CC BY
1
проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 196634 Россия, Санкт-Петербург, пос. Тярлево, Фильтровское ш. 3 [email protected], ORCID: 0000-0001-7035-4654 Agroecosystems, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 196634 Filtrovskoje Shosse, 3, Tiarlevo, Saint Petersburg, Russia [email protected], ORCID: 0000-0001-7035-4654
Заявленный вклад авторов Все авторы внесли равный вклад в работу, в равной степени принимали участие в написании рукописи и несут равную ответственность. Authors'contribution All authors made an equal contribution to the work. The authors were equally involved in writing the manuscript and bear the equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов Conflict of interests The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи к публикации The authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
Статья поступила в редакцию: 27.11.2024 Received:27.11.2024
Одобрена после рецензирования:06.12.2024 Approved after reviewing:06.12.2024
Принята к публикации: 10.12.2024 Accepted for publication: 10.12.2024
Научная статья УДК 631.151.2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОТКОРМА СВИНЕЙ
Илья Евгеньевич Плаксинн, Алексей Валериевич Трифанов Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
нilyaplaxm@gmaiLcom
Аннотация. Наращивание производственных объемов свиноводческих предприятий обосновывает необходимость двукратного увеличения производительности труда, а также снижения материальных затрат на производство продукции на 20% и более. Достижение данных показателей возможно за счет применения систем управления, обеспечивающих
автоматическую регулировку производственных процессов в реальном времени. Существующие на сегодняшний день системы управления функционируют на основе контроля за заранее заданными неизменными на длительном временном промежутке значениями, что приводит к нерациональному использованию производственных ресурсов, увеличению стрессовых ситуаций и не позволяет максимально использовать генетический потенциал высокопродуктивных животных. Для решения обозначенных проблем необходима разработка систем управления, предусматривающих динамическое определение показателей технологических процессов на основе изменения физиологического состояния животных в определённый момент производственного цикла. На начальном этапе предлагается осуществлять ежедневный контроль за изменением живой массы животных на протяжении всего производственного цикла, в зависимости от чего определять необходимое количество корма, воды, выход навоза, воздухообмен, температуру и освещенность. Целью исследования являлось моделирование зависимостей изменения потребления корма, воды, выхода навоза, необходимого воздухообмена, температуры, освещенности от увеличения живой массы свиньи на протяжении цикла откорма. Моделирование осуществлялось методами линейной и нелинейной интерполяции на основе нормативных, статистических и экспериментальных данных. Полученные зависимости позволят разработать систему управления производственными процессами, предусматривающую автоматическую корректировку технико-технологических показателей в реальном времени, что обеспечит сокращение производственных издержек, минимизирует риск возникновения стрессовых ситуаций, а также позволит максимально полно реализовать генетический потенциал животных.
Ключевые слова: сельское хозяйство, животноводство, свиноводство, система управления.
Для цитирования. Плаксин И.Е., Трифанов А.В. Теоретические предпосылки к разработке системы управления процессом откорма свиней // АгроЭкоИнженерия. 2024. № 4 (121). С. 112-131 https://doi.org/
Research article
Universal Decimal Code 631.151.2
THEORETICAL BACKGROUND TO THE DEVELOPMENT OF A PIG FATTENING
MANAGEMENT SYSTEM
Ilya E. PlaksinH, Alexey V. Trifanov
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Saint Petersburg, Russia
Abstract. The increase in production on pig farms justifies the need to double labour productivity and reduce material production inputs by 20% or more. Achieving these indicators is possible through the use of control systems that allow automatic, real-time adjustment of production processes. Existing control systems monitor preset parameter values that remain unchanged for long periods of time. This leads to irrational use of production resources, an increase in stress situations and prevents the genetic potential of highly productive animals from being fully exploited. To solve
the above problems, it is necessary to develop control systems that allow the dynamic definition of process indicators based on changes in the physiological state of the animals at a given point in the production cycle. In the initial stages, it is suggested that daily monitoring of changes in the animals' live weight throughout the production cycle be used to consistently determine the required amount of feed, water, manure output, air exchange, temperature, and lighting. The aim of this study was to model the relationships between changes in feed and water consumption, manure yield, air exchange requirements, temperature and lighting and live weight gain of pigs during the fattening cycle. For modeling, the study applied linear and non-linear interpolation methods based on regulatory, statistical, and experimental data. The obtained dependencies will allow creating a production process management system that provides for automatic, real-time adjustment of technical and technological indicators. This will reduce production costs, cut the risk of stress situations, and make full advantage of the genetic potential of animals.
Key words: agriculture, animal husbandry, pig farming, management system.
For citation: Plaksin I.E., Trifanov A.V. Theoretical background to the development of a pig fattening management system. AgroEcoEngineering. 2024; 4 (121): 112-131. (In Russ.) https://doi.org/
Введение. На сегодняшний день развитие отрасли сельского хозяйства напрямую связано с внедрением цифровых технологий (интернет вещей, робототехника, искусственный интеллект, анализ больших данных, электронная коммерция и др.), что обусловлено необходимостью двукратного увеличения производительности труда в расчете на одного работника с единовременным снижением доли материальных затрат в себестоимости продукции на 20% и более [1].
В подотрасли свиноводства наблюдается тенденция на наращивание предприятиями производственной мощности, что обосновывает необходимость внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами обеспечивающих строгое выполнение требований к контролю значений факторов, от которых зависит продуктивность животных [2].
Существующие на сегодняшний день системы осуществляют управление исходя из нормативных заранее заданных неизменных на длительном временном промежутке значений, таких как потребление корма, воды, выход навоза, необходимого воздухообмена, температуры воздуха и т.д, без учета физиологического и психоэмоционального состояния животных, что не позволяет достичь необходимого уровня эффективности производства ввиду нерационального использования производственных ресурсов, большого количества стрессовых ситуаций, а также неполной реализации генетического потенциала высокопродуктивных животных [3,4].
Для решения данной проблемы необходима разработка современных инновационных систем управления, отслеживающих изменения состояния самого животного (температура, масса, процент жировой ткани, физиологическая активность, оксигенация, аппетит, жажда и т.д.), что позволит сократить производственные издержки за счет удовлетворения потребностей животных в кормах, воде, оптимальном микроклимате в реальном времени, что в свою очередь обеспечит снижение количества стрессовых ситуаций возникающих в следствии конкурентной борьбы за корма и воду, а также резкого изменения температуры, воздухообмена и освещённости в производственном помещении.
На начальном этапе предлагается осуществлять ежедневный контроль изменения массы животных на протяжении всего производственного цикла. В зависимости от
изменения массы осуществлять управление технологическими процессами кормления,
поения, навозоудаления и организации микроклимата, то есть определять количество корма,
воды, выход навоза, воздухообмен, температуру и освещенность в виде сложной функции от
изменения массы в каждый момент времени производственного цикла:
т,у,д,У,Т,1= /(М(0)
где: 771,17, д,У,Т,Ь - потребление корма, воды, выход навоза, воздухообмен,
температура, освещенность; М ( 0 - изменение массы в процессе производственного цикла.
Целью данной работы являлось моделирование зависимостей изменения
потребления корма, воды, выхода навоза, необходимого воздухообмена, температуры,
освещенности от увеличения живой массы свиньи на протяжении цикла откорма.
Материалы и методы исследований. Для определения зависимостей изменения
потребления корма, воды, выхода навоза, необходимого воздухообмена, температуры,
освещенности от увеличения живой массы свиньи на протяжении цикла откорма было
проведено численное моделирование методами линейной и нелинейной интерполяции на
основе нормативных, статистических и экспериментальных данных.
Результаты. При построении математических моделей считаем, что цикл откорма
свиней составляет 100 дней с постановкой на откорм поросят в возрасте 90 дней.
Определение потребления корма, производятся с учетом изменения живой массы
свиньи, определяемой на основе нормативных данных среднесуточного потребления корма
12
(таблица 1) и его коэффициента конверсии равного 2,8 [5,6] .
Таблица 1. Показатели среднесуточного потребления корма свиньями в различные
промежутки цикла откорма Table 1. Average daily feed intake of pigs at different intervals of the fattening cycle
День откорма 90100 101105 106117 118129 130141 142153 154165 166177 178189
Среднесуточное потребление корма, (кг/гол) 1,25 1,55 1,65 1,75 2 2,15 2,25 2,35 2,55
Согласно приведенным значениям среднесуточного потребления корма определим среднесуточный привес одной свиньи на каждом временном промежутке откормочного цикла:
ДМ = ^кнорм (1)
к 4 '
где: ДМ - среднесуточный привес свиньи на откорме, (кг/сут.); тк норм-среднесуточное потребление корма свиньей на откорме, (кг/сут); - коэффициент конверсии корма. Полученные значения среднесуточных привесов приведены в таблице 2.
12 Сколько ест свинья [Электронный ресурс] URL: https://www.bolshoyvopros.ru/questions/1344966-skolko-est-svinja.html (дата обращения 8.11.2024)
Таблица 2. Среднесуточные привесы свиней на откорме Table 2. Average daily weight gain of fattening pigs
День откорма 90100 101105 106117 118129 130141 142153 154165 166177 178189
Среднесуточные привесы, (кг/сут) 0,45 0,55 0,59 0,63 0,71 0,77 0,8 0,84 0,91
Запишем целевую функцию изменения живой массы свиньи за цикл откорма исходя из пропорциональности массы количеству дней каждого промежутка цикла, в качестве коэффициента пропорциональности в данном случае выступает показатель среднесуточного привеса на каждом временном промежутке цикла.
М (9 0) + ДМ9 ! _ ! о о ■ ( £ - 9 0 ) ,если 9 1 < £ < 1 0 0 М ( 1 0 0) + ДМХ о ! _ ! о 5 ■ ( £ - 1 0 0) ,если 1 0 1 < £ < 1 0 5
М( 105) + ДМ106_117 ■ (t ■ М(117) +ДМ118_129- (t-M(t) = <jM(129)+AM13o_14i-(t М(141) + ДМ142_153 ■ (t ■ М(153) + ДМ154_165 ■ (t ■ М(165) + ДМ166_177 ■ (t ■ .М(177) + ДМ178_189 ■ (t ■
1 0 5) , если 1 0 6 < £ < 1 1 7
если если если если если если
(2)
где: М- живая масса свиньи на откорме, (кг), -день откорма, (сут.). На рисунке 1 приведен график изменения живой массы свиньи при учете среднего значения данного показателя при постановке на откорм составляющего 37 килограмм [7,8].
110
100
90
80
в
-с В В и
о СЗ
8 70
60
и в
* 50
40
30
90 100 110 120 130 140 150
День откорма, сут
160
170
180
190
Рис.1. Изменение живой массы свиньи за цикл откорма Fig.1. Change in pig live weight over the fattening cycle Для определения потребления корма свиньей запишем целевую функцию считая, что потребление корма на каждом из временных промежутков цикла откорма прямо
пропорционально количеству дней в данном промежутке, а коэффициент пропорциональности Дтпр - среднесуточный прирост потребления корма в каждом временном промежутке является постоянным:
т ( 9 0) + Дтпр(9 1 _ 1 0 0) ■ ( * - 9 0) , если 9 0 < * < 1 0 0 т ( 1 0 0) + Дтпр( ! 0 ! _ ! 0 5) ■ ( * - 1 0 0 ) ,если 1 0 1 < * < 1 0 5 т ( 1 0 5) + Дтпр( г 0 6 _ г г 7) ■ ( * - 1 0 5 ) ,если 1 0 6 < * < 1 1 7 пр если
т ( *) = т ( 1 2 9 ) + Дтпр ( 1 3 0 _ 1 4 1 ) ■ ( * - 1 2 9) ,если 1 3 0 < * < 1 4 1 (3)
пр если
пр если
пр если
пр если
где: да- масса корма, (кг); день откорма, (сут.)
Запишем выражение для определения среднесуточного прироста потребления корма на каждом временном промежутке цикла откорма:
Ат
(4)
д _ Д^К.норм
ДГПпР _
где: Д т
к.норм
разница нормативных показателей потребления корма последующих временных промежутках, (кг/сут.); Д Г- количество дней в промежутке откормочного цикла, (сУт)
Полученные значения среднесуточного прироста потребления корма приведены в таблице 3.
Таблица 3. Среднесуточный прирост потребления корма Table 3: Average daily feed intake growth rate
День откорма 90100 101105 106117 118129 130141 142153 154165 166177 178189
Среднесуточный прирост потребления корма, (кг/сут.) 0,027 0,02 0,008 0,02 0,013 0,008 0,008 0,017 0,02
На рисунке 2 представлен график изменения суточного потребления корма свиньей за цикл откорма.
2,8 2,6
к
сЗ 2 4
S 2,4 а
§ 2,2
(D
S SC
ё ю
£ I,8
о
в 1,6
(D О
® 1,4
о
н
¿у 1,2
2
90 100 110 120 130 140 150
День откорма,сут
160
170
180
190
Рис.2. Изменение суточного потребления корма свиньей за цикл откорма Fig.2. Change in daily feed intake of a pig over the fattening cycle
Для определения зависимости изменения потребления корма от роста живой массы свиньи запишем целевую функцию действительного аргумента, в которой коэффициентом пропорциональности является отношение изменения суточного потребления корма свиньей к среднесуточным привесам на каждом временном промежутке цикла откорма:
гп(М) =
т к(М ( 9 0 ) ) + Дтпр ( 9 ! -100) 1 ДМ91_ 100 (м - м(90)), если М ( 9 0 ) < М < М(100)
тк (М(100)) + Д тпр ( 1 0 1 - 105) 1 AMioi- -105 (м -М( 100) ,если М(101) < м < М( 105)
тк(М( 105)) + Дтпр ( 1 0 6 - 117) 1 ДМюб- -117 (м -М( 105) ,если М(106) < м < М(117)
mfc(M( 117)) + Дтпр( 1 1 8 - 129) 1 ДМ„8- -129 (м — М(117) , если М(118) < м < М(129)
тк(М( 129)) + Дтпр ( 1 3 0 - 141) 1 дм130- -141 (м -М( 129) если М(130) < м < М(141)
тк(М( 141)) + Д тпр ( 1 4 2 - 153) 1 ДМ142_ -153 (м — М(141) если М(142) < м < М( 153)
тк(М( 153)) + Дтпр ( 1 54 - 165) 1 дм154_ -165 (м -М( 153) если М(154) < м < М(165)
тк(М( 165)) пр 177) 1 АМ166_ -177 (м -М( 165) если М(166) < м < М(177)
mfc(M( 177)) пр 189) 1 дм178_ -189 (м — М(177) если М(178) < м < М(189)
(5)
На рисунке 3 представлен график изменения потребления корма от увеличения живой массы свиньи.
1
b 2'8
C3
S 2,6
a
§
* 2,4
s и
5 2 2
4 2,2
ю
<D
о a
<D О
и tr о f-
£
1,8 1,6 1,4 1,2
37
47
57 67 77
Живая масса свиньи,кг
87
97
107
Рис.3. Изменение суточного потребления корма в зависимости от роста живой массы свиньи Fig. 3. Variation of daily feed intake depending on pig live weight growth Согласно статистическим данным на 1 килограмм сухого корма свиньи потребляют 2,5 литра воды, пользуясь данными среднесуточного потребления корма (таблица 1),
13
запишем значения по среднесуточному потреблению воды в таблицу 4 [9] .
1
Таблица 4. Среднесуточное потребление воды свиньями в различные промежутки
цикла откорма
Table 4. Average daily water consumption of pigs at different intervals of the fattening cycle
День откорма 90100 101105 106117 118129 130141 142153 154165 166177 178189
Среднесуточное потребление воды, (л/гол) 3,125 3,875 4,125 4,375 5 5,375 5,625 5,875 6,375
Запишем целевую функцию зависимости потребления воды свиньей, считая, что потребление воды на каждом временном промежутке цикла откорма прямо пропорционально количеству дней данного промежутка, где коэффициент пропорциональности Лvпр среднесуточное изменение потребления воды, являющееся постоянным на каждом временном промежутке.
Общая программа кормления молодняка [Электронный ресурс] https://rostokkorm.ru/wp-content/uploads/2022/09/схема-свиньи.pdf (дата обращения 8.11.2024)
119
V ( 9 0 ) + Д vnр(9 1 _ 1 о о ) ■ ( * - 9 0 ) ,если 9 0 < * < 1 О О
V ( 1 0 0) + Д Vпр( 1 о 1 _ 1 о 5 ) ■ ( * - 1 0 0) ,если 1 0 1 < * < 1 0 5
V ( 1 0 5) + Д vnр ( 1 о 6 _ 1 1 7) ■ ( * - 1 0 5) ,если 1 0 6 < * < 1 1 7 пр если
V ( *) = V ( 1 2 9 ) + Д Vпр ( 1 з о _ 14 1) ■ ( * - 1 2 9 ) ,если 1 3 0 < * < 1 4 1 (6)
пр если
пр если
пр если
пр если
где: V - объем воды, (л); день откорма, (сут.)
Определение среднесуточного прироста потребления воды выполняется аналогично определению среднесуточного прироста потребления корма по выражению (4), при учете значений потребления воды в начале откорма - 3,125 литра (таблица 4) и конце откорма -7,124 литра, полученного исходя из нормативного значения потребления корма свиньей при ее откорме более 190 дней, составляющего 2,85 килограмма и принятого значения количества воды, потребляемого свиньей на килограмм сухого корма - 2,5 литра [5]. Полученные данные приведены в таблице 5.
Таблица 5. Среднесуточный прирост потребления воды Table 5. Average daily increase in water consumption
День откорма 90100 101105 106117 118129 130141 142153 154165 166177 178189
Среднесуточный прирост потребления воды, 0,068 0,05 0,02 0,05 0,03 0,02 0,02 0,04 0,06
(л/сут.)
На рисунке 4 представлен график изменения среднесуточного потребления воды свиньей за цикл откорма.
7,5
3
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
День откорма,сут
Рис.4. Изменение суточного потребления воды свиньей за цикл откорма
Fig. 4. Change in daily water consumption of pigs over the fattening cycle
Для определения зависимости изменения потребления воды от роста живой массы свиньи запишем целевую функцию действительного аргумента в которой коэффициентом пропорциональности является отношение изменения суточного потребления воды свиньей к среднесуточным привесам на каждом временном промежутке цикла откорма:
r Vfc(M (9 0) ) + Д1^(91 -100) 1 Д M91_ 100 (M - M(90)), если M ( 9 0 ) < M < M ( 1 0 0 )
V/ (M ( 1 0 0) ) + Д^ i о i - -105) 1 AMioi- -105 (M -M(100) , если М(101) < М < М( 105)
V/ (M ( 1 0 5) ) + Д v Пр ( i о 6- -117) 1 AM106- -117 (M -M( 105) , если М(106) < М < М(117)
Vfc(M ( 1 1 7) ) + Д vrap ( i i 8 - -129) 1 AMiis- -129 (M — M(117) ,если М(118) < М < М( 129)
V/c (M ( 1 2 9) ) + Д^р i 3 о - -141) 1 AM130- -141 (M -M( 129) , если М(130) < М < М( 141)
V/c (M ( 14 1) ) + Д^р M2 - -153) 1 AM142_ -153 (M — M(141) , если М(142) < М < М( 153)
Vfc(M(153)) + Д^р(!54- -165) 1 A M154_ -165 (M -M( 153) если М(154) < М < М( 165)
Vfc(M(165)) + Д^р(^б- -177) 1 AM166- -177 (M -M( 165) если М(166) < М < М(177)
vfc(M(177)^V,p(i78- -189) 1 AM178_ -189 (M -M( 177) если М(178) < М < М( 189)
(7)
На рисунке 5 представлен график изменения потребления воды от увеличения живой массы свиньи.
37 47 57 67 77 87 97 107
Живая масса свиньи,кг
Рис.5. Изменение потребления воды от увеличения живой массы свиньи Fig. 5. Variation of water consumption from increasing pig live weight Исходя из данных изменения массы откормочной свиньи M(t) и нормативных показателей выхода навоза (Таблица 6) определим выход навоза за откормочный цикл в зависимости от роста живой массы свиньи [10,11].
Таблица 6. Нормативные показатели выхода навоза от свиньи на откорме в
зависимости от ее массы Table 6. Normative manure yield of a fattening pig depending on its weight
121
Масса свиньи, (кг) 35-40 40-80 80-110
Норма выхода навоза, (кг) 3,5-5,1 5,1-6,6 6,6-9,08
Выход навоза в каждом из трех указанных массовых промежутков прямо -пропорционален массе свиньи или §(М)=кМ+Ь. Причем коэффициент пропорциональности к для каждого промежутка является постоянным. Постоянные к и Ь определяются нормативными показателями выхода навоза рассматриваемого массового промежутка.
На массовом промежутке (М £ [35-40]) постоянные к и Ь являются решением линейной системы:
35 к + Ь = 3,5 40 к + Ь = 5,1 и имеют значения: к=0,32; Ь=-7,7.
Аналогично определяются значения постоянных k и Ь на всех массовых промежутках.
Таким образом выход навоза при изменении живой массы свиньи g(M) является кусочно-линейной функцией действительного аргумента:
( 0, 3 2 М - 7, 7, если 3 5 < М < 40 д (М) = I 0 , 0 1 2 5 М + 4, 6, если 4 0 < М < 8 0 (8)
если
На рисунке 6 представлен график изменения выхода навоза от увеличения живой массы свиньи при использовании линейной интерполяции.
9
8,5 ^^
гк, 8
,а
О 7,5
%
н 7
ч
о X 3 6,5
в
« 3 6
н 1-Н
М О h 5,5
¿т 5
4,5
4
37 47 57 67 77 87 97 107
Живая масса свиньи,кг
Рис.6. Изменение выхода навоза от увеличения живой массы свиньи Fig. 6. Change in manure yield from increasing pig live weight Для устранения образовавшихся в процессе моделирования скачков целесообразно построение интерполяционного многочлена методом Лагранжа [12,13].
Выберем из полученного множества значений выхода навоза 3 точки и запишем их значения и значения массы свиньи, соответствующие им в таблицу 7.
Таблица 7. Соответствующие значения живой массы свиньи и массы навоза за цикл
откорма
Table 7. Corresponding values of pig live weight and manure weight per fattening cycle
1 2 3
Масса свиньи (М), кг 37 65,28 107,25
Масса навоза g(M), кг 4,14 5,42 8,86
Запишем выражение интерполяции в общем виде:
■■з г „ . ггз
м-м
(9)
После вычисления многочленов запишем итоговый интерполяционный многочлен:
д (М) = 0,000522443М2 - 0,008 17 383М + 3, 72 72 1 (10)
На рисунке 7 представлен график заданной целевой функции (10)
8,5
S 7,5 £
ан 7 ч о
а 6,5
л
в
« 6 Л
н
tr
о ¡-
5,5
¿у
4,5
37
47
57 67 77
Живая масса свиньи,кг
87
97
107
Рис.7. Изменение выхода навоза от увеличения живой массы свиньи Fig. 7. Change in manure yield from increasing pig live weight Учитывая изменения значений живой массы свиньи (рис.1), а также рекомендованный объем воздухообмена для каждого периода года, запишем выражение для определения необходимого воздухообмена в каждый день откормочного цикла:
V0=M (t)-v„ (11)
где: V - необходимый воздухообмен, (м /ч); vH - нормативный показатель воздухообмена в зависимости от периода года, (м /ч).
Построим графики изменения воздухообмена в зависимости от изменения массы свиньи с учетом периода года и нормативных значений воздухообмена (РД-АПК 1.10.02.0412), составляющих в холодный период года 30 м /ч, в переходный - 45 м /ч, в теплый период
3 и
года - 60 м /ч на 1 ц живой массы (рис. 8)
9
8
5
4
-Необходимый воздухообмен в холодный период года, (м3/ч)
-Необходимый воздухообмен в переходный период года, (м3/ч)
-Необходимый воздухообмен в теплый период года, (м3/ч)
Рис. 8. Изменение воздухообмена в зависимости от роста живой массы свиньи с учетом
периода года
Fig. 8. Variation of air exchange as a function of pig live weight growth with respect to the period
of the year
Согласно рекомендациям, к проектированию свиноводческих предприятий (РД-АПК 1.10.02.04-12) для первого периода откорма свиней, длящегося с 90 по 160 день, оптимальная температура составляет 18оС, для второго периода откорма с 160 по 190 день данный показатель равен 16оС.
В данном случае, при выполнении линейной интерполяции зависимости температуры от увеличения живой массы свиньи, в точке М(160)=82,25 кг будет резкое падение значения температуры, что не адекватно описывает процесс.
Для решения обозначенной проблемы, аналогично определению зависимости выхода навоза от увеличения живой массы свиньи, целесообразно применение метода Лагранжа.
В таблицу 8 запишем значения температуры, являющиеся оптимальными для начала и конца цикла откорма, а также значение температуры в точке М(160) которое является их средним арифметическим, и соответствующие значения массы свиньи.
Таблица 8. Соответствующие значения живой массы свиньи и температуры за цикл
откорма
Table 8. Corresponding values of pig live weight and temperature per fattening cycle
1 2 3
Масса свиньи (М), кг 37 82,25 107,25
Температура Т(М), оС 18 17 16
Выражение интерполяции аналогично выражению (8), где узлами интерполирования являются указанные температурные значения.
В результате получено выражение итогового интерполяционного многочлена:
Т (М) = - 0,0002 548 12М2 + 0,0082 869М + 18,0422 (12)
На рисунке 9 представлен график заданной целевой функции (12)
18,5
18
о (о и s о и н
0
4
1 о 17,5 § °°
Я
х я
о о « е
03
а
¡у
а
(D
е
5 о Н
17
16,5
16
15,5
37
47
57 67 77
Живая масса свиньи,кг
87
97
107
Рис.9. Изменение температуры в зависимости от роста живой массы свиньи за цикл откорма Fig. 9. Temperature change as a function of pig live weight growth over the fattening cycle Согласно анализа литературных источников, освещенность для поросят после отъема до четырехмесячного возраста (120 дней) должна составлять 50 лк, для свиней первого периода откорма (до 160 дней) - 30 лк, и для свиней второго периода откорма (от 160 до 190 дней) 20 лк14. Также опубликованы данные том, что снижение освещенности до 10 лк способствует сокращению двигательной активности свиней на откорме на 33% и увеличению времени отдыха на 6,4%, что положительно сказывается на среднесуточных привесах ввиду более эффективного использования энергии корма, а также способствует снижению стрессовых ситуаций15.
Запишем значения изменения массы свиньи на откорме M(t) и соответствующие им значения освещенности в определенный момент времени цикла откорма в таблицу 9.
Таблица 9. Соответствующие значения живой массы свиньи и освещенности за цикл
откорма
Table 9. Corresponding pig live weight and illumination values per fattening cycle
Масса свиньи M(t), кг М(90)-М(120) М(120)-М(160) М(160)-М(189)
Освещенность L, лк 50-30 30-20 20-10
В данном случае целесообразно выполнение линейной интерполяции, подразумевающей прямую пропорциональность освещенности массе свиньи на каждом из массовых промежутков с постоянным коэффициентом пропорциональности.
Нормы естественного и искусственного освещения животноводческих помещений [Электронный ресурс] https://studflle.net/preview/5709873/page:20/ (дата обращения 8.11.2024)
15 Какой свет нужен в свинарнике? [Электронный ресурс]
https://agrobelarus.by/articles/nauka/kakoy_svet_nuzhen_v_svinarnike_/?ysclid=m34bf9c1jd686846702 (дата
обращения 8.11.2024)
Для каждого из промежутков запишем систему уравнений вида L(M)=kM+b для определения значений постоянных к и Ь, полученные значения сведем в таблицу 10.
Таблица 10. Значения постоянных соответствующих определенному массовому
промежутку
Table 10. Values of constants corresponding to a certain mass gap
Масса свиньи M(t), кг М(90)-М(120) М(120)-М(160) М(160)-М(189)
k -1,23 -0,35 -0,4
b 95,51 48,6 52,9
Согласно определенным значениям постоянных к и Ь запишем целевую функцию действительного аргумента изменения освещенности в зависимости от роста живой массы свиньи.
( - 1, 2 3 М + 9 5, 5 1, если 3 7 < М < 5 3 , 2 2 I(М) = ! - 0, 3 5М + 48, 6, если 5 3,2 2 < М < 82,2 5 (13)
если
На рисунке 10 представлен график заданной целевой функции (13)
Живая масса свиньи,кг
Рис.10. Изменение освещенности в зависимости от роста живой массы свиньи за цикл
откорма
Fig. 10. Variation of illumination as a function of pig live weight growth over the fattening
cycle
Обсуждение. На сегодняшний день потребление корма, воды, выход навоза, воздухообмен, температура производственного помещения и его освещенность на протяжении цикла откорма свиней определяется согласно нормативным значениям, приведённым для длительных временных промежутков, на протяжении которых происходят значительные изменения физиологического состояния животных, что приводит к нерациональному использованию производственных ресурсов и способствует возникновению стрессовых ситуаций, например количество корма в начале определенного временного промежутка может быть избыточным для животных, что приводит к его не
полному поеданию, разбрасыванию и попаданию в навоз, тем самым увеличивая производственные издержки, тогда как в конце данного временного промежутка количество корма является недостаточным, ввиду увеличения живой массы животных, что приводит к снижению продуктивности и обострению конкурентной борьбы за корм.
Согласно мнению, обозначенному в ряде публикаций определение основных технико-технологических показателей, должно осуществляется регулярно и зависеть от изменения физиологического состояния животных в определённый момент производственного цикла [14,15].
Реализация данного подхода возможна за счет разработки систем управления принцип работы, которых основан на отслеживании физиологического состояния животных (например, изменения живой массы) и оперативном определении соответствующих значений технико-технологических показателей.
В данной работе приведены математические модели изменения потребления корма, воды, выхода навоза, воздухообмена, температуры производственного помещения и его освещенности в зависимости от роста живой массы свиньи. Полученные в результате моделирования зависимости в дальнейшем будут использованы для разработки программы функционирования системы управления процессом откорма свиней на предприятиях различного типоразмера.
Выводы. Разработанные модели зависимости потребления корма, воды, выхода навоза, изменения воздухообмена, температуры и освещенности от увеличения живой массы свиньи на протяжении цикла откорма позволят разработать систему управления производственными процессами свиноводческого предприятия обеспечивающую сокращение производственных издержек за счет удовлетворения потребностей животных в кормах, воде, оптимальном микроклимате в реальном времени, что в свою очередь обеспечит снижение количества стрессовых ситуаций возникающих в следствии конкурентной борьбы за корма и воду, а также резкого изменения температуры, воздухообмена и освещённости в производственном помещении.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Цифровое сельское хозяйство. Ведомственный проект. М.: Росинформагротех. 2019. 48 с. URL: https://rosinformagrotech.ru/data/elektronnye-kopii-izdanij/normativnye-dokumenty-spravochniki-katalogi-i-dr/send/66-normativnye-dokumenty-spravochniki-katalogi/1346-vedomstvennyj -proekt-tsifrovoe-selskoe-khozyajstvo-2019?ysclid=m3h1 doctnd218328663
2. Селюк Ю.Н., Бондарчук О.В. Перспективные направления разработки систем управления микроклиматом животноводческих помещений // Актуальные вопросы в развитии АПК: новые тенденции и инновации. Дулатовские чтения-2023: матер. XV Межд. науч.-практ. конф. Костанай: Костанайский инженерно-экономический университет им. М. Дулатова, 2023. С. 251-254. URL: https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/20529/1/perspektivnye-napravleniya-razrabotki-sistem-upravleniya-mikroklimatom-zhivotnovodcheskih-pomeshchenij.pdf
3. Третьякова О.Л., Свинарев И.Ю, Святогоров Н.А. Оценка инновационных технологий в свиноводстве // Селекция и технология производства продукции животноводства: Матер. Межд. науч.-практ. конф. (пос. Персиановский, 10 февраля 2021 года). Пос. Персиановский: Донской ГАУ. 2021. С. 98-108. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45844213
4. Лютых О. Технологичная среда: новые тенденции в свиноводстве // Эффективное животноводство. 2020. № 5(162). С. 11-16. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43832828
5. Сорокин Н.Т., Виноградов В.Н., Ильин И.В., Смолинский А.А. и др. Методические рекомендации по проектированию технологий содержания, кормления и поения свиней различных половозрастных групп. М.: Росинформагротех. 2009. 86 с.
6. Пермяков А. Оптимизация производства свинины // Животноводство России. 2021. № 1. С .24-25. URL: https://static.zzr.ru/public/article/pdf/zzr-2021 -01 -007.pdf
7. Мирошниченко О. Н., Дорохина Э. Э. Формирование продуктивных качеств молодняка свиней на откорме под влиянием тетрабиотика // Научные разработки и инновации в решении приоритетных задач современной зоотехнии. Матер. Всерос. (национальной) науч.-практ. конф. (Курск, 16 марта 2022 г.). Курск: Курская ГСХА. 2022. С. 205-210. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=qkqkge&ysclid=m3h1atqr8z287884275
8. Плясунов Е. Д., Матросова Ю. В. Влияние генотипа на воспроизводительные качества свиноматок и показатели роста поросят // Вестник Курганской ГСХА. 2020. №. 1 (33). С. 4547. URL: https://kgsu.ru/upload/iblock/62f/qk34gv7cvni23zp1mhw2lt7znp5iw1r9.pdf
9. Черный Н. В. Технология содержания влияет на прибыль // Животноводство России: Свиноводство. 2020. №. 10. С. 35-38. https://doi.org/10.25701/ZZR.2020.74.42.001
10. Андреев В. А., Новиков М. Н., Лукин С. М. Использование навоза свиней на удобрение. М.: Росагропромиздат, 1990. 94 с.
11. Безуглов В. Г. Экологическая обстановка на животноводческих комплексах, фермах, птицефабриках и прилегающих к ним территориях // АгроЭкоИнфо. 2013. №. 1. С. 3. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=21779618
12. Нгуен В. В., Попов С. С. Применение метода наименьших квадратов и метода лагранжа при обработке результатов эксперимента // Сборник избранных статей по материалам научных конференций ГНИИ «Нацразвитие» (Санкт-Петербург, 27-31 августа 2020 г.). СПб.: Науразвитие. 2020. С. 51-53. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44020314
13. Филиппова Е. Г. Применение интерполяции для поиска экстремума функции, заданной таблично // Применение информационных технологий и математического моделирования при решении исследовательских задач. Сб. науч. тр. Вып. 5 (253) / Под науч. ред. Г.А. Тимофеевой, О.В. Куликовой. Екатеринбург: Уральский государственный университет путей сообщения. 2023. С. 105-113. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=sgutaj
14. Юрочка С.С., Хакимов А.Р., Павкин Д.Ю., Базаев С.О., Комков И.В. Обзор исследований и технологий, применимых для цифровизации процесса оценки экстерьера животных в мясном и молочном животноводстве // Аграрная наука. 2024. №4. С. 114-122. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2024-381-4-114-122
15. Лысенко Ю. Реалии современного свиноводства // Эффективное животноводство. 2022. №. 3(178). С. 39-43. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48869390
REFERENCES
1. Digital agriculture. Departmental project. Moscow: Rosinformagrotech. 2019. 48 c. (In Russ.) URL: https://rosinformagrotech.ru/data/elektronnye-kopii-izdanij/normativnye-dokumenty-spravochniki-katalogi-i-dr/send/66-normativnye-dokumenty-spravochniki-katalogi/1346-vedomstvennyj -proekt-tsifrovoe-selskoe-khozyajstvo-2019?ysclid=m3h1doctnd218328663
2. Seluk Y.N., Bondarchuk O.V. Perspective directions of development of microclimate control systems of livestock buildings. In: Actual issues in the development of agroindustrial complex: new trends and innovations. Dulatov Readings-2023: Proc. XV Int. Sci. Prac. Conf. Kostanay: Kostanay Engineering and Economic University named after M. Dulatov. 2023:251-254. (In Russ.) URL:
https://rep.bsatu.by/bitstream/doc/20529/1/perspektivnye-napravleniya-razrabotki-sistem-upravleniya-mikroklimatom-zhivotnovodcheskih-pomeshchenij.pdf
3. Tretyakova O.L., Svinarev I.Yu., Svyatogorov N.A. Evaluation of innovative technologies in pig breeding. In: Breeding and technology of livestock production: Proc. Int. Sci. Prac. Conf. (Persianovskiy Settl., February 10, 2021). Persianovsky Settl.: Donskoy SAU. 2021:98-108. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45844213
4. Lyutykh O. Technological environment: new trends in pig breeding. Effektivnoe zhivotnovodstvo = Efficient Animal Husbandry. 2020;5(162):11-16. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43832828
5. Sorokin N.T., Vinogradov V.N., Ilyin I.V., Smolinsky A.A. et al. Methodical recommendations for designing technologies of housing, feeding and watering of pigs of different age and sex groups. Moscow: Rosinformagroteh. 2009. 86 p. (In Russ.)
6. Permyakov A.1. Optimization of pork production. Zhivotnovodstvo Rossii = Animal Husbandry of Russia. 2021;1:24-25. (In Russ.) URL: https://static.zzr.ru/public/article/pdf/zzr-2021-01-007.pdf
7. Miroshnichenko O.N., Dorokhina E.E. Formation of productive qualities of young pigs on fattening under the influence of tetrabiotic. In: Scientific Developments and Innovations in Solving Priority Problems of Modern Zootechnics. Proc. All-Russian. (National) Sci. Prac. Conf, (Kursk, March 16, 2022). Kursk: Kursk State Agricultural Academy. 2022:205-210. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=qkqkge&ysclid=m3h1atqr8z287884275
8. Plyasunov E.D., Matrosova Yu.V. Genotype influence on reproductive qualities of sows and growth indicators of piglets. Vestnik Kurganskoi GSKhA = Bulletin of the Kurgan State Agricultural Academy. 2020;1:(33):45-47. (In Russ.) URL: https://kgsu.ru/upload/iblock/62f/qk34gv7cvni23zp1mhw2lt7znp5iw1r9.pdf
9. Chyorny N. V. Housing technology has effect on profit. Zhivotnovodstvo Rossii = Animal Husbandry of Russia. 2020;10:35-38. (In Russ.) https://doi.org/10.25701/ZZR.2020.74.42.001
10. Andreev V. A., Novikov M. N., Lukin S. M. Use of pig manure for fertilizer. Moscow: Rosagropromizdat. 1990. 94 p. (In Russ.)
11. Bezuglov V. G. Ecological situation at livestock complexes, farms, poultry farms and adjacent territories. AgroEkoInfo = AGROECOINFO. 2013;1:3. (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=21779618
12. Nguyen V. V., Popov S. C. Application of the method of least squares and Lagrange method in the processing of experimental results. In: Collection of selected articles on the materials of scientific conferences of the State Research Institute "Naurazvitie" (Saint Petersburg, August 27-31, 2020). Saint Petersburg: Naurazvitie. 2020: 51-53. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44020314
13. Filippova E. G. Application of interpolation to find the extremum of the function given in tables. In: Timofeeva G.A., Kulikova O.V. (eds.) Application of information technologies and mathematical modeling in solving research problems. Coll. Sci. Papers. Ekaterinburg: Ural State University of Railway Transport. 2023; 5 (253):105-113. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=sgutaj
14. Yurochka S.S., Khakimov A.R., Pavkin D.Yu., Bazaev S.O., Komkov I.V. Review of researches and technologies applicable to digitalization of the process of assessing the exterior of meat and dairy animals. Agrarnaya nauka = Agrarian Science. 2024;(4):114-122. (In Russ.) https://doi.org/10.32634/0869-8155-2024-381-4-114-122
15. Lysenko Y. Realities of modern pig breeding. Effektivnoe zhivotnovodstvo = Efficient Animal Husbandry. 2022;3(178):39-43. (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=48869390
Об авторах
About the authors
Илья Евгеньевич Плаксин, канд. техн. наук, научный сотрудник, отдел агроэкологии в животноводстве, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Фильтровское шоссе, д. 3, п. Тярлево, Санкт-Петербург, 196634, Россия; [email protected] https://orcid.org/0000-0002-3695-0820
Ilya E. Plaksin, Cand. Sc. (Engineering), researcher, Department of Agroecology in Livestock Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634, Russia
[email protected] https://orcid.org/0000-0002-3695-0820
Алексей Валериевич Трифанов, канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник, отдел агроэкологии в животноводстве, Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Фильтровское шоссе, д. 3, п. Тярлево, Санкт-Петербург, 196634, Россия; [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3503-6148
Alexey V. Trifanov, Cand. Sc. (Engineering), Assistant Professor, leading researcher, Department of Agroecology in Livestock Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 3, Filtrovskoje Shosse, Tiarlevo, Saint Petersburg, 196634, Russia, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-3503-6148
Заявленный вклад авторов
И.Е. Плаксин - теоретические предпосылки, создание черновика рукописи, А.В. Трифанов - создание окончательной версии (доработка) рукописи, администрирование данных
Authors'contribution
I.E. Plaksin - theoretical background, drafting the manuscript,
A.V.Trifanov - revision and finalizing the manuscript, data administration
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи к публикации
All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
Статья поступила в редакцию: 14.11.2024
Received: 14.11.2024
Одобрена после рецензирования:
04.12.2024
Approved after reviewing: 04.12.2024
Принята к публикации: 10.12.2024
Accepted for publication: 10.12.2024
