奶牛营养配方系统的设计与实现

朱付保,谢利杰,李晓楠

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院,河南 郑州 450000)

奶牛营养配方系统的设计与实现

朱付保,谢利杰,李晓楠

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院,河南 郑州 450000)

针对奶牛养殖管理工作中存在的信息集成管理繁琐、饲料搭配不合理、自动化饲养水平低等缺点,通过研究奶牛配方管理领域的业务背景和数据库技术,设计了奶牛营养配方系统.在该系统中,使用了原型法的通用原理,根据奶牛生长过程中的营养需要,结合牧场环境状况,以节约成本为重要的生产指标,提出了奶牛营养配方的优化策略,逐步提高奶牛养殖业的经济效益.通过对该系统的实例分析,也进一步证明文中所设计系统的实用性和可行性.

信息集成；营养配方；原型法；节约成本

奶牛养殖业是关乎国计民生的中心行业,其发展水平的高低是衡量我国畜牧业乃至整个农业发展水平的重要标志之一[1].随着经济的迅速发展以及人口的不断只能加,人们对健康牛奶的质量要求越来越高,所需要的数量也越来越多,传统的奶牛饲养模式缺乏科学理论指导,在奶牛养殖的饲喂、检测奶牛身体状况和管理养殖场的过程中存在许多瓶颈,严重阻碍了我国奶牛养殖业健康有序的发展[2].近年来国家对奶牛行业的帮助和扶持,使奶牛养殖业的管理逐步由传统的粗放型、松散化向精养型、集约化的方式转变,逐步实现奶牛养殖的现代化和标准化[3-5].奶牛不同的生长情况施以不同的奶牛配方饲料,奶牛产奶量将提高9%,并可节约饲料成本,提高经济效益[6].因此在对奶牛饲养管理的过程中,科学合理的饲料搭配对提高奶牛的产奶量和奶牛健康生长起着决定性的作用[7].

针对目前我国奶牛饲料配方饲喂现状,合理利用国内外奶牛养殖的先进技术和信息技术,为奶牛行业提供新的推动力[8].本项目研究开发的奶牛配方优化系统,对奶牛生长状况、饲料原料数据和奶牛场具体信息进行集成统一管理,同时兼顾对养殖场信息的存储和管理,以及奶牛营养信息管理、营养成分计算统计、在线打印报表等.并根据牧场购买的实际饲料以及奶牛不同生长阶段所需要的营养含量提供精确的饲料配方,原料库具有数据的批量导入导出功能,对配方优化处理后提交给管理者,极大的方便了用户对奶牛场的信息化管理.提升生产效率并节约成本,摆脱整体饲养过程中过于依赖个人经验的尴尬局面,增强行业的适应范围,缓解饲养过程中对饲养结果的不可控性.

1 奶牛配方优化系统设计

为了更好满足奶牛在不同的生长阶段的所需营养物质,有利于奶牛养殖人员对牛场的管理,研究开发了奶牛营养配方系统,通过对奶牛生长环境的设置,以及对奶牛泌乳周期、泌乳日、胎次、体况增重、干物质采食量、剩料比例、胎间距等相关信息进行处理,根据当前奶牛的生长情况利用该系统合理的搭配饲料配方,既满足了奶牛生长的营养所需,又降低了人力、物力和财力,有效的节约了奶牛养殖的饲养成本.

奶牛配方优化系统主要由奶牛信息管理、配方信息管理、原料库管理和工具箱等功能模块组成.

1.1 系统的开发

图1 原型法流程示意图Fig.1 Schematic diagram of prototype method

1.1.1 系统的开发方法 该系统开发采用原型法(Prototyping Approach)进行设计.原型法是在确定用户需求之后,运用强大的Visual Studio 2015开发工具,建立一个最初的系统模型,并由用户试用测试,提出不足,使开发人员不断地对系统改进完善,最终形成健全系统的方法[9].本次研发在对奶牛管理人员所提实际需求进行充分分析的基础上,设计奶牛营养配方系统的初始系统,并让用户在实际使用初始系统过程中反馈修改意见,开发者与用户反复进行交流、修改,直到用户满意,然后根据修改后的原型进行具体实现,其工作流程如图1所示.

1.1.2 系统开发流程 根据奶牧场所处生长环境和奶牛生长阶段情况,在满足奶牛生长所需营养的基础上,方便奶牛场管理人员进行系统操作,这就需要我们事先组织健全的数据库系统,同时设计完善的系统功能模块.用原型设计方法进行奶牛营养配方系统的研发流程如图2所示.

图2 系统开发流程图Fig.2 Flowchart of system development

1.1.3 系统的功能和结构 该系统是进行设计和管理奶牛群的日粮配方工具,本软件功能设计根据以下三种生长阶段奶牛的制作合理的日粮配方：泌乳牛、后备牛、干奶牛.奶牛的生长环境可由用户根据当时的实际情况选择,环境参数设置如下表1所示,按照奶牛群中平均奶牛的生长状况制作TMR日粮配方和精饲料配方,第一胎次和第二胎次阶段的奶牛要满足奶牛泌乳、产奶失重,以及泌乳后身体达到预期体况下制作配方,为干奶牛设置满足奶牛增重/失重和妊娠做准备的日粮配方；以及后备牛生长增重所需的日粮配方.奶牛生产阶段环境参数如表1所示.

表1 奶牛生产阶段环境参数

为了解决奶牛饲养过程中对于个人经验依赖性过高和饲养结果无法掌控的问题.系统通过获取奶牛当前生理状态和奶牛预期生理状态的各项信息参数,科学合理的模拟出奶牛的成长过程,并计算出奶牛达到预期生理状态所需要摄入的营养含量等各项指标.在实际使用过程中,饲养人员根据不同牧场的具体情况从不同的原料库中选出合适的饲料,而系统则会对各种饲料中营养物质含量进行计算,根据已有的数学模型和计算方式给出最优的营养搭配方案,系统将各类数据进行整合处理,为管理人员管理数据、查找信息、存储配方,可以在线预览,打印,转换成Excel、PDF、Word文档.等提供便利.奶牛功能结构如图3所示.

图3 奶牛功能结构图Fig.3 Dairy cows functional structure diagram

1.2 数据库的设计

数据库设计是将奶牛营养配方系统中大量的奶牛信息数据、管理人员数据、原料库数据、配方数据以及和标准配方数据使用最合理的数据库模型组织起来,使之能够进行有效的存储、检索、分析和维护等功能,用户可以方便的创建、读取、更新和增删改查的操作.根据用户的需求将奶牛数据库分成三个部分：加密狗设计、奶牛基础数据表设计、人机交互界面UI设计.本次数据库使用成熟稳定的SQLServer2008实现,建立Cows.mdf数据库文件,包含如表2 所示的7个文件表.

表2 奶牛配方数据库表

用户表主要存储登陆用户的基本信息,用户类别按照用户权限分为系统管理员和普通用户,由管理员具有增加、删除、修改和更新普通用户德操作.牧场原料库包含美国NRC原料库、中国牧场实测原料库等,包含制作配方的原料信息,可由用户任意搭配原料制作配方,TMR日粮配方存储奶牛配方.泌乳牛信息详细记录奶牛生长情况,便于对奶牛所需的配方管理和营养情况的统计,提高用户管理工作效率.

2 功能的实现

2.1 系统登录

图4 系统登录图Fig.4 Login graph in system

该系统是奶牛场管理人员内部使用的小型开发系统,因此采用稳定性和灵活性的C/S模式研发,由于客户端和服务器端没有直接连接,所以相应速度极快,运行环境要求简单,安全性较高.软件开发操作系统平台为Windows操作系统,开发语言采用基于.Net技术的C#语言,在面向对象的语言中,具备支持托管和非托管代码、高性能、健壮性、安全性、面向对象、垃圾回收、快速开发跨平台(Mono)等特性,系统登录流程如图4所示.

图5 系统登录窗口界面Fig.5 Login window

为保证用户的配方数据安全,防止用户的知识产权被非法使用.对奶牛配方优化系统加入了智能硬件加密技术.并且用户要实现对系统数据操作,必须使用户名和口令能够和数据库存储的用户表相匹配,否则无法进去奶牛配方优化系统进行相关操作.系统主要的功能有参数设置、制作配方、饲料原料库、工具箱等.其中文件管理首先要新建配方,配置完参数后系统自动给出奶牛营养信息.模块参数的设置过程中系统自动计算出胎次增重、体况增重和总增重,最后在奶牛信息中给出干物质采食量、代谢体重、微量元素需要量等参数指标,供饲养员参考,评估奶牛体质状况.在饲料原料库中,可以对原料库进行增删改查操作,使原料库更加贴切所属牧场的实际情况,增加奶牛营养配方系统的实用性,并且可以在线打印报表.工具箱可以让用户自己计算物质的含量,验证系统参数设置阶段计算奶牛营养物质的正确性.系统登录界面如图5所示.

2.2 信息处理

奶牛营养配方系统具备的基本功能是实现对配方数据的存储、 增加、 修改和删除的功能以及用户从原料库中选择好原料根据多目标线性规划求解算法对配方进行优化,给用户提供决策支持.本系统实现对牛场信息、 职工信息、 牛只信息、 原料库信息,配方信息和奶牛所需营养物质的计算信息的操作.奶牛饲养标准信息如图6,配方优化如图7.

2.3 原料库的数据查询

根据奶牛场饲养奶牛的实际需要,制作配方时分为TMR配方和精饲料配方.TMR配方包含粗饲料精饲料和预混料,精饲料配方中只包含精饲料.制作TMR配方时用户要从原料库中选择饲料,原料库又分为美国NRC原料库、中国标准饲料原料库、本场实测原料库、我的专属原料库.用户可以对各个原料库进行增删改查的操作,并且具有添加我的专属原料库的功能.在原料库中可以实现对原料的单条件查询和模糊查询,提供高效率查询.并且在我的专属原料库中可以一键备份我的专属原料库和导入本地原料库的功能,方便用户对原料库的管理.制作精饲料配方和制作TMR配方一致.美国NRC原料库管理界面如图8所示.

图8 美国NRC原料库操作界面Fig.8 The operation interface of American NRC raw material library

3 结果与分析

3.1 奶牛营养配方设计

营养配方是牛场管理的基础,是奶牛健康身体的重要保证.通过对奶牛当前所处的生长特征和其所处的环境信息、产奶量,当前体况等设置奶牛基本的生长状况,奶牛给配方的饲喂量和剩料比例,系统可以自动计算得出奶牛所摄入实际配方重量,得出奶牛的营养摄入量,供奶牛养殖人员参考.用户可以根据奶牛场现有饲料原料,并在美国NRC原料库、中国标准饲料原料库、本场实测原料库、我的专属原料库四个存储库中任意选择当前有的饲料制作配方.将现有原料加入配方之后,可在奶料平衡分析中查看奶牛所需的能量、碳水化合物、蛋白质、矿物质、微量元素和维生素含量,若没有达到奶牛所需的营养标准则直接修改配方中原料比例,或者根据系统中的多目标线型规划求解给出最优的营养搭配方案,经用户确认选择最合理的饲料搭配制作配方.在系统工具箱中包括非纤维碳水化合物的计算,可消化养分的计算,饲料原料能量的计算,小肠代谢蛋白预期提供量的计算方法,饲料原料阴阳粒子差的计算方法.通过这些方法可以精确的计算出用户所需要的营养含量,有利于制作出更合理的配方.

3.2 奶牛配方结果分析

用户从原料库中添加原料设计好配方,并在线性规划求解中设计每种原料的最低重量和最大重量,点击“规划求解”,便可在求解框中得出既满足约束条件,又可满足原料取值范围的最优解,若没有最优值则系统给出最接近的最优值,用户可根据实际情况判断是否满足奶牛场的最优解.在本例中,一头牛的原配方饲料的成本由原来的配方单价57.65元/kg,变成57.18元/kg.降低了0.47元/kg,一头牛在一天内大约饲喂20 kg,对于饲养500头的奶牛的养殖场来说,能节约成本500*20*365*0.47=1 715 500元,为奶牛场节约了饲养成本,提高奶牛场的经济效益.

4 结论

该系统根据奶牛管理人员的实际需求进行设计,具有较强的适用性和可扩展性,使用C#语言完成系统的开发,使奶牛养殖管理更加有效,形象直观.选用成熟的框架和优秀的集成开发工具,帮助养殖人员得到最优的营养配方,降低饲养成本,该系统还具有结构简单、操作方便、稳定性强等特点,对于类似的系统设计和开发具有一定的参考价值.

[1] 李肖冰.嫩江县奶牛养殖业发展及对策研究[D].北京:中国农业科学院,2013.

[2] 郑怀军. 奶牛良种登记与计划选配软件的开发及应用[D].哈尔滨:东北农业大学,2006.

[3] 张东明,崔玉富,孙涛,等.加强奶牛围产期饲养管理的探讨[J].中国畜禽种业,2011,7(1):21-21.

[4] 魏勇.信息化管理在奶牛养殖中的应用探讨[J].北方牧业:奶牛,2008(5):25-26.

[5] 吕伟国. 基于EPC物联网和RFID的奶牛精细养殖信息管理系统[D].长春:吉林大学,2013.

[6] 赵明轩.运用综合饲养管理技术提高奶牛生产水平与效益的研究[D].兰州:兰州大学,2015.

[7] 杨学梅,王立涛,梁晚枫.不同比例的精粗饲料对奶牛产奶量和乳品质的影响[J].黑龙江畜牧兽医,2007(2):37-38.

[8] 杨学斌,冯国胜,施进文.规模养牛场的饲养管理技术[J].中国畜牧兽医文摘,2013(12):53-54.

[9] Sumerlin W T. Application prototyping:WO,US20070240131[P]. 2007.

责任编辑：时 凌

Design and Implementation of Dairy Cattle Nutrition Formula System

ZHU Fubao,XIE Lijie,LI Xiaonan

(College of Computer and Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

In view of the shortcomings of complicated information integration management,unreasonable collocation of feed,low level of automatic feeding in the management of dairy cattle breeding,this paper designs a dairy cattle nutrition formula system by studying the business background in the field of dairy formula management and database technology.In this system,the general principle of the prototype method is used.According to the nutrient requirement of the dairy cattle growth process,combining with the rangeland environmental condition and saving costs as an important production indicator,dairy cattle nutrition formula optimization strategy is proposed to gradually improve the economic benefits of dairy farming industry.The practicability and feasibility of the system designed in this paper is proved through analysis of given examples.

information integration; nutrition formula; prototype method; cost saving

2017-05-03.

河南省科技攻关项目(162102210146、162102310579);河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A52036);郑州轻工业学院研究生科技创新基金资助项目.

朱付保(1974-),男,博士,副教授,主要从事智能信息处理、空间数据库、地理信息系统等的研究.

1008-8423(2017)03-0313-04

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.09.015

TP315

A