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摘要
[目的] 探讨采用猪用选种选料自动测定设备系统进行试验与传统人工饲喂方法进行试验所需样本量的差异。[方法] 以统计理论为基础，采用Bootstrap自助法和Matlab软件，在保证与传统试验相同估计精度的前提下，给出了自测设备下抽样调查试验中样本容量的确定方法。[结果]使用自测设备采集数据可以获得每头试验猪的生长情况和环境指标，与传统人工饲喂试验相比需要抽取的样本量得到优化，试验效率得到提高。[结论] 用自测设备来代替人工饲养可以减少样本容量，缩短试验周期。
关键词测定设备；传统试验；料重比；样本量
中图分类号S816.32文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）14-129-04
Abstract [Objective] The research aimed to discuss the differences of sample size required in the test of breeding pigs and selecting feed materials by automatic determination equipment and traditional method of artificial feeding. [Method] Based on statistical theory， under the premise of the same estimation accuracy with the traditional artificial feeding experiment， the method for determining sample size in sampling survey test was discussed by Bootstrap method and Matlab software. [Result] The growth and environmental indices of every test pigs could be collected by using automatic determination equipment. Compared with the traditional artificial feeding experiment， the sample size was optimized and the experiment efficiency was enhanced. [Conclusion] The sample size could be reduced and the test period could be shortened by using automatic determination equipment instead of traditional artificial feeding experiment.
Key words Automatic determination equipment； Feeding test； Feedgain ratio； Sample size
在试验设计中样本容量的优化和重复数的确定早在20世纪初期就有不少国内外的学者做过相关研究，如Cochran、Cox和Tukey等[1]。1991年Berndston[2]运用1938年Tang[3]推导的公式提出了一种简单、快捷而可靠的确定动物试验重复数的方法。2004年D. K. Aaron和V. W. Hays[4]总结了前人试验的经验，并从统计功效角度考虑种猪营养试验中样本量的确定。然而，基于猪用自动测定设备系统，在节省人力、测量更加准确背景下样本的优化研究工作尚未起步。猪用选种选料自动测定设备，可以自动识别佩戴电子标签的动物个体，系统会自动记录其电子耳牌、体重、采食量、进出栏时间、体温和环境温度等测定数据并自动传输到电脑中，从而计算出种猪生长速度、采食量和料肉比等生长指标，以便科学分析环境和饲料等因素对生猪生长的影响，研究制定合理的饲养管理方案[5]。笔者引进自动测定设备后将每头猪作为1个重复采集观测数据，对与传统上一栏舍猪作为1个观测值是否具有可比性以及有效样本容量如何确定等进行探讨。
1材料与方法
1.1试验方法[6-8]同时在传统试验方法和采用安徽省菩提果牧业科技有限公司生产的9SC05型猪饲料转化率自动测定设备下用同一日粮进行饲喂并测定。在传统试验方法下，选取健康、生长状况良好的育肥猪90头，每头猪都打上耳号并称重，按照随机分配原则分成6栏，试验结束对每栏猪进行称重并记录，测定数据如表1所示。使用自测设备进行试验，选用与传统方式饲养下品种相同的、健康、生长状况良好的育肥猪6头作为试验猪，按照测定设备要求施以电子耳标，以单个猪圈单料槽自由采食，试验结束根据系统记录的测定数据，计算相关生长指标，具体见表2。
1.2试验周期连续观察并记录猪群采食量，试验自2012年5月11日到2012年6月12日，共32 d。
1.`饲养管理按照猪场常规程序对试验猪舍进行清扫消毒，对试验猪只进行防疫；根据猪场目前的饲养方式，对试验猪实行自由采食、自由饮水；每天随时观察试验猪只的精神状况、采食和排泄情况，如有异常立即通知兽医进行检查治疗。在整个试验过程中，保证试验猪群适宜的环境温度和湿度[9]。
2理论基础
2.1必要样本容量的确定
由表4可知，当1dfBe2i近似等于σ2时，相同个数的个体数据Xi可以代替均值i（i=1，2，…，k）作为实际的观测数据，即在自测设备下选取k个试验动物可以代替传统方式下k栏舍试验动物；当1dfBe2i明显小于σ2时，需要增加设备下的样本容量，以达到传统方式下试验精度的要求，至于增加多少样本容量则需要通过自助法（Bootstrap）对小样本进行统计推断，得到母本的均值和置信区间，进而得到估计精度，根据公式n=za/22σ2d2计算出设备下的样本容量。 3数据处理
考虑到饲料转化率与料重比的关系及其畜牧业中的作用，基于料重比对表1～2中数据进行进一步统计分析。
由表5可知，机器试验方法下猪料重比的标准差和变异系数明显高于人工试验，说明组间偏差较个体差异程度可忽略不计，因此有必要增加设备下的样本容量，以达到传统方式下试验精度的要求。取置信水平为0.95，α=0.05，N=10 000，则k1=N×α2=250，k2=N×〔1-α2〕=9 750，于是在命令窗口中输入：X=[3.5，3.27，3.27，3.1，3.55，3.63]；A=f1（X，10000）；A=sort（A）；B=[A（250），A（9750）]
运行后可求得总体均值μ的置信水平为1-α的Bootstrap置信区间为（3.241 7，3.533 3）。
设定总体服从正态分布，以样本方差S2作为总体方差的估计σ2，总体均值μ的置信度1-α的置信区间为〔-Sntα/2（n-1），+Sntα/2（n-1）〕。通过运行结果可知，
d=σntα/2（n-1）=0.145 8。最后，解得n=tα/22（n-1）S2d2=2.5712×0.20420.145 82=12.9≈13。
上述结果表明，每头试验猪作为1个重复，试验设备下需要13头试验猪方可达到传统试验下的估计精度要求。
4讨论
使用自测设备采集数据可以得到每头试验猪详细的生长情况指标和环境指标，与传统的群饲喂试验相比需要抽取的样本量可以得到优化，试验效率得到提高。该试验表明根据标准差、变异系数等指标，如果在传统试验下选取90头试验猪分成6栏饲养，将每一栏的平均观测值作为1个重复所得的试验结果，在机器试验下只需选取13头试验猪就可以达到与之相同的估计精度要求。因此，用自测设备来代替人工饲养可以减少样本容量，在取样上减少人力和物力的投入，同时试验周期短，节约设备资源的占用率，大大简化后期数据的分析和处理工作。
由于客观条件限制，该研究案例中抽取的样本偏少，统计结果是否具有普适性还需要进一步研究。
参考文献
[1]
LECLERG E L.试验设计在植物育种中的重要性[M]//作物杂种优势与数量遗传.重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1979：110-128.
[2] BERNDSTON W E.A simple， rapid and reliable method for selecting or assessing the number of replicates for animal experiments[J]. J Anim Sci，1991， 69：67-76.
[3] TANG P C. The power function of the analysis of variance tests with tables and illustrations of their use[J]. Stat Res，1938（2）：126 .
[4] AARON D K，HAYS V W.How many pigs？ Statistical power considerations in swine nutrition experiments[J]. J Aaim Sci， 2004， 82：245-254.
[5] 李钢浦，陈钦辉.现代化设备在猪场的应用[C].中国畜牧业协会，第十届中国猪业发展大会.2012：59-63.
[6] 姚淑霞，张铜会.随机抽样必要样本容量的确定方法及其应用[J].干旱区研究，2012，29（3）：547-552.
[7] 夏伦志，齐云霞.家禽代谢试验方法研究进展：（二）试验处理重复数、内源养分与粪便收集及单一原料养分代谢率的测定[J].动物营养学报，2012，24（2）：198-203.
[8]ELIZABETH MAGOWAN.Does feeder type really matter？ [J]. Pig Progress， 2005， 21（7）：18-19.
[9] 于世征，顾宪红，郝月.生产性能测定站对生长猪生产性能和行为的影响[J].中国畜牧兽医，2013，40（10）：106-110.
[10] 张勤.生物统计学[M].北京：中国农业大学出版社，2008.
[目的] 探讨采用猪用选种选料自动测定设备系统进行试验与传统人工饲喂方法进行试验所需样本量的差异。[方法] 以统计理论为基础，采用Bootstrap自助法和Matlab软件，在保证与传统试验相同估计精度的前提下，给出了自测设备下抽样调查试验中样本容量的确定方法。[结果]使用自测设备采集数据可以获得每头试验猪的生长情况和环境指标，与传统人工饲喂试验相比需要抽取的样本量得到优化，试验效率得到提高。[结论] 用自测设备来代替人工饲养可以减少样本容量，缩短试验周期。
关键词测定设备；传统试验；料重比；样本量
中图分类号S816.32文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）14-129-04
Abstract [Objective] The research aimed to discuss the differences of sample size required in the test of breeding pigs and selecting feed materials by automatic determination equipment and traditional method of artificial feeding. [Method] Based on statistical theory， under the premise of the same estimation accuracy with the traditional artificial feeding experiment， the method for determining sample size in sampling survey test was discussed by Bootstrap method and Matlab software. [Result] The growth and environmental indices of every test pigs could be collected by using automatic determination equipment. Compared with the traditional artificial feeding experiment， the sample size was optimized and the experiment efficiency was enhanced. [Conclusion] The sample size could be reduced and the test period could be shortened by using automatic determination equipment instead of traditional artificial feeding experiment.
Key words Automatic determination equipment； Feeding test； Feedgain ratio； Sample size
在试验设计中样本容量的优化和重复数的确定早在20世纪初期就有不少国内外的学者做过相关研究，如Cochran、Cox和Tukey等[1]。1991年Berndston[2]运用1938年Tang[3]推导的公式提出了一种简单、快捷而可靠的确定动物试验重复数的方法。2004年D. K. Aaron和V. W. Hays[4]总结了前人试验的经验，并从统计功效角度考虑种猪营养试验中样本量的确定。然而，基于猪用自动测定设备系统，在节省人力、测量更加准确背景下样本的优化研究工作尚未起步。猪用选种选料自动测定设备，可以自动识别佩戴电子标签的动物个体，系统会自动记录其电子耳牌、体重、采食量、进出栏时间、体温和环境温度等测定数据并自动传输到电脑中，从而计算出种猪生长速度、采食量和料肉比等生长指标，以便科学分析环境和饲料等因素对生猪生长的影响，研究制定合理的饲养管理方案[5]。笔者引进自动测定设备后将每头猪作为1个重复采集观测数据，对与传统上一栏舍猪作为1个观测值是否具有可比性以及有效样本容量如何确定等进行探讨。
1材料与方法
1.1试验方法[6-8]同时在传统试验方法和采用安徽省菩提果牧业科技有限公司生产的9SC05型猪饲料转化率自动测定设备下用同一日粮进行饲喂并测定。在传统试验方法下，选取健康、生长状况良好的育肥猪90头，每头猪都打上耳号并称重，按照随机分配原则分成6栏，试验结束对每栏猪进行称重并记录，测定数据如表1所示。使用自测设备进行试验，选用与传统方式饲养下品种相同的、健康、生长状况良好的育肥猪6头作为试验猪，按照测定设备要求施以电子耳标，以单个猪圈单料槽自由采食，试验结束根据系统记录的测定数据，计算相关生长指标，具体见表2。
1.2试验周期连续观察并记录猪群采食量，试验自2012年5月11日到2012年6月12日，共32 d。
1.`饲养管理按照猪场常规程序对试验猪舍进行清扫消毒，对试验猪只进行防疫；根据猪场目前的饲养方式，对试验猪实行自由采食、自由饮水；每天随时观察试验猪只的精神状况、采食和排泄情况，如有异常立即通知兽医进行检查治疗。在整个试验过程中，保证试验猪群适宜的环境温度和湿度[9]。
2理论基础
2.1必要样本容量的确定
由表4可知，当1dfBe2i近似等于σ2时，相同个数的个体数据Xi可以代替均值i（i=1，2，…，k）作为实际的观测数据，即在自测设备下选取k个试验动物可以代替传统方式下k栏舍试验动物；当1dfBe2i明显小于σ2时，需要增加设备下的样本容量，以达到传统方式下试验精度的要求，至于增加多少样本容量则需要通过自助法（Bootstrap）对小样本进行统计推断，得到母本的均值和置信区间，进而得到估计精度，根据公式n=za/22σ2d2计算出设备下的样本容量。 3数据处理
考虑到饲料转化率与料重比的关系及其畜牧业中的作用，基于料重比对表1～2中数据进行进一步统计分析。
由表5可知，机器试验方法下猪料重比的标准差和变异系数明显高于人工试验，说明组间偏差较个体差异程度可忽略不计，因此有必要增加设备下的样本容量，以达到传统方式下试验精度的要求。取置信水平为0.95，α=0.05，N=10 000，则k1=N×α2=250，k2=N×〔1-α2〕=9 750，于是在命令窗口中输入：X=[3.5，3.27，3.27，3.1，3.55，3.63]；A=f1（X，10000）；A=sort（A）；B=[A（250），A（9750）]
运行后可求得总体均值μ的置信水平为1-α的Bootstrap置信区间为（3.241 7，3.533 3）。
设定总体服从正态分布，以样本方差S2作为总体方差的估计σ2，总体均值μ的置信度1-α的置信区间为〔-Sntα/2（n-1），+Sntα/2（n-1）〕。通过运行结果可知，
d=σntα/2（n-1）=0.145 8。最后，解得n=tα/22（n-1）S2d2=2.5712×0.20420.145 82=12.9≈13。
上述结果表明，每头试验猪作为1个重复，试验设备下需要13头试验猪方可达到传统试验下的估计精度要求。
4讨论
使用自测设备采集数据可以得到每头试验猪详细的生长情况指标和环境指标，与传统的群饲喂试验相比需要抽取的样本量可以得到优化，试验效率得到提高。该试验表明根据标准差、变异系数等指标，如果在传统试验下选取90头试验猪分成6栏饲养，将每一栏的平均观测值作为1个重复所得的试验结果，在机器试验下只需选取13头试验猪就可以达到与之相同的估计精度要求。因此，用自测设备来代替人工饲养可以减少样本容量，在取样上减少人力和物力的投入，同时试验周期短，节约设备资源的占用率，大大简化后期数据的分析和处理工作。
由于客观条件限制，该研究案例中抽取的样本偏少，统计结果是否具有普适性还需要进一步研究。
参考文献
[1]
LECLERG E L.试验设计在植物育种中的重要性[M]//作物杂种优势与数量遗传.重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1979：110-128.
[2] BERNDSTON W E.A simple， rapid and reliable method for selecting or assessing the number of replicates for animal experiments[J]. J Anim Sci，1991， 69：67-76.
[3] TANG P C. The power function of the analysis of variance tests with tables and illustrations of their use[J]. Stat Res，1938（2）：126 .
[4] AARON D K，HAYS V W.How many pigs？ Statistical power considerations in swine nutrition experiments[J]. J Aaim Sci， 2004， 82：245-254.
[5] 李钢浦，陈钦辉.现代化设备在猪场的应用[C].中国畜牧业协会，第十届中国猪业发展大会.2012：59-63.
[6] 姚淑霞，张铜会.随机抽样必要样本容量的确定方法及其应用[J].干旱区研究，2012，29（3）：547-552.
[7] 夏伦志，齐云霞.家禽代谢试验方法研究进展：（二）试验处理重复数、内源养分与粪便收集及单一原料养分代谢率的测定[J].动物营养学报，2012，24（2）：198-203.
[8]ELIZABETH MAGOWAN.Does feeder type really matter？ [J]. Pig Progress， 2005， 21（7）：18-19.
[9] 于世征，顾宪红，郝月.生产性能测定站对生长猪生产性能和行为的影响[J].中国畜牧兽医，2013，40（10）：106-110.
[10] 张勤.生物统计学[M].北京：中国农业大学出版社，2008.