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1專家系統(tǒng)的發(fā)展概況

專家系統(tǒng)是用基于知識的程序設(shè)計方法建立起來的計算機系統(tǒng),它綜合集成了某個特殊領(lǐng)域的專家的知識和經(jīng)驗,能像人類專家那樣運用這些知識,通過推理模擬人類專家做出決定的過程,來解決人類專家才能解決的復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)由知識庫、推理機、知識獲取、解釋界面等四部分組成,知識庫和推理機是它的核心。建立知識庫的關(guān)鍵是如何表示知識,推理機用于確定不精確推理的方法,解釋界面是用戶的一個窗口,能夠處理各種咨詢問題。20世紀60年代中期,美國斯坦福大學的DENDRAL計劃以及麻省理工學院的MACSYMA計劃開始研制首批專家系統(tǒng),一直持續(xù)到70年代中期,較為完善地提出了專家系統(tǒng)的含義。從60年代到80年代的20多年里,專家系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學、地質(zhì)、生物化學、故障診斷、工程、數(shù)學問題求解、教育、軍事等領(lǐng)域,取得了很大的進步。

進入80年代,人們對專家系統(tǒng)有了新的認識,專家系統(tǒng)研究進入高速發(fā)展階段,也出現(xiàn)了許多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理專家系統(tǒng),如Hal.Lemmon于1986年開發(fā)的棉花生產(chǎn)管理專家系統(tǒng),Plant等人1989年開發(fā)的農(nóng)業(yè)管理專家決策支持系統(tǒng),Srinvasan等人開發(fā)的ESIM灌溉管理專家系統(tǒng),S.Saputro1991年開發(fā)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空中漂移物專家系統(tǒng)(研究噴灑農(nóng)藥對環(huán)境的影響),這些專家系統(tǒng)在實際應(yīng)用中收到很好的效果。國內(nèi)于20世紀70年代末期開始研究專家系統(tǒng),80年代初期開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。1980年浙江大學與中國農(nóng)科院蠶桑所合作,開始研究蠶育種專家系統(tǒng);1983年中國科學院合肥智能研究所與安徽農(nóng)科院合作,開發(fā)砂姜黑土小麥施肥專家系統(tǒng)。90年代,國際上舉辦了多次有關(guān)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的會議,我國專家系統(tǒng)的研究更是蓬勃發(fā)展,出現(xiàn)了許多農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng),如小麥高產(chǎn)技術(shù)專家系統(tǒng)(余華等,1996),水果果形判別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)(劉禾等,1996),基于規(guī)則和圖形的蘋果、梨病蟲害診斷及防治專家系統(tǒng)(王愛茹等,1999),農(nóng)業(yè)資源高效利用技術(shù)集成專家系統(tǒng)的設(shè)計(李道亮,1999),生態(tài)農(nóng)業(yè)投資項目外部效益評估的專家系統(tǒng)(范大路,1999),基于作物生長特征的作物栽培專家系統(tǒng)(柴毅,1999),基于生長模型的小麥管理專家系統(tǒng)(曹衛(wèi)星等,1999)等,這些農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)促進了農(nóng)業(yè)科技成果的應(yīng)用與推廣。

2專家系統(tǒng)的開發(fā)方式

起初,專家系統(tǒng)主要采用不同的高級程序語言(如PASCAL、FORTRAN、C等)或人工智能語言(如LISP、PROLOG等)開發(fā),專家系統(tǒng)的各個部分的鏈接和調(diào)試都比較繁瑣,對于不熟悉計算機語言的工程師,建立專家系統(tǒng)將是很困難的。20世紀80年代初,根據(jù)專家系統(tǒng)知識庫和推理機分離的特點,研究人員把已建成的專家系統(tǒng)中的知識庫“挖”掉,剩余部分作為框架,再裝入某一領(lǐng)域的專業(yè)知識,構(gòu)成新的專家系統(tǒng)。在調(diào)試過程中,只需檢查知識庫是否正確即可。在這種思想指導(dǎo)下,產(chǎn)生了建立專家系統(tǒng)的工具,或稱專家系統(tǒng)開發(fā)工具、專家系統(tǒng)外殼。利用專家系統(tǒng)開發(fā)工具,某領(lǐng)域的專家只需將本領(lǐng)域的知識裝入知識庫,經(jīng)調(diào)試修改,即可得到本領(lǐng)域的專家系統(tǒng),無須懂得許多計算機專業(yè)知識。

國外目前出現(xiàn)了許多專用的專家系統(tǒng)工具,開發(fā)某領(lǐng)域的專家系統(tǒng)基本上是運用開發(fā)工具來實現(xiàn)的,如1986年Hal.Lemmon等人開發(fā)的Comax棉花生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)。我國也出現(xiàn)不少專家系統(tǒng)工具,如陸汝鈴等人的“天馬”專家系統(tǒng)開發(fā)工具、呂民等的ASCS農(nóng)業(yè)專家咨詢系統(tǒng)開發(fā)平臺(1999)、周桂紅等人的通用農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)生成工具(1999)等。利用開發(fā)工具開發(fā)的專家系統(tǒng)已形成系列化,如美國Plant等人利用作物管理支持專家系統(tǒng)的外殼,開發(fā)出棉花生產(chǎn)管理CALEX/Cotton、桃樹園林管理CALEX/Peach、水稻生產(chǎn)管理CALEX/Rice等一系列專家系統(tǒng)。我國學者利用中科院合肥智能研究所研制的“雄風”系列農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)工具,已開發(fā)出施肥、栽培管理、園藝生產(chǎn)管理、畜禽水產(chǎn)管理飼養(yǎng)、水利灌溉等專家系統(tǒng),在全國20個省200多個縣推廣應(yīng)用,效果很好。

3專家系統(tǒng)在灌溉管理中的應(yīng)用

20世紀70年代末期美國開始研究農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng),至今已建成許多施肥、作物栽培管理、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖、水利灌溉等方面的專家系統(tǒng)。其中灌溉管理專家系統(tǒng)的研究主要有以下兩個方面。

(1)灌溉用水計劃

確定灌溉用水計劃需要的幾項基本信息是:土壤墑情、作物蒸發(fā)蒸騰量、地下水情況、水源情況等。這些數(shù)據(jù)往往需要根據(jù)已獲得的氣象、土壤等資料,通過繁瑣的計算才能獲得;原始材料不同,計算方法也不同,人工操作費時費工,容易出錯。專家系統(tǒng)可根據(jù)輸入的原始資料自動選擇計算方法來預(yù)測或預(yù)報目標信息,快速確定灌溉用水計劃,并且可以隨時總結(jié)用水情況;專家系統(tǒng)處理所需時間短,而且準確,適合于大型灌區(qū)及農(nóng)場運作。專家系統(tǒng)常被用來確定作物蒸發(fā)蒸騰量、灌溉日期、灌溉水量及土壤墑情。Plant等人開發(fā)的棉花生產(chǎn)管理專家系統(tǒng),共用15種方法來確定作物蒸發(fā)蒸騰量、灌溉日期及用水量,可以根據(jù)外界條件的變化隨時調(diào)整灌溉計劃。Srinvasan等人開發(fā)的ESIM灌溉管理專家系統(tǒng),包括知識的獲取、系統(tǒng)規(guī)劃、任務(wù)的落實和評估,有效利用了圖表進行解釋和分析,根據(jù)用戶的需求制定固定的、調(diào)整的、要求的三種灌溉制度。D.Clarke等人采用CWR-VB程序來確定灌溉制度,提供了產(chǎn)量圖、氣象資料、ET值和土壤含水量等特征量。這些專家系統(tǒng)在應(yīng)用中收到良好的效果,證明是切實可行的。

(2)灌溉系統(tǒng)輔助設(shè)計

由于各灌區(qū)的地理、氣候、土壤條件互不相同,采用的渠系布置和灌溉方式互不相同,因而有不同的灌溉系統(tǒng)設(shè)計方法。人工很難設(shè)計出盡善盡美的灌溉系統(tǒng),而專家系統(tǒng)通過內(nèi)部的知識庫,利用豐富的知識可以解決規(guī)劃設(shè)計中的復(fù)雜問題。水利部農(nóng)田灌溉研究所與合肥智能研究所合作開發(fā)的華北地區(qū)節(jié)水型農(nóng)業(yè)技術(shù)專家系統(tǒng)(NCWSA),針對華北地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)存在的問題,提出了節(jié)水型技術(shù)體系的總體規(guī)劃及實施的有關(guān)措施;Srinvasan等開發(fā)了多功能的專家系統(tǒng),可用于各種情況下的灌溉系統(tǒng)的設(shè)計和運行。應(yīng)用專家系統(tǒng)進行灌溉系統(tǒng)輔助設(shè)計,可以進行渠系優(yōu)化布置,為灌溉管理提供各種咨詢服務(wù),對于情況復(fù)雜的灌區(qū)很有幫助。

4構(gòu)建灌溉管理專家系統(tǒng)應(yīng)注意的幾個問題

(1)突出多學科集成

農(nóng)業(yè)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(chǎn)穩(wěn)定性和可控制性差,易遭受氣候、氣象、病蟲害的侵襲,在用水管理中需要考慮這些因素。現(xiàn)在國外已開始研制跨學科的綜合專家系統(tǒng),Perry等人于1990年開發(fā)出關(guān)于大豆生長和水管理的聯(lián)合模型系統(tǒng),用于作物生長、病蟲害、經(jīng)濟效益、環(huán)境影響的管理和評價;W.D.Batchelor等人1992年開發(fā)的作物管理系統(tǒng),既用于灌溉管理,也用于病蟲害防治。已開發(fā)的機械、營養(yǎng)、灌溉、除草、病情診斷、收獲、市場等方面的專家系統(tǒng),有必要綜合在一個大的專家系統(tǒng)內(nèi),以發(fā)揮更有效的作用。多學科集成的想法正是適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要提出的,是專家系統(tǒng)必然的發(fā)展方向,也是灌溉管理專家系統(tǒng)研究中應(yīng)特別注意的問題。

(2)面向多層次設(shè)計

專家系統(tǒng)服務(wù)的對象并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復(fù)雜程度不同,所操作的專家系統(tǒng)和輸出的內(nèi)容復(fù)雜程度也不相同,因此開發(fā)不同層次的專家系統(tǒng)(如面向灌溉管理專業(yè)人員、農(nóng)村技術(shù)人員、農(nóng)戶的灌溉專家系統(tǒng))也是需要考慮的一個問題。

(3)注重多種技術(shù)的綜合運用

目前的專家系統(tǒng)在建模中多利用簡單的數(shù)學回歸模型,這些模型一般只考慮部分影響因素,而任何一個問題都可能受到更多因素的共同作用,因此建模時應(yīng)考慮多因素的影響。現(xiàn)在常用的建模方法所建的模型很難達到要求。目前,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學、隨機模擬等多種技術(shù)的研究日趨成熟,將這些技術(shù)用于專家系統(tǒng)必然會增加其處理功能;尤其是在解決一些復(fù)雜問題時,人類專家也很難準確表達自己的想法,或者很難找出其規(guī)律,應(yīng)用這些技術(shù)可以幫助知識工程師解決問題。