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1、 浙 江 大 学 课程论文 （2013-2014学年秋冬学期）论文题目： 农业专家系统的研究进展及实例剖析 课程名称： 人工智能及专家系统 任课教师： 学号： 姓名： 完成日期： 农业专家系统的研究进展及实例剖析摘要：专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一个应用领域，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用。应用于某专门领域，拥有专家级知识，能模拟专家的思维，能达到专家级水平，并能用这些知识来解决实际问题。它的迅速发展和广泛应用大大推进了各个应用领域向智能化方向发展。本文对专家系统的农业应用领域研究进展进行分析,并举出几种专家系统，对其进行实例剖析，再对国外学者对农业专家系统研究进行简单的介
2、绍，最后对农业专家系统未来的发展方向作出展望。关键词：农业专家系统、人工智能、进展、实例剖析1 引言专家系统(ES，Expert System)，就是一种在特定领域内具有专家水平解决问题能力的程序系统。它能够有效地运用专家多年积累的有效经验和专门知识，通过模拟专家的思维过程，解决需要专家才能解决的问题，它能对决策的过程作出解释，并有学习功能，即能自动增长解决问题所需的知识。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统在农业上的应用叫做农业专家系统（又叫农业智能系统），它是将人工智能的知识工程原理应用于农业领域的一项高新技术，是一种智能化的农业信息系统。它是运用知识
3、表示、推理、知识获取等技术，总结农业专家的宝贵经验、实验数据及数学模型，建造起来的计算机农业软件系统。2 农业专家系统概述农业专家系统一般由知识库、推理机、数据库、解释机、知识获取机和用户界面等几部分组成，其结构如图1所示；其中，知识库和推理机是农业专家系统的核心。知识库用以存取农业专家提供的专门知识；推理机是根据知识库进行各种搜索和推理的程序模块；解释机对系统给出的结论、求解过程以及求解状态提供说明；数据库存储推理过程中所需要和产生的各种信息；知识获取机自动获取专门知识并不断完善知识库；用户界面实现系统和专家或用户的信息转换。图1农业专家系统的结构3 农业专家系统的研究进展20世纪80年代以
4、来，随着信息技术的迅速发展，农业专家系统在国际上有了较大的发展。从分布区域看，美国占绝大部分，几乎占 80%；从应用领域看，涉及到作物栽培、施肥、病虫害防治、杂草控制、森林环保、家畜饲养、农业经济效益分析、储存管理、市场管理等方面。农业专家系统是农业专家知识和信息技术相结合的产物。随着信息技术的发展，农业专家系统发展呈现 4 个阶段。3.1 单功能农业专家系统(SPAES)该阶段是农业专家系统的起始阶段，时间是 20世纪 70 年代末到 80 年代初。当时CPU主频低（1978年6月，处理器 68020 的主频仅为16MHz）、数据处理能力低,关系数据库也刚刚起步1,3，因此该阶段农业专家系统
5、功能单一，只相当于某一领域专家，解决特定问题，如病虫害防治、灌水管理、危害预测等。例如，1978年美国伊利诺斯大学(IllinoisUniversity)开发的大豆病虫害诊断专家系统,是世界上应用最早的农业专家系统；美国 California大学1981年开发了灌水管理专家系统。3.2 多功能农业专家系统（MPAES）到了20世纪80年代中期，计算机的处理器性能有所提高(1989年4月，处理器486DX4/100主频达到 100MHz)，关系数据也有较大发展3，此时专家系统在功能上已从解决单一问题的病虫害诊断等转向解决农业生产管理、经济分析、辅助决策、环境控制等综合问题。该阶段专家系统能够实现
6、多功能，相当于多领域专家的结合，解决多个领域的复杂问题。例如，东京大学的西红柿栽培管理专家咨询系统,温室黄瓜栽培管理专家系统，6种温室蔬菜病、虫和营养失调诊断专家系统。3.3 基于模型的农业专家系统（MBAES）20 世纪 60 年代开始了作物生长模拟模型研究；80年代，随着模拟模型技术的逐渐成熟，计算机处理性能和数据库技术进一步发展，形成了以作物生长模拟模型为核心，将模拟与优化相结合并与有关领域专家知识融合，形成了基于模型的专家系统。该阶段专家系统很好地利用了计算机技术结合作物模拟模型，增强了专家系统的机理性和决策功能，充分地体现了数据库、模拟模型、知识库、推理机的有机结合4。该系统具有解释
7、能力强、应用面宽、考虑的影响因子多和易于控制等优点，其功能主要是提供目标、动态、定量与优化决策5。具有代表性的是20世纪80年代美国农业部推出的棉花综合管理专家系统(COMMAX/GOSSYM)。它是一个机理性很强的棉花生长模型，可依据植株碳氮平衡、热量和水分平衡等原理，将温、光、降水等气象要素作为驱动变量，将土壤理化性状和肥水供应能力视为初变条件，对棉株的生长发育和产量形成进行动态分析，最终可模拟在不同气候、土壤条件下棉花的生育期和产量。该系统为棉花管理提供咨询,用于确定灌溉、施肥、施用脱叶剂和棉桃开裂剂的最佳方案的制定6-7。3.4 智能化农业专家系统（IAES）20世纪90年代以来，随着
8、计算机技术、人工智能技术、数据库技术、3S 技术以及自动化控制技术高速发展,农业信息技术进入了一个新的发展时期，开发出智能化农业专家系统。智能化专家系统主要是各种智能技术在专家系统领域的集成，如人工神经网络、WEB 技术、智能温室、“3S”技术，利用现代数据处理手段，对数据进行新的处理，很好地丰富了农业专家内涵，提高了专家系统精确度、智能化和实用性。如 1994 年，该系统在 Windows环境下发展为 AEGIS/Win；U.Singh 等人运用 CERES工程(Crop-Environment Resource Synthesis)作物模拟模型与 GIS 相结合，建立了印度半干旱地区的决策
9、模式。温室自动控制系统和专家系统相结合的专家管理系统,能够及时地为用户提供温室各种作物在不同时期生长所需要的最佳气候参数及栽培技术和措施，自动生成合理的控制方案，实现了人造气候的智能化管理8-9。我国专家系统的研究起始于 20 世纪 80 年代初期。由于发展较晚，赶上信息技术和计算机技术的迅猛发展，因此我国的专家系统发展阶段划分不是很明显，各种功能各领域专家系统交错出现，到 20世纪 90 年代,我国农业专家系统的研究蓬勃发展，研制出了大量的智能化程度较高的专家系统。例如，1980 年浙江大学与中国农科院蚕桑所合作,开发研究育种专家系统；1992 年，中国农科院作物所赵双宁等研制开发的“冬小麦
10、新品种选育专家系统”，应用于 20 世纪 70 年代亲本材料进行测试，所显示的结果与当年实际组配的杂交组合极为相似10；1998年，南京农业大学研发的小麦管理智能决策系统11；2002 年，上海精准农业技术有限公司完成了精准农业管理决策支持系统的设计与实现12；2003年，郑向群、高怀友等完成了等利用数据挖掘技术对农业环境信息数据分析13。目前，农业专家系统已触及我国农业领域的各个方面，为发展高产、优质、高效农业做出了贡献。下面将从最近的典型的农业专家系统着手，分析其组成、结构、人机界面设计、逻辑算法、处理以及呈现的产品。4 农业专家系统实例剖析4.1 基于PDA的农业专家系统的设计和实现14
11、理论基础文15提出基于PDA的精确与模糊相结合的描述框架+产生式+公式的综合知识表示形式与基于PDA的精确与模糊相结合的综合推理策略，文16在此基础上，进一步研究将知识库和数据库在PDA上集成，提出与规则分离的基于PDA的通用推理算法。数据库结构为了处理数据输入的受限输入，即用户只能在系统提供的枚举类型中进行选择。文章对原有的数据库结构进行了改造，改造后的数据库结构增加了枚举型字段ENUMTYPE。知识库维护在PC机上生成PDA端的数据库，再输入数据；或将PC端的数据库（如SqlSever）的数据转化为PDA端的数据库，这样就可以在PC机上对PDA的数据库进行知识的修改、删除、添加，最后通过P
12、DA与PC的通信工具，将更新后的知识库输入到PDA中。人机界面设计在程序中处理用户输入时，判断字段的类型是否为枚举类型9，若是，则打开相应的文本文件，再依次读取到用于PDA屏幕显示的二维数组中，在PDA上以列表的方式显示出来，最后返回用户输入当前的行号并显示出来，否则，显示相应的数字或汉字。规则前件处理为简便起见，约定决策规则表中每个规则子前提的格式为：参数+逻辑符号（共6种，分别是，,=,=,）+数字，同时，考虑到不同的规则子前提在该规则中的作用不一样，对不同的规则子前提进行优先级处理的控制策略，即首先处理优先级高的规则子前提，然后判断优先级低的规则子前提是否可以忽略，若可以忽略，则在决策规
13、则表中以变量名直接+“；”方式来表示。规则前件处理模块的算法如下：（1）在决策规则表中依次取出参数字段中以“；”隔开的规则子前提（对应决策参数表中的参数）。（2）记录号=1，在决策规则表中依次对该记录的规则前件字段的字符串的规则子前提串、逻辑符号串及数字串进行相应的处理。（3）调用逻辑符号处理过程，与用户输入的参数进行匹配，若匹配成功，则返回该记录号，否则记录号+1，再判断新的记录号是否大于决策规则表中的最大记录号，若大于，则返回“无法进行判断！”，否则转（3）。公式处理为简便起见，约定决策规则表中每个计算公式的格式为一般算术表达式，其中算术表达式中参加运算的为相应决策参数表中的参数，而不是具
14、体的数值。公式处理模块的算法如下：（1）将计算公式的变量（对应决策参数表中的参数）替换为用户输入值。（2）将该算术表达式转化为波兰表达式。（3）对波兰表达式进行计算，并返回计算结果。成果简介已经实现的应用软件包括基于PDA的葡萄品种选择专家系统、葡萄园地规划和葡萄疏花疏果专家系统，与HPC农业专家系统合成的便携式农业专家系统填补了国内空白。基于PDA的葡萄品种选择专家系统、葡萄园地规划和葡萄疏花疏果专家系统，能较好地辅助农技人员和农村干部进行葡萄品种选择、园地规划和疏花疏果的处理。目前包含上述农业应用软件的农福星（APDA）已经在天津、新疆、山东等地运行和推广应用，并取得较好的社会效益和经济效
15、益。4.2 基于Android平台的植物病虫害查询诊断系统的构建17总体设计在移动互联网环境下的查询和交互系统，由用户查询和交互模块、知识库、知识构建系统三大模块构成，三个模块的关系见图2。图2 模块关系图用户查询和交互模块：该模块是基于Android平台开发的手机客户端，主要功能是查询植物病虫害信息，以及向专家提交疑难问题和获取专家提供的解答。知识库：该模块是基于SaaS模式开发的数据共享系统，为多个终端提供同步接口。其数据存储系统为MySqal,用于构建植物病虫害知识库。知识构建系统：该模块是由PHP开发的B/S系统，主要功能是向知识库补充和更新数据信息。农业专家可以使用该系统进行植物病虫害相关信息的更新和补充，同时可以对用户提问进行解答。客户端设计包括用户查询和交互模块的界面设计、本地知识库的数据库设计。用户查询和交互模块的界面包括：知识库管理界面、信息查询界面、查询内容详情界面、用户提问界面、问题列表界面、问题解答详情界面（见图3）。图3用户
