Alternative plant protein sources for pigs and chickens in the tropics – nutritional value and constraints: a review

In the tropics, a large number of smallholder farms contribute significantly to food security by raising pigs and poultry for domestic consumption and for sale on local markets. The high cost and, sometimes, the lack of availability of commercial protein supplements is one of the main limitations to efficient animal production by smallholders. Locally-grown forages and grain legumes offer ecological benefits such as nitrogen fixation, soil improvement, and erosion control which contribute to improve cropping efficiency. Besides these agronomical assets, they can be used as animal feeds in mixed farming systems. In this paper we review options to include locally-grown forages and grain legumes as alternative protein sources in the diets of pigs and poultry in order to reduce farmers’ dependence on externally-purchased protein concentrates. The potential nutritive value of a wide range of forages and grain legumes is presented and discussed. The influence of dietary fibre and plant secondary metabolites contents and their antinutritive consequences on feed intake, digestive processes and animal performances are considered according to the varying composition in those compounds of the different plant species and cultivars covered in this review. Finally, methods to overcome the antinutritive attributes of the plant secondary metabolites using heat, chemical or biological treatment are reviewed regarding their efficiency and their suitability in low input farming systems.

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Opportunities and constraints of peri-urban buffalo and dairy cattle systems in Faisalabad, Punjab, Pakistan

In the big cities of Pakistan, peri-urban dairy production plays an important role for household income generation and the supply of milk and meat to the urban population. On the other hand, milk production in general, and peri-urban dairy production in particular, faces numerous problems that have been well known for decades. Peri-urban dairy producers have been especially neglected by politicians as well as non-government-organizations (NGOs). Against this background, a study in Pakistan’s third largest city, Faisalabad (Punjab Province), was carried out with the aims of gathering basic information, determining major constraints and identifying options for improvements of the peri-urban milk production systems. For data collection, 145 peri-urban households (HH) engaged in dairy production were interviewed face to face using a structured and pretested questionnaire with an interpreter. For analyses, HH were classified into three wealth groups according to their own perception. Thus, 38 HH were poor, 95 HH well off and 12 HH rich (26.2%, 65.5% and 8.3%, respectively). The richer the respondents perceived their HH, the more frequently they were actually in possession of high value HH assets like phones, bank accounts, motorbikes, tractors and cars. Although there was no difference between the wealth groups with respect to the number of HH members (about 10, range: 1 to 23), the educational level of the HH heads differed significantly: on average, heads of poor HH had followed education for 3 years, compared to 6 years for well off HH and 8 years for rich HH. About 40% of the poor and well off HH also had off-farm incomes, while the percentage was much higher - two thirds (67%) - for the rich HH. The majority of the HH were landless (62%); the rest (55 HH) possessed agricultural land from 0.1 to 10.1 ha (average 2.8 ha), where they were growing green fodder: maize, sorghum and pearl millet in summer; berseem, sugar cane and wheat were grown in winter. Dairy animals accounted for about 60% of the herds; the number of dairy animals per HH ranged from 2 to 50 buffaloes (Nili-Ravi breed) and from 0 to 20 cows (mostly crossbred, also Sahiwal). About 37% (n=54) of the HH did not keep cattle. About three quarters of the dairy animals were lactating. The majority of the people taking care of the animals were family workers; 17.3% were hired labourers (exclusively male), employed by 11 rich and 32 well off HH; none of the poor HH employed workers, but the percentages were 33.7% for the well off and 91.7% for the rich HH. The total number of workers increased significantly with increasing wealth (poor: 2.0; well off:2.5; rich: 3.4). Overall, 69 female labourers were recorded, making up 16.8% of employed workers and one fourth of the HH’s own labourers. Apparently, their only duty was to clean the animals´ living areas; only one of them was also watering and showering the animals. Poor HH relied more on female workers than the other two groups: 27.1% of the workers of poor HH were women, but only 14.8% and 6.8% of the labour force of well off and rich HH were female. Two thirds (70%) of the HH sold milk to dhodis (middlemen) and one third (35%) to neighbours; three HH (2%) did doorstep delivery and one HH (1%) had its own shop. The 91 HH keeping both species usually sold mixed milk (97%). Clients for mixed and pure buffalo milk were dhodis (78%, respectively 59%) and neighbours (28%, respectively 47%). The highest milk prices per liter (Pakistani Rupees, 100 PKR @ 0.8 Euro) were paid by alternative clients (44 PKR; 4 HH), followed by neighbours (40 PKR, 50 HH); dhodis paid lower prices (36 PKR, 99 HH). Prices for pure buffalo and mixed milk did not differ significantly. However, HH obtaining the maximum price from the respective clients for the respective type of milk got between 20% (mixed milk, alternative clients) and 68% (mixed milk, dhodi) more than HH fetching the minimum price. Some HH (19%) reported 7% higher prices for the current summer than the preceding winter. Amount of milk sold and distance from the HH to the city center did not influence milk prices. Respondents usually named problems that directly affected their income and that were directly and constantly visible to them, such as high costs, little space and fodder shortages. Other constraints that are only influencing their income indirectly, e.g. the relatively low genetic potential of their animals due to neglected breeding as well as the short- and long-term health problems correlated with imbalanced feeding and insufficient health care, were rarely named. The same accounts for problems accompanying improper dung management (storage, disposal, burning instead of recycling) for the environment and human health. Most of the named problems are linked to each other and should be addressed within the context of the entire system. Therefore, further research should focus on systematic investigations and improvement options, taking a holistic and interdisciplinary approach instead of only working in single fields. Concerted efforts of dairy farmers, researchers, NGOs and political decision makers are necessary to create an economic, ecological and social framework that allows dairy production to serve the entire society. For this, different improvement options should be tested in terms of their impact on environment and income of the farmers, as well as feasibility and sustainability in the peri-urban zones of Faisalabad.

Improving cropping systems of semi-arid south-western Madagascar under multiple ecological and socio-economic constraints

Das Mahafaly Plateau im südwestlichen Madagaskar ist gekennzeichnet durch raue klimatische Bedingungen, vor allem regelmäßige Dürren und Trockenperioden, geringe Infrastruktur, steigende Unsicherheit, hohe Analphabetenrate und regelmäßige Zerstörung der Ernte durch Heuschreckenplagen. Da 97% der Bevölkerung von der Landwirtschaft abhängen, ist eine Steigerung der Produktivität von Anbausystemen die Grundlage für eine Verbesserung der Lebensbedingungen und Ernährungssicherheit in der Mahafaly Region. Da wenig über die Produktivität von traditionellen extensiven und neu eingeführten Anbaumethoden in diesem Gebiet bekannt ist, waren die Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit, die limitierenden Faktoren und vielversprechende alternative Anbaumethoden zu identifizieren und diese unter Feldbedingungen zu testen. Wir untersuchten die Auswirkungen von lokalem Viehmist und Holzkohle auf die Erträge von Maniok, der Hauptanbaufrucht der Region, sowie die Beiträge von weiteren Faktoren, die im Untersuchungsgebiet ertragslimitierend sind. Darüber hinaus wurde in der Küstenregion das Potenzial für bewässerten Gemüseanbau mit Mist und Holzkohle untersucht, um zu einer Diversifizierung von Einkommen und Ernährung beizutragen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Schätzung von Taubildung und deren Beitrag in der Jahreswasserbilanz durch Testen eines neu entworfenen Taumessgerätes. Maniok wurde über drei Jahre und in drei Versuchsfeldern in zwei Dörfern auf dem Plateau angebaut, mit applizierten Zeburindermistraten von 5 und 10 t ha-1, Holzkohleraten von 0,5 und 2 t ha-1 und Maniokpflanzdichten von 4500 Pflanzen ha-1. Maniokknollenerträge auf Kontrollflächen erreichten 1 bis 1,8 t Trockenmasse (TM) ha-1. Mist führte zu einer Knollenertragssteigerung um 30 - 40% nach drei Jahren in einem kontinuierlich bewirtschafteten Feld mit geringer Bodenfruchtbarkeit, hatte aber keinen Effekt auf den anderen Versuchsfeldern. Holzkohle hatte keinen Einfluss auf Erträge über den gesamten Testzeitraum, während die Infektion mit Cassava-Mosaikvirus zu Ertragseinbußen um bis zu 30% führte. Pflanzenbestände wurden felder-und jahresübergreifend um 4-54% des vollen Bestandes reduziert, was vermutlich auf das Auftreten von Trockenperioden und geringe Vitalität von Pflanzmaterial zurückzuführen ist. Karotten (Daucus carota L. var. Nantaise) und Zwiebeln (Allium cepa L. var. Red Créole) wurden über zwei Trockenzeiten mit lokal erhältlichem Saatgut angebaut. Wir testeten die Auswirkungen von lokalem Rindermist mit einer Rate von 40 t ha-1, Holzkohle mit einer Rate von 10 t ha-1, sowie Beschattung auf die Gemüseernteerträge. Lokale Bewässerungswasser hatte einen Salzgehalt von 7,65 mS cm-1. Karotten- und Zwiebelerträge über Behandlungen und Jahre erreichten 0,24 bis 2,56 t TM ha-1 beziehungsweise 0,30 bis 4,07 DM t ha-1. Mist und Holzkohle hatten keinen Einfluss auf die Erträge beider Kulturen. Beschattung verringerte Karottenerträge um 33% im ersten Jahr, während sich die Erträge im zweiten Jahr um 65% erhöhten. Zwiebelerträge wurden unter Beschattung um 148% und 208% im ersten und zweiten Jahr erhöht. Salines Bewässerungswasser sowie Qualität des lokal verfügbaren Saatgutes reduzierten die Keimungsraten deutlich. Taubildung im Küstendorf Efoetsy betrug 58,4 mm und repräsentierte damit 19% der Niederschlagsmenge innerhalb des gesamten Beobachtungszeitraum von 18 Monaten. Dies weist darauf hin, dass Tau in der Tat einen wichtigen Beitrag zur jährlichen Wasserbilanz darstellt. Tageshöchstwerte erreichten 0,48 mm. Die getestete Tauwaage-Vorrichtung war in der Lage, die nächtliche Taubildung auf der metallischen Kondensationsplatte zuverlässig zu bestimmen. Im abschließenden Kapitel werden die limitierenden Faktoren für eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft in der Untersuchungsregion diskutiert.