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1、饲料配方技术研究,江龙建,南京农业大学动物科技学院 College of Animal Science and Technology ,N AU.,Http:/ Email:,饲料配方设计是通过不同饲料原料的最优组合来满足动物的营养需求，实质上是一个资源最优配置的运筹学问题，它可以用适当的线性或非线性决策模型来定量的描述，对这些模型的求解可实现资源的最优配置，即得到配方的最低成本或配方的最大收益。在饲料配方的技术实现上，随着计算机应用的普及，由手工计算、计算器过渡到单机软件、客户/服务器(Client/Server, 简称C/S)体系，单机软件、C/S系统极大的方便了配方运算，推动着饲料配方技
2、术的发展。但同时单机软件存在维护成本高、升级不便的缺点，C/S体系则对硬件投入要求比较高，而浏览器/服务器(Browser/Server，简称B/S)结构提供了一种更经济、方便的饲料配方解决方案。,前言,按目标函数： 最低成本模型 最大收益模型,第一部分 不同饲料配方模型的研究,一、配方模型的分类,1.线性规划模型 传统线性规划模型(LP，Linear Programming) 多目标线性规划模型（MGP，Multiple Goals Programming） 模糊线性规划模型(FP，Fuzzy Linear Programming) 灰色线性规划模型(GP，Grey Linear Progr
3、amming) 2.非线性规划模型随机非线性规划模型 （SP，Stochastic Nonlinear Programming）,按数学形式：,1.传统线性规划模型,设参与配方设计的原料有 n种 ,其中第j种用量的百分比为 xj,在满足如下约束条件下：,达到目标函数 Z的最小值 :,其中 :aij为第 j种原料中第 i种养分的单位含量 ; bi 为第 i种养分的需要量 ; Cj为第 j种原料的单价 。,二、不同配方模型,饲料原料的变异导致日粮养分与饲养标准不一定相符。 增加饲养标准的安全裕量-增加成本 提高日粮养分和饲养标准相符的概率-不增加成本由于第j种原料中的第i种养分的含量aij是概率统
4、计意义上的随机变量, 也是一个随机变量，日粮某种养分满足营养需要便是一随机事件。于是约束条件（1）和（2）便可转化为（3）和（4）,2.概率规划模型,设aij服从总体均数和方差分别为ij和2ij的正态分布,由统计学原理，日粮中第i种养分总量 也服从正态分布，其数学期望和方差分别为：,其中是原料j与j的第i种养分含量和的协方差，由于取样的随机性，有 =0，故,对（3）进行标准化后变为,由标准正态分布得,其中 是对应于概率 的标准正态值。,整理得，,当再考虑（4）式，类似可得，,当用（7）和（8）代替（1）和（2）便得到概率规划模型,达到目标函数 Z的最小值 :,其中的ij是第 j种原料中第 i种
5、养分含量的总体标准差.实际计算时,根据统计学方法,ij用第j种原料中第i种养分含量的样本平均数aij代替,ij用其样本标准差Sij代替 ,缺项取值为零。是对应于概率为 的标准正态值，当 =50%时，=0，概率规划模型就退化为传统线性规划模型。,3.灰色规划模型原料的养分、价格、营养标准属于区间灰数。,其中 分别表示第j种原料价格的下限和上限； 分别表示第i种营养需要的下限和上限；,分别表示第j种原料的第i种养分的下限和上限。设、，令灰数的白化值分别为,当当,给定后，该模型就成了传统线性规划模型，因此灰参数规划问题实质是一个由有限或无限多个线性规划构成的集合。,实践证明，动物实际的营养需要总是围
6、绕饲养标准上下波动，某些营养指标在一定范围内浮动对畜禽的生长并无多大的影响 ,畜禽对营养的需求具有一定的模糊性，同时传统规划模型中，可能某些不是非常重要得刚性约束而导致无解，而适当放宽这些约束可能会得到满意得解。在饲料配方设计中，引进模糊线性规划模型，可以在放宽约束的基础上自动调整以最低的成本最大可能的逼近饲养标准。,4.模糊规划模型,其中 分别表示“近似大于等于”和“近似小于等于”。设 ，对于每个约束 ,相应的有X中一个模糊子集与之对应，其隶属函数如下：,其中di是适当的伸缩度, di0(i=1,2,p)。,记 ,则f(ti)的图象如图1所示。,5.目标线性规划模型,线性规划的约束条件是“刚
7、性”的，约束条件不能被破坏；有时，客户往往提出一个配方最高价格，这时单靠线性规划就无能为力了。目标规划克服了线性规划的局限性，它把所有的约束条件均处理为目标。目标之间可依据权重设置值相互破坏，一般都能有解，在配方时对于直接控制配方成本很有效。,j=0,1,2,n+1,Nj ， Lj为第j个指标的偏离变量，Nj 称负偏离变量，表示目标的未成值；Lj称正偏离变量，表示目标的超过值。NjLj0，wj表示约束条件的权重，Z0 表示约束的配方成本。,6.最大收益配方模型,前面所述的几种模型都是最低成本配方的模型，从系统工程的观点来看，使畜禽产品收益最大的饲料配方才是最优配方，即可以通过预测畜禽产品的上市
8、价格和畜禽产品产量来确定日粮的养分。 不考虑其它成本和收益情况,对单位重量畜禽产品，配方带来的最大收益目标函数为： MaxZ=C0-M*P (9) 其中，C0畜禽产品的单价，M是生产单位畜禽产品耗料量，P是饲料单价。由于C0是常数，问题就转化为求MinZ=M*P (10) 即求生产单位畜禽产品耗料量和饲料单价乘积的最小值。,如果M是定值，也就是说饲料转化效率（料重比、料蛋比）为定值，那么最低成本配方也就是最大收益配方。实际上饲料转化效率是个非常复杂的变量，受多种因素的影响，不考虑饲养管理、畜禽当时生理状况等因素，还受日粮养分的影响。 设G=ME*M （11），其中G是单位产品的能量需要，ME为
9、日粮代谢能浓度，综合(10)和（11） MinZ=G*P/ME（12） 对这个模型的求解，基于下面的假设： （1）忽略饲料价格影响日粮养分进而影响饲料转化效率 （2）生产单位畜禽产品所需能量一定 （3）畜禽自身可通过调节采食量满足它的生产所需能量需要。 对家禽而言，满足后2条假设，这样G为定值，所以对家禽而言，最简单的最大收益模型为,达到目标函数 Z的最小值 ，ME为日粮代谢 能浓度。,三、不同配方模型应用实例,现举 0 3周龄番鸭日粮配方实例 。拟取玉米、大豆饼、米糠饼、肉骨粉、赖氨酸、蛋氨酸、石粉、磷酸氢钙、预混料和食盐等10原料参与配方设计。表1列出的是原料养分及其变异值，概率规划中原料
10、的标准差和灰色规划中原料养分变异值都来源于此。表2列出了概率规划中各营养指标的保证概率。表3列出了模糊规划营养指标的伸缩度。表4列出了目标规划参数的权重。,表6列出了6种不同模型的计算结果，表7列出了按这些模型设计的饲料配方的营养水平，表8详细列出了最大收益配方的价格和代谢能的关系。本计算利用科群配方软件完成。,图1 代谢能价格随代谢能变化,图2 配方成本随代谢能变化,由表6、表7，概率规划，模糊规划，灰色规划都在一定程度上降低了配方成本。由于传统规划模型的氨基酸水平已经满足或超出了饲养标准要求，本例中概率配方模型除降低配方成本外，对日粮养分的提高效果不是特别另人满意，但还是使赖氨酸含量比传统
11、规划提高8.39%，蛋+胱氨酸比传统规划仅降低0.068%。灰色规划模型表现出了比较明显的优势，成本较传统规划降低近4元/吨，赖氨酸水平提高也很明显。,模糊规划在允许的范围内放宽了约束条件，配方成本也降低了3元/吨，这对于一个大型饲料厂来说，应该是一个可观的数字。目标规划在比传统规划降低成本1.943元/吨的情况下，取得了和传统规划营养水平相同的业绩。由表8和图1、图2，随代谢能浓度的升高，配方成本随之增加，但配方成本与代谢能的比却随代谢能的变化表现了类似抛物线的变化趋势，最低点的代谢能水平大约在饲养标准的94%。,四、讨论概率规划、灰色规划、模糊规划三种模型比起传统规划，有着广泛的适应性，虽
12、然它们都是从传统规划基础上发展起来，继承了传统规划的优点，但由于它们所具有的多参数特性，使得传统规划变成了它们的特例。(1)概率规划能够从理论和实践上反映饲料原料养分含量变异的事实，完善了饲料配方的数学模型；加大养分约束的概率水平，能提高日粮养分满足需要的把握度，配方所产生预期效果的可靠性大；养分约束的概率水平可以进行人工干预，其灵活性是传统规划无法比拟的。,（2）原料价格随着市场变化而变化，原料养分也受多种因素影响表现出变异性，畜禽的营养需求是个灰箱问题，灰色规划是解决这些不确定问题的有力工具。 （3）模糊规划可以根据给出的伸缩量来调整配方，并且通过求最大隶属度求出一个最接近饲养标准的配方，
13、它也可以根据营养需要和原料的影子价格模拟专家调整配方，具有极大的灵活性。 （4）目标规划可以按照权重来确定满足约束的优先顺序，各约束条件权重的不同将导致不同的结果，最大的优点是目标规划可以在事先确定配方成本的前提下，寻找最优解，这是一个事前控制模型。 （5）最大收益模型是最理想的配方模型，它应该是未来饲料配方发展的方向，但由于对畜禽投入产出的定量关系尚未弄清。,基于B/S的远程饲料配方系统的设计与实现,第二部分 饲料配方模型的实现,手工计算、计算器单机软件客户/服务器(Client/Server, 简称C/S) 浏览器/服务器(Browser/Server，简称B/S),一、配方方式的发展,手
14、工、计算器很难完成单机软件维护成本高、升级不便C/S体系则对硬件投入要求高，专人维护B/S更经济、方便的饲料配方解决方案 B/S是一种分布式的/结构,它简化了用户的管理工作, 数据库的维护极其方便、快捷，只需在服务器上完成，客户端无须考虑。用户只需通过浏览器向分布在网络上的服务器发出请求，服务器响应用户请求后，返回用户请求的结果，一个服务器可同时响应分散在世界各地的用户的请求，可以节约大量购买单机软件或客户端软件的成本。,远程饲料配方系统系统采用即三层客户机 /服务器结构，前端为IE或Netscape浏览器 ,中间为Web务器，后端为数据库服务器。Web服务器与数据库服务器之间为中间件接口 ,
15、即ASP接口。其工作原理如图3所示。,二、远程饲料配方系统的设计,本系统由四个子模块组成，即饲料配方制作模块、饲料原料查询模块、营养需要查询模块，管理员维护。四个模块之间功能上相互独立。系统实现功能如图4。,图3 远程饲料配方系统工作原理,远程饲料配方系统,营养 需要 查询,饲料 配方 制作,饲料 原料 查询,数维 据 库护,图4 远程饲料配方制作系统功能模块,三、远程饲料配方系统的实现本系统由Vbscript脚本语言结合HTML标记语言编写，数据库用access2000构建,。系统所放服务器为PIII733、128M内存、Windows2000操作系统，在宽带网络上，客户端制作一个10种指标、15种饲料原料的配方，计算时间只需要0.9296875秒，说明远程配方在速度上可与单机软件相媲美。该系统利用浏览器本身的自动记忆功能，采用向导式操作，按流程配方，一个配方优化过程由选动物、选营养指标和营养标准、选饲料原料、修改配方参数、优化计算5个步骤组成，可以随时前进和后退修改配方的设定。,
