一种天然草地放牧家畜营养平衡评估分析方法及系统

本发明涉及畜牧业智能评估，特别涉及一种天然草地放牧家畜营养平衡评估分析方法及系统。

背景技术：

1、季节牧场普遍存在牧草生产力随季节剧烈波动的特点，草地牧草供给与家畜营养需求在时间维度上难以精准匹配，这是制约天然草地畜牧业可持续发展的核心问题之一。

2、目前，草畜平衡评估大多采用静态载畜量核算方式。一方面，传统评估方法在核算牧草供给量时，仅基于年度或季节总产草量进行简单平均分配，未考虑转场节点、轮牧周期、放牧强度等时序动态参数对牧草实际可利用量的影响，导致牧草供给量评估结果与牧场实际放牧节律严重脱节，例如，同一牧户在春季转场初期与秋季轮牧末期，牧草实际可利用量存在数量级差异，但静态法无法反映这一动态变化；另一方面，现有静态核算法仅进行“产草量-牲畜头数”的数量匹配，未能将草地牧草的营养成分（如粗蛋白、代谢能含量）与放牧家畜不同生理阶段（妊娠期、泌乳期、育肥期）的动态营养需求进行耦合分析，无法量化家畜在实际放牧条件下的营养盈亏状况，虽然当前已有研究尝试引入牧草营养品质参数进行载畜量修正，但评估维度仍局限于静态承载核算，未延伸至营养平衡层面；再一方面，现有方法的输出结果仅为静态载畜量数值，无法直接输出转场节点调整方案、轮牧周期优化建议等可操作的放牧调控参数，难以支撑“承载评估-时序调整-营养补充”的牧场闭环管理，实践中，牧民即使获知理论载畜量，仍无法据此确定“何时转场”“轮牧周期应缩短还是延长”“冷季应补饲多少营养”等具体决策参数，容易造成草畜错配，引发草地退化或家畜掉膘、生产性能下降。

3、此外，虽然已有部分专利涉及草畜平衡评估方法的改进，如专利cn109329201a按季节分别计算载畜量并引入可消化蛋白、代谢能等多目标，但本质上仍属于“分季节静态核算”模式，未将转场节点、轮牧周期作为动态计算因子；专利cn106372740b采用遗传算法对牧区水土草畜平衡进行优化，但该算法优化的是静态资源配置方案，未涉及放牧时序参数的联合寻优；专利cn122286040a侧重放牧系统营养平衡的“当前状态评估”，输出营养盈亏区域划分，未落脚于放牧调控参数的优化输出。

4、综上，亟需一种兼顾草地季节动态、放牧时序调控、家畜动态营养需求的天然草地放牧家畜营养平衡评估分析方案。为此，提出一种天然草地放牧家畜营养平衡评估分析方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有静态草畜平衡评估技术的不足，提供一种天然草地放牧家畜营养平衡评估分析方法及系统，实现季节牧场条件下草地牧草营养供给与家畜营养消耗的动态耦合评估，输出最优放牧时序、轮牧周期及载畜量调控参数，为季节牧场放牧管控及后续精准补饲提供量化依据。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种天然草地放牧家畜营养平衡评估分析方法，包括如下步骤：

4、步骤s1，多源数据采集

5、具体地，获取目标天然草地的多季节草地监测数据、轮牧数据、放牧强度数据及放牧家畜的家畜基础数据；

6、作为优选地，所述草地监测数据至少包括不同季节的草地类型、牧草产量和牧草营养成分；

7、作为优选地，所述家畜基础数据包括家畜品种、生理阶段及群体规模；

8、作为优选地，所述草地监测数据至少包括不同季节的草地类型、牧草产量和牧草营养成分；

9、作为进一步优选地，所述牧草营养成分至少包括粗蛋白含量和代谢能含量；

10、作为进一步优选地，牧草产量可通过地面样方测定或遥感估产模型获取，牧草营养成分通过实验室检测获得。

11、作为优选地，所述轮牧数据至少包括轮牧周期、转场节点和载畜量；

12、作为优选地，所述放牧强度数据包括单位面积放牧家畜头数及采食率。

13、作为优选地，所述家畜基础数据至少包括家畜品种、群体规模和生理阶段和季节环境参数。其中，家畜品种决定其基础代谢率及营养转化系数。

14、作为进一步优选地，生理阶段包括妊娠期、泌乳期、育肥期；

15、作为进一步优选地，季节环境参数至少包括温度、湿度。

16、步骤s2，草地可供给营养测算

17、具体地，根据所述多季节草地监测数据，测算各季节草地的产草量动态变化及牧草营养成分浓度，结合根据所述轮牧数据及所述放牧强度数据所确定的放牧时序参数，计算目标放牧家畜在各放牧时段内能够采食到的牧草营养供给总量。

18、作为优选地，所述牧草营养供给总量的计算方式为：将各季节草地的牧草产量与牧草营养成分浓度（粗蛋白含量、代谢能含量）相乘，得到单位面积的牧草营养含量；再按轮牧周期和转场节点对时间轴进行分割，结合包括单位面积放牧家畜头数及采食率的放牧强度参数，对各放牧时段的牧草营养供给量进行动态分配。

19、作为进一步优选地，草地可供给营养总量的计算公式为：；

20、其中，为牧草营养供给总量，为第t放牧时段的牧草产量，为第t放牧时段牧草营养成分浓度，为第t放牧时段牧草利用率，为第t放牧时段可利用草地面积。

21、步骤s3，家畜动态营养需求计算

22、具体地，根据所述家畜品种、群体规模、生理阶段以及季节环境参数，构建家畜营养消耗动态模型，计算放牧家畜群体在对应各放牧时段内的动态营养总需求。

23、作为优选地，所述家畜营养消耗动态模型的输入参数至少包括：家畜代谢体重（通过体重实测值按计算）、生理阶段系数（不同生理阶段对应的营养需求调整系数，妊娠期、泌乳期、育肥期分别赋予不同系数值）及环境温度修正系数（当环境温度偏离家畜适宜温度区间时，增加维持能耗系数）。

24、作为进一步优选地，家畜群体动态营养总需求的计算公式为：；

25、其中，为第i生理阶段的家畜头数，为第i生理阶段家畜的维持代谢需求，为生理阶段系数，为环境温度修正系数，为第i生理阶段家畜的生产需求（如妊娠胎儿发育需求、泌乳需求、增重需求）。

26、步骤s4，草畜营养耦合评估

27、具体地，将所述牧草营养供给总量与所述家畜动态营养总需求按时间维度进行逐时段比对耦合，计算得到各季节牧场内各放牧时段的家畜营养平衡缺口。

28、作为优选地，逐时段比对的方式为：将全年放牧期按照转场节点和轮牧周期划分为多个连续放牧时段，对每个放牧时段独立计算该时段内的牧草营养供给总量与家畜营养需求总量之差。

29、作为进一步优选地，营养平衡缺口的计算公式为：；

30、其中，为第t放牧时段的营养平衡缺口，为第t放牧时段的牧草营养供给总量，为第t放牧时段的家畜动态营养总需求。当时，表示家畜营养亏缺，需要调整轮牧数据或进行补饲。

31、步骤s5，轮牧数据全局寻优

32、具体地，以草地生态保护阈值和家畜营养平衡为双重约束条件，采用改进遗传算法对至少包括转场节点、轮牧周期和载畜量的轮牧数据进行全局联合寻优；并且，利用结构方程模型解析草畜耦合作用机理，结合定位放牧试验数据对所寻优得到的轮牧数据进行校验修正，最终输出优化后的放牧时序参数。

33、所述改进遗传算法的具体流程如下：

34、a）编码与种群初始化：采用实数编码方式，将转场节点（以日期或天数表示）、轮牧周期（以天数表示）、载畜量（以标准羊单位或家畜头数表示）编码为染色体基因。随机生成包含n个个体的初始种群，并对种群中每个个体进行合理性检验，确保其满足基本的草地承载约束。

35、b）适应度函数构建：所述改进遗传算法的适应度函数以营养平衡缺口最小化和草地产草量利用率最大化为多目标构建。适应度函数表达式为：；

36、其中，为权重系数，为全放牧期营养平衡缺口绝对值之和，η为草地产草量利用率（实际采食量与总产草量的比值）。适应度值越大，表示该个体对应的轮牧数据方案越优。

37、c）选择、交叉与变异操作：采用轮盘赌选择法从父代种群中选择个体；交叉操作采用模拟二进制交叉（sbx），变异操作采用多项式变异，以保持种群的多样性。

38、d）约束处理：采用惩罚函数策略处理约束条件。对违反草地生态保护阈值（草地产草量利用率不得超过预设上限值）及家畜营养平衡约束（任一放牧时段营养缺口超过容许阈值）的个体，在其适应度值上施加惩罚项，降低其被选中的概率。

39、e）终止条件：当达到预设的最大迭代次数或种群最优适应度值在连续若干代内不再提升时，终止算法并输出最优解。

40、作为优选地，在改进遗传算法寻优过程中，同步构建结构方程模型用于解析草畜耦合作用机理。结构方程模型通过引入潜变量（预选为草地健康状态、家畜生产性能综合因子）和观测变量（优选为牧草产量、牧草营养成分、家畜日增重、家畜体重变化）之间的因果关系路径，揭示轮牧数据对营养平衡的影响机制，所得路径系数可作为遗传算法约束边界的调整依据。

41、作为优选地，定位放牧试验校验的具体方式为：选取代表性草地设置定位放牧试验样地，按系统输出的优化轮牧数据进行实际放牧试验，实测家畜体重变化及牧草实际利用数据。将实测数据与模型预测数据进行比对，计算误差并反向修正模型参数（预选为牧草采食率系数、家畜营养转化系数），经过至少一个完整的放牧周期的校验后，将修正后的模型参数固化到系统中，以提高后续评估的准确性。

42、步骤s6，结果输出

43、具体地，输出草地承载评估结果（预选为各放牧时段草地承载状态是否超载）、所述家畜营养平衡缺口（预选为各放牧时段具体的盈亏数值）以及优化后的所述放牧时序参数（优化后的转场节点、轮牧周期和载畜量），用于指导牧场转场轮牧管理。

44、作为优选地，同时，设置对外数据接口，向外部下游补饲评估系统输出所述家畜营养平衡缺口数据，特别是冷季或牧草匮乏期的营养缺口数值（预选为缺粗蛋白量、缺代谢能量），以作为后续精准补饲方案（预选为补饲日粮配方、补饲量）的输入依据。

45、第二方面，本发明还提供一种天然草地放牧家畜营养平衡评估分析系统，用于实现上述评估方法，包括：

46、数据采集模块：用于采集多季节草地监测数据（草地类型、牧草产量、牧草营养成分）、轮牧数据（轮牧周期、转场节点、载畜量）、放牧强度数据（单位面积放牧家畜头数及采食率）及家畜基础信息（家畜品种、生理阶段、群体规模）与环境参数（温度、湿度）。该模块支持人工录入、传感器自动采集及外部数据库导入多种数据接入方式。

47、草地营养供给测算模块：连接所述数据采集模块，用于根据轮牧周期及转场节点对时间轴进行分割，测算各放牧时段草地承载力阈值及牧草可供给营养总量。该模块内置牧草产量-营养成分融合计算单元，输出各时段以粗蛋白、代谢能计量的牧草供给量。

48、家畜营养需求计算模块：用于构建家畜营养消耗动态模型，根据家畜品种、生理阶段、环境参数，计算家畜群体在各放牧时段内的动态营养总需求。该模块内置不同家畜品种的基础代谢数据库及不同生理阶段的营养需求系数表。

49、草畜营养耦合评估模块：分别连接所述草地营养供给测算模块及所述家畜营养需求计算模块，用于按时间维度逐时段接收草地营养供给数据与家畜营养需求数据，比对计算得到各放牧时段的营养平衡缺口。该模块输出营养盈亏时序曲线及缺口统计表。

50、轮牧数据优化模块：内置改进遗传算法与结构方程模型，以草地生态保护及家畜营养平衡为双重约束，对转场节点、轮牧周期及载畜量进行联合寻优，并接入定位放牧试验数据对优化结果进行校验修正。其中，结构方程模型用于解析草畜耦合作用机理并辅助所述改进遗传算法的约束边界设定。

51、结果输出模块：用于展示草地承载评估结果、营养平衡缺口时序数据、优化后的放牧调控参数（转场节点、轮牧周期、载畜量），并设有对外数据接口，用于向外部补饲评估系统传输营养平衡缺口数据。

52、有益效果

53、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

54、本发明将转场节点、轮牧周期及载畜量等放牧时序动态参数作为牧草供给量核算的约束因子纳入评估流程，实现了季节牧场牧草营养供给的时间轴动态量化，解决了传统评估与牧场实际放牧节律脱节的技术难题。

55、本发明将草地牧草营养成分与放牧家畜不同生理阶段的动态营养需求进行逐时段耦合计算，输出的是真实的家畜营养盈亏数值，而非单纯进行产草量-家畜头数的数量匹配，填补了现有草畜平衡评估在营养维度上的技术空白。

56、本发明通过改进遗传算法完成转场节点、轮牧周期、载畜量的全局联合寻优，并经定位放牧试验数据进行校验修正，输出的是可直接落地执行的放牧调控参数，从而指导牧场的科学性闭环管理。

57、本发明设置对外数据接口，可对接下游补饲日粮评估系统，输出营养缺口中的粗蛋白亏缺量、代谢能亏缺量，为放牧家畜精准补饲提供输入数据源，打通放牧评估与补饲技术之间的数据链路，助力提升饲草转化效率与家畜生产性能。