基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法与流程

1.本发明涉及畜牧养殖技术领域，特别是涉及一种基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法。


背景技术：

2.随着我国养鸡业的发展，规模化养殖成为大势所趋。如今我国提出标准化规模的畜禽养殖，并且把“养殖设施化、规模化生产、良种化畜禽、防疫的制度化、无污染化、常态化的监管”作为标准，将畜牧业进行相应的转型。与发达国家相比，关键差异在于养殖环境与设施以及环境控制技术方面，照搬国外的管理措施并不能完全符合我国的环境要求，这就要求我们基于先进生产设备之上，探索属于自己的环境控制技术。由于与鸡舍环境相关的参数较多，需要一个能对鸡舍的环境综合评价的指数，来帮助我们更有效的作出对鸡舍环境的评价，便于鸡场环境的控制方法的改进。
3.近几年，以“感知”为基础的物联网技术迅速发展及产业化逐步渗透到各行各业，包括畜禽业在内的农业物联网的发展也十分迅猛，其中传感器的使用大大促进了农业物联网的发展。基于畜禽物联网的环境监测系统已经持续监测大量的现场数据，如温度、湿度、二氧化碳浓度、氨气浓度等。在对舍内环境参数进行分析的基础上准确评价舍内环境并合理调节舍内环境是目前面临的难题。barott等指出，在18～26℃范围内，蛋鸡能够维持自身产热、散热的平衡，即18～26℃为蛋鸡感到舒适的温度。cerci等(cerci，tath，azman，&birben，2003)认为16～25℃为蛋鸡适宜生长的环境温度。marsden等(marsden&morris，1987)研究表明蛋鸡最适宜生产的环境温度为21℃，当温度高于30℃时改变饲料的组成已不足以抵消温度对蛋鸡生产的影响。
4.目前，家禽养殖福利评价方面研究较多，国际上常用的评价方法主要有welfare quality和assurewel家禽养殖福利评价系统。但其中鸡舍内环境指标考虑不多，如assurewel福利评价系统中只涉及到了氨气和粉尘两个环境指标。杜欣怡、白士宝、王强、许晨曦等人在此基础上，在鸡舍状况的福利指标评价体系或鸡舍综合环境评价中，增加了二氧化碳、硫化氢、温度、湿度、风速等环境指标。但未考虑舍内光线、颗粒物(pm
2.5
、pm
10
)及h2s等环境因素对家禽养殖的影响。而且以上环境指标的选取往往依靠个人的经验和喜好，仅选取个别环境指标来进行评价，影响了环境综合评价主要影响因子的筛选。
5.我国现有鸡舍生产环境中，夏季多采用半封闭式，舍内温度控制设备主要使用风机和水帘，在通风降温过程中，温度、湿度、二氧化碳、pm
2.5
等环境参数都会发生变化，特别是舍外环境因素也会对舍内环境造成较大的影响。而鸡舍内各环境因素间相互耦合，也增加鸡舍环境综合评价的复杂程度，而此时在众多环境因素中找到主要影响因子就十分具有必要性。因此，设计一种基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法是十分有必要的。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法，能够进行鸡舍环境综合评价主要影响指标因子的筛选，提高了评价准确性，使用灰色关联度改进了层次分析法中判断矩阵的构建方法，消除了人为主观因素对评价模型的影响。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法，包括如下步骤：
9.步骤1：采集环境指标及生产性能指标数据，并计算环境指标及生产性能指标间的灰色关联系数；
10.步骤2：根据计算得到的灰色关联系数计算灰色关联度，根据灰色关联度筛选环境综合评价主要影响指标因子；
11.步骤3：根据环境综合评价主要影响指标因子建立层次分析法评价模型，根据灰度关联度及层次分析法评价模型构造判断矩阵，并计算各环境指标因子的权重。
12.步骤4：考虑专家意见建立全周期范围各阶段内鸡只各环境因素评分标准，再根据各环境指标因子的权重对鸡舍环境进行评价。
13.可选的，步骤1中，采集环境指标及生产性能指标数据，并计算环境指标及生产性能指标间的灰色关联度，具体为：
14.采集环境指标及生产性能指标数据，其中，环境指标包括舍内空气质量、舍内温度、舍内湿度、舍内噪声、舍内光线及舍外环境，舍内空气质量包括二氧化碳含量、空气中菌落总数、氨气含量、硫化氢含量、pm
2.5
含量及pm
10
含量，舍内噪声包括噪声频率及噪声分贝，舍内光线包括光照度及光线色温，舍外环境包括舍外温度、舍外湿度舍外风速及舍外光照度，生产性能指标包括死淘率、肉鸡重量、胫骨长度、蛋鸡产蛋率；
15.将环境指标作为反应系统行为特征的参考数列，记为x0，即：
16.x0＝[x0(1),x0(2),...,x0(k)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0017]
式中，k为单项鸡舍环境指标因子的序号，将生产性能指标作为影响系统行为的比较数列，记为x
i
，即：
[0018]
x
i
＝[x
i
(1),x
i
(2),...,x
i
(k)]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0019]
式中，k为单项鸡只生产性能指标因子的序号；
[0020]
将参考数列x0及比较数列x
i
进行无量纲化处理，处理完毕后，计算参考数列x0及比较数列x
i
的绝对差值，即：
[0021]
δ
i
(k)＝|x0(k)
‑
x
i
(k)| (3)
[0022]
式中，δ
i
(k)为参考数列x0与比较数列x
i
在第k个指标因子处的绝对差值；
[0023]
根据绝对差值计算灰色关联系数，为：
[0024][0025]
式中，ξ
i
(k)为参考数列x0与比较数列x
i
在第k个指标因子处的灰色关联系数，minminδ
i
(k)为二级最小差，maxmaxδ
i
(k)为二级最大差，ρ为分辨系数，取0.5。
[0026]
可选的，将参考数列x0及比较数列x
i
进行无量纲化处理，具体为：
[0027]
基于规格化变换方法、指数化变换方法或分段打分变换方法对参考数列x0及比较数列x
i
进行无量纲化处理。
[0028]
可选的，步骤2中，根据计算得到的灰色关联系数计算灰色关联度，根据灰色关联度筛选环境综合评价主要影响指标因子，具体为：
[0029]
根据计算得到的灰色关联系数，计算灰色关联度为：
[0030][0031]
式中，r
i
为比较序列x
i
对参考序列x0的灰色关联度，ω
i
为灰色关联系数的权重，n为环境指标因子的个数，根据灰色关联度r
i
的值由大到小排序，剔除对生产性能指标影响不大的环境指标因子，进行鸡舍内环境综合评价主要影响指标因子的筛选。
[0032]
可选的，步骤3中，根据环境综合评价主要影响指标因子建立层次分析法评价模型，根据灰度关联度及层次分析法评价模型构造判断矩阵，并计算各环境指标因子的权重，具体为：
[0033]
建立层次分析法评价模型，包括目标层、准则层及指标层，其中，准则层为环境指标，具体包括舍内空气质量、舍内温度、舍内湿度、舍内噪声、舍内光线及舍外环境，指标层为与准则层的环境指标相对应的环境指标因子，其中，准则层中的舍内空气质量包括二氧化碳含量、空气中菌落总数、氨气含量、硫化氢含量、pm2.5含量及pm10含量，舍内噪声包括噪声频率及噪声分贝，舍内光线包括光照度及光线色温，舍外环境包括舍外温度、舍外湿度舍外风速及舍外光照度，目标层表示评价的最终结果；
[0034]
根据计算得到的灰色关联度及层次分析法评价模型，在同一层级两两比较各环境指标因子的灰色关联度大小，计算各环境指标因子的灰色关联度之差，即：
[0035]
δ
ij
＝a
i
‑
a
j
ꢀꢀꢀ
(6)
[0036]
式中，δ
ij
为环境指标因子i的灰色关联度a
i
与环境指标因子j的灰色关联度a
j
之差，当δ
ij
大于0时，即环境指标因子i的灰色关联度a
i
比环境指标因子j的灰色关联度a
j
更重要，将δ
ij
映射至九级标度范围，得到：
[0037][0038]
式中，maxδ
ij
为同组环境指标因子的灰色关联度的极大值，m为标度范围，取9，将a
ij
按四舍五入取整，并计算相应的a
ji
得到：
[0039][0040]
根据a
ij
及a
ji
得到该层次的判断矩阵为：
[0041][0042]
根据判断矩阵，计算判断矩阵的特征值与特征向量，根据特征值及特征向量，计算下列公式：
[0043]
rw＝λ
max
w
ꢀꢀꢀ
(10)
[0044]
式中，λ
max
为判断矩阵的最大特征值，对得到的w进行归一化处理，得到对应的环境指标因子的权值；
[0045]
根据判断矩阵计算随机一致性比率cr，当cr<0.10时，判断矩阵r具有可接受的一致性，否则，对判断矩阵r进行调整和修正。
[0046]
可选的，步骤4中，考虑专家意见建立全周期范围各阶段内鸡只各环境因素评分标准，再根据各环境指标因子的权重对鸡舍环境进行评价，具体为：
[0047]
根据各环境指标因子的权值，结合专家意见，根据鸡只的品种、鸡舍所处地理位置的气候类型及评估时所处的季节，建立全周期范围内鸡只各环境因素评分标准，对鸡舍环境进行评价。
[0048]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法，该方法将灰色关联分析法及层次分析法相结合，利用灰色关联分析法改进层次分析法中对权重的人为主观赋值，消除了人为主观因素对评价模型影响，使评价模型更加客观合理，使用灰色关联分析法进行鸡舍内环境综合评价主要影响指标因子的筛选，剔除对生产性能指标影响不大的环境指标；该方法包括采集环境指标及生产性能指标数据，并计算环境指标及生产性能指标间的灰色关联系数，根据计算得到的灰色关联系数计算灰色关联度，根据灰色关联度筛选环境综合评价主要影响指标因子，根据环境综合评价主要影响指标因子建立层次分析法评价模型，根据灰度关联度及层次分析法评价模型构造判断矩阵，并计算各环境指标因子的权重，根据各环境指标因子的权重及专家意见，建立全周期范围各阶段内鸡只各环境因素评分标准，对鸡舍环境进行评价。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0050]
图1为本发明实施例基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法流程框图；
[0051]
图2为层次分析法评价模型结构示意图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
本发明的目的是提供一种基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法，能够进行鸡舍环境综合评价主要影响指标因子的筛选，提高了评价准确性，使用灰色关联度改进了层次分析法中判断矩阵的构建方法，消除了人为主观因素对评价模型的影响。
[0054]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0055]
如图1所示，本发明实施例提供的基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法，包括如下步骤：
[0056]
步骤1：采集环境指标及生产性能指标数据，并计算环境指标及生产性能指标间的灰色关联系数；
[0057]
步骤2：根据计算得到的灰色关联系数计算灰色关联度，根据灰色关联度筛选环境综合评价主要影响指标因子；
[0058]
步骤3：根据环境综合评价主要影响指标因子建立层次分析法评价模型，根据灰度关联度及层次分析法评价模型构造判断矩阵，并计算各环境指标因子的权重。
[0059]
步骤4：考虑专家意见建立全周期范围各阶段内鸡只各环境因素评分标准，再根据各环境指标因子的权重对鸡舍环境进行评价。
[0060]
步骤1中，采集环境指标及生产性能指标数据，并计算环境指标及生产性能指标间的灰色关联度，具体为：
[0061]
采集环境指标及生产性能指标数据，其中，环境指标包括舍内空气质量、舍内温度、舍内湿度、舍内噪声、舍内光线及舍外环境，舍内空气质量包括二氧化碳含量、空气中菌落总数、氨气含量、硫化氢含量、pm2.5含量及pm10含量，舍内噪声包括噪声频率及噪声分贝，舍内光线包括光照度及光线色温，舍外环境包括舍外温度、舍外湿度舍外风速及舍外光照度，生产性能指标包括死淘率、肉鸡重量、胫骨长度、蛋鸡产蛋率；
[0062]
鸡舍可视为一典型的灰色系统，系统输入量为各环境指标，系统输出量为鸡只的生产性能指标，因不宜过度增加鸡只的应激反应，所以无法实时采集鸡只生产性能指标，可以在8、14、21、28、35及43日龄对鸡只进行生产性能指标的采集工作；
[0063]
灰色关联分析法是灰色系统理论的一种分析方法，不管样本量的多少及有无规律性都同样适用，其思想是将各因素绘成序列曲线，通过其几何形状的相似程度得出各因素的相关程度，曲线的形状越接近，对应的被判断序列的相关性就越大，这种方法多用于数据少、主要因子及次要因子难以区分的情况，将灰色关联分析法用于本发明，基本操作步骤如下：
[0064]
确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列，将环境指标作为参考数列，记为x0，即：
[0065]
x0＝[x0(1),x0(2),...,x0(k)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0066]
式中，k为单项鸡舍环境指标因子的序号，将生产性能指标作为比较数列，记为x
i
，即：
[0067]
x
i
＝[x
i
(1),x
i
(2),...,x
i
(k)]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
式中，k为单项鸡只生产性能指标因子的序号；
[0069]
将参考数列x0及比较数列x
i
进行无量纲化处理，处理完毕后，计算参考数列x0及比较数列x
i
的绝对差值，即：
[0070]
δ
i
(k)＝|x0(k)
‑
x
i
(k)|
ꢀꢀꢀ
(3)
[0071]
式中，δ
i
(k)为参考数列x0与比较数列x
i
在第k个指标因子处的绝对差值；
[0072]
灰色关联系数是灰色理论中关联性的表现形式，关联性实质上指的是曲线之间几何形状的差别程度，因而可以将曲线之间的差值大小作为衡量关联程度的尺寸，在灰色关
联分析法中，关联系数就是参考数列和比较序列在各个时点之间的几何距离，它的值越大，表示两个指标数列在对应的指标上的相互关联程度越大，根据绝对差值计算灰色关联系数，为：
[0073][0074]
式中，ξ
i
(k)为参考数列x0与比较数列x
i
在第k个指标因子处的灰色关联系数，minminδ
i
(k)为二级最小差，maxmaxδ
i
(k)为二级最大差，ρ为分辨系数，本发明中ρ取0.5。
[0075]
将参考数列x0及比较数列x
i
进行无量纲化处理，具体为：
[0076]
由于各个指标在含义、内容及取值标准等都存在差异，导致数据的量纲一般都不同，不便于统一比较，因此，为了使其具有可比性，在灰色关联法的运用中，一般都要进行数据的无量纲化处理，消除各个数据的各自有效因素，使之化为统一衡量尺度下的标准化数量级无量纲数据，方便各个指标进行比较分析，本发明可以基于规格化变换方法、指数化变换方法或分段打分变换方法对参考数列x0及比较数列x
i
进行无量纲化处理。
[0077]
步骤2中，根据计算得到的灰色关联系数计算灰色关联度，根据灰色关联度筛选环境综合评价主要影响指标因子，具体为：
[0078]
因为灰色关联系数就是参考数列和比较序列的关联程度，且是不同时点上的关联程度，因此关联系数不止一个，且分布分散，无法进行统一的比较，灰色关联度就是把这些关联系数集中起来，通过一定的方法求得的值，它可以从总体上反映参考序列与其他指标的关联程度，灰色关联度的值越大，相关性就越强，根据计算得到的灰色关联系数，计算灰色关联度为：
[0079][0080]
式中，r
i
为比较序列x
i
对参考序列x0的灰色关联度，ω
i
为灰色关联系数的权重，n为环境指标因子的个数，根据灰色关联度r
i
的值由大到小排序，剔除对生产性能指标影响不大的环境指标因子，进行鸡舍内环境综合评价主要影响指标因子的筛选。
[0081]
步骤3中，根据环境综合评价主要影响指标因子建立层次分析法评价模型，根据灰度关联度及层次分析法评价模型构造判断矩阵，并计算各环境指标因子的权重，具体为：
[0082]
如图2所示，根据各鸡舍内环境评价指标的不同属性对其进行了划分，建立层次分析法评价模型，包括目标层、准则层及指标层，其中，准则层为环境指标，具体包括舍内空气质量、舍内温度、舍内湿度、舍内噪声、舍内光线及舍外环境，指标层为与准则层的环境指标相对应的环境指标因子，其中，准则层中的舍内空气质量包括二氧化碳含量、空气中菌落总数、氨气含量、硫化氢含量、pm2.5含量及pm10含量，舍内噪声包括噪声频率及噪声分贝，舍内光线包括光照度及光线色温，舍外环境包括舍外温度、舍外湿度舍外风速及舍外光照度，因秋季鸡舍采用半封闭式管理，舍外环境因素对鸡舍内环境影响较大，故在准则层及指标层包含了舍外环境，若冬季鸡舍采用封闭式管理，舍外环境因素对鸡舍内环境影响较少时，在评价时可去掉准则层及指标层中的舍外环境，目标层表示评价的最终结果；
[0083]
在层次分析法评价模型建立后，就意味着确定了上下层元素之间的隶属关系，将上一层次的元素作为准则，对其下层次中的元素进行两两比较，构造判断矩阵，目前层次分析法构造判断矩阵，多使用使用九级标度法，即在最重要的指标和最不重要的指标之间按
重要程度构造了九级标度，通过专家对评价指标两两比较，主观赋值构建判断矩阵，具体如表1所示：
[0084]
表1九级标度法
[0085][0086][0087]
上述方法主观因素对评价结果影响较大，为克服此缺点，本文采用之前所求各环境指标因子的灰色关联度改进判断矩阵构建方法，因各环境指标因子的灰色关联度已反映了各环境指标因子对于生产性能指标的重要程度，则把各环境指标因子的灰色关联度进行两两比较，并将其差值映射至该标度范围内即可，具体方法如下：
[0088]
根据计算得到的灰色关联度及层次分析法评价模型，在同一层级两两比较各环境指标因子的灰色关联度大小，计算各环境指标因子的灰色关联度之差，即：
[0089]
δ
ij
＝a
i
‑
a
j
ꢀꢀꢀ
(6)
[0090]
式中，δ
ij
为环境指标因子i的灰色关联度a
i
与环境指标因子j的灰色关联度a
j
之差，当δ
ij
大于0时，即环境指标因子i的灰色关联度a
i
比环境指标因子j的灰色关联度a
j
更重要，将δ
ij
映射至九级标度范围，得到：
[0091][0092]
式中，maxδ
ij
为同组环境指标因子的灰色关联度的极大值，m为标度范围，因此处层次分析法采用九级标度法，故m＝9，将a
ij
按四舍五入取整，并计算相应的a
ji
得到：
[0093][0094]
根据a
ij
及a
ji
得到该层次的判断矩阵为：
[0095][0096]
根据判断矩阵，计算判断矩阵的特征值与特征向量，根据特征值及特征向量，计算下列公式：
[0097]
rw＝λ
max
w
ꢀꢀꢀ
(10)
[0098]
式中，λ
max
为判断矩阵的最大特征值，对得到的w进行归一化处理，得到对应的环境指标因子的权值；
[0099]
为了保证结果的合理性，还需要进行一致性检验。在层次分析法中引入了随机一致性比率cr，根据判断矩阵计算随机一致性比率cr，当cr<0.10时，判断矩阵r具有可接受的一致性，否则，对判断矩阵r进行调整和修正。
[0100]
步骤4中，考虑专家意见建立全周期范围各阶段内鸡只各环境因素评分标准，再根据各环境指标因子的权重对鸡舍环境进行评价，具体为：
[0101]
不同日龄的鸡只对环境的要求不同，根据上述计算的各环境指标因子的权值，结合专家意见，根据鸡只的品种、鸡舍所处地理位置的气候类型及评估时所处的季节，建立全周期范围内鸡只各环境因素评分标准，对鸡舍环境进行评价。
[0102]
本发明提供的基于灰色关联分析和层次分析法的鸡舍内环境评价方法，该方法将灰色关联分析法及层次分析法相结合，利用灰色关联分析法改进层次分析法中对权重的人为主观赋值，消除了人为主观因素对评价模型影响，使评价模型更加客观合理，使用灰色关联分析法进行鸡舍内环境综合评价主要影响指标因子的筛选，剔除对生产性能指标影响不大的环境指标；该方法包括采集环境指标及生产性能指标数据，并计算环境指标及生产性能指标间的灰色关联系数，根据计算得到的灰色关联系数计算灰色关联度，根据灰色关联度筛选环境综合评价主要影响指标因子，根据环境综合评价主要影响指标因子建立层次分析法评价模型，根据灰度关联度及层次分析法评价模型构造判断矩阵，并计算各环境指标因子的权重，考虑专家意见建立全周期范围各阶段内鸡只各环境因素评分标准，再根据各环境指标因子的权重对鸡舍环境进行评价。
[0103]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。