NOTA TÉCNICA

Sistema informático para la formulación de raciones alimenticias en la raza bufalina empleando modelos matemáticos

MSc. Adanay Núñez González^{I  *} 

MSc. Yaimi Barcenas Mompeller^I 

MSc. Alejandro Mejías Caba^II 

Dr.C. Yusney Marrero García^I 

^IUniversidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Departamento de Ingeniería Informática, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

^IIInstituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

La alimentación es uno los factores de mayor importancia para lograr incrementar el potencial del ganado en las diferentes etapas de crecimiento. Para obtener mejores niveles en el peso vivo, es necesario realizar una buena planificación de los recursos que se poseen. Para ello es necesario contar con los alimentos necesarios para satisfacer sus necesidades alimenticias, posibilitando un mejor desarrollo evolutivo. En este trabajo se desarrolla una herramienta que se encuentra totalmente poblada de información relevante sobre el ganado bufalino, lo cual permite una adecuada formulación de raciones alimenticias. Para el diseño de la aplicación se siguieron los pasos que propone la metodología RUP y para la implementación se tuvieron en cuenta dos modelos matemáticos: Doble Cuadrado de Pearson y Simplex Dual, los cuales permiten el balance adecuado de los nutrientes.

Palabras clave: software; alimentación de búfalos; Doble Cuadrado de Pearson; Simplex Dual

INTRODUCCIÓN

La alimentación es un punto crucial en el desarrollo del ganado, teniendo en cuenta las diferentes etapas de su crecimiento o de producción en la que se encuentre. Un adecuado balance entre la cantidad de nutrientes brindará como resultado niveles altos de producción sin desmejorar la condición corporal del animal. Por eso la formulación de alimentos balanceados se convierte en un punto crítico evitando trastornos metabólicos, retrasos en el crecimiento o desmejoras en la parte reproductiva. Al realizar la formulación debe tener en cuenta el valor nutricional de los insumos ya que el contenido nutricional de la ración estará dado por la composición de cada uno de los ingredientes que la componen (^{Fernández, 2013}).

La producción de carne en Cuba se encuentra por debajo de sus niveles históricos y resulta insuficiente satisfacer las necesidades de la población, siendo esto afirmado por la Oficina Nacional de Estadísticas de Cuba (ONEI). Como estrategia a lo antes planteado, en el país se comenzó con la cría de ganado bufalino a partir del año 2012. Estos se encuentran distribuidos a lo largo de la isla, y tienen características específicas en cuanto a su alimentación y desarrollo. De esta forma se cumple con lo dispuesto en el Lineamiento 167 de VI Congreso del Partido Comunista de Cuba ^{PCC- Cuba (2017)}, pues se hace énfasis en la utilización de los pastos y forrajes en la alimentación del ganado vacuno.

En el Instituto de Ciencia Animal (ICA) se han efectuado diversos trabajos relacionados con la situación actual del país en el sistema ganadero; y con el objetivo de alcanzar mejores resultados, se han realizado experimentos donde se analiza el balance alimenticio de los animales (^{Fundora et al., 2001}, ²⁰⁰⁷; ^{Delgado et al., 2011}; ^{Borroto, 2015}, 2015). El departamento de Rumiantes perteneciente al instituto de investigación ha llevado a cabo experimentos relacionados con el desarrollo alimenticio de la especie bufalina. Algunos de estos se basan en experiencias obtenidas de países como Brasil, o del análisis sistemático de la alimentación de dicha especie. A partir de estas investigaciones se ha llegado a la conclusión de que, para una buena alimentación animal, de la forma más económica posible, es necesario tener en cuenta las necesidades de los animales en cada momento de su vida. Una dieta bien equilibrada y un manejo adecuado, puede lograr la mejora en la producción de leche, la producción de carne, la reproducción y la salud de la raza bufalina. Esto trae consigo que, en las raciones de estos animales es necesario que se incluyan los siguientes componentes: agua, materia seca, proteínas, fibra, vitaminas y minerales, en cantidades adecuadas y equilibradas, para alcanzar los requerimientos nutricionales para el desarrollo evolutivo de los mismos.

A partir de los conocimientos obtenidos por especialistas e investigadores de esta institución a través del tiempo, los datos recopilados en las diferentes investigaciones llevadas a cabo y de diversas fuentes bibliográficas, se han desarrollado diferentes sistemas informáticos o se ha trabajado con otros implementados en países con iguales características ambientales al nuestro. Ejemplo de ellos son los sistemas informáticos como el CALRA, ICArne y Requisitos Nutricionales de Ganado de Lechería, no evidenciándose hasta la fecha, la existencia de un sistema informático orientado al desarrollo de la especie bufalina.

Es bajo estas premisas y en el contexto actual, que se propone como objetivo del presente trabajo el desarrollo de un sistema informático de apoyo a la toma de decisiones, basado en datos históricos, investigaciones y modelos matemáticos que proporcione las combinaciones de dietas más beneficiosas para el desarrollo de la especie bufalina.

MÉTODOS

Para llevar a cabo un balance de raciones se debe conocer que una ración es la cantidad de alimento que se le suministra a un animal. Las raciones deben estar bien balanceadas para cubrir los requerimientos de la especie según su estado de desarrollo. En ocasiones se combinan dos o más alimentos según las cantidades necesarias para conseguir la alimentación equilibrada de la especie, teniendo en cuenta la categoría y el peso vivo del animal.

El balanceo de raciones se hace a través de cálculos y procedimientos matemáticos aplicados para conseguir el equilibrio entre los requerimientos nutritivos de los animales y los aportes de nutrientes de los alimentos que la conforman. Antes de balancear una ración, se debe considerar según ^{Debrauwer y Van der Heyde (2016)} y ^{SP (2016)}:

• La cantidad de alimento disponible.

• La composición de los alimentos.

• Los requerimientos de los animales para los cuales se formula la ración.

• El método por el cual se va a ofrecer la ración.

Modelos matemáticos

Existen varios métodos a disposición para la formulación de las raciones según ^{Montes et al. (2017)}, entre ellos se encuentra el método de Tanteo, el método de Prueba y Error, el método del Cuadrado de Pearson, el modelo Doble Cuadrado de Pearson y el método de Simplex Dual, este último es una técnica de programación lineal. Se analizaron cada uno de ellos y, después de observar resultados obtenidos en diversas publicaciones como las realizadas por ^{Gámez (2016)}; ^{Ibáñez y Muñoz (2016)}; ^{Alvarado (2018)}, se decidió implementar en el sistema: el método Simplex Dual y el método Doble Cuadrado de Pearson.

El modelo Doble Cuadrado de Pearson permite calcular una dieta teniendo en cuenta una mezcla a partir de una composición de alimentos, de los cuales uno o la mitad de la mezcla deben ser energéticos y el resto proteicos (^{Wagner y Stanton, 2012}). Se pueden emplear de dos a n alimentos, los cuales pueden ser pastos, forrajes o suplementos, cumpliéndose como características de este método, que uno de los alimentos contenga mayor proporción al resto. En el caso de asignar más alimentos a la mezcla, la mitad de los mismos debe presentar mayor cantidad de proporción de nutriente que el resto, con el objetivo de balancear los alimentos. La esencia de este método es calcular la proporción de alimentos que permita alcanzar el contenido deseado del nutriente a balancear. Según ^{Zalapa (2010)}, el procedimiento de este modelo consiste en realizar un cuadro donde en el extremo superior izquierdo, se marca el nombre del producto a balancear y su contenido del nutriente deseado, en el extremo inferior se pone el nombre de otro producto deseado a combinar y su valor del nutriente respectivo. En el centro del mismo se refleja el valor deseado del nutriente que puede ser: materia seca, energía metabolizante, proteína bruta, fibra bruta, deferentes minerales o vitaminas. La regla o restricción que presenta es que debe haber un valor mayor y uno menor. En el siguiente ejemplo se analizan dos alimentos en función de la proteína cruda.

Paso1: Se adicionan los alimentos seleccionados con sus aportes nutricionales correspondientes y el valor por el cual se va a realizar la mezcla. Uno de los alimentos debe contar con mayor proporción de nutriente que el otro alimento.

TABLA 1 Aportes nutricionales de los alimentos seleccionados 

Alimentos	Requisito Nutricional	Concentración Deseada
Pollinaza	25	11.1
Mazorca molida de maíz y rastrojo	7.8

Paso 2: Se resta el valor del nutriente en el ingrediente, y se marca como valor positivo.

TABLA 2 Porción recomendada por cada alimento 

Alimentos	Requisito Nutricional	Concentración Deseada	Partes
Pollinaza	25	11.1	3.3
Mazorca molida de maíz y rastrojo	7.8		13.9
Total			17.2

Paso 3: Posteriormente se considera la suma como parte de un 100% y ambas fracciones por lógica, la parte que representen de ese 100%.

TABLA 3 Valores porcentuales de las raciones de alimentos 

Alimentos	Requisito Nutricional	Concentración Deseada	Partes	Proporción	%
Pollinaza	25	11.1	3.3	0.191	19.1
Mazorca molida de maíz y rastrojo	7.8		13.9	0.808	80.8
Total			17.02		100

En este ejemplo se observa que la Pollinaza contiene 25% de proteína cruda, la mazorca molida y rastrojo contiene 7.8% de proteína cruda y se requiere para una seba de Becerros el 11.1% de proteína cruda. Al sumar los valores en forma cruzada se obtiene 13.9 por lo tanto ya no corresponderá a la Pollinaza, sino a su contrario que es Mazorca de Maíz con rastrojo. Se consigue que con 3.3 partes, kg., libras o la unidad que se utilice de pollinaza y 13.9 partes de mazorca de maíz molido, la ración quedará con 11.1% de proteína cruda. Generalmente los valores se porcentualizan. En este caso 3.3 partes más 13.9 partes suman 17.2 partes, este sería el 100%, obteniendo un 19.186% de Pollinaza, 80.814 % de mazorca molida de maíz y rastrojo.

Por otra parte, el método de Simplex Dual se emplea para dar soluciones a problemas de programación lineal ya que es utilizado para encontrar una solución adecuada en problemas de maximización y minimización. Entre las ventajas que ofrece este modelo es que es útil para resolver problemas de gran tamaño y complejos, sirve para maximizar las ganancias y disminuir los costos de producción (^{Acero, 2017}). Este método conforma la base de la programación lineal ya que facilita la toma de decisiones en casos complejos, pues soluciona situaciones donde el número de variables supera el número de ecuaciones. Es empleado para solucionar problemas en donde es necesario optimizar los recursos de la mejor manera posible y se utiliza para resolver problemas lineales en los que intervienen tres o más variables. Este método realiza un proceso interactivo. De manera general este modelo realiza los siguientes pasos: determinar a función objetivo, establecer la columna pivote y fila pivote y realizar la metodología Gauss-Jordan. La columna pivote son los valores dependientes de las inecuaciones y el valor que se va seleccionando es el más negativo y la fila pivote se obtiene de la división del valor de la función objetivo que hace correspondencia con el valor de la fila, el valor pivote es el menos negativo de los resultados anteriores (^{Cormen et al., 2009}).

El propósito de la utilización de este procedimiento en la formulación de raciones es determinar la cantidad de alimentos que deben ser mezclados para cumplir los requerimientos nutricionales del animal, teniendo en cuenta los valores seleccionados en requisitos nutricionales. Para llevar a cabo este modelo matemático se tomarán como valores dependientes de las ecuaciones, la información almacenada en la base de datos; en este caso serían las tablas de los diferentes tipos de alimentos (pasto, suplemento y forraje). Los valores independientes se obtendrán de los requisitos nutricionales del animal a partir de los nutrientes seleccionados.

Sistema de Apoyo a la Toma de Decisiones

Los sistemas de Apoyo a la Toma de Decisiones (Decision Support System, o también conocido por las siglas DSS), se encuentran dentro del nivel de gestión o administrativo en la pirámide de los sistemas de información. Son sistemas de apoyo enfocados en el análisis de los datos de la empresa y sirven para ayudar a los directivos a tomar decisiones que a menudo son cambiantes y se deben tomar rápidamente. Son herramientas muy utilizadas dentro del ámbito de inteligencia empresarial, ya que permiten realizar un análisis de diferentes variables de la empresa (^{Power, 2002}). Los DSS dirigidos por modelos hacen hincapié en el acceso y manipulación de un modelo estadístico, financiero, de optimización o de simulación. Utiliza datos y parámetros proporcionados por los usuarios para ayudar a los encargados de adoptar decisiones en el análisis de una situación, que no son necesariamente los datos intensivos (^{Gachet, 2004}). Es por estas razones que se decidió la implementación de un sistema de este tipo.

Tecnologías y herramientas utilizadas

Para el diseño del sistema se empleó la metodología Proceso Unificado de Software (Martínez y Martínez, 2014) o Rational Unified Process también conocida por sus siglas RUP, la cual utiliza como lenguaje de notación el Lenguaje del Modelado Unificado (UML) (^{Debrauwer y Van der Heyde, 2016}) como lenguaje de notación. Una de las grandes ventajas de esta metodología es la evaluación en cada fase de desarrollo, lo cual permite efectuar cambios en los objetivos planteados, además funciona bien en proyectos de innovación y cuenta con un seguimiento detallado en cada una de las fases.

Para la implementación de la aplicación web se utilizó el lenguaje de programación Java (Arnold et al., 2005), utilizando como entorno de desarrollo NetBeans (Gimeno y González, 2011). Se utilizó además el framewok Java Server Faces (JSF) basado en el patrón de arquitectura Modelo-Vista-Controlador (Müller, 2018).

Además, se utilizó PrimeFaces, librería de componentes para JSF, que cuenta con un conjunto de componentes enriquecidos que facilitan la creación de aplicaciones web. Para el diseño web se trabajó también con el framewok Boostrap que ofrece la posibilidad de crear sitios web responsive (diseño web adaptativo), mediante la integración de librerías CSS y JQuery (^{Spurlock, 2013}).

Por otra parte, se empleó el sistema de gestión de base datos PostgreSQL ^{Douglas y Douglas (2003)}, para el almacenamiento y persistencia de la información. Para gestionar la seguridad del sistema se utilizó Spring Security, el cual proporciona un sistema de autenticación a través del cual los usuarios pueden autenticarse y acceder a múltiples funciones a través de un único punto de entrada (^{Mularien, 2010}).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Una vez realizado todo el análisis y definido los modelos matemáticos a utilizar, se desarrolló el sistema informático. En el sistema se gestiona toda la información referente a usuarios, pastos, forrajes, suplementos alimenticios, requisitos nutricionales del animal, entre otras informaciones. Además, se calcula el balance de raciones a partir de peso vivo y estado evolutivo, se elaboran las mezclas alimenticias y se estima el rendimiento de un pasto según las hectáreas de tierra.

La Figura 1 muestra la interfaz inicial, que cuenta con un menú principal desde el cual se puede acceder a las diferentes funcionalidades del sistema según el acceso permitido.

FIGURA 1 Interfaz inicial del sistema. 

Para acceder al sistema cada usuario deberá autenticarse; y dependiendo de su nivel de accesibilidad o rol podrá acceder a las funcionalidades del sistema. Los roles por los que se compone la aplicación son el administrador, el investigador y el usuario básico. El administrador del sistema se encargará de la gestión de usuario, el investigador es el encargado de gestionar los requisitos nutricionales del búfalo según el peso vivo y su estado evolutivo, la composición nutricional de los pastos, forrajes y suplementos; y las épocas del año. El usuario básico podrá efectuar la formulación de raciones, como se muestra en la Figura 2; y estimar el rendimiento de un pasto según las hectáreas de tierras.

FIGURA 2 Menú correspondiente a la formulación de raciones. 

En la Figura 3 se muestran los requisitos nutricionales del animal (peso vivo, estado evolutivo, vitaminas, minerales, etc.) que constituye la base para realizar posteriormente todos los cálculos alimenticios.

FIGURA 3 Adicionar requisitos nutricionales del animal 

Para la elaboración de la mezcla se identifica el nutriente Figura 4) y el porcentaje que se desea obtener del mismo. Se seleccionan los pastos, forrajes y suplementos existentes en el momento actual (Figura 5) y se prosigue a la formulación. Como resultado se obtiene una gráfica de pastel con las cantidades recomendadas por cada uno de los alimentos (Figura 6).

FIGURA 4 Selección del nutriente. 

FIGURA 5 Selección de pastos, forrajes y suplementos. 

FIGURA 6 Resultado obtenido. 

CONCLUSIONES

A partir del estudio de las diferentes bibliografías consultadas se pudo obtener un mayor conocimiento del tema en cuestión, identificando los principales aspectos que intervienen en la alimentación del animal. Además, facilitó la comprensión de los modelos matemáticos Doble Cuadrado de Pearson y modelo Simplex Dual, seleccionados para la confección de raciones alimenticias. Se implementó el sistema favoreciendo así la formulación de raciones, lo cual constituirá una gran ayuda a los especialistas de esta esfera. Para la evaluación del sistema se realizaron diversas pruebas utilizando datos reales. Estas demostraron que el sistema es muy útil y práctico para los especialistas.

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Recibido: 05 de Diciembre de 2019; Aprobado: 25 de Septiembre de 2020

^*Author for correspondence: Adanay Núñez González, e-mail: [e-mail]