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 С УЧЕТОМ ФУНКЦИЙ ПОТЕРЬ ИХ ПРОДУКТИВНОСТИ
DEVICE OF FORMULATION ON VARIOUS OPTIMISATION CRITERIA OF CLOSE TO ECONOMICALLY BEST FEED RATION AND MAKING CLOSE TO ECONOMICALLY BEST FEED MIXTURE WITH PROGRAMMABLE GROWTH OF ANIMALS AND POULTRY TAKING INTO ACCOUNT FUNCTIONS OF LOSING THEIR PRODUCTIVITY

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к технологиям составления кормовых рационов и кормления сельскохозяйственных животных и птицы и может быть использовано в отраслях промышленного животноводства и птицеводства.
Известно устройство составления экономичного с кормового рациона и экономичного кормления животных и птицы, обеспечивающее определение экономически наилучшего рациона и наилучшей при этом суточной дозы кормовой смеси (кормосмеси) (в данном прототипе указано - «корма», в смысле - кормовой смеси), получение наивысшего значения принятого для управления экономического критерия (признака, показателя) прироста прибыли от технологических процессов приготовления кормосмеси и кормления поголовья. (Патент РФ 2462864. Устройство составления экономичного с кормового рациона и экономичного кормления животных и птицы / А.В. Дубровин и др. // БИ, 2012. №28).
В результате использования этого изобретения (прототипа) устанавливаются такие количественные значения составляющих кормов (в данном прототипе указано - «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 рациона кормосмеси и кормлением поголовья по другому технико-экономическому критерию оптимизации для достижения наивысшей технико-экономической эффективности этих процессов в складывающейся на сельскохозяйственном предприятии технико-экономической ситуации (проблемы с ресурсами, с поголовьем животных или птицы и т.п.). Другим недостатком данного технического решения является невозможность автоматизированного формирования рецептов кормосмесей, близких оптимальной кормосмеси по значению однородного показателя эффективности, но с другими наборами кормов, доступных в процессе приготовления кормовых смесей производителю продукции животноводства и птицеводства. При этом недостатком данного технического решения является невозможность автоматизированного учета вида функций потерь продуктивности животных и птицы при отклонении долевого содержания корма в кормовой смеси от экономически наилучшего его значения. Причем при отклонении как в большую сторону (избыток конкретного корма), так и в меньшую сторону (недостаток определенного корма). Также недостатком данного технического решения является невозможность управления технологическими процессами составления экономичного рациона кормосмеси и ограниченным кормлением поголовья в конечной стадии выращивания животных и птицы, когда большая часть кормосмеси идет не на прирост живой массы, а просто на поддержание жизни животного или птицы с большой живой массой.
Задачей изобретения является автоматизированное управление технологическими процессами составления рациона кормосмеси по различным технико-экономическим критериям оптимизации и формирование рецептов кормосмесей, близких оптимальной кормосмеси по значению однородного показателя эффективности, но с другими наборами кормов, доступных в процессе приготовления кормовых смесей производителю продукции животноводства и птицеводства. Также задачей изобретения является формирование вида функций потерь продуктивности животных и птицы при отклонении долевого содержания корма в кормовой смеси от экономически наилучшего его значения и автоматизированное экономное управление технологическими процессами составления экономичного рациона кормосмеси в конечной стадии выращивания животных и птицы, когда большая часть кормосмеси идет не на прирост живой массы, а просто на поддержание жизни животного или птицы с большой живой массой, повышение точности задания и соответственно точности регулирования доз кормов кормовой смеси при составлении близкого к экономически наилучшему кормового рациона при приготовлении близкой к экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы. Таким образом, задачей изобретения является расширение арсенала технических средств аналогичного назначения, а именно для составления кормового рациона и приготовления кормовой смеси для животных и птицы.
В результате использования изобретения обеспечивается практическая возможность управления технологическим процессом составления экономичного рациона кормосмеси для достижения наивысшей технико-экономической эффективности этого процесса по одному или по другому экономическому критерию оптимизации для достижения наивысшей экономической эффективности этих процессов в складывающейся на сельскохозяйственном предприятии технико-экономической ситуации (проблемы с ресурсами, с поголовьем животных или птицы и т.п.), формирование рецептов кормосмесей, близких оптимальной кормосмеси по значению однородного показателя эффективности, но с другими наборами кормов, доступных в процессе приготовления кормовых смесей производителю продукции животноводства и птицеводства, автоматизированное формирование вида функций потерь продуктивности животных и птицы при отклонении долевого содержания корма в кормовой смеси от экономически наилучшего его значения, что позволяет учесть влияние того или иного рациона кормления на результирующую, текущую во времени, обыкновенно суточную продуктивность животных и птицы, причем обеспечивается это и в конечной стадии выращивания животных и птицы, когда большая часть кормосмеси идет не на прирост живой массы, а на поддержание жизни животного или птицы с большой живой массой. Также достигается существенное повышение точности задания и соответственно точности регулирования доз кормов кормовой смеси при составлении близкого к экономически наилучшему кормовому рациону при приготовлении близкой к экономически наилучшей кормовой смеси. Таким образом, технический результат в свою очередь заключается в реализации устройством заявленного назначения составления кормового рациона и приготовления кормовой смеси для животных и птицы.
Технический результат достигается тем, что 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 с учетом функций потерь их продуктивности содержит задатчик сигнала реального возраста поголовья, блок задатчиков промежуточных управляющих сигналов, блок задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов, выходы которого подключены к соответствующим первым неинвертирующим входам блока схем сравнения сигналов доз кормов, ко вторым соответствующим инвертирующим входам которого подключены выходы блока задатчиков сигналов реальных доз кормов, а выходы блока схем сравнения сигналов доз кормов соединены с соответствующими входами блока дозаторов кормов, выходы которого соединены с входами смесителя, 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, блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь, при этом выход задатчика имитируемого сигнала возраста поголовья подключен к входам задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья и задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья и к первому входу схемы совпадения сигналов, выход задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья соединен с соединением первых входов вычислителя сигнала живой массы поголовья в начальной стадии выращивания и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания, выход задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья соединен с соединением первых входов вычислителя сигнала живой массы поголовья в конечной стадии выращивания и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания, выходы вычислителя сигнала живой массы поголовья в начальной стадии выращивания и вычислителя сигнала живой массы поголовья в конечной стадии выращивания подключены соответственно к первому и второму входам схемы сравнения сигналов живой массы поголовья в начальной и в конечной стадии выращивания, выход которой через формирователь сигнала отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы подключен к второму входу схемы совпадения сигналов, к третьему входу которой подключен выход задатчика сигнала реального возраста поголовья, а выход которой соединен с управляющим входом блока управляемых ключей, первый и второй входы и соответствующие выходы которого подключены соответственно к выходу вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания, к выходу вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания и к соответствующим входам блока задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов, при этом выход блока задатчиков промежуточных управляющих сигналов соединен с соединением вторых входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания, первый выход блока формирователей управляющих сигналов или интерфейса Лица, Принимающего решение, через задатчик сигнала вида критерия оптимизации подключен к соединению третьих входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания, второй выход блока формирователей управляющих сигналов или интерфейса Лица, Принимающего решение, через задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия подключен к соединению четвертых входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания, соответствующий третий выход блока формирователей управляющих сигналов или интерфейса Лица, Принимающего решение, через блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь подключен к соответствующему соединению соответствующих пятых входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания.
На фиг. 1…фиг. 13 приведены иллюстрации принципа действия и построения устройства. На фиг. 1 дан выбор критерия оптимизации. На фиг. 2 показан результат расчета рациона кормосмеси. На фиг. 3 показано задание значения допустимого отклонения от оптимума. На фиг. 4 показано семейство кормосмесей, близких к оптимальной по сбалансированности, полученное в одном из сеансов генерации. На фиг. 5 представлены диаграммы сбалансированности и потерь для варианта №2 кормосмеси. На фиг. 6 даны экономические показатели кормосмеси (вариант №2). На фиг. 7 показана структура цены кормосмеси по ее составляющим (вариант №2). На фиг. 8 дано распределение потенциальной прибыли по издержкам и прибыли, обусловленными применением кормосмеси (вариант №2). На фиг. 9 показаны примеры функций потерь продуктивности поголовья. На фиг. 10 изображено диалоговое окно коррекции функций потерь. На фиг. 11 дана иллюстрация потерь продуктивности животных и птицы, вызываемых отклонением от нормы содержания в рационе компонента питания [см. Лукьянов П.Б. Система поддержки принятия решений для оптимизации оперативного управления экономикой производства животноводческой продукции. Автореф. дисс.… докт.эконом, наук. - М.: РГАУ-ТСХА, 2011. - 46 с]. На фиг. 12 дана иллюстрация к работе алгоритма оптимизации управления при откорме животных.
На фиг. 13 изображена функциональная схема устройства 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 с учетом функций потерь их продуктивности: 1 - задатчик сигнала реального возраста поголовья, 2 - блок задатчиков промежуточных управляющих сигналов, 3 - блок задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов, 4 - блок схем сравнения сигналов доз кормов, 5 - блок задатчиков сигналов реальных доз кормов, 6 - блок дозаторов кормов, 7 - смеситель, 8 - экономически оптимальная кормосмесь, 9 - задатчик имитируемого сигнала возраста поголовья, 10 - задатчик имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья, 11 - задатчик имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья, 12 - вычислитель сигнала живой массы поголовья в начальной стадии выращивания, 13 - вычислитель сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания, 14 - вычислитель сигнала живой массы поголовья в конечной стадии выращивания, 15 - вычислитель сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания, 16 - схема сравнения сигналов живой массы поголовья в начальной и в конечной стадии выращивания, 17 - формирователь сигнала отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы, 18 - блок управляемых ключей, 19 - схема совпадения сигналов, 20 - блок формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение), 21 - задатчик сигнала вида критерия оптимизации, 22 - задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия, 23 - блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Вычислительный блок оптимизации рациона на следующие сутки действует по программе оптимизации кормосмесей для животных и птицы и, как правило, выдает один рецепт кормосмеси - оптимальный, с фиксированным набором кормов. В то же время в реальных условиях производства могут возникать ситуации, когда с хозяйственной точки зрения допустимо несколько отойти от оптимального решения с целью использования другого набора кормов. В компьютерной программе работы вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки устройства, например, в достаточно известной компьютерной программе «КОРАЛЛ - Кормление», решение этой задачи автоматизировано и выполняется следующим образом. После расчета рецепта оптимальной кормосмеси задается допустимое снижение показателя оптимальности для кормосмесей, отличающихся набором кормов от оптимальной кормосмеси. Программа работы вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки устройства по способу генерирует варианты рецептов кормосмесей со значениями целевой функции, находящимися в заданных пределах, и последовательно группами выдает их для просмотра и предварительного анализа. Выбираемые рецепты фиксируются и запоминаются для последующего детального анализа. Таким образом, автоматизированным образом формируется семейство рецептов кормосмесей, близких к оптимальной, из которых могут выбираться кормосмеси, наиболее полно отвечающие требованиям текущей хозяйственной ситуации. Тем самым процедура оптимизации кормосмеси дополняется неформализованными знаниями специалиста, что повышает качество управления производством. В аналогичных программах работы вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки устройства по способу, например программы «КОРАЛЛ - Кормление», поиск рецептов семейства кормосмесей, близких к оптимальной, начинается с выбора кормов и критерия оптимизации (фиг. 1). Расчет запускается щелчком на кнопке выбираемого критерия оптимизации.
Обеспечение эффективности птицеводства требует от руководителей и специалистов птицеводческих организаций принятия экономически эффективных управленческих решений на основе точных расчетов и достоверных прогнозов, базирующихся на применении современных математических методов. В то же время значительная часть сельскохозяйственных знаний выражена в вербальной, описательной форме, и управление производством часто выполняется на основе неформализованных знаний специалистов и их интуиции. Формализация знаний ученых и специалистов отрасли птицеводства способствует повышению эффективности управления производством и позволяет создать автоматизированную систему управления технологией составления экономически наилучших рационов кормления животных и птицы.
При этом вычислительный блок системы автоматизации может быть представлен программируемым техническим средством, например, микроконтроллером, микропроцессором или собственно компьютером с соответствующим программным обеспечением. Оно в общем случае действует по принятому алгоритму, т.е. может быть вполне заменено устройством с жесткой логикой работы в каждом конкретном случае развития событий управления процессом. Например, в той же достаточно широко распространенной на сельскохозяйственных предприятиях компьютерной программе «КОРАЛЛ - Кормление» при оптимизации кормосмеси в отличие от традиционного подхода минимизируется не только стоимость кормов, но и потери, вызываемые дисбалансом рационов - снижение продуктивности и ухудшение здоровья птицы.
Современная наука не дает однозначного систематизированного описания зависимостей снижения продуктивности и качества птицы (включая показатели воспроизводства) от несбалансированного кормления. Известны лишь разрозненные данные о результатах отдельных исследований, которые часто существенно разнятся между собой. В то же время в практике балансирования рационов важно знать не только нормы кормления, но и потери, возникающие из-за отклонения от норм отдельных компонентов питания и нормируемых соотношений, так как в реальных условиях производства добиться полной сбалансированности рационов часто не удается. При этом возникает необходимость выбирать «лучшую» кормосмесь из ряда несбалансированных. Для оптимизации кормосмесей, учитывающей влияние дисбаланса в питании птицы на показатели производства, необходимо математическое описание зависимостей снижения эффективности кормления от дисбаланса каждого элемента, характеризующего питательность рациона. В указанной для примера компьютерной программе «КОРАЛЛ - Кормление» реализована процедура формализации и уточнения рассматриваемых зависимостей по каждому нормируемому компоненту и соотношению на основе экспериментальных данных, знаний и интуиции специалистов, заключающаяся в следующем:
1. Зависимости снижения продуктивности, здоровья и показателей воспроизводства птицы, обуславливаемые отклонениями от нормы в рационе компонентов питания и соотношений, определены как функции потерь по продуктивности, ценности животных и воспроизводству.
2. Исходя из природы возникновения потерь, сформулированы следующие требования к виду функций потерь:
- непрерывность;
- неотрицательность;
- монотонность: левая ветвь зависимости относительно оптимальной нормы невозрастающая, правая ветвь - неубывающая;
- нелинейность (в общем случае);
- отсутствие потерь при соответствии значения компонента питания или соотношения норме;
- возможность существования в окрестности нормы зоны нечувствительности (отсутствие потерь при отклонениях значения компонента питания или соотношения от нормы).
Примеры видов функций потерь даны на фиг. 9.
3. Разработано общее математическое описание функций потерь, удовлетворяющее сформулированные требования.
4. На основе опубликованных данных, экспертных оценок и общего математического описания функций потерь разработаны частные уравнения для оценки потерь по продуктивности, ценности птицы и воспроизводству для всех нормируемых компонентов питания и соотношений дифференцированно по видам и группам птицы.
5. Для уточнения найденных зависимостей по новым данным зоотехнической науки и экспертным оценкам специалистов разработано программное обеспечение, позволяющее Пользователю программы «КОРАЛЛ - Кормление птицы» графически в диалоговом режиме вносить необходимые корректировки.
Система формализации знаний специалистов о функциях потерь представляет собой средство графического отображения и корректировки этих зависимостей на экране компьютера и компьютерной программы, автоматически переводящей создаваемые графики в формульные записи. Для отображения знаний по данному вопросу Специалисту предоставляются средства «рисования» на экране монитора зависимостей, подобных изображенным на фиг. 9. «Рисование» графиков выполняется в диалоговом режиме посредством задания значений шести коэффициентам:
- «Зона нечувствительности», «Крутизна» и «Нелинейность» для зоны «Меньше нормы» - с помощью этих коэффициентов задается конкретный вид левой ветви функции потерь;
- «Зона нечувствительности», «Крутизна» и «Нелинейность» для зоны «Больше нормы» - с помощью этих коэффициентов задается конкретный вид правой ветви функции потерь.
Диалоговое окно, в котором задаются значения коэффициентов, показано на фиг. 10 (задание функций потерь по продуктивности и ценности птицы для компонента питания «Кальций»). Коэффициентами «Зона нечувствительности» задается зона на оси «Отклонение от Нормы», при нахождении в которой значений компонента кормосмеси, потери не возникают. Коэффициенты «Крутизна» определяют пропорциональность между отклонениями компонента кормосмеси от нормы и возникающими из-за этого потерями. Коэффициентами «Нелинейность» задается нелинейность функции потерь. В полях «Рекомендуемые» диалогового окна приведены предварительно установленные значения, к которым всегда можно вернуться с помощью экранной кнопки «Копировать рекомендуемые значения в устанавливаемые». Графическое изображение функции потерь можно увидеть, щелкнув на экранной кнопке «График». На основе количественного учета влияния дисбаланса рациона на эффективность кормления в программе «КОРАЛЛ - Кормление» вычисляются показатели:
- общая сбалансированность кормосмеси;
- прибыль, обеспечиваемая килограммом кормосмеси;
- рентабельность применения кормосмеси,
а также ряд других технико-экономических показателей.
Новые показатели используются для оптимизации кормосмесей. Наилучшей по сбалансированности признается кормосмесь, при кормлении которой сумма потерь, возникающих из-за отклонения компонентов питания и соотношений от нормы, будет наименьшей. Оптимальной по прибыли будет кормосмесь, применение которой обеспечит максимум прибыли от эксплуатации птицы в данных условиях содержания и обслуживания. Очевидно, что в условиях ограниченного набора кормов при различающихся функциях потерь будут разными и оптимальные кормосмеси. Чем точнее описываются функции потерь, тем более надежными являются результаты оптимизации. Оптимизация кормосмесей без учета потерь, вызываемых отклонениями от нормы компонентов питания и нормируемых соотношений, находит вместо оптимальных кормосмесей (в смысле обеспечения эффективного производства) псевдооптимальные, ведущие к принятию ошибочных управленческих решений по кормлению птицы и формированию кормовой базы предприятия. Главной отличительной особенностью методики является то, что в ней впервые учитываются потери по продуктивности, воспроизводству и ценности животного, вызываемые отклонениями питательности рациона от норм кормления.
Под потерями по продуктивности (или упущенной прибылью) понимается стоимость продукции, недополученной из-за несбалансированности кормления.
Потери по воспроизводству отражают собой снижение качества или потерю приплода, удлинение цикла воспроизводства, вызываемых неполноценностью кормления.
Потери ценности животного выражаются следующими факторами: необратимая потеря продуктивных и племенных качеств; возникновение болезней, вызванных неправильным кормлением; сокращение срока эксплуатации.
н
мин
макс
мин
макс
н
Реально зависимость каждого вида потерь, вызываемых отклонением содержания в рационе компонента питания (КП) от нормы, выражается кривой вида, показанного на фиг. 11. При содержании компонента питания в рационе, равном норме, потерь нет (точка ΚΠ). Если же содержание компонента питания в рационе отклоняется от нормы, возникают потери, которые монотонно возрастают по мере увеличения дисбаланса. При традиционном решении задачи оптимизации рациона эта зависимость потерь от дисбаланса не отслеживается. Вместо этого на каждый компонент питания задается интервал допустимых значений от КП до КП. Тем самым принимается, что на этом интервале все значения компонента питания одинаково допустимы, а за границами интервала - абсолютно недопустимы. Перевод этого формального условия на смысловое толкование означает: «в интервале [КП, КП] потери из-за отклонения компонента питания от нормы (КП) не возникают, а за границами интервала они сразу возрастают до бесконечности», что противоречит реальной природе потерь. С позиций экономической оптимизации рационов введение интервала допустимых значений компонента питания предопределяет погрешности, отображенные на фиг. 11 заштрихованными областями.
В этом и заключается формализация знаний специалистов при задании ими вида функций потерь продуктивности животных и птицы. Так осуществляется подход к формализации оценок учеными и специалистами влияния дисбаланса рационов по каждому нормируемому компоненту и соотношению на продуктивность и здоровье сельскохозяйственной птицы, на показатели воспроизводства. Для правильного развития молодняка сельскохозяйственных животных и/или получения животноводческой продукции высокого качества требуется соблюдать определенную закономерность роста массы животных. Оптимальная динамика прироста массы животных определяется посредством моделирования физиологических процессов роста либо путем проведения натурных экспериментов [1. Дудин В.И., Черепанов Г.Г., Кузнецов С.Г., Манухина А.И. Экспериментальная апробация системной модели роста свиней // Проблемы физиологии, биохимии, биотехнологии и питания сельскохозяйственных животных. - Боровск, 1994. 2. Куценко А.И. Математическое моделирование и оптимизация параметров производства на комплексах по откорму крупного рогатого скота // Диссертация на соиск. уч. степени канд. эк. наук. - М., 2007. 3. Тюпаев И.М., Черепанов Г.Г. Динамика роста бычков при разном уровне питания // Проблемы физиологии, биохимии, биотехнологии и питания сельскохозяйственных животных. - Боровск, 1994. 4. Черепанов Г.Г. Системная морфофизиологическая теория роста животных. - Боровск, 1994. 5. Черепанов Г.Г., Агафонов В.И. Обоснование оптимальной интенсивности роста и наиболее целесообразных сроков убоя при выращивании и откорме крупного рогатого скота // Зоотехния, №3, 1994. 6. Шляхтунов В.И., Плященко А.И. Повышение качества говядины. - Минск, 1986.].
Основным регулятором прироста выступает суточный рацион. При этом задача оптимизации рациона формулируется следующим образом: «Составить рацион, обеспечивающий заданный прирост массы животных при максимальной экономической эффективности использования кормов». Экономическая эффективность использования кормов выражается прибылью или рентабельностью, обеспечиваемой рационом. При данной постановке задачи методика оптимизации рациона при программировании прироста массы животных может иметь два варианта - «одношаговый» и «многошаговый».
Первый вариант - «одношаговый». Оптимизация рациона для получения заданного прироста массы животных по 1-му варианту ориентирована на раздельную оптимизацию рационов по приросту, задаваемому для каждого шага наращивания массы. При этом в качестве исходных данных для расчета берутся усредненные по «шагу» характеристики животного и заданный суточный прирост массы. В этом случае оптимизация выполняется по методике планирования рационов для индивидуального дозированного кормления животных [Лукьянов Б.В., Лукьянов П.Б. Новая информационная технология оптимизации рационов для сельскохозяйственных животных (Компьютерные программы «КОРАЛЛ»): Учебно-методическое пособие - М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2009.] с использованием одного из критериев:
- максимальная прибыль при заданной продуктивности;
- максимальная рентабельность при заданной продуктивности;
- минимальная стоимость рациона при заданной продуктивности.
0
0
1
1
Второй вариант - «многошаговый». При отсутствии требования обеспечить задаваемый пошаговый прирост массы альтернативой по отношению к первому варианту может служить следующая постановка задачи: «Составить серию рационов, обеспечивающих требуемый прирост массы животного за заданный период времени при максимальной экономической эффективности использования кормов». При такой постановке задача оптимизации рациона попадает в класс задач оптимального управления и в рамках теории оптимального управления формулируется следующим образом: «Требуется найти такую динамику кормления (траекторию управления), при которой масса животного вырастет от начального значения m, соответствующего моменту времени t, до требуемого значения m, соответствующего заданному моменту времени t, с минимальной стоимостью кормов». Таким образом, объектом управления выступает животное, состояние которого характеризуется двумя фазовыми переменными: «масса» и «суточный прирост массы». Вектором управления является суточный рацион. За функционал качества принимается стоимость кормов, расходуемых на одно животное за период откорма. Время изменяется дискретно, принятый в животноводстве и в птицеводстве квант времени - одни сутки. После приведения задачи к стандартному виду задач теории оптимального управления, условия задачи описываются следующим образом. Фазовый вектор объекта является двумерным:
1
2
где х - масса животного; х - суточный прирост массы.
Управление задается вектором кормов рациона:
k
где u(t) - масса k-го корма в рационе t-го дня откорма; m - количество кормов рациона.
Функционал качества описывается выражением:
рацj
0
1
где J(u(t), x(t)) - функционал качества; C - стоимость рациона в j-тый день откорма; j∈[t, t].
Задача решается в следующей последовательности.
0
0
1. Оценивается управляемость объекта, т.е. проверяется возможность выполнения требуемого откорма в заданный период времени имеющимися кормами. Для оценки управляемости объекта выполняется серия расчетов рационов по критерию «максимальная продуктивность» на период откорма с дискретностью в один день. Если в конце периода требуемая масса животного не достигнута, то делается заключение, что объект неуправляем, и следует пересмотреть исходные данные задачи. Если требуемая масса животного достигнута, то делается заключение, что объект управляем. В этом случае управление u(t) и траектория x(t) запоминаются и решение задачи продолжается.
0
1
1
0
2. Определяется оптимальная траектория управления и соответствующая ей фазовая траектория объекта. При выращивании и откорме животных при движении от t к t оплата корма снижается, так как при этом масса животных растет и, соответственно, увеличивается доля рациона, идущая на поддержание их жизни. Поэтому с целью минимизации расхода кормов следует прирост массы в конце периода делать минимально допустимым с точки зрения сохранности здоровья животных и соблюдения технологических условий их роста. Поэтому на этом шаге решения задачи для определения оптимальной траектории управления выполняется «обратный» расчет изменения массы животного, при движении от t к t, по критерию «минимальная стоимость при заданной продуктивности».
1
01
1
01
1
1
1
0
1
На фиг. 12 иллюстрируется последовательность решения задачи через изменение во времени массы животного (x(t)). Кривая x(t) отображает первый шаг решения - оценку управляемости. Кривая x(t) соответствует оптимальному управлению; стрелка указывает направление последовательности вычислений при определении оптимальной траектории управления. Расчет рационов по минимальному приросту начинается с момента времени t (точка С) и продолжается до пересечения с кривой x(t) (точка В). На участке ВА рационы рассчитываются по максимальному приросту. Найденные рационы определяют оптимальное управление для откорма животного с начальной массой x(t) до требуемой массы x(t) при минимальной стоимости кормов (траектория ABC). Описанные алгоритмы оптимизации рационов при программируемом росте животных могут выполняться, в том числе, с помощью готовых компьютерных программ, например, «КОРАЛЛ - Кормление выращиваемого скота» и «КОРАЛЛ - Кормление свиней» [www.korall-agro.ru, E-mail: ration@mail.ru].
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 с учетом функций потерь их продуктивности содержит задатчик сигнала реального возраста поголовья 1, блок задатчиков промежуточных управляющих сигналов 2, блок задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов 3, выходы которого подключены к соответствующим первым неинвертирующим входам блока схем сравнения сигналов доз кормов 4, ко вторым соответствующим инвертирующим входам которого подключены выходы блока задатчиков сигналов реальных доз кормов 5, а выходы блока схем сравнения сигналов доз кормов 4 соединены с соответствующими входами блока дозаторов кормов 6, выходы которого соединены с входами смесителя 7, на выходе которого формируется экономически оптимальная кормосмесь 8 (условно показано хранилище этой кормосмеси 1), при этом в устройство введены задатчик имитируемого сигнала возраста поголовья 9, задатчик имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья 10, задатчик имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья 11, вычислитель сигнала живой массы поголовья в начальной стадии выращивания 12, вычислитель сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13, вычислитель сигнала живой массы поголовья в конечной стадии выращивания 14, вычислитель сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15, схема сравнения сигналов живой массы поголовья в начальной и в конечной стадии выращивания 16, формирователь сигнала отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы 17, блок управляемых ключей 18, схема совпадения сигналов 19, блок формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение) 20, задатчик сигнала вида критерия оптимизации 21, задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия 22, блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь 23, при этом выход задатчика имитируемого сигнала возраста поголовья 9 подключен к входам задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья 10 и задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья 11 и к первому входу схемы совпадения сигналов 19, выход задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья 10 соединен с соединением первых входов вычислителя сигнала живой массы поголовья в начальной стадии выращивания 12 и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13, выход задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья 11 соединен с соединением первых входов вычислителя сигнала живой массы поголовья в конечной стадии выращивания 14 и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15, выходы вычислителя сигнала живой массы поголовья в начальной стадии выращивания 12 и вычислителя сигнала живой массы поголовья в конечной стадии выращивания 14 подключены соответственно к первому и второму входам схемы сравнения сигналов живой массы поголовья в начальной и в конечной стадии выращивания 16, выход которой через формирователь сигнала отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы 17 подключен к второму входу схемы совпадения сигналов 19, к третьему входу которой подключен выход задатчика сигнала реального возраста поголовья 1, а выход которой соединен с управляющим входом блока управляемых ключей 18, первый и второй входы и соответствующие выходы которого подключены соответственно к выходу вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13, к выходу вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15 и к соответствующим входам блока задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов 3, при этом выход блока задатчиков промежуточных управляющих сигналов 2 соединен с соединением вторых входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13 и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15, первый выход блока формирователей управляющих сигналов (интерфейса Лица, Принимающего решение) 20 через задатчик сигнала вида критерия оптимизации 21 подключен к соединению третьих входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13 и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15, второй выход блока формирователей управляющих сигналов (интерфейса Лица, Принимающего решение) 20 через задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия 22 подключен к соединению четвертых входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13 и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15, соответствующий третий выход блока формирователей управляющих сигналов (интерфейса Лица, Принимающего решение) 20 через блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь 23 подключен к соответствующему соединению соответствующих пятых входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13 и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15.
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 с учетом функций потерь их продуктивности выполняет известные действия: задание дозы расхода кормосмеси в зависимости от вида и возраста поголовья, вычисление стоимости затрат на израсходованные корма в зависимости от заданной дозы расхода кормосмеси, вычисление расчетной стоимости продукции данной партии животных или птицы в зависимости от возраста поголовья, измерение и задание дозы расхода каждого корма из набора кормов кормосмеси, сравнение измеренной и заданной величин, регулирование режима дозирования каждого корма из набора кормов кормосмеси по результату сравнения, стоимость затрат на израсходованный каждый корм из набора кормов кормосмеси вычисляют в зависимости от дозы расхода каждого корма из набора кормов кормосмеси, формируют сигналы величин доз расхода корма из набора кормов в кормосмеси, изменяют сформированные сигналы величин доз расхода корма из набора кормов в кормосмеси в диапазоне от нуля до технологически допустимого их наибольшего значения или до реально достижимого ресурсного значения дозы расхода этого корма из набора кормов в кормосмеси на предприятии, причем в зависимости от значения изменяемого сигнала сформированной величины дозы расхода корма из набора кормов в кормосмеси вычисляют суммарную стоимость дозы расхода кормосмеси, при получении соответствующего наивысшему приросту прибыли сигнала сформированной величины дозы расхода кормосмеси запоминают сформированные сигналы величин доз расхода корма из набора кормов в кормосмеси на время изменения сигнала сформированной величины дозы расхода кормосмеси в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями, сравнивают с запомненным значением измеренную величину дозы расхода корма из набора кормов в кормосмеси и по результату сравнения корректируют режим дозирования ингредиента корма корма из набора кормов в кормосмеси.
Также устройство выполняет новые действия: вычисляют расчетную стоимость продукции данной партии животных или птицы в зависимости от вида поголовья и дополнительно формируют сигналы величин следующих показателей эффективности рациона:
- сигнал прибыли, обеспечиваемой рационом, по количественной зависимости
Б
прод
дисб
рац
ПР=С -П-С, (руб.);
- сигнал уровня рентабельности рациона
Б
прод
дисб
рац
рац
Ρ=((С -П-С)/С)×100, (%);
- сигнал сбалансированности рациона
дисб
прод
Б
СБ=(1-П/С )×100, (%),
Б
прод
дисб
рац
где ПР - сигнал прибыли, обеспечиваемой рационом; С  - сигнал стоимости продукции, которая может быть получена от животного при полностью сбалансированном рационе, приведенная к одним суткам; П - сигнал потерь, вызываемых дисбалансом рациона; С - сигнал стоимости рациона,
- также дополнительно корректируют сформированные сигналы величин доз расхода каждого корма из набора кормов в кормосмеси, при получении соответствующего наивысшему значению сигнала прибыли, обеспечиваемой рационом, или наивысшему значению сигнала уровня рентабельности рациона, или наивысшему значению сигнала сбалансированности рациона - сигнала сформированной величины дозы расхода кормосмеси - запоминают сформированные сигналы величин доз расхода каждого корма из набора кормов в кормосмеси на время изменения сигнала сформированной величины дозы расхода кормосмеси в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями, и по результату сравнения дополнительно корректируют режим дозирования корма из набора кормов в кормосмеси, при этом задают сигнал значения допустимого уменьшения критерия, при получении соответствующего заданному сигналу значения допустимого уменьшения критерия сигнала сформированной величины дозы расхода кормосмеси запоминают сформированные сигналы величин доз расхода корма из набора кормов в кормосмеси на время изменения сигнала сформированной величины дозы расхода кормосмеси в диапазоне между технологически допустимыми наименьшим и наибольшим ее заданными значениями, при этом задают сигналы значений коэффициентов графиков функций потерь продуктивности животных и птицы в зависимости от недостатка или от избытка корма в кормовой смеси, формируют графики функций потерь и в соответствии с ними дополнительно формируют сигналы величин показателей эффективности рациона, при этом задают имитируемый сигнал возраста животного или птицы, задают имитируемый сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы животного или птицы, в зависимости от которого формируют сигнал живой массы животного или птицы в начальной стадии выращивания и формируют сигнал близкого к экономически оптимальному рациона в начальной стадии выращивания, задают имитируемый сигнал дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы животного или птицы, в зависимости от которого определяяют сигнал живой массы животного или птицы в конечной стадии выращивания и формируют сигнал близкого к экономически оптимальному рациона в конечной стадии выращивания, сравнивают сигналы живой массы животного или птицы в начальной и в конечной стадии выращивания и в зависимости от результата сравнения формируют сигнал отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы, задают сигнал реального возраста животного или птицы, при совпадении имитируемого сигнала возраста животного или птицы, сигнала реального возраста птицы и сформированного сигнала отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы разрешают выбор для дальнейшего управления составлением близкого к экономически наилучшему кормового рациона и приготовлением близкой к экономически наилучшей кормовой смеси при программируемом росте животных и птицы одного из двух сформированных сигналов экономически оптимального рациона в начальной или в конечной стадии выращивания, в зависимости от одного из этих двух сформированных сигналов задают сигналы близких к экономически оптимальным доз кормов, задают сигналы реальных доз кормов, сравнивают заданные сигналы близких к экономически оптимальным доз кормов с соответствующими заданными сигналами реальных доз кормов и по результату сравнения производят дозирование кормов для последующего их смешивания в кормосмесь, затем осуществляют коррекцию смешивания доз кормов и получают близкую к экономически оптимальной кормосмесь при программируемом росте животных и птицы.
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 с учетом функций потерь их продуктивности (фиг. 13) работает следующим образом. Для примера рассмотрим случай бройлерного птицеводства. В задатчике имитируемого сигнала возраста поголовья 9 задается периодически изменяющийся от наименьшего своего значения до наибольшего своего значения сигнал, соответствующий диапазону возрастов птицы от одних суток до 35 суток обычного срока выращивания современных кроссов бройлеров. Это делается для определения, в соответствии с программой выращивания птицы во всем диапазоне ее возрастов, следующих величин. Это значения ежесуточной дозы корма при управлении составлением рациона в начальной стадии выращивания посредством задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при максимальном приросте живой массы поголовья 10. А также значения ежесуточной дозы корма при управлении составлением рациона в конечной стадии выращивания посредством задатчика имитируемого сигнала дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы поголовья 11. В соответствии с полученными значениями ежесуточных доз кормосмеси вычисляются значения сигналов живой массы птицы в начальной и в конечной стадии выращивания, поскольку такие две математические модели продуктивности бройлеров известны из технологических опытов по уточнению роста бройлеров. Эти функции выполняют вычислитель сигнала живой массы птицы в начальной стадии выращивания 12 и вычислитель сигнала живой массы птицы в конечной стадии выращивания 14. Также в соответствии с этими значениями ежесуточных доз кормосмеси при управлении составлением рациона в начальной и конечной стадиях выращивания вычисляются рационы экономически оптимальной кормосмеси. Это делается посредством вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания 13 и с помощью вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания 15. Сравнение получаемых в один и тот же момент времени двух значений вычисленной продуктивности происходит в схеме сравнения сигналов живой массы поголовья в начальной и в конечной стадии выращивания 16. На выходе этой схемы сравнения появляется сигнал, который преобразуется в формирователе сигнала отключения режима вычисления максимального прироста живой массы и перехода в режим вычисления минимального прироста живой массы 17. Полученный преобразованный сигнал подается на первый управляющий вход схемы совпадения сигналов 19 и свидетельствует о том, что в этот момент времени компьютерного моделирования процесса составления экономически оптимальных рационов возможен переход в режим ограничения кормления птицы. На второй управляющий вход схемы совпадения сигналов 19 также подается выходной сигнал задатчика имитируемого сигнала возраста поголовья 9, причем с временным периодом его формирования в этом задатчике. Частота формирования этого имитационного сигнала может быть достаточно высокой для того, чтобы оператор мог вовремя и достаточно быстро оценить электронным образом моделируемый процесс формирования программируемого продуктивного роста птицы и своевременно внести свои управляющие поправки. Задатчик сигнала реального возраста поголовья 1 задает время хода реального производственного процесса. Его выходной сигнал поступает на третий управляющий вход схемы совпадения сигналов 19 для практического сопоставления хода реального времени технологического процесса кормления и реального роста бройлеров с ходом имитируемого по времени моделируемого процесса программируемого роста птицы. Чем точнее выбраны оператором-практиком посредством технического решения в виде соответствующего задатчика коэффициенты функций потерь, тем точнее в реальном времени производится переход от кормления бройлеров вволю к их ограниченному кормлению. В момент одновременного появления на всех трех управляющих входах схемы совпадения сигналов 19 она вырабатывает свой выходной управляющий сигнал для блока управляемых ключей 18. Этот блок срабатывает, и в устройстве обеспечивается дальнейшее прохождение сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания птицы. В результате прекращается прохождение через этот блок сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания бройлеров, и начинается прохождение через него сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания птицы. В данный момент времени происходит автоматизированный переход из режима неограниченного кормления бройлеров, из режима кормления их вволю, в режим ограниченного кормления птицы. Начиная с этого момента времени, прекращается избыточный перерасход кормосмеси с экономически оптимальным составом.
На фиг. 13 показана связь блока формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение) 20 с обоими двумя вычислителями сигналов экономически оптимального рациона в начальной и в конечной стадии выращивания 13 и 15 через задатчик сигнала вида критерия оптимизации 21. Этот факт обеспечивает экономически оптимальное управление составлением рациона по различным критериям оптимизации. Также на фиг. 13 показана связь блока формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение) 20 с обоими двумя вычислителями сигналов экономически оптимального рациона в начальной и в конечной стадии выращивания 13 и 15 через задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия 22. Этот факт обеспечивает близкое к экономически оптимальному управление составлением рациона кормосмеси и при этом эффективное использование наличных на предприятии кормов. При этом на фиг. 13 показана связь блока формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение) 20 с обоими двумя вычислителями сигналов экономически оптимального рациона в начальной и в конечной стадии выращивания 13 и 15 через блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь 23. Этот факт обеспечивает учет потерь продуктивности поголовья при недостатке и при избытке любого корма в кормовой смеси.
Структура и функции устройства существенно изменились и позволяют осуществлять по различным критериям оптимизации почти оптимальное составлением рациона кормления птицы в условиях жестких ограничений по наборам и количествам ресурсных кормов на предприятии, причем с учетом функций потерь продуктивности животных и птицы. Работа устройства автоматизации при задании диапазонов уменьшения значений максимумов целевых функций результативности составления рационов кормосмесей заключается в основном в использовании, например, программируемого контроллера, на котором проводится моделирование кормосмесей, в качестве управляющего вычислительного узла, в соответствии с приведенными в описании фигурами (фиг. 1, … фиг. 12). При этом получается кормосмесь, близкая к экономически оптимальной, причем такая кормосмесь составлена в условиях дефицита необходимых кормов или переизбытка кормов того или иного вида, которые надо интенсивно расходовать. Кормосмесь по существу получается не намного менее эффективной экономически, а ресурсы кормов на предприятии использованы наилучшим образом. Такие результаты обеспечены техническими решениями данных способа и устройства.
В автоматизированном режиме производится составление по различным критериям оптимизации близкого к экономически наилучшему кормового рациона и приготовления близкой к экономически наилучшей кормовой смеси при программируемом росте животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности. Существенно повышается точность задания и соответственно точность регулирования доз кормов кормовой смеси при составлении близкого к экономически наилучшему кормовому рациону при приготовлении близкой к экономически наилучшей кормовой смеси. Расширяется арсенал технических средств аналогичного назначения, а именно для составления кормового рациона и приготовления кормовой смеси для животных и птицы. Осуществляется реализация устройством заявленного назначения составления кормового рациона и приготовления кормовой смеси для животных и птицы.