Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературы 16
1.1. Анализ влияния правильно организованного питания на промышленность, промышленную безопасность и экологию с позиции экономики производства 16
1.2. Влияние человеческого фактора на качество производства 19
1.3. Принципы научного формирования рациона питания 26
1.4. Формирование перечня нутриентов, которые должны нормироваться при составлении рациона 40
1.5. Оценка и оптимизация рациона как технологический процесс 42
1.6. Вывод о необходимости математической модели рациона и его формирования и программной поддержки этой модели 49
Глава 2. Математическая модель рациона питания 51
2.1. Математическая модель нутриентного состава рациона 51
2.2. Модель нормативов и оценки рациона; оптимальное, допустимое и недопустимое множества в пространстве нутриентов 59
2.3. Оптимизация рациона с учетом ограниченности исходного набора продуктов (склада) 62
2.4. Формирование нормативов. Алгоритм с использованием обучения по образцам. Интерактивный алгоритм «малых изменений» с использованием эксперта 65
2.4.1. Формирование нормативов по образцам 66
2.4.1.1. Модель независимых нутриентов 67
2.4.1.2. Модель парно-линейно зависимых нутриентов 67
2.4.1.3. Модель линейно зависимых нутриентов 69
2.4.2. Интерактивное формирование образцов 70
Глава 3. Разработка алгоритмической и программной поддержки предложенных моделей и алгоритмов 72
3.1. Формирование структуры базы данных, обслуживающей алгоритмы анализа и оптимизации рациона 72
3.2. Формирование структур данных для задач анализа и оптимизации рациона 78
3.3. Формирование объектной модели программного продукта анализа и оптимизации рациона 80
3.4. Примеры оценки и оптимизации рациона 83
3.5. Описание возможных областей применения программного продукта 108
4. Выводы 112
5. Литература 114
6. Приложения
- Анализ влияния правильно организованного питания на промышленность, промышленную безопасность и экологию с позиции экономики производства
- Влияние человеческого фактора на качество производства
- Математическая модель нутриентного состава рациона
- Формирование структуры базы данных, обслуживающей алгоритмы анализа и оптимизации рациона
Введение к работе
1.1. Формулировка проблемы
Человек, как одна из составляющих экосистемы, несомненно, занимает значительную нишу во всех отраслях науки. Не могло не затронуть это и экологию. Существует научная дисциплина, изучающая экологию человека - взаимодействие человека со средой обитания. В отличие от всех других видов живого, которые приспосабливаются к условиям окружающей среды, человек изменяет и приспосабливает среду обитания под себя. Кроме того, в отличие от других видов живого, человек - существо социальное. Его деятельность может быть направлена как во благо, так и во вред. Стремительное развитие человечества привело к изменению его духовного мира, последствием которого может стать кризис цивилизации. Синтезированная дисциплина, изучающая все аспекты взаимодействия человека с природой, называется экологией человека [38].
Люди уже давно поняли, что человеческая активность меняет характер окружающей среды. Но в то же время любая деятельность человека -промышленная, сельскохозяйственная, рекреационная есть источник жизни человека, основа его существования. Значит, человек неизбежно будет менять характеристики окружающей среды. Вопрос - как?
Прежде всего, через создание таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду. Те технологии, которые обладают таким свойством, называют экологичными. А научные (инженерные) дисциплины, которые занимаются принципами создания таких технологий, объединяются общим названием инженерной или промышленной экологии. Данные дисциплины - разные по своему конкретному содержанию, но они объединяются общей методологией и общей целью - предельно сократить влияние промышленной деятельности на процессы кругооборота веществ в природе и загрязнение окружающей среды.
К экологии часто относят большое количество смежных отраслей знаний, главным образом из области охраны окружающей среды.
Охрана окружающей среды - комплекс международных, государственных, региональных и локальных (местных) административно-хозяйственных, технологических, политических, юридических и общественных мероприятий, направленных на обеспечение социально-экономического, культурно-исторического, физического, химического и биологического комфорта, необходимого для сохранения здоровья человека. Здоровье человека - критерий состояния окруэюающей среды, а организм человека - это инструмент, позволяющий оценивать это состояние.
Строительная роль пищи
В процессе фотосинтеза из СОг и Н20 образуется основа органического вещества - глюкоза. Это не только резервуар потенциальной энергии, но и основной строительный материал живого вещества. Ее углеводородный комплекс входит во все молекулярные постройки живого вещества: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. В их создании могут принимать участие и некоторые другие элементы - О, N, S, Р, но основой являются С-С и С-Н связи. Сложность органических молекул велика, а возможное разнообразие бесконечно. Этим и объясняется разнообразие живых организмов.
Для построения, роста и обновления тканей продуцентов им должны быть доступны неорганические вещества ССЬ, Н20, аммоний и/или нитрат-ион, фосфат-ион, сульфат-ион, а также разнообразные элементы, включая Со, Mn, Mg, Fe и др. Для построения организма консументов, которые начинают его в отличие от продуцентов уже с готовых органических соединений, пища должна содержать помимо углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот необходимое количество витаминов и различные микроэлементы. Если в пище нет какого-либо из этих ингредиентов, то сколько бы энергии (калорий)
она не содержала, неизбежно появятся нарушения, вызванные неполноценным питанием.
Для человека достаточные количества этих питательных веществ (биогенов) содержится в сбалансированном рационе, включающем крупы, мясо, овощи и молоко. Однако во многих прошедших длительную обработку пищевых продуктах биогенов почти или совершенно не остается. Аналогичная проблема имеет место в случае «перебивания аппетита» жареными картофельными хлопьями, лимонадом, спиртными напитками, сладостями, выпечкой. Многие из этих продуктов высококалорийны, поскольку богаты жирами или сахаром, но в них практически нет веществ, необходимых организму для роста и восстановления тканей. Соответственно, если в рационе много таких продуктов, то энергетические потребности будут удовлетворены, но питание останется явно не полноценным. Результатом бывает ощущение «упадка сил», даже если получено вполне достаточно калорий.
При несбалансированном рационе не исключено избыточное поступление калорий [8]. Потребность в них определяется тем, насколько активный образ жизни ведет человек. Если в пище больше калорий, чем нужно организму, их излишек накапливается в жировых отложениях, что в конечном счете обернется избыточным весом. Таким образом, неумеренное потребление некоторых продуктов чревато одновременно ожирением и неполноценным питанием. С другой стороны, если калорийность пищи ниже потребностей организма, он голодает и начинает получать энергию за счет расщепления собственных тканей, причем не только жира, но и белков.
Сбалансированный рацион обеспечивает потребление калорий и биогенов именно в том количестве, в каком они нужны. Важно питаться так постоянно, поскольку организм не в состоянии запасать большинство необходимых веществ впрок. Не следует есть редко и помногу, так как в этом случае значительная часть пищи попросту не используется и теряется вместе
с экскрементами, а ее биогены разрушаются ради получения энергии. При сбалансированном питании от 80 до 90% того, что переваривается и всасывается в кровь, расходуется в энергетических целях. Однако, несмотря на то, что доля биогенов (аминокислот, витаминов, минеральных веществ) значительно меньше 10-20%, она жизненно необходима организму.
Исходя из общих положений, перечислим основные требования, предъявляемые к питанию человека:
питание должно быть сбалансировано по энергии - ее
потребление определяется энергозатратами организма, то есть режимом и
образом жизни;
питание должно быть сбалансировано по питательным веществам, в том числе витаминам и микроэлементам;
питание должно быть сбалансировано постоянно, поскольку организм не может запасать необходимые элементы впрок;
пища должна проходить минимальную обработку, так как в процессе нее разрушаются и теряются витамины и микроэлементы;
пища не должна содержать ядов-токсинов, в том числе в виде консервантов, красителей, дезодорантов.
Питание - мощный фактор внешней среды, влияющий как на больного, так и на здорового человека. Современные исследования подтверждают высказывавшуюся ещё древними целителями идею, что правильное питание играет большую роль, как в сохранении, так и в восстановлении здоровья [46,47]. В составе пищевых продуктов выделяют огромное количество специфических компонентов - нутриентов. К ним можно отнести витамины, ферменты, аминокислоты, жирные кислоты (насыщенные, ненасыщенные, полиненасыщенные), углеводы (сахара, полисахариды, целлюлозу), микроэлементы, макроэлементы и многие другие вещества. Нутриенты должны присутствовать в рационе не только в определённых количествах, но и в определённых соотношениях. Будем
называть их нормативами. Нормативы известны для различных групп людей, в первую очередь - здоровых, и ведутся активные исследования для определения нормативов для различных категорий лиц с отклонениями в здоровье.
Если известен конкретный набор продуктов, потребляемый человеком в течение суток (суточный рацион), зная содержание всех нутриентов в каждом виде продуктов, можно определить количества потребляемых нутриентов и оценить меру соответствия их нормативам. Назовём такую задачу задачей оценки рациона. Определение набора и количества конкретных продуктов, используемых в пищу, который обеспечил бы поступление в организм всех нутриентов в количествах и соотношениях, наиболее соответствующих нормативам, назовём задачей оптимизации рациона. Ясно, что оперативное решение этих задач является актуальным как для лечебно-профилактических учреждений, так и для отдельных людей. Ясно также, что их решение невозможно без применения математических методов и вычислительной техники. Известны попытки создания соответствующих программных продуктов (см. [24]), однако какое-либо решение, пусть даже самое несовершенное, до сих пор нигде не опубликовано.
1.2. Обзор имеющихся результатов
Современные представления о количественных и качественных пропорциях пищевого рациона базируются на концепции сбалансированного питания, разработанного А.А.Покровским, в основе которой лежит правило соответствия химической структуры пиши состоянию ферментных систем организма, ответственных за ее усвоение. Всякое изменение этого соответствия неизбежно приводит к нарушению физиологического состояния организма. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности организма необходимо не только соответствующее количество белков,
жиров, углеводов и энергии, но и поступление в организм незаменимых аминокислот, полиненасыщенных жирных кислот, витаминов, минеральных веществ и микроэлементов, которые не синтезируются в организме.
Основная заслуга А.А.Покровского заключается в разработке таблиц химического состава пищевых продуктов питания. Данные таблицы имеют важное народнохозяйственное значение. Они используются не только для определения пищевой ценности продуктов питания, но служат основным справочным материалом при подготовке решений по рационализации питания населения, планировании производства и потребления пищевых продуктов, организации общественного питания в столовых, больницах, санаториях, детских учреждениях и т.д. [60].
Но, не смотря на все заслуги А.А.Покровского, задача автоматизированного подбора рационального питания не решена и продолжает волновать многих людей и сейчас. И конечно же в данном направлении продолжалась работа. Было сделано несколько попыток создания комплексных программных продуктов, но во всех этих работах была сделана только оценка рациона питания, об оптимизации рациона не шло и речи.
1.3. Обоснование актуальности
Среди условий внешней среды, постоянно воздействующих на человеческий организм, питанию, несомненно, отводится наибольшая роль. Однако пища имеет принципиальное отличие от всех других факторов внешней среды, - в процессе питания она превращается из внешнего во внутренний фактор, и более того, ее элементы трансформируются в энергию физиологических функций и структурные элементы человеческого тела. Именно поэтому питание является основным фактором в обеспечении оптимального роста и развития человеческого организма, его трудоспособности, адаптации к воздействию различных агентов внешней
среды, и в конечном итоге можно считать, что фактор питания оказывает определяющее влияние на длительность жизни и активную деятельность человека.
Питание обеспечивает лучшее восстановление тканей после хирургических вмешательств, нормальный уровень белка в крови, оптимальное осмотическое давление, гормональную активность, нормальную деятельность печени, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой, нервной и других систем организма. Питание необходимо для построения и непрерывного обновления клеток и тканей; поступления энергии, необходимой для восполнения энергетических затрат организма; поступления веществ, из которых в организме образуются ферменты, гормоны, другие регуляторы обменных процессов и жизнедеятельности. Обмен веществ, функция и структура всех клеток, тканей и органов находится в зависимости от характера питания.
Благодаря достижениям современной биохимии известно, что в организме человека происходят десятки тысяч различных химических реакций, приводящих к формированию столь многочисленных соединений, что в каждой живой клетке в обычных условиях с большой скоростью одновременно протекает 1500-2000 химических реакций. Пища должна содержать материал для этой колоссальной слаженной работы, обеспечивающей здоровье, т.е. равновесие внешней и внутренней среды организма.
Питание - это сложный процесс поступления, переваривания, всасывания и усвоения в организме пищевых веществ. Пищевыми веществами (нутриентами) являются белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, витамины, вода, заменимые и незаменимые аминокислоты.
Поступление с пищей незаменимых пищевых веществ является обязательным. Нужны в питании и заменимые пищевые вещества, так как
при недостатке последних на их образование в организме расходуются другие питательные вещества и нарушаются обменные процессы.
Питание осуществляется за счет пищевых продуктов. Только при некоторых заболеваниях в организме вводят отдельные пищевые вещества: аминокислоты, витамины, глюкозу и др.
Пища - это сложная смесь приготовленных для еды пищевых продуктов.
Пищевой рацион - это состав и количество пищевых продуктов, используемых в течение дня (суток).
К пищевому рациону предъявляются следующие основные требования: 1) энергетическая ценность рациона должна покрывать энергозатраты организма; 2) надлежащий химический состав - оптимальное количество сбалансированных между собой пищевых (питательных) веществ; 3) хорошая усвояемость пищи, зависящая от ее состава и способа приготовления; 4) высокие органолептические свойства пищи (внешний вид, консистенция, вкус, запах, цвет, температура); 5) разнообразие пищи за счет широкого ассортимента продуктов и различных приемов, их кулинарной обработки; 6) способность пищи (состав, объем, кулинарная обработка) создавать чувство насыщения; 7) санитарно-эпидемическая безупречность и безвредность пищи.
Режим питания включает время и количество приемов пищи, интервалы между ними, распределения пищевого рациона по энергоценности, химическому составу, продуктовому набору, массе по приемам пищи.
Питание широко применяется в медицине для профилактики и лечения различных заболеваний. Это, так называемое, лечебное питание.
Лечебное питание (диетотерапия) - это применение с лечебной или профилактической целью специально составленных пищевых рационов и
режимов питания для больных (с острыми заболеваниями или обострением хронических заболеваний) людей.
Диетическое (лечебное) питание - это питание людей с хроническими заболеваниями вне обострения, например организуемое для трудоспособных, работающих людей в санаториях-профилакториях и диетических столовых. Основные принципы лечебного питания при тех или иных заболеваниях сохраняются и в диетическом питании. Перечень требований к лечебному (диетическому) питанию не изменяется, однако с учетом характера заболевания на короткий или продолжительный срок могут изменяться требования к энергетической ценности и химическому составу рациона, сбалансированности в нем пищевых веществ, набору продуктов и способом их кулинарной обработки, режиму питания.
Рациональное питание - это достаточное в количественном и полноценное в качественном отношении питание, основа которого -сбалансированность.
Сбалансированное питание подразумевает снабжение организма человека всеми пищевыми веществами в определенных соотношениях между собой (формула сбалансированного питания).
Особое значение придается сбалансированности незаменимых составных частей пищи, которых насчитывается более 50. К незаменимым относятся незаменимые аминокислоты, незаменимые жирные кислоты, витамины и минеральные вещества.
При оценке рационов учитывают их сбалансированность по многим показателям. Так, соотношение между белками, жирами и углеводами в норме принято за 1:1,1:4,1 для мужчин и женщин молодого возраста, занятых умственным трудом, и за 1:1,3:5 - при тяжелом физическом труде.
Отмеченные соотношение могут быть неприемлемы для лечебных диет, в которых приходится изменять содержание белков, жиров или
углеводов (в диете при ожирении - 1:0,7:1,5; при хронической почечной недостаточности - 1:2:10 и т.д.).
Указанные соотношения могут существенно изменяться в лечебном питании. При учете сбалансированности белков учитывают, что на белки животного происхождения должно приходиться 55% общего количества белков. Из общего количества жиров в рационе растительного масла как источника незаменимых жирных кислот должны составлять до 30%. Ориентировочная сбалансированность углеводов: крахмал - 75-80%, легкоусвояемые углеводы - 15-20%, клетчатка и пектины - 5% от общего количества углеводов.
Сбалансированность основных витаминов дана из расчета на 4,184 мДж (1000 ккал) рациона: витамин С - 25 мг, Bi - 0,6 мг, РР - 6,6 мг. В лечебном питании эти величины более высокие.
Лучшее соотношение для усвоения кальция, фосфора и магния -1:1,5:0,%.
Суточная потребность в энергии зависит от суточных энергетических затрат, которые складываются из расхода энергии на: а) основной обмен; б) усвоение пищи; в) физическую (нервно-мышечную) деятельность.
Источником необходимой для жизнедеятельности энергии является пища.
При окислении 1 г белка получается 16,7 кДж (4 ккал), 1 г жира - 37,7 кДж (9 ккал), 1 г углеводов - 16,7 кДж (4 ккал). Основными источниками энергии являются жиры и углеводы, а при их недостаточном поступлении -белки.
Таким образом, из всего изложенного выше можно сделать вывод: питание необходимо человеку, но для его нормальной жизнедеятельности и нормального функционирования всех систем его организма, питание должно быть рациональным и сбалансированным. Поэтому вполне логично возникает вопрос: а как сделать питание рациональным и сбалансированным, то есть
содержащим все заменимые и незаменимые пищевые вещества (нутриенты), в соответствии с нормами.
Это сложная задача, требующая комплексного подхода к ее решению.
Необходимо учесть массу параметров, касающихся как человека, так и рациона. К таким параметрам можно отнести: пол, рост, возраст, вес, характер труда (около 5 групп), место проживания (город, страна, регион), состояние здоровья (наличие заболеваний); а также соотношения между белками, жирами, углеводами, минеральными веществами, витаминами; процентное соотношение поступления энергетической ценности в организм за счет белков, жиров, углеводов; процентное соотношение распределения суточной калорийности рациона (здоровому человеку рекомендуется 4-разовое питание); усвояемость одних витаминов, минеральных веществ в обязательном присутствии других.
Данную задачу проще всего реализовать с использование персонального компьютера; то есть возникает необходимость в создании программного продукта, ориентированного на подбор рационального сбалансированного питания для каждого человека с учетом всех вышеперечисленных параметров. А программный продукт, в свою очередь, должен ориентироваться на соответствующий математический аппарат. Разработка необходимой математической модели является нашей непосредственной главной задачей.
1.4. Формулировка целей и задач диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы «Автоматизированная оценка и оптимизация состава продуктового рациона» является автоматизация процесса формирования рациона на основе «нутриентной» модели.
Задачами работы являются:
Разработка технологического процесса подбора рациона, его оценки и оптимизации, на основе «нутриентнои» модели и использование ее в работе автоматизированного склада.
Разработка математической модели для автоматизированной оценки качества рациона - определение меры соответствия его нормативам.
Разработка математической модели для автоматизированной оптимизации рациона - то есть определения набора и количества конкретных продуктов, которое обеспечило бы поступление в организм всех нормируемых нутриентов в оптимальных количествах и соотношениях.
Разработка методики и алгоритма автоматизированного формирования нормативов по имеющимся образцам.
Разработка программных средств реализации предыдущих трех задач, оперативное решение которых невозможно без использования компьютерной техники.
Анализ влияния правильно организованного питания на промышленность, промышленную безопасность и экологию с позиции экономики производства
На качественную работоспособность человека, как неотъемлемого звена каждого предприятия, организации влияет ряд факторов. К ним относятся - условия труда, уровень образованности, опыт, также важным фактором является хорошее самочувствие человека, его нормальное психофизиологическое состояние. В последнем немалая роль отводится питанию. Пища имеет принципиальное отличие от всех других факторов - в процессе питания она превращается из внешнего во внутренний фактор, тем самым обеспечивая нормальное функционирование всех систем организма человека, его трудоспособности, адаптации к воздействию различных агентов внешней среды, и в конечном итоге можно считать, что фактор питания оказывает определяющее влияние на длительность жизни и активную профессиональную деятельность человека.
Жизнедеятельность организма основывается на процессах преобразования химических соединений. Таким образом, химические вещества имеют решающее значение для определения здорового или болезненного состояния организма.
Благодаря достижениям современной биохимии известно, что в организме человека происходят десятки тысяч различных химических реакций, приводящих к формированию столь многочисленных соединений, что в каждой живой клетке в обычных условиях с большой скоростью одновременно протекает 1500-2000 химических реакций. Пища должна содержать материал для этой колоссальной слаженной работы, обеспечивающей здоровье, то есть равновесие внешней и внутренней среды организма [45]. Непоступление в организм всех необходимых веществ (нутриенты) в необходимых количествах и соотношениях (нормативы) приводит к нарушению данного равновесия организма и как следствие приводит к различным заболеваниям. Например:
1) Отсутствие или нехватка глютаминовой кислоты в организме приводит к замедлению умственной деятельности человека, что остро сказывается в производственных процессах, связанных с принятием правильных решений (мгновенно правильных), таких как атомная промышленность, космическая промышленность, управление самолетом в гражданской (военной) авиации, управление автомобилем и т.д.
2) Отсутствие калия и кальция в организме приводит к резкому возрастанию травматизма в работах, связанных с физическими нагрузками - тяжелая промышленность, добывающая промышленность, сельское хозяйство т.д.
Некачественное питание приводит к ряду серьезных (профессиональных) заболеваний [45]: 1) заболевания сердца и системы кровообращения (авиация, космонавтика); 2) повышенное кровяное давление (авиация, тяжелая промышленность); 3) заболевания сосудов головного мозга (авиация, тяжелая промышленность); 4) диабет, цирроз печени, желчекаменная болезнь, кариес (химическая промышленность, ряд пищевых производств) и т.д.
Все это очень серьезные заболевания, ведущие к длительному и частому отсутствию квалифицированного рабочего персонала на своих рабочих местах, что ведет к ухудшению производственных процессов, а также к ухудшению производственной экологии [18].
Данная проблема затрагивает все области производства. Кроме того, проблема затрагивает и экономическую сферу каждого государства, поскольку приходится оплачивать все простои производства, издержки, связанные с оплатой больничных листов и иных затрат по лечению персонала, что не лучшим образом отражается на экономическом состоянии промышленности в целом, и отдельного производства в частности.
Вследствие подобного действия питания на здоровье постоянно растет интерес к принципам правильного питания не только среди политиков и собственников производств, стремящихся сократить издержки на лечение и профилактику различного рода заболеваний [26,34].
Предлагаемая мною работа по оптимизации подхода к рассмотрению оптимальных соотношений между питанием и затратами производства на устранение последствия от неправильного питания персонала, позволяет сократить затраты на лечение персонала, а также снизить риск возникновения профессиональных заболеваний, и уменьшить травматизм на производстве.
Подход, представленный в диссертационной работе, в общем случае позволяет влиять на экологию производства и промышленности в целом. Работа позволяет подбирать рацион, удовлетворяющий всем требованиям и нормам, предъявляемым к рациону, при условии, что рацион будет подбираться из тех продуктов, которые есть в холодильнике (складе) человека. Данная возможность немаловажна в России, где низкий уровень жизни, с ее невысокой продолжительностью, а также озабоченностью правительства уменьшением общей численности работоспособного населения.
Влияние человеческого фактора на качество производства
Во многих промышленных производствах человек-оператор был и остается основным звеном в системе «оператор-машина». Современный этап развития промышленности, несмотря на широкое внедрение систем автоматического управления и контроля, характеризуется повышением роли человека-оператора, которому поручают самые ответственные задачи управления (принятия решений).
Для облегчения работы оператора и рационального сочетания его характеристик с характеристиками управляемого объекта (процесса производства и т.д.) создаются специальные устройства связи (системы отображения информации, системы передачи команд и др.), которые обеспечивают функционирование оператора и технологического процесса как единой системы. При создании таких устройств учитываются психофизиологические характеристики оператора и технические характеристики управляемого объекта и его систем, а также требования надежности, безопасности и эксплуатационной пригодности. Для создания систем связи необходимо изучать психофизиологические характеристики оператора, которые напрямую завязаны с его качеством жизни (питанием).
Системы «человек-машина», включающие человека-оператора и управляемый технический объект, имеют в ряде случаев преимущества перед полностью автоматическими системами. Высокая надежность, возможность принятия правильных решений в непредвиденных ситуациях, возможность устранения отказов сразу же после их возникновения и другие преимущества являются характерными свойствами таких систем. Частными случаями систем «человек-машина» являются системы «оператор- технологический процесс», оператором может быть настройщик станков с ЧПУ, руководитель производства, программист, экономист (управление производством через финансовые потоки). Система «человек-машина» обычно включает множество элементов и подсистем, а также ряд контуров автоматического управления. Таким системам присущи следующие характерные особенности:
1) наличие цели функционирования системы. Участие оператора в системе делает ее активной в том смысле, что система, не имея заранее определенных алгоритмов функционирования, вырабатывает тактику и стратегию достижения цели в соответствии с полученной информацией;
2) наличие управления как вида упорядочения состояния системы для достижения намеченных целей. Управление предполагает: сбор информации о состоянии системы и внешней обстановке; передачу, накопление и об работку информации; анализ информации; выработку решений с использованием принципов прогнозирования. Заданное состояние системы нарушается внешними и внутренними возмущениями, действующими на систему, поэтому управление можно рассматривать как антагонистическую игру системы с возмущениями; 3) в системе имеется свой язык, обеспечивающий
функционирование всех технических подсистем. Для сочетания оператора с системой необходимы переходные устройства в виде систем отображения информации и систем исполнения команд, посредством которых оператор переводит информацию с языка системы на понятный для него язык условных знаков. После переработки информации и выработки решения информация опять переводится на язык системы [3,27].
Качество восприятия информации от управляемого объекта (УО), ее переработка и передача команд на объект определяются психофизиологическим состоянием (питанием, и другими внутренними и внешними факторами), подготовкой, навыками оператора и характером выполняемых им задач, а также особенностями связи оператора и УО. Все эти факторы оказывают влияние на надежность системы «оператор-УО».
Существенно заметить, что надежность системы «оператор-УО» выше надежности каждой из подсистем в отдельности, что обусловлено взаимной компенсацией отказов и исключительной гибкостью и активностью оператора.
На надежность таких систем влияет, в частности, психофизиологическое состояние оператора, в формировании которого огромную роль играет питание, так как отсутствие в рационе хотя бы одного из необходимых микро- и макроэлементов влияет на качество принятия решения оператором, в частности отсутствие глютаминовой кислоты влияет на утомляемость, сказываясь при этом на быстроте принятия решений, отсутствие фосфора сказывается на быстроте принятия решений и т.д.
Математическая модель нутриентного состава рациона
В составе пищевых продуктов выделяют огромное количество специфических компонентов - нутриентов. К ним можно отнести витамины, ферменты, аминокислоты, жирные кислоты (насыщенные, ненасыщенные, полиненасыщенные), углеводы (сахара, полисахариды, целлюлозу), микроэлементы, макроэлементы и многие другие вещества. Нутриенты должны присутствовать в рационе не только в определённых количествах, но и в определённых соотношениях. Будем называть их нормативами. Нормативы известны для различных групп людей, в первую очередь -здоровых, и ведутся активные исследования для определения нормативов для различных категорий лиц с отклонениями в здоровье.
Если известен конкретный набор продуктов, потребляемый человеком в течение суток (суточный рацион), зная содержание всех нутриентов в каждом виде продуктов, можно определить количества потребляемых нутриентов и оценить меру соответствия их нормативам. Назовём такую задачу задачей оценки рациона. Определение набора и количества конкретных продуктов, используемых в пишу, который обеспечил бы поступление в организм всех нутриентов в количествах и соотношениях, наиболее соответствующих нормативам, назовём задачей оптимизации рациона. Ясно, что оперативное решение этих задач является актуальным как для лечебно-профилактических учреждений, так и для отдельных людей. Ясно также, что их решение невозможно без применения математических методов и вычислительной техники. Известны попытки создания соответствующих программных продуктов, однако какое-либо решение, пусть даже самое несовершенное, до сих пор нигде не опубликовано. В литературе нашла свое отражение математическая модель составления рациона с минимальными входными данными, опирающаяся на линейное программирование [24].
Линейное программирование - наука о методах исследования и отыскания наибольших и наименьших значений линейной функции, на неизвестные которой наложены линейные ограничения. Таким образом, задачи линейного программирования относятся к задачам на условный экстремум функции. Казалось бы, что для исследования линейной функции многих переменных на условный экстремум достаточно применить хорошо разработанные методы математического анализа, однако невозможность их использования можно довольно просто проиллюстрировать.
Действительно, пусть необходимо исследовать на экстремум линейную функцию Z = tCJXj при линейных ограничениях атгх1+ат2х2+... + атпхп=Ьт. Так как Z - линейная функция, то — = C}(j = l,2,...,n), но все коэффициенты линейной функции не могут быть равны нулю, следовательно, внутри области, образованной системой ограничений, экстремальные точки не существуют. Они могут быть на границе области, но исследовать точки границы невозможно, поскольку частные производные являются константами.
Для решения задач линейного программирования потребовалось создание специальных методов. Особенно широкое распространение линейное программирование получило в экономике, так как исследование зависимостей между величинами, встречающимися во многих экономических задачах, приводит к линейной функции с линейными ограничениями, наложенными на неизвестные. Одним из примеров является задача составления рациона для животных. Данный пример и составленная в нем математическая модель рациона является единственной иллюстрацией попытки решения задачи составления рациона, что еще раз подчеркивает актуальность поставленной мною выше проблемы.
Задачу составления рациона можно обобщить, если предусмотреть в рационе т видов питательных веществ в количестве не менее bt (i= 1, 2, ..., т) ед. и использовать п видов кормов. Для составления математической модели задачи обозначим через % (і = 1,2, ..., m; j = 1, 2, ..., п) количество единиц 1-го питательного вещества, содержащегося в единице j-го корма; Cj -стоимость единицы j-ro корма: Xj — количество единиц j-ro корма в дневном рационе.
Рассматривая приведенные задачи и их математические модели, нетрудно заметить, что если потребовать, чтобы в процессе производства какое-то сырье использовалось полностью или в дневном рационе должно содержаться точное количество единиц какого-нибудь питательного вещества, то ограничение для этого сырья (питательного вещества) можно выразить в виде уравнения.
Таким образом, системы ограничений в зависимости от условий задачи могут содержать не только линейные неравенства, но и линейные уравнения. При решении систем линейных неравенств с п неизвестными приходится сталкиваться с большими трудностями, поэтому от неравенств переходят к равенствам и решают систему линейных уравнений. Этот метод широко применяют при решении задач линейного программирования.
Графический метод решения задачи линейного программирования (задачи составления рациона) основан на геометрической интерпретации задачи линейного программирования и применяется в основном при решении задач двумерного пространства и только некоторых задач трехмерного пространства, так как довольно трудно построить многогранник решений, который образуется в результате пересечения полупространств. Задачу пространства размерности больше трех изобразить графически вообще невозможно.
Формирование структуры базы данных, обслуживающей алгоритмы анализа и оптимизации рациона
Создание базы данных, а главное ее заполнение - не столько сложная задача, сколько трудоемкая, поскольку необходимо, во-первых, собрать воедино весь имеющийся материал по заданной тематике и, во-вторых, его необходимо программно реализовать с учетом удобства для пользователя.
Необходимо собрать воедино все существующие данные о составе продуктов, т.е. нутриентном составе. Здесь необходим поиск и обработка большого количества материала. На сегодня существует так называемая формула сбалансированного питания. Она включает в себя информацию по суточным нормам нутриентов, которые должны ежедневно поступать в организм человека.
Таким образом, база данных должна содержать информацию по всему нутриентному составу продуктов и, соответственно, наименования самих продуктов, которых в настоящее время существует достаточно большое количество.
Непосредственно вводить все эти данные не имеет смысла, поскольку получится «неподъемная» база данных, совершенно непригодная для использования, т.к. даже одно обращение к такой базе данных займет большое количество времени. Поэтому все вводимые данные разобьем на несколько баз данных, чтобы в единицу времени в памяти компьютера держать как можно меньше информации, для ускорения работы (обращения к данным). При написании БД будем использовать стандартное средство разработки программ - Delphi 5.0.
Наиболее приемлемым может стать так называемый «матричный подход» к созданию базы данных. База данных - прежде всего набор таблиц, чаще всего связных. В связных таблицах обычно одна выступает как главная, а другая или несколько других - как вспомогательные таблицы, управляемые главной. Главная и вспомогательная таблицы связываются друг с другом ключом. В качестве ключа могут выступать какие-то поля, присутствующие в обеих таблицах. Таблица должна иметь имя - идентификатор, по которому на нее можно сослаться. Столбцы таблицы должны соответствовать характеристикам объектов - полям. Каждое поле характеризуется именем и типом хранящихся данных. Имя поля - это идентификатор, который используется в различных программах для манипуляции данными [1,11].
На первом этапе все продукты разобьем на группы, затем по возможности разобьем группы на подгруппы. Это необходимо, в первую очередь, для легкости и быстроты обращения к данным. Всего зададим 27 основных групп продуктов. Номер группы и имя группы отражено в соответствующих полях таблицы 3.1. Поле «Наличие подгруппы» показывает есть или нет подгруппы у данной группы продуктов. «О» показывает отсутствие подгруппы, «1» показывает наличие подгруппы. представляет собой пример БД по группам продуктов. Она содержит в себе все те поля, которые будет содержать БД.
Кроме того, в структуру баз данных должна войти база данных нутриентов, представленная для наглядности в виде таблицы 3.2, которая будет включать в себя наименование элемента (нутриента) и программное обозначение элемента (нутриента). Данная таблица также содержит в себе информацию о разбивке нутриентов на группы. Первая группа содержит основные питательные вещества, включающие воду, белки (растительного и животного происхождения), жиры (животного и растительного происхождения, незаменимые полиненасыщенные жирные кислоты, холестерин, фосфолипиды), углеводы (крахмал, моно- и дисахариды), балластные вещества, органические кислоты. Вторая группа включает в себя аминокислоты - незаменимые и заменимые. Третью группу составляют минеральные вещества и четвертую группу - витамины. Всего, таким образом, данная таблица включает 65 наименований нутриентов. Соответственно и рацион человека оценивается и оптимизируется по 65 нутриентам.
База данных предусматривает любые изменения и добавления в базы данных продуктов (нутриентный состав продуктов, наименования продуктов) и в базу данных нутриентов (добавление новых нутриентов, удаление, изменение).
