膳食营养配餐系统的研究_冯剑
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信息科学
膳食营养配餐系统的研究
冯剑 曹琳 （ 哈尔滨商业大学， 黑龙江 哈尔滨 １５００２８）
摘 要： 在实际配餐过程中遇到的一个现实问题是： 由于食物成分、营养元素复杂 等原因， 造成了配餐的效率不高， 针对这种情况， 提出了准 确 分析、高效配餐的新思维， 开发了这套膳食营养配餐系统， 系统地阐述了开发过程中涉及到的相关理论知识和整个方案的实施过程。
关键词： 营养膳食； 配餐； 智能优化
１ 背景 随着经济的发展， 人们餐桌上的食物丰富 了， 然而， 有的人却产生了一些生活富裕性疾 病， 这是因为人们不断的摄入与消化食物， 食物 中的营养素在体内按照严格的规律与方式， 进 行着一系列相互联系的生化反应而维持着正常 代谢， 如果人们的日常饮食结构违反它们的规 律， 将会失去它们在生命活动中的动态平衡， 从 而影响人体的生长发育与健康。营养学与营养 疾病学虽然对人们的营养膳食做过大量细致的 工 作 ， 但 是 并 没 有 把 营 养 素 含 量 、疾 病 、人 的 标 准摄入量同菜谱有机的联系起来， 也没有对营 养素含量进行数值上的分析， 使用户手拿营养 学书籍却不知该怎样具体营养膳食。鉴于此， 我 们开发了这套膳食营养配餐系统， 解决了传统 营养膳食抽象化的问题， 实现了直接对菜谱的 智能化优选， 完成了营养膳食抽象化到具体化 的转变。 ２ 研究的目标 膳 食 营 养 配 餐 系 统 是 计 算 机 应 用 技 术 、营 养学、疾病营养学多门学科交叉应运而生的， 营 养学与疾病营养学为我们的研究奠定了理论基 础， 在这个基础上， 我们作了大量的分析与处理， 利用计算机应用技术把理论抽象的问题， 转化为 具体营养配餐系统， 不但可以应用于普通人群， 而且还可以针对特殊人群（ 疾病人群） 。其中， 带 疾病的营养膳食优选是本系统的一大特色。 ３ 研究的方法与过程 ３．１ 网络数据库系统的建立： ａ．菜 谱 数 据 库 ： 建 立 பைடு நூலகம் 基 础 的 菜 谱 信 息 数 据库。ｂ．食材数据库： 总结归纳了日常生活需要 的所有食材。ｃ．疾病数据库： 建立了人类常见病 数据库。ｄ．多媒体数据库： 存储菜谱图片以及菜 谱解说声音文件等多媒体 信 息 。ｅ．一 些 辅 助 数 据库： 口味， 用户信息， 菜系， 标准摄入量等。 ３．２ 营 养 膳 食 中 各 组 成 部 分 之 间 关 系 的 研 究［１］ 由于本系统直接面向用户的基本数据是菜 谱， 用户通过输入各种条件最终直接选出的是一 套菜谱的优选组合， 所以我们在整个研究过程中 建立了如下的对应关系： 用户每天的标准摄入量 同 菜 谱 组 合 的 关 系 、菜 谱 同 疾 病 的 关 系 、疾 病 同 营 养 元 素 的 关 系 、疾 病 同 食 材 的 关 系 、疾 病 通 过 营养素含量和食材同菜谱组合建立的关系。通过 对这些关系的研究， 建立了多媒体营养膳食智能 化优选系统中有关疾病优选的功能模块。 具体的关系如下： ａ．菜 谱 营 养 含 量 的 研 究 ： 建立了菜谱与营养含量的对应， 是整个智能化 优选系统的基础。ｂ．用户每天的标准 摄 入 量 同 菜谱组合的关系： 根据用户提供的自身信息， 查 找用户对应的标准摄入量， 通过优选系统选出 最符合用户的菜谱组合。ｃ．菜 谱 同 疾 病 关 系 的
参考文献 ［１］刘 海 玲．饮 食 营 养 与 健 康［Ｍ］．北 京：化 学 工 业 出版社， ２００５． ［２］康 立 山 ， 谢 云 ， 尤 矢 勇．非 数 值 并 行 算 法（ 第 １ 册） ： 模拟退火算法［Ｍ］．北京： 科学出版社， １９９７．
作 者 简 介 ： 冯 剑（ １９７９￣） ， 男 ， 山 东 青 岛 人 ， 硕士研究生， 哈尔滨商业大学计算机与信息工 程学院助教， 研究方向： 人工智能。
研究： 通过对菜谱同疾病关系的研究， 建立了疾 病优选最基础的理论， 每一道菜由于营养成份 的不同， 它对某一些疾病有积极的作用， 同时对 其它的一些疾病也有消极作用， 系统中的每道 菜都对应着忌和益的疾病。ｄ．疾病 同 营 养 元 素 关系的研究： 疾病对每种营养素都有各自的要 求， 系统建立了疾病与营养元素之间定量的关 系， 为建立疾病同菜谱组合的关系奠定了基础， 这种关系的研究也是疾病优选理论的核心之 一。营养素同疾病的关系不单只是反映在好与 坏这样定性的层面上， 例如： 一种营养元素对某 一种疾病有好处， 并不是说多多益善， 它在量上 应该有个范围， 任何营养素过量摄入都会产生 中毒现象； 相反一种对某一疾病不利的营养元 素也不可以完全不摄入， 任何营养素对身体都 是有作用的， 只是营养素针对这种疾病在量上 应该有个上限。所以研究疾病同营养素之间的 定量关系是本系统疾病优选的核心问题， 通过 大量的研究工作和相关单位的帮助， 我们研究 整理出了相应疾病对营 养 素 的 定 量 要 求 。ｅ．疾 病同食材关系的研究： 根据对食材营养成分的 研究以及对大量资料的整理， 建立了疾病同食 材的关系， 因为食材是菜谱的直接构成单位， 建 立这个关系可以间接的搭建从疾病到菜谱的桥 梁， 即疾病— ——食材— ——菜谱。ｆ．疾病同菜谱组 合关系的研究： 同一般的菜谱与疾病的关系不 同， 我们通过营养素含量和食材建立了疾病同 菜谱组合的复杂关系， 此种关系不但从定性的 角度而且从定量的角度反映菜谱同疾病的关 系。将菜谱组合和疾病更准确更合理的联系在 了一起， 使用户可以更准确的优选出适合自身 情况的菜谱组合。
３．３ 通过对以上这些关系的研究， 建立了膳 食营养配餐系统中有关疾病优选的功能模块。
３．４ 系统的设计与分析 ａ．用 户 管 理 模 块 ； ｂ．菜 谱 信 息 管 理 模 块 ； ｃ． 个 人 菜 谱 定 制 模 块 ； ｄ．信 息 查 询 模 块 ； ｅ．系 统 维 护模块； ｆ．系统设置模块。 ３．５ 模 拟 退 火 算 法 在 膳 食 营 养 配 餐 系 统 中 的 研 究 ［２］ 根据用户一天营养的标准摄入量， 从营养 菜谱中选出指定的最优的组合， 当菜谱中菜的 数量很大， 并且选择的菜目大于 ６ 时， 由于计算 量太大的原因， 操作系统不能响应出现死机状 态。模拟退火算法就是模仿上述物理系统徐徐 退火过程的一种通用随机搜索技术， 人们可用 马尔柯夫链的遍历理论来给它以数学上的描 述。在搜索最优解的过程中， 模拟退火算法除了 可以接受优化解外， 还用一个随机接受准则 （Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｓ 准 则）有 限 度 地 接 受 恶 化 解 ， 并 且 接 受恶化解的概率慢慢趋向于 ０， 这使得算法有 可能从局部最优解中跳出， 尽可能找到全局最
３．６ 在 ＰＤＡ 上运行的膳食营养配餐系 统 的 研 发 ： ａ．数 据 同 步 程 序 ： 应 用 ＧＰＲＳ 无 线 网 络 使 ＰＤＡ 数据库与服务器数据库保持同步。ｂ．膳食 营养配餐系统程序： 人工选菜和自动选菜两大 功能模块。
４ 研究成果 膳食营养配餐系统的研发成功， 无论对营 养学还是疾病营养学都起到了积极的促进作 用， 完成了理论到实践的转变， 而且扩大了计算 机应用技术的应用范围， 证实了多学科交叉发 展 研 究 的 重 要 性 ， 是 计 算 机 应 用 技 术 与（ 疾 病） 营养学完美的结合。 应用本系统， 用户可以根据自身的情况， 选 择最适合身体情况的菜谱组合， 从而达到健康 饮 食 的 目 的 。其 中 本 系 统 独 有 的 疾 病 优 选 功 能 ， 可以使用户找到对自身疾病有益的菜谱组合， 避免了不健康饮食对自身的负面影响。 多媒体营养膳食智能化优选系统在智能终 端 ＰＤＡ 上开发成功， 使人们无论身在何处都能 享受营养膳食的乐趣。 ５ 使用情况 膳食营养配餐系统不但适合个人用户， 而 且也适用于餐饮业， 目前本系统已经在哈尔滨 商业大学酒店（ 三星级） 通过测试正进入全面投 入阶段， 并且通过调研， 证实市场前景良好， 准 备在各大酒店试运行。 ６ 研究总结 计算机应用技术在营养学领域已经得到了 广泛的应用和长足的发展， 膳食营养配餐系统 也只是这个领域的冰山一角， 下一步， 我们将继 续 致 力 于（ 疾 病） 营 养 膳 食 与 算 法 的 研 究 ， 不 断 完善疾病优选系统， 提高本系统的整体优选速 度， 为用户提供更准确、更快捷的膳食食谱。
项目来源： 黑龙江省科技攻关项目 （ ＧＣ０２Ａ１３２）
－ ６７－
优解， 并保证了算法的收敛。特别地， 我们给算 法增加一个记忆器， 使之能记住搜索过程中遇 到过的最好结果， 当退火过程结束时， 将所得最 终解与记忆器中的解比较并取其优者作为最后 结果。由此就可以得到一种有记忆的模拟退火 算法。应用改进的模拟退火算法很好的解决了 优化组合的问题， 解决了优化解的丢失问题， 实 现了多个量同标准量比较时智能的选择优化组 合的方法。
膳食营养配餐系统的研究
冯剑 曹琳 （ 哈尔滨商业大学， 黑龙江 哈尔滨 １５００２８）
摘 要： 在实际配餐过程中遇到的一个现实问题是： 由于食物成分、营养元素复杂 等原因， 造成了配餐的效率不高， 针对这种情况， 提出了准 确 分析、高效配餐的新思维， 开发了这套膳食营养配餐系统， 系统地阐述了开发过程中涉及到的相关理论知识和整个方案的实施过程。
关键词： 营养膳食； 配餐； 智能优化
１ 背景 随着经济的发展， 人们餐桌上的食物丰富 了， 然而， 有的人却产生了一些生活富裕性疾 病， 这是因为人们不断的摄入与消化食物， 食物 中的营养素在体内按照严格的规律与方式， 进 行着一系列相互联系的生化反应而维持着正常 代谢， 如果人们的日常饮食结构违反它们的规 律， 将会失去它们在生命活动中的动态平衡， 从 而影响人体的生长发育与健康。营养学与营养 疾病学虽然对人们的营养膳食做过大量细致的 工 作 ， 但 是 并 没 有 把 营 养 素 含 量 、疾 病 、人 的 标 准摄入量同菜谱有机的联系起来， 也没有对营 养素含量进行数值上的分析， 使用户手拿营养 学书籍却不知该怎样具体营养膳食。鉴于此， 我 们开发了这套膳食营养配餐系统， 解决了传统 营养膳食抽象化的问题， 实现了直接对菜谱的 智能化优选， 完成了营养膳食抽象化到具体化 的转变。 ２ 研究的目标 膳 食 营 养 配 餐 系 统 是 计 算 机 应 用 技 术 、营 养学、疾病营养学多门学科交叉应运而生的， 营 养学与疾病营养学为我们的研究奠定了理论基 础， 在这个基础上， 我们作了大量的分析与处理， 利用计算机应用技术把理论抽象的问题， 转化为 具体营养配餐系统， 不但可以应用于普通人群， 而且还可以针对特殊人群（ 疾病人群） 。其中， 带 疾病的营养膳食优选是本系统的一大特色。 ３ 研究的方法与过程 ３．１ 网络数据库系统的建立： ａ．菜 谱 数 据 库 ： 建 立 பைடு நூலகம் 基 础 的 菜 谱 信 息 数 据库。ｂ．食材数据库： 总结归纳了日常生活需要 的所有食材。ｃ．疾病数据库： 建立了人类常见病 数据库。ｄ．多媒体数据库： 存储菜谱图片以及菜 谱解说声音文件等多媒体 信 息 。ｅ．一 些 辅 助 数 据库： 口味， 用户信息， 菜系， 标准摄入量等。 ３．２ 营 养 膳 食 中 各 组 成 部 分 之 间 关 系 的 研 究［１］ 由于本系统直接面向用户的基本数据是菜 谱， 用户通过输入各种条件最终直接选出的是一 套菜谱的优选组合， 所以我们在整个研究过程中 建立了如下的对应关系： 用户每天的标准摄入量 同 菜 谱 组 合 的 关 系 、菜 谱 同 疾 病 的 关 系 、疾 病 同 营 养 元 素 的 关 系 、疾 病 同 食 材 的 关 系 、疾 病 通 过 营养素含量和食材同菜谱组合建立的关系。通过 对这些关系的研究， 建立了多媒体营养膳食智能 化优选系统中有关疾病优选的功能模块。 具体的关系如下： ａ．菜 谱 营 养 含 量 的 研 究 ： 建立了菜谱与营养含量的对应， 是整个智能化 优选系统的基础。ｂ．用户每天的标准 摄 入 量 同 菜谱组合的关系： 根据用户提供的自身信息， 查 找用户对应的标准摄入量， 通过优选系统选出 最符合用户的菜谱组合。ｃ．菜 谱 同 疾 病 关 系 的
参考文献 ［１］刘 海 玲．饮 食 营 养 与 健 康［Ｍ］．北 京：化 学 工 业 出版社， ２００５． ［２］康 立 山 ， 谢 云 ， 尤 矢 勇．非 数 值 并 行 算 法（ 第 １ 册） ： 模拟退火算法［Ｍ］．北京： 科学出版社， １９９７．
作 者 简 介 ： 冯 剑（ １９７９￣） ， 男 ， 山 东 青 岛 人 ， 硕士研究生， 哈尔滨商业大学计算机与信息工 程学院助教， 研究方向： 人工智能。
研究： 通过对菜谱同疾病关系的研究， 建立了疾 病优选最基础的理论， 每一道菜由于营养成份 的不同， 它对某一些疾病有积极的作用， 同时对 其它的一些疾病也有消极作用， 系统中的每道 菜都对应着忌和益的疾病。ｄ．疾病 同 营 养 元 素 关系的研究： 疾病对每种营养素都有各自的要 求， 系统建立了疾病与营养元素之间定量的关 系， 为建立疾病同菜谱组合的关系奠定了基础， 这种关系的研究也是疾病优选理论的核心之 一。营养素同疾病的关系不单只是反映在好与 坏这样定性的层面上， 例如： 一种营养元素对某 一种疾病有好处， 并不是说多多益善， 它在量上 应该有个范围， 任何营养素过量摄入都会产生 中毒现象； 相反一种对某一疾病不利的营养元 素也不可以完全不摄入， 任何营养素对身体都 是有作用的， 只是营养素针对这种疾病在量上 应该有个上限。所以研究疾病同营养素之间的 定量关系是本系统疾病优选的核心问题， 通过 大量的研究工作和相关单位的帮助， 我们研究 整理出了相应疾病对营 养 素 的 定 量 要 求 。ｅ．疾 病同食材关系的研究： 根据对食材营养成分的 研究以及对大量资料的整理， 建立了疾病同食 材的关系， 因为食材是菜谱的直接构成单位， 建 立这个关系可以间接的搭建从疾病到菜谱的桥 梁， 即疾病— ——食材— ——菜谱。ｆ．疾病同菜谱组 合关系的研究： 同一般的菜谱与疾病的关系不 同， 我们通过营养素含量和食材建立了疾病同 菜谱组合的复杂关系， 此种关系不但从定性的 角度而且从定量的角度反映菜谱同疾病的关 系。将菜谱组合和疾病更准确更合理的联系在 了一起， 使用户可以更准确的优选出适合自身 情况的菜谱组合。
３．３ 通过对以上这些关系的研究， 建立了膳 食营养配餐系统中有关疾病优选的功能模块。
３．４ 系统的设计与分析 ａ．用 户 管 理 模 块 ； ｂ．菜 谱 信 息 管 理 模 块 ； ｃ． 个 人 菜 谱 定 制 模 块 ； ｄ．信 息 查 询 模 块 ； ｅ．系 统 维 护模块； ｆ．系统设置模块。 ３．５ 模 拟 退 火 算 法 在 膳 食 营 养 配 餐 系 统 中 的 研 究 ［２］ 根据用户一天营养的标准摄入量， 从营养 菜谱中选出指定的最优的组合， 当菜谱中菜的 数量很大， 并且选择的菜目大于 ６ 时， 由于计算 量太大的原因， 操作系统不能响应出现死机状 态。模拟退火算法就是模仿上述物理系统徐徐 退火过程的一种通用随机搜索技术， 人们可用 马尔柯夫链的遍历理论来给它以数学上的描 述。在搜索最优解的过程中， 模拟退火算法除了 可以接受优化解外， 还用一个随机接受准则 （Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｓ 准 则）有 限 度 地 接 受 恶 化 解 ， 并 且 接 受恶化解的概率慢慢趋向于 ０， 这使得算法有 可能从局部最优解中跳出， 尽可能找到全局最
３．６ 在 ＰＤＡ 上运行的膳食营养配餐系 统 的 研 发 ： ａ．数 据 同 步 程 序 ： 应 用 ＧＰＲＳ 无 线 网 络 使 ＰＤＡ 数据库与服务器数据库保持同步。ｂ．膳食 营养配餐系统程序： 人工选菜和自动选菜两大 功能模块。
４ 研究成果 膳食营养配餐系统的研发成功， 无论对营 养学还是疾病营养学都起到了积极的促进作 用， 完成了理论到实践的转变， 而且扩大了计算 机应用技术的应用范围， 证实了多学科交叉发 展 研 究 的 重 要 性 ， 是 计 算 机 应 用 技 术 与（ 疾 病） 营养学完美的结合。 应用本系统， 用户可以根据自身的情况， 选 择最适合身体情况的菜谱组合， 从而达到健康 饮 食 的 目 的 。其 中 本 系 统 独 有 的 疾 病 优 选 功 能 ， 可以使用户找到对自身疾病有益的菜谱组合， 避免了不健康饮食对自身的负面影响。 多媒体营养膳食智能化优选系统在智能终 端 ＰＤＡ 上开发成功， 使人们无论身在何处都能 享受营养膳食的乐趣。 ５ 使用情况 膳食营养配餐系统不但适合个人用户， 而 且也适用于餐饮业， 目前本系统已经在哈尔滨 商业大学酒店（ 三星级） 通过测试正进入全面投 入阶段， 并且通过调研， 证实市场前景良好， 准 备在各大酒店试运行。 ６ 研究总结 计算机应用技术在营养学领域已经得到了 广泛的应用和长足的发展， 膳食营养配餐系统 也只是这个领域的冰山一角， 下一步， 我们将继 续 致 力 于（ 疾 病） 营 养 膳 食 与 算 法 的 研 究 ， 不 断 完善疾病优选系统， 提高本系统的整体优选速 度， 为用户提供更准确、更快捷的膳食食谱。
项目来源： 黑龙江省科技攻关项目 （ ＧＣ０２Ａ１３２）
－ ６７－
优解， 并保证了算法的收敛。特别地， 我们给算 法增加一个记忆器， 使之能记住搜索过程中遇 到过的最好结果， 当退火过程结束时， 将所得最 终解与记忆器中的解比较并取其优者作为最后 结果。由此就可以得到一种有记忆的模拟退火 算法。应用改进的模拟退火算法很好的解决了 优化组合的问题， 解决了优化解的丢失问题， 实 现了多个量同标准量比较时智能的选择优化组 合的方法。