Автоматизированная оценка и оптимизация состава продуктового рациона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Фалина, Елена Вячеславовна

• Фалина, Елена Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фалина, Елена Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Формулировка проблемы.

1.2. Обзор имеющихся результатов.

1.3. Обоснование актуальности.

1.4. Формулировка целей и задач диссертационной работы.

Глава 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Анализ влияния правильно организованного питания на промышленность, промышленную безопасность и экологию с позиции экономики производства.

1.2. Влияние человеческого фактора на качество производства.

1.3. Принципы научного формирования рациона питания.

1.4. Формирование перечня нутриентов, которые должны нормироваться при составлении рациона.

1.5. Оценка и оптимизация рациона как технологический процесс.

1.6. Вывод о необходимости математической модели рациона и его формирования и программной поддержки этой модели.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЦИОНА ПИТАНИЯ.

2.1. Математическая модель нутриентного состава рациона.

2.2. Модель нормативов и оценки рациона; оптимальное, допустимое и недопустимое множества в пространстве нутриентов.

2.3. Оптимизация рациона с учетом ограниченности исходного набора продуктов (склада).

2.4. Формирование нормативов. Алгоритм с использованием обучения по образцам. Интерактивный алгоритм «малых изменений» с использованием эксперта.

2.4.1. Формирование нормативов по образцам.

2.4.1.1. Модель независимых нутриентов.

2.4.1.2. Модель парно-линейно зависимых нутриентов.

2.4.1.3. Модель линейно зависимых нутриентов.

2.4.2. Интерактивное формирование образцов.

Глава 3. РАЗРАБОТКА АЖОРИТМИЧЕСКОЙ И ПРОГРАММНОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ.

3.1. Формирование структуры базы данных, обслуживающей алгоритмы анализа и оптимизации рациона.

3.2. Формирование структур данных для задач анализа и оптимизации рациона.

3.3. Формирование объектной модели программного продукта анализа и оптимизации рациона.

3.4. Примеры оценки и оптимизации рациона.

3.5. Описание возможных областей применения программного продукта.

4. ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная оценка и оптимизация состава продуктового рациона»

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 совратить 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 окружающей 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 СО2, 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 пшци 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.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Фалина, Елена Вячеславовна

4. ВЫВОДЫ

По результатам диссертационной работы, выполненной на тему «Автоматизированная оценка и оптимизация состава продуктового рациона» можно сделать ряд выводов:

В диссертации поставленная цель автоматизации формирования рациона на основе «нутриентной» модели достигнута.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Введено понятие «нутриентной» модели рациона.

2. Формирование рациона, его оценка и оптимизация, представлено как технологический процесс на основе «нутриентной» модели.

3. Разработана математическая модель оценки рациона (определение меры соответствия его нормативам), основанная на нормировании нутриентов.

4. Поставлена математическая задача оптимизации рациона (определение набора и количества конкретных продуктов, которое обеспечило бы поступление в организм всех нормируемых нутриентов в оптимальных количествах и соотношениях), предложен метод и разработаны алгоритм и программная реализация ее решения.

5. Разработана методика и алгоритмы формирования нормативов по образцам. Предложены три модели формирования нормативов: модель независимых нутриентов, линейно зависимых нутриентов и парно-линейно зависимых нутриентов.

6. Разработано программное обеспечение автоматизированного формирования рациона, позволяющее производить оценку и оптимизацию рациона.

7. В качестве примера применения предложенных методик и программного обеспечения описана технология формирования рациона, его оценки и оптимизации, с использованием средств автоматизации на основе нутриентной» модели рациона, включенная в технологический процесс работы автоматизированного склада по компоновке и отгрузке рационов. Показана функциональная схема работы автоматизированной линии по отгрузке оптимизированного рациона под управлением программы оценки и оптимизации рациона для различных категорий лиц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фалина, Елена Вячеславовна, 2004 год

1. Антре Ш. Структурный подход к организации баз данных: Пер с англ. А.А.Александрова, В.И.Будзко; Под ред. В.И.Будзко. - М.: Финансы и статистика, 1983. - 317с.: ил.

2. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие/ Соколов Э.М., Захаров Е.И., Панферова И.В., Макеев А.В., ТулГУ. Тула, 2001. - 279с.

3. Боднер В.А. Оператор и летательный аппарат. М., «Машиностроение», 1976.-224с.

4. Вентцель Е.С. Исследование операций: Задачи, принципы, методология. 2-е изд. - М.: Наука, 1988. - 208с.

5. Виленкин Н.Я. Комбинаторика. М., 1969 г., 328с., ил.

6. Витамины и минералы/ Пер. с англ. Е.Кабановой. М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2001. - 320с.

7. Восприятие информации в системах искусственного интеллекта: Учеб. пособие/ В.М.Игнатов, Е.В.Ларкин; ТулГУ, Тула, 1993. 88с.

8. Все о калориях/ Пер. с англ. С.М.Федоровой. М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2000.-288с.

9. Выявление экспертных знаний/ АН СССР; ВНИИ системных исследований; О.И.Ларичев, АИ.Мечитов, Е.М.Мошкевич, Е.М.Фуремс; Отв. ред. С.В.Емельянов. -М.: Наука, 1989. 128с.

10. Григорович В.Г., Юдин С.В. Информационное обеспечение технологических процессов. М.: Машиностроение , 1992. - 144с.: ил.

11. Глушаков С.В., Ломотько Д.В. Базы данных: Учебный курс. Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство ACT», 2001. - 504с., ил.

12. Гульден Я., Джексон Д. Перечислительная комбинаторика: Пер. с англ./ Под ред. В.Е.Тараканова. -М.: Наука, 1990. 504с.

13. Гурвич М.М. Диетология для всех. М.: Медицина, 1992. - 160с., ил.

14. Гусак А.А., Гусак Г.М. Справочник по высшей математике. Минск: Наука и техника, 1991. - 480с.

15. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации. М.: Сов. радио, 1980. 272 с.

16. Дьяконов В.П. Компьютерная математика. Теория и практика. М.: «Нолидж», 2000. - 1296с., ил.

17. Ежов И.И. и др. Элементы комбинаторики/ И.И.Ежов, А.В.Скороход, М.И.Ядренко. М.: Наука, 1977. - 80с., ил.

18. Зайцев В.А. Промышленная экология: Учеб. пособие/ Рос. химико-технологический ун-т им. Д.И.Менделеева. -М.: ДеЛи, 1999. 140с.

19. Захаров Е.И. и др. Основы промышленной экологии: Учеб. пособие ТГТУ; Е.И.Захаров и др. Тула, 1993. - 185с.

20. Здоровый образ жизни. Валеология/ Предисл. В.Н.Мошков. М.: RETORIKA-A: Флинта, 1999. - 560с.: ил.

21. Искусственный интеллект. В 3-х кн. Кн. 2. Модели и методы: Справочник/ Под ред. Д.А.Поспелова - М.: Радио и связь, 1990. -304с.: ил.

22. Разработка и исследование локальных систем управления технологическими процессами: Отчет о НИР/ промежут./ ТулГТУ: Научн. рук. д.т.н., проф. В.С.Карпов.-N темы 10-91 (Гос бюждет).Тула.1994.-27с.

23. Корбут А.А., Филькенштейн Ю.Ю. Дискретное программирование. М.: Наука, 1969.-368с.

24. Кузнецов Ю.Н. и др. Математическое программирование: Учеб. пособие/ Ю.Н.Кузнецов, В.И.Кузубов, А.Б.Волощенко. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1980. - 300с.

25. Левин Р. и др. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике/ Р.Левин, Д.Дранг,:Пер. с англ.-М.: Финансы и статистика, 1990. 239с.: ил.

26. Лесенко Г.В. Профилактика производственного травматизма. М.: Профиздат, 1975. 120с.

27. Ломов Б.Ф. Человек и техника. М., «Советское радио», 1966. 582 с.

28. Макаров Н.Н., Фалина Е.В. Математическая постановка задач оценки и оптимизации индивидуального рациона питания. Сборник статей молодых ученых ТулГУ. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. С 84-87.

29. Маклаков С. Моделирование бизнес-процессов с BPwin 4.0. Издательство «Диалог МИФИ» 2002 г. - 224с.

30. Маликов О.Б. Склады гибких автоматических производств Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние. 1986. - 187с.: ил.

31. Моисеев Н.Н. и др. Методы оптимизации: Учеб. пособие для студ. вуза/ Н.Н.Моисеев, Ю.П.Иванилов, Е.М.Столярова. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат.лит., 1978. -351с.: ил.

32. Муртаф Б. Современное линейное программирование. М: Мир, 1984. -224с.

33. Научно-технический прогресс и безопасность труда: социально-экономические, организационно-технические и психофизиологические проблемы на производстве/ Под ред. А.Н.Гржегоржевского. М.: Машиностроение, 1979. 240с.

34. Нейлор К. Как построить свою экспертную систему: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991. -286с.

35. Нейронные сети и модели: Труды международной научно-технической конференции «Непрерывно-логические нейронные сети и модели», 23-25 мая 1995 г./ Ульяновский техн. ун-т. Ульяновск, 1995. - 95с.

36. Нильсон Н.Дж. Принципы искусственного интеллекта. М.: Радио и связь, 1985.

37. Общая экология. Учебник для вузов/ Э.М.Соколов, Е.И.Захаров, И.В.Панферова, А.В.Волков. М.-Тула, Гриф и К, 2001. - 171с.

38. Орлик С .В. Секреты Delphi на примерах. М.: БИНОМ, 1996. - 316с.

39. Орлова С.В. Энциклопедия биологически активных добавок к пище. М.: Феникс, 1998. 526с.

40. Основы обработки данных: Учебное пособие/ С.Д.Двоенко, В.В.Моттль; Тульский государственный университет. Тула. 1997. 154с.

41. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учеб. пособие для вузов. М.:Высш.шк., 1989. - 367с.

42. Разработка рекомендаций и программ составления сбалансированного профилактического и корригирующего «Рациона питания» студентов. Отчет о научно-исследовательской работе. Московская Государственная академия прикладной биотехнологии, 1994.

43. Системный анализ и оптимизация: Учебное пособие/ В.А.Ковешников; Тул. гос.ун-т. Тула, 2002. 130с.

44. Скурихин И.М., Ничаев А.П. Все о пище с точки зрения химика. М. Высшая школа, 1991. - 307с.

45. Смолянский Б.Л., Абрамова Ж.И. Справочник по лечебному питанию. Спб., «Гиппократ», 1993.

46. Смоляр В.И. Рациональное питание. Киев, «Урожай», 1996. - 210с.

47. Смехов А.А. Автоматизированные склады/ 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1979. 288с.

48. Степанов М.Ф., Брагин Т.М. Искусственные нейронные сети и их использование в интеллектуальных системах: Учеб. пособие/ М.Ф.Степанов, Т.М.Брагин; Саратовский гос. техн. ун-т. Саратов, 2000. -128с.

49. Сухарев А.Г. и др. Курс методов оптимизации/ А.Г.Сухарев, А.В.Тимохов, В.В.Федоров. М.: Наука, 1986. - 326с.: ил.

50. Таблицы химического состава и питательной ценности пищевых веществ продуктов. Под ред. Ф.Е.Будагяна. М., Медгиз, 1961. 602с.

51. Уилкс С. Математическая статистика. М.: Наука, 1967. 632с.

52. Фалина Е.В. Применение информационных технологий в диетпитании. Системный анализ в проектировании и управлении: Труды VII Международной научно-технической конференции. СПб.: Изд-во СПБГПУ, 2003. С 514-516.

53. Фаронов В.В. Delphi 5. Учебный курс М.:«Нолидж», 2000. - 608с., ил.

54. Фаронов В.В. Турбо Паскаль 7.0. Практика программирования. Учебное пособие. -М.: «Нолидж», 1997. 432с., ил.

55. Химический состав пищевых продуктов. Справочные таблицы содержания аминокислот, жирных кислот, витаминов, микро- и макроэлементов, органических кислот и углеводов./Под ред. М.Ф.Нестерина и И.М.Скурихина М.:Пшц. промышленность, 1979. -247с.

56. Химический состав пищевых продуктов. Справочные таблицы содержания основных пищевых веществ и энергетической ценности пищевых продуктов. М.: Пищ. промышленность, 1976. 268с.

57. Химический состав пищевых продуктов: справочные таблицы. М.: Пищ. промышленность, 1977. 228с.

58. Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ/ Пер. с англ Х.Д.Икрамовва и др.; Под ред Х.Д.Икрамоваа. М.: Мир, 1989. - 655с.

59. Черкасов Г.Н., Громов Ф.А. Социально-экономические вопросы снижения производственного травматизма. JL: ЛДНТП, 1975. 32с.

60. Элти Дж., Кумбс М. Экспертные системы: концепции и примеры/ Пер. с англ. и предисл. Б.И.Шитикова. М.: Финансы и статистика, 1987. -191с.

61. Яблочкин Л.Б. и др. Основы численных методов: Учеб. пособие/ Л.Б.Яблочкин, М.А.Андриянова, В.А.Ковешников; ТулГУ. Тула, 2000. -114с.: ил.

62. Krug, Е., Moerchel, J.: "Lexikon der Naturheilkunde" (1989, Haug-Verlag).

63. Painter, N.S. et al. British Medical Journal, 4,1972.

64. Stickl, H.: Fortschritte der Medizin, Jg.99, 11, 1981.