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农业专家系统在小麦栽培管理中的应用

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第9卷第2期 2002年6月 水土保持研究 Research of Soil and Water Conservation VO1.9 NO.2 Jun.,2002 农业专家系统在小麦栽培管理中的应用 柴 萍,张保军,汪志农 (西北农林科技大学,陕西杨陵7121oo) 摘 要:简述了农业专家系统的内涵及演变,分析了目前开发的小麦栽培管理专家系统,指出了开发小麦栽培管理 专家系统的必要性和应注意的几个问题。 关键词:农业专家系统;小麦;栽培管理 中图分类号:¥512.1O5 文献标识码:A 文章编号:lOO5—3409(2002)02—0064—03 Agricultural Expert System and Its Application in Wheat Cultural Practices CHAI Ping,ZHANG Bao—jun,WANG Zhi—nong (Northwest Sci—tech University of Agriculture and Forestry,Yangling 71 2100,Shaanxi Province,China) Abstract:The implication and evolution of agricultural expert system are briefly descrihed,and the expert system of wheat cultural practices developed at present is discussed.Finally,the authors point out the necessity and several problems that attention should be paid to in the process of developing the expert system of wheat cultural practices. Key words:agricultural expert system;wheat;cultural practices 当今社会迅速步入信息化社会,信息对人类社 会文明和进步正日益发挥着越来越巨大的作用,而 以专家系统为代表的智能化系统在农业信息技术中 1 农业专家系统 1.1农业专家系统的内涵 占有重要地位。由于农业专家系统实现了信息技术 与农业高水平的结合,对农业领域的科学研究和提 农业专家系统亦称农业智能系统,是一个具有 大量农业专门知识与经验的计算机系统。它应用人 高农业专家本身的技术水平,也具有十分重要的价 值。从70年代末至80年代初,我国农作物栽培科学 在单科深入和多科综合方面都取得了重要进展[1]。 工智能技术,依据一个或多个农业专家提供的特殊 领域知识、经验进行推理和判断,模拟农业专家就某 一复杂农业问题进行决策[3]。农业专家系统主要包 近几年来,专家系统在作物栽培管理中发展很快,各 种以模型为基础的专家系统得到了应用,但这并不 能满足我国农村的需要,因此还需借助计算机和人 工智能知识来进一步建立作物栽培管理专家系统。 括知识库和推理机两大部分。事实上,一个完整的农 业专家系统由四部分组成:知识库、推理机、解释器 和学习器。知识库是用来存放农业专家提供的专门 知识;推理机的功能是根据一定的推理策略,从知识 库中选择有关知识,对用户提供的证据推理,直到得 出相应的结论为止;解释器专用于向用户解释“为什 么”,“怎样”之类的发问;学习器是根据系统经验,自 可以预测随着专家系统在作物栽培管理领域的广泛 应用,必将有力地推动我国作物栽培学科的新发 展 zl。 收稿El期:2002—02—25 基金项目:国家重大科技产业示范工程项目“渠灌类型区农业高效用水模式与产业示范”(99—021一O1—02)。 作者简介:柴萍,女,(1977一),山西河津人,研究生,主要从事作物高效栽培标准方面的研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 柴萍等:农业专家系统在小麦栽培管理中的应用 ・65・ 动不断的修正和补充知识库的内容,达到自学系。 。 1.2农业专家系统的演变 国际上对农业专家系统的研究是从70年代末 期开始的,当时仅用于诊断作物病虫害 ]。如1978 年美国伊利诺斯大学开发的大豆病虫害诊断专家系 统Plant/DS。进入80年代以后,开发出了许多农业 专家系统,如1982年美国伊利诺斯大学开发的玉米 螟虫害预测专家系统Plant/OD,1983年日本千叶 大学开发的MICCS一西红柿病虫害诊断专家系统, 1986年美国农业部开发的COMAX/GoSSYM_6J, Plant L7]等开发的农业管理专家决策支持系统 CAI EX,I emmon[8 等开发了棉花生产管理专家系 统,Zhu,Xin X【g]等开发的作物生产过程中的水分 处理专家系统等。 国内于80年代初期开始研究农业专家系统。 1980年浙江大学与中国农科院蚕桑所合作开始研 究蚕育种专家系统,1983年中科院合肥智能研究所 与安徽农科院合作开发的砂礓黑土小麦施肥专家系 统 。近几年来,我国农业专家系统的研究更是蓬 勃发展,如基于规则和图形的苹果、梨病虫害及防治 专家系统n ,多媒体玉米病虫害诊断专家系统【1 , 基于生长模型的小麦管理专家系统【l ,水土保持专 家系统的探索与试验【l 等。 1.3农业专家系统的开发方式 目前,专家系统的开发方式有3种:一种是采用 一般的高级程序语言,如PASCAI ,FoRTRAN,C 等;另一种是采用人工智能程序设计语言I ISP, PROI OG等;第3种是采用专家系统工具 。 采用高级语言程序和人工智能语言已经开发出 了一些专家系统。如水利部农田灌溉研究所开发的 “华北地区节水型农业技术体系专家系统” (NCWSA),用TURBO PROI oG人工智能程序设 计语言编写,部分功能由TURBO C2.0及调用 DOS实现【l 。由于这些专家系统的各个部分使用了 不同的语言,其链接和调试比较繁琐。对于那些计算 机不熟悉的知识工程师来说,建立此类专家系统就 会很困难,既使对于那些熟悉计算机的知识工程师, 要建立一个此类实用的专家系统也需花费大量的时 间和财力。 专家系统开发工具是开发建造实用专家系统的 十分有用的工具,国外目前出现了许多专用的专家 系统外壳,开发专家系统基本上是运用开发工具来 实现的。如CoMAX,CI IPS,CALEX,CROPWAT 等。我国也出现了许多专家系统外壳,如中科院合肥 智能所研制的“雄风”系列农业专家系统n ,陆汝铃 等人开发的“天马”专家系统开发环境口 ,吕民等人 开发的ASCA农业专家咨询系统开发平台 ,以及 蒋文科等人研究的通用农业专家系统生成工具 o] 等。现在一些专家系统外壳提供的黑板结构可以将 各种模型或模拟程序连接起来 。 2农业专家系统在小麦栽培管理中的 应用 2.1 小麦栽培管理专家系统的现状分析 小麦栽培靠传统栽培方式是远远不够的,必须 建立各种类型的农业专家系统。自1978年以来,美、 日、英、德、澳等国已建立了许多作物管理的专业性 或综合性专家系统。我国最早开发的小麦栽培管理 专家系统是中国科学院合肥智能研究所1985年研 制的“砂礓黑土小麦施肥专家咨询系统”【2 。到目前 为止,已开发出的小麦栽培专家系统有:小麦栽培管 理计算机专家系统(ESWCM) 引,黄土旱塬小麦生 产综合管理专家系统 ,淮北小麦栽培专家系 统 ,小麦管理智能决策系统(IDSWM)【2 ,小麦栽 培技术查询系统 ,冬小麦苗情预报专家系统 (ESPWSC)Ea8],小麦高产技术专家系统(XMES)[z9j 等。 ESWCM是一个基于模型的专家系统,它的功 能包括对气象条件的预测,生长发育模拟预测和管 理决策咨询(各个时期管理,经济效益分析及病虫害 防治)等。ESWCM是以PROI OG语言和C语言进 行开发,知识来源为领域专家、成熟的科研成果及有 关资料,采取确定性与不确定性相结合的推理方式, 数据驱动和目标驱动相结合的推理策略,逻辑法、过 程法、数据库、规则库相结合的知识表示。在应用上 效果明显,如1990~1992年在北京昌平县马池口应 用,小麦产量比全市的平均水平高出8 ~10 , 1994年、1995年两年实际应用,由ESWCM控制的 80个试点地块产量增加10 ~15 ,效益增加 15 ~20 。目前,ESWCM通过建立的覆盖北京地 区8个主要产麦区,4个国营农场的市、县、乡三级 计算机网络大面积推广应用累积20多万hm。。 IDSwM也是一个基于生长模型的小麦管理智能决 策系统,它的功能是方案设计、预测与动态调控及专 家咨询,它采用VB设计系统的主要控制部分, AMZI!PRoI OG实现逻辑推理,产生式规则表达 专家知识,应用元级控制,模式匹配等策略,逆向推 理机制进行推理,在应用上基本能指导生产,如在江 苏省淮南丘陵麦区一南京地区,系统决策基本符合 该地区的高产栽培模式和理论。小麦栽培技术查询 维普资讯 http://www.cqvip.com ・66・ 水土保持研究 第9卷 系统采用TURBO—PROI OG语言研制,功能是对 小麦栽培、病虫害防治等方法提供技术咨询,本系统 的推理机是有一组TURBO—PROI OG程序组成, 采用产生式规则表示知识,知识来源主要以经验科 的小麦栽培管理专家系统很有必要。 2.2小麦栽培管理专家系统应用中应注意的问题 2.2.1 加速开展各种实用的小麦栽培管理专家系 统我国是农业大国,农业人口素质低而农业技术 学为主,综合有关知识资料及专家经验,目前还未用 人员又十分缺乏,所以,先进的农业科技知识很难普 于生产。ESPWSC是在试验数据基础上建立数学模 型,然后根据数学模型结合专家经验而建立的专家 及应用于农村。而我国地域又广阔,不同的地区由于 小麦品种类型,气候条件和土壤状况等情况千差万 别,所采取的栽培管理措施也就不同,这就要从实际 情况出发,结合当时当地的农业生产的特点,研制出 具有一定的综合性和实用性的小麦栽培管理专家系 统。 系统,它的功能是对冬小麦分区域分时段进行苗情 预报,及时提出适合冬小麦生长发育的栽培方案,以 便指导生产,用模糊数学的论域和专家的经验知识 建立知识库和推理机的软件系统。本系统通过在山 东3O多个县(市)农业部门运行,达到预期的效果, 2.2.2 完善小麦的各种模型 小麦的生产受资源、 环境、采取的栽培措施等诸多因素的制约,所以要对 已有的模型进行不断的完善,在提高其预测性的基 础上尽可能增加其全面性,并增加其模型的实用性, 特别是对中产变高产田,有明显的增产效益。XMES 使用PROI OG人工智能语言设计,采用纯中文输 出,基于谓词逻辑语句的知识表示,正向推理机制的 推理,对小麦从备播到收获提供高产模式,全过程的 栽培方法和全方位的技术服务。在河南沿黄稻茬生 态麦区推广应用,使1 hm 小麦增产45O~600 kg, 投资成本减少1204150元,经济效益十分可观。淮 北小麦栽培专家系统采用BASIC语言,以1F— THEN语句为规则建立的专家系统,包括播前预测 和动态追踪管理两大子系统,它已被大面积生产应 使它能真正服务于农业生产的实际。 2.2.3要与多媒体技术结合 多媒体技术是指把 数据、文字、图象和声音等各种媒体综合起来,它的 实质是把以自然形式存在的各种媒介数字化,再利 用计算机把这些数字化的信息进行处理L3¨。把多媒 体技术应用于基于模型的专家系统中,可增加其生 动性并被广大农民所容易接受。 2.2.4要与节水灌溉农业相结合水资源是制约 农业发展的一个重要因素,我国北方麦区一般都存 用,具有较高的实用价值。黄土旱塬小麦生产综合管 理专家系统的功能有生产资源潜力及当年生产目标 分析,经济效益分析,播前农艺措施优化决策,作物 在水资源缺乏的现象,所以如何高效经济的利用水 资源成为一个人们不得不面临的问题。在建立基于 模型的小麦栽培管理专家系统时,要把节水灌溉作 生长期的管理调控,气象灾害防治,作物生长期的病 虫害诊断与防治和优化施肥决策。系统采用 WINDOWS(3.1)和SDK(3.1)为开发环境, MICROSOFT C(6.0)和BoRLAND C++(3.0) 为一项重要内容考虑并提出一个能充分利用水资源 并发挥其最大效益的最优方案。 2.2.5要与各种高新技术相结合把各种高新技 术应用于农业生产中,可以更好地了解田间状况,从 为语言环境,以产生式规则表示知识,同时引入模糊 逻辑的有关理论与技术,采用正向推理机制的推理, 用FOXBASE+(2.1)建立数据库,目前已应用于农 业生产中。 而提高农业投入的精确性。而基于模型的小麦栽培 管理专家系统一旦与遥感系统(Rs)、地理信息系统 (GIS)、或全球定位系统(GPS)等结合,则就真正实 现了小麦生产过程中的因地制宜,因时而异[3引,可 从以上可看出,小麦栽培管理专家系统应用于 生产中已带来一定的效益,说明它具有一定的可行 性,但由于农业生产中的动态因素太多和各地条件 不尽相同,所以进一步建立各种适于特定生态条件 参考文献: 以根据各种土壤、气候等条件进行实地诊断分析,及 时而准确地给出最优的栽培方案。 [1]李守谦.专家系统是模式化栽培的高级阶段[J].甘肃农业科技,1 994(7):7—9. 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