奶牛养殖场酮病群体发病风险评估.doc

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2014-2015信息与计算科学专业数学建模论文题目（请先阅读“数学建模竞赛论文格式规范”）A题奶牛养殖场酮病群体发病风险评估奶业发展水平是衡量一个国家畜牧业现代化的重要指标之一，并已成为我国畜牧业的支柱产业。目前,由于我国高产奶牛饲养管理水平错位，使得奶牛生产性和营养代谢性疾病也日趋突出，每年造成的经济损失高达数十亿美元，并成为严重制约奶业发展的瓶颈之一。酮病是奶牛生产性疾病的主要疾病，主要发生于围产期奶牛（又称过渡期，指奶牛产前2周至产后2周的一段时期）。每年仅酮病造成的经济损失就达数亿美元，因此对酮病的发病风险进行预警显得至关重要（详细背景见附件1）。为了对酮病的发病风险进行预警并对奶牛进行健康评估，兽医工作者从1000头奶牛中完全随机抽取50头围产期奶牛，收集以下指标：⑴血液生化指标对随机选取的奶牛清晨空腹采集血样（所选取的奶牛在血样采集前已确定为近期内没有进行任何药物治疗，并经兽医人员确认无任何异常状况），进行生化检测，所检测的指标有：奶牛血浆中葡萄糖（Glu）、β-羟丁酸（BHBA）、游离脂肪酸（NEFA）、门冬氨酸氨基转移酶（AST）等（各血液生化指标健康参考范围及其诱导的酮病发病风险率见附件2）。⑵日粮营养水平于血样采集当日，在奶牛场管理机房收集养殖场不同时期奶牛的日粮营养水平指标（各日粮营养水平指标正常参考范围及其诱导的酮病发病风险率见附件3）。⑶体况评分（BCS）体况评分即对奶牛脂肪储存程度进行评分，由专业评审员通过手摸和眼观相互配合，根据其脂肪储存变化情况以及眼观情况，综合评估被检奶牛，确定分值。采用5分值，其中1分表示过度消瘦，5分表示过度肥胖（体况评分的健康参考范围及其诱导的酮病发病风险率见附件2）。⑷能量负平衡（NEB）的风险率（综合指标）能量负平衡是低能量摄入和高能量输出的结果，即奶牛摄入的能量低于维持、消耗和产出的能量，围产期奶牛能量负平衡程度的加重会引起临产时的健康紊乱。评定时， 记录各组奶牛的体况评分、日采食量、年龄、胎次、当日泌乳量，乳脂/乳蛋白率，乳蛋白、乳脂、乳糖含量，结合血液生化指标BHBA和NEFA，综合评定NEB的风险率（见附件2表2）。请根据上述资料及附件，通过数学建模，解决如下问题：问题1：请根据上述资料提供的指标，计算各指标在酮病发病率中的权重，并建立每头奶牛酮病发病风险指数数学模型，以此评估围产期奶牛酮病的发病风险。问题2：请根据您所构建的酮病发病风险指数模型，利用附件4中的数据计算每头围产期奶牛酮病发病风险指数，并对50头奶牛的风险指数进行排序（由大到小）。问题3：请您根据上述单头奶牛的发病风险指数数学模型，构建奶牛养殖场群体酮病发病风险指数数学模型，并进行预警。 附件1：问题的背景与参考资料进入二十一世纪以来，我国奶业得到了持续快速的发展，奶牛养殖业规模空前扩大，乳品消费也稳步提升，在增加农民收入、优化农业结构中占据一定地位，使得奶业已成为我国畜牧业的支柱产业。但由于我国奶牛集约化养殖起步较晚，较之发达国家相对滞后，加之高产奶牛品种的盲目引进与饲养管理水平错位，使得奶牛生产性疾病也日趋突出，给我国奶牛业造成了巨大的经济损失，并逐渐成为严重制约奶业发展的瓶颈之一。奶牛围产期通常是指奶牛分娩前后各15天（2周），共1个月的时间。它是奶牛泌乳、繁殖和疾病发生的关键时期。围产期（又称过渡期）奶牛经历妊娠-分娩-泌乳的一系列生理变动。尤其是高产奶牛在妊娠后期和泌乳初期能量需求和生理变动更加剧烈，一旦机体由于生理或病理性因素无法及时做出适应性调整，便有可能引发酮病等生产性疾病。随着奶牛泌乳量的大幅增加和养殖业集约化程度的不断提高，使得酮病的发生往往具有群发性特征，该疾病不仅能引起奶产量下降，而且也增加了奶牛对其它疾病的易感性，对奶牛业影响巨大。每年仅酮病造成的经济损失就达数亿美元。因此，通过监测奶牛群体日常营养代谢状态，评估预警奶牛酮病发病风险显得尤为必要。围产期奶牛经历一系列生理变动，而糖、脂、蛋白质和矿物元素等代谢过程不是彼此孤立的，存在着错综复杂的相互作用，诸多因素可影响奶牛个体或群体代谢状态，采用单一监测指标的做法是不可取的，选择数种指标组合监测才有可能提供可靠的诊断信息。根据奶牛酮病有无临床表现可将酮病分为临床型酮病和亚临床型酮病；以BHBA≥1.2mmol/L为亚临床酮病的起点，亚临床酮病仅见血酮升高和低血糖现象，产乳量有所下降，缺乏明显的临床症状；临床型酮病主要表现为食欲减退，机体消瘦，奶产量减少，血酮、尿酮及乳酮含量异常升高，严重时连呼出的气体都含有烂苹果味，部分奶牛还会出现神经症状等。酮病的发生与干奶期过度饲喂、产后初期采食恢复缓慢，及泌乳早期摄入的能量无法满足泌乳需要导致的能量负平衡有关。调查显示，典型临床酮病的发病率约在5-7%，主要发生于产后6-8周。亚临床酮病发病率最高的时间为产后2周内，其平均发病率接近33%。近年来，国外兽医临床提出酮病诊断的“金标准”是：BHBA>1.2mmol/L；Glu<2.5mmol/L。预警手段与方法：从奶牛群体中完全随机抽取一定数量的围产期奶牛，通过收集其当日的体况评分、日粮营养水平、血液生化指标、能量负平衡等指标。确定各指标检测标准(表1,2,3)，量化各项指标占酮病发病风险的权重，建立权重与酮病发病风险的算法。 根据所建立的算法，建立指标与奶牛的酮病发病风险的指数模型。根据抽取的奶牛发病风险指数模型，建立反应奶牛群体酮病发病风险的指数模型。根据奶牛酮病发病风险指数的高低进行预警，从而做出短期调整和长期调整，达到降低或避免疾病发生的目的。体况评分（BCS）：奶牛体况评分是指奶牛各部位皮下脂肪的相对沉积（牛只膘情）情况的一个直观分数，它是提高产奶量和繁殖效率，并同时降低代谢疾病和其它产前产后疾病的重要的管理工具。体况评分由专业评审员通过手摸和眼观相互配合，根据其脂肪储存变化情况以及眼观情况，综合评估被检奶牛，确定分值。采用5分值，1分表示过度消瘦，5分表示过度肥胖。一般健康的高产奶牛体况分为2.5～3.5，低于2.5分对酮病无意义。保持理想的体况分与泌乳阶段的产奶量、营养和健康密切相关。理想的体况评分使得奶牛在泌乳早期即使处于能量负平衡状态，仍能达到较高的高峰产量。体况良好的奶牛能保持正常的新陈代谢，因而减少了代谢疾病的发病率。血液生化指标检测:血液生化指标包括血浆中葡萄糖（Glu）、β-羟丁酸（BHBA）和游离脂肪酸（NEFA）的浓度，门冬氨酸氨基转移酶（AST）的水平等。通过生化分析检测奶牛血液中的以上指标，测定其浓度，了解产后奶牛能量负平衡以及酮病发生状况。能量负平衡：能量负平衡是低能量摄入和高能量输出的结果，即奶牛摄入的能量低于产出和消耗的能量。奶牛分娩后，产奶量会迅速增加，经1个月左右可进入高峰，但是母牛对饲料干物质的采食高峰通常在产后3个月左右才开始。所以这一时期的泌乳盛期奶牛的能量均处于负平衡状态，产奶量越高负平衡越严重。如果时逢夏季高温季节，奶牛食欲降低，采食量更不足，能量供求矛盾就更为突出。没有充分能量供给，其它营养物质的利用率也会削弱。为了保障泌乳所需营养，母牛会动用体脂合成牛奶，但在分解代谢过程中营养利用率下降，造成很大的浪费。这就导致产后母牛消瘦过快、产奶高峰迟来、产奶量下降很快、高峰持续期缩短，母牛的高产性能难以充分发挥。能量负平衡严重或持续时间过长，则影响生殖机能的正常康复，繁殖率下降。乳脂/乳蛋白率，乳蛋白、乳脂、乳糖含量，日粮营养水平，摄食量、泌乳量，泌乳早期体况分数的改变，血液中BHBA、NEFA浓度的改变等可评估能量平衡情况。评估泌乳早期奶牛能量负平衡的关键监测标准是乳脂＞4.8%。评估泌乳早期奶牛能量平衡的关键监测标准是最低乳蛋白率＞3.05，乳脂/蛋白率＜1.5。日粮营养水平： 奶牛为维持生命活动（如心脏跳动、呼吸、血液循环、代谢活动、维持体温等）和生产活动（增重、繁殖、产乳等），均需要消耗一定的能量和物质。所有的这些能量和物质，都是奶牛通过所采食的饲料中来（或转换而来）的。日粮的营养水平由饲料中的干物质、蛋白质、能量、矿物质和微量元素等物质的含量来评估。这些物质的含量是否满足奶牛的日常营养需要量，直接影响奶牛的能量平衡状况。评估围产期奶牛的日粮营养水平和采食状况，通过预测早期采食量来保证适当的能量供给，对预防能量负平衡起着至关重要的作用。奶牛的一般知识：一般未曾生育的母牛不产牛奶，更加不会长时间产出人类借以饮用的鲜奶，母牛只有在生产了幼牛后才会产奶。一般一头母牛应该在两岁时产第一头幼牛，随后约每年产一头幼牛。奶牛从产犊第一天开始，就成为泌乳牛，也就是泌乳期的开始，产后60天开始配种，大约60天以后开始妊娠检查，检查确认怀孕以后，奶牛处于妊娠期。没有怀孕的牛还要继续配种。从产奶开始一直到305天开始断奶，进入干奶期，干奶期一般都是60天。奶牛的妊娠天数一般为270天。 附件2：各相关指标的正常参考范围及其在酮病中的发病风险率表1围产期奶牛酮病的关键检测标准指标健康范围亚临床酮病指标预警点临床酮病指标预警点诱导的酮病发病风险率备注BCS2.5～3.03.0～4.0＞4.015%正相关**BHBA（mmol/L）＜0.61.2～1.4＞1.5100%正相关*NEFA（mmol/L）＜0.4＞0.5＞0.770%正相关*Glu（mmol/L）2.8～4.02.24～2.51.12～2.2475%负相关AST（U/L）63.31＜85.2～99.6＞110.730%正相关*能量负平衡60%正相关注：1.当BHBA水平在0.6～0.8和0.8～1.2范围时，奶牛处于异常但未发病状态，诱导的酮病发病风险率分别为10%和25%。2.当NEFA水平在0.4～0.5之间，对酮病发病风险，无意义。3.当BCS小于2.5时，提示奶牛缺乏体脂贮存，体况太差，对于酮病无意义。4.当BHBA达到指标预警范围时，表示该奶牛已发病（亚临床酮病或临床酮病）。表2奶牛能量负平衡中的各指标关键检测标准及其在能量负平衡中的风险率项目指标平衡点引起能量负平衡的风险率相关性产犊8周的能量需求供应百分比＜95%30%负相关围产期体况评分＞3.255%正相关*在泌乳早期体况分数损失单位＞0.520%正相关*泌乳早期乳脂/乳蛋白率＞1.515%正相关*泌乳早期乳脂＞4.8%15%正相关泌乳早期乳糖最低值＜4.5%10%负相关*泌乳早期乳蛋白最低值＜3.05%15%负相关*预产期前2-14天血中BHBA＞0.6mmol/L30%正相关*预产期前2-14天血中游离脂肪酸NEFA＞0.4mmol/L30%正相关**泌乳早期血中BHBA＞1.4mmol/L100%正相关**泌乳早期血中游离脂肪酸NEFA＞0.7mmol/L100%正相关注（表1-2）：1.正相关，表示该指标越高于平衡点/预警点，诱导的疾病发病风险越大。负相关，表示该指标越低于平衡点/预警点，诱导的疾病越严重，发病风险越大。2.“**”表示，该指标权重最大，为最优先级；“*”表示，该指标比较关键，为次级；其余为普通指标。3.能量需求供应百分比，根据附件3中奶牛实际采食量的能量与奶牛的能量需要量相比所得。 附件3：各日粮营养水平指标参考范围及其在酮病中的发病风险率1、干物质采食量（DMI）⑴泌乳奶牛干物质采食量（DMI）预测方程：⑴4%FCM=（0.4×产奶量（kg）)+(15×乳脂（kg）);BW——为体重（kg）WOL——为泌乳周（泌乳1周以内算1周）e=2.71828⑵非泌乳青年牛DMI预测方程:DMI（kg/d）=（BW0.75×(0.2435×NEM-0.0466NEM2-0.1128)/NEM）⑵BW——为体重（kg）；NEM为饲粮的维持净能（Mcal/kg），此处NEM取1.24Mcal/kg。二、能量需要（NEL）⑴维持能量需要：NEL(Mcal/d)=0.08×BW0.75⑶BW——为体重（kg）（注：对第一胎和第二胎奶牛，维持需要应在此基础上分别增加20%和10%。）⑵产奶能量需要：NEL（Mcal/kg）=0.360+0.0969×乳脂%⑷⑶妊娠能量需要量：平均妊娠能量需求从大约从2.5～3.7Mcal/d。⑸（注：泌乳奶牛能量需量=维持能量+产奶能量；非泌乳奶牛能量需要=维持能量+妊娠能量。）三、蛋白质需要粗蛋白量(g)=5.0×BW0.75～5.6×BW0.75⑹BW——为体重（kg） 表3各日粮营养水平指标参考范围及其在酮病中的发病风险率项目正常范围摄入不足引起酮病发病的风险率干物质采食量根据公式⑴⑵计算所得20%能量需要根据公式⑶⑷⑸计算所得40%蛋白质需要根据公式⑹计算所得15%粗脂肪＞4%10%粗纤维＞17%15%注：以上指标当小于正常范围则表示摄入量不足。表4奶牛场的日粮组成及营养水平日粮组成营养水平水（%）20.54粗蛋白质（%）16.50进口苜蓿（%）8.11能量（Mcal/kg）1.75羊草（%）3.24粗饲料（%）36.00玉米全株青贮（%）28.11非结构性碳水化合物（%）41.40全棉籽（%）5.41粗饲料中的NDF（%）17.00糖蜜（%）2.70NDF（%）29.00浓缩料（%）31.89粗脂肪（%）7.00钙（%）0.40磷（%）0.28钾（%）0.71镁（%）0.28注：NDF为中性洗涤纤维。 附件4：50头奶牛各指标测定值表550头奶牛各指标测定值奶牛编号年龄体重(kg)胎次采样时间BCSBHBA（mmol/L）NEFA（mmol/L）Glu（mmol/L）AST(U/L)日采食量(kg)乳脂/乳蛋白率乳蛋白乳脂乳糖产奶量（Kg）156002122.550.580.513.1862.1026.9300000246232102.570.560.472.8957.4521.3700000346652102.60.480.793.0964.4322.670000044675282.630.460.312.9862.6119.780000052665182.680.440.623.2166.8823.370000063612272.690.390.383.1566.0320.980000074634292.730.360.453.3563.7021.920000083654172.950.460.353.5665.8520.350000095603263.070.800.302.41116.9321.9100000102609163.040.570.322.4769.8024.8300000114623252.920.960.223.2153.3921.6800000125611352.731.030.262.6747.3620.9900000135642232.880.860.492.8766.5325.8900000144613233.250.520.523.1368.9624.5100000154689223.420.790.523.2554.0219.8800000165615323.240.680.263.3463.9719.5800000173690113.030.480.422.9856.3126.4700000185668213.040.430.372.6756.0121.5800000195689303.111.230.232.3584.5923.661.463.01%4.39%4.15%17.9205691302.981.490.372.26136.6324.931.372.97%4.07%4.35%20.4214620203.391.390.402.4383.7519.981.432.88%4.12%4.45%28.3 奶牛编号年龄体重(kg)胎次采样时间BCSBHBA（mmol/L）NEFA（mmol/L）Glu（mmol/L）AST(U/L)日采食量(kg)乳脂/乳蛋白率乳蛋白乳脂乳糖产奶量（Kg）225623302.870.480.793.6764.4319.441.313.36%4.40%4.71%15233634102.860.460.313.6662.6121.941.273.45%4.38%4.79%15.5245654302.980.580.623.2766.8819.821.323.39%4.47%4.84%16.6253678202.780.780.322.7790.6524.961.382.99%4.13%4.58%16.72656273-13.451.470.402.41116.3620.691.482.89%4.28%4.34%16.92766284-13.461.421.752.24130.9621.951.552.85%4.42%4.25%172866194-23.61.591.182.3296.6318.451.453.18%4.61%4.31%17.22956303-24.31.270.192.19130.9519.381.483.17%4.69%4.36%17.53056313-33.911.582.662.1683.4219.851.392.96%4.11%4.21%17.73156633-34.01.482.022.3872.8122.121.472.87%4.22%4.28%17.93256962-44.11.331.002.21115.9819.741.513.05%4.60%4.36%183366344-43.11.260.872.3578.4721.151.493.15%4.69%4.18%18.23476724-43．01.451.912.0775.2521.091.473.12%4.59%4.36%18.53556363-52.891.371.032.0584.5922.351.372.99%4.10%4.41%18.93666884-63.541.230.842.23136.6320.351.362.83%3.85%4.50%20.33746382-72.720.970.313.4360.1020.161.343.21%4.30%4.52%20.63856393-72.710.540.623.6759.4521.311.243.37%4.18%4.63%20.93936832-82.770.820.383.5461.4318.571.323.42%4.51%4.88%214046412-82.850.450.453.2458.6119.271.233.28%4.03%4.78%21.64136591-92.830.960.353.6854.8819.771.223.33%4.06%4.82%224256432-93.191.050.442.8286.5421.571.322.97%3.92%4.75%22.64336461-103.171.060.702.75106.7822.651.232.99%3.68%4.78%234446472-113.360.980.602.7669.4220.641.313.23%4.23%4.66%23.54536512-122.890.620.812.6754.0519.651.293.13%4.04%4.69%23.9 奶牛编号年龄体重(kg)胎次采样时间BCSBHBA（mmol/L）NEFA（mmol/L）Glu（mmol/L）AST(U/L)日采食量(kg)乳脂/乳蛋白率乳蛋白乳脂乳糖产奶量（Kg）4646491-153.630.940.392.8753.4120.131.342.96%3.97%4.68%24.24746662-163.610.710.502.5351.7521.331.392.92%4.06%4.91%24.54836511-163.581.030.382.7845.7419.191.453.28%4.76%4.69%254956522-183.630.740.572.8188.2120.991.243.18%3.94%4.72%25.85046532-203.581.020.322.8737.5419.341.233.15%3.87%4.71%26注：采样时间时间，指采集血液和收集相关数据奶牛处于围产期的时间，“+”表示产前第几天（+忽略不写），“-”表示产后第几天，“0”表示分娩当天。