JPH09201167A - Design for blending of feed - Google Patents

Design for blending of feed

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JPH09201167A
JPH09201167A JP8028696A JP2869696A JPH09201167A JP H09201167 A JPH09201167 A JP H09201167A JP 8028696 A JP8028696 A JP 8028696A JP 2869696 A JP2869696 A JP 2869696A JP H09201167 A JPH09201167 A JP H09201167A
Authority
JP
Japan
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feed
design
restriction
blending
cost
Prior art date
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Pending
Application number
JP8028696A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Satake
隆顕 佐竹
Tatsumi Furuya
立美 古谷
Yoshiyuki Minami
善行 南
Fumio Tachibana
文夫 立花
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National Federation of Agricultural Cooperative Associations
Original Assignee
National Federation of Agricultural Cooperative Associations
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Filing date
Publication date
Application filed by National Federation of Agricultural Cooperative Associations filed Critical National Federation of Agricultural Cooperative Associations
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To flexibly deal with a case in which a restriction equation and a cost accounting equation are nonlinear or the number of restriction equations is many and the satisfaction of the whole restriction equations are very difficult in a design method for minimizing a blending cost under a restriction condition of given nutrient components of a feed for a domestic animal, a domestic fowl and a cultured fish and feed raw materials. SOLUTION: Restriction equations of nutrients and an equation for showing a formula feed are prepared and a blending ratio of each feed raw material is coded as a gene. A group (initial individual group) of an organism individual (chromosome) is prepared by random numbers at an early stage of a design. The blending ratio of each feed raw material to minimize an objective function is obtained as the optimum solution while repeteadly carrying out a genetic operator such as crossing and mutation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ブタ、ウシ、ニワ
トリおよびハマチやブリといった家畜、家禽、および養
殖魚などの飼料の配合設計において、与えられた栄養成
分や飼料原料の制約条件のもとで配合コストの最小化を
計る設計方法に関する。さらに、詳細には日本飼養標
準、NRC飼養標準等に示される栄養成分や飼料原料成
分の制約条件をもとに、各飼料原料の単価に基づく配合
設計コストなどの目的関数を最小とする最適配合設計方
法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a feed composition of pigs, cows, chickens and livestock such as yellowtail and yellowtail, poultry, and farmed fish under the constraint conditions of given nutritional ingredients and feed ingredients. Relates to a design method for minimizing the compounding cost. Furthermore, in detail, based on the constraint conditions of nutritional ingredients and feed ingredients indicated in the Japanese Feeding Standard, NRC Feeding Standard, etc., the optimal formulation that minimizes the objective function such as formulation design cost based on the unit price of each feed ingredient. It relates to the design method.

【0002】[0002]

【従来の技術】過去においては家畜などの飼料の配合設
計は手計算で行われていた。しかし、手計算では全て設
計者の知識と経験に頼るため、設計者の独善による誤り
が起こり易く、また価格については全く設計者のカンが
頼りとなっていた。このような設計者の独善による誤り
を避けて、必要にして十分な栄養素を供給し、かつ最も
安価な飼料を設計するため、近年では線形計画法(以下
LPと略記する)を援用し、コンピュータにより配合計
算する方法が用いられるようになった。
2. Description of the Related Art In the past, the feed mix design of livestock and the like was performed by hand. However, since all manual calculations rely on the knowledge and experience of the designer, mistakes are likely to occur due to the designer's self-righteousness, and the designer's perception is entirely dependent on the price. In order to avoid such mistakes by the designer's self-righteousness, supply necessary and sufficient nutrients, and design the cheapest feed, in recent years, a linear programming method (hereinafter abbreviated as LP) has been used to The method of calculating the composition has come to be used.

【0003】LPはm種類の栄養素(組成または栄養
価)をそれぞれ所定の量ai(i=l〜m)含む配合飼
料を、原料価格がそれぞれci(i=l〜n)であるn
種類の飼料原料を用いて最も安価な価格で実現する飼料
原料の配合率xi(i=l〜n)を求める問題である。
An LP is a mixed feed containing m kinds of nutrients (composition or nutritional value) in a predetermined amount a i (i = 1 to m), and the raw material price is c i (i = 1 to n).
This is a problem of obtaining the feed material mixture ratio x i (i = 1 to n) that is realized at the lowest price using various kinds of feed materials.

【0004】以上の条件を数式として表すと以下の式
(1)、(2)の制約条件を満たし、飼料原料の単価に基づく
配合設計コストを示す式(3)を最小化するxiを求めるこ
とになる。
When the above conditions are expressed as a mathematical expression, the following expression
X i that satisfies the constraints of (1) and (2) and minimizes the equation (3) showing the formulation design cost based on the unit price of the feed raw material is obtained.

【0005】 b111+b212+………+bn1n≧a1121+b222+………+bn2n≦a2 ………………………………………………… ……(1) ………………………………………………… b1m1+b2m2+………+bnmn≧am B 11 x 1 + b 21 x 2 + ... + b n1 x n ≧ a 1 b 12 x 1 + b 22 x 2 + ... …… + b n2 x n ≦ a 2 ………………………… …………………………………… (1) …………………………………………………… b 1m x 1 + b 2m x 2 + ……… + b nm x n ≧ a m

【0006】 x1+x2+x3+………+xn=100 ……(2)X 1 + x 2 + x 3 + ... + x n = 100 (2)

【0007】 Z=c11+c22+………+cnn→Min. ……(3)Z = c 1 x 1 + c 2 x 2 + ... …… + c n x n → Min. ...... (3)

【0008】ここで、bijは飼料原料iに含まれる栄養
素jの含有率である。実際のLPによる配合計算はコン
ピュータ上でシンプレックス法などにより、その最適解
が求められている。
Here, b ij is the content rate of the nutrient j contained in the feed raw material i. For the actual LP formulation calculation, the optimum solution is obtained by a simplex method or the like on a computer.

【0009】一方、上記の式(3)で示される線形の目的
関数を複数個設定するとともに、同じく定式化された線
形の制約条件式(1)や(2)のもとで先の相競合する複数個
の目的関数を同時に最小にする最適解を求める方法であ
る多目的線形計画法を援用した配合設計も試みられてい
る。
On the other hand, a plurality of linear objective functions represented by the above equation (3) are set, and the above phase competition is performed under the linear constraint condition equations (1) and (2) which are also formulated. A blending design is also attempted with the aid of multi-objective linear programming, which is a method for finding an optimal solution that minimizes a plurality of objective functions simultaneously.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、近年、
家畜や家禽の配合飼料の設計は主にLPによりコンピュ
ータを用いて行われている。一方、例えばブロイラーの
発育と飼料エネルギーおよびタンパク質含有率との関係
は二次曲面で示されることが知られているように、一般
に飼料成分の変化の範囲を広く設定した場合は、飼料成
分に対する家畜や家禽の体重の増加は非線形となり、飼
料価格と成分の関係も非線形となる。したがって、ブロ
イラーを例にとってみると配合設計コストを最小とし売
上利益を最大とする配合率は曲線的に変化する。
As described above, in recent years,
Design of compound feed for livestock and poultry is mainly performed by LP using a computer. On the other hand, it is known that, for example, the relationship between broiler growth and feed energy and protein content is shown by a quadratic surface. The weight gain of poultry and poultry is non-linear, and the relationship between feed price and ingredients is also non-linear. Therefore, taking a broiler as an example, the blending ratio that minimizes the blending design cost and maximizes the sales profit changes in a curve.

【0011】このように、配合飼料中の各栄養素の制約
条件や各飼料原料の単価に基づく配合コストの計算条件
が非線形である場合にはLPによる配合設計は不適当で
あり、配合設計の現場においてLPによる配合設計結果
に対して熟練の技術者の経験に基づく修正がその都度加
えられている。
As described above, when the constraint condition of each nutrient in the compounded feed and the calculation condition of the compounding cost based on the unit price of each feed material are non-linear, the compounding design by LP is unsuitable, and the composition design site is not suitable. In each case, the correction based on the experience of a skilled engineer is added to the result of the compounding design by LP.

【0012】さらに、近年、配合飼料の高機能化により
混ぜ合わせる飼料原料の数が増えてくると、LPによる
配合設計に際して必然的に制約条件式の数も増え、全て
の条件を満たすとともにコストを最小とする最適解を得
ることが困難となっており、同様に飼料原料の配合率や
栄養素の含有率に対して熟練の技術者の経験に基づく修
正が加えられることも多い。
Furthermore, in recent years, when the number of feed raw materials to be mixed has increased due to the higher functionality of the compound feed, the number of constraint condition formulas inevitably increases in the compounding design by LP, which satisfies all the conditions and reduces the cost. It is difficult to obtain the optimum solution that minimizes, and similarly, the mixing ratio of feed ingredients and the content ratio of nutrients are often corrected based on the experience of a skilled engineer.

【0013】多目的線形計画法を援用した配合設計にお
いては、配合設計コストなどの目的関数が相競合するこ
とが多く、全ての目的関数を同時に最小とする完全最適
解は一般には存在しない。このため完全最適解の代わり
に消極的な解として、ある目的関数の値を改善するため
には、少なくとも他の一つの目的関数の値を改悪するい
わゆるトレード・オフの概念を取り入れたパレート最適
解をもって配合設計結果としており、実際の設計現場に
おける援用にはまだ改良すべき点が多い。
In blending design utilizing multi-objective linear programming, objective functions such as blending design cost often compete with each other, and there is generally no perfect optimal solution that minimizes all objective functions at the same time. Therefore, in order to improve the value of a certain objective function as a passive solution instead of the perfect optimal solution, a Pareto optimal solution that incorporates the concept of so-called trade-off that deteriorates the value of at least one other objective function. As a result of the blending design, there are still many points to be improved in order to use it in the actual design site.

【0014】家畜、家禽および養殖魚などを対象とした
配合飼料の設計に関する以上のような技術水準を背景と
して、配合設計の現場においては制約式やコスト計算式
が非線形である場合や制約式の数が多くLPによる設計
では全ての制約条件を満たすことが非常に困難な場合に
も柔軟に対応できる新しい配合設計アルゴリズムの開発
が求められていた。
On the background of the above-mentioned technical level regarding the design of the compound feed for livestock, poultry, cultured fish, etc., in the field of the compound design, the constraint formula and the cost calculation formula are non-linear and There was a demand for the development of a new formulation design algorithm that can flexibly deal with the case where it is extremely difficult to satisfy all the constraint conditions by designing with LP due to the large number of LPs.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明は、家畜、家禽、
および養殖魚などの飼料の与えられた栄養成分や飼料原
料の制約条件のもとで配合コストの最小化を計る設計方
法において、各栄養素の制約式ならびに配合設計コスト
を示す式を作成し、各飼料原料の配合率を遺伝子として
コーディングし、設計の始めの段階でこのような生物個
体(染色体)の集団(初期個体集団)を乱数で作成する
とともに、交叉および突然変異などの遺伝的オペレータ
を繰り返してかけながら目的関数を最小とする各飼料原
料の配合率を最適解として求めていく方法である。
The present invention provides livestock, poultry,
In the design method to minimize the compounding cost under the constraint condition of the fed nutritional components and feed materials such as farmed fish and the like, create the constraint formula of each nutrient and the formula showing the compounding design cost, Coding the mixing ratio of feed ingredients as a gene, at the beginning of the design, a population of such organisms (chromosomes) (initial population) is created with random numbers, and genetic operators such as crossover and mutation are repeated. This is a method of obtaining the optimum mixing ratio of each feed ingredient that minimizes the objective function while multiplying.

【0016】本発明は、実用の配合飼料の設計において
配合の制約式やコスト計算式が非線形である場合や、制
約式の数が多く全ての制約条件を満たすことが非常に困
難な場合にもコンピュータのソフトウェア上で柔軟に対
応できる新しい配合設計アルゴリズムとして、生物の進
化のプロセスとその機能をコンピュータのソフトウェア
上で模倣したGAを援用し、熟練の配合技術者の経験に
近い配合設計を実現する新配合設計方法を提供するもの
である。
The present invention is applicable to the case where the constraint formulas and the cost calculation formulas of the formulation are non-linear in the design of the practical compound feed, and when the number of constraint formulas is large and it is very difficult to satisfy all the constraint conditions. As a new formulation design algorithm that can be flexibly handled on computer software, GA that imitates the process of biological evolution and its function on computer software is used to realize a formulation design similar to the experience of a skilled formulation engineer. It provides a new formulation design method.

【0017】最適化問題に対する従来の計算手法、例え
ば山登り法などでは、複数の局所最適解をもついわゆる
多峰性問題に対しては、一般的には実行開始時に人為的
に選ばれる初期点などに依存して、1つの局所最適解し
か求められない。
In a conventional calculation method for an optimization problem, for example, a mountain climbing method, for a so-called multimodal problem having a plurality of locally optimal solutions, an initial point artificially selected at the start of execution is generally used. Depending on, only one local optimal solution can be found.

【0018】近年、このような多峰性問題に対して大域
最適化手法として、生物進化過程からヒントを得て提案
された遺伝的アルゴリズム(以下GAと呼ぶ)が注目さ
れている。この手法は、1つの解候補だけを対象とせ
ず、解候補の集団を対象として、その集団に生物の進化
法則を適用することにより最適解を得ようとする手法で
ある。
In recent years, as a global optimization method for such a multimodal problem, a genetic algorithm (henceforth called GA) proposed by taking a hint from a biological evolution process has been attracting attention. This method is a method that does not target only one solution candidate, but targets a group of solution candidates and applies an evolution law of a living organism to the group to obtain an optimal solution.

【0019】GAによる手法において、解候補を個体と
呼び、ランダムに生成された文字列で表す。このような
個体の集団に対し、選択、交叉、突然変異といった生物
の進化法則的な操作を行う。選択、交叉は早く最適解を
得るよう探索を改善するはたらきがあり、また、突然変
異は探索点が局所最適解に陥ることを避ける働きがあ
る。
In the GA method, the solution candidates are called individuals and are represented by randomly generated character strings. Operations such as selection, crossover, and mutation that are based on the evolutionary law of the organism are performed on such a population of individuals. Selection and crossover have the function of improving the search so as to obtain an optimal solution sooner, and mutation has a function of preventing the search point from falling into a local optimal solution.

【0020】この手法は従来のランダム探索法などに比
べ、計算が極めて簡単で、また探索の改善方法を人に伝
えることのできる共通知識として表現できるという利点
がある。さらに、この手法は大域探索に有効であり、す
でに多くの応用例が報告されている。
This method has the advantages that it is much simpler to calculate than the conventional random search method, and that the method for improving the search can be expressed as common knowledge that can be conveyed to people. Furthermore, this method is effective for global search, and many application examples have already been reported.

【0021】遺伝的アルゴリズムは生物進化の過程をモ
デル化し、工学的にシミュレーションしてそのメカニズ
ムを解明しようとする課程で見いだされた。現在では、
生物の遺伝の研究のほかに、この遺伝的アルゴリズムを
工業などの他分野で従来手法では解決が困難であった問
題に有効に使えることがわかってきた。
The genetic algorithm was found in the process of modeling the process of biological evolution and performing engineering simulation to elucidate its mechanism. Currently,
In addition to research on the genetics of living organisms, it has been found that this genetic algorithm can be effectively used in other fields such as industry for problems that were difficult to solve by conventional methods.

【0022】遺伝的アルゴリズムは生物の進化に習った
探索アルゴリズムである。GAは生物進化のメカニズム
を工学的にシミュレートする探索法の一つで、通常、選
択、交叉、突然変異の3つのオペレーションからなる。
自然界においては自然淘汰の原理が働き、環境に適した
強い遺伝子を持った生物が選択され、子孫を遺してい
く。
The genetic algorithm is a search algorithm learned from the evolution of living things. GA is one of the search methods for engineeringly simulating the mechanism of biological evolution, and usually consists of three operations: selection, crossover, and mutation.
In the natural world, the principle of natural selection works, and organisms with strong genes that are suitable for the environment are selected and their offspring are left behind.

【0023】遺伝子情報を持つDNA分子は2重螺旋構
造の塩基分子である。親が子を複製する場合、DNAの
螺旋は解け、他のDNAと結び付き、新しい個体を生成
する。すなわち、一つの遺伝子が他の遺伝子と結び付く
ことによって、新しい別の個体が生まれる。これが、遺
伝子の交叉である。
A DNA molecule having genetic information is a base molecule having a double helix structure. When a parent replicates its offspring, the DNA helix unwinds and associates with other DNA, creating a new individual. That is, a new individual is born by linking one gene with another gene. This is the crossover of genes.

【0024】まず問題を遺伝子型に対応するような文字
列に変換する。この文字列が個体を表し、この集団を扱
うことになる。この個体を表す文字列を評価して評価値
の高い集団を選んで残すようにする。これは自然界にお
ける淘汰に対応する。この選ばれた集団に対してオペレ
ータを施すことによって新しい文字列を生成する。
First, the problem is converted into a character string corresponding to the genotype. This character string represents an individual and handles this group. A character string representing this individual is evaluated and a group having a high evaluation value is selected and left. This corresponds to selection in nature. A new character string is generated by applying an operator to this selected group.

【0025】基本的なオペレータは文字列を複製する機
能を持つ自己再生、二つの文字列に対して部分的な交換
を行うことによって新しい文字列を生み出す交叉、文字
列を複製するときに確率的に誤りを生じさせる突然変異
等がある。図1に示すようにこのサイクルを繰り返すこ
とによって、環境に応じた評価値の高い文字列を生み出
し、文字列の集団全体の評価値を向上させていくもので
ある。
The basic operator is a self-reproducing device having a function of copying a character string, a crossing operation for producing a new character string by partially exchanging two character strings, and a stochastic operation when copying a character string. There is a mutation that causes an error. By repeating this cycle as shown in FIG. 1, a character string having a high evaluation value according to the environment is created, and the evaluation value of the entire character string group is improved.

【0026】上記の説明からも理解されるように、GA
を実際の問題に適用するときは、その問題に合った表
現、操作、あるいはヒューリスティックを導入する必要
がある。単にGAを導入しさえすればどんな問題でも簡
単に解けるわけではない。本発明は遺伝的アルゴリズム
を用いて家畜等の飼料の配合設計の最適化問題を解決す
るものである。
As can be understood from the above description, the GA
When applying to an actual problem, it is necessary to introduce an expression, operation, or heuristic suitable for the problem. Not all problems can be solved easily by simply introducing GA. The present invention solves the optimization problem of feed mix design of livestock etc. by using a genetic algorithm.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】本発明のGAによる配合設計処理
の流れを図1に示す。以下、具体的な処理方法を処理の
流れに沿って説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows the flow of a blending design process by GA of the present invention. Hereinafter, a specific processing method will be described along the flow of processing.

【0028】1)制約式と目的関数の作成 LPによる配合設計の場合と同様に、各栄養素の制約式
ならびに配合設計コストを示す式を作成する。
1) Creation of Constraint Formula and Objective Function Similar to the case of the formulation design by LP, the constraint formula of each nutrient and the formula showing the formulation design cost are created.

【0029】2)遺伝子型の決定 GAによる配合設計を行うに当たり、コーン、マイロ、
フスマ、キャッサバなどといった各飼料原料の配合率を
図2に示すように、遺伝子としてコーディングする。
2) Determination of genotype In the case of designing the composition by GA, corn, milo,
The mixing ratio of each feed material such as bran and cassava is coded as a gene as shown in FIG.

【0030】3)生物個体集団(ポピュレーション)の
発生 GAによる配合設計においては、図3に示すように設計
の始めの段階でこのような生物個体(染色体)の集団
(初期個体集団)を乱数で作成するとともに、交叉と突
然変異といった遺伝的オペレータを繰り返してかけなが
ら目的関数を最小とする各飼料原料の配合率を最適解と
して求めていく。ここでmはポピュレーションの個体
数、各飼料原料の配合率xnの初期値は、設定条件の下
で乱数発生に基づくランダム法により決定する。
3) Occurrence of population of organisms In population design by GA, such population of organisms (chromosomes) (initial population) is randomly generated at the beginning stage of design as shown in FIG. In addition, while repeatedly applying genetic operators such as crossover and mutation, the mixture ratio of each feed ingredient that minimizes the objective function is obtained as an optimum solution. Here, m is the number of individuals in the population, and the initial value of the mixing ratio xn of each feed ingredient is determined by a random method based on random number generation under set conditions.

【0031】4)個体適応度の評価 まず各個体の配合率に基づく配合コストをLPによる設
計と同様に前記の式(3)で計算する。この時、最適解候
補(染色体)が同じくLPによる設計と同様な制約条件
式(1)を破る割合(以下罰則値という)を計算する。罰
則値は次式により求める。
4) Evaluation of Individual Fitness First, the compounding cost based on the compounding ratio of each individual is calculated by the above formula (3) as in the case of designing by LP. At this time, a ratio (hereinafter referred to as a penalty value) at which the optimum solution candidate (chromosome) violates the same constraint condition (1) as in the LP design is calculated. The penalty value is calculated by the following formula.

【0032】 罰則値=(式(1)の左辺が各栄養素の上限または下限を越えた値)/(各栄養 素の上限値−下限値) ……(4)Penalty value = (value in which the left side of expression (1) exceeds the upper limit or the lower limit of each nutrient) / (the upper limit value-lower limit value of each nutrient) (4)

【0033】次に各個体の適応度を次式により求める。Next, the fitness of each individual is calculated by the following equation.

【0034】 適応度=1/(配合コスト×(罰則値+1)) ……(5)Fitness = 1 / (Combination cost × (Penalty value + 1)) (5)

【0035】実際の配合設計問題では、全ての制約条件
を満たす解が得られない場合が多く、シンプレックス法
では最適解を得ることができない。本発明の方法によれ
ば、制約条件を破ってもその破った割合に比例して適応
度を落とすだけなので解を得ることができる。また制約
式が非線形関数でも制約値を破った割合だけで罰則値を
計算するため、制約式が線形の場合と同様にコンピュー
タプログラム上で処理することができる。
In an actual mixture design problem, a solution that satisfies all the constraint conditions is often not obtained, and the simplex method cannot obtain an optimum solution. According to the method of the present invention, even if the constraint condition is violated, the fitness is reduced in proportion to the ratio of the violated constraint, so that the solution can be obtained. Further, even if the constraint expression is a non-linear function, the penalty value is calculated only by the ratio of breaking the constraint value, so that it can be processed on the computer program as in the case where the constraint expression is linear.

【0036】5)最適解の判断 4)で得られた適応度の高いものから低いものへと個体
集団中の各染色体の配列を行うとともに、各染色体の遺
伝子としてコーディングされた飼料原料の配合率に基づ
き、各染色体ごとに配合設計コストを算出する。得られ
たコストより、最小の配合設計コストを実現する最適解
(配合率の組み合わせ)が得られたか否かを判断する。
5) Judgment of the optimum solution The arrangement of each chromosome in the individual population is performed from the one with high fitness obtained in 4) to the one with low fitness, and the mixing ratio of the feed raw material coded as the gene of each chromosome. Based on, the compounding design cost is calculated for each chromosome. Based on the obtained cost, it is determined whether or not the optimum solution (combination of combination rates) that realizes the minimum combination design cost has been obtained.

【0037】6)交叉処理 図1の交叉処理部においては、適応度の高い染色体の一
部を適応度の低い染色体にコピーし、見掛け上の交叉処
理を行っている。すなわち2本の染色体中の遺伝子間の
一点を選び、その右または左部を複写する。また複写の
際、2本の染色体の適応度が共に低い(適応度の高い個
体から順に配列した際、集団中の下位1/3に属する)
場合には、それぞれにエリート(集団の中で最も適応度
が高い)染色体の一部をコピーする(エリート戦略とい
う)。これは最適解への収束を早め、高い割合で解が得
られるよう優秀な染色体を優遇するためである。交叉処
理の概念を図4に示す。
6) Crossover Processing In the crossover processing unit shown in FIG. 1, a part of high fitness chromosomes is copied to low fitness chromosomes to perform apparent crossover processing. That is, one point between genes in two chromosomes is selected and the right or left part thereof is copied. In addition, the fitness of the two chromosomes is low at the time of copying (belonging to the lower 1/3 of the population when the individuals with higher fitness are arranged in order).
In some cases, it copies a part of the elite (highest fitness of the population) chromosome to each (called elite strategy). This is to accelerate the convergence to the optimal solution and preferentially treat excellent chromosomes so that the solution can be obtained at a high rate. The concept of crossover processing is shown in FIG.

【0038】7)突然変異処理 一般に遺伝的アルゴリズムでは正規乱数が用いられる
が、個々では進化初期の収束を早めるため一様乱数と正
規乱数を組み合わせる方法を採用し、突然変異を起こさ
せる遺伝子座を選択すると共に、乱数により当該遺伝子
座の新しい配合率を決定する。当然、配合率は配合率の
制約範囲内の値である。本処理の概念を図5に示す。ま
た、本発明において採用した染色体集団(ポピュレーシ
ョン)におけるGAオペレーションである交叉処理、エ
リート戦略および突然変異処理の様子をとりまとめて図
6に示す。
7) Mutation processing Generally, a normal random number is used in a genetic algorithm, but in order to accelerate the convergence in the early stage of evolution, the method of combining uniform random numbers and normal random numbers is adopted for each, and the loci to cause mutation are identified. Along with the selection, a random number is used to determine a new blending ratio for the locus. Naturally, the blending ratio is a value within the constraint range of the blending ratio. The concept of this processing is shown in FIG. Further, the states of the crossover processing, the elite strategy, and the mutation processing, which are GA operations in the chromosome population (population) adopted in the present invention, are collectively shown in FIG.

【0039】図で1のエリート戦略は、評価値の下位1
/3の遺伝子を選択した場合は「エリート」と交配、2
の一点交叉は評価値の2/3の遺伝子同志を選択した場
合は自由に交配、3の突然変異はポピュレーションに対
し、様々な確率で突然変異を発生させる。
The elite strategy of 1 in the figure is the lowest 1 of the evaluation values.
If you select a gene of / 3, cross with "elite", 2
In the case of 1-point crossover, when 2/3 of the evaluation values are selected, the mating is free, and the mutation of 3 causes mutations with various probabilities with respect to the population.

【0040】8)100%調整処理 配合飼料の各配合原料の配合率の合計が、制約式(2)で
示したように100%になるよう調整する。すなわち交
叉と突然変異処理の結果、式(2)が満たされなくなった
場合は、染色体の一部(乱数で選択した配合率)を式
(2)を満たすよう強制的に変更するものである。以上の
ような処理を繰り返して行う(生物個体集団を世代交代
させる)ことにより、最適配合設計が実現される。
8) 100% adjustment treatment The total of the compounding ratios of the compounding ingredients of the compounding feed is adjusted to 100% as shown in the constraint equation (2). In other words, as a result of crossover and mutation processing, if expression (2) is no longer satisfied, a part of the chromosome (mixing ratio selected by random numbers)
It is forcibly changed to satisfy (2). Optimal blending design is realized by repeatedly performing the above-described processing (changing generations of individual biological population).

【0041】[0041]

【実施例】本発明の実施例として、実用の肥育豚用配合
飼料の設計について説明する。設計に際して、コーン、
マイロ、オオムギ、フスマ、脱脂米ヌカ、ダイズ油粕、
コーングルテンフィードなど、20の飼料原料を選択す
るとともに、粗蛋白、粗脂肪、粗繊維、粗灰分、可消化
粗蛋白質、可消化養分総量など13の栄養素(組成・栄
養価)を選択した。これら栄養素の含有率や飼料原料の
配合率の制約条件および設定したトン当たりの飼料原料
単価をとりまとめて以下の表1に示す。
EXAMPLE As an example of the present invention, the design of a practical compound feed for fattening pigs will be described. When designing the cone,
Milo, barley, bran, defatted rice bran, soybean meal,
Twenty feed ingredients such as corn gluten feed were selected, and 13 nutrients (composition / nutrition value) such as crude protein, crude fat, crude fiber, crude ash, digestible crude protein and total digestible nutrients were selected. Table 1 below summarizes the constraint conditions of the content rate of these nutrients and the mixing rate of the feed raw material and the unit price of the feed raw material per ton set.

【0042】[0042]

【表1】 [Table 1]

【0043】次に、表1中に示した各飼料原料に含まれ
る栄養素の含有率、飼料原料の配合制約条件、栄養素の
配合制約条件および原料単価をもとに、従来技術の項に
示した各制約式と目的関数であるコストの評価式を作成
した。また、GAによる配合設計結果との比較検討を目
的としてLPによる配合設計を行った。
Next, based on the content rate of nutrients contained in each feed raw material, the feed raw material mixture restriction condition, the nutrient mixture restriction condition and the raw material unit price shown in Table 1, the results are shown in the section of the prior art. We created each constraint and cost evaluation formula which is the objective function. Moreover, the composition design by LP was performed for the purpose of comparative examination with the composition design result by GA.

【0044】各飼料原料の配合率を制約条件内で乱数に
より決定するとともに、複数の染色体すなわちポピュレ
ーションとしてコンピュータの2次元のアレイメモリ上
にコーディングを行った。以上の前処理に引き続いて、
本発明の配合飼料設計用GAのメインルーチンである交
叉、エリート戦略、突然変異の各オペレーションをポピ
ュレーションに対して加えるとともに、同処理を繰り返
して行い、ポピュレーションの世代交代を実施した。配
合設計用GAのGAパラメータとして、突然変異率は1
/4〜1の間で4水準、初期個体集団数は300〜15
00の間で同じく4水準設定し設計シミュレーションを
実施した。
The mixing ratio of each feed material was determined by random numbers within the constraint conditions, and a plurality of chromosomes, that is, populations, were coded on the two-dimensional array memory of the computer. Following the above pre-processing,
The crossover, elite strategy, and mutation operations, which are the main routines of the GA for mixed feed design of the present invention, were added to the population, and the same process was repeated to perform generational alternation of the population. The mutation rate is 1 as the GA parameter for GA for formulation design
4 levels between / 4 and 1, the initial number of individuals is 300 to 15
Similarly, 4 levels were set between 00 and a design simulation was performed.

【0045】図7には設計シミュレーションの一例とし
て、LPによる設計と比較した結果を示す。同図から明
らかなようにGAによる最適配合設計はLPを用いた場
合とほぼ同様な結果を得ることができ、表1に示した原
料単価のみに基づく1トン当たりのコストとして約2
6,400円を実現している。一方、組成および栄養価
についてもGAによる最適解とLPによる最適解はほぼ
等しい組成分布を示しており、これらの結果から実用飼
料のGAによる最適配合設計が可能であることが明らか
となった。
FIG. 7 shows the result of comparison with the design by LP as an example of the design simulation. As is clear from the figure, the optimum blending design by GA can obtain almost the same result as when LP is used, and the cost per ton based on the raw material unit price shown in Table 1 is about 2
Achieved 6,400 yen. On the other hand, regarding the composition and the nutritional value, the optimum solution by GA and the optimum solution by LP show almost the same composition distribution, and it was clarified from these results that the optimum blending design by GA of the practical feed is possible.

【0046】図8には同じくGAによる設計シミュレー
ションの一例として、配合設計コストの計算式に飼料原
料の使用量が増加するとともにトン当たり単価が徐々に
減少する条件を想定したべき関数や、あるいは使用量に
境界を設定しその境界を越えると飼料原料のトン当たり
単価が一定金額減少する条件を想定した区間線形条件な
どの非線形項を導入するとともに、配合飼料を100t
作ると仮定してシミュレーションを行った結果を示す。
FIG. 8 also shows, as an example of a design simulation by GA, a function that should be assumed in the formula for calculating the blending design cost and the condition that the unit price per ton gradually decreases as the amount of feed raw material used increases, or Introducing non-linear terms such as interval linear conditions assuming that the unit price per ton of feed material decreases by a certain amount if a boundary is set for the amount and the amount exceeds 100 t
The result of the simulation is shown below.

【0047】同図中には比較検討のためにLPによる設
計結果も合わせて示した。GA解とLP解の間には、コ
ーンとマイロなど特定の飼料原料において最適配合率が
大きく異なる結果となっている。GA解では原料単価に
一部非線形項を導入したことにより、栄養組成・栄養価
の制約条件を満たすために、いわゆる取り合い現象が認
められる。また、GA解ではコスト面において、LP解
に対して約2%程度のコスト削減効果が認められた。
In the same figure, the design results by LP are also shown for comparison. There is a large difference between the GA solution and the LP solution in the optimum compounding ratio in specific feed materials such as corn and milo. The GA solution introduces a non-linear term in the raw material unit price, so that a so-called conflict phenomenon is recognized in order to satisfy the constraint conditions of nutritional composition and nutritional value. In addition, the cost of GA solution was about 2% lower than that of LP solution.

【0048】同シミュレーション結果を栄養組成・栄養
価についてみると、図9に示すとおりGA解およびLP
解ともに大きな違いは認められなかった。以上の結果に
より、本発明の遺伝的アルゴリズムを援用した飼料の配
合設計は、従来のLPによる設計と同様に栄養組成・栄
養価の制約条件を満たしつつ、コスト削減を実現し得る
ことが明らかとなった。
Looking at the nutritional composition and nutritional value of the simulation results, as shown in FIG.
No significant difference was found in the solutions. From the above results, it is clear that the feed composition design incorporating the genetic algorithm of the present invention can realize the cost reduction while satisfying the constraint conditions of the nutritional composition and the nutritional value similarly to the conventional LP design. became.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明の遺伝的アルゴリズムを援用した
家畜飼料の配合設計によれば、以下のような効果が得ら
れる。飼料原料の配合率や栄養素の含有率などの制約式
やコストの計算式が線形であるか非線形であるかを問わ
ず、自由にコンピュータのソフトウェア上で設定可能で
ある。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the blending design of livestock feed which incorporates the genetic algorithm of the present invention, the following effects can be obtained. Regardless of whether the constraint formulas such as the ratio of feed ingredients and the content ratio of nutrients and the formulas for calculating costs are linear or non-linear, they can be freely set by computer software.

【0050】また、配合飼料の高機能化を目的として多
数の飼料原料を混ぜ合わせる場合においても、熟練の配
合設計技術者の経験に近い配合設計を実現可能である。
さらに、線形計画法による設計に比べて配合コストを削
減することができるとともに、制約条件に対する柔軟性
が高いなどの効果がある。
Further, even when a large number of feed ingredients are mixed for the purpose of enhancing the functionality of the compound feed, it is possible to realize a compound design close to the experience of a skilled compound design engineer.
Further, compared to the design by the linear programming method, the compounding cost can be reduced, and the flexibility with respect to the constraint condition is high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の遺伝的アルゴリズムを用いた配合設計
処理の流れ図である。
FIG. 1 is a flow chart of a blending design process using a genetic algorithm of the present invention.

【図2】遺伝的コーディングの概念の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the concept of genetic coding.

【図3】生物個体集団の発生の概念の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a concept of generation of a biological individual population.

【図4】交叉処理の概念の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a concept of crossover processing.

【図5】突然変異処理の概念の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a concept of mutation processing.

【図6】本発明において採用した染色体集団(ポピュレ
ーション)におけるGAオペレーションである交叉処
理、エリート戦略および突然変異処理を示す説明図であ
る。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a crossover process, an elite strategy, and a mutation process that are GA operations in a chromosome population (population) adopted in the present invention.

【図7】本発明の設計シミュレーションの一例を示すグ
ラフである。
FIG. 7 is a graph showing an example of the design simulation of the present invention.

【図8】本発明の設計シミュレーションの一例を示すグ
ラフである。
FIG. 8 is a graph showing an example of the design simulation of the present invention.

【図9】本発明の設計シミュレーションの一例を示すグ
ラフである。
FIG. 9 is a graph showing an example of the design simulation of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古谷 立美 茨城県つくば市松代5−9−43 (72)発明者 南 善行 茨城県稲敷郡茎崎町森の里53ー14 (72)発明者 立花 文夫 茨城県稲敷郡阿見町阿見1881ー16 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tatsumi Furuya 5-9-43 Matsushiro Tsukuba-shi, Ibaraki Prefecture (72) Inventor Yoshiyuki Minami 53-14 Morinosato, Kukizaki-cho, Inashiki-gun Ibaraki Prefecture Fumio Tachibana Ibaraki Prefecture 1881-16 Ami, Ami-machi, Inashiki-gun

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 家畜、家禽、および養殖魚などの飼料の
与えられた栄養成分や飼料原料の制約条件のもとで配合
コストの最小化を計る設計方法において、各栄養素の制
約式ならびに配合設計コストを示す式を作成し、各飼料
原料の配合率を遺伝子としてコーディングし、設計の始
めの段階で初期個体集団を乱数で作成し、交叉および突
然変異などの遺伝的オペレータを繰り返してかけながら
目的関数を最小とする各飼料原料の配合率を最適解とし
て求めていくことを特徴とする飼料の配合設計方法。
1. In a design method for minimizing the compounding cost under the constraint condition of the nutrient components and the feed materials to which the feed such as livestock, poultry, and farmed fish is fed, the constraint formula and the compounding design of each nutrient are provided. Create a formula that shows the cost, code the mixing ratio of each feed ingredient as a gene, create an initial population with random numbers at the beginning of the design, and repeat the genetic operators such as crossover and mutation A method for designing the composition of feed, characterized in that the compounding ratio of each feed material that minimizes the function is obtained as an optimum solution.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200095005A (en) * 2019-01-31 2020-08-10 경북대학교 산학협력단 Interactive Livestock Feed Ration Optimization using Evolutionary Algorithms
KR20220046271A (en) * 2020-10-07 2022-04-14 경북대학교 산학협력단 Precision animal feed formulation using an evolutionary multi-objective approach

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