農業專家系統開發及運用
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(1)在產前能根據用戶的生產條件、生產目的,因地制宜地為用戶提供最佳或較佳的產量指標、效益指標以及達到指標的優化技術方案。不同的生產條件組合或/和生產目的應有不同的產量指標、效益指標及相應的技術方案,也就是說一但某一生產要素或/和生產目的發生變化,其產量指標、效益指標及技術方案也應發生相應的變化[1]。
(2)在生產中能對出現的問題,根據用戶提供的信息進行推導,判斷出問題出現的原因,并提供可行、有效的解決辦法[2]。
(3)在產后能根據用戶產品的數、質量和市場的需求提供合理貯、運、銷、加工等的建議[3]。
以上3個方面是“系統”智能的體現。專家系統的靈敏度、結論的可靠性、技術措施的可行性是衡量專家系統智能水平高低的重要尺度,它與專家系統集成知識數量、質量以及推理的合理性密切相關。
2開發農業專家系統的工作步驟
云南地處我國西南低緯度高原內陸地區,地貌特殊,生態類型復雜,具有低緯度和低海拔相疊合的趨勢,氣溫隨海拔的升高而降低。農業高度分散,影響因素十分復雜、時空變異大、生產的可控性和穩定性均差,有很強的地域性。由于自然條件復雜,加之農業自身固有的行業弱勢,給農業專家系統的開發增加難度,多年研制實踐表明,按下述的工作步驟開發,既能保證“系統”的本地化和實用性,又能縮短開發周期,降低開發成本[3~7](圖1)。開發農業專家系統是一個跨學科的課題,應由熟悉計算機編程的農業專家統籌規劃,合理布署。
3開發農業專家系統的關鍵技術
3•1擬定指標的標準及指標模型化
作物生產的指標,一般包括產量指標、質量指標、效益指標,它們受控于生產條件,具有很強的地域性是選擇栽培品種和確定栽培措施的重要依據之一。產量指標和效益指標常用高、中、低來描述,質量指標常用優、中、差來描述,不論“高、中、低”還是“優、中、差”均屬模糊概念。衡量產量和效益的“高、中、低”其數值界線隨地區或生產條件不同而不同。合理確定不同地區高、中、低三者的數值界線,直接關系到“系統”的實用性。衡量質量的“優、中、差”地域性雖然不強,但其內容比較復雜,可參考部頒標準擬定三者之間的數值界線。作物生產指標是專家推理決策的重要依據,為了便于計算機處理和組建專家思路模型,首先應將“指標”模型化。作物生產指標模型可按下述方法描述:A(產量):a1(高量)、a2(中產)、a3(低產)B(產量):b1(優)、b2(中)、b3(差)C(效益):c1(高效)、c2(中效)、c3(低效)生產中常用的指標模型:a1———物質缺乏型,只考慮產品數量,不考慮成本和質量a1c1———對生產條件和技術水平要求較高a1c2———以產品數量為主適當考慮效益,此型風險較小a1c3———其特點與物質缺乏型相似,高產“攻關”多采用此型
3•2領域專家推理決策思路模型化
模仿農業專家進行推理決策是農業專家系統的基本特征。要實現這一基本功能,最佳的解決方案是將領域專家推理決策思路模型化。這樣,一是便于計算機處理,二是確保推理結果和人類專家作出的結果基本相似。通過總結水稻、玉米、小麥等禾本科作物多位栽培專家的推理決策思路,發現他們的思路是基本一致,即以田(地)定產,以產選擇栽培品種和確定栽培措施,所不同的是在產量構成因素的運籌上,有的專家采用增加穗數達到指標,有的強調狠攻穗重,有的專家采用穗粒兼顧。由于采取的策略不同,在品種選擇和相應的栽培措施都有較大的差異。詳見禾本作物栽培方案專家決策思路模型及水稻田氮、磷、鉀用量決策思路模型。
3•3篩選影響產量、質量、效益及農藝措施的主導
因子影響作物產量、質量、效益及農藝措施的因子非常復雜,在栽培理論的指導下,通過全面系統分析,可將其分為三類:①隨機因子:這類最重要的是氣象因子,這類因子雖無法控制,但它們具有明顯的規律性;②固定因子:這類因子包括海拔、土壤類型、肥力水平、耕作制度、品種、水利設施等。這類因子是擬定栽培技術方案的前提;③可控因子:這類因子包括各種栽培措施。這類因子中,有些對增加產量,提高品質,提高效益均有利,有些因子對增加產量有利而對提高品質和/或效益則不利,有些因子對提高品質有利,而對增加產量和/或提高效益不利等等。在開發農業專家系統時,對上述的因子面面俱到是不可能的,也是不必要的。應把重點放在處理可控因子上,通過認真分析指標與指標之間、指標與因子之間、因子與因子之間的關系,篩選影響各指標及農藝措施的主導因子,并恰當量化。在此基礎上探索協調指標之間、因子之間、指標與因子之間矛盾的較好途徑。這是開發既有實用性,又有較高水平農業專家系統的關鍵之關鍵。例如:云南省農科院植保所開發的“云南水稻栽培專家系統1•0版”,選種植地海拔高度、稻田土壤類型、稻田肥力水平、灌溉條件、前作、年景、品種特性、有機肥施用的數量及質量等8個因子作為影響水稻產量、品質、效益和各項農藝措施的主導因子,并通過一組多元二次函數來協調上述的各種矛盾,應用效果很好。
3•4擬定恰當的知識獲取方案
開發農業專家系統除農業領域知識外,還需大量與農業生產有關基礎數據。農業領域知識可以通過:①與農業專家交流,最好假設一些生產條件和假設一些生產中可能出現的問題,請有代表性的專家針對假設的生產條件和生產中可能出現的問題,提供技術決策和解決問題的方案;②收集各級農業科技機構近年有關的研究結果;③充分應用近年“土壤普查”、“病蟲草害普查”、“品種資源普查”以及“綜試區”的有關數據和成果;④查閱文獻和專著等途徑來獲取。與農業生產有關的基礎數據可請各級農業行政部門和有關的科研機構提供。知識獲取是開發農業專家系統的重頭戲,需要相當人力、財力,在開始工作前,應擬定一個恰當的知識獲取方案,嚴格按方案實施,這樣既可以保證知識完整性、可靠性,又可使知識庫的建造有序分步進行,逐步完善。從而緩解人力、財力需求的矛盾。
3•5確定知識表示方法
農業專家系統的核心是知識,其來源于對領域專家知識的總結和概括,農業知識歸納起來可分為:描述型知識、數據型知識、規則型知識。不同類型的知識有不同的表示方法。
(1)描述型知識:常識性、原理性、經驗性等知識均屬該類,一般采用超文本、超媒體的手段,通過文字、聲音、圖片、動畫、視頻錄像,按層次進行有機編排來表示[8~9]。
(2)數據型知識:這類知識包括農業生產的時空數據,(如地理位置、海拔高度、土壤類型、氣候要素等),生產管理數據(如術語、概念、技術、方法、品種、農藥、化肥等),此類知識幾乎均是通過數據庫管理技術來表示[10]。
(3)規則型知識:包括決策性、判斷性、計算性(如數學模型)等,這類知識用產生式規則來表示。產生式規則的一般形式:如果〈前件〉則〈后件〉,其中,前件表示前提條件,后件表示結論或行動。必須強調指出,為了反映人類知識的本質特點,對復雜農業問題的知識表示成分中,往往需要包含一些模糊的修飾詞,如“大”、“小”、“優”、“劣”、“基本”、“可能”等。這是專家系統比純數學模型更接近人類智能的特點之所在。
4農業專家系統的特點及作用
農業專家系統是一種擁有高層次、多方面農業專家知識,并能摸仿人類推理過程,在計算機上以形象、直觀的方式向用戶提供各種農業問題決策咨詢服務的實用軟件,與人類專家相比,擁有綜合性的知識和高速處理知識的本領,且不受時間、空間的限制和人類情感的影響。農業專家系統不僅可以保存、傳播各類農業信息和農業知識,而且能把分散的、局部的單項農業技術綜合集成起來,經過智能化信息處理,針對不同的生產條件(自然條件、經濟條件、科技水平),給出系統性和應變性很強的各類問題的解決方案,為農業生產的全過程或某一生產環節提供專家水平的服務,從而促進農業生產的發展[11]。經幾年的應用實踐,農業專家系統在下述的幾個方面發揮了重要作用:
(1)提高農民的科技文化素質,解決農業科技人員短缺的問題:云南省是一個少數民族集居的邊疆省份,現有農業科技人員的數量質量都不能滿足生產發展的需求,高層次的農業專家更是缺乏,農民的科技文化素質相對較差,農業生產決策帶有較大的主觀性和盲目性。農業專家系統是農業專家的模仿物,集成了專家群體的知識和經驗,它可以起到高層次,多方面農業專家的作用,利用農業專家系統指導生產,操作簡便、快捷,在增產、提高品質,降低成本方面效果顯著,因而容易被農民和農村干部所接受,從而提高他們的科技意識和文化素質。
(2)促進耕地資源的可持續利用:隨著交通、能源、工業、旅游的發展,云南省的耕地在不斷地減少,這已成為不可逆轉的事實。就我省的情況而言,不可能走外延或是擴大耕地面積之路,而只能走內涵式節約和保護耕地資源,提高其利用和生產率的道路,農業專家系統集成了專家群體的知識和經驗,可以根據用戶的生產條件(氣候因子、土壤肥力、水利設施、投入水平等),進行科學決策,向用戶提供種植作物的類型、種植模式、培肥途徑、合理的指標(產量、質量、效益)以及具體的栽培措施,從而提高耕地的利用率和產出率,使有限的耕地資源得到最大限度的利用。
(3)提高養分資源的利用率:農業專家系統集成了專家群體的知識和經驗,可以根據不同的自然條件、經濟因素,進行綜合推理,因地制宜,因時制宜地向用戶提供最宜的肥料種類、最佳的施肥時間,最合理的施肥量以及先進的施肥方式,并同時提供防止肥料揮發,淋溶或者固定的技術措施,使施肥有了科學合理的依據,克服盲目性,從而提高肥料的利用率,降低施肥成本。
(4)提高作物病蟲草害的防治水平,減少農藥污染:農業專家系統一般都能幫助用戶識別危害作物的病、蟲、草的種類,使用戶認識防治對象,并有針對性地提供綜防措施。有的農業專家系統還能對一些作物主要的病蟲害進行預測,從而克服作物病蟲草防治的盲目性和單一性(化防),不僅提高防治效果,減少農藥污染,還不斷地改善各類天敵恢復和發展的條件。
(5)有利于走資源節約型的集約可持續農業之路:實現農業的可持續發展與提高現實生產力有一定的矛盾,即要實現農業的可持續發展,又要提高農業的現實生產力,一些水平較高的農業專家系統可根據復雜的環境因素和經濟因素,應用專家集體的知識經驗以及一些特殊的數學模型進行推理求證,為用戶提供與資源承受力相適應的技術方案。雖然我省自然資源豐富,但走集約型可持續農業之路還是勢在必行。集約化必然是高投入高產出,必須有強大的科技后盾,在加大科技含量的同時,研發高智能的農業專家系統可以為集約化的農業生產提供有關的各種決策咨詢。
