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1農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)應具備的基本功能

(1)在產(chǎn)前能根據(jù)用戶的生產(chǎn)條件、生產(chǎn)目的,因地制宜地為用戶提供最佳或較佳的產(chǎn)量指標、效益指標以及達到指標的優(yōu)化技術(shù)方案。不同的生產(chǎn)條件組合或/和生產(chǎn)目的應有不同的產(chǎn)量指標、效益指標及相應的技術(shù)方案,也就是說一但某一生產(chǎn)要素或/和生產(chǎn)目的發(fā)生變化,其產(chǎn)量指標、效益指標及技術(shù)方案也應發(fā)生相應的變化[1]。

(2)在生產(chǎn)中能對出現(xiàn)的問題,根據(jù)用戶提供的信息進行推導,判斷出問題出現(xiàn)的原因,并提供可行、有效的解決辦法[2]。

(3)在產(chǎn)后能根據(jù)用戶產(chǎn)品的數(shù)、質(zhì)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(tǒng)”智能的體現(xiàn)。專家系統(tǒng)的靈敏度、結(jié)論的可靠性、技術(shù)措施的可行性是衡量專家系統(tǒng)智能水平高低的重要尺度,它與專家系統(tǒng)集成知識數(shù)量、質(zhì)量以及推理的合理性密切相關(guān)。

2開發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的工作步驟

云南地處我國西南低緯度高原內(nèi)陸地區(qū),地貌特殊,生態(tài)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(nóng)業(yè)高度分散,影響因素十分復雜、時空變異大、生產(chǎn)的可控性和穩(wěn)定性均差,有很強的地域性。由于自然條件復雜,加之農(nóng)業(yè)自身固有的行業(yè)弱勢,給農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的開發(fā)增加難度,多年研制實踐表明,按下述的工作步驟開發(fā),既能保證“系統(tǒng)”的本地化和實用性,又能縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本[3~7](圖1)。開發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是一個跨學科的課題,應由熟悉計算機編程的農(nóng)業(yè)專家統(tǒng)籌規(guī)劃,合理布署。

3開發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3•1擬定指標的標準及指標模型化

作物生產(chǎn)的指標,一般包括產(chǎn)量指標、質(zhì)量指標、效益指標,它們受控于生產(chǎn)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(jù)之一。產(chǎn)量指標和效益指標常用高、中、低來描述,質(zhì)量指標常用優(yōu)、中、差來描述,不論“高、中、低”還是“優(yōu)、中、差”均屬模糊概念。衡量產(chǎn)量和效益的“高、中、低”其數(shù)值界線隨地區(qū)或生產(chǎn)條件不同而不同。合理確定不同地區(qū)高、中、低三者的數(shù)值界線,直接關(guān)系到“系統(tǒng)”的實用性。衡量質(zhì)量的“優(yōu)、中、差”地域性雖然不強,但其內(nèi)容比較復雜,可參考部頒標準擬定三者之間的數(shù)值界線。作物生產(chǎn)指標是專家推理決策的重要依據(jù),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(chǎn)指標模型可按下述方法描述:A(產(chǎn)量):a1(高量)、a2(中產(chǎn))、a3(低產(chǎn))B(產(chǎn)量):b1(優(yōu))、b2(中)、b3(差)C(效益):c1(高效)、c2(中效)、c3(低效)生產(chǎn)中常用的指標模型:a1———物質(zhì)缺乏型,只考慮產(chǎn)品數(shù)量,不考慮成本和質(zhì)量a1c1———對生產(chǎn)條件和技術(shù)水平要求較高a1c2———以產(chǎn)品數(shù)量為主適當考慮效益,此型風險較小a1c3———其特點與物質(zhì)缺乏型相似,高產(chǎn)“攻關(guān)”多采用此型

3•2領域?qū)＜彝评頉Q策思路模型化

模仿農(nóng)業(yè)專家進行推理決策是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的基本特征。要實現(xiàn)這一基本功能,最佳的解決方案是將領域?qū)＜彝评頉Q策思路模型化。這樣,一是便于計算機處理,二是確保推理結(jié)果和人類專家作出的結(jié)果基本相似。通過總結(jié)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(fā)現(xiàn)他們的思路是基本一致,即以田(地)定產(chǎn),以產(chǎn)選擇栽培品種和確定栽培措施,所不同的是在產(chǎn)量構(gòu)成因素的運籌上,有的專家采用增加穗數(shù)達到指標,有的強調(diào)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(chǎn)量、質(zhì)量、效益及農(nóng)藝措施的主導

因子影響作物產(chǎn)量、質(zhì)量、效益及農(nóng)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(tǒng)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(guī)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(shù)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(chǎn)量,提高品質(zhì),提高效益均有利,有些因子對增加產(chǎn)量有利而對提高品質(zhì)和/或效益則不利,有些因子對提高品質(zhì)有利,而對增加產(chǎn)量和/或提高效益不利等等。在開發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)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(guān)系,篩選影響各指標及農(nóng)藝措施的主導因子,并恰當量化。在此基礎上探索協(xié)調(diào)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(fā)既有實用性,又有較高水平農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的關(guān)鍵之關(guān)鍵。例如:云南省農(nóng)科院植保所開發(fā)的“云南水稻栽培專家系統(tǒng)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(shù)量及質(zhì)量等8個因子作為影響水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、效益和各項農(nóng)藝措施的主導因子,并通過一組多元二次函數(shù)來協(xié)調(diào)上述的各種矛盾,應用效果很好。

3•4擬定恰當?shù)闹R獲取方案

開發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)除農(nóng)業(yè)領域知識外,還需大量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)基礎數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)領域知識可以通過:①與農(nóng)業(yè)專家交流,最好假設一些生產(chǎn)條件和假設一些生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題,請有代表性的專家針對假設的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題,提供技術(shù)決策和解決問題的方案;②收集各級農(nóng)業(yè)科技機構(gòu)近年有關(guān)的研究結(jié)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(qū)”的有關(guān)數(shù)據(jù)和成果;④查閱文獻和專著等途徑來獲取。與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的基礎數(shù)據(jù)可請各級農(nóng)業(yè)行政部門和有關(guān)的科研機構(gòu)提供。知識獲取是開發(fā)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)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?shù)闹R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(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的核心是知識,其來源于對領域?qū)＜抑R的總結(jié)和概括,農(nóng)業(yè)知識歸納起來可分為:描述型知識、數(shù)據(jù)型知識、規(guī)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(jīng)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(shù)據(jù)型知識:這類知識包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時空數(shù)據(jù),(如地理位置、海拔高度、土壤類型、氣候要素等),生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)(如術(shù)語、概念、技術(shù)、方法、品種、農(nóng)藥、化肥等),此類知識幾乎均是通過數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)來表示[10]。

(3)規(guī)則型知識:包括決策性、判斷性、計算性(如數(shù)學模型)等,這類知識用產(chǎn)生式規(guī)則來表示。產(chǎn)生式規(guī)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(jié)論或行動。必須強調(diào)指出,為了反映人類知識的本質(zhì)特點,對復雜農(nóng)業(yè)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(yōu)”、“劣”、“基本”、“可能”等。這是專家系統(tǒng)比純數(shù)學模型更接近人類智能的特點之所在。

4農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的特點及作用

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是一種擁有高層次、多方面農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)不僅可以保存、傳播各類農(nóng)業(yè)信息和農(nóng)業(yè)知識,而且能把分散的、局部的單項農(nóng)業(yè)技術(shù)綜合集成起來,經(jīng)過智能化信息處理,針對不同的生產(chǎn)條件(自然條件、經(jīng)濟條件、科技水平),給出系統(tǒng)性和應變性很強的各類問題的解決方案,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程或某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供專家水平的服務,從而促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[11]。經(jīng)幾年的應用實踐,農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在下述的幾個方面發(fā)揮了重要作用:

(1)提高農(nóng)民的科技文化素質(zhì),解決農(nóng)業(yè)科技人員短缺的問題:云南省是一個少數(shù)民族集居的邊疆省份,現(xiàn)有農(nóng)業(yè)科技人員的數(shù)量質(zhì)量都不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求,高層次的農(nóng)業(yè)專家更是缺乏,農(nóng)民的科技文化素質(zhì)相對較差,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策帶有較大的主觀性和盲目性。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)專家的模仿物,集成了專家群體的知識和經(jīng)驗,它可以起到高層次,多方面農(nóng)業(yè)專家的作用,利用農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)指導生產(chǎn),操作簡便、快捷,在增產(chǎn)、提高品質(zhì),降低成本方面效果顯著,因而容易被農(nóng)民和農(nóng)村干部所接受,從而提高他們的科技意識和文化素質(zhì)。

(2)促進耕地資源的可持續(xù)利用:隨著交通、能源、工業(yè)、旅游的發(fā)展,云南省的耕地在不斷地減少,這已成為不可逆轉(zhuǎn)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(nèi)涵式節(jié)約和保護耕地資源,提高其利用和生產(chǎn)率的道路,農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)集成了專家群體的知識和經(jīng)驗,可以根據(jù)用戶的生產(chǎn)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(chǎn)量、質(zhì)量、效益)以及具體的栽培措施,從而提高耕地的利用率和產(chǎn)出率,使有限的耕地資源得到最大限度的利用。

(3)提高養(yǎng)分資源的利用率:農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)集成了專家群體的知識和經(jīng)驗,可以根據(jù)不同的自然條件、經(jīng)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(fā),淋溶或者固定的技術(shù)措施,使施肥有了科學合理的依據(jù),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(nóng)藥污染:農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)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(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)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(nóng)藥污染,還不斷地改善各類天敵恢復和發(fā)展的條件。

(5)有利于走資源節(jié)約型的集約可持續(xù)農(nóng)業(yè)之路:實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與提高現(xiàn)實生產(chǎn)力有一定的矛盾,即要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,又要提高農(nóng)業(yè)的現(xiàn)實生產(chǎn)力,一些水平較高的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)可根據(jù)復雜的環(huán)境因素和經(jīng)濟因素,應用專家集體的知識經(jīng)驗以及一些特殊的數(shù)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(shù)方案。雖然我省自然資源豐富,但走集約型可持續(xù)農(nóng)業(yè)之路還是勢在必行。集約化必然是高投入高產(chǎn)出,必須有強大的科技后盾,在加大科技含量的同時,研發(fā)高智能的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)可以為集約化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有關(guān)的各種決策咨詢。