農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)及其在灌溉管理中的應(yīng)用

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專(zhuān)家系統(tǒng)（Expert System）是人工智能的一個(gè)分支，它的不精確推理、知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)分離以及自我學(xué)習(xí)等特性使它能很好地處理一些非確定型或非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜問(wèn)題，被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育等領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)在作物管理及病蟲(chóng)害防治方面已有較多的應(yīng)用，而在節(jié)水灌溉管理方面運(yùn)用專(zhuān)家系統(tǒng)還處于起步階段。灌溉農(nóng)業(yè)是世界上最大的消耗性用水戶(hù)之一，它的優(yōu)化管理可以節(jié)省大量的水資源。我國(guó)水資源十分缺乏，且分布不均，均，尤以北方地區(qū)為甚，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)勢(shì)在必行。多年來(lái)我國(guó)在節(jié)水灌溉技術(shù)及理論方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了很多成果，但農(nóng)民的整體素質(zhì)還不高，科技成果的推廣面小，轉(zhuǎn)化率低。在灌溉農(nóng)業(yè)中，專(zhuān)家系統(tǒng)可提高先進(jìn)科研成果的轉(zhuǎn)化率，推動(dòng)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展，因而有很廣闊的應(yīng)用前景。
　　1 專(zhuān)家系統(tǒng)的發(fā)展概況
　　專(zhuān)家系統(tǒng)是用基于知識(shí)的程序設(shè)計(jì)方法建立起來(lái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它綜合集成了某個(gè)特殊領(lǐng)域的專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，能像人類(lèi)專(zhuān)家那樣運(yùn)用這些知識(shí)，通過(guò)推理模擬人類(lèi)專(zhuān)家做出決定的過(guò)程，來(lái)解決人類(lèi)專(zhuān)家才能解決的復(fù)雜問(wèn)題。專(zhuān)家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)獲取、解釋界面等四部分組成，知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是它的核心。建立知識(shí)庫(kù)的關(guān)鍵是如何表示知識(shí)，推理機(jī)用于確定不精確推理的方法，解釋界面是用戶(hù)的一個(gè)窗口，能夠處理各種咨詢(xún)問(wèn)題。
　　20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)斯坦福大學(xué)的DENDRAL計(jì)劃以及麻省理工學(xué)院的MACSYMA計(jì)劃開(kāi)始研制首批專(zhuān)家系統(tǒng)，一直持續(xù)到70年代中期，較為完善地提出了專(zhuān)家系統(tǒng)的含義。從60年代到80年代的20多年里，專(zhuān)家系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、生物化學(xué)、故障診斷、工程、數(shù)學(xué)問(wèn)題求解、教育、軍事等領(lǐng)域，取得了很大的進(jìn)步。進(jìn)入80年代，人們對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)有了新的認(rèn)識(shí)，專(zhuān)家系統(tǒng)研究進(jìn)入高速發(fā)展階段，也出現(xiàn)了許多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理專(zhuān)家系統(tǒng)，如Ha1．Lemmon于1986年開(kāi)發(fā)的棉花生產(chǎn)管理專(zhuān)家系統(tǒng)， Plant等人1989年開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)管理專(zhuān)家決策支持系統(tǒng)， Srinvasan等人開(kāi)發(fā)的ESIM灌溉管理專(zhuān)家系統(tǒng)，S．Saputro l991年開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空中漂移物專(zhuān)家系統(tǒng)（研究噴灑農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的影響），這些專(zhuān)家系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中收到很好的效果。
　　國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)70年代末期開(kāi)始研究專(zhuān)家系統(tǒng)，80年代初期開(kāi)始研究農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)。1980年浙江大學(xué)與中國(guó)農(nóng)科院蠶桑所合作，開(kāi)始研究蠶育種專(zhuān)家系統(tǒng)；1983年中國(guó)科學(xué)院合肥智能研究所與安徽農(nóng)科院合作，開(kāi)發(fā)砂姜黑土小麥?zhǔn)┓蕦?zhuān)家系統(tǒng)。90年代，國(guó)際上舉辦了多次有關(guān)農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)的會(huì)議，我國(guó)專(zhuān)家系統(tǒng)的研究更是蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了許多農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)，如小麥高產(chǎn)技術(shù)專(zhuān)家系統(tǒng)（余華等，1996），水果果形判別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家系統(tǒng)（劉禾等，1996），基于規(guī)則和圖形的蘋(píng)果、梨病蟲(chóng)害診斷及防治專(zhuān)家系統(tǒng)（王愛(ài)茹等，1999），農(nóng)業(yè)資源高效利用技術(shù)集成專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（李道亮，1999），生態(tài)農(nóng)業(yè)投資項(xiàng)目外部效益評(píng)估的專(zhuān)家系統(tǒng)（范大路，1999），基于作物生長(zhǎng)特征的作物栽培專(zhuān)家系統(tǒng)（柴毅，1999），基于生長(zhǎng)模型的小麥管理專(zhuān)家系統(tǒng)（曹衛(wèi)星等，1999）等。這些農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)促進(jìn)了農(nóng)業(yè)科技成果的應(yīng)用與推廣。
　　2 專(zhuān)家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式
    起初，專(zhuān)家系統(tǒng)主要采用不同的高級(jí)程序語(yǔ)言（如PASCAL、FORTRAN、C等）或人工智能語(yǔ)言（如LISP、PROLOG等）開(kāi)發(fā)，專(zhuān)家系統(tǒng)的各個(gè)部分的鏈接和調(diào)試都比較繁瑣，對(duì)于不熟悉計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的工程師，建立專(zhuān)家系統(tǒng)將是很困難的。20世紀(jì)80年代初，根據(jù)專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)分離的特點(diǎn)，研究人員把已建成的專(zhuān)家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)“挖”掉，剩余部分作為框架，再裝入某一領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，構(gòu)成新的專(zhuān)家系統(tǒng)。在調(diào)試過(guò)程中，只需檢查知識(shí)庫(kù)是否正確即可。在這種思想指導(dǎo)下，產(chǎn)生了建立專(zhuān)家系統(tǒng)的工具，或稱(chēng)專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具、專(zhuān)家系統(tǒng)外殼、利用專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，某領(lǐng)域的專(zhuān)家只需將本領(lǐng)域的知識(shí)裝入知識(shí)庫(kù)，經(jīng)調(diào)試修改，即可得到本領(lǐng)域的專(zhuān)家系統(tǒng)，無(wú)須懂得許多計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。   
　　國(guó)外目前出現(xiàn)了許多專(zhuān)用的專(zhuān)家系統(tǒng)工具，開(kāi)發(fā)某領(lǐng)域的專(zhuān)家系統(tǒng)基本上是運(yùn)用開(kāi)發(fā)工具來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如1986年Hal．Lemmon等人開(kāi)發(fā)的Comax棉花生產(chǎn)管理專(zhuān)家系統(tǒng)。我國(guó)也出現(xiàn)不少專(zhuān)家系統(tǒng)工具，如陸汝鈴等人的“天馬”專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具、呂民等的ASCS農(nóng)業(yè)專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)（1999）、周桂紅等人的通用農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)生成工具（1999）等。利用開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)的專(zhuān)家系統(tǒng)已形成系列化，如美國(guó)Plant等人利用作物管理支持專(zhuān)家系統(tǒng)的外殼，開(kāi)發(fā)出棉花生產(chǎn)管理CALEX／Cotton、桃樹(shù)園林管理CALEX／Peach、水稻生產(chǎn)管理CALEX／Rice等一系列專(zhuān)家系統(tǒng)。我國(guó)學(xué)者利用中科院合肥智能研究所刷制的“雄風(fēng)”系列農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，已開(kāi)發(fā)出施肥、栽培管理、園藝生產(chǎn)管理、畜禽水產(chǎn)管理飼養(yǎng)、水利灌溉等專(zhuān)家系統(tǒng)，在全國(guó)20個(gè)省200多個(gè)縣推廣應(yīng)用，效果很好。
　　3 專(zhuān)家系統(tǒng)在灌溉管理中的應(yīng)用
　　20世紀(jì)70年代末期美國(guó)開(kāi)始研究農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)，至今已建成許多施肥、作物栽培管理、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖、水利灌溉等方面的專(zhuān)家系統(tǒng)。其中灌溉管理專(zhuān)家系統(tǒng)的研究主要有以下兩個(gè)方面。
　�。�1）灌溉用水計(jì)劃 確定灌溉用水計(jì)劃需要的幾項(xiàng)基本信息是：土壤墑情、作物蒸發(fā)蒸騰量、地下水情況、水源情況等。這些數(shù)據(jù)往往需要根據(jù)已獲得的氣象、土壤等資料，通過(guò)繁瑣的計(jì)算才能獲得，原始材料不同，計(jì)算方法也不同，人工操作費(fèi)時(shí)費(fèi)工，容易出錯(cuò)。專(zhuān)家系統(tǒng)可根據(jù)輸入的原始資料自動(dòng)選擇計(jì)算方法來(lái)預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)目標(biāo)信息，快速確定灌溉用水計(jì)劃，并且可以隨時(shí)總結(jié)用水情況；專(zhuān)家系統(tǒng)處理所需時(shí)間短，而且準(zhǔn)確，適合于大型灌區(qū)及農(nóng)場(chǎng)運(yùn)作。
   專(zhuān)家系統(tǒng)常被用來(lái)確定作物蒸發(fā)蒸騰量、灌溉日期、灌溉水量及土壤墑情。Plant等人開(kāi)發(fā)的棉花生產(chǎn)管理專(zhuān)家系統(tǒng)，共用15種方法來(lái)確定作物蒸發(fā)蒸騰量、灌溉日期及用水量，可以根據(jù)外界條件的變化隨時(shí)調(diào)整灌溉計(jì)劃。Srinvasan等人開(kāi)發(fā)的ESIM灌溉管理專(zhuān)家系統(tǒng)，包括知識(shí)的獲取、系統(tǒng)規(guī)劃、任務(wù)的落實(shí)和評(píng)估，有效利用了圖表進(jìn)行解釋和分析，根據(jù)用戶(hù)的需求制定固定的、調(diào)整的、要求的三種灌溉制度。D．Clarke等人采用CWR–VB程序來(lái)確定灌溉制度，提供了產(chǎn)量圖、氣象資料、ET值和土壤含水量等特征量。這些專(zhuān)家系統(tǒng)在應(yīng)用中收到良好的效果，證明是切實(shí)可行的。
　　（2）灌溉系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)   由于各灌區(qū)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(tǒng)設(shè)計(jì)方法。人工很難設(shè)計(jì)出盡善盡美的灌溉系統(tǒng)，而專(zhuān)家系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部的知識(shí)庫(kù)，利用豐富的知識(shí)可以解決規(guī)劃設(shè)計(jì)中的復(fù)雜問(wèn)題。水利部農(nóng)田
灌溉研究所與合肥智能研究所合作開(kāi)發(fā)的華北地區(qū)節(jié)水型農(nóng)業(yè)技術(shù)專(zhuān)家系統(tǒng)（NCWSA），針對(duì)華北地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)存在的問(wèn)題，提出了節(jié)水型技術(shù)體系的總體規(guī)劃及實(shí)施的有關(guān)措施；Srinvasan等開(kāi)發(fā)了多功能的專(zhuān)家系統(tǒng)，可用于各種情況下的灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行灌溉系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行渠系優(yōu)化布置，為灌溉管理提供各種咨詢(xún)服務(wù)，對(duì)于情況復(fù)雜的灌區(qū)很有幫助。
    4 構(gòu)建灌溉管理專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題
　�。�1）突出多學(xué)科集成
     農(nóng)業(yè)是一個(gè)多方面的綜合體，影響因素繁多，時(shí)空差異和變異性大，生產(chǎn)穩(wěn)定性和可控制性差，易遭受氣候、氣象、病蟲(chóng)害的侵襲，在用水管理中需要考慮這些因素�，F(xiàn)在國(guó)外已開(kāi)始研制跨學(xué)科的綜合專(zhuān)家系統(tǒng)，Perry等人于1990年開(kāi)發(fā)出關(guān)于大豆生長(zhǎng)和水管理的聯(lián)合模型系統(tǒng)，用于作物生長(zhǎng)、病蟲(chóng)害、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響的管理和評(píng)價(jià)；W．D．
Batche1or等人1992年開(kāi)發(fā)的作物管理系統(tǒng)，既用于灌溉管理，也用于病蟲(chóng)害防治。已開(kāi)發(fā)的機(jī)械、營(yíng)養(yǎng)、灌溉、除草、病情診斷、收獲、市場(chǎng)等方面的專(zhuān)家系統(tǒng)，有必要綜合在
一個(gè)大的專(zhuān)家系統(tǒng)內(nèi)，以發(fā)揮更有效的作用。多學(xué)科集成的想法正是適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要提出的，是專(zhuān)家系統(tǒng)必然的發(fā)展方向，也是灌溉管理專(zhuān)家系統(tǒng)研究中應(yīng)特別注意的問(wèn)題。
　�。�2）面向多層次設(shè)計(jì)
   專(zhuān)家系統(tǒng)服務(wù)的對(duì)象并不都在同一個(gè)層次上，文化程度存在較大的差異，不同對(duì)象要求獲取信息的復(fù)雜程度不同，所操作的專(zhuān)家系統(tǒng)和輸出的內(nèi)容復(fù)雜程度也不相同，因此開(kāi)發(fā)不同層次的專(zhuān)家系統(tǒng)（如面向灌溉管理專(zhuān)業(yè)人員、農(nóng)村技術(shù)人員、農(nóng)戶(hù)的灌溉專(zhuān)家系統(tǒng)）也是需要考慮的一個(gè)問(wèn)題。
　　（3）注重多種技術(shù)的綜合運(yùn)用
　　目前的專(zhuān)家系統(tǒng)在建模中多利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)回歸模型，這些模型一般只考慮部分影響因素，而任何一個(gè)問(wèn)題都可能受到更多因素的共同作用，因此建模時(shí)應(yīng)考慮多因素的影響�，F(xiàn)在常用的建模方法所建的模型很難達(dá)到要求。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、隨機(jī)模擬等多種技術(shù)的研究日趨成熟，將這些技術(shù)用于專(zhuān)家系統(tǒng)必然會(huì)增加其處理功能；尤其是在解決一些復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，人類(lèi)專(zhuān)家也很難準(zhǔn)確表達(dá)自己的想法，或者很難找出其規(guī)律，應(yīng)用這些技術(shù)可以幫助知識(shí)工程師解決問(wèn)題。

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