УСТРОЙСТВО СОСТАВЛЕНИЯ ПО РАЗЛИЧНЫМ КРИТЕРИЯМ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКОНОМИЧЕСКИ НАИЛУЧШЕГО КОРМОВОГО РАЦИОНА И ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКИ НАИЛУЧШЕЙ КОРМОВОЙ СМЕСИ ДЛЯ ЖИВОТНЫХ И ПТИЦЫ С УЧЕТОМ ФУНКЦИЙ ПОТЕРЬ ИХ ПРОДУКТИВНОСТИ
DEVICE OF FORMULATION ON VARIOUS OPTIMISATION CRITERIA OF ECONOMICALLY BEST FEED RATION AND MAKING ECONOMICALLY BEST FEED MIXTURE FOR ANIMALS AND POULTRY TAKING INTO ACCOUNT THEIR LOSS OF 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, далее по тексту - кормосмеси (в данном прототипе указано - «корма», в смысле - кормовой смеси), получение наивысшего значения принятого для управления экономического критерия (мерила, оценки, по-греч.; признака, показателя) только 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 устанавливаются такие количественные значения составляющих ингредиентов корма, т.е. кормов 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 при наличии проблем с ресурсами, с поголовьем животных или птицы и т.п. Другим существенным недостатком данного технического решения является невозможность автоматизированного учета 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 при избытке конкретного корма, так и в меньшую сторону при недостатке определенного корма.
Задачей изобретения является автоматизированное управление технологическими процессами составления рациона кормосмеси по различным технико-экономическим критериям оптимизации и формирование функций потерь продуктивности животных и птицы при отклонении долевого содержания корма в кормовой смеси от экономически наилучшего его значения, повышение точности задания и соответственно точности регулирования доз кормов кормовой смеси при составлении экономически наилучшего кормового рациона при приготовлении экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности. Таким образом, задачей изобретения также 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 автоматизированное формирование функций потерь продуктивности животных и птицы при отклонении долевого содержания корма в кормовой смеси от экономически наилучшего его значения. Это позволяет учесть влияние того или иного рациона кормления на результирующую, текущую во времени, обыкновенно суточную продуктивность животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности. Также обеспечивается практическая возможность управления технологическими процессами составления рациона кормосмеси и кормлением поголовья по различным экономическим критериям оптимизации для достижения наивысшей технико-экономической эффективности этих процессов в складывающейся на сельскохозяйственном предприятии технико-экономической ситуации при проблемах с ресурсами, с поголовьем животных или птицы и т.п. Достигается полноценное определение не только по традиции специалистов-зоотехнологов одной стоимости рациона или стоимости кормосмеси, но и результата действия того или иного рациона на стоимость продукции сельскохозяйственного предприятия в ценах ее реализации, т.е. цены реализованной продукции. Повышается точность задания и соответственно точность регулирования доз кормов кормовой смеси при составлении экономически наилучшего кормового рациона при приготовлении экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности. 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 экономически наилучшего кормового рациона и приготовления экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности содержит задатчик сигнала вида птицы и задатчик сигнала возраста птицы, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам задатчика сигнала нормативной дозы кормосмеси на следующие сутки выращивания, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки, второй вход которого подключен к выходу блока задатчиков сигналов, а выходы вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки подключены к соответствующим входам блока задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов, выходы которого соединены с соответствующими первыми неинвертирующими входами блока схем сравнения, к соответствующим вторым инвертирующим входам которого подключены выходы блока задатчиков сигналов ресурсов наборов кормов, а выходы блока схем сравнения соединены с соответствующими входами блока дозаторов кормов, выход которого подключен к входу смесителя, на выходе которого формируется экономически оптимальная кормосмесь на следующие сутки, при этом в устройство введены задатчик сигнала вида критерия оптимизации, блок формирователей управляющих сигналов или интерфейс Лица, Принимающего решение, и блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь, вход которого соединен с первым выходом блока формирователей управляющих сигналов или интерфейса Лица, Принимающего решение, второй выход которого через задатчик сигнала вида критерия оптимизации соединен с третьим входом вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки, выходы блока задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь подключены к соответствующим дополнительным входам вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки.
На фиг. 1,…, фиг. 4 приведены иллюстрации осуществления устройства. На фиг. 1 показаны примеры функций потерь продуктивности поголовья. На фиг. 2 изображено диалоговое окно коррекции функций потерь. На фиг. 3 дана иллюстрация потерь продуктивности животных и птицы, вызываемых отклонением от нормы содержания в рационе компонента питания [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. 4 показана функциональная схема устройства составления по различным критериям оптимизации экономически наилучшего кормового рациона и приготовления экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности: 1 - задатчик сигнала вида птицы; 2 - задатчик сигнала возраста птицы; 3 - задатчик сигнала нормативной дозы кормосмеси на следующие сутки выращивания; 4 - вычислительный блок оптимизации рациона на следующие сутки; 5 - блок задатчиков промежуточных управляющих сигналов; 6 - блок задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов; 7 - блок задатчиков сигналов ресурсов наборов кормов; 8 - блок схем сравнения; 9 - блок дозаторов кормов; 10 - смеситель; 11 - экономически оптимальная кормосмесь на следующие сутки; 12 - задатчик сигнала вида критерия оптимизации; 13 - блок формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение); 14 - блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь.
На фиг. 1, …, фиг. 3 иллюстрируется поясняющая информация. 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 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 1. Разработано общее математическое описание функций потерь, удовлетворяющее сформулированные требования. 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. 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. 1. «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. 2 (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 при ограниченном наборе 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 псевдооптимальные кормосмеси. В смысле обеспечения эффективного производства такие псевдооптимальный кормосмеси ведут к принятию ошибочных управленческих решений по кормлению птицы и формированию кормовой базы предприятия.
Главной отличительной особенностью методики расчета или алгоритма работы устройства является то, что 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 снижение качества или потерю приплода, удлинение цикла воспроизводства, вызываемые 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
Реально зависимость каждого вида потерь, вызываемых отклонением содержания в рационе компонента питания (КП) от нормы, выражается кривой вида, показанного на фиг. 3. При содержании компонента питания в рационе, равном норме, потерь нет (точка КП). 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.
мин
макс
н
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. 3 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.
Устройство составления по различным критериям оптимизации экономически наилучшего кормового рациона и приготовления экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности (фиг. 4) содержит задатчик сигнала вида птицы 1 и задатчик сигнала возраста птицы 2, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам задатчика сигнала нормативной дозы кормосмеси на следующие сутки выращивания 3, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки 4, второй вход которого подключен к выходу блока задатчиков сигналов 5, а выходы вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки подключены к соответствующим входам блока задатчиков сигналов экономически оптимальных доз кормов 6, выходы которого соединены с соответствующими первыми неинвертирующими входами блока схем сравнения 8, к соответствующим вторым инвертирующим входам которого подключены выходы блока задатчиков сигналов ресурсов наборов кормов 7, а выходы блока схем сравнения соединены с соответствующими входами блока дозаторов кормов 9, выход которого подключен к входу смесителя 10, на выходе которого формируется экономически оптимальная кормосмесь на следующие сутки 11, при этом в устройство введены задатчик сигнала вида критерия оптимизации 12, блок формирователей управляющих сигналов (интерфейс Лица, Принимающего решение) 13 и блок задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь 14, вход которого соединен с первым выходом блока формирователей управляющих сигналов (интерфейса Лица, Принимающего решение) 13, второй выход которого через задатчик сигнала вида критерия оптимизации 12 соединен с третьим входом вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки 4, выходы блока задатчиков сигналов коэффициентов графиков функций потерь 14 подключены к соответствующим дополнительным входам вычислительного блока оптимизации рациона на следующие сутки 4.
Автоматизированное устройство управления кормовыми рационами с учетом возможных операторских поправок в функциях потерь продуктивности в зависимости от отклонения дозы корма от наилучшей в составе экономически оптимальной кормосмеси несколько усложняется по сравнению с устройством по прототипу. Отличие заключается в том, что появляется возможность задания не только одного критерия оптимизации (по приросту прибыли), но и нескольких, в том числе и критерия прибыли. Другое отличие состоит в возможности задания оператором или Лицом, Принимающим Решения различных графиков функций потерь.
Устройство (фиг. 4) работает в целом аналогично описанному прототипу и позволяет Лицу, Принимающему Решения, при необходимости изменять вид критерия оптимизации и при этом вводить поправки в формализованную компьютерную оценку экономической эффективности приготовляемой кормовой смеси посредством изменения функций потерь.
Устройство составления по различным критериям оптимизации экономически наилучшего кормового рациона и приготовления экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности производит следующие 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 из набора кормов в кормосмеси.
Устройство осуществляет также 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,
- при этом 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 значения сигналов коэффициентов графиков функций потерь продуктивности животных и птицы, формируют графики функций потерь и в соответствии с ними дополнительно формируют сигналы величин показателей эффективности рациона.
Расширяются функциональные возможности управления технологиями кормоприготовления, поскольку при этом обеспечивается экономически наилучшее управление приготовлением кормосмеси для животных и птицы. Достигается точная экономическая оптимизация технологического режима приготовления кормосмесей, поскольку применяемые и адаптируемые для управления математические соотношения и используемые в них измеряемые и формируемые сигналы и константы несут в себе точную и полную информацию об управляемом процессе составления экономически оптимального рациона кормления. Одновременно при необходимости диспетчерского автоматизированного уточнения экономически наилучшего кормового рациона специалист-оператор птицефабрики (Лицо, Принимающее Решения) с помощью данных технических решений способа и устройства в наибольшей степени может использовать свой производственный опыт.
Существенно повышается точность задания и соответственно точность регулирования доз кормов кормовой смеси при составлении экономически наилучшего кормового рациона при приготовлении экономически наилучшей кормовой смеси для животных и птицы с учетом функций потерь их продуктивности. Обеспечивается реализация устройством заявленного назначения составления кормового рациона и приготовления кормовой смеси для животных и птицы.