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1專家系統(tǒng)及其基本特征

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)也可叫農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng),是一個具有大量農(nóng)業(yè)專門知識與經(jīng)驗的計算機系統(tǒng)。它應(yīng)用人工智能技術(shù),依據(jù)一個或多個農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)提供的特殊領(lǐng)域知識、經(jīng)驗進行推理和判斷,模擬農(nóng)業(yè)專家就某一復雜農(nóng)業(yè)問題進行決策。典型的專家系統(tǒng)主要由知識獲取工具、知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋機、人機交互接口幾部分組成。專家系統(tǒng)的主要特征是有一個巨大的知識庫存儲農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識,而系統(tǒng)的控制級,通常表達成某種推理規(guī)則。整個系統(tǒng)的工作是從知識庫出發(fā),通過控制機理,得到所需的結(jié)論。即利用計算機來模擬某領(lǐng)域?qū)＜一驅(qū)＜胰后w在解決某些任務(wù)時所具有的技能,對各種實際問題給出高水平的解答。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理給出決策指導。

2農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的作用及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的作用

我國地域遼闊,氣候多樣,各地生產(chǎn)條件千差萬別,不同作物、不同品種均需要根據(jù)當?shù)貙嶋H情況,因地制宜地進行管理。要求必須很好地協(xié)調(diào)處理好高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的關(guān)系,最大限度地利用好各種資源,保護生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)為各種單項農(nóng)業(yè)技術(shù)提供先進的集成平臺,將各種農(nóng)業(yè)技術(shù)有機結(jié)合起來,幫助農(nóng)民因地制宜地正確使用各項農(nóng)業(yè)技術(shù),實現(xiàn)生產(chǎn)的科學管理。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復雜性和生態(tài)區(qū)域性決定了必須有一個健全而龐大的推廣體系。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營體制下,建立高效的農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣體系、加速科技成果轉(zhuǎn)化,是當前農(nóng)業(yè)科技工作中必須解決的一個重要問題。信息技術(shù)可以為推廣體系和廣大推廣人員提供最先進的工具和技術(shù)手段,利用其在傳播信息和知識方便、快捷、可大量復制的特點,將大量科技成果迅速傳播到農(nóng)民手中,實現(xiàn)大范圍的應(yīng)用,彌補和克服農(nóng)業(yè)科技人員短缺的問題,改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)科技推廣模式,從而大大促進農(nóng)業(yè)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)的發(fā)展,促進當?shù)厣a(chǎn)組織方式科學化。隨著農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,優(yōu)質(zhì)高效的經(jīng)濟作物日益受到重視,成為新的投資熱點。農(nóng)業(yè)市場的對外開放(加入WTO),國外大量的新品種、新技術(shù)進入國內(nèi),同時國內(nèi)的“名、特、優(yōu)、新”農(nóng)產(chǎn)品也不斷出現(xiàn),迫切需要快速獲取和更新種養(yǎng)信息,適應(yīng)復雜多變的市場變化,以提高效益。通過先進的信息硬件和軟件技術(shù),對農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后全過程中的知識、信息進行獲取、處理與應(yīng)用,幫助農(nóng)戶根據(jù)市場做出科學決策,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理和經(jīng)營的科學化,克服盲目性,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收和集約經(jīng)營。

2.2農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代末期美國開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng),最初用于農(nóng)作物的病蟲害診斷,1978年伊利諾斯大學開發(fā)的大豆病蟲害診斷專家系統(tǒng)PLANT/ds是世界上應(yīng)用最早的專家系統(tǒng)。到80年代中期,研究從單一的病蟲害診斷轉(zhuǎn)向生產(chǎn)管理、經(jīng)營決策與分析、生態(tài)環(huán)境等。例如,日本東京大學建成的西紅柿栽培管理專家咨詢系統(tǒng)就面向生產(chǎn)管理。目前國際上有近百個農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于作物生產(chǎn)管理、灌溉、施肥、品種選擇、病蟲害控制、溫室管理、畜禽飼料配方、水土保持、食品加工、財務(wù)分析、農(nóng)業(yè)機械選擇等方面,有些系統(tǒng)(如哥倫比亞大學的梯田管理系統(tǒng))已成為商品進入市場。我國農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究,始于20世紀80年代初期。中國科學院合肥智能機械研究所與安徽省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所合作研制的砂姜黑土小麥專家施肥咨詢系統(tǒng)于1985年10月建成,在安徽省淮北10多個縣得到較大規(guī)模的應(yīng)用。隨后,許多科研院所開展了各種農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究、開發(fā)及推廣應(yīng)用活動,這些專家系統(tǒng),在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用兩方面推動了我國農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的發(fā)展。在基礎(chǔ)研究方面,也就是面向領(lǐng)域和面向任務(wù)的專家系統(tǒng)開發(fā)工具,主要是編輯型開發(fā)工具和智能型開發(fā)工具,如熊范綸等研制的雄風系列、吉林大學的MES、浙江大學的IDEST、中國科學院計算所的VESS、哈爾濱工業(yè)大學的專家系統(tǒng)平臺等,同時還開發(fā)出自動知識獲取工具。

在應(yīng)用方面,砂姜黑土小麥施肥專家咨詢系統(tǒng)在我國農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用中是最早的,隨后,施肥專家系統(tǒng)、品種選育專家系統(tǒng)、粘蟲測報專家系統(tǒng)、蠶育種專家系統(tǒng)相繼問世。到目前為止,已廣泛應(yīng)用的專家系統(tǒng)包括關(guān)于糧食作物和經(jīng)濟作物的栽培技術(shù)專家系統(tǒng)、管理專家系統(tǒng)、施肥專家系統(tǒng)、病蟲害防治專家系統(tǒng)、專家咨詢系統(tǒng)、品種選育專家系統(tǒng)、畜牧獸醫(yī)專家系統(tǒng)、飼料配方專家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)氣象專家系統(tǒng)以及農(nóng)業(yè)工程、土壤侵蝕、鹽堿地改造等方面的專家系統(tǒng)[1]。如小麥高產(chǎn)技術(shù)專家系統(tǒng),水果果形判別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng),關(guān)于規(guī)則和圖形的蘋果、梨病蟲害診斷及防治專家系統(tǒng),農(nóng)業(yè)資源高效利用技術(shù)集成專家系統(tǒng)的設(shè)計,生態(tài)農(nóng)業(yè)投資項目外部效益評估的專家系統(tǒng),有關(guān)作物生長特征的作物栽培專家系統(tǒng),有關(guān)生長模型的小麥管理專家系統(tǒng)[2]。863課題根據(jù)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的實際需要,從1990年起把農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)等智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)列為重點課題,給予重點支持。為了進一步探索信息技術(shù)支撐服務(wù)農(nóng)業(yè)大面積推廣應(yīng)用的經(jīng)驗,1996-1998年度在北京、云南、安徽、吉林四省市開展了以農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)為核心的“智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的應(yīng)用示范工程”,并在示范區(qū)內(nèi)實施[3]。示范區(qū)經(jīng)過2年多的建設(shè),取得了顯著成效,同時探索出了信息技術(shù)服務(wù)農(nóng)業(yè)的成功經(jīng)驗和發(fā)展模式?？傊?農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)觸及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的各個方面,為發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)做出了貢獻。

2.3農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)目前存在的問題

2.3.1農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的綜合性和實用性問題目前,農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研制及應(yīng)用大多數(shù)局限于科研院所及示范基點,農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的潛在作用遠沒有充分發(fā)揮出來。要想充分發(fā)揮其作用,必須考慮應(yīng)用領(lǐng)域特點,按照生態(tài)環(huán)境、氣象、地理等因素開發(fā)適應(yīng)地區(qū)的、針對性和實用性強的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。另外,影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的因素較多,但現(xiàn)在大多數(shù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是針對農(nóng)作物生產(chǎn)的某一側(cè)面開發(fā)的,缺乏對農(nóng)作物生產(chǎn)各個階段、各個方面的有機聯(lián)系和統(tǒng)籌考慮,因此,只有提高系統(tǒng)的綜合性功能,才能真正地解決農(nóng)民的實際問題。

2.3.2農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的對象范圍我國的一些農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)只強調(diào)目前應(yīng)用,缺乏第二次開發(fā)所需的專家系統(tǒng)開發(fā)工具,使用者無法根據(jù)當?shù)貙嶋H情況創(chuàng)建知識庫和模型庫,限制了專家系統(tǒng)的進一步應(yīng)用,有些專家系統(tǒng)雖提供了開發(fā)工具,但缺少通用的模板和模型,要求使用者具有一定的計算機基礎(chǔ)技術(shù),縮小了專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍;另外,一些農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)追求所謂先進性,要求高檔次的硬軟件,也要求使用者具有一定的計算機基礎(chǔ),很難在農(nóng)業(yè)基層普及,一些農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)與領(lǐng)域知識結(jié)合不夠,停留于科普知識介紹,從而表現(xiàn)其先進性和實用性較差。因此,開發(fā)與應(yīng)用并進,增強系統(tǒng)的適用性是非常必要的。

2.3.3專家系統(tǒng)自動獲取及檢驗知識機制問題目前知識庫缺乏自動求成機制,推理方法缺乏誤差分析及預測功能急需解決和提高。

2.3.4專家系統(tǒng)在知識處理方法上過于簡單知識的深加工處理水平低,新方法新技術(shù)的融合與聚類等方法少?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,提供了很多成熟的信息技術(shù),今后農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的開發(fā)需廣泛吸收這方面的技術(shù),特別是當今的多媒體技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息高速公路(互連網(wǎng))技術(shù)等。

2.3.5網(wǎng)絡(luò)化、動態(tài)化服務(wù)問題由于農(nóng)作物生育期間受氣象、病蟲害等不可控因素的影響,利用現(xiàn)代信息、技術(shù)進行信息交流處理,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)十分必要。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)要解決的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的問題,這些問題大多具有四維特性(三維空間+時間),這就要求系統(tǒng)的知識庫、數(shù)據(jù)庫、模型庫必須是動態(tài)的。為此要求其能隨時間的推移不斷更新。而我國目前的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)多是靜態(tài)的,時效性差,實用性不高,因此在農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)建設(shè)中必須注意其動態(tài)性。綜上所述,在分析我國農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,探討其未來發(fā)展趨勢是非常必要的。

3綜合智能農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)—精確農(nóng)業(yè)的重要組成部分

3.1精確農(nóng)業(yè)的概念

精確農(nóng)業(yè)是一種戰(zhàn)略思想,是信息和人工智能高新技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的運用。它為當代農(nóng)民和將來的農(nóng)業(yè)經(jīng)營者們提供了一種美好的前景。從技術(shù)角度上看,精確農(nóng)業(yè)是將遙感(Remotesense,RS)、地理信息系統(tǒng)(Geographicalinformationsystem,GIS)、全球定位系統(tǒng)(Globalpositioningsystem,GPS)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高科技應(yīng)用于農(nóng)業(yè),逐步實現(xiàn)精確化、集約化、信息化的現(xiàn)代控制農(nóng)業(yè)[4],它可根據(jù)田間因素的變化,精細準確地調(diào)整各種農(nóng)藝措施(包括土壤和作物管理措施),最大限度地優(yōu)化各項投入,以獲取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟效益,實現(xiàn)最大回報,同時保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,保護土地等農(nóng)業(yè)自然資源。具體而言,精確農(nóng)業(yè)是為了挖掘并謀求種植業(yè)和畜牧業(yè)利潤最大化,所采取的是精確投入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理手段。此概念從另一角度體現(xiàn)了精確農(nóng)業(yè)是要在降低生產(chǎn)成本,最小程度地減少環(huán)境污染的情況下,仍然提高糧食、飼料及纖維生產(chǎn)力水平。因此,精確農(nóng)業(yè)是信息技術(shù)和農(nóng)學的集成。

3.2綜合農(nóng)業(yè)技術(shù)智能專家系統(tǒng)

以“3S”為技術(shù)核心結(jié)合快速檢測技術(shù),以數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),作物模擬模型、專家系統(tǒng)技術(shù)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為技術(shù)支持的一個綜合性智能專家系統(tǒng)。GPS,即全球定位系統(tǒng)。通過24顆衛(wèi)星可以給出任意一個地面點的精確度為厘米級的坐標值,從而能精確地確定地物的空間位置。該系統(tǒng)可用于耕地面積的量算和形狀的測量,引導田間定位系統(tǒng)的采集,小區(qū)作物產(chǎn)量的計算,以及農(nóng)業(yè)機械定位播種、配方施肥、噴藥、灌溉等。GIS,即地理信息系統(tǒng)。是在計算機硬、軟系統(tǒng)支持下對空間數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。它的操作對象是空間數(shù)據(jù),即點、線、面、體等地理實體,按統(tǒng)一的地理坐標對這些實體進行編碼后,可實現(xiàn)定位、定性和定量的描述。在農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中應(yīng)用GIS,能將各類圖紙(如地形圖、土壤圖、土地適宜性評價圖、作物分布圖,土地利用現(xiàn)狀圖、降水分布圖等)數(shù)字化并存儲于計算機,然后根據(jù)需要進行疊加在一起,就能知道哪些作物的分布是合適的,哪些是需要進一步調(diào)整的。利用GIS還可以生成數(shù)字地形模型DTM(Digitalterrainmode),有了DTM,就能清楚地知道地塊中某一點的海拔、坡度、坡向,甚至土層厚度及地下水深度,這些數(shù)據(jù)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]。RS,即遙感技術(shù)。它是快速獲取大面積空間信息的主要技術(shù)手段,獲得的空間信息是動態(tài)的,更新很快,能對動態(tài)變化現(xiàn)象進行監(jiān)測。對遙感圖像進行預處理和分類處理之后,就可以根據(jù)圖像的特征,依據(jù)地物光譜特性,采用統(tǒng)計概率法、模糊數(shù)學法等進行識別,提取有用的信息。

RS技術(shù)在農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中主要用于:

●農(nóng)業(yè)資源的調(diào)查與監(jiān)測,如利用微波雷達的穿透能力,透過植被和土壤,獲取耕作層土壤質(zhì)地和水分含量等信息;

●自然災害及病蟲害監(jiān)測,如借助于RS技術(shù)對旱澇災害、水土污染、病蟲害等農(nóng)業(yè)災害進行有效的預測、預報,對災情變化進行動態(tài)監(jiān)測,為制定防災、抗災、救災提供決策信息;

●作物種植面積、產(chǎn)量與長勢監(jiān)測,以及農(nóng)業(yè)環(huán)境的檢測和管理?？旖莘奖愕膶崟r檢測技術(shù)的結(jié)合除結(jié)合GPS、GIS、RS技術(shù)外,還可以近距離采用快速檢測儀檢測土壤水份、養(yǎng)分含量以及數(shù)碼相機獲取近距離照片分析作物群體結(jié)構(gòu)、長勢、病情診斷,達到生產(chǎn)小區(qū)內(nèi)生產(chǎn)管理決策的準確、高效性。

數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫技術(shù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)需要的信息是海量的,種類也各不相同,對數(shù)據(jù)庫技術(shù)的要求也就更高,應(yīng)該發(fā)展于實體——聯(lián)系模型、語義對象模型,層次、網(wǎng)狀和分布式數(shù)據(jù)庫,用以處理空間數(shù)據(jù),支持移動計算與嵌入計算。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用,對傳統(tǒng)管理決策的修正,無疑是更有效的手段。作物模擬模型由“作物、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟”四要素可構(gòu)成作物生長整體系統(tǒng),通過數(shù)學模型可模擬作物生長發(fā)育、器官生成和產(chǎn)量形成等生理生態(tài)過程,可分析這些生理過程與環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟之間的數(shù)量關(guān)系,據(jù)此制定出作物高產(chǎn)栽培技術(shù)模型,為實現(xiàn)作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效提供技術(shù)支持。專家系統(tǒng)技術(shù)推理機是專家系統(tǒng)的核心。目前農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中使用的不精確推理是以概率論和二值邏輯為基礎(chǔ)的,如常用的確定性理論、主觀Bayes方法,它們本身有一定的局限性,但關(guān)于模糊邏輯的推理方法是未來農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)主要的不精確推理方法。自主學習的專家系統(tǒng)知識庫的建立與應(yīng)用,將會加快專家系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)該是共享的,因而離不開計算機通信技術(shù)。我國農(nóng)村計算機網(wǎng)絡(luò)通信雖處于起步階段,但基本上形成了以集鎮(zhèn)為中心的有限電視光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),只要給每個集鎮(zhèn)配備一臺裝有農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的計算機,并為計算機裝上視頻卡,通過有線電視發(fā)射裝置就可將農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)送到農(nóng)戶的電視中,這無疑是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)切實可行的推廣方法。多媒體技術(shù)多媒體技術(shù)以非常直觀的聲像綜合表達形式向人們傳遞信息,它與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)相結(jié)合,可生動地將農(nóng)業(yè)信息、農(nóng)業(yè)技術(shù)迅速傳播出去,并能實現(xiàn)人機交互操作。多媒體技術(shù)的應(yīng)用,擴大了原來以縣、鄉(xiāng)兩級農(nóng)技人員為對象的應(yīng)用范圍,縮短了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)和農(nóng)民的距離,直接為廣大農(nóng)民群眾所接受。相信,隨著計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展和人工智能研究的不斷深入,“3S”技術(shù)的不斷優(yōu)化,存在問題的不斷解決,一個綜合農(nóng)業(yè)技術(shù)智能專家系統(tǒng)將會成為精確農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。