第28卷第1期2021年3月
天津农学院学报
Journal of Tianjin Agricultural University
Vol.28,No.1
March,2021
文章编号：1008-5394（2021）01-0053-06DOI：10.19640/jki.jtau.2021.01.011
奶牛精准饲喂决策系统设计
张龙豪°，张建斌b，郭鹏"越倚史云潇°，安雪东’
（天津农学院a.计算机与信息工程学院，b.动物科学与动物医学学院，天津300392）
摘要：为提高饲料的利用效率，降低饲喂成本，设计了一个奶牛精准饲喂决策系统。利用奶牛营
养需要估计模型计算营养需要量，结合《中国饲料数据库》中奶牛常用饲料的数据，利用差分进化
算法进行奶牛饲料配方的设计和优化，实现了根据奶牛身体、生理状况和饲料原料营养成分进行饲
料配方的自动决策。使用C#语言对该决策系统进行软件设计，软件运行良好。与Excel2007求解
饲料配方相比较，本系统根据奶牛个体进行饲料配方，操作方便，结果略优于Excel2007o
关键词：精准饲喂；饲料配方；奶牛营养估计；差分进化
中图分类号：S815.4；TP319文献标识码：A
Design of automatic decision system for precision feeding of dairy cows
课程表的英语
Zhang Longhao3,Zhang Jianbin b,Guo Peng a-Correspondin6Author,Shi Yunxiao3,An Xuedong3 (Tianjin Agricultural University,a.College of Computer and Information Engineering,b.College of A nimal Science and
Veterinary Medicine,Tianjin300392,China)
Abstract:To improve the efficiency of feed utilization and reduce the feeding cost,a preci 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 Databa,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 fbnnula of this system was bad on individual cow.Compared with Excel2007,the system was easily operated and the results of the system were slightly better.
Key words:precision feeding;feed formulation;nutritional estimation of dairy cows;differential evolution
奶牛的饲喂成本包括饲料成本和饲喂过程操作成本，自动饲喂系统可以极大地减少人为参与程度叫降低饲喂操作成本。饲料营养成分含量对青年奶牛的生长发育、泌乳奶牛生产性能和牛奶营养含量产生重要的影响卩一役大数据分析技术和传感器技术可以在饲喂过程中对每头奶牛的身体状况进行数据监测，估计其所需要的营养数量眛根据每头奶牛的营养需要量，结合饲料原料中的营养成分含量，科学调控饲料配方，实现精准饲喂，可以极大地改善动物福利和提高饲料的利用效率冏。当前，饲料成本一般占养殖成本的70%〜80%171，对养殖业的经济效益起到至关重要的影响。精准饲喂决策确定饲
料配方，对饲料成本产生至关重要的影响，是精准饲喂的核心部分。在此设计了一个奶牛精准饲喂决策系统，参照美国NRC2001年版《奶牛营养需要量》（简称NRC 2001）中的奶牛营养需要估计模型冏，根据奶牛的自身状况估计其营养需要量，结合中国饲料数据库平台（www.chinafeeddata/）提供的饲料原料营养成分数据，利用差分进化算法冈充分挖掘饲料内在的营养价值，实现动物精准营养配方设计，降低养殖成本，提高经济效益。
1系统设计
奶牛在饲喂过程中一般分犊牛、后备奶牛、泌乳奶牛和干乳奶牛4种类型冏。系统根据使用者选择的奶牛类型，结合奶牛体重、生理状态、管理环境以及是否放牧等因素分析奶牛营养需要。奶牛营养需要通常包括：（1）维持生命所需的能量、蛋白质、矿物质和维生素；（2）生长发育所需的能量、蛋白质、矿物质和维生素；（3）泌乳
收稿日期：2019-10-10
基金项目：天津市自然科学基金（19JCYBJC24800）；天津农学院大学生创新创业训练计划项目（201810061152）
作者简介：张龙豪（1996—），男，本科在读，主要从事物联网应用研究。E-mail：****************。
通信作者：郭鹏（1974—），男，副教授，博士，主要从事农业信息技术应用研究°E-mail:*********************D
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所需的能量、蛋白质、矿物质等；(4)妊娠所需的能量、蛋白质、矿物质等营养物质。最后汇总得出该奶牛所需总的能量、蛋白质、矿物质和维生素。结合使用者所选定的饲料原料中不同的营养成分，在满足营养需要的前提下，以费用最低为目的，利用差分进化算法求解最优的饲料配方。模块内部关系结构如下图1所示。
系统模块内部关系图1
1.1营养需要量估计模块
营养需要估计模块根据奶牛体重、年龄、管理环境、身体状况，按照NRC2001罔中的奶牛营养需要量估计模型计算出奶牛营养需要量。以泌乳奶牛所需的营养为例：
1)干物质需要量估计
DMI=O372XFCM+O.O96SXBW o15X
(]g_0.192X(WOL+3.62))).(])其中B琢是体重，呼OL是泌乳周，FCM是标准乳校正公式，e=2.71828，是自然常数。
FCM=OAXMilkProd+0.15X MilkFat, MilkProd是产奶量，MilkFat是乳脂量。
2)维持用能量需要量估计
NEmaint=(BW-CW)°'15X O.OS+NEmact;(2)其中C琢是孕体重，如果未怀孕，CW=0o NEmact是放牧时额外需要的能量。
NEmact=((Distance/1000)X Trips)X
(0.00045XBW)+0.QQ12X BW,
其中Distance是牛场到草场距离(km),Trips 来回次数，如果路况起伏不平，则需要增加额外
0.5X(MPBact/Q.S-MPBact)+
MPEndoReq;(4)其中TotalDMFe d是总的饲喂干物质的量，MPBact是微生物蛋白提供的可代谢蛋白质，MPEndoReq是供给内源性蛋白质所需的膳食蛋白质量。
5)泌乳用蛋白质需要量估计
乳蛋白含量：
YProtn=MilkProd X(MilkTrueProtein/100),
乳脂含量：
Yfatn=MilkProdX(MilkFat/100),
泌乳需要蛋白质的量：
MPLact=(Yprotn/0.67)X1000;(5)
6)最终的能量和蛋白质需要量：
能量:NEmaint+NEL;(6)
蛋白质量：MPMaint+MPLact o
怎么练劈叉7)矿物质需要量的计算模型参阅NRC2001[役1.2饲料配方问题
泰国美女饲料配方问题的实质是求解饲料组成原料组合优化的问题，选用数学模型⑷的目标函数
的能量:
NEmact=NEmact+0.006X BW,
3)泌乳用能量需要量估计
NEL=0.337X BW°15+MilkProdX
(0.388X MilkFat+0.229X
MilkTrueProtein+0.803);(3)其中MilkTrueProtein是乳真原蛋白。
4)维持用蛋白质需要量估计
MPMaint=0.3X(BW-CW)06+4.1X(BW-CW)05+(TotalDMFedX1000X0.03-X1,X2,…,X n的约束条件如下:
n
〉^匍无72W,(z=1••加)
7=1
(7)
^djXj2DMI
7=1
LBj W Xj W UBj(j
=
第1期张龙豪，等：奶牛精准饲喂决策系统设计・55・
其中，/（兀1，…，百）是饲料配方的总成本，函数Min（）求最小值，□是饲料中配方组成原料的个数，G是第j种原料的单位价格，禺是第j种原料的数量，血是营养成分的数量，砌是第j种原料的第i种营养物质的单位含量，b•指第i种营养物质的需要量。d指第j种原料中干物质的单位含量，L民是第j种原料的数量下限，卩5是第j种原料的数量上限，并且LBj>0,UBj>0°DM/是需要摄入的干物质量。
1.3软件工作流程
首先选定奶牛类型，根据奶牛个体状况，利用1.1节中的营养需求量估计模型计算奶牛所需要的营养量。然后根据选择饲料原料，读取数据库中每种原料的营养成分含量，并构建进化算法初始种群，根据差分进化算法的运行流程进行最优饲料配方的求解。软件流程图如图2所示。
1.4饲料配方模块设计
差分进化算法采用实数向量编码问，是基于种群差异的进化算法。作为新兴的智能算法，具有原理简单、易于实现，可靠性强等优点，已经被广泛应用到数值优化凹、价格预测问、农业生态系统网等领域。1.4.1个体编码
每个个体对应一种饲料配方，个体编码中的每个实数对应饲料配方原料的数量。假设饲料配方中第£种原料的上限值是下限值是Z&，则个体编码中第i个个体的第k种原料对应的初始值为Xjk=QBk—LBjx e十LBk,0是C#语言的rand.NextDouble（）函数产生的随机小数。则初始种群中第i个个体编码为：
兀Q%）（8）n是饲料配方中包含的原料个数。种群初始化阶段，不能存在相同的个体编码。
1.4.2适应度计算考试成绩分析
适应度函数计算种群中个体适应度值，进化算法根据适应度值的大小决定个体是否被替换。本文以公式（8）作为适应度函数，由个体编码求得饲料总成本低的适应度值更优。
1.4.3终止条件
终止条件为最大循环次数5000。
1.4.4进化方案
试验中选择DE辰nd川刃作为进化方案。
1.5数据表设计
数据库部分由以下数据表构成。（1）精饲料表（concentrate）包括编号（Num），饲料名（Name），干物质（DM），粗蛋白（CP），粗月旨肪（EE），粗纤维（CF），无氮浸出物（NFE），粗灰分（Ash），中洗纤维（NDF），酸洗纤维（ADF），淀粉（Starch），奶牛泌乳能（CowNEl）和矿物质中的钙（Ca），有效磷（effP），钠（Na），氯（Cl），镁（Mg），钾（K）；微量元素中的铁（Fe），铜（Cu），猛（Mn），锌（Zn），硒（Se）o（2）粗饲料表（Roughage）包 括干物质（DM），维持能（NEm），生长能（NEg），泌乳能（NE1），粗蛋白（CP），粗纤维（CF），酸洗纤维（ADF），中洗纤维（NDF），粗脂肪（EE），粗灰分（ASH）；矿物质中的钙（Ca），磷（P）,
钾（K），氯（C1），硫（S），锌（Zn）。粗饲料表和精饲料表中的数据选自中国饲料数据库平台
（www.chinafeeddata/）o使用中国饲料数据库平台中提供的计算公式，通过化学成分预测精饲料能值（NEm,NEg,NE1）O精饲料表如表1所示，微量元素数据表、粗饲料数据表与表1设置相似
。
•56-天津农学院学报第28卷
表1精饲料表
名称类型长度是否空值备注
id varchar10非空编号Name varchar20非空饲料名DM decimal4非空干物质CP decimal4非空粗蛋白EE decimal4非空删旨肪CF decimal4非空畸维NFE decimal4非空无氮浸出物Ash decimal4非空够分NDF decimal4非空中洗纤维ADF decimal4非空酸洗纤维Starch decimal4非空淀粉Ca decimal4钙effP decimal4有效磷Na decimal4钠
Cl decimal4氯
Mg decimal4镁
K decimal4Am 2试验
桃花怎么写本系统是在Windows操作系统中以Visual studio2010为集成开发环境，使用C耦言作为程序言，Micro
soft Acce阳设计数据库，采用控制台工作模式开发出的奶牛饲料配方决策系统。系统界面包括4部分：(1)奶牛营养需要量影响因素；(2)奶牛营养需求量；(3)饲料配方结果；(4)总成本。使用者录入影响奶牛营养需要量影响因素信息后，点击“营养需求分析”按钮，系统对奶牛营养需要量进行估计，然后显示出所需要的营养量数据。使用者选择饲料原料并录入当前该饲料的价格后，点击“优化日粮配方”按钮，系统给出每种饲料所需要的数量，并给出此次饲料配方的总成本。在奶牛类型中选择“泌乳奶牛”，泌乳奶牛阶段不需要的信息例如"犊牛饲料类型"数据以灰色进行屏蔽，泌乳奶牛饲料配方运行结果如图3所示。
图3泌乳奶牛营养需求及日粮配方
为验证本研究饲料配方方法的性能，将运行结果与当前流行的线性规划法叫呵饲料配方方法进行比较，使用Microsoft Office2007中的Excel 软件提供的规划求解功能问进行饲料配方计算,Excel软件线性规划法求解结果如图4所示。总成本是每种原料乘以单价后的累加求和。就总成本而言，差分进化方法的结果略低于线性规划法
。
第1期
张龙豪，等：奶牛精准饲喂决策系统设计57
=SUMPRODUCT(B2:B16,C2:C16)
A
BCD
E
F
1Name 需要量
价格最小虽
最大里
2玉米
8.00 1.90
2.00
&0088.003小麦轶 4.00
1.50 1.00 4.00
S7.00
4大豆粕 3.00 3.30
1.00 3.0089.00
5鱼粉0.30
3.S00.000.30处.00
6豆油
0.20
6.500.05
0.20
99.007碳酸钙0.170.300.170.17100.008氯化钠0.05 2.500.05
0.05100.00
9硫酸镁
0.12
5.00
0.120.12
100.0010碳酸氢衲0.01 3.000.01
0.01100.00
11维持用苜蓿茎
5.000.50 2.00 5.0039.0012
泌乳用苜蓿茎0.000.500.00 2.00
89.0013维持用乳化期玉 米青沪
2.00
0.30 2.00S.OO 26.0014泌乳用乳化期玉 米青毗
0.000.30
0.W 2.00
26.00
15维持用稻草
5.000.60 2.00
5.0091.0016泌乳用稻草
供货合同模板2.00
0.600.00
2.00
91.00
G
H
I
J
K
L
M
N
CP(%)
NELI ；Mcal/kc Nem(Mcal)
K(%)
Cl(%)
Zn(mg :kg)
q ±n
7 77
1001
n oo
离婚申请书怎么写
0 Adi
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国
设宣目标;CD
$E$21
到；
最大值迴）o 最小值（卫o 目标值
通过更改可变单元搭;（B ）
遵守约束：(U)
<= $E$2:$E$16>= $D$2:$D$16
$F$20:$G$20 >= $F$19:$G$19 $H$21 >= $H$19$J$20:$N$20 >=
8 91 10 1 2 3 4 52 2 2 2 2 2干物质
需妾星 23.85配方结果 25.34
费用 41.62
園使无约束变量为非负数血
醉馥方法：（B
单纯选项迩
6
230
冶求线性规划
醐方法
为光滑非线性规划求解问题选择GRG 非线性引翼 为线性规划求艇问题选擇单纯线性规划引 5.并为非光滑规^求解问题选择演化引尧
期⑸
I ]
轴©
帮助凹
图4 Excel 线性规划法求饲料配方
与饲料配方的成本相比，配方中的营养成分 含量更重要，而干物质是衡量营养成分的重要指
标。如表2所示，试验中饲料配方中干物质含量 相同或略高于营养需要量，而饲料中的能量、蛋
白质以及矿物元素的含量普遍略高于营养需要量。
表2营养评估分析
干物质
ttt
蚤白质
诱
如
TP
锌
kg'd'1 Meal 'd'1g'f 1g'd'1g'd'1g'd'1rag'd"
营养嚴
23.85118.311577.1050.8540.00160.7343.15128.8025.34120.11
1676.6056.5449.50
[89.83
48.83148.0023.92
119.421593.03
55.93
52.77197.93
47.43
142.18最新dj
3结论
精准饲喂要求投放给每头奶牛的饲料配方和
饲料的数量因个体而异，奶牛精准饲喂决策系统
根据每头奶牛的个体特征估计营养需要量，结合 所选择的饲料原料营养成分的含量，计算出每头
奶牛所需的饲料配方，有利于改进精准饲喂的准 确程度，提高饲料的利用效率，降低饲料成本。
与自动饲喂系统相结合，将进一步提高奶牛养殖
的经济效益。参考文献：
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