Система поддержки принятия решений для оптимизации оперативного управления экономикой производства животноводческой продукции

Актуальность исследования. Подъём сельского хозяйства, вывод его из кризисного состояния* остаётся наиважнейшей государственной задачей, от решения которой зависит экономическое развитие и продовольственная безопасность страны. «Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации», утвержденная Указом № 120 Президента РФ, определяет стратегические ориентиры страны по критериям продовольственной безопасности.

Согласно положениям Доктрины, объём животноводческой продукции к 2020 г. на отечественном рынке по мясу должен составлять 85%, по молочным продуктам — 90%. Это значительно выше показателей производства, обеспечиваемых в настоящее время.

Россия по эффективности производства животноводческой продукции существенно отстает от наиболее развитых стран. Например, в свиноводстве: в европейских странах затраты труда на 1 ц прироста живой массы свинины составляют 0,6 — 0,9 чел.*час, в Российской Федерации — от 18 до 22 чел.*час [44]. При этом продуктивность самих животных в России в 2 — 2,5 раза ниже. Генетический потенциал сельскохозяйственных животных используется лишь на 40−65% [115, 19].

Низкая эффективность производства животноводческой продукции в отечественных сельскохозяйственных организациях в значительной степени обусловлена недостаточной эффективностью управления производственными процессами.

В частности, недоиспользование генетического потенциала животных и. низкие экономические показатели производства связаны, в первую очередь, с неоптимальностью планирования кормления. Модели рационов, используемые в практике планирования кормления, не охватывают всех значимых экономических факторов и не адекватно научным данным отображают влияние дисбаланса рационов на продуктивность, воспроизводство и здоровье животныхориентированы на использование показателей^ усредненных по времени и по группам животных-, и не обеспечивают нахождения решений, близких к объективно оптимальным.

Требования к кормлению животных существенно, повышаются в современных условиях рыночной' экономики, в немалой степени? в СВЯЗИ: с ростом значимости факторов качества животноводческой продукции.

Так, дляполучения сыров высокого качества требуется молокообладающее строго определёнными свойствами. В свою очередь, зоотехническая наука утверждает, что требуемые свойства молока могут быть обеспечены лишь при регламентированном подборе кормов и требуемой сбалансированности компонентов питания в рационах коров.

Непосредственно связанное с кормлением планирование кормовой базы до сих пор в России ведется на основе показателей, не учитывающих экономическую эффективность конверсии корма в-продукцию.

Также большое значение для повышения эффективности производства на животноводческих предприятиях имеет соблюдение технологических норм эксплуатации животных. Нарушение норм ведет к удлинению цикла воспроизводства, возникновению яловости, снижению продуктивности животных и дополнительным издержкам производства.

Для обеспечения потенциальной продуктивности животных необходимо своевременно проводить регламентированные технологические мероприятия (контрольные замеры продуктивности, осеменения, прием родов, смену рационов и т. д.), для чего требуется предвидеть (моделировать) изменения физиологического состояния и продуктивности животных. Существующие системы автоматизации моделируют лишь отдельные фрагменты технологической цепи эксплуатации животных, не объединяют весь цикл управления в единую систему, не охватывают вопросы экономической оптимизации оперативных решений. (Под оперативными решениями здесь понимаются решения, принимаемые в реальном времени для обеспечения текущей эксплуатации животных).

Дополнительные издержки производства связаны с использованием устаревшей методологии управления ремонтом стада (заменой старых животных молодыми) и соответствующих экономико-математических моделей, где критерием оптимизации является выполнение текущих плановых заданий в натуральном выражении.

Динамика рыночных цен на продукцию, корма и самих животных, необходимость оптимизации производства под решение меняющихся «рыночных» задач непосредственно товаропроизводителя требует совершенствования управления экономикой производства с учетом новых критериев, адекватных текущим условиям и целям производства.

Все это обуславливает необходимость разработки новых экономико-математических методов, оптимизационных экономико-математических моделей и эффективных систем поддержки принятия решений (СППР) по оперативному управлению экономикой производства животноводческой продукции, что и предопределяет актуальность темы диссертационного исследования.

Степень разработанности проблемы. Разработке и исследованию экономико-математических моделей и математических методов, предназначенных для поддержки принятия оперативных решений на животноводческих предприятиях, посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных учёных: С. А. Аристова, Р. Г. Ахметова, Г. В. Гаврилова, A.M. Гатаулина, А. П. Зинченко, А. Н. Ильченко, Б. С. Касаева, Ю. И. Копенкина, В. М. Кошелева, Р. Г. Кравченко, Э. Н. Крылатых, К. П. Личко, В. В. Милосердова, B.C. Немчинова, С. Б. Огнивцева, Г. С. Прокопьева, Э. Н. Пастернака, С. О. Сиптица, Е. И. Семёнова, А. И. Филатова, А. И. Трубилина, В. В. Щеглова, Р. Н. Минниханова, J.R. Crabtree, A.C. Bywater, P.D.P. Wood, G. France, B.J. Smith и ряда других авторов.

В советский период — период плановой экономики, основное внимание ученых уделялось обеспечению плановых заданий производства животноводческой продукции в натуральном выраженииа экономическим 7 показателям (прибыль, рентабельность), характеризующим отдельные производственные процессы (центры прибыли), должного внимания не уделялось.

Среди работ, посвящённых повышению эффективности оперативного управления производством, животноводческой продукции, ведущее место занимают исследования, связанные с моделированием и оптимизацией процессов кормления сельскохозяйственных животных. Это направление развивалось в трудах А. П. Дмитроченко, А. П. Калашникова, Н. И. Клейменова, Дж. Стинглера, Ф. Вафа, В. В. Щеглова, Н. В: Груздева, Н. Ш. Перельдика, Е. А. Петуховой, JI.B. Топоровой, А. И. Филатова, В. Н. Фисинина, В. Г. Рядчикова, Ю. А. Широкова, Б. Г. Шарифянова, J.R. Grabtree, D.L. Bath и L.F. Benett, J.R. Black и J. Hlubik, Marshall H. J. и ряда других ученых.

Вместе с тем, в научной литературе не рассмотрен ряд проблем, связанных с повышением эффективности эксплуатации сельскохозяйственных животных, в частности, остаются нерешенными вопросы оценки экономической эффективности кормления животных по тем или иным рационам, полноты моделей рационов по охвату экономических факторов, адекватного отображения в моделях влияния дисбаланса рационов на продуктивность, воспроизводство и здоровье животныхобеспечения оптимизации рационов при ограниченном наборе кормовоптимизации кормовой базы и использования кормовых запасов по экономическим критериямразработки теоретических, методологических положений и инструментальных средств автоматизации управления содержанием и эксплуатацией животных с охватом всего цикла управления. Нерешенность названных проблем и предопределила выбор цели и задач диссертационного исследования.

Соответствие темы диссертации требованиям паспорта специальностей.

ВАК Министерства образования и науки РФ (по экономическим наукам).

Исследование выполнено в рамках специальности 08.00.13 Математические 8 и инструментальные методы экономики и соответствует п. 2.3 — Разработка систем поддержки принятиярешений для рационализации организационных структур и оптимизации управления экономикой на всех уровнях, и 2.5 — Разработка концептуальных положений использования новых информационных и коммуникационных технологий с целью повышения эффективности управления в экономических системах.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является разработка теоретико-методологических подходов к оптимизации бизнес-процессов животноводческого предприятия на основе развития систем поддержки принятия решений по управлению эксплуатацией стада и производством продукции животноводства с учетом взаимосвязей технологических процессов и экономических результатов, включающей комплекс математических моделей, методов и компьютерных программ планирования рационов и кормовой базы, управления эксплуатацией животных.

Для достижения этой цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Обоснована значимость и оценена роль отрасли животноводства в обеспечении продовольственной безопасности РФ, выявлены резервы производства животноводческой продукции, скрытые в неоптимальности принимаемых решений по управлению производственными процессами, обусловленной несовершенством экономико-математических моделей, методов и инструментальных средств поддержки принятия решений.

2. Структурирован процесс оперативного управления эксплуатацией стада и производством животноводческой продукции.

3. Классифицированы задачи составления рационов сельскохозяйственных животных по видам кормления: индивидуальному, групповому, дозированному, вволю, программируемому, на заданный период времени.

4. Определены экономические факторы, характеризующие эффективность кормления животных, и сформулирована система критериев оптимизации 9 рационов, отвечающих различным текущим задачам производства: максимизации прибыли, рентабельности, текущей продуктивности, минимизации стоимости кормов, сохранности здоровья животных.

5. Разработан комплекс экономико-математических моделей формирования оптимальных рационов.

6. Разработан прямой итерационный метод многопараметрической оптимизации рационов.

7. Разработана методология планирования и оптимизации состава кормовой базы животноводческого предприятия на основе замены показателей качества, отражающих питательность кормовой базы (содержание в кормах энергии и т. д.), на показатели экономической эффективности использования кормов, составляющих кормовую базу, при конверсии их в продукцию.

8. Определен экономический подход к оптимизации структуры стада (ремонт стада), базирующийся на оценке суммарной прибыли от эксплуатации стада за период использования животных.

9. Разработаны инструментальные средства поддержки принятия решений по оперативному управлению производством животноводческой продукции, реализованные в виде комплекса компьютерных программ.

Объектомисследования являются сельскохозяйственные животноводческие предприятия.

Предмет исследования — модели и методы экономической оптимизации оперативных решений и системы поддержки принятия решений при управлении производством животноводческой продукции.

Теоретико-методологическую основу исследования составили труды отечественных и зарубежных специалистов по проблемам рыночной экономики, оптимизации управленческих решений, моделирования производственных процессов в сельском хозяйстве, экономико-математического моделирования, разработки информационных технологий и компьютерных систем.

В работе использовались методы системного, монографического и абстрактно-логического анализатеория и методы принятия-решений, теория систем, теория. оптимального управления, компьютерный эксперимент.

Информационную базу исследования составили данные Росстата, нормативные, методические и справочные материалы по ведению производственных процессов в животноводстве, публикации специалистов животноводческой отрасли, данные Интернет-сети и результаты экспертных обследований.

Научная новизна исследования. В диссертации осуществлено решение крупной научной проблемы разработки теоретико-методологических подходов к оптимизации производства животноводческой продукции, базирующихся на системном анализе процессов эксплуатации стада, экономических критериях, синтезе системы поддержки принятия решений по комплексному управлению технологическим обеспечением производства на основе оптимизационных экономико-математических моделей, методов и компьютерных программ, с учетом нелинейных зависимостей экономических результатов от особенностей технологических процессов.

Наиболее значимые научные результаты, полученные лично соискателем и выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Обосновано повышение экономической эффективности производства животноводческой продукции за счет учета в критериях оптимизации и моделях управленческих решений степени сбалансированности рационов, продуктивности, здоровья, сроков эксплуатации, показателей воспроизводства животных, технологических мероприятий по содержанию и эксплуатации стада, эффекта конверсии корма в продукцию.

2. Выполнена структуризация' оперативного управления экономикой производства животноводческой продукции по процессам: эксплуатации животных, кормления, планирования продуктивности, ремонта стада, планирования кормовой базы, и определены функции СППР для оптимизации управления этими технологическими процессами, а также математические модели, необходимые для выполнения функций СППР — роста и развития животных, рациона, движения животных по группам кормления, кормового плана, изменения продуктивности от возраста животных, кривой лактации, кормовой базы, замещения животных.

3. Обоснована и применена дляоценки экономической эффективности рациона система показателей: сбалансированность рационаприбыль, обеспечиваемая рациономрентабельность применения рационапродуктивность, обеспечиваемая рациономотражающая количественную оценку рациона и явившаяся базой для разработки новых критериев оптимизации кормления животных. На основе этих показателей предложена система критериев оптимизации рациона: максимум прибыли, рентабельности, продуктивности, сохранности животного, минимум стоимости рациона и ряд критериев с ограничениями: максимальная прибыль при заданной сбалансированности, минимальная стоимость рациона при продуктивности не ниже заданной, максимальная сбалансированность при заданной стоимости рациона и др. Использование этой системы критериев позволяет оптимизировать кормление животных с учетом различных производственных и экономических состояний и текущих целей предприятия.

4. Разработан комплекс оптимизационных экономико-математических моделей рациона с учетом его влияния на продуктивность, ценность животного и функции воспроизводства. В моделях учтены особенности индивидуального и группового кормления, кормления вволю, кормления на период, кормления на заданную продуктивность. Оптимизация рационов по этим моделям уменьшает область неопределенности оптимума искомого решения.

5. Обоснован новый показатель эффективности кормовой базы кормовой эффект", характеризующий эффективность конверсии кормов в продукцию. Кормовой эффект равен стоимости продукции, обеспечиваемой кормами кормовой базы при их использовании в кормлении животных, за.

12 вычетом потерь* по ценности животных из-за несбалансированного кормления. Применение показателя «кормовой эффект» переводит технологическое планирование кормовой базы (по содержанию в кормах энергии) к экономическому (по оценке экономического эффекта использования кормов)!

6. Разработан прямой итерационный метод многопараметрической" оптимизации, названный методом совмещенных двойственных направлений, обеспечивающий наибольшую скорость спуска целевой функции /(х) за счет противоположного двойственного приращения аргументов функции. Метод использован в алгоритмах оптимизации рационов по различным критериям. По сравнению с методом-прототипом (метод прямого поиска Хука — Дживса) метод совмещенных двойственных направлений обеспечивает большую надежность в поиске глобального оптимума с меньшим временем решения задачи.

7. Разработаны математические модели динамики состояния стада и формирования кормового плана с учетом характеристик, отражающих период воспроизводства, физиологическое состояние животных, прогноз появления приплода, регламент типовых технологических операций, продуктивность животных в течение лактации и по лактациям.

8. Обоснованы и предложены оптимизационные экономико-математические модели перспективного и оперативного замещения животных молочного стада крупного рогатого скота (КРС), с критерием максимума суммарной прибыли от эксплуатации стада за период использования животных с учетом следующих показателей: стоимость животных, их продуктивность, затраты на содержание, цены на продукцию.

9. Разработаны инструментальные средства поддержки принятия решений для оптимизации оперативного управления экономикой на животноводческих предприятиях, представляющие собой комплекс компьютерных программ по оптимизации кормления, управлению эксплуатацией животных, планированию" и анализу кормовой базы, диагностике и лечению болезней.

Теоретическая значимость исследования состоит в. развитии методологии разработки систем поддержки принятия, оперативных решений для экономической оптимизации управлении производством животноводческой продукцииразработке моделей и математических методов анализа и синтеза решений оперативного управления производством животноводческой продукции.

Практическая значимость работы состоит в разработке и внедрении инструментальных средств научно обоснованной экономической оптимизации решений оперативного управления производством животноводческой продукции, предоставляющих ЛПР возможность интерактивного участия в процессах формирования и анализа решений, и обеспечивающих повышение эффективности управления производством животноводческой продукции.

Апробация и внедрение результатов работы. Апробация работы выполнена посредством внедрения полученных результатов в практику, применения в учебном процессе при подготовке и переподготовке специалистов АПК, проведения ряда вычислительных экспериментов, и участия в научных конференциях, семинарах и совещаниях. Основные результаты и положения диссертации докладывались автором на международных, всероссийских и отраслевых научно-практических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на: Второй международной конференции «Комбикорма и компоненты: качество и эффективность», Москва, 14 февраля 2001 г.- научной конференции в рамках проведения «Сибирской ярмарки», Новосибирск, 11 — 14 декабря 2001 г.- международной научной конференции в рамках Двенадцатой международной специализированной выставки «АГРО — 2002», Уфа, 26 февраля — 1 марта 2002 г.- первой региональной научно-практической конференции, посвященной 60-летию Кемеровской области «Потенциальные.

14 возможности региона Сибири и проблемы современного1 сельскохозяйственного производства", Кемерово, 6−7 июня 2002 г.- третьей-международной конференции «Современное комбикормовое производство и перспективы его развития», Москва, 9−12 октября 2002 г.- ежегодной научной конференции МСХА имени К. А. Тимирязева, Москва, 5−6 декабря 2002 г.- международной научно-практической конференции «Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в* исследовании сельскохозяйственных процессов»,. Новосибирск, 22−23 октября 2003 г.- 10-й международной научно-практической конференции «Математические методы и модели в экономике АПК», Москва, 20−21 апреля 2006 г.- четвертой международной конференции «Птицеводство — мировой и отечественный опыт», Москва, 8−12 февраля 2007 г.- 4-ой международной научно-практической конференции «Информационные технологии, системы и приборы в АПК», Новосибирск, 14−15 октября 2009 г.- 22 Всероссийской научно-технической конференции школы-семинара «Передача, обработка и отображение информации», Терскол, 2010 г.

Результаты исследований автора используются в научных исследованиях — Общероссийский рейтинг комбикормов // «Ценовик», № 4, 5, 2009 г.- Левченко Н. И. Резервы повышения эффективности агропромышленной интеграции в молочном подкомплексе (на примере Красноярского края). // Диссертация на соиск. уч. степени канд. эк. наук. -М., 2007 г.- Пучкова О. С. Проектирование структуры интеграционного формирования в АПК на основе экономико-математических моделей.// Диссертация на соиск. уч. степени канд. эк. наук. — М., 2009 г.- Евграфова Л. В. Повышение экономической эффективности молочного скотоводства в условиях научно-технического прогресса. // Диссертация на соиск. уч. степени канд. эк. наук. — М., 2010 г.

Исследования автора используются в учебных изданиях — Практикум по кормлению сельскохозяйственных животных / Топорова Л. В., Архипов.

A.B., Бессарабова Р.ФМ.: КолосС, 2007 (Учебник для студентов высших учебных заведений).

Разработанный при непосредственном участии автора4 комплекс компьютерных программ «КОРАЛЛ» внедрен в производство и как инструментальное средство поддержки принятия, решений и обучения специалистов АПК используется (подтверждено актами внедрения): о сельскохозяйственными организациями. для оптимизации кормления и содержания животныхо региональными Управлениями животноводства для контроля уровня и сбалансированности кормления животных на предприятиях региона и для выработки рекомендаций по рационализации кормлениядля анализа рынка кормовых продуктов по соотношению цены и эффективности продуктао информационно-консультационными службами’для консультирования специалистов сельскохозяйственных организаций, фермеров и частных владельцев животныхо научно-исследовательскими организациями при разработке эталонных рецептов рационовдля оценки влияния дисбаланса по исследуемым компонентам питания, и соотношениям на продуктивность и здоровье животных, срок их эксплуатацииоценки влияния на показатели рациона новых компонентов питания при их включении в нормы кормленияо технологами комбикормового производства для оптимизации рецептов комбикормово производителями кормовых добавок и разработчиками специфических кормовых продуктов для оценки эффективности дополнения кормов потенциального Заказчика разрабатываемыми кормовыми продуктами, для определения оптимальной цены кормового продуктао руководителями и главными специалистами животноводческих и кормопроизводящих предприятий для контроля качества работы подчинённых им подразделений и сотрудниково в учебном процессе при подготовке специалистов АПК.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

1. Выявлены резервы производства животноводческой продукции, скрытые в неоптимальности принимаемых решений по управлению, производственными процессами. Резервы связаны с учетом в критериях оптимизации и моделях управленческих решений степени сбалансированности" рационов, продуктивности, здоровья, сроков эксплуатации, показателей воспроизводства животных, технологических мероприятий по содержанию и эксплуатации стада, эффекта конверсии корма в продукцию.

2. Выполнена структуризация оперативного управления экономикой производства животноводческой продукции по процессам: эксплуатации животных, кормления, планирования продуктивности, ремонта стада, планирования кормовой базы.

3. Определены функции СППР для оптимизации управления технологическими процессами производства продукции животноводства и математические модели, необходимые для выполнения функций СППР — роста и развития животных, рациона, движения животных по группам кормления, кормового плана, изменения продуктивности от возраста животных, кривой лактации, кормовой базы, замещения животных.

4. Классифицированы задачи составления рационов сельскохозяйственных животных по видам кормления: индивидуальному, групповому, дозированному, вволю, программируемому, на заданный период времени.

5. Определены и обоснованы экономические показатели, характеризующие эффективность кормления животных: сбалансированность рационаприбыль, обеспечиваемая рациономрентабельность применения рационапродуктивность, обеспечиваемая рационом.

6. Сформулирована система критериев оптимизации рационов, отвечающих различным целям и задачам производства: максимизации прибыли, рентабельности, текущей продуктивности, минимизации. стоимости, кормов, сохранности здоровья животных, минимизации стоимости, рациона*. Предложен ряд критериев' с ограничениями: максимальная* прибыль при заданной сбалансированности, минимальная стоимость рациона при продуктивности не ниже4 заданноймаксимальная ^ сбалансированность при" заданной стоимостирациона и др: Использование системы критериев, позволяет оптимизировать кормление животных с учетом различных производственных и экономических состояний и текущих целей предприятия.

7. Разработан комплекс экономико-математических моделей формирования оптимального рациона с учетом его влияния на продуктивность, ценность животного и функции воспроизводства: В моделях учтены особенности индивидуального и группового кормления, кормления вволю, кормления на период, кормления на заданную продуктивность.

1. Разработан прямой' итерационный метод многопараметрической' оптимизации рационовназванный методом совмещенных двойственных направлений, обеспечивающий наибольшую скорость спуска целевой функции за счет противоположного двойственного приращения аргументов функции: Метод использован в алгоритмах оптимизации', рационов по различным критериям.

8. Разработана методология' планирования и оптимизации состава, кормовой базы животноводческого предприятия на основе замены показателей качества, отражающих питательность кормовой базы (содержание в кормах энергии и т. д.), на показатели экономической эффективности использования кормов, составляющих кормовую базу. Обоснован новый показатель эффективности кормовой базы — «кормовой эффект», характеризующий эффективность конверсии кормов в продукцию.

9. Разработаны математические модели динамики состояния стада и формирования кормового плана с учетом характеристик, отражающих период воспроизводства, физиологическое состояние животных, прогноз.

231″ появления приплода, регламент типовых технологических операций, продуктивность животных в течение лактации и по лактациям.

10. Обоснованы и предложены оптимизационные экономико-математические модели перспективного и оперативного замещения животных молочного стада крупного рогатого скота (КРС), с критерием максимума суммарной прибыли от эксплуатации стада за период использования животных с учетом стоимости животных, их продуктивности, затрат на содержание, цен на продукцию.

11. Разработана система поддержки принятия решений для оптимизации оперативного управления экономикой на животноводческих предприятиях, реализованная в виде комплекса компьютерных программ «КОРАЛЛ» по оптимизации кормления, управлению эксплуатацией животных, планированию и анализу кормовой базы, диагностике и лечению болезней.