农业专家系统

7. 农业专家系统的基本原理、结构和功能是什么？谈谈你对专家系统在农业生产经营作用的认识？所谓专家系统是一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能程序系统, 它能运用领域专家多年累积的经验和专门知识, 模拟专家的思维过程和决策能力, 解决只有专家才能解决的困难问题.农业专家系统一般由知识库、数据库、推理机、解释部分、知识获取部分组成，其中知识库(知识集合)、数据库(反映系统的内外状态)、推理判断程序(规定选用知识的策略与方式)等部分为核心。

专家系统的工作方式可简单地归结为：运用知识进行推理。

农业专家系统的理论基础研究农业专家决策系统是基于农业专家知识，模仿农业专家进行推理决策，把多项农业技术和知识进行高度集成的计算机应用系统。

一方面，它比一般的计算机信息系统更突出农业专业知识与推理判断的作用，且具有更强针对性的决策咨询能力；另一方面，它比人类农业专家拥有综合性知识和高速的知识处理本领，可以不受时间、空间的限制和人类情感的影响，起到“农村不走”多方面高层次农业专家的作用。

它的理论基础是人工智能的知识表示和问题求解技术。

基本结构见图1⋯I。

知识和推理构成专家系统的两大因素。

专家系统的核心是知识，所以专家系统又称为知识基系统，或基于知识的系统。

以植物病理学专家系统为例：系统结构植物病理学专家系统就是运用电子计算机技术来模拟植病专家的综合、分析、判断等诊断思维过程的过程。

针对上述功能定位, 该系统在分析植物病理学专家判断疾病的实际过程的基础上, 综合应用一般模型和形象思维模型, 设计工作模型。

该系统采用标准的专家系统结构。

从数学上看, 植物病理学专家对病害的诊断是从症状到病种的集合映射。

以棉花几种主要病害为例, 棉花的常见病种构成疾病群空间W= { Q1, Q2, , Qi, P1, P2 , , Pj} , 这些疾病涉及到的所有症状构成症状群空间A= { A1, A2, , An }。

在建立数学模型时, 首先根据植物病理学知识和专家意见,确定每组症状对诊断疾病的支持程度, 即具有该组症状的病株患病害的可能性。

然后采用产生式规则, 建立映射模型WA。

实际应用时, 将各种症候输入, 推理得可能有的病害。

要完成一个植物病理学专家系统必须建立该植物病理学专家的知识库, 建立与这些知识相关的规则库, 以及获取知识的推理模型等。

研制一个植物病理学专家系统的过程,大致有以下一些步骤: 收集对划分起作用的病害症状; 建立规范化的症状表; 收集划分的依据; 建立辨证论治的规则库;收集处理方法; 建立病害的规则库, 建立与该植物病理学专家知识相关的知识库及规则库。

1. 1 知识库知识库的构建分三步, 第一步是从领域专家处吸取知识; 第二步是将知识归纳整理, 以一定的数据结构存入计算机; 第三步是建立知识库管理系统来对知识进行组织、检索和维护。

知识库里, 大约存放着几百条判别规则和几千条关于植物病虫害方面的知识。

一边与用户进行对话,一边进行推理诊断。

这种推理规则称为! 产生式规则∀。

1. 2 综合数据库数据库用于存储相关领域内的初始知识和推理过程中得到的中间信息。

知识库和数据库中涉及到的植物病理学术语、症状和病害名称等转换为由数字和英文字母组成的代码。

这样不仅能加快病例、知识的输入, 而且占用计算机内存小, 从而提高了系统的运行速度。

另外, 代码的规范化也避免了植物病理学术语的不一致性以及人为原因引起的输入差错。

1. 3 推理机推理机是专家系统的! 思维∀机构, 负责模拟领域专家的思维过程, 控制并执行对问题的求解。

推理机的效率和智能水平在很大程度上决定了整个专家系统的智能水平。

该系统采用的推理策略以产生式规则的正向推理为主, 以实例推理为辅。

根据病害病情在规则知识库中搜索与之匹配的标准病害模式, 得到病害病情模式案。

利用用户输入的知识点, 采用的是启发式搜索策略。

1. 4 知识获取程序基本任务是将知识输入到知识库中,并负责维护知识的一致性及完整性。

1. 5 解释机构对专家系统的结论知识库包括相关领域内的原理性知识作出解释, 回答用户的问题。

1. 6 人机界面即专家系统与专家、设计者及一般用户间的界面, 由一组程序和相应的硬件组成, 用于完成输入和输出工作。

2 农业专家系统在植物病理方面的应用以棉花苗期几种常见病虫害的判断为例, 利用产生式规则推断症状群与疾病群的关系, 关于病害的诊断思维过程除了考虑到形式化的推理过程, 还应考虑到病害的多样性、多变性和不确定性, 在面对某些病情复杂、症状不典型或合并症较多的病害时, 添加专家的特异性判别指标。

症状群与疾病群的产生式规则表述如下:2. 1 棉花苗期病害A. 系统的, 子叶真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。

B. 局部的, 子叶真叶, 水渍状小点或小圆斑, 玻璃上一抹有混浊汁液角斑。

局部的, 子叶真叶, 扩大的病斑上有溢脓或结痂角斑。

C. 局部的, 根茎, 黄褐色, 有环状缢缩立枯病。

局部的, 根部, 蛛丝状带土粒, 不是棉花纤维立枯病。

D. 局部的, 根茎部, 梭形长细纤维斑后期爆裂炭疽病。

局部的, 子叶真叶, 边缘暗红中央灰白小圆斑炭疽病。

E. 局部的, 根茎, 深棕色长圆斑, 不凹陷缢缩红腐病。

2. 2 棉花现蕾期病害A. 系统的, 维管束变色且黑褐色, 真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。

B. 系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 蛋黄色小斑, 且黄萎的斑黄萎。

系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 掌状黄萎黄萎。

C. 局部的, 子叶真叶, 水渍状小点或小圆斑, 玻璃上一抹有混浊汁液角斑。

局部的, 子叶真叶, 扩大的病斑上有溢脓或结痂角斑。

D. 局部的, 根茎部, 梭形长细纤维斑后期爆裂炭疽病。

局部的, 子叶真叶, 边缘暗红中央灰白小圆斑炭疽病。

2. 3 棉花花铃期病害A. 系统的, 维管束变色且黑褐色, 真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。

B. 系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 蛋黄色小斑, 且黄萎的斑黄萎。

系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 掌状黄萎黄萎。

C. 局部的, 子叶真叶, 水渍状小点或小圆斑, 玻璃上一抹有混浊汁液角斑。

局部的, 子叶真叶, 扩大的病斑上有溢脓或结痂角斑。

D. 局部的, 根茎部, 梭形长细纤维斑后期爆裂炭疽病。

局部的, 子叶真叶, 边缘暗红中央灰白小圆斑炭疽病。

E. 局部的, 根茎, 深棕色长圆斑, 不凹陷缢缩红腐病。

2. 4 棉花吐絮期病害A. 系统的, 维管束变色且黑褐色, 真叶, 黄网、紫斑、青枯、黄枯症状之一枯萎。

B. 系统的, 维管束变色且黄褐色, 真叶, 蛋黄色小斑, 且黄萎的斑黄萎。

系统的, 维管束变色黄褐色, 真叶, 掌状黄萎黄萎。

C. 局部的, 根茎, 深棕色长圆斑, 不凹陷缢缩红腐病。

在农业上的应用;3 1在植物保护中的应用3．1．1作物病虫预莉预报病虫预测预报需要的基本信息是：病虫害的生物学参数(如发生世代、发生虫态、分布范围、空间分布状况、越冬情况、迁飞滞育类型、分类地位、取食特性，各年龄虫的生长发育存活死亡、生殖参数等)、发生环境状况(如经纬度、地理地貌、农作物布局、耕作方式、农事管理、作物品种等)和气象条件(如温度、湿度、光照、降雨、有效积温等)资料。

这些数据往往需要通过繁琐的计算才能获得，人工操作费时费工．容易出错。

专家系统可根据输入的原始资料自动选择模拟和计算方法来预测或预报目标信息，快速得出预测预报模型，以便掌握其防治时期。

目前我国已有许多地方建立丁这类专家系统。

如谢贤元等研制的scDPM陕西农作物病虫害计算机管理系统，利用该系统的植保人员或用户只要输入简单的初始数据(如作物种类、气象状况、病虫发生情况)就可直接获取未来一定时问内5种农作物上lo种主要病虫害为害情况和何时采取防治措施等结果；全国测报总站和山东省植保站以及广西植保站已组建了牯虫、稻飞虱、稻螟、麦锈病麦蚜、玉米螟，棉铃虫和三化螟等病虫病专家数据库。

此类系统除具有一般数据库通用的查询、分类、检索等功能外，还能自动生成预测式并进行预测预报口卜枷。

3．1．2作物病虫杂革的分类、检索，识刺、诊断分类鉴定和检索诊断基本信息是：寄主作物、发生时期、地理区域及生物本身的宏观特征(如虫体大小、蘸色、体形、燕型及危害症状等)。

人工开具病虫处方，要求工作人员要有牢固的植物保护基础知识和丰富的实践经验，由于工作效率低，查询大量资料的难度大，植物医生无法及时满足农户的需要a专家系统把这些资料编制成简单的程序．来达到迅速确定目标信息的目的，从而得到最佳防治时期和方案。

如程家安研制的稻褐飞虱防治专家系统通过200多条事实判断，能方便地用于稻褐飞虱的防治；唐乐尘等口3研制的“作物处方生成专家系统”在用户输入主治病虫时，系统不但可向用户提供1～3种兼治病虫．同时还提供使用的药剂类型和性能、成本高限、防治效果、经济效益以及残效期限等；杨怀卿等“”研制的“棉田有害生物综合治理多媒体辅助系统”，应用现代多媒体技术处理数字音频文件，使该系统具有图文并茂生动活泼的配音效果功能t 更方便用户查询浏览和接受。

该系统1998～1999年在陕西省I|缶汾地区初步演示示范推广2万公顷，增加经济效益4 200万元，并收到良好的社会效益．3．2在作物育种中的应用新品种选育是相当复杂的长期过程，由于作物生长周期长，许多遗传、变异规律还不清楚，因此，优良品种的选育相当困难．育种成功率较低。

辽宁省农科院研制的水稻新品种选育专家系统，是将丰富的专家经验融汇在水稻育种全过程中，使水稻自亲本选择漕l配组合、杂交后代处理和选择到良种评价和区域试验形成完整体系。

该软件是用计算机模拟知名水稻专家的育种思想和预测、决策过程。

把专家的育种经验同作物遗传规律有机地结台在一起，增强了水稻育种工作的预见性，提高了育种效率，加速了育种进程，能够促进遗传育种研究理论水平的提高，推动农业生产的发展。

另外，中国农业科学院作物所研制开发的。

冬小麦新品种选育专家系统”和。

玉米杂交种选育专家系统”等对继承、传播著名育种家经验思想，提高作物育种科学水平起到了积极推动作用。

3．3在作物栽培中的应用3．3．1预测与动态调控预测是通过模拟模型得以实现”“．如作物模拟模碰的建立，通常要求输入如作物品种特性、土壤理化特性、天气、历史天气数据以及农业实践参数等数据．然而在复杂的农业生产中许多模型不能实用t它必须引入专家知识，也就是说在模型系统之上耦合包含知识的专家系统，使之系统形成以模型为基础(定量)，以专家知识为准(定性)的“专家曲线”。

系统以“专家曲线”和一些高产栽培原则及生育指标为标准，当预测的作物生长发育偏离时，系统分析原因，推荐一个适宜的调控措施(如改变播种期、播种量或肥料运筹等)和调控时期。