農業專家系統

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　　農業專家系統又稱農業智能系統，它是一個具有大量農業專門知識與經驗的電腦系統。它應用人工智慧的專家系統技術，在整理一個或多個農業專家提供的特殊領域知識和技術經驗的基礎上，用電腦模擬專家的智能，通過推理和判斷，為農業生產中某一複雜的問題提供決策Ⅲ。作為一種智能化的農業信息系統，它不但是農業現代化的載體，用其傳播各類實用的農業知識和科技成果；而且擁有多方面、高層次的農業專家知識，能以形象、直觀的方式向用戶提供各種農業問題的咨詢服務與決策方案，可以應用於農業的各個領域，如作物栽培、病蟲害防治、配方施肥、農業經濟效益分析、市場銷售管理、生態環境等。^[1]

　　1．國外農業專家系統的應用現狀

　　國際上，農業專家系統的研究是從20世紀70年代末開始，以美國最為先進和成熟。1978年，美國伊利諾斯大學開發的大豆病蟲害診斷專家系統(PLANT／ds)是世界上應用最早的[21。到了20世紀80年代中期，隨著專家系統技術的成熟完善，農業專家系統在國際上得到了迅速發展，功能上已從解決單項問題的病蟲害診斷轉向解決生產管理、經濟分析、輔助決策、環境控制等綜合問題的多個方向發展。

　　2O世紀90年代，在專家系統的研究中，以歐洲、日本、美國最為突出。如1991年荷蘭ZviHoehman等開發的用於肉牛養殖場的專家系統，囊括了牛的育種、草場改良和草場質量監控3個領域；1992年，Montas等使用地理信息系統(GIS)和專家系統相結合為水土保持計劃決策提供依據；1993年，英國Gareth等開發了用戶農業環境保護培訓的KMS系統；1995年，URSPKREVIER等開發的GAAT工具，用於開發分析天然牧場系統的經濟效益的多知識庫專家系統；1996年，以色列Wolfson開發的花卉管理專家系統，1997年，希臘Yialouris開發的用於土地評價的EXGIS專家系統和1998年義大利Jacucci等開發的用於灌溉管理的HYDRA專家系統等。

　　2.國內農業專家系統的應用現狀

　　我國農業專家系統的研究開始於20世紀80年代，研究與應用起步較早，許多科研院所、高等院校和各地有關部門都開展了各種農業專家系統的研究、開發及推廣應用『5]。如中國農業大學的作物病蟲預測專家系統和農作制度專家系統；中國農業科學院農業氣象研究所的玉米低溫冷害防禦專家系統；浙江大學與中國農業科學院蠶桑研究所合作的蠶育種專家系統；河北省農業廳與廊坊市農林局開發的冀北小麥專家系統等同。20世紀90年代以後，我國的農業專家系統得到了迅速發展，並且引起了有關部門的高度重視問。1998年12月，國家科技部召開的全國農業信息化技術工作會議明確提出：農業專家系統是農業信息技術的突破口。國家自然科學基金委、科技部、農業部和許多省級部門都安排了相應的攻關課題；“863”項目已將農業專家系統等智能化農業信息技術列為國家重點課題，搭建了我國農業專家系統研究開發的戰略平臺，為農業專家系統的進一步開發起到了積極催化作用。

　　進入2l世紀以後，農業專家系統的開發速度日益加快，不僅數量增多，而且涉及的領域也更加全面，開發的深度和廣度有了很大的進展，為大範圍推廣應用農業專家系統鋪平了道路。如柴萍等開發的農業專家系統在小麥栽培管理中的應用，米湘成等開發的水稻高產栽培專家決策系統，塗雲華等開發的番茄栽培管理專家系統，李佐華等開發的溫室番茄病蟲害缺素診斷與防治系統等。這些農業專家系統的開發，一定程度上促進了農業科技成果的轉化，為發展高產、優質、高效農業作出了積極的貢獻。

　　(一)應用中存在的問題和對策

　　1.農業專家系統的應用與開發脫節

　　我國的一些農業專家系統只強調應用，缺乏進行二次開發所需的專家系統開發工具，使用者無法根據當地實際情況創建知識庫和模型庫，限制了專家系統的進一步應用．有些農業專家系統雖提供了開發工具，但缺少通用的模板和模型，要求使用者具有一定的電腦基礎技術，縮小了專家系統的應用範圍．因此，農業專家系統應該同時註重開發與應用兩個方面．農業專家系統適用對象狹窄．一些農業專家系統追求所謂先進性，要求高檔次的硬軟體，也要求使用者有一定的電腦技術基礎，很難在農業基層普及；一些農業專家系統與領域知識結合不夠，停留於科普性知識介紹，其先進性和實用性不高．

　　2.人工智慧技術還不成熟

　　至今為止，在農業專家系統等人工智慧技術中，由專家整理出來的知識大多屬於這個領域的淺層知識，形式上也主要是條件規則型知識．因為知識種類、數量可能很多，難於詳細檢驗，待到專家系統具體使用這些知識時，機械死板的電腦程式就有可能推導出一些錯誤的結論．另外，目前各種專家系統在收集、整理專家知識時並沒有把專家是如何學習、獲得這些知識的知識整理出來，這樣開發的專家系統並不具有真正的學習能力，結果導致系統的表現只能處理人類專家見過的各種情況，不能“隨機應變”，人工智慧面臨嚴峻的考驗．因此，研究和開發麵向基礎科技人員、基層農技人員和廣大農民群眾三個層次的農業專家系統是十分必要的．農業專家系統多是靜態的系統．農業專家系統要解決的是農業生產中的問題，這些問題大多具有四維特性，這就要求系統的知識庫、資料庫、模型庫必須是動態的，能隨著時間的推移不斷更新．而我國目前的農業專家系統多是靜態的，時效性差，實用性不高，因此，在農業專家系統的建設過程中必須註意其動態性．農業專家系統源於人工智慧技術，近年來與資料庫技術相結合，並取得成功．但農業生產要求系統要不斷有新技術的支持，以適應農業生產的發展，新技術包括“3s”技術、多媒體技術、電腦技術、網路技術等。

　　(二)發展中存在的問題和對策

　　1.知識獲取困難、存儲方式落後

　　我國是農業大國，農業信息資源極其豐富，但農業信息網路和資料庫的建設嚴重滯後，缺乏有序管理，使專家系統的知識來源比較單一．另外，我國已完成了農業普查、土地利用現狀調查等基礎性工作，取得了大量的屬性數據圖和形數據，這是農業專家系統的基礎數據．但這些數據大多以紙為存儲介質，不但信息的精度和數量受到限制，信息的更新也不方便，影響其時效性．以軟盤、光碟和CCT磁帶為存儲介質的數據倉庫技術，在“GPS”等技術支持下，不但能存儲屬性數據，還能通過數字化存儲圖形數據，通過地理編碼實現屬性數據和圖形數據的對應連接．農業專家系統應採用這些存儲手段．

　　2.沒有通用的知識表示方法

　　在我國專家系統的構建過程中，對精確性知識多採用產生式規則方法，但每一種知識表示方法只能適用於表示某種或某些類型的知識，至今還沒有通用的知識表示方法．農業領域知識的複雜性，要求多樣性的知識表示方法，例如基於面向對象的知識表示、人工神經元網路等．

　　3.推理策略比較單一

　　我國農業專家系統的推理策略比較單一，三種推理方式基本上是針對規則型知識的，而實際生產中的許多事實、概念並不能精確描述，不能使用精確推理規則，而需藉助於概率論、證據理論、模糊理論等數學方法．

　　4.開發工具不完善

　　我國農業專家系統的開發工具在應用國外較成熟的開發工具，如PC、SHELL、EX2PORT等的同時，也自主研製了一些開發工具．但目前國內開發的農業專家系統生成工具大都在處理文字描述的定性知識方面功能較強，而在處理用數學模型描述的定量知識方面很少涉及．多功能、高效的專家系統開發工具殼(ExpertSystemShells)的研製開發，是信息技術發展的必然趨勢。

　　1.系統數據動態化

　　農作物生產系統是由生態系統、經濟系統和技術系統在持定的空間和時間上(四維特性)組合而成的複雜大系統，它是一個多因素、多層次、多目標、關係縱橫交叉的複合系統。這一系統的複雜性、動態性、模糊性和不可確定性是其它專家系統無法比擬的。由於農作物生產的這一特性，就要求專家系統中的基礎數據不但是海量的，而且必須是動態的。如知識庫、資料庫、模型庫必須要不斷有新的知識、新數據、新技術來更新擴充支撐，儘快解決農業生產中的實際問題。“3S”技術即地理信息系統(GeographicInformationSystem)、全球定位系統(GlobalPositioningSystem)以及遙感技術(RemoteSensing)為核心的包括多媒體技術、電腦技術和電腦網路技術，為專家系統的構建提供了巨大的技術支撐。因為“3S”技術的集成首先緩解了專家系統知識源和資料庫的缺乏問題，提供了海量的基礎數據，為專家系統基礎資料庫、知識庫和模型庫的建立提供了數據支持，使農作物生產管理立體化、空間化和實時化。其次，提供的數據不僅量大、全面、而且動態、可更新的，因而使知識庫、資料庫和模型庫具有強大的生命力，這極大地豐富了農業專家系統有功能和使價值。

　　2.系統功能集成化

　　農作物生產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，生產穩定性和可控性差，隨時可能遭受氣候、氣象、病蟲害的侵襲，因此需要不同的相關的多個領域專家系統共同合作。將系統模擬、地理信息系統、全球定位系統、決策支持系統等技術相結合，這些集成技術可以更有效地研究氣候變化對農業的影響、土地評價以及農業環境保護等問題。

　　3.系統技術綜合化

　　現有的專家系統在建模中多利用簡單的數學回歸模型，這種模型一般只考慮部分因素，而作物生產過程中需要解決的問題往往是多個因素的共同作用，因此建模時應考慮多因素的影響。目前，人工神經網路、模糊數學、隨機模擬等多種技術的研究日趨成熟，將這些技術用於專家系統必然會增加其處理功能。尤其是在解決一些複雜問題時，人類專家有時很難準確表達自己的想法，或者很難找出其規律，利用這些技術可以幫助知識工程師解決問題。

　　4.系統應用網路化

　　進一步提高農業專家系統的智能化和本土化程度，通過網路傳送走向田間將成為一種趨勢。網路技術無疑可以彌補我國農業的分散與閉塞弱勢。光纖化和寬頻化的國家網路建設，為農業專家系統應用網路化提供了良好的硬體條件。因此，未來農業專家系統在設計階段首先要考慮網路化、數據共用問題。能夠成功地在網上運行的系統才真正具有強大的生命力和實用性，符合農業生產與管理的要求。

　　5.系統面向多層次設計

　　專家系統服務的對象並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複雜程度不同，所操作的專家系統和輸出的內容複雜程度也不相同，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。

　　6.系統開發市場化

　　我國已經成功加入WTO，因此農業專家系統的建造不應忽視國際市場的需求，開發既能滿足我國需求也能適宜國際需求的農業專家系統是必要的。

　　7.創造良好的農業專家系統應用的外部環境

　　目前，我國農村電腦的普及(包括上網)雖然初顯端倪，但由於資金、條件和培訓對象文化程度等諸多因素的限制，推廣和普及電腦依然存在著許多實際困難，與經濟和社會發展的要求相差甚遠，遠遠滯後於其他行業，與發達國家相比更顯不足，從而也影響了農業專家系統的更進一步推廣應用。為此，必須從電腦技術培訓人手，傳播和普及電腦技術，併進一步在現有的有線通信技術體系中，減少農村缺乏網路服務商的服務及農民文化素質低等重大障礙，改善農民的上網條件。另外，農業企業是我國農業生產的主力軍之一，只有農業企業積極使用農業專家系統，大力推進電子商務，才能提供全球服務、提升企業形象、開拓潛在市場、增加企業利潤，才能使企業信息化走向實務。由於農業生產具有生產周期長、成本高、風險大、收益低等特點，我國大部分企業分散經營、環境閉塞、信息不靈、傳遞不便，難以形成競爭優勢。而在市場經濟下，隨著全球經濟一體化的發展和我國加入WTO進程的加快，企業信息化能使人力、物力、財力以及內外部信息資源得以充分開發和利用，從而降低成本，提高經濟效益，在激烈的競爭中找到自己生存與發展的空間，並最終使農業專家系統更好地為農業、農村、農民服務創造一個良好的外部環境。