农业专家系统

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　　农业专家系统又称农业智能系统，它是一个具有大量农业专门知识与经验的计算机系统。它应用人工智能的专家系统技术，在整理一个或多个农业专家提供的特殊领域知识和技术经验的基础上，用计算机模拟专家的智能，通过推理和判断，为农业生产中某一复杂的问题提供决策Ⅲ。作为一种智能化的农业信息系统，它不但是农业现代化的载体，用其传播各类实用的农业知识和科技成果；而且拥有多方面、高层次的农业专家知识，能以形象、直观的方式向用户提供各种农业问题的咨询服务与决策方案，可以应用于农业的各个领域，如作物栽培、病虫害防治、配方施肥、农业经济效益分析、市场销售管理、生态环境等。^[1]

　　1．国外农业专家系统的应用现状

　　国际上，农业专家系统的研究是从20世纪70年代末开始，以美国最为先进和成熟。1978年，美国伊利诺斯大学开发的大豆病虫害诊断专家系统(PLANT／ds)是世界上应用最早的[21。到了20世纪80年代中期，随着专家系统技术的成熟完善，农业专家系统在国际上得到了迅速发展，功能上已从解决单项问题的病虫害诊断转向解决生产管理、经济分析、辅助决策、环境控制等综合问题的多个方向发展。

　　2O世纪90年代，在专家系统的研究中，以欧洲、日本、美国最为突出。如1991年荷兰ZviHoehman等开发的用于肉牛养殖场的专家系统，囊括了牛的育种、草场改良和草场质量监控3个领域；1992年，Montas等使用地理信息系统(GIS)和专家系统相结合为水土保持计划决策提供依据；1993年，英国Gareth等开发了用户农业环境保护培训的KMS系统；1995年，URSPKREVIER等开发的GAAT工具，用于开发分析天然牧场系统的经济效益的多知识库专家系统；1996年，以色列Wolfson开发的花卉管理专家系统，1997年，希腊Yialouris开发的用于土地评价的EXGIS专家系统和1998年意大利Jacucci等开发的用于灌溉管理的HYDRA专家系统等。

　　2.国内农业专家系统的应用现状

　　我国农业专家系统的研究开始于20世纪80年代，研究与应用起步较早，许多科研院所、高等院校和各地有关部门都开展了各种农业专家系统的研究、开发及推广应用『5]。如中国农业大学的作物病虫预测专家系统和农作制度专家系统；中国农业科学院农业气象研究所的玉米低温冷害防御专家系统；浙江大学与中国农业科学院蚕桑研究所合作的蚕育种专家系统；河北省农业厅与廊坊市农林局开发的冀北小麦专家系统等同。20世纪90年代以后，我国的农业专家系统得到了迅速发展，并且引起了有关部门的高度重视问。1998年12月，国家科技部召开的全国农业信息化技术工作会议明确提出：农业专家系统是农业信息技术的突破口。国家自然科学基金委、科技部、农业部和许多省级部门都安排了相应的攻关课题；“863”项目已将农业专家系统等智能化农业信息技术列为国家重点课题，搭建了我国农业专家系统研究开发的战略平台，为农业专家系统的进一步开发起到了积极催化作用。

　　进入2l世纪以后，农业专家系统的开发速度日益加快，不仅数量增多，而且涉及的领域也更加全面，开发的深度和广度有了很大的进展，为大范围推广应用农业专家系统铺平了道路。如柴萍等开发的农业专家系统在小麦栽培管理中的应用，米湘成等开发的水稻高产栽培专家决策系统，涂云华等开发的番茄栽培管理专家系统，李佐华等开发的温室番茄病虫害缺素诊断与防治系统等。这些农业专家系统的开发，一定程度上促进了农业科技成果的转化，为发展高产、优质、高效农业作出了积极的贡献。

　　(一)应用中存在的问题和对策

　　1.农业专家系统的应用与开发脱节

　　我国的一些农业专家系统只强调应用，缺乏进行二次开发所需的专家系统开发工具，使用者无法根据当地实际情况创建知识库和模型库，限制了专家系统的进一步应用．有些农业专家系统虽提供了开发工具，但缺少通用的模板和模型，要求使用者具有一定的计算机基础技术，缩小了专家系统的应用范围．因此，农业专家系统应该同时注重开发与应用两个方面．农业专家系统适用对象狭窄．一些农业专家系统追求所谓先进性，要求高档次的硬软件，也要求使用者有一定的计算机技术基础，很难在农业基层普及；一些农业专家系统与领域知识结合不够，停留于科普性知识介绍，其先进性和实用性不高．

　　2.人工智能技术还不成熟

　　至今为止，在农业专家系统等人工智能技术中，由专家整理出来的知识大多属于这个领域的浅层知识，形式上也主要是条件规则型知识．因为知识种类、数量可能很多，难于详细检验，待到专家系统具体使用这些知识时，机械死板的计算机程序就有可能推导出一些错误的结论．另外，目前各种专家系统在收集、整理专家知识时并没有把专家是如何学习、获得这些知识的知识整理出来，这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力，结果导致系统的表现只能处理人类专家见过的各种情况，不能“随机应变”，人工智能面临严峻的考验．因此，研究和开发面向基础科技人员、基层农技人员和广大农民群众三个层次的农业专家系统是十分必要的．农业专家系统多是静态的系统．农业专家系统要解决的是农业生产中的问题，这些问题大多具有四维特性，这就要求系统的知识库、数据库、模型库必须是动态的，能随着时间的推移不断更新．而我国目前的农业专家系统多是静态的，时效性差，实用性不高，因此，在农业专家系统的建设过程中必须注意其动态性．农业专家系统源于人工智能技术，近年来与数据库技术相结合，并取得成功．但农业生产要求系统要不断有新技术的支持，以适应农业生产的发展，新技术包括“3s”技术、多媒体技术、计算机技术、网络技术等。

　　(二)发展中存在的问题和对策

　　1.知识获取困难、存储方式落后

　　我国是农业大国，农业信息资源极其丰富，但农业信息网络和数据库的建设严重滞后，缺乏有序管理，使专家系统的知识来源比较单一．另外，我国已完成了农业普查、土地利用现状调查等基础性工作，取得了大量的属性数据图和形数据，这是农业专家系统的基础数据．但这些数据大多以纸为存储介质，不但信息的精度和数量受到限制，信息的更新也不方便，影响其时效性．以软盘、光盘和CCT磁带为存储介质的数据仓库技术，在“GPS”等技术支持下，不但能存储属性数据，还能通过数字化存储图形数据，通过地理编码实现属性数据和图形数据的对应连接．农业专家系统应采用这些存储手段．

　　2.没有通用的知识表示方法

　　在我国专家系统的构建过程中，对精确性知识多采用产生式规则方法，但每一种知识表示方法只能适用于表示某种或某些类型的知识，至今还没有通用的知识表示方法．农业领域知识的复杂性，要求多样性的知识表示方法，例如基于面向对象的知识表示、人工神经元网络等．

　　3.推理策略比较单一

　　我国农业专家系统的推理策略比较单一，三种推理方式基本上是针对规则型知识的，而实际生产中的许多事实、概念并不能精确描述，不能使用精确推理规则，而需借助于概率论、证据理论、模糊理论等数学方法．

　　4.开发工具不完善

　　我国农业专家系统的开发工具在应用国外较成熟的开发工具，如PC、SHELL、EX2PORT等的同时，也自主研制了一些开发工具．但目前国内开发的农业专家系统生成工具大都在处理文字描述的定性知识方面功能较强，而在处理用数学模型描述的定量知识方面很少涉及．多功能、高效的专家系统开发工具壳(ExpertSystemShells)的研制开发，是信息技术发展的必然趋势。

　　1.系统数据动态化

　　农作物生产系统是由生态系统、经济系统和技术系统在持定的空间和时间上(四维特性)组合而成的复杂大系统，它是一个多因素、多层次、多目标、关系纵横交叉的复合系统。这一系统的复杂性、动态性、模糊性和不可确定性是其它专家系统无法比拟的。由于农作物生产的这一特性，就要求专家系统中的基础数据不但是海量的，而且必须是动态的。如知识库、数据库、模型库必须要不断有新的知识、新数据、新技术来更新扩充支撑，尽快解决农业生产中的实际问题。“3S”技术即地理信息系统(GeographicInformationSystem)、全球定位系统(GlobalPositioningSystem)以及遥感技术(RemoteSensing)为核心的包括多媒体技术、计算机技术和计算机网络技术，为专家系统的构建提供了巨大的技术支撑。因为“3S”技术的集成首先缓解了专家系统知识源和数据库的缺乏问题，提供了海量的基础数据，为专家系统基础数据库、知识库和模型库的建立提供了数据支持，使农作物生产管理立体化、空间化和实时化。其次，提供的数据不仅量大、全面、而且动态、可更新的，因而使知识库、数据库和模型库具有强大的生命力，这极大地丰富了农业专家系统有功能和使价值。

　　2.系统功能集成化

　　农作物生产是一个多方面的综合体，影响因素繁多，时空差异和变异性大，生产稳定性和可控性差，随时可能遭受气候、气象、病虫害的侵袭，因此需要不同的相关的多个领域专家系统共同合作。将系统模拟、地理信息系统、全球定位系统、决策支持系统等技术相结合，这些集成技术可以更有效地研究气候变化对农业的影响、土地评价以及农业环境保护等问题。

　　3.系统技术综合化

　　现有的专家系统在建模中多利用简单的数学回归模型，这种模型一般只考虑部分因素，而作物生产过程中需要解决的问题往往是多个因素的共同作用，因此建模时应考虑多因素的影响。目前，人工神经网络、模糊数学、随机模拟等多种技术的研究日趋成熟，将这些技术用于专家系统必然会增加其处理功能。尤其是在解决一些复杂问题时，人类专家有时很难准确表达自己的想法，或者很难找出其规律，利用这些技术可以帮助知识工程师解决问题。

　　4.系统应用网络化

　　进一步提高农业专家系统的智能化和本土化程度，通过网络传送走向田间将成为一种趋势。网络技术无疑可以弥补我国农业的分散与闭塞弱势。光纤化和宽带化的国家网络建设，为农业专家系统应用网络化提供了良好的硬件条件。因此，未来农业专家系统在设计阶段首先要考虑网络化、数据共享问题。能够成功地在网上运行的系统才真正具有强大的生命力和实用性，符合农业生产与管理的要求。

　　5.系统面向多层次设计

　　专家系统服务的对象并不都在同一个层次上，文化程度存在较大的差异，不同对象要求获取信息的复杂程度不同，所操作的专家系统和输出的内容复杂程度也不相同，因此开发不同层次的专家系统(如面向灌溉管理专业人员、农村技术人员、农户的灌溉专家系统)也是需要考虑的一个问题。

　　6.系统开发市场化

　　我国已经成功加入WTO，因此农业专家系统的建造不应忽视国际市场的需求，开发既能满足我国需求也能适宜国际需求的农业专家系统是必要的。

　　7.创造良好的农业专家系统应用的外部环境

　　目前，我国农村计算机的普及(包括上网)虽然初显端倪，但由于资金、条件和培训对象文化程度等诸多因素的限制，推广和普及计算机依然存在着许多实际困难，与经济和社会发展的要求相差甚远，远远滞后于其他行业，与发达国家相比更显不足，从而也影响了农业专家系统的更进一步推广应用。为此，必须从计算机技术培训人手，传播和普及计算机技术，并进一步在现有的有线通信技术体系中，减少农村缺乏网络服务商的服务及农民文化素质低等重大障碍，改善农民的上网条件。另外，农业企业是我国农业生产的主力军之一，只有农业企业积极使用农业专家系统，大力推进电子商务，才能提供全球服务、提升企业形象、开拓潜在市场、增加企业利润，才能使企业信息化走向实务。由于农业生产具有生产周期长、成本高、风险大、收益低等特点，我国大部分企业分散经营、环境闭塞、信息不灵、传递不便，难以形成竞争优势。而在市场经济下，随着全球经济一体化的发展和我国加入WTO进程的加快，企业信息化能使人力、物力、财力以及内外部信息资源得以充分开发和利用，从而降低成本，提高经济效益，在激烈的竞争中找到自己生存与发展的空间，并最终使农业专家系统更好地为农业、农村、农民服务创造一个良好的外部环境。