AI技术，包括视觉系统、传感器与环境监测工具，已发展到能够执行实时福利与健康监测，并在早期阶段检测应激、疾病与行为异常指标的水平。这些技术共同构成了PHD的核心技术支撑。
密度、舍饲、行为与骨骼健康之间的机制联系
高饲养密度与某些舍饲设计（劣质垫料/地板、可用空间受限、丰容有限）会减少自主运动，增加卧息时间，导致紧密聚集，并在受到干扰时放大恐慌/逃逸反应。多地点实证研究证实，随着密度上升，活动预算减少、垫料质量变差、卧息与聚集发生率升高，这些效应在不同品系中存在，但受舍内小气候与管理措施调节。此类行为转变被认为是下游骨骼风险的直接促成因素，因为它们直接改变了骨骼承受的机械负荷。生长禽只的骨强度依赖于规律的机械负荷（行走、栖息与动态活动）以刺激成骨作用与适当的矿质沉积。当运动因拥挤或劣质地板受限时，负荷周期的减少会损害正常的骨建模/重塑平衡，导致成骨活性下降、矿质沉积受损、皮质变薄与小梁骨变弱等生理变化，从而增加骨折与跛行风险。加速度计与活动追踪研究显示出测量的活动下降与步态/跛行结局恶化之间的强相关性，为从行为到肌肉骨骼病理提供了客观的桥梁。高饲养密度会降低肉鸡舍内的小气候质量，导致垫料湿度升高、局部氨气浓度增加与热量积聚。潮湿或压实的垫料与较高的接触性皮炎及胸部病灶发生率相关，可能降低禽只的活动能力与休息舒适度。高氨气水平与热应激还与呼吸道刺激、生理应激及生长与代谢过程改变相关。因此，恶劣的小气候条件既可直接损害组织（如接触性病灶），也可间接导致与活动不足相关的骨骼虚弱。系统性生物应激源，包括肠道疾病、霉菌毒素暴露与肠道菌群失调，可通过扰乱营养吸收、炎症信号与骨重塑通路损害肉鸡骨骼发育。实验研究表明，球虫病等肠道感染可通过诱导全身性炎症与氧化应激，降低骨矿物质密度与矿物质含量。同样，暴露于黄曲霉毒素B1等霉菌毒素与胫骨灰分含量减少及骨矿化受损相关。越来越多的证据表明，肠道菌群的改变会影响肠-骨轴，进而影响矿物质代谢与骨骼发育。这些机制解释了为何相似的舍饲或密度条件可能因群体健康状况与饲料质量不同而产生不同的骨骼结局。生长板层面的研究利用转录组学与组织病理学分析表明，胫骨软骨发育不良(TD)及相关疾病源于软骨细胞分化不当、细胞外基质(ECM)缺陷、血管发育异常与信号通路异常。分子特征检测氧气水平、机械力与营养状况，将舍饲与行为模式联系起来。研究表明，患TD的禽只表现出ECM与胶原蛋白基因表达下调，导致生长板形成无血管的软骨栓，从而将运动受限与恶劣环境条件与生长板损伤联系起来。证据表明，预防肉鸡骨骼疾病需要全面的、多因素的干预措施。这些干预应旨在恢复运动机会、改善环境条件并减少系统性应激。单一维度的干预效果不佳，因为它们仅解决了因果链中的一个环节（如饮食、丰容或舍饲），而未考虑行为、环境、生理与分子过程的综合效应。近期研究强调，需要能够同时追踪群体行为与小环境条件的实时监测系统，以便及时采取干预措施，防止不可逆的骨骼损伤。
AI/PLF如何优化实时监测、预测与干预
应用于俯视视频的现代计算机视觉(CV)系统允许连续测量肉鸡群体与个体的行为，包括活动预算、步数、聚集与休息模式，同时消除了观察者偏差并降低了劳动力需求。近期的实地与概念验证研究表明，基于CV的行为检测与轨迹分析与传统的福利评估（如步态评分与腿部健康指标）强相关。这些方法将原始视频转化为连续的福利信号
