An expert system for planning and designing dairy farms in hot climates

Abstract

Planning and designing dairy farm facilities is a sophisticated work where a multitude of procedures should be carried out which requires time and efforts; moreover, making mistakes is also possible. Therefore, it is necessary to develop computer tools that have the ability to pre-process the data so as to produce value-added information, in order to accelerate analyses and to improve decision-making. Eleven simulation models were developed to plan and design several dairy farm facilities. Subsequently, an electronic spark map (decision tree) was developed for each simulation model, and then the simulation models were integrated into the relevant spark maps. Afterwards, C# language (C Sharp), which is an object-oriented programming language, was used to develop an expert system via the simulation models and the electronic spark maps. The developed expert system is able to plan and design several dairy farm facilities, e.g. housing system (corrals system), shade structure and roof material, concrete base, cooling system, milking parlor, forage storage, and manure handling system. Subsequently, it plans the farmstead layout, and it leads to implement the technologies, equipments, and machines required for performing several farm operations. Furthermore, it studies water and electricity requirements of the planned dairy farm and the available sources on site. Moreover, it calculates the capital investment and the fixed, variable, and total costs. Data of 6 dairy farms were used to carry out the expert system validation and evaluation. The differences between the actual and calculated values were determined and the standard deviations were calculated. The coefficients of variation range between 3% and 7%. The required input data are 358 thereof a multitude will be recommended by the expert system itself; consequently, it computes and displays 372 output data with the ability of saving and retrieving data. Besides, the system?s accuracy had been calculated using the actual and calculated values of the different outputs and it was found 98.6%. However, the system?s syntax includes 22106 lines. It can be concluded that the developed expert system can be used successfully for planning and designing dairy cow farms in hot climates.

Die Planung und Gestaltung von Milchviehbetrieben in heißen Klimaten ist sehr komplex. Die dabei durchzuführenden Berechnungen sind nicht nur sehr zeit- und arbeitsaufwändig, sie können außerdem auch eine Fehlerquelle darstellen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist deshalb die Entwicklung eines Computer-Tools zur Planung und Gestaltung von Milchviehbetrieben in heißen Klimaten. Dabei sollen die erfassten Daten so aufbereitet werden, dass sie den Anwender bei seiner Entscheidungsfindung optimal unterstützen. Zur Planung und Gestaltung unterschiedlicher Milchviehbetriebe wurden insgesamt elf Simulationsmodelle entwickelt. Neun Modelle simulieren die Funktionsbereiche bzw. Funktionselemente, ein Modell erarbeitet die Zuordnung der Funktionsbereiche (Funktionsprogramm) und ein weiteres dient der Kostenkalkulation. Für jedes Simulationsmodell wurde ein elektronischer Entscheidungsbaum erstellt und jeweils das Simulationsmodell in den jeweiligen Entscheidungsbaum integriert. Mit Hilfe der objektorientierten Programmierungssprache C# (C Sharp) wurde ein Expertensystem entwickelt, welches die Simulationsmodelle und die jeweiligen Entscheidungsbäume nutzt. Mit diesem Expertensystem können die verschiedenen Elemente eines Milchviehbetriebes, wie beispielsweise die Bauhülle, das Kühlsystem, der Melkstand sowie die Futter- und Güllelagerung, geplant und gestaltet werden. Das Expertensystem setzt dabei die implementierten Technologien um und erstellt anschließend einen Lageplan. Außerdem schätzt das Expertensystem den Strom- und Wasserverbrauch des geplanten Milchviehbetriebes und ermittelt die verschiedenen Anschlussmöglichkeiten. Darüber hinaus berechnet das Expertensystem den Kapitalbedarf für den gesamten Betrieb sowie die fixen und die variablen Kosten. Für eine Planung sind maximal 358 Eingaben erforderlich. Dabei wird jedoch ein Großteil der Eingabedaten durch das Expertensystem mittels einer entsprechenden Voreinstellung vorgeschlagen. Nach einer Berechnung der eingegebenen Daten werden 372 Output-Daten ausgegeben. Die Output-Daten können anschließend gespeichert und später wieder abgerufen werden. Außerdem wurde die Genauigkeit des Systems anhand der tatsächlichen und der berechneten Ausgabewerte überprüft. Dabei wurde eine 98,6%ige Genauigkeit festgestellt. Die Syntax des Expertensystems enthält 22106 Zeilen. Grundlage für die abschließende Validierung und die Evaluierung des Expertensystems waren sechs bestehende Milchviehbetriebe in Ägypten. Dazu wurden die Unterschiede zwischen den tatsächlichen und den berechneten Werten ermittelt und die jeweiligen Standardabweichungen berechnet. Die Variationskoeffizienten liegen zwischen 3% und 7%. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das entwickelte Expertensystem für die Planung und Gestaltung von Milchviehbetrieben in heißen Klimaten geeignet ist und den Anwender bei seiner Entscheidungsfindung effektiv unterstützen kann.