白絨山羊遠(yuǎn)程飼料配方系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐東升 屈 雷

飼料配方是白絨山羊生產(chǎn)管理的物質(zhì)基礎(chǔ)，飼料成本將占養(yǎng)羊總成本的60%～70%，合理利用飼料資源、降低飼料成本是生產(chǎn)實(shí)際亟需解決的問題[1]。我國從20世紀(jì)80年代初期開始，先后研制成功了多款飼料配方軟件。這些飼料配方軟件幾乎都是單機(jī)版的，價(jià)格不菲加上操作比較復(fù)雜，一直沒能普及到中小養(yǎng)殖戶。然而，我國目前白絨山羊養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)狀是中小養(yǎng)殖戶占了很大的比重，且在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將維持農(nóng)戶小規(guī)模養(yǎng)殖、中等規(guī)模專業(yè)戶養(yǎng)殖及現(xiàn)代化大型養(yǎng)殖廠并存的格局[2]。因此，為中小養(yǎng)殖戶開發(fā)操作簡單易用、維護(hù)升級方便的飼料配方軟件就顯得十分重要。

本文根據(jù)白絨山羊飼養(yǎng)管理與營養(yǎng)需要的實(shí)際情況，考慮到利用Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程飼料配方設(shè)計(jì)可以讓更多的農(nóng)民飼養(yǎng)戶受益，采用線性規(guī)劃的理論和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，本著方法科學(xué)、技術(shù)先進(jìn)、操作簡單、界面友好等原則，開發(fā)了基于Web的白絨山羊遠(yuǎn)程飼料配方系統(tǒng)——RFFS(Remote Feeding Formula System)。

1 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

RFFS是一個基于Web的三層Browser/Server體系結(jié)構(gòu)的信息管理系統(tǒng)，這種模式在邏輯上將應(yīng)用功能分為三層：客戶層、Web服務(wù)器層、數(shù)據(jù)服務(wù)器層[3]。客戶層只用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對于Windows操作系統(tǒng)，只需要一種通用的Web瀏覽器軟件，如IE等就可以滿足需要。Web服務(wù)器層用來響應(yīng)客戶端的請求，利用ASP可以動態(tài)生成HTML代碼，并將處理結(jié)果嵌入其中，返回給客戶端的瀏覽器。數(shù)據(jù)服務(wù)器層僅僅提供數(shù)據(jù)信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理。當(dāng)客戶端提交的請求包括數(shù)據(jù)的存取時，Web服務(wù)器將與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器一起工作。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)的功能模塊

RFFS分為前臺顯示與后臺管理兩大模塊。對于前臺顯示模塊，只包含配方計(jì)算子系統(tǒng)，匿名用戶就可以操作，不需要密碼。而對于后臺管理模塊，系統(tǒng)管理員必須通過身份驗(yàn)證后才能進(jìn)入系統(tǒng)。后臺管理模塊的主要功能包括系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫維護(hù)子系統(tǒng)、系統(tǒng)幫助子系統(tǒng)等。整個系統(tǒng)詳細(xì)功能模塊的劃分如圖2所示。

1.2.1 配方計(jì)算子系統(tǒng)

用戶在瀏覽器中輸入相應(yīng)地址進(jìn)入系統(tǒng)主頁后，第一步選擇營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和營養(yǎng)指標(biāo)，第二步選擇飼料原料，第三步修改飼料原料配方參數(shù)，第四步直接進(jìn)行遠(yuǎn)程飼料配方計(jì)算，第五步進(jìn)行影響成本的因素分析。

1.2.2 系統(tǒng)管理子系統(tǒng)系統(tǒng)初始化可以在系統(tǒng)使用之前清空系統(tǒng)中存在的沒用的全部數(shù)據(jù)；密碼修改可以修改用戶的登錄系統(tǒng)口令；系統(tǒng)字典的主要功能是在系統(tǒng)中定義各數(shù)據(jù)字典項(xiàng)的字典值，如飼養(yǎng)對象、原料類別、營養(yǎng)指標(biāo)等；數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多重保存，防止數(shù)據(jù)丟失，提高系統(tǒng)安全性。

1.2.3 數(shù)據(jù)庫維護(hù)子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫維護(hù)子系統(tǒng)采用了SQL的自動校驗(yàn)和事務(wù)處理技術(shù)，即所有數(shù)據(jù)庫操作命令作為一個整體一起向系統(tǒng)提交或撤銷，這一組數(shù)據(jù)庫操作命令要么都執(zhí)行，要么都不執(zhí)行，從而保證了營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表、飼料原料數(shù)據(jù)表、經(jīng)典配方數(shù)據(jù)表保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的一致性和完整性。為了降低管理員錄入營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和原料營養(yǎng)成分的工作量，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時為數(shù)據(jù)庫維護(hù)子系統(tǒng)增加了從Excel表格導(dǎo)入營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)或原料營養(yǎng)成分?jǐn)?shù)據(jù)的功能。

1.2.4 系統(tǒng)幫助子系統(tǒng)

系統(tǒng)幫助子系統(tǒng)提供聯(lián)機(jī)超文本形式的幫助文件，便于用戶了解系統(tǒng)的性能；此外，還提供了營養(yǎng)技術(shù)指導(dǎo)、羊營養(yǎng)性疾病的一些基本知識。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)工具

ASP技術(shù)為構(gòu)造新一代動態(tài)網(wǎng)站和基于網(wǎng)絡(luò)的分布式應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持[4]，同時考慮到微軟在整個軟件行業(yè)處于霸主的地位，其Windows操作系統(tǒng)、IIS服務(wù)器、SQL Server數(shù)據(jù)庫、IE瀏覽器開發(fā)平臺已經(jīng)成功地應(yīng)用在許多領(lǐng)域。因此，我們在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)RFFS時前臺開發(fā)工具主要采用Dreamweaver MX和VBScript腳本語言，后臺數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2000，開發(fā)環(huán)境為Windows XP Professional+IIS6.0+IE6.0+MDAC2.8。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)有六個不同級別的范式，一般我們要做到的是第三范式，即數(shù)據(jù)表中沒有冗余字段以及同一個表中的字段沒有函數(shù)依賴關(guān)系[5]。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)須在系統(tǒng)需求分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行，充分考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性、完整性及安全性，采用軟件工程的先進(jìn)思想和方法，便于程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的維護(hù)與升級[6]。根據(jù)這些原則，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了白絨山羊遠(yuǎn)程飼料配方數(shù)據(jù)庫，包含用戶信息表、飼養(yǎng)對象表、原料類別表、營養(yǎng)指標(biāo)表、飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)表、飼料原料表、經(jīng)典配方表、參算原料表、選定標(biāo)準(zhǔn)表、臨時配方表、臨時營養(yǎng)成分表等共10多個數(shù)據(jù)表。

2.3 配方求解算法設(shè)計(jì)

目前飼料配方系統(tǒng)常用的求解算法包括線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃和模糊線性規(guī)劃[7]。RFFS要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程飼料配方，服務(wù)器可能同時處理大量的數(shù)據(jù)，加之網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣容^為有限，不宜采用復(fù)雜的算法，否則會影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度；另一方面，RFFS主要服務(wù)于中小養(yǎng)殖戶的日常飼料配方設(shè)計(jì)，他們的實(shí)際配方水平較為有限。而目標(biāo)規(guī)劃與模糊線性規(guī)劃較為復(fù)雜，要求配方人員具備較高的動物營養(yǎng)知識和配方經(jīng)驗(yàn)，才能進(jìn)行必要的分析和調(diào)整，不容易掌握。因此綜合考慮，RFFS采用線性規(guī)劃作為配方設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。

2.3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

在飼料配方問題的求解中，既要求滿足動物各項(xiàng)指標(biāo)的營養(yǎng)需要，又要求飼料成本為最低。線性規(guī)劃就是求某一目標(biāo)函數(shù)在一定的約束條件下的最大值或最小值，其中的約束條件和目標(biāo)函數(shù)均可用線性方程組或線性不等式表示，非常適合于飼料配方問題的求解[8]。線性規(guī)劃最低成本配方的數(shù)學(xué)模型可表示為：

目標(biāo)函數(shù)：Zmin=c1x1+c2x2+…+cnxn

滿足約束條件：

其中：xi（i=1,2,…,n）為參與配方配制的各種原料的用量，n為原料個數(shù)；aji（j=1,2,…,m；i=1,2,…,n）為第i種原料的第j種營養(yǎng)成分的含量，m為約束條件數(shù)；bj（j=1,2,…,m）為配方應(yīng)滿足的各項(xiàng)營養(yǎng)需要；ci（i=1,2,…,n）為原料的價(jià)格系數(shù)，Z為目標(biāo)值，這里目標(biāo)函數(shù)是配方成本最低，求取的是滿足約束條件下的最低成本配方。

2.3.2 算法實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)應(yīng)用了單純形法的基本算法。算法實(shí)現(xiàn)的思路是：首先將飼料原料的品種及營養(yǎng)成分和營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中營養(yǎng)指標(biāo)值均放在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)用戶選擇的飼料原料種類和營養(yǎng)指標(biāo)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中抽取所需數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的計(jì)算。

2.3.3 影子價(jià)格

原料的影子價(jià)格是指，在得到最佳配方后，配方中某種原料用量增減一個單位，使飼料配方的成本增加或降低多少。數(shù)學(xué)家們已經(jīng)證明：原料的影子價(jià)格就是求解對偶規(guī)劃的最優(yōu)解[9]。這個對偶規(guī)劃與原配方的線性規(guī)劃模型之間存在如下的關(guān)系：兩個線性規(guī)劃問題中約束條件的系數(shù)互為轉(zhuǎn)置矩陣；原線性規(guī)劃問題中右手側(cè)的常數(shù)，正好是新線性規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)中各自變量的系數(shù)，新線性規(guī)劃問題中約束條件的右手側(cè)常數(shù)，也正好是原線性規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)中自變量的系數(shù)；原線性規(guī)劃問題中約束條件中的不等式符號如果是“≥”，那么新線性規(guī)劃問題中約束條件中的不等式的符號就是“≤”；如果原線性規(guī)劃問題中的目標(biāo)函數(shù)是求最小值，那么新線性規(guī)劃問題中的目標(biāo)函數(shù)就是求最大值。

在實(shí)踐中我們根據(jù)影子價(jià)格可有把握地調(diào)整飼料配方。一般說來，當(dāng)某原料影子價(jià)格為負(fù)值時，增加該原料在飼料配方中的用量，可以降低配合飼料的成本；當(dāng)某原料影子價(jià)格為正值時，降低該原料在飼料配方中的用量，可以降低配合飼料的成本。

3 應(yīng)用實(shí)例

以30 kg日增重0.10 kg的育成白絨山羊?yàn)槔鞣N營養(yǎng)需要為約束條件，計(jì)算精料飼料配方。白絨山羊的營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)參照肉羊飼養(yǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)(NY/T816—2004)，見表1。選擇的各種飼料原料的營養(yǎng)價(jià)值查中國飼料成分及營養(yǎng)價(jià)值表（2009年第20版）獲得，見表2。通過調(diào)研獲得當(dāng)?shù)赝诟鞣N飼料原料的市場價(jià)格及用量限制，見表3。采用線性規(guī)劃求解得到飼料配方及配方的營養(yǎng)指標(biāo)，見表4和表5。

表1 營養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)

表2 各種飼料原料營養(yǎng)價(jià)值

表3 各種飼料原料的市場價(jià)格與約束條件

從運(yùn)算報(bào)告的結(jié)果看，本例配合飼料的價(jià)格為1.67元/kg。若規(guī)劃求解過程中出現(xiàn)無解時，說明所使用的原料要達(dá)到約束條件是不可能的，此時要注意分析可能存在的問題，重新選擇飼料原料和設(shè)置約束條件進(jìn)行計(jì)算。

表4 線性規(guī)劃配方

表5 配方的營養(yǎng)指標(biāo)

4 建議與討論

4.1 基于Web的遠(yuǎn)程飼料配方系統(tǒng)具有操作簡便、成本低廉、容易推廣等優(yōu)點(diǎn)，所使用的數(shù)據(jù)庫查詢、配方計(jì)算都在服務(wù)器端運(yùn)行，客戶端只負(fù)責(zé)選擇標(biāo)準(zhǔn)、原料、調(diào)整配方參數(shù)，提交到服務(wù)器，不受時間、地點(diǎn)、計(jì)算機(jī)的限制，非常適合服務(wù)白絨山羊中小養(yǎng)殖戶的計(jì)算機(jī)飼料配方需要。

4.2 系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)?shù)仫暳腺Y源情況選擇自己的決策變量，篩選適合當(dāng)?shù)貙?shí)際的各種飼料配方。

4.3 盡管RFFS具有單機(jī)版不可比擬的優(yōu)勢，但其根本上還是一款飼料配方的工具，終究不能取代配方師的地位，因?yàn)橄到y(tǒng)現(xiàn)有的知識無法模擬配方師的經(jīng)驗(yàn)及知識。同時，本系統(tǒng)在配方過程中沒有考慮配方的適口性、保質(zhì)期等問題。

目前，RFFS只能實(shí)現(xiàn)飼料配方的遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)，根據(jù)白絨山羊生產(chǎn)管理的現(xiàn)狀和發(fā)展，必然要逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、商業(yè)化，這就需要理論上完善、技術(shù)上先進(jìn)、實(shí)踐上可行的數(shù)字化養(yǎng)殖平臺。因此，下一步工作的重點(diǎn)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加生產(chǎn)管理數(shù)字化模塊、疫病診斷數(shù)字化模塊、畜產(chǎn)品安全監(jiān)控?cái)?shù)字化模塊等，全面建設(shè)一個基于Web的陜北白絨山羊數(shù)字化精細(xì)養(yǎng)殖平臺，實(shí)現(xiàn)絨山羊的現(xiàn)代化生產(chǎn)和管理。

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