专家系统在农业方面的应用

第31卷第4期哈尔滨工程大学学报Vol.31No.42010年4月JournalofHarbinEngineeringUniversityApr.2010文章题目创新点自述创新点自述与摘要有一定的区别，作者应把文章具体新在哪里，好在哪里写出来，说明本文较前人工作有何创新，好的创新点自述能增加文章的可读性，也能给评审人留下好的印象.2哈尔滨工程大学学报第28卷专家系统在农业方面的应用张明瑶（哈尔滨工程大学，黑龙江省哈尔滨市150001）摘要：专家系统是人工智能领域中较为成熟的一个分支.本文阐述了农业专家系统的基本概念，介绍了专家系统在我国农业中的应用主要是在作物病虫害防治中的应用和我国农业专家系统的发展趋势.关键词：人工智能；专家系统；农业专家系统；应用Doi：10.3969/j.issn.1006-7043.中图分类号：（作者本人填写）文献标识码：A文章编号：1006-7043(2006)xx-xxxx-xApplicationofexpertsysteminagricultureZHANGMingyao(HarbinEngineeringUniversity,Harbin,Heilongjiang,150001,China)Abstract：Expertsystemisabranchofartificialintelligenceinthefield.Thispaperintroducesthebasicconceptsoftheagricultureexpertsystem,introducestheapplicationofexpertsysteminagricultureinChinaisthemaintendencyinthedevelopmentofcroppestsandagriculturalexpertsystemapplicationinthepreventionandcontrolofthe.Keywords：Artificialintelligence;Expertsystem;Agriculturalexpertsystem;Application农业是一个多方面的综合体，影响因素多，时空差异大，易受气象、病虫害的侵袭，生产稳定性差.而我国是农业大国，害虫管理是整个农业技术管理的重要组成部分.为挽回大量粮食损失，更智能、准确得到作物害虫信息，专家系统在其中扮演重要角色.专家系统可以处理不确定的知识，进行启发式推理，系统的知识库和推理机是分开的，维修知识库灵活方便，而且系统推理过程是透明的，用户易于接受系统给出的结论和建议.将专家系统运用到作物病虫害的预测与防治中，可以弥补以上的不足，大大提高工作效率和质量.因此，专家系统在农作物病虫害上的研究与应用近年受到世界各国的高度重视，且取得了很大的进展.1农业专家系统的概念农业专家系统ES[1]（ExpertSystem），也叫农业智能系统，它是运用人工智能系统技术，使用计算机来模拟专家的思维，代替农业专家进行诊断、决策与规划的一个研究领域.典型的农业专家系统主要由知识获取工具、知识库、数据库、模型库、推理机、数据接口等6部分组成，它通过总结、收集农业领域知识和技术、各种试验数据及数学模型，模仿人类的解题策略，对问题进行分析推理得出结论，指导农业生产.农业专家系统具备的主要功能有:一是在产前，能根据用户的生产条件、生产目的，因地制宜为用户提供最佳或较佳的产量指标、效益指标以及达到指标的优化技术方案;二是在生产中能对出现的问题，根据用户提供的信息进行推断，判断出问题出现的原因，并提供可行、有效的解决办法我国的农业专家系统研究始于20世纪80年代初，在80年代初，浙江大学进行过的蚕育种专家系统的研究，中科院合肥智能所研制的施肥专家系统、中国农科院相断开发的品种选育专家系统，园艺专家系统，作物病虫预测专家系统等都进行了应用.进入90年代，我国的农业专家系统发展十分迅速，10余年间我国先后推出5个具有较高水平的农业专家系统开发平台，开发了156个实用农业专家系统，涉及粮食、果树、蔬菜、畜牧等不同领域，推动了农业专家系统的发展，其中农业栽培专家系统作为发展成效最为显著的领域之一，先后出现了李旭等研制的小麦管理智能决策系统、张斌等研制的棉花综合管理专家系统、张跃彬等研制的云南省甘蔗栽培专家系统、廖桂平等研制的油菜优质高产高效栽培管理多媒体专家系统、肖冬根等研制的优质稻栽培管理专家系统、刘根深等研制的红毛丹施肥专家系统、杨燕等研制的保护地甜辣椒栽培管理专家系统.此外，还有黄土旱源小麦生产综合管理专家系统、淮北小麦栽培专家系统、冬小麦苗情预报照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景增刊第一作者姓名，等：文章题目-3-专家系统、小麦高产技术专家系统、花椰菜栽培专家系统，农业专家统的研究蓬勃发展.农业栽培专家系统的研究和发展提高了我国农业的科技水平，在主要农作物上，江苏农科院高亮之等研制的小麦栽培模拟优化决策系统，可针对不同地区、不同品种提出在常年条件下实现高产稳产的最佳群体指标与农业措施，也可在不同地区的任何年份，根据当时的天气和苗情实况，预测各生育期直至成熟期的小麦主要生物学指标动态和产量结构.张斌等研制形成了由良种推荐系统、平衡施肥系统、病虫害模拟系统、生长模拟系统及管理决策系统组成的棉花综合管理专家系统，在兵团植棉示范区全部联网，使棉花增产8%，公顷成本下降了300-450元.廖桂平等人研究的油菜栽培管理官春云院士为代表的油菜学科群所取得的科研成果、积累的知识经验和资料为基础，结合田间试验数据资料，并综合油菜植保、土肥、农业生态等多个领域的专家知识经验，加速了油菜栽培管理的规范化、标准化、产业化进程.孙敬等研制的农作物栽培技术管理专家咨询系统，内容含盖玉米、大豆、水稻、春小麦四大作物，使生产者足不出户就可以根据自己的土壤特点、气候条件、产品用途等因素来确定田间管理、病虫防治、收获等方面的科学合理配套技术.在经济作物方面，早期刘根深等人在海南保亭万亩红毛丹基地，通过对红毛丹基地的土壤养分测定，植株营养诊断分析，应用专家系统知识表示技术，研制了红毛丹施肥专家系统，提高了红毛丹的产量和品质.何离庆等人研究的多媒体蔬菜栽培专家系统包括番茄、辣椒、黄瓜、榨菜等，将农业专家知识与经验采用描述型知识、数据库知识、规则型知识进行表达，运用产生式、决策树、加权模糊逻辑等方法构成推理决策系统，十分适合基层农技人员和农户使用.张登伦等人研制的保护地黄瓜栽培技术管理专家咨询系统，根据黄瓜生长发展的季节性和生产管理阶段性，划分为若干模块，用户可在黄瓜生产的不同时期按需要选择不同的模块进行咨询.张海清等研制的郁金香标准化栽培专家系统将郁金香生产中的品种选择、产量目标的确定、生产计划安排、播前技术准备等以及栽培技术和各生长发育期的温、光、水、肥、病虫害防治等整套技术措施综合起来进行系统集成，基于市场对郁金香需求动态而进行郁金香主栽品种的性状及其配近年来，我国的智能农业应用系统已由施肥、灌溉、病虫等单一服务扩展到播前准备、播种、出苗至成熟整个生育阶段的施肥、灌溉、病虫草害防治、田间管理等全过程，将农业科学知识包括专家经验、数学模型、数据信息、实例等进行有机结合，在原有知识表示技术基础又发展成为综合知识体、基于面向对象的综合知识等新型知识表示策略.专家系统随着计算机技术的发展与数据库、多媒体、机器学习、地理信息系统等有机集成，对包括逻辑、描述、运算、图象、声音、影集等复杂农业知识有效地加以表达和运用，大大提高了农业专家系统的应用效果.同时，一批新的信息技术，如地理信息系统、全球定位系统以及遥感技术为核心的包括多媒体技术、计算机技术和计算机网络技术，将为专家系统的构建提供了巨大的技术支撑，使农作物生产管理立体化、空间化和实时化.人工神经网络、模糊数学、随机模拟等多种技术的研究日趋成熟，将大大提高专家系统的处理功能;光纤化，宽带化的国家网络建设，将为农业专家系统应用网络化提供良好的硬件条件.可以预见，随着农业专家系统数据动态化、功能集成化、技术综合化、应用网络化的发展，农业专家系统将具有广泛的应用前景，在科技普及和利用现代高新技术提升传统农业方面发挥着越来越重要的作用，为我国发展优质、高产、高效、可持续的现代农业作出更大的贡献；作为一种智能化的农业信息系统,它不但是农业现代化的载体,用其传播各类实用的农业知识和科技成果;而且拥有多方面、高层次的农业专家知识,能以形象、直观的方式向用户提供各种农业问题的咨询服务与决策方案.农业专家系统具有启发性、透明性和灵活性三个特点,可应用于农业的各个领域,如作物栽培、植物保护、配方施肥、农业经济效益分析、市场销售管理、生态环境等,农业专家系统的研制开发是当前国内外农业信息技术研究和应用的热点之一.2专家系统在各种农作物病虫害防治中的应用2.1专家系统在榨菜病虫害防治中的应用田现中、邓洁、叶川、孙钟雷[2]利用Interne下的人工智能技术，将重庆涪陵榨菜的病虫害诊断和防治经验集成，建立了基Web的榨菜病虫害防治专家系统.该系统包括榨菜概述、病虫害概述、诊断与防治、专家在线等模块，采ASP[3]网络语言、Aces数据库技术和Html[4]可视化程序语言设计了推理机，构建了知识库，开发了信息操作窗口.该系统在榨菜生产中的应用，为农户和科技人员提供了一个获取和交流榨菜病虫害信息的平台，为菜农进行榨菜病虫害诊断与防治提供了科学的指导，在榨菜种植产量和质量的提高方面，以及帮助农民增产增收方面具有较高的现实意义.2.2专家系统在小麦病虫害防治中的应用赵春江、诸德辉、李鸿祥、杨宝祝、康书江、郭晓维建立小麦栽培管理计算机专家系统(ESWCM).该系统是利用计算机人工智能技术，把40多年来小麦栽培科学取得的研究成果和专家的知识经验做系统集成而建立的综合性、智能化的计算机决策系统.ESWCM[5]把模型技术和专家系统技术有机结合起来，是一个基于模型的专家系统.根据1994、1995两年的实际应用和示范验证结果，由ESWCM控制的80个试点地块在原有基础上产量增加10%～15%，成本降低5%～7%，效益增加-4-哈尔滨工程大学学报第28卷15%～20%.目前，ESWCM通过建立的覆盖北京地区8个主要产麦区县，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计20多万hm2.2.3专家系统在玉米病虫害防治中的应用刘大有、唐海鹰、陈建中、庄铁成、陈桂芬[6]利用知识工程的方法和技术，结合不确定性推理、多媒体、友好界面和协作冲突消解技术，充分考虑引起玉米病虫害发生的多种因素及因素中信息的不确定性，实现了一个面向农民用户的玉米病虫害防治专家系统，该系统作为国家“八六三”高技术项目“绥化市多媒体玉米生产专家系统”和“吉林省中部地区玉米生产智能化信息技术应用示范工程”的一部分，在示范区黑龙江省绥化市、吉林省榆树市和农安县的应用中取得了良好的效果.2.4专家系统在棉花病虫害防治中的应用李东晖，戴小鹏，黄璜，廖晓兰，欧阳中万[7]以专家系统基本原理为基础，将棉花病虫害防治的理论和实用技术和计算机技术进行了有效的结合，利用系统开发平台PAID（农业专家系统开发）构建的针对于棉花的病虫害防治的专家系统.为实现棉花病虫害诊治智能化奠定了坚实的基础.2.5专家系统在油菜病虫害防治中的应用1996～1999年廖桂平率先开发了适合于PC机的油菜优质高产高效栽培管理专家系统，2002年又研制了网络版的基于Web的油菜专家系统.在基于Web的油菜专家系统中，采用“浏览器/Web服务器/据库系统”三层网络模型，以后台数据库管理为核心,在Web服务器挂接构件，通过前台浏览器管理和运行专家系统.同时采用软件构建技术，遵循COM/DCOM/COM+技术规范,可面向对象进行定制组件，且容易与其他关键技术集成.该系统在油菜病虫害知识库中涵盖了油菜各种虫害的症状、病原菌、发病条件、为害特点、传播途径及农业防治、生物防治、化学防治等内容.通过适宜的推理方法，一步一步地将病虫害鉴别出来，然后采用适当的防治方法.2.