Применение оптимизационных алгоритмов в решении задач комбикормового рациона кормления животных

УДК 65.011.56: 636.085.4

Применение оптимизационных алгоритмов

в решении задач комбикормового рациона кормления животных

А.Н. Петряков, аспирант, М.М. Благовещенская, д-р техн. наук, профессор

Московский государственный университет пищевых производств

А.С. Носенко, канд. экон. наук

Управляющая компания «Объединенные кондитеры»

И.Г. Благовещенский, д-р техн. наук, профессор

Московский государственный университет им. Н.Э. Баумана

Данная статья является обзором исследования, связанного с автоматизацией и контролем качества при производстве комбикормов, проведенного канд. техн. наук Н.А. Кик-тевым (Национальный университет биоресурсов и природопользования, Украина) [1].

В современных условиях экономического развития особенно актуальна задача рационального кормления животных, приготовления кормов в строгом соответствии с рецептом для данного вида и назначения животного. В связи с этим задача оптимального кормления животных требует создания программного обеспечения.

Полноценное кормление служит основой высокой плодовитости и продуктивности взрослых животных и способствует созреванию и стабильному увеличению живого веса молодняка, что в итоге повышает эффективность животноводства. Правильное использование кормов - один из крупных резервов увеличения и удешевления производства продукции животноводства.

Задача оптимизации производства кормов важна для всех сельскохозяйственных предприятий, где есть животноводческие подразделения отрасли, специализирующиеся на производстве кормов, так как позволяет выявить дополнительные резервы кормопроизводства за счет совершенствования структуры посевных площадей и расчета расходования кормов. Прежде чем создавать животноводческие комплексы, необходимо определить источники и объем поступления кормов. Обоснование кормовой базы, расчет вариантов плана целесообразно осуществлять с использованием методов математи-

ческого моделирования и ЭВМ [2-4].

Программа «АдептИС: Расчет оптимального рациона» предназначена для расчета оптимальных рецептов комбикормов, сбалансированных по любому числу показателей питательности.

Она позволяет рассчитывать оптимальные рецепты комбикормов с минимальной стоимостью, сбалансированных по заданному числу показателей питательности из выбранного сырья; рецепты рационов (комбикормов) с минимальным или максимальным содержанием показателей питательности; рецепты рационов с учетом заданной структуры рациона, т. е. отдельных видов кормов, выраженных в процентах от энергетической питательности (ОЭ или ЭКЕ, 1 ЭКЕ = 10 МДж обменной энергии) рациона; состав питательных элементов по введенному вручную рецепту комбикорма; добавлять и изменять содержание справочников показателей питательности и видов сырья; создавать бумажные формы рецептов с анализом и сопоставлением задаваемых параметров и полученных результатов.

Программный комплекс «Коралл», разработанный в России, предназначен для комплексной оптимизации и анализа рационов комбикормов и премиксов. В программах используется новая модель рациона, в которой впервые учитываются потери, вызываемые отсутствием сбалансированности кормления (снижение производительности, показателей воспроизводства, здоровья и племенных качеств животных). Программы позволяют комплексно оптимизировать рационы с определением необходимых кормовых добавок и

рассчитать рецепты комбикормов, премиксы, белковые витаминно-минеральные добавки (БМВД), которые наилучшим образом сочетаются с основными кормами, учитывая при расчете план расходования кормов.

Цель работы - создание программы для расчета средствами MS EXCEL рецептов кормления животных. Оптимизация рационов для сельскохозяйственных животных традиционно выполняется на основе линейной экономико-математической модели, целевой функцией которой является минимум стоимости рациона, а требования к его качеству задаются в виде жестких ограничений на содержание в рационе компонентов питания и ряда соотношений.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи: создание первоначальной базы кормов и норм кормления животных, разработка программной среды расчета рациона; автоматизация процесса выбора группы животных, для которой будет составлен рецепт; автоматизация процесса определения структуры рациона; оптимизация рецепта; анализ рассчитанного рецепта.

Целевая функция задачи оптимизации кормления Z может быть записана следующим образом

'= Iе/*/

,

где С - себестоимость или цена приобретения ]-го вида корма; X -искомое количество ]-го вида корма в составе суточного рациона при следующих ограничениях.

1. Содержание питательных веществ в рационе должно быть не менее необходимого количества

,

где А^ - содержание /'-го питательного вещества в единице ]-го вида корма; - суточная потребность животного в /-м питательной веществе.

2. Отдельные группы кормов включаются в рацион в зоотехнически обоснованных пределах

т

,

где аЬ, ВЬ] - соответственно минимально и максимально допустимый удельный вес Ь-й группы кормов в общей питательности рациона, выраженной в кормовых единицах; АЬ] - содержание кормовых единиц в единицах измерения ]-го вида корма Ь-й группы кормов.

AUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGIES AND BUSINESS PROCESSES

Результаты выполнения построения экономико-математической модели оптимизации рациона кормления

Сырье Минимальная сумма показателя

Показатель Отруби пшеничные Ячмень дроблёный Горох Травяная мука Сено Солома Сенаж Силос Жом Патока Премикс минеральный

Сырье, корм. ед. 0,35 1,15 !,2 0,6 О,5 О,3 О,3 О,2 О,! О,4 0,5 6,2

Обменная энергия, МДж/кг 8,85 10,5 !! 8 6,5 5,7 3,7 2,3 1,1 9,4 0 54

Сухие вещества, кг 0,85 0,85 О,9 0,9 О,8 О,8 О,5 О,3 О,! О,8 0 6

Сырой протеин, г 151 113 218 99 9! 49 54 25 !2 99 0 905

Подготовленный протеин, г 97 27 !92 42 5! !3 38 !4 6 6О 55 590

Сырая клетчатка, г 88 49 54 280 237 33! !48 75 33 О 0 1260

Сахар, г 47 22 55 50 29 2,4 22 6 2,5 626 25,5 470

Сырой жир, г 41 22 !9 18 2! !9 !3 !О 3 О 0 235

Кальций, г 2 2 2 5,8 5,6 3,3 2,8 !,4 !,5 3,2 134 31

Фосфор, г 9,6 3,9 4,3 3,1 1,3 О,8 !,4 О,4 О,2 О,2 257 18

Магний, г 4,3 1 !,2 3,3 1,4 1,1 О,8 О,5 О,5 О,! 11 14

Каротин, мг 2,6 0,2 О,2 120 24 4 3О 2О О О 0 115

Кобальт, мг 0,1 0,26 О,2 0,7 О,2 О,! О,4 О О,! О,6 0,5 3,6

Витамин Е, мг 20,9 50 53 75 3ОО О 45 46 О 3 85 150

№С1, г 0 0 О 0 О О О О О О 81 20

Целевая функция (минимум себестоимости) 88 76 72 96 8О 7,2 4,8 5,2 !4 76 168 min

3. В рационе придерживаются соотношения отдельных видов кормов и кормовых добавок

L JT1

j-i j±,L-и

где W, W':J - коэффициенты пропорциональности между группами кормов.

4. Вспомогательное ограничение по общему количеству кормовых единиц в рационе

= Т}

где л7 ~ суммарное количество кормовых единиц в рационе.

5. Условие положительности переменных

.

Входные данные информационной системы введены в таблицу MS Excel. Для реализации постановки задачи оптимизации и ее решения, а также построения экономико-математической модели применен язык программирования VBA (Visual Basic for Application) [5-7].

Использование электронных таблиц MS Excel и языка программирования Visual Basic for Application предоставляет зооинженерам широкие возможности для реализации функциональных и наиболее дешевых решений в сфере расчетных процессов [8-9], что отражено в практической части данной работы. Однако недостатком данного решения для пользователя является необходимость наличия знаний по разработке программ. Выбор того или иного решения должен осуществляться в соответствии с финансовыми и кадровыми возможностями сельскохозяйственных предприятий, поскольку эти пункты являются ограничивающими.

ЛИТЕРАТУРА

1. Киктев, Н.А. Постановка и решение задачи оптимизации рациона кормления животных / Н.А. Киктев // Технологический аудит и резервы производства. -2013. - № 6/2 (14). - С. 8-11.

2. Бабков, Г.А. Методика аграрно-экономических исследований / Г.А. Бабков. — Кишинев: Штиль,1995. - 238 с.

3. Бадевиц, З. Математическая опти-

мизация в сельском хозяйстве / З. Бадевиц / под ред. Р. Г. Кравченко. - М.: Колос, 2002. - 549 с.

4. Га т аул и н, А.М. Экономико-математические методы в планировании сельскохозяйственного производства / А. М. Гатаулин, Л. М. Харитонова, Г. В. Гаврилов. - М.: Колос, 1996. - 224 с.

5. Broesch, J. D. Practical Programmable Circuits: A Guide to PLDs, State Machines, and Microcontrollers / J. D. Broesch. -Waltham: Academic Press, 1991. -286 p.

6. Zak, D. Programming with Visual Basic 6.0 / D. Zak. - Boston: Course Technology, 2001. - 935 p.

7. Hawhee, H. Programming Languages -Visual BASIC / H. Hawhee, T. Moore, F. Martins. - Pietermaritzburg: Riders Publishing, 1999. - 1202 р.

8. Gorban, A.N. Principal Graphs and Manifolds / A.N. Gorban [et al.] // Handbook of Research on Machine Learning Applications and Trends: Algorithms, Methods, and Techniques. - Hershey: IGI Global, 2009. -P. 28-59.

9. Arthur, D. How slow is the k-means Method? / D. Arthur, S. Vassilvitvitskii // 22en ACM Symposium on Computational Geometry. - Sedona, 2006.

Применение оптимизационных алгоритмов в решении задач комбикормового рациона кормления животных

Ключевые слова

алгоритм; комбикорм; кормление; метод; оптимизация; премикс; программное обеспечение

Реферат

В данной статье рассматривается исследование проблемы оптимизации рациона кормления животных и решение данной задачи посредством оптимизационных алгоритмов. Были поставлены цели исследования: осуществить определение математической задачи линейного программирования, произвести построение целевой функции, выбрать метод решения задачи, а также разработать программное обеспечение для реализации метода. Ожидаемые результаты исследования: осуществить функциональное и дешевое решение в сфере расчетных процессов, которое обеспечит расчет сбалансированного питания в рационе животных при заданных требованиях. Входные данные, полученный рецепт и программно-техническая реализация осуществлялись при помощи программного обеспечения Microsoft Excel, а обработка осуществлена при помощи встроенного алгоритмического языка VBA (Visual Basic for Application). По результатам исследования была проведена оптимизация в виде снижения показателя суммы отклонений содержания питательных веществ в рационе животных, что приводит к формированию более сбалансированного рациона.

Авторы

Петряков Александр Николаевич, аспирант, Благовещенская Маргарита Михайловна, д-р техн. наук, профессор, Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11., a. petr2@yandex.ru Носенко Алексей Сергеевич, канд. техн. наук, Управляющая компания «Объединенные кондитеры», 115184, Москва, 2-й Новокузнецкий пер., д. 13/15, стр. 1, Aleksandr.Nenilin@uniconf.ru

Благовещенский Иван Германович, д-р техн. наук, профессор, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1, drbl@bk.ru

The use of optimization algorithms in solving of feed ration feedingproblems

Key words

mixed feed; premix; feeding optimization; method; algorithm, software

Abstracts

The paper deals with the optimization of the animal feed ration problems and its solving by means of optimization algorithms. The objects of the survey are the following: to produce the mathematical problem determination of the linear programming, to lead the construction of the objective function, to choose the problem solving procedure, and to work out software for the method realization. The expectations of the survey are to find a functional and unexpansive solution in the field of calculation processes which provides the calculation of the balanced nutrition in animal diet with the given specification. Input data, the received recipe and the software-based realization were performed with the use of the Microsoft Excel mathematical software, and the processing was produced with the use of the built-in algorithmical language VBA (Visual Basic for Application). As a result, the optimization in the form of total deviations decrease of nutrients content in the animals ration which allows getting the better balanced ration.

Authors

Petrjakov Aleksandr Nikolaevich, postgraduate

Moscow State University of Food Production, department of

information technology and automated systems

125080, Moscow, VoFokolamskoe shosse, 11, Blagoveshhenskaja

Margarita Mihajlovna, doctor of technical Sciences, Professor,

Moscow State University of Food Production, department of

information technology and automated systems, 125080, Moscow,

Volokolamskoe shosse, 11.

Nosenko Sergei Candidate of technical Sciences,

Management Company «United Confectioners», 115184, Moscow,

Novokuznetskaya 2 nd per., 13/15, p. 1.

Blagoveshchenskii Ivan Germanovich, doctor of technical Sciences, Professor,

Moscow state technical University. N. Uh. Bauman, department «The Theoretical Mechanics» named after professor N. E. Zhukovsky. 105005, Moscow, 2-nd Baumanskaya, 5, p. 1

Крым, г. Ялта, Отель «Ялта-Интурист»

Щ£ 16-17 авгУста, 2015 года

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ.

КРЫМ

В РАМКАХ ВЫСТАВКИ ПРОЙДУТ:

- Конгресс «Продовольственная безопасность Крыма»; - Презентации регионов и предприятий;

- Тематические круглые столы и дискуссионные заседания; - Мастер-классы компаний участников.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПАРТНЕРЫ.

Организатор:

'-

v¡ka@soud.ru www.soud.ru УЗНАЙ

8(862) 262-26-93, 262-46-34 БОЛЬШЕ!

m ш