华南超级稻栽培专家系统

序号： 编码： 第九届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称： 华南超级稻栽培专家系统 学校全称： 华南农业大学 申报者姓名 （集体名称）： 彭乐陶 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类 报送方式：省级报送作品高校直送作品A2申报者情况（集体项目）说明：1必须由申报者本人按要求填写；2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。申报者代表情况姓名彭乐陶性别男出生年月19850822学校华南农业大学系别、专业、年级农业信息技术学历在读本科学制四年入学时间零四年九月作品名称华南超级稻栽培专家系统毕业论文题目通讯地址华南农业大学五山学生公寓五栋114邮政编码办公电住地通讯地址华南农业大学五山学生公寓五栋114邮政编码住宅电话02038634250其它作者情况姓 名性别年龄学历所在单位吴树金男22在读本科华南农业大学农学院黄先益男22在读本科华南农业大学农学院吴平男22在读本科华南农业大学农学院陈润钧男22在读本科华南农业大学农学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2006年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是 否 （部门签章）年 月 日院系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果是 否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写；2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、 原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称作品分类（D）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标 作品设计与发明的目的: 1、能够根据当时当地的实际情况，给予农民十分直观、清晰和比较准确的意见，指导农民按照先进的栽培技术进行科学施肥、防治病虫害、进行田间管理等。2、可以代替专家，尤其可以汇集专家群体的智慧，长期陪伴在农民身旁，并且计算准确，反应速度快，能起到专家一些难以一时起到的作用。3、集中了专家的知识、经验等，知识更新快、又易于操作，是随时随地培训农村基层技术人员和农村基层干部的得力工具。4, 能够对农业区域的耕作习惯、气候、品种、等多种复杂条件进行分析和推断，给出因地制宜、因时而异的具体而准确的方案。 作品设计与发明的基本思路: 整个专家系统是以知识库、推理机为核心，由知识库、推理机、知识获取部分等3部分组成。1:如图一: 农业知识库的构建1. 确定阶段:系统开发参加人员和任务的确定,问题的确定,知识获取的边界的确定,以及目标的确定,我们计划知识获取的确定阶段,至少有三名知识工程师,必须有一位以上的水稻栽培专家密切合作,通过反复交谈与讨论确定要解决的问题及有关事宜. 2. 概念化阶段:主要的任务是知识工程师以图的形式,阐述问题的关键,这阶段与专家进行密切配合,反复磋商,把农业专家的信息,资料,有用数据抽取出来.该阶段结束后计划建立一个大概的知识库和推理机3. 形式化阶段:把收集到的知识,组织成一定的形式,用图形描述问题的求解过程,基本的推理策略; 4. 实现阶段:在这阶段前,系统设计的模型已经完成,计算机部分与农业部分整合成一个可用的原型系统5. 测试阶段:听取专家意见,修改系统,测试系统6. 修改完善下图是我们知识库构建的具体思路:1.农业知识的获取,包括组员自己阅读相关资料,询问有经验的专家等一系列的搜集;2.汇集,整理,分类,总结,并且继续完善;3.最终通过程序员转化为计算机语言保存在知识库计算机实现部分的基本思路:1. 功能分析;简单的用户例图: 2. 系统设计; 为了达到易扩展的目的,也就是说增,删减内容最大限度不用修改代码(开-闭原则).所以我们的专家系统一定要将数据分离出来.3. 编码实现;4. 原型测试;5. 征集专家意见;6. 修改系统;7. 确认测试注意: (这里只是简单介绍一下,后面的有详细的介绍,由于我们的系统是一门交叉学科,也就是说既要懂农业又要懂计算机,所以作者本人恳请专家们不能以其中任何一个学科的观点来评价我们的系统)创新点: 想强调的是我们的系统是：数据与系统相分离，数据易更新，系统易扩展！在农业方面,我们的创新点:就是华南超级稻专家系统的知识库, 以数据库为核心的农业信息管理系统和以知识库为核心的农业专家系统，是目前我国农业信息技术应用的两大主流,我们的知识库的内容是有关华南地区超级稻的,里面的超级稻栽培技术汇集了华农大水稻栽培专家的丰富知识,实践经验,也是第一次将高新的农业生产栽培技术与计算机相结合。知识库的重要性远远比程序本身高。在计算机方面,我们的系统没有采用以往基于农业专家系统的一贯做法硬编码的形式推理机由大量的if语句组成这种既低效又繁琐的推理控制策略. 在传统的专家系统中,一般采用基于规则的专家系统(Rule-Based Expert Systems)这种系统是由产生式系统发展起来, 产生式的一般形式为 P-Q其中,左部一般表示一组前提(条件或状态),右部表示若干结论(或动作),其含义是如果前提P满足则可推出结论Q,例如,如果加压,并且降温,那么总可以使气体液化任何一组产生式可以用一棵(或多棵)与/或树来形象地表示.对于一条规则应用什么方式表示,传统的系统选择表示方法.例如,IF(加压&降温) THEN 气体变液体在计算机系统上选择这种表示法,最大的问题是硬编码,并且当条件增多到一定程度,会造成程序维护难,杂乱无章,修改困难等一系列问题,假如按以往的程序编写代码If(条件=F|条件=G) If(条件=C)推出结果AIf(条件=D&条件=E) If(条件=B) 推出结果A首先这种使用if的推理控制策略方式有明显的缺点就是当条件增多,上面的代码就不是那样简单了,并且会给程序带来维护,管理上的问题.其次如果将这七个条件与结论储存在数据库当中,就一个很简单的推理过程,系统最坏情况下要与数据库管理系统进行七次查询,可是往往系统中条件与结论是上千条,可想而知付出的资源代价是多么的高.最后,这种推理过程只能先通过它的子结点,才能到达自己;也就是说只能满足了条件F或条件G才能推出C,不能直接通过满足C条件而推出A结论,并且结论A在程序中就出现了两次.新就新在这里:我们的系统用最适合的办法把知识库中的规则与代码分离,既然上面提到,任何一组产生式可以用一棵(或多棵)树来形象地表示,而在计算机上,XML可以描述树结构,并且XML可以充当摒弃形式的小型数据库.例如,上面的树用XML表示成: 首先:维护一个清晰XML文件比维护一个含有大量if语句的程序代码容易方便多了,而且如果凡是做这种农业专家系统的知识库都以一定的xml文件组成,有利于日后数据的移植,并且可以减少以后改新换代,例如把系统做成网站的形式,知识库无须改变,因为XML是可扩展的.其次:对一个XML文件进行查询的效率比对数据库查询资源的耗用小多了.再次:把条件和结论从程序中分离出来,对以后无缝的插入,删除和修改提供了可能.最后:明显减少编写代码的量,如果给出G条件,系统不是先进行匹配而是以G为条件对所有的叶子节点进行搜索(虽然可以说搜索本质也是匹配),但从编写代码的效率来说写一个查询语句比写由很多if语句组成的方法简单高效多了选择XML作为知识库的存储形式,在计算机方面是对传统的基于规则的专家系统的一次大改进,也是我们系统创新之处.作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显着进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）从农业方面上说，我们这个华南超级稻栽培专家系统在国内是首创的。这个系统集成了最新的超级稻栽培技术。超级稻要在国内作出贡献，与之配套的良法是非常重要的。而我们这个系统就是一个栽培技术传播的新载体。这个系统向用户提供图文并茂的栽培资料，使栽培技术直观化，友好化。用户可以利用我们这个栽培专家系统解决生产中的各种各样的问题，特别是新技术。从计算机方面说，首先,以传统的基于规则专家系统而言,我们的系统不再把知识或规则硬编码,所以我们的系统灵活性更大。其次,在对规则在计算机上应用什么表示方式,我们的系统采用XML的相关技术是基于规则的专家系统一次大改进。再次,该系统的知识库是汇集华南农业大学水稻栽培专家的经验,知识,判断等,是其它相关系统所缺少的宝贵资源。最后,该系统是以客户为中心,是农业专家针对某地区某品种甚至某客户定制数据的系统,采用这种定制数据是解决以往农业系统适应差,通用性小等缺点最好办法。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果作品所处阶 段（ D ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D 试用阶段 （自填）技术转让方式作品可展示的形 式 实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示 图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测该系统因为采取客户数据定制的形式,所以通用性和针对性都非常的好,使农业专家发布他们的知识与经验来指导农民进行水稻生产变的容易,犹如聘请了无数个农技干部业下乡指导农业生产,并且是综合了很多农业专家各自的技术的最佳方案。使用我们的作品是就地、随时培训基层农技人员和农村基层干部的得力工具。针对我国广大农村严重缺乏高层次农业专家的实际情况，利用农业专家系统指导农业生产，比起发达国家更容易在增加、提高农产品质量和降低成本等方面产生明显的经济效益，加上声图文并茂的界面，也容易为我国广大农民和农村干部所接受，从而对于提高他们的科技文化素质，实现农业生产的跨越发展具有特别重要的作用。同时，农业专家系统作为智能化农业信息技术的重要组成部分，它不仅提高了广大农民和各级农村领导干部的科技信息意识和文化素质，提高了示范区经济发展的科技含量，强化了广大农业科技推广组织和推广的技术手段，减少了条块分割给农业科技推广组织和推广造成的困难，而且缓解了我国农技推广人员不足的矛盾和由于农业专家个人知识的不完整带来的方案缺陷问题，缩短了农业高新技术和科技成果转化为现实生产力的周期，加快了当地由传统农业到现代农业转换的步伐，对提高农业生产、经营管理的科学性，振兴当地经济发挥了重要作用。无论是云南这样条件落后的边疆地区，还是北京这样经济发达的地区，都起到了同样的作用。因为农村户口人数比较多,这个优秀的专家系统的辐射力是很广和影响很深的,经济效益也是很高。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述 说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。一、 专家系统在我国的发展概况国内于20世纪70年代末期开始研究专家系统，80年代初期开始研究农业专家系统。1980年浙江大学与中国农科院蚕桑所合作，开始研究蚕育种专家系统；1983年中国科学院合肥智能研究所与安徽农学院合作，开发砂姜黑土小麦施肥专家系统。90年代，国际上举办了多次有关农业专家系统的会议，我国专家系统的研究更是蓬勃发展，出现了许多农业专家系统，如小麦高产技术专家系统（余华等，1996），水果果形判别人工神经网络专家系统（刘禾等，1996），基于规则和图形的苹果、梨病虫害诊断及防治专家系统（王爱茹等， 1999），农业资源高效利用技术集成专家系统的设计（李道亮，1999），生态农业投资项目外部效益评估的专家系统（范大路，1999），基于作物生长特征的作物栽培专家系统（柴毅，1999），基于生长模型的小麦管理专家系统（曹卫星等，1999）等 就超级稻栽培专家系统而言，在广东甚至在国内还是一片空白！D.推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写； 2推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品 相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组 集体推荐亦可）； 3推荐者填写此部分，即视为同意推荐； 4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓 名性别年龄职称工作单位通讯地址邮政编码单位电话住宅电话推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价其它说明推荐者情况姓 名性别年龄职称工作单位通讯地址邮政编码单位电话住宅电话推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价其它说明学校组织协调机构确认并盖章 （团委代章） 年 月 日 校主管领导或校主管部门确认盖章 年 月 日E大赛组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日F参赛作品打印处 （一些模块仍在完善、扩展中。）模块一:超级稻病态诊断假如按以往的基于规则的产生式系统,部分伪代码如下: If(植株矮缩) If(叶片颜色深绿，有连成条状的白色斑点，稻株张开，分蘖明显增多，呈丛生状态) Printf(“结果1”); If(叶色浓绿，叶片短阔僵直，节间距缩短，各叶叶枕挤在一起；叶背面基部皱宿，脉纹上有隆起的蜡白色或黑褐色线条) Printf(“结果2”); If(叶片色黄，秆细，分蘖力弱，长势衰退；须根尖弯曲变粗或膨胀形成白色或褐色根结) Printf(“结果3”); If(稻株叶片淡绿，稍带黄色，并有褐色针头状不规则斑，尤其以叶尖较多。严重时从叶尖向叶基部沿叶缘枯焦，脚叶发黄，并有窝状苗和夹株死苗现象。整个稻株呈簇状，叶片细长，矮缩不发，生长停滞，无分蘖) Printf(“结果4”); If(翘穗头) . .If(早衰) . .If(过度伸长) . .If(贪青) . .单纯程序的一小部分,就出现5平方次的IF语句,这种IF语句风暴不带给程序编写带来问题,而且也把程序的维护推上极端的方式.这种不可取的编程方式就是以往农业专家系统所采用,如果也叫农业专家专家去修改,增删内容是不可能的,按照我们创新技术应该是将代码与数据分离,大量的if比较语句用一句查询语句代替,简单的操作就可能实现增删内容;为了描述该系统的设计,如图:我们采用工厂模式,因为像上面的推理,xml文件的组织就有不同,讨论这个前先分析一下华南超级稻栽培专家系统的XML文件组织方式假设:下面有三个IF语句If(“植株矮缩”)If(“.”)If(“.”)单单这三个IF语句,系统将会发出约3*X个耗费资源的查询语句,假如是势必严重增加系统的负担.假如用XML,系统第一步就是根据需要把部分XML文件读入内存(XML文件占用内存一般都很小),假如系统第一次匹配成”植株矮缩”系统将只把植株矮缩下下一级目录的选择读入,说白了就是通过SAX技术查询XML文件.因为基于规则的产生生式系统,都可以把规则组成推理网络:假设A3A4A7 A1A2-A6 等 在该系统设计网络的时候,从效率和设计难度上考虑,把”或”和”与”的关系,合并成一个条件.也就是说把:A3跟A4组成新的启发条件C ,如下图所示:按传统推理过程如下: 匹配A1,A5,再匹配A2 ,C ,A5, A10再匹配其中一个,推出结果这种网络在我们的系统一般写成 这种利用XML可以描述树结构可以很好的表示推理网络,是一种新式的表示规则的形式.因为知识按其层次性可分为零级知识,一级知识和二级知识,零级知识是常识性知识和原理性知识,一级知识是经验性知识,为了使系统无缝的插入新的知识片断,我们就可以采用工厂模式