奶牛饲料配方优化系统设计研究

摘要：未进行优化的奶牛饲料配方系统设计出的饲料配方营养成分含量低，用该饲料配方喂养的奶牛产奶量少、生长状态差。为了解决上述问题，使用面向架构服务体系结构对饲料配方系统的软件程序进行优化设置，设定统一的数据库，增添个性化服务功能，将典型配方和历史配方引入到系统程序中，使系统在制作奶牛饲料配方时可以有多个参考项。在设计时，系统界面上会显示配方的营养图谱，用户可通过电子邮件和留言板向设计师反馈信息，在多个饲料配方中选取最为合适的配方。为检验优化效果，与未优化的奶牛饲料配方系统进行试验对比。结果表明，优化后的饲料配方系统能够提供更高营养成分的饲料营养配方，奶牛使用后生成状态更好，该研究对于奶牛养殖业的发展有重要的应用价值。

关键词：面向架构服务体系；奶牛饲养；奶牛饲料配方；饲料配方优化；优化系统

随着科学技术的飞速发展，计算机技术被不断引入到农业设备中，使农业资源更有效地被利用，生产管理更加容易[1]。农业信息化是农业发展的最高阶段，对促进农业进步有着重要意义。由于农民在进行产品决策时带有很大的盲目性，研究出有效的农业专家系统已经成为目前迫在眉睫的任务[2]。奶牛业是畜牧业的主要产业之一，提高奶牛养殖质量能够有效加强农业生产质量，使奶制品市场更加繁荣，因此研究出优良的奶牛饲料配方显得尤为重要[3]。为了确保所设计的奶牛饲料配方在满足国家设立的营养指标要求的基础上，以最低成本输出，科研学者通过计算机设立了奶牛饲料配方优化系统，充分发挥计算机的运算能力，在短时间内筛选出多种原料，并且将计算结果存储起来。一些较高水平的计算机程序还能在分析饲料配方原料的同时，标记出饲料配方原料的变动范围[4]。目前，奶牛饲料配方系统设计已经取得相当大的研究成果，但是进行的规划多是刚性条件下的线形优化，以降低成本为最主要的目标，导致缺乏一些必要的饲料原料。原料变动使动物难以适应，生产也变得十分困难[5]。面向架构服务体系是1种应用多个程序的组建模型，体系中的所有服务都可以通过统一的方式进行信息交互。将该体系结构应用到奶牛饲料配方优化系统中，能够很好地解决饲料配方的实际需求，提高奶牛饲养者的经济效益，加强奶牛产业质量，促进奶牛养殖产业的进步[6]。

1奶牛饲料配方系统的优化

传统的奶牛饲料配方系统软件难以与web连接到一起，在进行饲料配方原料决策时，多是根据经验完成的，缺少与外界信息的交流[7]。在加入面向架构服务体系后，系统可以从设计观点出发，综合考虑原料的采购、售后服务、生产方式以及营养情况，给出最佳的设计方案[8]。每个被考虑因素都是互相影响制约的，只有综合考虑才能得到最好方案。此外，传统的饲料配方系统缺少对用户的分析，系统内部软件多是针对设计者，很少能够针对用户，用户对于系统内部的运行操作缺少了解[9]。1.1奶牛饲料配方系统程序的优化。应用面向架构服务体系结构的奶牛饲料配方优化系统的软件程序图如图1所示。图1应用面向架构服务体系结构在优化系统软件程序由图1可知，将架构服务体系结构应用到奶牛饲料配方优化系统软件程序中，可针对如下几个程序进行优化：（1）个性化服务。在加入面向架构服务体系结构后，奶牛饲料配方优化系统拥有了自己独立的用户名，并且增设了密码，用户只能通过密码才能登录界面，查询历史配方库和原料库，进而设定出新的配方库。用户设定的配方库是独属于自己的，可以进行添加、删除、编辑等操作[10]。（2）统一数据库。饲料配方软件内部含有大量数据，维护和编辑起来比较困难。将面向架构服务体系应用到饲料配方优化系统后，所有的数据被统一到一个数据库中，以代码的方式进行分类，用户观察起来更加直观，操作也更加容易。（3）丰富系统功能。以线性规划、目标规划和模糊性规划3种方式设计系统功能，使系统功能更加全面。（4）增设多个配方。传统的奶牛饲料配方系统设计的多是单一产品，以降低成本为核心配方，但是单一配方设计出的产品很容易受到限制[11]。优化后的系统可以生产处多个配方，方便工厂生产多个产品。（5）每次进行饲料配方设计时，系统程序都会自动弹出典型配方，作为参考，用户通过分析典型配方来提高优化的质量。除了典型配方外，程序也会显示历史配方，并同时显示历史配方的优点和缺点，帮助用户参考和选取。（6）及时反馈用户信息。利用反馈的用户信息对奶牛饲料配方进行修改，反馈方式共有2种，1种是留言板，另1种是反馈邮件，使用者可以通过这2种方式及时向设计者反馈自己遇到的问题，让设计者在第一时间内进行修改，使配方信息更加完善、合理，适用于各种情况[12]。（7）显示饲料配方的平衡图谱。利用网络程序将优化后的奶牛饲料配方平衡图谱显示出来。显示的内容主要有微量元素平衡图谱、营养成分平衡图谱以及维生素平衡图谱。1.2奶牛饲料配方系统流程的优化。将架构服务体系结构应用到奶牛饲料配方优化系统后，奶牛饲料制作过程变得更加简单，制作出来的产品也更加精良。优化后的奶牛饲料配方系统制作流程图如图2所示。由图2可知，优化后的奶牛饲料配方系统能够根据历史配方操作过程，配方师登录后，系统确认身份，认定身份无误后，允许登录。配方师在主界面中确定规划算法，制作奶牛饲料配方，根据配方编辑配置模型，计算生产成本，生成平衡图谱。系统在配制时，会生成多种规划方法，根据用户的需求进行输出。

2试验研究

为了验证面向架构服务体系结构在奶牛饲料配方中的优化效果，选用为优化系统和优化系统进行对比，设计了对比试验。2.1试验参数。试验参数如下：被喂养的奶牛平均体重为400kg，每日平均产奶量为25kg，平均乳脂率为3.7%，奶牛共200头，分为2组，每组100头。2.2试验过程。根据上述设定的参数进行试验，选取传统的奶牛饲料配方系统和本研究的优化后奶牛饲料配方系统，进行饲料配方制定。根据制定的饲料配方生产饲料，分别对200头生长状态相同或相似的奶牛进行喂养，分析奶牛饲料配方中的营养成分以及奶牛的生长效果。2.3试验结果与分析。（1）奶牛饲料配方营养成分对比结果（见图3）图3营养成分对比结果由图3可知，未优化的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方含有的干物质为82%，优化的奶牛饲料配方系统设计的饲料配方含有的干物质为70%，优化系统的干物质含量少于未优化的干物质含量，奶牛会更加喜欢食用。未优化的奶牛饲料配方系统设计的配方含有的能量为36%，提供的能量值为3.64MJ/kg，优化的奶牛饲料配方系统生产的配方含有的能量为39%，提供的能量值为4.01MJ/kg，奶牛在食用优化后的奶牛饲料配方系统生产的饲料之后，抵抗力更强。未优化的奶牛饲料配方系统给出的配方含有7%的粗纤维，很难做到营养均衡，优化的奶牛饲料配方系统给出的饲料配方含有19%的粗纤维，可以确保奶牛营养均衡。优化的饲料配方系统大大增加了可消化粗蛋白的含量，高达57%，比未优化系统生产的配方含量多出了39%，使奶牛在生长过程中能够获得充分的蛋白质。除此之外，优化系统生产的饲料在钙和磷的含量上也进行了升级，从原来的4%，增设到9%，使奶牛得到足够的微量元素。（2）奶牛产奶量试验结果（见图4）图4奶牛产奶量试验结果分析图4，在未使用饲料之前，2组奶牛的平均产奶量都为22.130kg/d。当喂养时间为4d时，使用未优化的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量为22.135kg/d，使用优化后的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量为22.142kg/d；当喂养时间为8d时，使用未优化的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量为22.143kg/d，使用优化后的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量为22.151kg/d，奶牛的产奶量以非线性的方式增加。当喂养时间达到12d时，使用未优化的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量下降到22.137kg/d，而使用优化后的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量依旧处于上升模式，为22.160kg/d，这是因为未优化的饲料配方系统难以做到营养均衡，奶牛长期食用会产生抵抗反应；当喂养时间为16d时，使用未优化的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量下降至22.135kg/d，使用优化后的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量上升到22.175kg/d。当喂养时间为20d时，使用未优化的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量为22.125kg/d，使用优化后的奶牛饲料配方系统提供的饲料配方均产奶量为22.185kg/d，使用2张不同系统生产的饲料配方喂养的奶牛产奶量后期差异极为明显。（3）奶牛患病率试验结果（见图5）由图5可知，当奶牛食用的饲料配方是优化后奶牛饲料配方系统生产的饲料配方时，患病率极低，24d的喂养中，奶牛的患病率始终低于10%，而使用未优化的奶牛饲料配方系统生产的饲料配方的奶牛，患病率极高，并且到了后期不断增加，甚至接近50%。2.4试验结论。根据上述试验结果，得到如下结论：将面向架构服务体系结构应用到奶牛饲料配方系统之后，系统设计出的饲料配方营养更加均衡，更适于奶牛生长。奶牛在使用优化后的奶牛饲料配方系统生产的饲料配方后，生长状态越来越好，身体素质越来越高，患病率有效下降，平均每日的产奶量也在不断增加。

3结论

制作奶牛饲料配方过程极为复杂，每次在设计时都要考虑多种因素。本文利用面向架构服务体系对奶牛饲料配方系统进行优化设计，采用线性规划、目标规划和模糊性规划3种方式制定奶牛饲料配方，确保在最低生产成本的基础上，制作出最佳的饲料。但是，本文选用的线性函数仅能利用约束条件约束对应目标，但是对于无法用线性函数约束的奶牛饲料配方，该系统无法制作；本文在设计时，仅针对普通原料，没有考虑药品和添加剂的限制问题。未来应在上述2方面深入研究。

作者:杜恒 单位:河南工业职业技术学院电子信息工程学院