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 И ПРИ НАЛИЧИИ ИНФОРМАЦИИ О ПОТРЕБЛЕНИИ ИМИ КОРМОСМЕСИ
DEVICE OF FORMULATION ON VARIOUS OPTIMISATION CRITERIA OF CLOSE TO ECONOMICALLY BEST FEED RATION AND MAKING CLOSE TO ECONOMICALLY BEST FEED MIXTURE IN CASE OF PROGRAMMABLE GROWTH OF ANIMALS AND POULTRY AND IN PRESENCE OF INFORMATION ON CONSUMPTION OF FEED MIXTURE BY THEM

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 автоматизированное 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 недостатком данного технического решения является невозможность экономного 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. Еще одним недостатком данного технического решения является отсутствие в нем информации о потреблении животными и птицей кормосмеси. Поэтому достаточно трудно с высокой точностью управлять технологическими процессами составления рациона кормосмеси и кормлением поголовья без учета такой информации 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.). Например, снижение потребления поголовьем кормовой смеси должно немедленно приводить к уменьшению дозы кормосмеси и к соответствующему перерасчету экономически наилучшего рациона новой уменьшенной дозы кормосмеси. Однако в отсутствие информации о потреблении кормосмеси поголовьем технология составления рациона и дозирования кормосмеси остается прежней, что ведет к явному перерасходу дорогостоящих кормов в кормосмеси. Поэтому новое техническое решение должно иметь возможность действия при наличии информации о потреблении кормосмеси животными и птицей в различных складывающихся технико-технологических и хозяйственных условиях производства продукции на сельскохозяйственном предприятии. Таким образом, новое техническое решение должно иметь возможность действия одновременно при наличии информации о потреблении кормосмеси животными и птицей в различных складывающихся технико-технологических и хозяйственных условиях производства продукции на сельскохозяйственном предприятии. Следовательно, необходимо существенное расширение функциональных возможностей способа и устройства, которое требует использования в процессе составления рационов наличия информации о потреблении ими кормосмеси.
Задачей изобретения является автоматизированное управление технологическими процессами составления рациона кормосмеси по различным технико-экономическому критериям оптимизации, автоматизированное экономное управление технологическими процессами составления близкого к экономически наилучшему рациона кормосмеси и приготовления близкой к экономически наилучшей кормовой смеси 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, причем при наличии информации о потреблении кормосмеси животными и птицей, повышение точности определения доз кормов в кормосмеси, расхода самой кормосмеси для соответствующего повышения точности управления процессами кормоприготовления при наличии информации о потреблении кормосмеси в конечной стадии выращивания 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 близкого к экономически наилучшему рациона кормосмеси и приготовления близкой к экономически наилучшей кормовой смеси 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.), 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, и при наличии информации о потреблении кормосмеси животными и птицей. Существенно повышается точность определения доз кормов в кормосмеси, расхода самой кормосмеси для соответствующего повышения точности управления процессами кормоприготовления при наличии информации о потреблении кормосмеси в конечной стадии выращивания животных и птицы. 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 и при наличии информации о потреблении ими кормосмеси 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, измеритель сигнала расхода кормосмеси, задатчик сигнала расчетной дозы кормосмеси, задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия, 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 расчетной дозы кормосмеси подключен к соединению четвертых входов вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания и вычислителя сигналов экономически оптимального рациона в конечной стадии выращивания, а первый и второй входы блока формирователей управляющих сигналов или интерфейса Лица, Принимающего решение, соединены с соответственно с выходами измерителя сигнала расхода кормосмеси и задатчика сигнала значения допустимого уменьшения критерия.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется примером. В техническом решении принципа действия устройства используется новая модель рациона, в которой вместо жестких ограничений на содержание в рационе компонентов питания (традиционно используемых в энергетических расчетах по оптимизации рационов и кормосмесей) введены более общие экономические показатели рационов и кормосмесей. Это прибыль, уровень рентабельности, общая сбалансированность (оцениваемая по уровню потерь животноводческой продукции), обеспечиваемая продуктивность, оплата корма продукцией, конверсия корма и др. Показатели эффективности рациона:
- прибыль, обеспечиваемая рационом
- уровень рентабельности рациона
- сбалансированность рациона
дисб
рац
где ПР - прибыль, обеспечиваемая рационом;  - стоимость продукции, которая может быть получена от животного при полностью сбалансированном рационе, приведенная к одним суткам; П - потери, вызываемые дисбалансом рациона; С - стоимость рациона.
Полностью сбалансированный рацион характеризуется значением СБ=100%, а наличие дисбаланса по компонентам питания и соотношениям, приводящее к потерям, снижает этот показатель. Введенные показатели позволяют оценивать и сравнивать рационы и кормосмеси с разных хозяйственных позиций и обеспечивают возможность использования одинаковых правил их оценки разными специалистами. Новый подход к оптимизации рационов и кормосмесей позволяет использовать до десяти разных по смыслу критериев оптимизации, настраивая процесс кормления животных и птицы таким образом, чтобы добиваться максимальной эффективности производства при различных технических, технологических, производственных и экономических ситуациях.
Экономические показатели рациона. Стоимость рациона:
рац
корма
кормаj
пj
j
j
плj
кормаj
пj
плj
зj
j
плj
j
плj
максj
пj
зj
плj
максj
где С - общая стоимость кормов, входящих в рацион (стоимость рациона); Cj - стоимость j-го корма в рационе; C=Ц×x при x∈[0, M]; C=Ц×M+Ц×(x-М) при x∈[М, M]; Ц - цена имеющегося в наличии («планового») j-го корма; Ц - «кассовая» цена j-го корма для случая его закупки; M - план расходования j-го корма на одну гол. в сутки; M - максимально допустимое содержание j-го корма в рационе. Под «кассовой» ценой корма понимается сумма цены закупки корма и накладных расходов предприятия, связанных с закупкой.
Сбалансированность рациона корма:
дисб
где СБ - сбалансированность рациона;  - стоимость продукции, которая может быть получена от животного или птицы за одни сутки при полностью сбалансированном рационе; П - общие потери продукции, вызываемые дисбалансом рациона.
Прибыль:
корм
где ПР - прибыль, обеспечиваемая рационом; П - потери, возникающие из-за нарушения плана расходования кормов. Рентабельность:
цж
где Р - уровень рентабельности рациона; П- потери по ценности животного, вызываемые дисбалансом рациона. Обеспечиваемая рационом продуктивность:
об
прод
прод
где ПРОД - суточная продуктивность животного, обеспечиваемая рационом; П - потери по продуктивности животного, вызываемые дисбалансом рациона; Ц - цена единицы продукции.
рац
корм
корм
корм
Критерии оптимизации рациона. Максимальная прибыль: П+С→min. Максимальная рентабельность: Р→max. Максимальная сбалансированность: П-П→min, где П - суммарные потери по продуктивности, по здоровью, по воспроизводству поголовья в результате дисбаланса кормов и по хозяйству П, в результате отклонений расходования кормов от плана; П - хозяйственные потери, вызываемые отклонениями расходования кормов от плана:
j
j
j
j
плj
плj
где y(a) - потери, возникающие из-за нарушения планового расходования j-го корма; a=(x/x); х - плановый расход j-го корма.
прод
Максимальная продуктивность: П→min - при оптимизации рациона по критерию «максимальная продуктивность» минимизируются потери по продуктивности.
цж
Максимальная сохранность животного: П→min - критерий «максимальная сохранность животного» выражается через минимизацию потерь по ценности животного.
Максимальная прибыль при заданной сбалансированности:
где  - сбалансированность рациона; СБ - требуемая сбалансированность рациона. «Максимальная прибыль при заданной сбалансированности» обеспечивает достижение максимальной прибыли рациона при сбалансированности не ниже заданной. Максимальная прибыль при стоимости рациона не выше заданной:
рац
рац зад
где С - стоимость рациона; С - заданная стоимость рациона. «Максимальная прибыль при стоимости рациона не выше заданной» обеспечивает достижение максимальной прибыли рациона при стоимости кормов не выше заданной.
корм
рац
рац зад
Максимальная сбалансированность при заданной стоимости рациона: П-П→min при С≤С - обеспечивает достижение максимальной сбалансированности рациона при стоимости кормов не выше заданной.
Максимальная рентабельность при заданной сбалансированности Р→max при
C
→СБ
Б
рац
- обеспечивает достижение максимальной рентабельности рациона при сбалансированности рациона не ниже заданной.
рац
Минимальная стоимость рациона при заданной сбалансированности: С→min
C
≥СБ
Б
рац
при   - минимизирует стоимость рациона при сбалансированности рациона не ниже заданной.
рац
об
зад
зад
Минимальная стоимость рациона при продуктивности не ниже заданной: С→min при ПРОД≥ПРОД, где ПРОД - заданная продуктивность. «Минимальная стоимость рациона при продуктивности не ниже заданной» минимизирует стоимость рациона при обеспечении продуктивности животного не ниже заданной Пользователем.
рац
i мин
i
i макс
i
i мин
i макс
Минимальная стоимость рациона при ограничениях на питательность: С→min при (кп≤кп≤кп). Здесь кп - содержание i-го компонента питания в рационе (I∈[1, N]); кп - минимально допустимое содержание в рационе i-го компонента питания; кп - максимально допустимое содержание в рационе i-го компонента питания; N - количество нормируемых компонентов питания. «Минимальная стоимость рациона при ограничениях на питательность» минимизирует стоимость рациона при учете ограничений на содержание в рационе компонентов питания, указываемых Пользователем.
рац
об
зад
Максимальная прибыль при продуктивности не ниже заданной: П+С→min при ПРОД>ПРОД обеспечивает достижение максимальной прибыли рациона при продуктивности не ниже заданной.
рац
зад
об
зад
Максимальная прибыль при заданной продуктивности П+С→min при (ПРОД-Δ)≤ПРОД≤(ПРОД+Δ), где Δ - задаваемая точность обеспечения требуемой продуктивности. «Максимальная прибыль при заданной продуктивности» обеспечивает максимальную прибыль рациона при продуктивности, соответствующей заданной с точностью ±Δ.
цж
об
зад
Максимальная сохранность животного при продуктивности не ниже заданной: П→min при ПРОД≥ПРОД обеспечивает максимальную сохранность животного при продуктивности не ниже заданной.
рац
прод
прод зад
Минимальная стоимость рациона при заданной продуктивности: С→min при П≤П обеспечивает минимум стоимости рациона при продуктивности не ниже заданной.
об
зад
Максимальная рентабельность при продуктивности не ниже заданной: Р→max при ПРОД≥ПРОД обеспечивает максимальную рентабельность рациона при продуктивности не ниже заданной.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-10. 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 дана иллюстрация к работе алгоритма оптимизации управления при откорме животных. На фиг. 10 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 и при наличии информации о потреблении ими кормосмеси: 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 (условно показано хранилище этой кормосмеси), 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 - измеритель сигнала расхода кормосмеси, 23 - задатчик сигнала расчетной дозы кормосмеси, 24 - задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия.
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. Формирование рецептов кормосмесей, близких к оптимальной, с другими наборами кормов, даже для специалиста по кормлению является сложной задачей. В компьютерной программе работы вычислительный блок оптимизации рациона на следующие сутки устройства по способу, например, в 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 программах работы вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки устройства по способу, например «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.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером. На фиг. 2 представлен результат оптимизации кормосмеси по критерию «Максимальная сбалансированность» для несушек возраста 21…45 недель. Щелчком на закладке «Поиск семейства» вызывается диалоговое окно задания для искомых рецептов величины допустимого отклонения от оптимального значения целевой функции и для запуска процедуры генерации рецептов кормосмесей, близких к оптимальной (фиг. 3). Если генерация принудительно не прерывается, то она продолжается до получения шести новых рецептов кормосмесей (фиг. 4). Щелкнув на кнопке «Дисбаланс», Пользователь может оценить структуру дисбаланса и потерь, вызываемых дисбалансом, интересующего его варианта кормосмеси (фиг. 5). Через экранную кнопку «Эффект» можно перейти к оперативному анализу экономических показателей кормосмеси (фиг. 6, фиг. 8). Каждый из рецептов может быть сохранен для последующего более детального анализа (экранная кнопка «Сохранить») и формирования производственного задания на подготовку кормов. Генерация новых рецептов может повторяться многократно через закрытие текущего окна и щелчка на кнопке «Начать поиск семейства решений» (фиг. 3). Следовательно, расчет семейства рецептов кормосмеси, близких к оптимальному, с последующей дополнительной их оптимизацией предоставляет специалисту по кормлению птицы, т.е. Лицу, Принимающему Решение, качественно новый инструмент балансирования кормосмесей и рационов, позволяющий широко манипулировать количеством используемых кормов при сохранении близких к оптимальным значений критериев оптимизации. На функциональной схеме устройства по способу соответственно указан блок формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение) 13.
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 первому 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, квант времени - 1 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. 9 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» [, E-mail: ].
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 и при наличии информации о потреблении ими кормосмеси 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, 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, измеритель сигнала расхода кормосмеси 22, задатчик сигнала расчетной дозы кормосмеси 23, задатчик сигнала значения допустимого уменьшения критерия 24, 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 расчетной дозы кормосмеси 23 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, а первый и второй входы блока формирователей управляющих сигналов (интерфейса Лица, Принимающего решение) 20 соединены соответственно с выходами измерителя сигнала расхода кормосмеси 22 и задатчика сигнала значения допустимого уменьшения критерия 24.
Устройство составления по различным критериям оптимизации экономически наилучшего кормового рациона и приготовления экономически наилучшей кормовой смеси при программируемом росте животных и птицы и при наличии информации о потреблении ими кормосмеси производит следующие 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 осуществляет следующие 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
- сигнал уровня рентабельности рациона
- сигнал сбалансированности рациона
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 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 экономически оптимального рациона в начальной стадии выращивания, задают имитируемый сигнал дозы кормосмеси при минимальном приросте живой массы животного или птицы, в зависимости от которого определяют сигнал живой массы животного или птицы в конечной стадии выращивания и формируют сигнал экономически оптимального 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 экономически наилучшего кормового рациона и приготовлением 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 экономически оптимальным доз кормов, задают сигналы реальных доз кормов, сравнивают заданные сигналы 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 экономически оптимальную кормосмесь при программируемом росте животных и птицы, также при этом измеряют сигнал расхода кормосмеси за текущие сутки выращивания, сравнивают его с ранее заданным сигналом расчетной дозы кормосмеси на текущие сутки выращивания поголовья животных или птицы, полученным сигналом сравнения дополнительно корректируют заданное значение сигнала расхода кормосмеси на следующие сутки выращивания поголовья и задают сигнал скорректированной дозы кормосмеси на следующие сутки выращивания животных и птицы.
Устройство (фиг. 10) 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. 10 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. 10 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 расчетной дозы кормосмеси 23. Структура и функции устройства существенно изменились и позволяют осуществлять оптимальное составлением рациона кормления птицы в условиях контролируемого потребления кормосмеси поголовьем.
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 и при наличии информации о потреблении ими кормосмеси. Значительно повышается точность определения доз кормов в кормосмеси, расхода самой кормосмеси для соответствующего повышения точности управления процессами кормоприготовления при наличии информации о потреблении кормосмеси в конечной стадии выращивания животных и птицы.
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.