第四章计算机技术和专家系统 在饲料配制中的应用

1、第四章计算机技术和专家系统在饲料配制中的应用第一节 计算机优化饲料配方原理 一、线性规划 线线性规划法又简称LP法，是最早应用运筹学有关数学原理进行饲料配方优化设计的一种方法，该法将饲料配方中的有关因素和限制条件转化为线性数学函数，求解一定约束条件下的最小值（或最大值）。 利利用线性规划方法计算出的饲料配方，在提高畜禽的生产效率，降低生产每单位畜产品的饲料耗用量上，起了相当大的作用。线性规划法线性规划法l 饲料配方的线性规划数学模型饲料配方的线性规划数学模型l目标函数：目标函数： minZ=cminZ=c1 1x x1 1c c2 2x x2 2c cn nx xn nl约束条件：约束条件：

2、a a1111x x1 1a a1212x x2 2a a1n1nx xn nbb1 1( (，bb1 1) ) a a2121x x1 1a a2222x x2 2a a2n2nx xn nbb2 2( (，bb1 1) ) a am1m1x x1 1a am2m2x x2 2a amnmnx xn nbbm m( (，bbm m) ) x xj j0 (j=10 (j=1，2 2，n)n)式中：式中：x xj j决策变量，即各种决策变量，即各种原料在配方中的用量；原料在配方中的用量；a aijij(i=1(i=1，22，m m；j=1j=1，22，n)n)各种原料相应各种原料相应的营养成分

3、含量（其中包的营养成分含量（其中包括某种原料用量的限制系括某种原料用量的限制系数，通常为数，通常为1 1）；）；b bj j配方中应满足的各配方中应满足的各项营养指标或重量指标的项营养指标或重量指标的常数项值。常数项值。nn配方原料个数；配方原料个数；mm约束方程数；约束方程数；c ci i各种原料的价格各种原料的价格。线性规划线性规划 但线性规划从数理上说，是一种确定性模型，未能涵容原料养分含量的变异性。因此线性规划应用于饲料配方设计时存在一定局限性。可通过使用改进单纯形算法、影子价格分析以及灵敏度分析等方法进行改进。 灵敏度分析灵敏度分析是在建立数学模型和求出最优解后，针对基础数据的变化，

4、不重新计算而作的研究和分析。 影子价格影子价格包含了两种含义，一种指的是当配方营养素含量限制变动一个单位时，配方成本的变化值。其二是指原料，是以原料价格浮动范围来表示，即当原料价格在给出的上下范围内浮动时，原料在配方中的百分含量不变。即配方最优解保持不变。 线性规划线性规划研究情况刘钧贻、付春江（1995） REF配方软件 （影子价格）杨秀金（1992） 灵敏度分析模块熊本海等（1994） 灵敏度分析区间饲料配方所涉及的大量数据资料往往不是一成不变的。通过灵敏度或影子价格分析可知，在数据变化不大时，它并不影响当前生产方案和最佳效益；当数据变化过大时，就有必要对当前生产方案进行调整。在目前的研究

5、中，线性规划是硬约束硬约束，虽可通过灵敏度分析和影子价格进行调整，但它并没有综合考虑由于饲料原料的差异、价格波动以及营养成分可调控性这三个方面的因素，因此得出的配方结果不一定是最低成本配方，需用其它的数学方法进行改进。 二、目标规划与线性规划最低成本配方优化技术不同，目标规划饲料配方优化技术把线性规划中的成本和约束条件均转化为目标，配方成本和约束条件值变为目标值，同时引入了目标不足偏离量N和超过偏离量P。若N为零，表示目标方程值大于或等于目标值，若P为零，表示目标方程值小于或等于目标值；若N和P均为零，表示目标方程值等于目标值。这样，对于约束方式为大于等于的目标在优化时应尽量使N等于零；对于小

6、于等于的目标，应尽量使P等于零，对于等于的目标应尽量使N和P为零。目标规划的优化对象是N和P。是对N和(或)P求极小值。N和P的优化顺序是由配方人员设置的目标权重决定的，某目标的N和(或)P越大，该目标就越先被优化。因此，权重是控制目标规划系统中各目标实现程度的杠杆。配方人员可通过调整权重来研究备目标之间的相互影响程度，并获得符合要求的饲料配方。目标规划目标规划 营养需要量可在一定范围内存在正负偏差； 引入正偏差量d1+， d2+， ，dm+； 引入负偏差量d1， d2， ，dm；约束条件：a a1111x x1 1a a1212x x2 2a a1n1nx xn n- - d1+ + d1-

7、 b b1 1a a2121x x1 1a a2222x x2 2a a2n2nx xn n - - d1+ + d1- b b2 2 a am1m1x x1 1a am2m2x x2 2a amnmnx xn n - - d1+ + d1- b bm mx xj j0 (j=10 (j=1，2 2，n)n)d di i0 (i=10 (i=1，2 2，n)n)目标函数：min= d1+ +d1- 引入优先纺后有：min=（d1+d1-）目标规划目标规划研 究 情 况Tahir RehmanCarlos Romero（1984） 可以克服普通线性规划方法不足之处，还可以利用灵敏度分析结构及给不

8、同的目标设置不同的权系数来研究各个目标之间存在的权衡关系及这些权衡对配方构成的影响，从而为决策者提供更多的决策依据。 许万根、苗泽荣（1992） 通过设置不同的目标权重对配方能量、粗蛋白质、含硫氨基酸、成本之间的相互关系进行研究 。结论：目标规划优化系统的灵活性使它适合畜禽配方特点 林耀明等（1991） 对粮食性动物饲料配方模型、草食性动物饲料配方模型、肉食性动物饲料配方模型分别使用手工法、线性规划法、目标规划法设计饲料配方，同行进行配方结果比较 。结论：体现出更加广泛的适用性和更加灵活的思想方法。但同时也指出了目标规划的不足，主要是指在原料的选择和原料的使用极限控制两个方面。 黄汉英等（19

9、99） 目标规划配方成本低于线性规划的最低成本，但这是以牺牲约束条件为低价的。 Rehman等（1984 ）多目标线性规划能够有效地处理约束条件和目标函数各自和相互之间的矛盾，还可解决多目标的优化问题 目标规划目标规划 存在问题：存在问题： 目标规划对约束条件的处理具有极大的灵活性，同时它存在对目标约束不严，甚至失去约束的问题。这一局限性虽可通过调整目标优先级或权重，对目标偏离量进行约束，甚至设偏离量惩罚函数等方法加以解决，但仍不能从根本上解决这一问题。以指标权重作为目标优化的依据，有时会由于各指标权重设置不合理，或目标之间存在着互作和拮抗，仍会出现设计出的配方不符合要求的情况。这些问题有待进

10、一步研究。第二节 中国饲料数据库系统概述 一、中国饲料数据库概念模式意义饲料实体饲料样本实体以饲料编号对应一个记录单位向用户提供经统计处理的数据信息。以登记表号对应一个记录单位（一个饲料样本）贮存属性测试数据，供查询和生成饲料实体属性值。属性包括饲料描述十个方面的属性，饲料成分含量及营养价值属性。包括饲料描述十个方面的属性：饲料成分含量营养价值属性；饲料样本产地、采集、制备、贮藏、测试条件等属性。属性值同一饲料编号饲料描述相同的多个饲料样本实体属性值的平均值，由系统自动生成。为一个采样编号的样本个体实测值或派生值。数据性质数据是动态变化的。随着输入的饲料1样本的增加，异常值的逐步剔除，使用权其

11、数据逐步逼近数据的正态分布。数据是静态的，是实测值。联系一个冠以编号的饲料实体将与若干个具有相同饲料描述的饲料样本实体相联系每一个饲料样本实体为构成饲料实体的基础。1：n二、中国饲料数据库系统功能设计数 据 处 理查 询 检 索编 辑 打 印信 息 更 新优 化 饲 料 配 方功 能第三节 动物饲养专家系统概述 一、专家系统的基本组成 专家系统：是一个能在某特定领域内解决复杂问题并达到专家水平的计算程序系统，它是一种具有智能特征的软件。专 家 系 统人人 机机 接接 口口知识库知识库推理机推理机知识表示问题求解范例程序设计环境程序设计语言操作系统计算机主机数据库数据库网络网络外部设备外部设备传感器传感器知识获取知识获取工具工具知识库维知识库维护工具护工具有效性验有效性验证工具证工具用户接口用户接口设计工具设计工具开发环境开发环境运行环境运行环境二、动物营养学专家系统核心研究内容动物营养学知识库动物营养学知识库推理判别系统推理判别系统功能设计方向总体功能设