張龍豪，張建斌，郭鵬,通信作者，史云瀟，安雪東

奶牛精準飼喂決策系統(tǒng)設(shè)計

張龍豪a，張建斌b，郭鵬a,通信作者，史云瀟a，安雪東a

（天津農(nóng)學院a. 計算機與信息工程學院，b. 動物科學與動物醫(yī)學學院，天津 300392）

為提高飼料的利用效率，降低飼喂成本，設(shè)計了一個奶牛精準飼喂決策系統(tǒng)。利用奶牛營養(yǎng)需要估計模型計算營養(yǎng)需要量，結(jié)合《中國飼料數(shù)據(jù)庫》中奶牛常用飼料的數(shù)據(jù)，利用差分進化算法進行奶牛飼料配方的設(shè)計和優(yōu)化，實現(xiàn)了根據(jù)奶牛身體、生理狀況和飼料原料營養(yǎng)成分進行飼料配方的自動決策。使用C#語言對該決策系統(tǒng)進行軟件設(shè)計，軟件運行良好。與Excel 2007求解飼料配方相比較，本系統(tǒng)根據(jù)奶牛個體進行飼料配方，操作方便，結(jié)果略優(yōu)于Excel 2007。

精準飼喂；飼料配方；奶牛營養(yǎng)估計；差分進化

奶牛的飼喂成本包括飼料成本和飼喂過程操作成本，自動飼喂系統(tǒng)可以極大地減少人為參與程度[1]，降低飼喂操作成本。飼料營養(yǎng)成分含量對青年奶牛的生長發(fā)育、泌乳奶牛生產(chǎn)性能和牛奶營養(yǎng)含量產(chǎn)生重要的影響[2-4]。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和傳感器技術(shù)可以在飼喂過程中對每頭奶牛的身體狀況進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，估計其所需要的營養(yǎng)數(shù)量[5]。根據(jù)每頭奶牛的營養(yǎng)需要量，結(jié)合飼料原料中的營養(yǎng)成分含量，科學調(diào)控飼料配方，實現(xiàn)精準飼喂，可以極大地改善動物福利和提高飼料的利用效率[6]。當前，飼料成本一般占養(yǎng)殖成本的70%～80%[7]，對養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益起到至關(guān)重要的影響。精準飼喂決策確定飼料配方，對飼料成本產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，是精準飼喂的核心部分。在此設(shè)計了一個奶牛精準飼喂決策系統(tǒng)，參照美國NRC2001年版《奶牛營養(yǎng)需要量》（簡稱NRC 2001）中的奶牛營養(yǎng)需要估計模型[8]，根據(jù)奶牛的自身狀況估計其營養(yǎng)需要量，結(jié)合中國飼料數(shù)據(jù)庫平臺（http://www.chinafeeddata.org.cn/）提供的飼料原料營養(yǎng)成分數(shù)據(jù)，利用差分進化算法[9]充分挖掘飼料內(nèi)在的營養(yǎng)價值，實現(xiàn)動物精準營養(yǎng)配方設(shè)計，降低養(yǎng)殖成本，提高經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計

奶牛在飼喂過程中一般分犢牛、后備奶牛、泌乳奶牛和干乳奶牛4種類型[8]。系統(tǒng)根據(jù)使用者選擇的奶牛類型，結(jié)合奶牛體重、生理狀態(tài)、管理環(huán)境以及是否放牧等因素分析奶牛營養(yǎng)需要。奶牛營養(yǎng)需要通常包括：（1）維持生命所需的能量、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素；（2）生長發(fā)育所需的能量、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素；（3）泌乳所需的能量、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等；（4）妊娠所需的能量、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。最后匯總得出該奶牛所需總的能量、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素。結(jié)合使用者所選定的飼料原料中不同的營養(yǎng)成分，在滿足營養(yǎng)需要的前提下，以費用最低為目的，利用差分進化算法求解最優(yōu)的飼料配方。模塊內(nèi)部關(guān)系結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

1.1 營養(yǎng)需要量估計模塊

營養(yǎng)需要估計模塊根據(jù)奶牛體重、年齡、管理環(huán)境、身體狀況，按照NRC2001[8]中的奶牛營養(yǎng)需要量估計模型計算出奶牛營養(yǎng)需要量。以泌乳奶牛所需的營養(yǎng)為例：

1）干物質(zhì)需要量估計

＝0.372×＋0.096 8×0.75×

（1－（-0.192×（WOL+3.62）））； （1）

其中是體重，是泌乳周，是標準乳校正公式，＝2.718 28，是自然常數(shù)。

＝0.4×＋0.15×，是產(chǎn)奶量，是乳脂量。

2）維持用能量需要量估計

＝（－）0.75×0.08＋；（2）

其中是孕體重，如果未懷孕，＝0。是放牧時額外需要的能量。

＝（（/1 000）×）×

（0.000 45×）＋0.001 2×，

其中是牛場到草場距離（km），來回次數(shù)，如果路況起伏不平，則需要增加額外的能量：

＝＋0.006×，

3）泌乳用能量需要量估計

＝0.337×0.75＋×

（0.388×＋0.229×

＋0.803）； （3）

其中是乳真原蛋白。

4）維持用蛋白質(zhì)需要量估計

＝0.3×（）0.6＋4.1×（

）0.5＋（×1 000×0.03－

0.5×（/0.8－）＋

； （4）

其中是總的飼喂干物質(zhì)的量，是微生物蛋白提供的可代謝蛋白質(zhì)，是供給內(nèi)源性蛋白質(zhì)所需的膳食蛋白質(zhì)量。

5）泌乳用蛋白質(zhì)需要量估計

乳蛋白含量：

＝×（/ 100），

乳脂含量：

＝×（/ 100），

泌乳需要蛋白質(zhì)的量：

＝（/ 0.67）×1 000； （5）

6）最終的能量和蛋白質(zhì)需要量：

能量：＋； （6）

蛋白質(zhì)量：＋。

7）礦物質(zhì)需要量的計算模型參閱NRC2001[8]。

1.2 飼料配方問題

飼料配方問題的實質(zhì)是求解飼料組成原料組合優(yōu)化的問題，選用數(shù)學模型[10]的目標函數(shù)

1，2，…，x的約束條件如下：

1.3 軟件工作流程

首先選定奶牛類型，根據(jù)奶牛個體狀況，利用1.1節(jié)中的營養(yǎng)需求量估計模型計算奶牛所需要的營養(yǎng)量。然后根據(jù)選擇飼料原料，讀取數(shù)據(jù)庫中每種原料的營養(yǎng)成分含量，并構(gòu)建進化算法初始種群，根據(jù)差分進化算法的運行流程進行最優(yōu)飼料配方的求解。軟件流程圖如圖2所示。

1.4 飼料配方模塊設(shè)計

差分進化算法采用實數(shù)向量編碼[11]，是基于種群差異的進化算法。作為新興的智能算法，具有原理簡單、易于實現(xiàn)，可靠性強等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到數(shù)值優(yōu)化[12]、價格預(yù)測[13]、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[14]等領(lǐng)域。

1.4.1 個體編碼

是飼料配方中包含的原料個數(shù)。種群初始化階段，不能存在相同的個體編碼。

1.4.2 適應(yīng)度計算

適應(yīng)度函數(shù)計算種群中個體適應(yīng)度值，進化算法根據(jù)適應(yīng)度值的大小決定個體是否被替換。本文以公式（8）作為適應(yīng)度函數(shù)，由個體編碼求得飼料總成本低的適應(yīng)度值更優(yōu)。

1.4.3 終止條件

終止條件為最大循環(huán)次數(shù) 5 000。

1.4.4 進化方案

試驗中選擇DE/rand/1[9]作為進化方案。

1.5 數(shù)據(jù)表設(shè)計

數(shù)據(jù)庫部分由以下數(shù)據(jù)表構(gòu)成。（1）精飼料表（concentrate）包括編號（Num），飼料名（Name），干物質(zhì)（DM），粗蛋白（CP），粗脂肪（EE），粗纖維（CF），無氮浸出物（NFE ），粗灰分（Ash），中洗纖維（NDF），酸洗纖維（ADF），淀粉（Starch），奶牛泌乳能（CowNEl）和礦物質(zhì)中的鈣（Ca），有效磷（effP），鈉（Na），氯（Cl），鎂（Mg），鉀（K）；微量元素中的鐵（Fe），銅（Cu），錳（Mn），鋅（Zn），硒（Se）。（2）粗飼料表（Roughage）包括干物質(zhì)（DM），維持能（NEm），生長能（NEg），泌乳能（NEl），粗蛋白（CP），粗纖維（CF），酸洗纖維（ADF），中洗纖維（NDF），粗脂肪（EE），粗灰分（ASH）；礦物質(zhì)中的鈣（Ca），磷（P），鉀（K），氯（Cl），硫（S），鋅（Zn）。粗飼料表和精飼料表中的數(shù)據(jù)選自中國飼料數(shù)據(jù)庫平臺（http://www.chinafeeddata.org.cn/）。使用中國飼料數(shù)據(jù)庫平臺中提供的計算公式，通過化學成分預(yù)測精飼料能值（NEm，NEg，NEl）。精飼料表如表1所示，微量元素數(shù)據(jù)表、粗飼料數(shù)據(jù)表與表1設(shè)置相似。

表1 精飼料表

2 試驗

本系統(tǒng)是在Windows操作系統(tǒng)中以Visual studio 2010為集成開發(fā)環(huán)境，使用C#語言作為程序設(shè)計語言，Microsoft Access設(shè)計數(shù)據(jù)庫，采用控制臺工作模式開發(fā)出的奶牛飼料配方?jīng)Q策系統(tǒng)。系統(tǒng)界面包括4部分：（1）奶牛營養(yǎng)需要量影響因素；（2）奶牛營養(yǎng)需求量；（3）飼料配方結(jié)果；（4）總成本。使用者錄入影響奶牛營養(yǎng)需要量影響因素信息后，點擊“營養(yǎng)需求分析”按鈕，系統(tǒng)對奶牛營養(yǎng)需要量進行估計，然后顯示出所需要的營養(yǎng)量數(shù)據(jù)。使用者選擇飼料原料并錄入當前該飼料的價格后，點擊“優(yōu)化日糧配方”按鈕，系統(tǒng)給出每種飼料所需要的數(shù)量，并給出此次飼料配方的總成本。在奶牛類型中選擇“泌乳奶?！?，泌乳奶牛階段不需要的信息例如“犢牛飼料類型”數(shù)據(jù)以灰色進行屏蔽， 泌乳奶牛飼料配方運行結(jié)果如圖3所示。

為驗證本研究飼料配方方法的性能，將運行結(jié)果與當前流行的線性規(guī)劃法[10，15]飼料配方方法進行比較，使用Microsoft Office 2007中的Excel軟件提供的規(guī)劃求解功能[15]進行飼料配方計算，Excel軟件線性規(guī)劃法求解結(jié)果如圖4所示?？偝杀臼敲糠N原料乘以單價后的累加求和。就總成本而言，差分進化方法的結(jié)果略低于線性規(guī)劃法。

與飼料配方的成本相比，配方中的營養(yǎng)成分含量更重要，而干物質(zhì)是衡量營養(yǎng)成分的重要指標。如表2所示，試驗中飼料配方中干物質(zhì)含量相同或略高于營養(yǎng)需要量，而飼料中的能量、蛋白質(zhì)以及礦物元素的含量普遍略高于營養(yǎng)需要量。

3 結(jié)論

精準飼喂要求投放給每頭奶牛的飼料配方和飼料的數(shù)量因個體而異，奶牛精準飼喂決策系統(tǒng)根據(jù)每頭奶牛的個體特征估計營養(yǎng)需要量，結(jié)合所選擇的飼料原料營養(yǎng)成分的含量，計算出每頭奶牛所需的飼料配方，有利于改進精準飼喂的準確程度，提高飼料的利用效率，降低飼料成本。與自動飼喂系統(tǒng)相結(jié)合，將進一步提高奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。

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Design of automatic decision system for precision feeding of dairy cows

Zhang Longhaoa, Zhang Jianbinb, Guo Penga,Corresponding Author, Shi Yunxiaoa, An Xuedonga

（Tianjin Agricultural University, a. College of Computer and Information Engineering, b. College of Animal Science and Veterinary Medicine, Tianjin 300392, China）

To improve the efficiency of feed utilization and reduce the feeding cost, a precise feeding decision-making system for dairy cattle was designed. The nutritional requirement of dairy cows was calculated using the nutritional requirement estimation model. Combined with the data of dairy cows' common feed in China Feed Database, the design and optimization of dairy cow feed formulation were carried out by using differential evolution algorithm. The automatic decision-making of feed formulation was realized according to the physiological status of dairy cows and the nutritional composition of feed raw materials. This decision-making system was programmed with C# programming language and it worked well. The feed formula of this system was based on individual cow. Compared with Excel 2007, the system was easily operated and the results of the system were slightly better.

precision feeding; feed formulation; nutritional estimation of dairy cows; differential evolution

S815.4；TP319

A

1008-5394（2021）01-0053-06

10.19640/j.cnki.jtau.2021.01.011

2019-10-10

天津市自然科學基金（19JCYBJC24800）；天津農(nóng)學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201810061152）

張龍豪（1996—），男，本科在讀，主要從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究。E-mail：861947002@qq.com。

郭鵬（1974—），男，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：super_guopeng@163.com。

責任編輯：張愛婷