ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LỤC TRỌNG HIẾU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KHẨU PHẦN THỨC ĂN CHĂN NUÔI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LỤC TRỌNG HIẾU GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KHẨU PHẦN THỨC ĂN CHĂN NI CHUN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ : 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Thanh Hà Thái Nguyên – n 2014 i LỜI CẢM ƠN Trước hết cho gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy giáo Viện Cơng nghệ Thơng tin, tồn thể q Thầy Cơ trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông tận tình dạy dỗ tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Đặc biệt xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS.Phạm Thanh Hà, Trưởng môn Công nghệ phần mềm, Phó Trưởng khoa Cơng nghệ thơng tin, Trường Đại học Giao thông vận tải - Hà Nội quan tâm hướng dẫn đưa gợi ý, góp ý, chỉnh sửa vô quý báu cho trình làm luận văn tốt nghiệp Xin gửi lời tri ân điều mà Thầy dành cho Cuối xin chân thành cảm ơn người bạn giúp đỡ, chia với tơi suốt q trình làm luận văn Thái Nguyên, tháng 04 năm 2014 Học viên thực Lục Trọng Hiếu ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình Thái Nguyên, ngày 12 tháng 04 năm 2014 Tác giả luận văn Lục Trọng Hiếu DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Minh họa trình chọn lọc .9 Bảng 1.2 Minh họa trình lai ghép Bảng 2.1 Minh họa trình đột biến .23 Bảng 2.2 Các vị trí đột biến .24 Bảng 3.1: Bảng dinh dưỡng thời kỳ nuôi 38 Bảng 3.2 Bảng ví dụ chất dinh dưỡng cần thiết cho lợn 39 Bảng 3.3: Thành phần thức ăn thường sử dụng cho lợn .40 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ lai ghép điểm cắt Hình 2.1 Minh họa bánh xe rulet .13 Hình 2.2 Biểu diễn giá trị 29 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 1.1 Mở đầu 1.2 Các khái niệm giải thuật di truyền 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Giải thuật di truyền đơn giản Chương 2.VẤN ĐỀ BIỂU DIỄN NHIỄM SẮC THỂ TRONG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 11 2.1 Phương pháp biểu diễn nhiễm sắc thể mã hóa nhị phân 11 2.2 Giải thuật di truyền với biểu diễn thực 26 2.2.1 Biểu diễn nhiễm sắc thể số thực 26 2.2.2 Nhóm tốn tử đột biến 27 2.2.3 Nhóm tốn tử lai tạo 29 2.3 Giải thuật di truyền với biểu diễn nhiễm sắc thể mã hóa ký tự 32 2.3.1 Bài toán người du lịch 32 2.3.2 Mã hóa ký tự kỹ thuật ghéo chép 32 Chương 3.ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TRONG BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KHẨU PHẦN THỨC ĂN CHĂN NUÔI 37 3.1 Bài tốn tối ưu hóa phần thức ăn chăn nuôi 37 3.2 Vấn đề tối ưu số xử lý ràng buộc 43 3.2.1 Bài toán tối ưu số 43 3.2.2 Đột biến đồng dạng 47 3.2.3 Đột biến biên 47 3.3.1 Đột biến không đồng dạng 47 3.3.2 Lai số học 48 3.3.3 Lai đơn giản 48 3.4 Ứng dụng giải thuật di truyền xác định phần thức ăn chăn nuôi 49 3.4.1 Xác định hàm mục tiêu ràng buộc 49 3.4.2 Xây dựng giải thuật di truyền tối ưu hóa phần thức ăn lợn 51 3.4.3 Kết thử nghiệm 61 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trong trang trại ni lợn, chăn ni lợn có hiệu lợi nhuận phụ thuộc vào hiểu biết môi trường, y tế, quản lý, dinh dưỡng Tuy nhiên, thực ăn gia súc chiếm từ 60 đến 70% tổng chi phí chăn ni lợn [5] Vì chăn nuôi công nghiệp, hầu hết trang trại cần phải lập phần thức ăn cho lợn rẻ tốt Năng lượng, chất béo, protein, khoáng chất vitamin phải cung cấp cân để đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn dinh dưỡng lợn Ngồi ra, số trang trại ni lợn có loại lợn ni khác cần chế độ dinh dưỡng khác [5,6] Bài toán lập phần thức ăn cho lợn toán tối ưu giá thành phải đảm bảo tiêu chuẩn dinh dưỡng Xét tổng thể toán tối ưu với nhiều ràng buộc Giải thuật di truyền kỹ thuật tìm kiếm tối ưu giúp ta giải vấn đề đặt trên, cho phép ta tìm kiếm lời giải tối ưu không gian lớn, nguyên tắc giải thuật di truyền mô trình chọn lọc tự nhiên Cho đến lĩnh vực nghiên cứu giải thuật di truyền thu nhiều thành tựu, giải thuật di truyền ứng dụng nhiều lĩnh vực phức tạp, vấn đề khó giải phương pháp thông thường [3,4] Với khả tiềm tàng giải thuật di truyền động lực lý để tác giả chọn đề tài “Giải thuật di truyền ứng dụng toán tối ưu hóa phần thức ăn chăn ni” Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu khái niệm giải thuật di truyền 54 k=round(snh(1,lchrom)); xacdinhkhoang(i); %thuc hien dot bien khong deu if (left(k)0) pop(i,k)=pop(i,k)+dta(ct,right(k)-pop(i,k),T); else pop(i,k)=pop(i,k)-dta(ct,pop(i,k)-left(k),T); end; end; scdb=scdb+1; end; Lưu ý hàm đột biến sử dụng hàm dta tính giá trị delta xác định sau: % Xac dinh gia tri delta function out=dta(q,y,T) r=rand(1); mu=exp(2.0*log(1-q/T)); ta=y*(1-exp(mu*log(r))); out= dta; Xây dựng tốn tử lai ghép: Như trình bày khơng gian tìm kiếm lồi bảo đảm với hai điểm x1, x2 không gian lời giải D, tổ hợp tuyến tính ax1+(1-a)x2 với a [0,1] điểm D Tính chất sử dụng ta xây dựng phép lai số học %Lai ghep so hoc don function out= lghepshd(u,v,k) global pop; a=0.25; tam1=pop(u,k); 55 tam2=pop(v,k); pop(u,k)=a*tam2+(1-a)*tam1; pop(v,k)=a*tam1+(1-a)*tam2; %Lai ghep so hoc toan bo function lghepstb(u,v,lchrom) global pop; a=0.25; for j=1:1:lchrom tam1=pop(u,j); tam2=pop(v,j); pop(u,j)=a*tam2+(1-a)*tam1; pop(v,j)=a*tam1+(1-a)*tam2; end; Hàm lai ghép kết hợp lai ghép số học đơn lai ghép số học tồn cục để tăng tính đa dạng sức mạnh giải thuật %Ham lai ghep function laighep(popsize,lchrom,p_crossc,p_crossa,p_crosswa) global pop %Ap dung lai ghep so hoc don sclt=1; while(scltq(u)) u=u+1; end; for j=1:1:lchrom newpop(i,j)=pop(u,j); end; end; for i=1:1:popsize/2 for j=1:1:lchrom pop(i,j)=newpop(i,j); end; end; Hàm di truyền Hàm di truyền thực q trình tiến hóa, bước tiến hóa ta thực cơng việc chính: Chọn lọc, Lai ghép, Đột biến Ta sử dụng kỹ thuật tìm để xác định lời giải ứng với thích nghi nhỏ quần thể hệ lời giải toán function out= genetic() global up;global down; global min;global pop;global left;%Can trai global right;%Can phai global n; %So bien cua ham global m; %So bieu thuc rang buoc global x;global a; 59 n=7;%So bien cua ham muc tieu m=7;%So phuong trinh dieu kien % Cac bat dang thuc rang buoc dang AX=5) a(5,1)=3.8;a(5,2)=-13;a(5,3)=-93;a(5,4)=5;a(5,5)=5; a(5,6)=5;a(5,7)=2.45;a(5,8)=0; %Dieu kien Fiber (1-3) a(6,1)=0;a(6,2)=-4;a(6,3)=1;a(6,4)=1;a(6,5)=1; a(6,6)=1;a(6,7)=-1;a(6,8)=0; a(7,1)=2;a(7,2)=-2;a(7,3)=3;a(7,4)=3;a(7,5)=3; a(7,6)=3;a(7,7)=1;a(7,8)=0; %Mien xac dinh cua cac bien down(1)=0;up(1)=1000; down(2)=0;up(2)=1000; down(3)=0;up(3)=100; down(4)=0;up(4)=10; down(5)=0;up(5)=10; down(6)=0;up(6)=1; 60 down(7)=0;up(7)=200; clc; min=99999999; khoi_tao(30,n); fprintf('\n'); T=200; for ii=1:1:T-1 fprintf('\nThe he %d',ii); chonloc(30,n); laighep(30,n,0.8,0.8,0.8); dotbien(0.5,0.5,30,n,ii,T); end; fprintf('\nGia tri nho nhat:%f',min); fprintf('\nNghiem=['); for i=1:1:n-1 fprintf('%2.4f,',x(i)); end; fprintf('%2.4f]',x(n)); 61 3.4.3 Kết thử nghiệm Chương trình thử nghiệm tác giả khởi tạo 30 cá thể số lần lặp 200 để tìm nghiệm tối ưu hóa Kết thử nghiệm Gia tri nho nhat: 9571.16735 Nghiem=[876.5076,520.6433,54.7809,4.9244,0.3432,0.5872,16.2404] Cac rang buoc: 3757.1089 20.0918 10.7415 2.3827 Kết thể qua bảng phân tích sau TT Thành phần thức ăn Trọng lượng (kg) % Đơn giá phần VNĐ Giá thành Tấm 876.5076 59.4634698 6678 5853317.753 Đậu tương 520.6433 35.32115083 12810 6669440.673 Dầu dừa 54.7809 3.716410893 15540 851295.186 L-lysin 4.9244 0.334078005 41370 203722.428 DL-Methonice 0.3432 0.023283156 76440 26234.208 L-Treonice 0.5872 0.039836448 68670 40323.024 Maxilac 16.2404 1.101770863 28560 463825.824 - 14108159.1 Tổng 1474.027 Giá thành nhỏ (VNĐ/Kg) 100 9571.16735 62 Kết thử nghiệm Gia tri nho nhat: 9608.604737 Nghiem=[817.4313,528.4318,46.9342,3.0920,4.1483,0.3531,1.5390 ] Cac rang buoc:3751.7139 20.4326 10.7681 2.4699 Kết thể qua bảng phân tích sau TT Thành phần Trọng % thức ăn lượng (kg) phần Đơn giá Giá thành VNĐ Tấm 817.4313 58.30758133 6678 5458806.221 Đậu tương 528.4318 37.69317392 12810 6769211.358 Dầu dừa L-lysin 46.9342 3.347828354 15540 729357.468 3.092 0.220553142 41370 127916.04 DL-Methonice 4.1483 0.295899288 76440 317096.052 L-Treonice 0.3531 0.025186712 68670 24247.377 Maxilac 1.539 0.109777259 28560 43953.84 Tổng 1401.9297 Giá thành nhỏ (VNĐ/Kg) 100 - 13470588.36 9608.604737 63 Kết thử nghiệm Gia tri nho nhat: 9663.981805 Nghiem=[841.9069,510.0477,49.7649,4.3640,1.4195,0.9257,17.4166 ] Cac rang buoc: 3749.0977 20.2294 10.5990 2.4035 Kết thể qua bảng phân tích sau TT Thành phần Trọng % thức ăn lượng (kg) phần Đơn giá Giá thành VNĐ Tấm 841.9069 59.6979608 6678 5622254.278 Đậu tương 510.0477 37.54088053 12810 6533711.037 Dầu dừa L-lysin 4.3640 15540 773346.546 0.1487039 41370 180538.68 DL-Methonice 1.4195 0.503306966 76440 108506.58 L-Treonice 0.9257 0.027881388 68670 63567.819 Maxilac 17.4166 0.411447326 28560 497418.096 Tổng 49.7649 1.669819094 1425.8453 Giá thành nhỏ (VNĐ/Kg) 100 - 13779343.04 9663.981805 64 Kết thử nghiệm Gia tri nho nhat: 9529.842597 Nghiem=[844.7285,567.2261,18.1437,0.8660,0.8208,0.4999,17.2010 ] Cac rang buoc: 3654.1425 20.3281 9.0002 2.5632 Kết thể qua bảng phân tích sau TT Thành phần Trọng % Đơn giá thức ăn lượng (kg) phần VNĐ Giá thành Tấm 844.7285 59.5570791 6678 5641096.923 Đậu tương 567.2261 35.71345817 12810 7266166.341 Dầu dừa 18.1437 3.645587722 15540 281953.098 L-lysin 0.8660 0.269461969 41370 35826.42 DL-Methonice 0.8208 0.225657097 76440 62741.952 L-Treonice 0.4999 0.036653057 68670 34328.133 Maxilac 28560 491260.56 Tổng 17.2010 0.55210289 1449.486 100 Giá thành nhỏ (VNĐ/Kg) - 13813373.43 9529.842597 65 Kết thử nghiệm Gia tri nho nhat: 9582.106164 Nghiem=[812.4379,552.5687,45.6507,5.2401,1.2210,0.4754,1.4488 ] Cac rang buoc: 3746.3496 20.7990 10.8514 2.5215 Kết thể qua bảng phân tích sau TT Thành phần Trọng lượng % thức ăn (kg) phần Đơn giá Giá thành VNĐ Tấm 812.4379 58.14702459 6678 5425460.296 Đậu tương 552.5687 40.02597087 12810 7078405.047 Dầu dừa 45.6507 0.893174275 15540 709411.878 L-lysin 5.2401 0.088810398 41370 216782.937 DL-Methonice 1.2210 0.365000904 76440 93333.24 L-Treonice 0.4754 0.03055554 68670 32645.718 Maxilac 1.4488 0.449463425 28560 41377.728 Tổng 1419.0426 Giá thành nhỏ (VNĐ/Kg) 100 - 13597416.84 9582.106164 66 Nhận xét bình luận: Các kết thử nghiệm cho thấy thành phần thức ăn tấm, đậu tương chiếm tỷ trọng lớn đơn vị thức ăn, phù hợp với thực tế Luận văn đưa nhiều nhiều thử nghiệm để người dùng cân nhắc chọn phương án cho phù hợp, vừa đáp ứng yêu cầu thực tế yêu cầu tối ưu hóa Các kết thử nghiệm đáp ứng yêu cầu đặt ra, điều mở triển vọng phát triển phần mềm tối ưu hóa phần thức ăn chăn ni cho lợn nói riêng loại vật ni khác nói chung, đáp ứng yêu cầu cấp thiết doanh nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi doanh nghiệp chăn ni Việt Nam 67 KẾT LUẬN Bài tốn lập phần thức ăn cho lợn nghiên cứu, giải pháp tối ưu hóa đưa Tuy nhiên tác giả luận văn nhận thức tùy mơi trường chăn ni, vị trí địa lý sở chăn nuôi rộng vùng miền, đất nước mà chế độ dinh dưỡng cho lợn nói riêng gia súc nói chung khác Các sở chăn nuôi cần sử dụng loại thức ăn có sẵn địa phương từ lập phần thức ăn đảm bảo yếu tố dinh dưỡng cho vật ni, ví dụ Việt Nam dầu cọ phải nhập khẩu, nhiên lại có lợi thức ăn thay khác dầu dừa,… Giá thành thức ăn thay rẻ hơn, hàm lượng chất hóa học khác Như cần có phần mềm để tối ưu hóa phần thức ăn Đề tài luận văn nghiên cứu xây dựng toán lập phần thức ăn cho lợn phù hợp với thực tiễn Việt Nam ứng dụng giải thuật di truyền vào xác định phần thức ăn với mục tiêu cực tiểu hóa giá thành đơn vị thức ăn mà đảm bảo yêu cầu lượng calo, thành phần chất đạm, chất béo… Đề tài luận văn có ý nghĩa thực tiễn, phát triển tiếp để tạo phần mềm lập phần thức ăn chăn nuôi đáp ứng điều kiện tự nhiên, kỹ thuật, kinh tế trình độ Việt Nam 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Duy Tiến , “Các mơ hình xác suất ứng dụng” , Đại học Quốc gia Hà Nội, 2002 [2] Ảnh hưởng bổ sung mức DL-Methionine phần đến khả cho thịt lai, Tạp chí khoa học Huế, Đại học Huế, Số 57, 2010 [3] Hoàng Kiếm, “Giải thuật di truyền – Cách giải tự nhiên tốn máy tính”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2000 [4] Nguyễn Đình Thúc, “Trí tuệ nhân tạo - Lập trình tiến hố”, Nhà xuất Giáo Dục, 2001 Tiếng Anh [5] Allan Danfær, “A Pig Model for Feed Evaluation”,Springer Series in Information Berlin, 2010 [6] Mitchell Melanie, “An Introduction to Genetic Algorithms A Bradford Book The MIT Press”, Cambridge, Massachusetts London, England Fifth printing, 1999 [7] A.Sukstrienwong, “Multi-Criteria Genetic Algorithms for Solving Pig Food Problems”, International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE) ISSN : 0975-3397 Vol No Jan 2011 [8] Randy L Haupt, Sue Ellen Haupt, “Practical Genetic Algorithms”, Second Edition, Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Inc [9] Rustem Popa, “Genetic Algorithms in Applications”, Publisher: INTECH (March, 2012) ... truyền toán tử di truyền tương ứng - Ứng dụng giải thuật di truyền để giải tốn tối ưu hóa phần thức ăn chăn nuôi Phạm vi đề tài - Nghiên cứu khái niệm giải thuật di truyền - Nghiên cứu giải thuật. .. Giải thuật di truyền ứng dụng tốn tối ưu hóa phần thức ăn chăn ni” Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu khái niệm giải thuật di truyền - Nghiên cứu số phương pháp biểu di n nhiễm sắc thể giải thuật di. .. 48 3.4 Ứng dụng giải thuật di truyền xác định phần thức ăn chăn nuôi 49 3.4.1 Xác định hàm mục tiêu ràng buộc 49 3.4.2 Xây dựng giải thuật di truyền tối ưu hóa phần thức ăn lợn 51 3.4.3