УСТРОЙСТВО СОСТАВЛЕНИЯ ПО РАЗЛИЧНЫМ КРИТЕРИЯМ ОПТИМИЗАЦИИ БЛИЗКОГО К НАИЛУЧШЕМУ ПИЩЕВОГО РАЦИОНА ЧЕЛОВЕКА
DEVICE FOR COMPOSING HUMAN FOOD DIET CLOSE TO BEST BASED ON VARIOUS OPTIMISATION CRITERIA

Настоящее изобретение относится к области пищевой промышленности и здравоохранения, к автоматизированным технологиям и техническим средствам для определения оптимального рациона питания человека на основе принципов линейного программирования и может быть использовано для приготовления пищевой смеси, содержащей необходимое для человека количество нутриентов и оптимизированного по любому критерию (стоимость, вес, объем и др.).
Известно устройство составления по различным критериям оптимизации близкого к экономически наилучшему кормового рациона и приготовления близкой к экономически наилучшей кормовой смеси при программируемом росте животных и птицы (Патент РФ 2552827, МПК A01K 29/00, опубл. 10.06.15 г.), которое включает задатчик сигнала реального возраста поголовья, блок задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов, блок дозаторов кормов, смеситель, на выходе которого формируется экономически оптимальная кормосмесь, при этом в устройство введены задатчик имитируемого сигнала возраста поголовья, задатчик имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья, задатчик имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья, вычислитель сигнала живой массы поголовья в начальной стадии выращивания, вычислитель сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания, вычислитель сигнала живой массы поголовья в конечной стадии выращивания, вычислитель сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания, схема сравнения сигналов живой массы поголовья в начальной и в конечной стадии выращивания, формирователь сигнала отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы, блок управляемых ключей, схема совпадения сигналов, блок формирователей управляющих сигналов или интерфейс Лица, Принимающего решение, задатчик сигнала вида критерия оптимизации, задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия. В результате использования этого изобретения (прототипа) устанавливаются такие количественные значения составляющих кормов («ингредиентов корма») в дозе кормовой смеси и самой дозы расхода кормосмеси, при которых обеспечивается наивысший на данный момент времени прирост прибыли от действия наиболее затратных технологических процессов кормоприготовления и кормления животных и птицы.
Недостатком данного технического решения является невозможность управления технологическими процессами составления оптимальной пищевой смеси для человека. Кроме того, предусмотрена оптимизация только по экономическому критерию и отсутствует возможность корректировки рациона с учетом реального потребления пищевых веществ. Поэтому имеет место быть низкая точность оптимизации из-за недостаточного количества исходных параметров.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение области применения при одновременном повышении точности оптимизации за счет увеличения количества исходных параметров при сохранении необходимого количества содержания нутриентов при составлении смеси для человека.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве составления по различным критериям оптимизации близкого к наилучшему пищевого рациона человека, включающем блок задатчиков сигнала персональных данных, блок формирователей управляющих сигналов, выходы которых подключены ко входу вычислителя оптимального пищевого рациона, согласно настоящему изобретению, блок задатчиков сигналов персональных данных содержит задатчики сигналов возраста человека, пола человека, группы физической активности и реального потребления пищевых веществ, блок формирователей управляющих сигналов содержит задатчики сигналов допустимого уменьшения реального потребления и вида критерия оптимизации, дополнительно введены блок задатчиков сигналов внешних данных, содержащий задатчики сигналов содержания нутриентов в пищевых веществах, нижних и верхних ограничений по суточному потреблению нутриентов и цен на пищевые вещества, устройство вывода информации, формирователь коррекции реального потребления пищевых веществ, формирователь оптимальной пищевой смеси, корректор состава пищевого рациона, при этом выход блока задатчиков сигналов внешних данных соединен со входом вычислителя оптимального пищевого рациона, а выход вычислителя оптимального пищевого рациона соединен со входом устройства вывода информации, выходы которого соединены со входом формирователя коррекции реального потребления пищевых веществ, со входом формирователя оптимальной пищевой смеси и входом корректора состава пищевого рациона, выход которого соединен со входом вычислителя оптимального пищевого рациона.
Возможен вариант развития основного технического решения, заключающийся в том, что устройство дополнительно снабжено блоком дозаторов пищевой смеси и смесителем, при этом выходы формирователя оптимальной пищевой смеси соединены со входами блока дозаторов пищевой смеси, а выходы блока дозаторов пищевой смеси соединены со входами смесителя.
Таким образом, это заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет расширить область применения, поскольку заявляемое устройство может применяться для человека, при одновременном повышении точности оптимизации за счет увеличения количества исходных параметров (задатчики сигналов возраста, пола, группы физической активности, реального потребления пищевых веществ, допустимого уменьшения реального потребления), повысить функциональность за счет возможности проведения оптимизации по критериям различных видов, при сохранении необходимого количества содержания нутриентов при составлении смеси для человека.
Сущность заявляемого изобретения и возможность его практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и блок-схемой.
Фиг. 1 - Блок-схема устройства составления по различным критериям оптимизации близкого к наилучшему пищевого рациона человека.
Фиг. 2 и Фиг. 3 - Иллюстрации к примеру.
Устройство составления по различным критериям оптимизации близкого к наилучшему пищевого рациона человека (Фиг. 1) включает блок 1 задатчиков сигналов персональных данных, блок 2 формирователей управляющих сигналов, выходы которых подключены ко входу вычислителя 3 оптимального пищевого рациона.
Блок 1 задатчиков сигналов персональных данных содержит задатчик 4 сигнала возраста человека, задатчик 5 сигнала пола человека, задатчик 6 сигнала группы физической активности и задатчик 7 сигнала реального потребления пищевых веществ.
Блок 2 формирователей управляющих сигналов содержит задатчик 8 сигнала допустимого уменьшения реального потребления и задатчик 9 сигнала вида критерия оптимизации.
Дополнительно введены блок 10 задатчиков сигналов внешних данных, устройство 11 вывода информации, формирователь 12 коррекции реального потребления пищевых веществ, формирователь 13 оптимальной пищевой смеси, корректор 14 состава пищевого рациона. Причем, блок 10 задатчиков сигналов внешних данных соединен со входом вычислителя 3 оптимального пищевого рациона.
Блок 10 задатчиков сигналов внешних данных содержит задатчик 15 сигнала содержания нутриентов в пищевых веществах, задатчик 16 сигналов нижних и верхних ограничений по суточному потреблению нутриентов и задатчик 17 сигналов цен на пищевые вещества.
При этом выход вычислителя 3 оптимального пищевого рациона соединен со входом устройства 11 вывода информации, выходы которого соединены со входом формирователя 12 коррекции реального потребления пищевых веществ, со входом формирователя 13 оптимальной пищевой смеси и входом корректора 14 состава пищевого рациона, выход которого соединен со входом вычислителя 3 оптимального пищевого рациона.
Дополнительно может иметься блок 18 дозаторов пищевой смеси и смеситель 19, при этом выход формирователя 13 оптимальной пищевой смеси соединен со входом блока 18 дозаторов пищевой смеси, а выход блока 18 дозаторов пищевой смеси соединен со входом смесителя 19, на выходе которого формируется оптимальная пищевая смесь 20. Наличие дозатора 18 и смесителя 19 позволяет приготовить оптимальную пищевую смесь 20 по составленному рациону.
Выход вычислителя 3 пищевого оптимального пищевого рациона соединен со входом устройства 11 вывода информации, выход которого соединен со входом корректора 14 состава пищевого рациона, выход которого соединен со входом вычислителя 3 оптимального пищевого рациона. Эта обратная связь позволяет пользователю с помощью корректора 14 состава пищевого рациона вносить изменения в состав пищевого рациона для получения более приемлемого для себя результата. Например, либо отказаться от предложенных ему продуктов, либо ограничить их вес, либо изменить цену продуктов. После этого вычислитель 3 оптимального пищевого рациона пересчитает заново пищевой рацион с учетом внесенных поправок.
При этом задача оптимизации пищевого рациона формулируется следующим образом: «Составить пищевой рацион, обеспечивающий заданное потребление пищевых веществ (нутриентов) при минимальной стоимости (или минимальном весе, или минимальном объеме) этого пищевого рациона». При данной постановке задачи методика оптимизации пищевого рациона сводится к решению задачи линейного программирования:
где х - матрица решений в виде списка продуктов с их весом;
f - матрица стоимости продуктов питания;
А - матрица содержания нутриентов в продуктах питания;
b - матрица ограничений по потреблению нутриентов;
lb - матрица ограничений снизу для потребления продуктов питания;
ub - матрица ограничений сверху для потребления продуктов питания.
Наилучшее для данного случая решение обеспечивается Симплекс-методом.
Блок 1 задатчиков сигналов персональных данных и блок 2 формирователей управляющих сигналов представляют собой, например, клавиатуру, компьютерную мышь, сенсорный экран. С их помощью пользователь осуществляет ввод исходных параметров в блоках 1 и 2, например, путем выбора выпадающих из списка (какой-либо базы данных) значений или путем ввода текста в соответствующее поле для ввода данных.
В блоке 10 задатчиков сигналов внешних данных задатчик 15 сигнала содержания нутриентов в пищевых веществах может включать не менее 1000 наименований пищевых веществ и не менее 22 наименований нутриентов. Некоторые пищевые вещества могут быть объединены в группы пищевых веществ (например, молоко и молочные продукты, яйцепродукты, мясо и мясные продукты, рыба и т.п.). Таким образом, у пользователя имеется возможность ввода ограничений не только по конкретным пищевым веществам, но и по их группам. Например, в результатах появляется какая-нибудь рыба. Пользователь может ограничить как эту конкретную рыбу, так и любые рыбопродукты, поставив ограничение на всю группу продуктов под названием «Рыба», если он вообще не хочет употреблять в пищу рыбу. Аналогичным образом вегетарианцы могут убрать из расчета «Мясо и мясопродукты». Если же пользователь принципиально не хочет употреблять БАДы или ВМК, то он может поставить ограничение на эти группы.
В блоке 10 задатчиков сигналов внешних данных задатчик 15 сигналов содержания нутриентов в пищевых веществах может быть составлен на основе национальных баз продуктов питания, например, базы данных ФГБНУ "НИИ питания" РФ [http://web.ion.ru/food/FD_tree_grid.aspx], содержащей более 1 тыс. продуктов питания или базы USDA [http://fnic.nal.usda.gov/dietary-guidance/dietary-reference-intakes/dri-tables-and-application-reports] содержания нутриентов в продуктах (более 8 тыс. продуктов питания). Содержание микроэлементов в водопроводной воде приведено на официальных сайтах Мосводоканала [http://www.mosvodokanal.ru/] и ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга" [http://www.vodokanal.spb.ru/].
В блоке 10 задатчиков сигналов внешних данных задатчик 17 сигналов цен на пищевые вещества содержит соотнесенные с пищевыми веществами их минимальные розничные и оптовые цены. Они могут быть составлены с использованием открытых источников, в частности: СПбГУ "Центр мониторинга и экспертизы цен" [http://cmec.spb.ru/reestrprod], РЛС [http://www.rlsnet.ru/], Экми [http://www.acmespb.ru/3809066.php] и др. Оптовые цены приводятся на ресурсах: Агробиржа [http://agro-bursa.ru/prices/], Исток [http://www.istokfish.ru/price], ХимПитерТорг [http://hpt-812.ru/] и др.
В блоке 10 задатчиков сигналов внешних данных задатчик 16 сигналов нижних и верхних ограничений по суточному потреблению нутриентов содержит перечень нутриентов и их ограничений, соответствующих физиологическим данным человека (в зависимости от пола, возраста и группы физической активности). Эти ограничения устанавливаются либо снизу, либо сверху, либо и снизу, и сверху. Например: белок - не менее 85 г в день; кальций - не менее 1000 мг, но не более 2500 мг в день, холестерин - не более 300 мг в день и т.д.
Эти ограничения могут быть взяты из методических рекомендаций MP 2.3.1.2432-08 "3.2.1. Рациональное питание. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации", утвержденных 18 декабря 2008 г. руководителем Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации, Г.Г. Онищенко.
В соответствии с этими рекомендациями все взрослое население в зависимости от величины энерготрат делится на 5 групп для мужчин и 4 группы для женщин, учитывающих производственную физическую активность и иные энерготраты:
1. Работники преимущественно умственного труда (очень низкая физическая активность);
2. Работники, занятые легким трудом (низкая физическая активность);
3. Работники средней тяжести труда (средняя физическая активность);
4. Работники тяжелого физического труда (высокая физическая активность);
5. Работники особо тяжелого физического труда (очень высокая физическая активность).
Таким образом, заявляемое устройство может быть адаптировано для применения в любой стране.
Связь блоков 1, 2, 10 с вычислителем 3 и через устройство 11 ввода информации с корректором 14 состава пищевого рациона позволяет пользователю вводить в качестве исходных параметров какие-либо ограничения на потребляемые пищевые вещества. Это также позволяет в блоке 7 осуществить выбор того набора продуктов (с их массами), которые он реально потребляет. При этом можно определить, каких нутриентов не хватает в рационе, за счет каких пищевых веществ их можно компенсировать, а каких нутриентов в избытке и за счет исключения каких пищевых веществ их можно уменьшить до нормы оптимальным образом.
Вся схема обработки и расчета данных выполнена с возможностью производить многократную оптимизацию питания человека по какому-либо параметру (вес, стоимость, объем и др.) по методу линейного программирования с учетом исходных параметров, полученных от блоков 1 и 2.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
С помощью блока 1 задатчиков сигналов персональных данных и блока 2 формирователей управляющих сигналов пользователь вносит исходные параметры путем выбора их из списков (баз данных) или текстового ввода. При этом на устройстве 11 вывода информации отображаются вносимые данные.
Далее в вычислителе 3 оптимального пищевого рациона исходные параметры сопоставляются с данными блока 10 задатчиков сигналов внешних данных и по результату этого сравнения производится оптимизация по выбранному пользователем в блоке 2 виду критерия оптимизации под управлением соответствующей программы. Таким образом, блок 3 представляет собой некий фильтр из исходных параметров, с помощью которого все значения баз данных получают некий промежуточный результат, который подается на вход задачи линейного программирования. Таким образом, вычисляется оптимизированный по какому-либо критерию необходимый результат. На основании полученных результатов в вычислителе 3 формируется отчет, который отображается на устройстве 11 вывода информации в любом виде, например, текста или таблицы. Заявленное устройство предусматривает запись соответствующей программы для управления всеми операциями, выполняемыми с вышеописанным алгоритмом, на машиночитаемый носитель данных, например на жесткий диск компьютера.
Пример
Задаются следующие исходные параметры (Фиг. 2).
Открыв перечень пищевых веществ (для этого нужно нажать на раскрывающийся плюс в строке «Реальное потребление пищевых веществ») можно указать, какие пищевые вещества и в каких количествах потребляются пользователем, для которого подбирается оптимальный пищевой рацион. При отсутствии пищевых веществ, потребляемых пользователем, результирующий набор будет наиболее оптимальным. После нажатия кнопки «Рассчитать» в результате программного расчета получим оптимальный набор пищевых веществ (Фиг. 3).
Суммарная стоимость этого набора продуктов составляет 36,18 руб. в день. В графах «Цена продукта» и «Ограничение в сутки» имеется возможность изменять эти значения. При этом в столбце «Ограничение в сутки» по умолчанию никаких ограничений не установлено.
Расчет программы показывает, что нужно потреблять около 0,5 кг зерна овса в день. Если отказаться от зерна овса (для этого нужно поставить ноль в столбце "Ограничение в сутки" и пересчитать), то расчет будет выдавать зерно ржи, ячменя, кукурузы, пшеницы.
Аналогичным образом можно ограничивать дневное потребление (вплоть до нуля) и других продуктов. При этом будут появляться новые продукты питания. Однако суммарная стоимость корзины будет, естественно, увеличиваться. Обратим внимание на то, что любое ограничение (причем, как снизу, так и сверху) будет увеличивать суммарную стоимость продуктовой корзины, поскольку программа будет вынуждена использовать более дорогие продукты.
Если отказаться от потребления водопроводной воды, то в наборе продуктов появится вода питьевая бутилированная, которая в 250 раз дороже водопроводной воды. При этом доля воды в общей стоимости продуктовой корзины возрастет примерно с 2 до 20%. Правда, по мере возрастания стоимости набора продуктов (при их дальнейшем ограничении) доля воды будет уменьшаться.
Набор продуктов будет зависеть только от соотношения цен между продуктами и не будет зависеть от абсолютных цен на продукты. К примеру, если все продукты подорожают на 20%, то набор продуктов, обеспечивающий минимальную стоимость, и их вес не изменятся. Только стоимость каждого продукта и суммарная стоимость продуктовой корзины увеличатся на 20%.
Если пользователь считает, что в расчете используется слишком высокая или слишком низкая цена на продукт, то он может изменить цену конкретного продукта и пересчитать результат. Расчет результата будет также произведен с использованием специальных программных средств, основанных на методе линейного программирования.
Таким образом, достигается технический результат заявляемого изобретения, а именно повышение точности оптимизации питания человека за счет увеличения количества исходных параметров при сохранении необходимого количества содержания нутриентов.