Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный анализ проблемы адекватного питания в современном обществе
1.1. Классификация социальных групп и задачи адекватного питания здоровых людей 11
1.2. Существующие методы и формы организации адекватного питания здоровых людей 18
1.3. Общая задача моделирования и принятия решений в системе адекватного питания 23
Глава 2. Структурно-параметрическое моделирование системы адекватного питания
2.1. Структурно-параметрическое моделирование питания человека с учетом норм ФАО/ВОЗ и оценок адекватности 27
2.2. Структурно-параметрическая модель продукта питания с оценкой адекватности и качества 39
Глава 3. Структурная оптимизация рационов и многокомпонентных продуктов питания
3.1. Общий алгоритм оценки и оптимизации состава и качества рационов, режимов и продуктов адекватного питания
3.2. Математическая модель структурной оптимизации рационов питания 53
3.3. Математическая модель и алгоритм структурной оптимизации многокомпонентного продукта 61
Глава 4. Компьютерная система оценки и оптимизации адекватного питания
4.1. Функциональная структура системы 68
4.2. Реляционная база данных и интеллектуальное обеспечение системы 73
4.3. Демонстрационная версия оптимизации рациона и режима адекватного питания 89
4.4. Моделирование и оптимизация индивидуального продукта 99
Заключения 103
Список использовашой литературы
- Существующие методы и формы организации адекватного питания здоровых людей
- Структурно-параметрическая модель продукта питания с оценкой адекватности и качества
- Математическая модель структурной оптимизации рационов питания
- Реляционная база данных и интеллектуальное обеспечение системы
Существующие методы и формы организации адекватного питания здоровых людей
Разработана структурно-параметрическая модель адекватного питания здорового человека, описывающая априорно известные знания о характеристиках состояния человека и их взаимосвязях с факторами окружающей среды и параметрами рациона и режима питания.
Предложен формализованный диалоговый алгоритм альтернативного выбора и оптимизации состава и структуры рационов и режимов адекватного питания с интегральной оценкой адекватности вариантов решения.
Формализован комплекс обобщенных математических моделей структурно-параметрической оптимизации рационов, режимов и многокомпонентных продуктов питания на уровне ассортимента, рецептур, групповых показателей пищевой ценности и моноструктур по критериям минимального отклонения от эталонной структуры при ресурсных, параметрических и балансовых ограничениях.
Разработан общий алгоритм точного решения линейных и нелинейных задач структурно-параметрической оптимизации рационов и многокомпонентных продуктов адекватного питания, основанный на имитационном моделировании состава компонентов и продуктов при заданном комплексе ограничений. Предложен функционал адекватности и алгоритм многокритериальной оценки качества продуктов, рационов и режимов адекватного питания человека. Практическая значимость работы. На основе структурно-параметрических моделей разработана и создана иерархическая реляционная база данных с индексно-последовательной структурой, включающая в себя характеристики химического состава и свойства продуктов питания; нормы потребления ФАО/ВОЗ; критериальные оценки качества и адекватности. Разработано программное обеспечение и демонстрационная версия компьютерной экспертной системы структурной оптимизации адекватного питания здоровых людей. База данных и программное обеспечение экспертной системы использовались для оптимизации рецептур индивидуального геродиетического продукта по моделям ПНШ1ЭФМОПП МГУПБ; диетических продуктов из мяса птицы по рецептурам ВНИИПП, а также для изготовления быстро восстанавливаемых сублимированных напитков из фруктовых и ягодных пюре с заданными свойствами.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на 3-й Международной научно-технической конференции "Пища. Экология. Человек", Москва, 1999 г.; 4-ом Международном симпозиуме "INTEL S 2000", Москва, 2000 г.; Международной научно-технической конференции "Пищевой белок и экология", Москва, 2000 г.; Международной конференции "Математические методы в технике и технологиях", Санкт-Петербург, 2000г.; 4-ой Международной научно-технической конференции "Пища. Экология. Человек", Москва, 2001 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, том числе статья в центральном журнале, доклады и тезисы докладов в трудах и материалах международных конференций и симпозиумов.
По составу, форме и режимам питания население страны распределяется на многочисленные группы в зависимости от региона проживания, пола, возраста, физиологического состояния и категории интенсивности труда. При этом каждой группе людей соответствует определенная категория адекватного питания, характеризующаяся индивидуальным набором пищевых компонентов и веществ и их оптимальных соотношений.
В зависимости от энергозатрат, обусловленных профессией, взрослое население разделяется [47] на 5 групп (Любое отклонение от энергетического равновесия небезопасно для организма. Например [92], если ежедневная калорийность пищи превышает суточные энергозатраты таблица 1).
всего лишь на 100 ккал, то за год избыток жира у человека вырастает на 1,75-3,5 кг.
Исследования врачей-диетологов показывают, что суточные рационы с одинаковым содержанием по общему количеству потребляемых пищевых веществ разными группами людей усваиваются по-разному. Поэтому, медико-биологические требования, учитывающие средний показатель, должны быть трансформированы в ту или иную сторону в каждом конкретном случае. При этом данные ФАО/ВОЗ следует рассматривать как общий ориентир для составления индивидуального рациона.
Очевидно, что в различных климатических условиях требуются разные продукты, виды питания и потребности в пищевых веществах. Так холодный климат требует легкоперевариваемого калорийного питания, а жаркая погода и теплый климат - охлажденной пищи и в больщом количестве свежих фруктов.
Для жителей Севера потребность в энергии на 10-15% выше, чем для жителей средней полосы. Отличается также от среднеевропейских норм соотношение основных пищевых веществ.
На потребность в витаминах существенное влияние оказывает возраст человека, характер и интенсивность труда. Потребность в витаминах возрастает при беременности и лактации, она также существенно увеличивается, в условиях Севера, при работе в горячих цехах, под землей, при сильном нервно-психическом напряжении.
Детский организм отличается от взрослого бурным ростом, интенсивным течением обменных процессов. На протяжении первых лет жизни формируется структура, и совершенствуются функции нервной, костно-мышечной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других жизненно важных систем. В связи с этим организм ребенка испытывает высокую потребность во всех пищевых веществах - источнике пластического материала и энергии.
Структурно-параметрическая модель продукта питания с оценкой адекватности и качества
На основе параметрических описаний клиентов, вместе с подобным описанием рациона строится структурно-параметрическая модель адекватного питания в виде клеточной матрицы [14,17], отражающей все многообразие существующих известных и неизвестных связей между факторами состояния человека и характеристиками рациона питания и учитывающей принципы организации адекватного питания. Фрагмент такой матрицы для подмножеств контролируемых и наиболее взаимосвязанных параметров представлен на рис. 1.
Вдоль главной диагонали помещены параметры двух основных блоков системы адекватного питания - человека (x xig) и рациона его питания (х19- хзз) в виде основных интегральных характеристик, показателей химического состава и свойств.
В случае независимости параметров, принадлежащих одной группе, соответствующий блок на главной диагонали представляет собой единичную диагональную матрицу с нулевыми недиагональными элементами. При наличии взаимосвязей между параметрами недиагональные элементы, отмеченные на рис. 1 точками, описывают характеристики связи между параметрами как внутри группы, так и между группами (недиагональные блоки).
Рис, 1 фрагмент структурно-параметрической модели адекватного питания матрицы записывается 0. При отсутствии достоверной информации о возможной связи соответствующие недиагональные клетки матрицы остаются пустыми и их последующее заполнение связано с накоплением недостающих знаний.
В качестве формализованных характеристик связей между параметрами состояния человека и рациона его питания могут быть использованы экспертные оценки; коэффициенты корреляции, простой и множественной регрессии, оценки влияния найденные в результате активного эксперимента, а также возможные функциональные выражения, соотношения и алгоритмы пересчета.
Структурно-параметрическая модель адекватного питания позволяет учесть все многообразие факторов влияния пищевых веществ на процессы, происходящие в организме человека, дает возможность установить закономерности, знание которых позволит с достаточной степенью уверенности говорить о возможных отклонениях, причинах их возникновения, а также найти продукты, восполняющие дисбаланс в необходимых элементах в рационе питания.
Индивидуальные параметры конкретного человека (рост, масса и т.д.) в случае их отклонения от средне статистических значений учитываются с помощью поправочных коэффициентов влияния отмеченные в общем виде точками в блоке связей между параметрами состояния человека и характеристиками системы питания.
Так например, из рис. 1 видно, что от поступления витамина ВІ зависит обмен углеводов, функции сердца и легких; содержания витамина Вб - обмен аминокислот и жирных кислот, функции нервной системы; фолиевой кислоты (фолат) - созревание эритроцитов, синтез ДНК и РНК, кальция -формирование костей и зубов, свертывание крови, функции нервной и мышечной системы, функции сердца; фосфора - функции мышечнои и нервной системы; магния - выработка энергии, кислотно-основное состояние и т.д.
Из [66] установлено, например, что параметры пищевой ценности Xіс ко влияют на антропометрические данные человека, работоспособность, функции центральной нервной системы, иммунитет и восстановление (обновление) клеток. Энергетическая ценность Хзз оказывает воздействие на все факторы состояния человека Xi-j-xig.
Отдельным диагональным блоком выделены параметры режима питания Хз4-Ї-Хз7, описывающие распределение рациона по отдельным приемам пищи (Х34), времени приема (Х35) и промежуткам между ними (хзб), а также распределением калорийности по отдельным приемам пищи (Х37) в зависимости от возраста, пола и характера трудовой деятельности.
Наряду с этим предлагаемая сгфуктурно-параметрическая модель включает функционал адекватности [20] (хзе), оценивающий степень отклонения действующего рациона от эталонных моделей того или иного вида питания: детского, школьного, студенческого, взрослого населения, геродиетического и т.д.
С учетом разбиения множества факторов на группы свойств функционал адекватности рациона имеет вид: относительное отклонение j-ro фактора i-ой группы ; соответственно фактическое, эталонное значение и допустимое отклонение от нормы j-ro параметра в i -ой группе. ау, bij - коэффициенты значимости i-ой группы факторов и j-ro фактора i-ой группы; Zk - относительное отклонение к-го фактора критической группы, отклонение которого за пределы допуска обращает функционал в 0. функционал изменяется от 1 при эталонном состоянии рациона до О на границе допустимой области и обращается в нуль при выходе любого параметра критической группы за предельно допустимый уровень. Офицательные значения функционала означают неприемлемую область решений. Определение весовых коэффициентов и градуированной шкалы обобщенного функционала может быгь осуществлено методами экспертных оценок или путем факторного эксперимента, при котором в столбцы функция отклика G включают экспертные оценки: G Таким образом, структурно-параметрическая модель адекватного питания представляет полное описание структуры и формы связи между параметрами и факторами, влияющими на здоровье конкретного человека, использование которых необходимо для процедур построения или коррекции тех или иных показателей дневного рациона и рекомендаций в отношении его режима питания.
Математическая модель структурной оптимизации рационов питания
Формализованный процесс формирования рациона и режима адекватного питания человека с использованием традиционного набора продуктов, а также продуктов индивидуального изготовления в соответствии с установленными нормами рекомендуемого питания представлен в виде общего диалогового алгоритма (рис. 4) и соответствует логике действий опытного врача-диетолога.
По характеристикам состояния человека формируется параметрическая модель адекватного питания в виде норм потребления пищевых веществ в сутки для конкретного случая. Далее оценивается существующий рацион субъекта по его сведениям о составе продуктов, режиме и характере питания; результатам обследования состояния организма, количеству жировой и мышечной тканей, а также содержанию питательных веществ в крови и тканях. В случае неадекватности исходного рациона проводится его структурная оптимизация с изменением количественных соотношений типа «больше - меньше» между потребляемыми продуктами без изменения их количества и начального состава. Если структурно оптимизированный исходный рацион вновь оказывается неадекватным, осуществляется подбор дополнительных, желаемых и совместимых продуктов в базе данных, сглажшзающих возникшие рассогласования с нормами ФАО/ВОЗ с последующей многокритериальной структурно-параметрической оптимизацией измененного рациона питания конкретного человека или группы людей.
Диалоговый алгоритм структурно-параметрической оптимизации адекватного питания Если предложенный вариант рациона адекватен и соответствует нормам потребления пищевых веществ, то составляется режим питания, с графиком потребления и распределением калорийности по приемам пищи. Иначе, возникает необходимость в создании дополнительного индивидуального продукта питания, восполняющего недостаток тех или иных составляющих в рационе. Для этого составляется параметрическое описание продукта и происходит отбор возможных компонентов продукта с требуемыми свойствами в имеющейся базе данных. Составление индивидуального многокомпонентного продукта питания осуществляется с учетом выявленных отклонений и медико-биологических норм с последующей многокритериальной оптимизацией рецептур на ингредиентном и моноструктурном уровнях. В качестве целевой функции могут быть использованы критерии пищевой ценности; аминокислотного, жирнокислотного, витаминного, минерального соответствия; а также 1фитерии переваримости, энергетической ценности, стоимости и т.п. Если продукт не соответствует требуемому уровню адекватности, то вносятся изменения в состав исходных компонентов и процедура оптимизации повторяется. Если качество продукга оценивается, как удовлетворительное, хорошее или очень хорошее, на дисплее представляется рецептура нового продукта, включенного в рацион питания для конкретного потребителя. Далее производится повторная структурно-параметрическая оптимизация рациона питания с включением шцшвидуальньк продуктов по критериям максимального соответствия нормам потребления пищевых веществ с последующей проверкой на адекватность и составлением режима питания и рекомендаций по принятию пищи.
Реализация описанного алгоритма в компьютерной технологии поддержки принятия решения связана с математической постановкой и решением задач структурной и структурно-параметрической оптимизации [15,37,73,84,98] многокомпонентных рационов, режимов и продуктов индивидуального и группового назначения и сводится к нахождению состава и структуры компонентов системы питания по критериям адекватности и максимального соответствия эталонным структурам и нормам ФАО/ВОЗ.
Накопленная информация позволяет формализовать описание структуры пищевого рациона для различных параметров химического и компонентного состава по следующей схеме составления рациона (рис. 5)
Общая схема составления и оценки рациона питания На первом этапе производится расчет показателей пищевой и энергетической ценности, то есть количество белков, жиров, углеродов и калорийность для человека определенного пола, возраста и профессии, исходя из его физиологических потребностей. Затем следует расчет содержания пищевых веществ по каждому продукту, каждому приему пищи и в целом за сутки. Полученные при подсчете цифры должны быть близки к нормам ФАО/ВОЗ, допустимые отклонения составляют: для белков и жиров ±3 г., для углеводов ±10г. и для калорийности ±25 ккал [47] или 3-4% от нормы. Если полученные данные будут значительно отличаться от данных ФАО/ВОЗ, следует пересмотреть составленное меню и добавить или исключить из него какое-либо блюдо или продукт. Далее необходимо определить режим питания, подсчитать распределение калорийности. 3.2. Математическая модель структурной оптимизации рационов питания
Рацион питания определяется набором блюд и продуктоБ, заданных в процентном соотношении от общего объема с допустимыми пределами варьирования.
Как уже отмечалось, состав рациона должен обеспечивать энергозатраты и потребность в пищевых веществах, оцениваемую содержанием биологически активных веществ (аминокислоты, ненасыщенные жирные кислоты, витамины и минеральные вещества) и сбалансированностью белков, жиров и углеводов, соответственно параметрическому описанию состояния специализированной группы людей,
Укрупненная схема составления рациона представлена на рис. 6 и включает в себя оцннку действующего варианта и его структурную оптимизацию с возможными изменениями и дополнениями исходного состава традиционных продуктов и компонентов.
В качестве критериев структурной оптимизации рациона могут быть использованы критерии минимального отклонения [18,105] заданной структуры групповых показателей пищевой, биологической или энергетической ценности от структуры показателей разрабатываемого рациона питания
Реляционная база данных и интеллектуальное обеспечение системы
Если в процессе оптимизации рациона найденное решение в пределах множества традиционных продуктов и блюд при заданных ограничениях не отвечает установленным требованиям по каким-либо показателям пищевой, биологической ценности или витаминного, минерального составов возникает необходимость в создании дополнительного многокомпонентного продукта (смесь, паштет, салат и др.), максимально восполняющий недостаток в рационе конкретного человека
Математическое моделирование специализированного продукта заключается в построении его модели по заданным параметрам адекватности и качества, выбору исходных компонентов и рецептурной оптимизации продукта по критериям пищевой и биологической ценности.
Главной задачей создания дополнительных продуктов питания является восполнение недостающих веществ в рационе с доведением их содержания до норм, соответствующих физиологическим потребностям человеческого организма.
Для этого составляется параметрическая модель продукта, описанная в 2.2., учитывающая требуемый химический состав (белок, жир, влага, углеводы и т.д.), массовые доли основных компонентов продукта (главные рецептурные составляющие, клетчатка, биологически активные добавки, ферменты и др.), структурные соотношения показателей биологической ценности продукта (амино- жирнокислотный составы) по различным критериям соответствия. При этом учитывается специфика рационального питания определенной категории населения.
В качестве целевой функции оптимизации многокомпонентного продукта может быть выбрано минимальное отклонение от заданной структуры определенной группы показателей пищевой и биологической ценности [18,21], а именно: продукта. Решение задачи структурно-параметрической оптимизации многокомпонентного продукта в различных постановках и сочетаниях линейных и нелинейных критериев и ограничений осуществляется имитационньїм моделированием с разыгрыванием всех возможных комбинаций исходных компонентов рецептуры с последующей проверкой ограничений и расчетом критериев по алгоритму, представленному на рис.7.
Поиск оптимального состава индивидуального продукта из т компонентов начинается с выбора массовой доли первого компонента х} и заданием начальных значений щ = щ коэффициентов соотношения К/, у = 2,т-1, определяющих долю j-ro компонента в общей массовой доле компонентову, j+J, ..., т. Нулевое значение К} = 0 означает отсутствие го компонента в оставшейся части смеси, а Kj= 1, соответственно - отсутствие всех других компонентов кромеу -го.
Тогда, задавая цикл перебора коэффициентов соотношения Kft у-2,m-1 от некоторого начального значения щ = щ до конечного 0.9 с шагом h, имитируются все комбинаторные варианты рецептуры т-компонентного продукта с определением массовой доли го компонента xj по рекурсивной формуле
Далее, если Xj удовлетворяет граничным условиям, следует запоминание очередного допустимого соотношения щ = Kj и переход к циклу следующего соотношения Kj для у =jf+i- го компонента. При тщ коэффициент его долевого соотношения с последующими компонентами увеличивается на величину шага, а в случае Xj maXj следует возврат к начальному j-му соотношению щ = щ и продолжению предшествующего цикла по Kj для j =у —1 -го компонента со стартовым значением щ — щ+ + начало т, п0, h, minj, maxjt j = 1,т nj Блок-схема алгоритма структурно-параметрической оптимизации ш-компонентвых продуктов питания методом имитационного моделирования Аналогично проверяются ограничения для последнего компонента при у = т и Кт=1.
После того, как подобраны соотношения всех компонентов рецептуры, и массовые доли в сумме дают единицу, происходит проверка параметрических и балансовых ограничений с выявлением одного из допустимых вариантов области допустимых решений (ОДР). Одновременно определяется и выводится на экран текущий максимум функционала адекватности, который в данном случае выполняет роль функции полезности в выборе наилучшего альтернативного решения. При этом множество перебираемых комбинаторных вариантов значительно сокращается за счет учета индивидуальных границ Xf iXj -J = Tjk.
Таким образом, предлагаемый алгоритм существенно упрощает задачу многокритериальной оптимизации, связанной с формированием множества Парето-оптимальных решений и последующим выбором лучшей альтернативы по функции полезности.
