КЛАССИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРМОВ

1 КЛАССИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОРМОВ

Кормовая база является важнейшим условием развития животноводства. Наряду с повышение урожайности и снижение себестоимости кормовых культур необходимо внедрять более эффективную структуру кормов. Структура кормов должна рассматриваться не только с точки зрения технологической, но и с экономической. В зависимости от вида, возраста, веса и продуктивности животное требует определенного количества питательных веществ. Отсутствие какого- либо питательного вещества отрицательно сказывается на его продуктивностью. Если с целью увеличения продуктивности животное не ограничивать в кормах, то недостаток одного питательного вещества будет компенсироваться за счет других веществ, продуктивность животного будет наибольшей, но затраты кормов будут большими. Такой подход к решению вопроса кормов животного не экономичен.

Важнейшим элементом питательности является перевариваемый протеин. Если в кормах его недостает, то резко снижает продуктивность и ведет к значительному перерасходу кормов, но и белковый перекорм нежелателен: он отрицательно влияет на развитие организма животного. Кормовая база должна быть сбалансирована по минимальной потребности в кормовых единицах и перевираемом протеине; состав кормов должен быть разнообразен. Для этого нужно обеспечить зоотехнически допустимые соотношения между основными группами кормов: концентратами, сеном, сочными кормами, зеленым кормом; состав кормов должен содержать в достаточном количестве питательные вещества; суммарная себестоимость кормовой базы должна быть минимальной.

Одинаковый по питательности рацион кормов может состоять из различных кормов, поэтому среди вариантов рационов кормов следует выбрать наиболее экономичный (оптимальный) и соответствующий биологическим потребностям животных по содержанию питательных веществ.

Оптимальные рационы рассчитываются для отдельных видов групп животных с учетом способа их содержания, продуктивности, сезона и т.д. Большую помощь в получении оптимальной структуры кормов оказывают математические модели.

Для формализации этой задачи введем обозначения:

- количество имеющихся видов кормов

- вид корма

- количество элементов питания в корме

- вид элемента питания

- необходимое количество  питательного вещества в рационе животного

- стоимость единицы  вида корма

- норма содержания  питательного вещества в единице

  вида корма

- количество  вида корма в рационе

Задача представляется так:

Найти такое количество  кормов, при котором достигается минимум затрат на корма:  (1.1)

при условиях, что каждое питательное вещество содержится в рационе в необходимом количестве   (1.2)

количество кормов расходуется согласно имеющимся запасам   (1.3)

Мы получим задачу линейного программирования, которая решается определенными методами.

2 ПОСТАНОВКА ЭКОНОМИКО – МАТЕМАТИЧЕКОЙ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ РАЦИОНА КОРМЛЕНИЯ СКОТА

Рассчитать оптимальный кормовой рацион, учитывающий зоотехнические требования, при помощи традиционных методов подбора очень сложно, а при большом наборе кормов практически невозможно, поэтому задачу целесообразно решать с помощью экономико-математических методов и ЭВМ.

Целевую установку можно выразить следующим образом:

Из имеющихся в наличии кормов составить такой рацион, который по содержанию питательных веществ, соотношению отдельных видов и групп полностью отвечал бы требованиям животных и одновременно был самым дешевым. Критерий оптимальности – минимум стоимости рациона.

Основными переменными являются корма, имеющиеся в наличие, а также корма, кормовые и минеральные добавки, которые хозяйство может приобрести. Единицами измерения этих переменных являются кг.ц в зависимости от периода, на который составляется рацион.

В задаче кроме основных могут быть и вспомогательные переменные. Они чаще всего выражают суммарное количество кормовых единиц или перевариваемого протеина в рационе. С помощью этих переменных записывают условия по структуре рациона (удельный вес отдельных групп кормов).

Основные ограничения необходимы для записи условий по балансу питательных веществ. Технико-экономические коэффициенты в этих ограничениях обозначают содержание соответствующих питательных веществ в единице корма (в 1 кг,1 ц). Константы в правой части ограничений (объемы) показывают количество питательных веществ, которое должно содержаться в рационе.

С помощью дополнительных ограничений записывают условия по соотношению отдельных групп кормов в рационе и отдельных видов кормов внутри групп. Если эти соотношения выражены в весовых единицах, то технико-экономическими коэффициентами по основным переменным соответствующих групп кормов являются единицы или величины, характеризующие удельный вес данного вида или группы корма в рационе (коэффициенты пропорциональности). Константы обозначают минимальное или максимальное зоотехнически допустимое количество данной группы корма в рационе.

С помощью вспомогательных ограничений записывают условия по суммарному количеству кормовых единиц и перевариваемого протеина. Технико-экономические коэффициенты по основным переменным (так же, как и в основных ограничениях) отражают содержание питательных веществ в единице корма или кормовых добавок, а по вспомогательным переменным равны –1. Константами в этих ограничениях являются нули.

Для составления модели оптимального рациона кормления скота необходимо установить следующее:

Вид и половозрастную группу скота, для которого рассчитывается рацион ; период; живую массу одной головы; планируемую продуктивность;

Содержание питательных веществ в рационе в зависимости от продуктивности животного, животной массы, физиологического состояния;

Предельные нормы скармливания отдельных кормов данному виду скота или допустимые зоотехнические нормы потребления кормов;

Виды кормов и кормовые добавки, из которых могут быть составлены кормовые рационы (смеси);

Содержание всех видов питательных веществ в единице корма или кормовой добавки;

Цену единицы кормов и кормовых добавок.

Рассматриваем пример оптимизации оптимального рациона кормления скота.

Необходимые данные по видам имеющихся в хозяйстве кормов, содержание питательных веществ и стоимости приведены в Таблице 4.1.

Система переменных определяется в соответствии с условиями задачи.

 Количество кормов, которые могут войти в рацион обозначим символами:

- сено

 - силос

 - концентраты

Единица измерения – кг.

Система ограничений. Основными ограничениями в данной модели будут условия по обеспечению всеми питательными веществами (белок, кальций, витамины).

По экономическому содержанию и характеру формализации в модели целесообразно выделить группы ограничений:

I – по балансу питательных веществ;

II – удельному весу кормов суточной выдачи

III – удельному весу кормов в один рацион

IV – влияние на стоимость увеличение ресурсов

I группа ограничений отражает требование к рациону по питательным веществам и показывает, что он должен содержать данное питательное вещество не менее требуемого по норме количества:

 ограничение по белку

 ограничение по кальцию

ограничение по витаминам

В целях формализации записей приведенных ограничений введем ряд обозначений:

- индекс ограничения, показывающий порядковый номер элемента питания;

 - индекс переменной, показывающий порядковый номер вида

 корма в рационе;

 -содержание питательного элемента i-го вида в единице

 (1 кг) j-го вида кома;

 - искомое количество корма j-го вида, входящего в рацион;

 - требуемое по норме количество i-го вида питательного

 вещества в рационе.

С учетом введенных обозначений обобщенная форма записи I группы ограничений будет иметь вид

  (2.1)

II группа ограничений отражает физиологически допустимые пределы скармливания кормов. Эти дополнительные ограничения показывают верхние пределы отклонений по каждой группе кормов суточной выдачи, представляются следующим образом:

пределы ограничения по физической массе сена

пределы ограничения по физической массе силоса

пределы ограничения по физической массе концентратов

Обобщенная математическая модель записи ограничений II группы имеет вид

  (2.2)

III группа ограничений отражает физиологические, зоотехнические или экономические требования по удельному весу отдельных видов кормов рассчитанных на один рацион.

Ограничения будут записываться так:

 органичения по физической массе сена

 ограничения по физической массе силоса

 ограничения по физической массе концентратов

IV группа ограничений будет иметь экспериментальный характер, задача заключается в том, что, как увеличение ресурсов сена и силоса на 1 кг и концентратов на 3 кг. повлияет на оптимальную стоимость.

 ограничения по сену

 ограничения по силосу

 ограничения по концентратам

 V группа ограничений – неотрицательность переменных величин:

Запишем теперь целевую функцию:

Стоимость рациона должна быть минимальной

Математическая модель целевой функции имеет вид

  (2.3)

где  -стоимость (себестоимость) единицы корма j-го вида.

После построения математической модели пришли к выводу, что заданную задачу целесообразно решать модифицированным симплекс – методом.

3 АЛГОРИТМ МОДИФИЦИРОВАННОГО СИМПЛЕКС-МЕТОДА

При решении экономических задач часто приходится встречаться с такими задачами, у которых ограниченное условие заранее задано равенством и нельзя создать единичную матрицу без проведения дополнительных расчетов. Для решения таких задач используют симплексный метод с искусственным базисом.

1. Привести систему ограничений к каноническому виду.

Если каноническая форма записи не имеет исходного опорного плана, то он строится с помощью дополнительных переменных. Однако независимо от того, используются искусственные переменные или нет, для решения задачи применяется один и тот же алгоритм.

Задача в каноническом виде имеет исходный опорный план

  (3.1)

  (3.2)

  (3.3)

2. Проверить наличие единичного положительного базиса в каждом ограничении.

3. Для применения модифицированного симплекс-метода исходная задача должна быть представлена в канонической форме с начальным опорным планом.

4. Проверяют уравнения на наличие единичного базиса и в те уравнения, где его нет вводятся искусственные переменные, т.е. коэффициенты при которых создают единичную матрицу, причем искусственные переменные нужно вводить со знаком «плюс».

Эти переменные вводятся также в целевую функцию с большими по абсолютной величине коэффициентами «М».Значение «М» можно за раннее задавать.

При решении задач искусственные переменные должны быть введены из оптимального варианта плана. Следовательно, никакого экономического смысла эти коэффициенты не имеют.

При решении задач на максимум в целевую функцию искусственные переменные вводятся с отрицательными коэффициентами «М».

При решении задач на минимум в целевую функцию искусственные переменные вводятся с положительными коэффициентами «М».

5. Построение первого опорного плана и заполнение первой строки z_j-c_j, которая вычисляется так:

 z₀=(графа С* графу в_i) (3.4)

 z_j-c_j=(графа С* коэффициент а_ij)-c_j (3.5)