农业专家系统

7. 农业专家系统的基本原理、结构和功能是什么?谈谈你对专家系统在农业生产经营作用的认识? 所谓专家系统是一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能程序系统, 它能运用领域专家多年累积的经验和专门知识, 模拟专家的思维过程和决策能力, 解决只有专家才能解决的困难问题. 农业专家系统一般由知识库、数据库、推理机、解释部分、知识获取部分组成,其中知识库(知识集合)、数据库(反 映系统的内外状态)、推理判断程序(规定选用知识的策略与方式)等部分为核心。专家系统的工作方式可简单地归结为:运用知识进行推理。 农业专家系统的理论基础研究农业专家决策系统是基于农业专家知识,模仿农业专家进行推理决策,把多项农业技术和知识进行高度集成的计算机应用系统。一方面,它比一般的计算机信息系统更突出农业专业知识与推理判断的作用,且具有更强针对性的决策咨询能力;另一方面,它比人类农业专家拥有综合性知识和高速的知识处理本领,可以不受时间、空间的限制和人类情感的影响,起到“农村不走”多方面高层次农业专家的作用。它的理论基础是人工智能的知识示和问题求解技术。基本结构见图1?I。知识和推理构成专家系统的两大因素。专家系统的核心是知识,所以专家系统又称为知识基系统,或基于知识的系统。 以植物病理学专家系统为例: 系统结构 植物病理学专家系统就是运用电子计算机技术来模拟植病专家的综合、分析、判断等诊断思维过程的过程。针对上述功能定位, 该系统在分析植物病理学专家判断疾病的实际过程的基础上, 综合应用一般模型和形象思维模型, 工作模型。该系统采用的专家系统结构。从数学上看, 植物病理学专家对病害的诊断是从症状到病种的集合映射。以棉花几种主要病害为例, 棉花的常见病种构成疾病群空间W= { Q1, Q2, , Qi, P1, P2 , , Pj} , 这些疾病涉及到的所有症状构成症状群空间A= { A1, A2, , An }。在建立数学模型时, 首先根据植物病理学知识和专家意见,确定每组症状对诊断疾病的支持程度, 即具有该组症状的病株患病害的可能性。然后采用产生式规则, 建立映射模型WA。实际应用时, 将各种症候输入, 推理得可能有的病害。 要完成一个植物病理学专家系统必须建立该植物病理学专家的知识库, 建立与这些知识相关的规则库, 以及获取知识的推理模型等。研制一个植物病理学专家系统的过程,大致有以下一些步骤: 收集对划分起作用的病害症状; 建立规范化的症状表; 收集划分的依据; 建立辨证论治的规则库;收集处理方法; 建立病害的规则库, 建立与该植物病理学专家知识相关的知识库及规则库。 1. 1 知识库知识库的构建分三步, 第一步是从领域专家处吸取知识; 第二步是将知识归纳整理, 以一定的数据结构存入计算机; 第三步是建立知识库管理系统来对知识进行组织、检索和维护。知识库里, 大约存放着几百条判别规则和几千条关于植物病虫害方面的知识。一边与用户进行对话,一边进行推理诊断。这种推理规则称为! 产生式规则?。 1. 2 综合数据库数据库用于存储相关领域内的初始知识和推理过程中得到的中间信息。知识库和数据库中涉及到的植物病理学术语、症状和病害名称等转换为由数字和英文字母组成的代码。这样不仅能加快病例、知识的输入, 而且占用计算机内存小, 从而提高了系统的运行速度。另外, 代码的规范化也避免了植物病理学术语的不一致性以及人为原因引起的输入差错。 1. 3 推理机推理机是专家系统的! 思维?机构, 负责模拟领域专家的思维过程, 控制 并执行对问题的求解。推理机的效率和智能水平在很大程度上决定了整个专家系统的智能水平。该系统采用的推理策略以产生式规则的正向推理为主, 以实例推理为辅。根据病害病情在规则知识库中搜索与之匹配的标准病害模式, 得到病害病情模式案。利用用户输入的知识点, 采用的是启发式搜索策略。 1. 4 知识获取程序基本任务是将知识输入到知识库中,并负责维护知识的一致性及完 整性。 1. 5 解释机构对专家系统的结论知识库包括相关领域内的原理性知识作出解释, 回答用户的问题。 1. 6 人机界面即专家系统与专家、设计者及一般用户间的界面, 由一组程序和相应的硬件组成, 用于完成输入和输出工作。 2 农业专家系统在植物病理方面的应用 以棉花苗期几种常见病虫害的判断为例, 利用产生式规则推断症状群与疾病群的关系, 关于病害的诊断思维过程除了考虑到形式化的推理过程, 还应考虑到病害的多样性、多变性和不确定性, 在面对某些病情复杂、症状不典型或合并症较多的病害时, 添加专家的特异性判别指标。症状群与疾病群的产生式规则表述如下: 2. 1 棉花苗期病害 A. 系统的, 子叶真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。 B. 局部的, 子叶真叶, 水渍状小点或小圆斑, 玻璃上一抹有混浊汁液角斑。局部的, 子叶真叶, 扩大的病斑上有溢脓或结痂角斑。 C. 局部的, 根茎, 黄褐色, 有环状缢缩立枯病。局部的, 根部, 蛛丝状带土粒, 不是棉花纤维立枯病。 D. 局部的, 根茎部, 梭形长细纤维斑后期爆裂炭疽病。局部的, 子叶真叶, 边缘暗红中央灰白小圆斑炭疽病。 E. 局部的, 根茎, 深棕色长圆斑, 不凹陷缢缩红腐病。 2. 2 棉花现蕾期病害 A. 系统的, 维管束变色且黑褐色, 真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。 B. 系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 蛋黄色小斑, 且黄萎的斑黄萎。系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 掌状黄萎黄萎。 C. 局部的, 子叶真叶, 水渍状小点或小圆斑, 玻璃上一抹有混浊汁液角斑。局部的, 子叶真叶, 扩大的病斑上有溢脓或结痂角斑。 D. 局部的, 根茎部, 梭形长细纤维斑后期爆裂炭疽病。局部的, 子叶真叶, 边缘暗红中央灰白小圆斑炭疽病。 2. 3 棉花花铃期病害 A. 系统的, 维管束变色且黑褐色, 真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。 B. 系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 蛋黄色小斑, 且黄萎的斑黄萎。系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 掌状黄萎黄萎。 C. 局部的, 子叶真叶, 水渍状小点或小圆斑, 玻璃上一抹有混浊汁液角斑。局部的, 子叶真叶, 扩大的病斑上有溢脓或结痂角斑。 D. 局部的, 根茎部, 梭形长细纤维斑后期爆裂炭疽病。局部的, 子叶真叶, 边缘暗红中央灰白小圆斑炭疽病。 E. 局部的, 根茎, 深棕色长圆斑, 不凹陷缢缩红腐病。 2. 4 棉花吐絮期病害 A. 系统的, 维管束变色且黑褐色, 真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。 B. 系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 蛋黄色小斑, 且黄萎的斑黄萎。系统的, 维管束变色黄褐色, 真叶, 掌状黄萎黄萎。 C. 局部的, 根茎, 深棕色长圆斑, 不凹陷缢缩红腐病。 在农业上的应用; 3 1在植物保护中的应用 3.1.1作物病虫预莉预报 病虫预测预报需要的基本信息是:病虫害的生物学参数(如发生世代、发生虫态、分布范围、空间分布状况、越冬情况、迁飞滞育类型、分类地位、取食特性,各年龄虫的生长发育存活死亡、生殖参数等)、发生环境状况(如经纬度、地理地貌、农作物布局、耕作方式、农事管理、作物品种等)和气象条件(如温度、湿度、光照、降雨、有效积温等)资料。这些数据往往需要通过繁琐的计算才能获得,人工操作费时费工.容易出错。专家系统可根据输入的原始资料自动选择模拟和计算方法来预测或预报目标信息,快速得出预测预报模型,以便掌握其防治时期。目前我国已有许多地方建立丁这类专家系统。如谢贤元等研制的scDPM陕西农作物病虫害计算机管理系统,利用该系统的植保人员或用户只要输入简单的初始数据(如作物种类、气象状况、病虫发生情况)就可直接获取未来一定时问内5种农作物上lo种主要病虫害为害情况和何时采取防治措施等结果;全国测报总站和山东省植保站以及广西植保站已组建了牯虫、稻飞虱、稻螟、麦锈病麦蚜、玉米螟,棉铃虫和三化螟等病虫病专家数据库。此类系统除具有一般数据库通用的查询、分类、检索等功能外,还能自动生成预测式并进行预测预报口卜枷。 3.1.2作物病虫杂革的分类、检索,识刺、诊断分类鉴定和检索诊断基本信息是:寄主作物、发生时期、地理区域及生物本身的宏观特征(如虫体大小、蘸色、体形、燕型及危害症状等)。人工开具病虫处方,要求工作人员要有牢固的植物保护基础知识和丰富的实践经验,由于工作效率低,查询大量资料的难度大,植物医生无法及时满足农户的需要a专家系统把这些资料编制成简单的程序.来达到迅速确定目标信息的目的,从而得到最佳防治时期和。如程家安研制的稻褐飞虱防治专家系统通过200多条事实判断,能方便地用于稻褐飞虱的防治;唐乐尘等口3研制的“作物处方生成专家系统”在用户输入主治病虫时,系统不但可向用户提供1~3种兼治病虫.同时还提供使用的药剂类型和性能、成本高限、防治效果、经济效益以及残效期限等;杨怀卿等“”研制的“棉田有害生物综合治理多媒体辅助系统”,应用现代多媒体技术处理数字音频文件,使该系统具有图文并茂生动活泼的配音效果功能t 更方便用户查询浏览和接受。该系统1998~1999年在陕西省I|缶汾地区初步演示示范推广2万公顷,增加经济效益4 200万元,并收到良好的社会效益. 3.2在作物育种中的应用 新品种选育是相当复杂的长期过程,由于作物生长周期长,许多遗传、变异规律还不清楚,因此,优良品种的选育相当困难.育种成功率较低。辽宁省农科院研制的水稻新品种选育专家系统,是将丰富的专家经验融汇在水稻育种全过程中,使水稻自亲本选择漕l配组合、杂交后代处理和选择到良种评价和区域试验形成完整体系。该软件是用计算机模拟知名水稻专家的育种思想和预测、决策过程。把专家的育种经验同作物遗传规律有机地结台在一起,增强了水稻育种工作的预见性,提高了育种效率,加速了育种进程,能够促进遗传育种研究理论水平的提高,推动农业生产的发展。另外,中国农业科学院作物所研制开发的。冬小麦新品种选育专家系统”和。玉米杂交种选育专家系统”等对继承、传播著名育种家经验思想,提高作物育种科学水平起到了积极推动作用。 3.3在作物栽培中的应用 3.3.1预测与动态调控 预测是通过模拟模型得以实现”“.如作物模拟模碰的建立,通常要求输入如作物品种特性、土壤理化特性、天气、历史天气数据以及农业实践参数等数据.然而在复杂的农业生产中许多模型不能实用t它必须引入专家知识,也就是说在模型系统之上耦合包含知识的专家系统,使之系统形成以模型为基础(定量),以专家知识为准(定性)的“专家曲线”。系统以“专家曲线”和一些高产栽培原则及生育指标为标准,当预测的作物生长发育偏离时,系统分析原因,推荐一个适宜的调控措施(如改变播种期、播种量或肥料运筹等)和调控时期。当系统预测的结果明显偏离曲线时,用户可以人为修正,输人作物生育状况,以提高下一阶段的预测性o“剐.系统最后输出决策的技术措施及预测的作物生育动态。如美国的c0MAx系统,是最早将模型与专家系统耦台的系统,它用于生产后使美国的棉花生产每公顷节约成本200~300 美元;我国的北京示范区的小麦等实用专家系统,包括46个统计模型、23个生长发育机理模型(其中有作物各部位的发育模型、营养利用模型,水分利用模型,施肥模型,灌溉模型,群体发展预测模型,个体发展模型,产量预测模型,措施鼓应模型)和7个知识库(其中共有1484条知识,包括品种选择知识,播期、密度知识,作物营养与施肥知识,农田水分管理知识-生长发育知识,生长调节剂、生化制剂使用知识,病虫草害与防治知识).在数据库中存储了地理信息数据370万个、土壤资料数据3lo万个,气象资料数据1 000万个,品种资料数据159万个,管理措施数据119万个,农业生产条件数据90万个,图形,图象数据库2 790个,由于该系统还采用了高新技术一一地理信息系统,使该系统不但具有动态性(知识库、数据库和模型库的知识和数据可随时更新),而且功能更多更强大.如①决策:包括目标产量制定、引种与良种、合理施肥、节水灌溉、综合栽培调控、病虫草害综合防治、畜禽水产高效养殖技术等;@应变决策:可以根据不嗣情况象专家一样进行决策.绝不是一般信息的查询和检索;③科学性:给出的、央策方案是科学的.符合实际情况,④实用性:界面友好、易实用、易推广.该系统1998~1999年在北京郊区10个县用于指导生产.节约成本4 639.6万元,总经济效益增加1185万元. 3.3.2方案设计 运用专家系统可进行方便的设计,如作物栽培方案可根据决策地点的常年生态条件、用户的产量目标制定一套合理的栽培方案.北京示范区的小麦等实用专家系统等系统,可根据产生的气象资料和当地常年土壤情况以及品种、播期、密度、肥料运筹,理想的产量结构、茎蘖动态等来设计一套合理的栽培方案。 3.3.3专家咨询 专家系统可帮助用户分析和解决具体问题。根据生产水平确定合适的产量目标;考虑品种的早熟性.抗寒性、发育特性类型、抗病虫性等进行品种选择;根据产量水平、栽培调控方式确定播种量;根据积温模式确定播期;根据茬口情况选用合适的播种技术,根据当年的苗情与往年比较,进行苗情分析;根据生产水平,确定合适的施肥量、基肥、追肥的比例及施用的时间等.如杨思尧等的葡萄栽培管理多媒体专家系统。采用多媒体技术一视频影像、视频图象、图形、音频、文本等媒体相结合的形式分别对葡萄全年栽培管理过程的不同阶段,提供计算机专家咨询服务。同时系统内容涵盖十方面,根据用户不同的使用要求,分别由相应的条件触发相应的动作,实现模拟专家咨询的过程。 3.4在灌溉管理中的应用 3.4.1灌溉用水计划 确定灌溉用水计划需要的基本信息是:土壤墒情、作物蒸发蒸腾量、地下水情况,水源情况等。这些数据往往需要根据已获得的气象、土壤等资料,通过繁琐的计算才能获得.专家系统可根据输入的原始资料自动选择计算方法来预测或预报目标信息,快速确定灌溉用水计划,并且可以随时总结用水情况;专家系统处理时间短.而且准确,适用于大型灌区及农场。专家系统常被用来确定作物蒸发蒸腾量、灌溉日期、灌溉水量及土壤墒情。Plant等人开发的棉花生产管理专家系统,共用15种方法来确定作物蒸发蒸腾置、灌溉日期及用水量,可以根据外部条件的变化随时调整灌溉计划。srinvasan等人开发的EsIM灌溉管理专家系统,包括知识的获取、系统规划.储备的落实和评估t有效利用了图表进行解释和分析,根据用户的需求制定固定的完整的、要求的三种灌溉制度.D clarke等人采用cwR—vB程序来确定灌溉翩度,提供了产量图、气象资料、ET值和台水量等特征t.薛增召等口”研制的西北节水农业专家系统,由非充分供水条件下区域水资≮优化鼍量、作物生长潜力及其限制因薰评价,作物生长期间需水量预报、农田节水灌溉技术、覆盖节水栽培技术、化学节水技术、节水灌溉技术标准、节水灌溉效益评价等l 7个子系统组成,具体监测区域墒情,掌握区域性的旱性分布、受旱程度及农业用水管理,并结合当时当地的作物需要.能精确管理田间用水功能;同时拥有以土壤水动态分布为特征的区域水文模型.能用图形显示不同下垫面条件下土壤的蓄水容量及空间分布和土壤水分状态的空间分区。1999年在杨林和富平两县推广3万公顷,共新增产值2 000多万元,这说明系统的先进性、科学性和实用性. 3 4.2灌溉系统辅助设计 由于各灌区的地理、气候、土壤条件不同,采用的渠系布置和灌溉方式均不相同,因而有不同的灌溉系统设计方法。人工很难设计出尽善尽美的准溉系统.而专家系统通过内部的知识库,利用丰富的知识可以解决规划设计中的复杂问题,水利部农田灌溉研究所与合肥智能研 究所合作开发的华北地区节水型农业技术专家系统(NcwsA),针对华北地区灌溉农业存在的问题,提出了节水型技术体系的总体规划及实施的有关措施。Rrinvasan等开发了多功能的专家系统,可用于各种情况的灌溉系统的设计和运行。应用专家系统进行灌溉系统辅助设计,可以进行渠系优化布置.为灌溉管理提供各种咨询服务,对于情况复杂的灌区很有帮助。