基于最優(yōu)化算法配比尋優(yōu)的油雞飼料智能配方系統(tǒng)

呂 陽， 高榮華， 賴成榮， 李奇峰， 耿愛蓮， 王海宏， 丁露雨

（1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心，北京 100097； 2. 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 北京市農(nóng)林科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100097）

0 引言

北京油雞（簡稱油雞）是優(yōu)良的地方品種，在北京地區(qū)具有悠久的飼養(yǎng)歷史，具有外貌獨特、蛋質(zhì)優(yōu)良、肉味鮮美等特點，養(yǎng)殖方面具有耐粗飼、抗病能力強、抗逆性強等優(yōu)點[1-2]。近年來油雞規(guī)模化養(yǎng)殖廣泛推廣，為提高油雞養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益，提供充足的營養(yǎng)供給必不可少。油雞需要的主要營養(yǎng)素包括代謝能、粗蛋白質(zhì)、必需氨基酸、鈣和磷，營養(yǎng)物質(zhì)缺乏會導(dǎo)致畜禽出現(xiàn)異食癖、代謝紊亂、生長緩慢等問題[3]。營養(yǎng)物質(zhì)的配比更加重要，不同氣候條件、養(yǎng)殖階段、養(yǎng)殖品種對飼料配比有更加細致的要求[4]。

現(xiàn)有的商業(yè)飼料配方軟件大多集成于電腦終端，無法解決軟件戶外便攜使用的問題，造成先進的養(yǎng)殖技術(shù)難以融入基層養(yǎng)殖農(nóng)戶中，尤其是影響到中小養(yǎng)殖規(guī)模的農(nóng)戶。本文飼料配比尋優(yōu)問題是典型的線性規(guī)劃問題，目前求解線性規(guī)劃問題常用的方法是最優(yōu)化方法和遺傳算法[5]。修正的單純形算法是最優(yōu)化方法中計算速度較快的一種方法，該方法可有效解決線性規(guī)劃的求解問題[6]。遺傳算法是一種模擬生物進化過程的求解方法，該方法可解決復(fù)雜的優(yōu)化問題，在人工智能、信號處理、規(guī)劃求解領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5]。本文對比兩種方法在油雞飼料配比尋優(yōu)系統(tǒng)中的表現(xiàn)，選擇計算效果較優(yōu)的算法作為尋優(yōu)算法。

為了提高中小養(yǎng)殖戶飼養(yǎng)油雞的經(jīng)濟效益，保障油雞飼喂過程中合理高效的營養(yǎng)配比，開發(fā)基于智能手機平臺的飼料配方系統(tǒng)，運用最優(yōu)化算法尋找油雞飼料配比的最優(yōu)值，使飼料營養(yǎng)成分更符合新品種油雞的實際需要，提高生產(chǎn)性能，推動整個油雞產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 配方系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)有的油雞飼料配方系統(tǒng)功能單一，功能實現(xiàn)不夠細致，缺乏氣候條件、養(yǎng)殖階段、養(yǎng)殖品種等因素在飼料配比中的選擇，同時缺乏良好的系統(tǒng)界面和產(chǎn)品流程設(shè)計，導(dǎo)致用戶體驗感較差，無法廣泛應(yīng)用，且沒有形成一套功能完善、用戶體驗較優(yōu)、輕量級的產(chǎn)品[7]。

現(xiàn)有商用飼料配方軟件大多以電腦終端的操作界面為主，且缺乏對油雞的養(yǎng)殖用途、地區(qū)、季節(jié)等條件的配置，無法適用靈活的實際養(yǎng)殖條件，對現(xiàn)有商業(yè)飼料配方軟件的不足之處進行補充，能對不同階段、不同季節(jié)、不同地域需求進行智能調(diào)整[8]。

系統(tǒng)對原料管理、營養(yǎng)標準管理、配方管理等模塊設(shè)置了增刪改查功能，可依據(jù)實際使用環(huán)境靈活調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，充分利用農(nóng)戶現(xiàn)有飼料資源，配合系統(tǒng)推薦的營養(yǎng)指標，可實現(xiàn)靈活高效的飼料配方管理。

智能配方系統(tǒng)配合服務(wù)器部署的優(yōu)化算法，實現(xiàn)不同需求的飼料配比優(yōu)化，降低油雞飼養(yǎng)的技術(shù)門檻，靈活的飼料選擇方式和搭配比例計算，使養(yǎng)殖戶可以結(jié)合自身養(yǎng)殖條件，靈活調(diào)整飼料搭配方式，進一步降低養(yǎng)殖成本，提高生產(chǎn)效率，推動整個油雞產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

油雞飼料智能配方系統(tǒng)主要包括3 部分，分別是基于Android 的操作系統(tǒng)、基于Mysql 的數(shù)據(jù)庫、基于python 語言的尋優(yōu)模型。

油雞飼料智能配方系統(tǒng)存儲飼養(yǎng)所需的原料品種和對應(yīng)的營養(yǎng)物質(zhì)含量，可實現(xiàn)養(yǎng)殖品種、生長階段、營養(yǎng)標準、季節(jié)氣候、地域及養(yǎng)殖方式的選擇，并根據(jù)選擇結(jié)果計算出最優(yōu)的飼料配比，既能滿足油雞在該階段所需的營養(yǎng)需求，又能降低飼料的成本[9]。油雞飼料智能配方系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 油雞飼料智能配方系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Architecture diagram of intelligent formula system for oil chicken feed

1.2 軟件功能

油雞飼料智能配方系統(tǒng)擁有原料管理、營養(yǎng)標準管理、歷史飼料配方管理功能，同時可實現(xiàn)基于最優(yōu)化算法的配方比例尋優(yōu)功能。油雞飼料智能配方系統(tǒng)功能框架如圖2 所示。

圖2 油雞飼料智能配方系統(tǒng)功能框架Fig. 2 Functional framework of chicken feed intelligent formula system

1.2.1 原料管理

原料管理可實現(xiàn)已有飼料中營養(yǎng)素占比的查看和編輯，其界面如圖3 所示。查看功能可顯示飼料名稱、飼料號、代謝能、粗蛋白質(zhì)、必需氨基酸、鈣和磷的具體參數(shù)；編輯功能可結(jié)合飼料產(chǎn)地和品質(zhì)的不同，對飼料中營養(yǎng)素占比進行修改，也可以增加新飼料。

圖3 原料管理界面Fig. 3 Raw material management interface

1.2.2 營養(yǎng)標準管理

營養(yǎng)標準管理可實現(xiàn)營養(yǎng)標準的選擇和編輯，其界面如圖4 所示。查看模塊可顯示預(yù)設(shè)的推薦標準和自定義標準，便于后期借鑒和使用，查看模塊同時還具備模糊搜索功能，便于快速找到所需的營養(yǎng)標準；編輯功能可依據(jù)最新研究成果修改和新建營養(yǎng)標準，靈活調(diào)整飼喂中營養(yǎng)素配比。圖4a 展示了自定義的兩種“1w～6w 種用油雞飼料糧主要營養(yǎng)推薦量”，其中“w”表示“周”；圖4b 展示了營養(yǎng)標準詳細的自定義界面，界面中提供了養(yǎng)殖對象、生長階段、營養(yǎng)標準等可編輯內(nèi)容；如圖4c 所示自定義完成后營養(yǎng)標準信息將匯總顯現(xiàn)，并添加到“我的營養(yǎng)標準”中。

圖4 營養(yǎng)標準管理界面Fig. 4 Nutrition standard management interface

1.2.3 歷史飼料配方管理

歷史飼料配方管理界面可顯示用戶歷史生成的配方記錄，也可對歷史配方搜索查找，對于搜索到的歷史配方可查看詳細信息，其界面如圖5 所示。

圖5 歷史飼料配方管理界面Fig. 5 Historical feed formula management interface

1.2.4 飼料配方比例尋優(yōu)

基于最優(yōu)化算法的配方比例尋優(yōu)功能可根據(jù)飼料營養(yǎng)成分、價格、限制用量和營養(yǎng)推薦標準求解飼料配比最優(yōu)值。配方結(jié)果界面展示原料價格和品種，同時顯示最終配比完成飼料的營養(yǎng)成分。

2 飼料配比尋優(yōu)算法

油雞飼料配比尋優(yōu)問題需要一些已知條件，包括各種飼料營養(yǎng)成分、價格、限制用量和油雞營養(yǎng)推薦表。該問題的目標是滿足油雞營養(yǎng)需求的前提下，控制飼料成本最小，同時可以根據(jù)用戶自定義的飼料配方尋找最優(yōu)的配方比例。

考慮普通全價飼料和預(yù)混合飼料，并提供飼料名稱、飼料號、各營養(yǎng)物質(zhì)含量和單位質(zhì)量價格。飼料的營養(yǎng)物質(zhì)包括代謝能、粗蛋白質(zhì)、賴氨酸、鈣和磷的含量，以及蛋氨酸與胱氨酸含量的總和，如表1 所示。

表1 飼料營養(yǎng)成分占比Tab. 1 Proportion of feed nutrients

油雞養(yǎng)殖營養(yǎng)推薦表給出不同養(yǎng)殖階段所需的營養(yǎng)素推薦量，并按照養(yǎng)殖用途將營養(yǎng)素推薦量劃分種用、肉用、蛋用推薦量，滿足不同養(yǎng)殖類型的需求，如表2所示。

表2 油雞養(yǎng)殖營養(yǎng)推薦Tab. 2 Recommended nutrition for oil chicken breeding

預(yù)混合飼料是配合飼料發(fā)揮作用的核心，因其含有的眾多生長所需的微量元素，配合飼料飼喂具有較好的效果。根據(jù)油雞的飼養(yǎng)用途和預(yù)混合飼料選用的不同，提供了對應(yīng)的普通飼料和預(yù)混飼料限制用量標準，限制不同情況普通全價飼料和預(yù)混飼料的使用比例。

2.1 目標函數(shù)

經(jīng)過對油雞飼料配方尋優(yōu)問題的具體分析，可以確定該問題是線性規(guī)劃問題，該問題中飼料成本是最終的目標函數(shù)，營養(yǎng)標準和限制用量是問題的約束條件，求解后最終輸出每種原料的用量。

給出線性規(guī)劃問題決策變量、目標函數(shù)、約束條件，如式（1）所示。

使用遺傳算法和修正單純形法求解上述目標函數(shù)，比較兩種算法求解效果，選擇效果較好的一種算法作為本系統(tǒng)的尋優(yōu)算法。

2.2 遺傳算法求解

遺傳算法（genetic algorithm，GA）模擬生物進化方式求解目標問題[10]。GA 首先隨機生成一個種群，通過優(yōu)勝劣汰的方式選擇出質(zhì)量較高的個體，再通過交叉變異等繁衍方式生成新個體，新個體組成新的種群，循環(huán)上述過程直到當前種群找到滿意的個體或達到迭代次數(shù)時停止[11]。

遺傳算法在使用前需要確定問題求解的一種編碼，本文使用二進制對數(shù)據(jù)編碼，并在定義域內(nèi)隨機生成t個可行解，也就是生成的第1 代染色體，t表示染色體的數(shù)量。GA 使用適用函數(shù)衡量個體的適應(yīng)性，本文使用線性規(guī)劃問題的目標函數(shù)作為適應(yīng)函數(shù)。

GA 算法的輸入、輸出和流程如下。

（4）在z條染色體中，以概率pc執(zhí)行交叉操作，生成t-z條染色體，再對其執(zhí)行變異操作。變異后的t-z條染色體連同剩余的z條染色體組成新的染色體群體。

（5）返回步驟1，判斷群體是否滿足終止條件，如滿足進入步驟6，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟1。

（6）終止計算，輸出最優(yōu)的結(jié)果。

2.3 修正單純形法求解

修正單純形法是求解線性規(guī)劃問題的一種常用方法[12]。修正單純形法是一種使用方便、行之有效、應(yīng)用廣泛的重要算法[13-13]。

按最小比值確定主行，令

循環(huán)上述算法求解步驟，直到滿足zk-ck≤0 ，則停止計算，現(xiàn)行基本可行解就是問題的最優(yōu)解。

3 應(yīng)用效果

3.1 環(huán)境配置

油雞飼料智能配方系統(tǒng)采用的編程語言是JAVA，利用BS 架構(gòu)進行平臺搭建，對數(shù)據(jù)進行離線式存儲，使用Spring Boot 2.3 作為核心框架進行開發(fā)，Windows服務(wù)器環(huán)境為Tomcat 7。

配比尋優(yōu)算法使用Python 語言編寫，運用numpy、scikit-opt、scipy 庫編寫算法部分，使用flask 框架將算法部署到服務(wù)器，數(shù)據(jù)采用json 形式傳輸。

3.2 算法對比

為了保證尋優(yōu)結(jié)果的準確性和高效性，分別對遺傳算法和修正單純形法進行試驗測試。試驗提供營養(yǎng)標準、飼料品種、飼料營養(yǎng)含量、限制用量，并以玉米、小麥麩、大豆粕、豆油和石粉作為配比原料，求解每種飼料的配比結(jié)果，對比30 次尋優(yōu)結(jié)果，對遺傳算法和修正單純形法予以評價。飼料中除普通飼料外，還應(yīng)具備預(yù)混料，預(yù)混料補充了普通飼料缺乏的微量元素和維生素。飼料配比尋優(yōu)界面如圖6 所示，油雞飼料智能配方系統(tǒng)測試示例如表3 所示，預(yù)混料的配料和營養(yǎng)成分是飼料公司機密內(nèi)容，考慮到知識產(chǎn)權(quán)問題，沒有將預(yù)混料添加到示例中，在實際應(yīng)用中將預(yù)混料參數(shù)添加到數(shù)據(jù)庫后即可參與飼料配比尋優(yōu)的計算。

表3 油雞飼料智能配方系統(tǒng)測試示例Tab. 3 Test example of intelligent formula system for oil chicken feed

圖6 配方比例尋優(yōu)界面Fig. 6 Formula proportion optimization interface

修正單純形法和遺傳算法在求解油雞飼料配比尋優(yōu)時，各個方面的表現(xiàn)存在差異，測試結(jié)果如表4 所示。修正單純形法結(jié)果準確率達到100%，單次平均尋優(yōu)所需運算時間為0.031 0 s；測試遺傳算法時，考慮到油雞飼料智能配方系統(tǒng)將應(yīng)用于實時計算尋優(yōu)的場景中，將繁衍次數(shù)設(shè)置為2 000 次，此時算法的單次平均尋優(yōu)用時3.020 0 s，導(dǎo)致遺傳算法應(yīng)用效果較差[13]。

表4 修正單純形法和遺傳算法測試結(jié)果Tab. 4 Test results of modified simplex method and genetic algorithm

從試驗結(jié)果來看，修正單純形法相較于遺傳算法具有準確率高和求解速度快的優(yōu)點，油雞飼料智能配方系統(tǒng)中選用修正單純形法作為尋優(yōu)算法。

4 結(jié)束語

基于最優(yōu)化算法配比尋優(yōu)的油雞飼料智能配方系統(tǒng)以手機為載體，設(shè)計并實現(xiàn)了原料管理、營養(yǎng)標準管理、歷史飼料配方管理功能。借助使用廣泛的智能手機為更多中小養(yǎng)殖戶和技術(shù)人員提供智能化配方服務(wù)，使飼料配比更符合中小養(yǎng)殖戶的實際需求，提高生產(chǎn)能力。本系統(tǒng)解決了現(xiàn)有商業(yè)飼料配方系統(tǒng)操作復(fù)雜，使用便捷性較差的問題，同時增加飼料配比過程中養(yǎng)殖用途、地區(qū)、季節(jié)等條件配置，更符合新品種油雞養(yǎng)殖的實際需要，大大提高了產(chǎn)能和肉蛋品質(zhì)，可充分發(fā)揮油雞的經(jīng)濟價值，推動整個油雞產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，具有廣闊的市場發(fā)展前景。

油雞飼料智能配方系統(tǒng)未來可增加多種微量元素和維生素的計算，合理規(guī)劃微量元素和維生素的使用劑量，進一步完善油雞養(yǎng)殖過程中的營養(yǎng)配比。