農業專家灌溉體系管理

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1專家系統的發展概況

專家系統是用基于知識的程序設計方法建立起來的計算機系統,它綜合集成了某個特殊領域的專家的知識和經驗,能像人類專家那樣運用這些知識,通過推理模擬人類專家做出決定的過程,來解決人類專家才能解決的復雜問題。專家系統由知識庫、推理機、知識獲取、解釋界面等四部分組成,知識庫和推理機是它的核心。建立知識庫的關鍵是如何表示知識,推理機用于確定不精確推理的方法,解釋界面是用戶的一個窗口,能夠處理各種咨詢問題。20世紀60年代中期,美國斯坦福大學的DENDRAL計劃以及麻省理工學院的MACSYMA計劃開始研制首批專家系統,一直持續到70年代中期,較為完善地提出了專家系統的含義。從60年代到80年代的20多年里,專家系統廣泛應用于醫學、地質、生物化學、故障診斷、工程、數學問題求解、教育、軍事等領域,取得了很大的進步。

進入80年代,人們對專家系統有了新的認識,專家系統研究進入高速發展階段,也出現了許多農業生產管理專家系統,如Hal.Lemmon于1986年開發的棉花生產管理專家系統,Plant等人1989年開發的農業管理專家決策支持系統,Srinvasan等人開發的ESIM灌溉管理專家系統,S.Saputro1991年開發的農業生產空中漂移物專家系統(研究噴灑農藥對環境的影響),這些專家系統在實際應用中收到很好的效果。國內于20世紀70年代末期開始研究專家系統,80年代初期開始研究農業專家系統。1980年浙江大學與中國農科院蠶桑所合作,開始研究蠶育種專家系統;1983年中國科學院合肥智能研究所與安徽農科院合作,開發砂姜黑土小麥施肥專家系統。90年代,國際上舉辦了多次有關農業專家系統的會議,我國專家系統的研究更是蓬勃發展,出現了許多農業專家系統,如小麥高產技術專家系統(余華等,1996),水果果形判別人工神經網絡專家系統(劉禾等,1996),基于規則和圖形的蘋果、梨病蟲害診斷及防治專家系統(王愛茹等,1999),農業資源高效利用技術集成專家系統的設計(李道亮,1999),生態農業投資項目外部效益評估的專家系統(范大路,1999),基于作物生長特征的作物栽培專家系統(柴毅,1999),基于生長模型的小麥管理專家系統(曹衛星等,1999)等,這些農業專家系統促進了農業科技成果的應用與推廣。

2專家系統的開發方式

起初,專家系統主要采用不同的高級程序語言(如PASCAL、FORTRAN、C等)或人工智能語言(如LISP、PROLOG等)開發,專家系統的各個部分的鏈接和調試都比較繁瑣,對于不熟悉計算機語言的工程師,建立專家系統將是很困難的。20世紀80年代初,根據專家系統知識庫和推理機分離的特點,研究人員把已建成的專家系統中的知識庫“挖”掉,剩余部分作為框架,再裝入某一領域的專業知識,構成新的專家系統。在調試過程中,只需檢查知識庫是否正確即可。在這種思想指導下,產生了建立專家系統的工具,或稱專家系統開發工具、專家系統外殼。利用專家系統開發工具,某領域的專家只需將本領域的知識裝入知識庫,經調試修改,即可得到本領域的專家系統,無須懂得許多計算機專業知識。

國外目前出現了許多專用的專家系統工具,開發某領域的專家系統基本上是運用開發工具來實現的,如1986年Hal.Lemmon等人開發的Comax棉花生產管理專家系統。我國也出現不少專家系統工具,如陸汝鈴等人的“天馬”專家系統開發工具、呂民等的ASCS農業專家咨詢系統開發平臺(1999)、周桂紅等人的通用農業專家系統生成工具(1999)等。利用開發工具開發的專家系統已形成系列化,如美國Plant等人利用作物管理支持專家系統的外殼,開發出棉花生產管理CALEX/Cotton、桃樹園林管理CALEX/Peach、水稻生產管理CALEX/Rice等一系列專家系統。我國學者利用中科院合肥智能研究所研制的“雄風”系列農業專家系統開發工具,已開發出施肥、栽培管理、園藝生產管理、畜禽水產管理飼養、水利灌溉等專家系統,在全國20個省200多個縣推廣應用,效果很好。

3專家系統在灌溉管理中的應用

20世紀70年代末期美國開始研究農業專家系統,至今已建成許多施肥、作物栽培管理、畜禽水產養殖、水利灌溉等方面的專家系統。其中灌溉管理專家系統的研究主要有以下兩個方面。

(1)灌溉用水計劃

確定灌溉用水計劃需要的幾項基本信息是:土壤墑情、作物蒸發蒸騰量、地下水情況、水源情況等。這些數據往往需要根據已獲得的氣象、土壤等資料,通過繁瑣的計算才能獲得;原始材料不同,計算方法也不同,人工操作費時費工,容易出錯。專家系統可根據輸入的原始資料自動選擇計算方法來預測或預報目標信息,快速確定灌溉用水計劃,并且可以隨時總結用水情況;專家系統處理所需時間短,而且準確,適合于大型灌區及農場運作。專家系統常被用來確定作物蒸發蒸騰量、灌溉日期、灌溉水量及土壤墑情。Plant等人開發的棉花生產管理專家系統,共用15種方法來確定作物蒸發蒸騰量、灌溉日期及用水量,可以根據外界條件的變化隨時調整灌溉計劃。Srinvasan等人開發的ESIM灌溉管理專家系統,包括知識的獲取、系統規劃、任務的落實和評估,有效利用了圖表進行解釋和分析,根據用戶的需求制定固定的、調整的、要求的三種灌溉制度。D.Clarke等人采用CWR-VB程序來確定灌溉制度,提供了產量圖、氣象資料、ET值和土壤含水量等特征量。這些專家系統在應用中收到良好的效果,證明是切實可行的。

(2)灌溉系統輔助設計

由于各灌區的地理、氣候、土壤條件互不相同,采用的渠系布置和灌溉方式互不相同,因而有不同的灌溉系統設計方法。人工很難設計出盡善盡美的灌溉系統,而專家系統通過內部的知識庫,利用豐富的知識可以解決規劃設計中的復雜問題。水利部農田灌溉研究所與合肥智能研究所合作開發的華北地區節水型農業技術專家系統(NCWSA),針對華北地區灌溉農業存在的問題,提出了節水型技術體系的總體規劃及實施的有關措施;Srinvasan等開發了多功能的專家系統,可用于各種情況下的灌溉系統的設計和運行。應用專家系統進行灌溉系統輔助設計,可以進行渠系優化布置,為灌溉管理提供各種咨詢服務,對于情況復雜的灌區很有幫助。

4構建灌溉管理專家系統應注意的幾個問題

(1)突出多學科集成

農業是一個多方面的綜合體,影響因素繁多,時空差異和變異性大,生產穩定性和可控制性差,易遭受氣候、氣象、病蟲害的侵襲,在用水管理中需要考慮這些因素。現在國外已開始研制跨學科的綜合專家系統,Perry等人于1990年開發出關于大豆生長和水管理的聯合模型系統,用于作物生長、病蟲害、經濟效益、環境影響的管理和評價;W.D.Batchelor等人1992年開發的作物管理系統,既用于灌溉管理,也用于病蟲害防治。已開發的機械、營養、灌溉、除草、病情診斷、收獲、市場等方面的專家系統,有必要綜合在一個大的專家系統內,以發揮更有效的作用。多學科集成的想法正是適應農業生產的需要提出的,是專家系統必然的發展方向,也是灌溉管理專家系統研究中應特別注意的問題。

(2)面向多層次設計

專家系統服務的對象并不都在同一個層次上,文化程度存在較大的差異,不同對象要求獲取信息的復雜程度不同,所操作的專家系統和輸出的內容復雜程度也不相同,因此開發不同層次的專家系統(如面向灌溉管理專業人員、農村技術人員、農戶的灌溉專家系統)也是需要考慮的一個問題。

(3)注重多種技術的綜合運用

目前的專家系統在建模中多利用簡單的數學回歸模型,這些模型一般只考慮部分影響因素,而任何一個問題都可能受到更多因素的共同作用,因此建模時應考慮多因素的影響。現在常用的建模方法所建的模型很難達到要求。目前,人工神經網絡、模糊數學、隨機模擬等多種技術的研究日趨成熟,將這些技術用于專家系統必然會增加其處理功能;尤其是在解決一些復雜問題時,人類專家也很難準確表達自己的想法,或者很難找出其規律,應用這些技術可以幫助知識工程師解決問題。