（作物栽培学与耕作学专业论文）淠史杭灌区水稻节水灌溉专家系统的研究.pdf

摘要本文从节水灌溉的基本原理入手，分析了灌溉预报中的各个参量，提出了水稻节水灌溉决策的依据，以中科院合肥智能所最新研制的智能化农业信息技术开发平台a i p i 0 为系统开发工具，运用知识工程和信息技术原理，将水稻节水灌溉领域内的专家知识、经验和多年来的科研成果与计算机软件相结合，开发完成了淠史杭灌区水稻节水灌溉专家系统。本系统的组织结构主要由知识库、数据库、模型库、人机界面、解释机构和推理机等部分组成，知识库与推理机相互独立，扩充性很强；模块化结构使系统扩充和完善更为便捷。与此同时，本系统将农业专家系统、决策支持系统与多媒体技术等综合集成，系统直观、形象、人机交互界面友好，且使用与操作简捷方便，易学易懂。系统以w i n d o w s 为应用平台，综合运用推理、预测、解释等机制，为用户实现水稻节水栽培管理咨询与决策服务。在功能上主要包括泡田灌溉决策、生育期灌溉决策和节水灌溉效益分析三大模块，实现了以下功能：( 1 ) 泡田灌溉决策：系统主要依据灌区插秩时田面所需水层深度、泡田期的渗水量、预计泡田的天数、泡田期内田面平均蒸发强度和泡田期内的降雨量来预测泡田用水定额。( 2 ) 生育期灌溉决策：系统主要依据水稻根系活动层深度、土壤干容重、灌水上限系数和土壤初始含水量来预测灌水定额：以实际蒸发蒸腾量、有效降雨量和土壤贮水量来预报未来灌水时间。( 3 ) 节水灌溉效益分析：包括经济效益分析、社会效益分析和生态环境效益分析。系统经过反复测试和应用，运行准确稳定，达到了设计的要求，可以为灌区农户进行水稻节水生产提供科学决策和咨询服务，以达到节约用水和增加农民收入的目的。关键词：水稻淠史杭灌区节水灌溉专家系统a i p i 0灌溉预报a b s t r a c ts t a r t i n g 、i t ht h eb a s i cp r i n c i p l e so fw a t e rs a v i n gi r r i g a t i o n ( w s d ，t h ea u t h o ra n a l y z e de a c hp a r a m e t e ro fi r r i g a t i o nf o r e c a s ta n dp o s e dt h eb a s i so fw s if o r e c a s t ，t h ee x p e r ts y s t e mf o rw a t e rs a v i n gi r r i g a t i o no fr i c ei np i s h i - h a n gi r r i g a t i o nd i s t r i c tw a sd e s i g n e db ya g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o np l a t f o r m1 o ( a i p l 0 ) d e v e l o p e db yh e i f e ii n s t i t u t eo fi n t e l l i g e n tm a c h i n e s ，a c a d e m ys c i e n c e so fc h i n a t h i ss y s t e mw a sd e s i g n e dw i t hb o t ht h eb a s eo fe x p e l s k n o w l e d g ea n dy e a r so fe x p e r i e n c ei nr i c ep r o d u c t i o na n dc o m p u t e rs o f tw a r e ，a l s ot h eu t i l i z a t i o no fk n o w l e d g ee n g i n e e r i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h eo r g a n i z a t i o na n ds t r u c t u r eo ft h i sd e s i g n e ds y s t e mi n c l u d e ss i xm a i np a c t s ：k n o w l e d g eb a s e ，d a t ab a n k ，m o d e lb a s e ，h u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e ，e x p l a n a t i o nu n i t ，a n dr e a s o n i n gu n i t t h ek n o w l e d g eb a s ea n dr e a s o n i n gu n i ta r em u t u a l l yi n d e p e n d e n ta n d 、i t l lc o n s i d e r a b l ys t r o n gc a p a c i t yo f e x t e n s i o n ；t h em o d u l es t r u c t u r ee n h a n c e st h es y s t e mt ob ef u r t h e re x t e n s i o na n dm o r ep e r f e c to n l yb yt h ee x t e n s i o na n dp e r f e c t i o no ft h es p e c i f i cm o d u l e ，f u r t h e r m o r e ，t h i ss y s t e m ，s y n t h e t i c a l l yi n t e g r a t e d 丽t ha g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e m ，d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，a sw e l la sm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ,i sn o to n l yo b j e c t i v e ，i m a g i n a b l e ，a n df r i e n d l yf o rh u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e ，b u ta l s os i m p l et oh a n d l eo p e r a t e ，e a s yt ol e a r na n du n d e r s t a n d t h i ss y s t e mt a k e sw i n d o w sa si t sa p p l ys t a g e s y n t h e t i cu s eo ft h em e c h a n i c so fr e a s o n i n g ，p r e d i c t i o n ，a n de x p l a n a t i o ni so fm e a n i n gf o rs e r v i n ga n da d v i s i n gt h ec u s t o m e r st or e a l i z et h ed e c i s i o no fw a t e rs a v i n gc u l t i v a t i o na n da d m i n i s t r a t i o no fr i c e t h ef i m c t i o no ft h i ss y s t e mi n c l u d e sp o s s e s s e st h ef o l l o w i n gt h r e em o d u l e s ：( 1 ) d e c i s i o n m a k i n go f i r r i g a t i o nd u r i n gp o n d i n gp e r i o dt h i ss y s t e mi sb a s e do nw a t e rd e p t ho ft r a n s p l a n t i n g ，i n f i l t r a t i o nv o l u m e ，d a y s ，m e a ne v a p o r a t i o ni n t e n s i t ya n dr a i n f a l ld u r i n gp o n d i n gp e r i o dt of o r e c a s ti r r i g a t i o nq u o t ad u r i n gp o n d i n gp e r i o d ( 2 ) d e c i s i o n m a k i n go f i r r i g a t i o nd u r i n gg r o w i n gp e r i o dt h i ss y s t e mi sb a s e do nt h ed e p t ho fr o o ts y s t e m ，d r yu n i tw e i g h to fs o i l ，u p p e rl i m i ti n d e xo fi r r i g a t i o na n da n t e c e d e n ts o i lw a t e rt of o r e c a s ti r r i g a t i o nq u o t a ；i ti sb a s e do na c t u a le v a p o - t r a n s p i r a t i o nc a p a c i t y , e f f e c t i v er a i n f a l la n dw a t e rr e s e r v eo fs o i lt of o r e c a s ti r r i g a t i o nt i m e ( 3 ) w a t e rs a v i n gi r r i g a t i o nb e n e f i c i a la n a l y s i si ti n c l u d e se c o n o m i c a lb e n e f i c i a la n a l y s i s ，s o c i a lb e n e f i c i a la n a l y s i sa n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i c i a la n a l y s i s i it h i ss y s t e mh a sb e e nc h e c k e da n dp r o v e di t sp r e c i s ea n ds t e a d yc h a r a c t e r s ，a n dr e a c h e di t so r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s ，i tc a r lp r o v i d es c i e n t i f i cd e c i s i o na n dc o n s u l t m i o no nw a t e rs a v i n gp r o d u c i n go fr i c ef o rt h ei r r i g a t i o nd i s t r i c t sf a r m e r st os a v ew a t e ra n di n c r e a s ei n c o m e k e yw o r d s ：r i c e ，p i - s h i h a n gi r r i g a t i o nd i s t r i c t ，w a t e rs a v i n gi r r i g a t i o n ，e x p e r ts y s t e ma i p l 0 ，i r r i g a t i o nf o r e c a s tn i独创性声明y7 3 7 6 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名时间：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名导师签名时间：年月日时间：年月日1 1 现代节水农业研究进展1 引言国内外的研究表明”1 “”“3 ，实行节水灌溉不外乎采用工程和非工程两类技术措施。节水农业技术的应用可大致分布在四个基本环节中：一是减少灌溉渠系( 管道) 输水过程中的水量蒸发与渗漏损失，提高农田灌溉水的利用率：二是减少田间灌溉过程中的水分深层渗漏和地表流失，在改善灌水质量的同时减少单位灌溉面积的用水量；三是减少农田土壤的水分蒸发损失，有效地利用天然降水和灌溉水资源；四是提高作物水分生产效率，减少作物的水分奢侈性蒸腾消耗，获得较高的作物产量和用水效益n “”3 ”。节水农业发达的国家始终把提高上述环节中的灌溉( 降) 水利用率和作物水分生产效率作为重点，在建立了以高标准的衬砌渠道和压力管道输水为主的完善的灌溉输水工程系统和采用了以喷( 微) 灌技术和改进的地面灌技术为主的先进的田间灌水技术后，节水农业技术的研究重点正从工程节水向农艺节水、生物( 生理) 节水、水管理节水等方向倾斜，尤其重视农业节水技术与生态环境保护技术的密切结合。现代节水农业技术是在传统的节水农业技术中融入了生物、计算机模拟、电子信息、高分子材料等一系列高新技术，具有多学科相互交叉、各种单项技术互相渗透的明显特征“。现代节水农业技术涉及的既不是简单的工程节水和水管理节水问题，也不是简单的农艺节水和生物节水问题。从支撑现代节水农业技术的基础理论而言，需将水利工程学、土壤学、作物学、生物学、遗传学、材料学、数学和化学等学科有机地结合在一起，以降水( 灌溉) 一土壤水一作物水一光合作用一干物质量一经济产量的转化循环过程作为研究主线，从水分调控、水肥耦合、作物生理与遗传改良等方面出发，探索提高各个环节中水的转化效率与生产效率的机理。另一方面，现代节水农业技术又需要生物、水利、农艺、材料、信息、计算机、化工等多方面的技术支持，来建立适合国情的技术体系。随着2 0 世纪中叶以来科学技术出现的重大突破，节水农业领域中大量借助于土壤水动力学、植物生理学的理论和现代数学方法及计算模拟手段，试图从整体上来考虑水一土一作物一大气间的互动作用与关系，定量描述土壤一植物一大气连续体中水分和养分运移的转化过程，据此制定科学的水、肥调控方案，这使得对节水农业的研究已由以往单纯的统计或实验性质变为一门有着较为严谨的理论基础与定量方法的科学。计算机技术、电子信息技术、红外遥感技术以及其它技术的应用，使得在土壤水分动态、土壤水盐动态、水沙动态、水污染状况、作物水分状况等方面的数据监测、采集和处理手段得到长足发展，促进了农业用水管理水平的提高，而高分子复合材料和纳米材料的研制创新正在促使渠道防渗、管道灌溉、覆膜灌溉、坡面集雨等方面孕育着技术上的重大突破。在提高农业用水的利用率和水的生产效率的节水农业技术研究中，不仅涉及到与土壤一植物一大气系统中的界面过程，水分传输和系统反馈的机制，水分调控的途径以及大气水、地表水、地下水、土壤水转化关系等相关领域内的前沿技术，还与利用现代高新技术对水资源、土壤水分和作物水分进行监测调控，根据作物需水规律进行精量灌溉等关键技术有关。1 。2 国内外研究现状1 2 1 农业专家系统研究进展农业专家系统( a g r i c u l t u r ee x p e r ts y s t e m ) 是一种智能化的农业信息系统“”“删。可以作为农业现代化的载体，传播各类实用的农业知识和高新技术成果，雨且摁有高层次、多方面农业专家知识。能模仿人类的推理过程，以形象、直观的方式向使用者提供各种农业问题的咨询服务和决策方案“。典型的农业专家系统主要由六个部分组成：知识库、数据库、推理机、解释部分、知识获取部分和与用户对话的人机界面”“。2 0 世纪5 0 年代初，英国数学家提出了机器能思维的观点，从而诞生了人工智能这一新兴科学o 。农业专家系统的研究是从7 0 年代末期开始的，以美国最早，当时开发的专家系统主要是面向农作物的病虫害诊断，具有代表性的是1 9 7 8 年美国i l l i n o i su n i v e r s i t y 开发的大豆病虫害诊断专家系统，它是世界上应用最早的农业专家系统。该系统引入了示例学习机制，能从大量的病例中归纳出新知识，系统诊断的正确率达9 9 ，而专家只达到8 3 。八十年代中期以来，农业专家系统的研究开发获得了较快的发展，尤其是美国、日本、欧洲等更为突出。1 9 8 4年日本农林水产省组织了一个“知识工程技术在农业上应用预测”调查委员会，召集全国从事农业和人工智能研究的7 0 多位专家参加调研、分析，写出了详细报告，并在1 9 8 6 年出版了一本书：人工智能与农业：精农技术与尖端技术的融合，其中提出了一套庞大的农业知识工程计划。按此计划，现已开发出一些专家系统，如东京大学研制的“番茄栽培管理专家咨询系统”：1 农业研究中心研制的大豆、大麦、水稻、蔬菜栽培专家咨询系统等等。1 9 8 6 年1 0 月美国农业部和全国棉花委员会合作开发了棉花综合生产管理专家系统( c o m m a x g o s s y m ) ，它很好的把专家系统和模拟技术融合在一起，不仅能够整理、解释模型的运行结果，还能表达深层的因果关系，能将定性分析和定量分析，符号处理与数值处理2结合起来，作出科学决策，能在农场内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，应用于棉花管理后，每公顷增加纯利润1 6 9 美元。这些系统大都已经投入实际应用，取得了很好的效果。目前国际上有近百个农业专家系统，广泛应用于作物生产管理、灌溉、施肥、品种选择、病虫害控制、温室管理、畜禽饲料配方、水土保持、食品加工、财务分析、农业机械选择等方面。有些系统( 如哥伦比亚大学的梯田管理系统) 已成为商品进入市场，发挥出很大的经济和社会效益”“”1 。我国也十分重视人工智能技术在农业领域中应用的研究”7 ”。3 “，并在2 0世纪7 0 年代末8 0 年代初开始o ”，在农业方面的研究与应用，是国际上开展比较早的国家之一。在短短的二十年发展中，取得了很大的进展，一些农业信息技术人员把专家系统从实验室拿到生产第一线，不仅给农业生产者送去了新技术，而且有力地推动了农业知识工程的发展“”。1 9 8 5 年中国科学院合肥智能所与安徽农科院合作，率先研制成功“砂姜黑土小麦施肥计算机专家咨询系统”，在安徽淮北平原1 0 多个县应用，取得了明显经济效益，为我国农业专家系统的研究与发展起了带头及促进作用。西安交通大学与中科院西北水土保持研究所合作研制了“渭北旱塬小麦生产综合管理专家系统”，对发展渭北旱塬乃至黄土高原的农业具有重要的意义m 1 。中国农业科学院相继开发了小麦玉米育种、粘虫测报、柑桔及低温冷害预测等农业专家系统。许多高等院校和科研单位正在积极开发农作物病害防治、农作物栽培( 小麦、水稻、玉米) 、农业气象、兽医诊断、粘虫迁飞等农业专家系统“”。从1 9 9 0 年开始，科技部把农业专家系统等农业信息技术列入了8 6 3 计划的重点课题，给予了重点支持。开展了针对农业领域的农业智能系统、农业系统模拟模型及实用农业信息管理系统等方面的研究与推广应用工作。进入“九五”以来，国家8 6 3 计划3 0 6 主题首先选择基础条件较好的省市，与地方政府共同建立了智能化农业信息技术应用示范区，进行大面积的生产推广应用，取得了显著的经济效益和社会效益。1 9 9 2 年国际自动化控制联合会曾在我国黄山举办农业专家系统国际研讨会，表明我国在农业知识工程方面的研究已经产生较广泛的影响o “”3 。十多年来，农业专家系统的研究已经取得了很大的进步0 8 ，一大批功能不同的系统，在农业的各个方面发挥着重要作用。“。1 9 8 6 年中国科学院合肥智能所开始研制面向农业栽培管理的农业专家系统开发工具，经过十多年来，已形成一系列的开发工具，已达到单机版雄风6 1 和网络版雄风6 2 等。最新研制的智能化农业信息处理系统开发平台a i p 一1 0 已通过专家组验收。利用这些工具开发了棉花、小麦、水稻、油菜。“、园艺瓜果的施肥、檀保、栽培以及畜禽水产和水利灌溉等农业专家系统，在全国的多个省市、自治区几百个县推广应用，产生了良好的社会效益和经济效益“2 州。1 2 2 作物模拟模型研究进展作物生长模型( c r o pm o d e l s ) 是指用数学概念表达作物的生长过程“3 。作物模拟模型技术( c r o pm o d e l i n g ) 在2 0 世纪6 0 年代中后期首创于荷兰和美国。荷兰c t d e w i t 。”和美国w g d u n c a n 。”开创了作物生长动力学模拟的研究。“”。荷兰c t d e w i tg o u d r i a a n 、f w t p e n n i n g d e v r i e s 等人侧重于作物生长机理模型的研究，他们以作物生长、发育和产量形成过程的机理( 光合、呼吸和蒸腾等 为基础，建立了环境因子与这些过程的数学方程，模拟作物生产力：著名的机理模型有s u c r o s ( 简单通用作物模拟器) “5 1 ”3 、m a c r o s ( 年生作物模拟器) “4 。而美国w g d u n c a n 、j t r i t c h i e 、d n b a k e r 、j w j o n e s 等人将作物生长、发育和产量形成的基本过程进行简化，通过经验关系式表达环境因子与作物生长、发育间的关系，以函数模型方式模拟作物生产力“”“1 “：著名的函数模型有c e r e s w h e a t 、c e r e s - m a i z e 、e e r e s s o r g h u m 。”1 、c e r e s - m i l l e t ”1 、s o y g r o ( 大豆生长模拟模型) 5 7 xg o s s y m ( 棉花模型) 等。不论是机理模型还是函数模型，均是用数值模拟的方法揭示大气一植物一土壤之间的关系及环境对作物生长、发育的影响，并通过可控因子( 施肥、灌溉) 来调节作物的生长、发育的进程，在特定的气候条件下，预测作物的产量。因此，这些模型为研究作物生长发育的动态变化规律以及环境、栽培技术对作物生长发育的影响提供了有用的工具。作物模拟模型的研制表明了农业科学开始进入计算机的信息时代。由作物模拟模型构造的农业决策支持系统可解决农业决策过程中的半结构化问题。我国的作物模型开发研究开始于2 0 世纪8 0 年代中期，已开发出的知名模型有高亮之“7 47 3 1 的水稻钟模型、戚昌瀚”的水稻生长日历模型r i c a m 、邹应斌“”的水稻苗情动态模拟模型r s s m 、潘学标”的棉花生长发育模拟模型c o t g r o w 等。还有夏北成开发的评价小麦产量病虫害损失的麦田生态系统模拟模型”等。这些模型大都以水稻m 、小麦”等作物为主体从其生长发育和生理生态过程入手，建立了有较强机理性和预测功能的模拟模型。2 0 世纪8 0 年代，江苏省农科院在大规模水稻生态试验的基础上建成了水稻计算机模拟模型( r i c e m o d ) 1 9 9 2 年又把作物模拟技术与水稻栽培的优化原理结合起来，建成了水稻计算机模拟优化和决策系统( r c s o d s ) ，用户输入常年气候资料和水稻品种遗传参数，可以做出常年优化决策，根据当前苗情和未来天气预报，可以提出肥水和其它管理措旌及对策脚1 。此外，中国农科院的棉花生产管理模拟系统，可有效地将播种期、密度、簏肥量、化学调控等结合起来，按不同地区和不同年份提供高产优质棉花栽培优化方案。1 2 3 农业决策支持系统研究进展决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 的研究始于7 0 年代初，美国麻省理工学院的s s c o t t 、m o r r t o m 等人开创了这方面的工作，1 9 8 2 年s p r a g u e 和c a r l s o n 将决策支持系统定义为：交互式计算机支持系统，能帮助决策者运用资料和模式解答非结构性问题汹”。美国夏威夷大学的i b s n a t 推出的d s s a t 系统，是由作物模拟模型支持的决策支持系统，除了数据支持以外，还提供了计算、解题的方法，并为决策者提供决策的结果。农业决策支持系统( a g r i c u l t u r ed e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 是在农业信息系统、作物模拟模型和农业专家系统的基础上发展起来的m 7 “。到9 0 年代初期，农业决策支持系统又有了进一步的发展，形成7 以知识库系统或以专家系统支持的智能化的农业决策支持系统。如1 9 9 2 年美国f l o r i d a 大学农业工程系h l a l ”等人研制的f a r m - s y s 和d e k l i n e 等人研制的农场级智能决策支持系统( f i n d s ) 。近年来，随着地理信息系统( g i s ) 的广泛应用，农业决策支持系统的研制向更深层次的方向发展。加拿大h m o n t a s 和c a m a d r a m o o t o o “”等人开发了水土保持决策支持系统。美国f l o r i d a 大学农业工程系j p c s l i x e 、j w j o n e s a n d h l a l 将d s s a t 3 0 结合地理信息系统( a r c v i e w ) 集成了农业环境地理信息系统的决策支持系统a e g i s ，1 9 9 4 年该系统在w i n d o w s 环境下发展为a e g i s w i n ；u s i n g h 等人运用c e r e s 作物模拟模型与g i s 相结合，建立了印度半干旱地区决策模式；a d g i e r 等人运用g i s 建立了印度尼西亚区域空间分析农业生产模式的决策支持系统；台湾逢甲大学周天颖等人利用g i s 、遥感技术( r s )和c e r e s r i c e 模型建立了台中市水稻生产的农业土地使用决策支持系统。这些决策支持系统的涌现促进了农业现代化的发展。我国决策支持系统的研究始于8 0 年代中期，其应用最广泛的领域是区域发展规划。大连理工大学、山西省自动化所和国际应用系统分析研究所合作完成了山西省整体发展规划决策支持系统。这是一个大型的决策支持系统，在我国起步较早，影响较大，随后，大连理工大学、国防科技大学等单位又开发了多个区域发展规划的决策支持系统。天津大学信息与控制研究所创办的决策与决笨支持系统刊物，对我国决策支持系统的发展起到了很大的推动作用。我国不少单位在智能决策支持系统的研制中也取得了显著成绩，如以中国科学院计算技术研究所史忠植研究员为首的课题组研制并完成的“智能决策系统开发平台i d s d p ”就是一个典型代表。1 2 4 节水灌溉管理专家系统研究现状上述一些经济发达国家在农业水资源利用方面多采用工程节水措施( 如管道输水、渠道防渗、喷灌、微灌和改进地面灌水技术等) 和节水管理措施( 如制定分配水权、节水政策、水价调控、自动化管理) 等。工程节水等硬件措施无疑是很重要的，但因投入较大，在目前本灌区的经济条件下难以大规模推广。因此，如何通过加强用水管理技术措施，提高灌溉水的利用效益显得尤为重要。当水资源不足，只能采用非充分灌溉时，如何在时间( 作物不同生长阶段) 及空间( 不同地区、不同作物) 上合埋配置有限可供水量，以获得最高的产量或效益，或者使缺水造成的减产损失最小，是实行非充分灌溉中需要解决的最关键问题之一”6 。”4 ”。非充分灌溉优化配水技术包含的内容较多，其中优化灌溉制度是核心内容，而优化灌溉制度的制定又是以“作物一水模型”( 水分生产函数) 的建立为前提和基础的。自2 0 世纪8 0 年代以来，许多国家逐步将研究的重点从传统的丰产灌溉转向非充分高效灌溉。我国的科研人员在北方干旱、半干旱地区曾对节水灌溉技术及节水潜力、旱作区农田水分状况及其调控技术等进行了大量研究，并在农作物产量与水分的关系。7 “。“1 0 7 综合节水灌溉模式与灌溉预报“”、农田水分动态与调控等方面取得了重要进展”“”1 。国内，安徽水科院( 1 9 9 6 2 0 0 1 ) 对安徽淮北地区的小麦、油菜、玉米和大豆四种主要农作物在不同生育期对水分的需求和敏感性以及水分与作物产量之间的关系，分别建立了适合该地区的“作物一水模型”，确定了模型的结构形式、参数取值和求解方法，并建立了作物优化灌溉制度的数学模型。陈利华( 2 0 0 1 ) 针对淠史杭灌区农业生产现状，通过对秧田耗水量一泡田需水量一本田灌溉制度的研究，提出了适合淠史杭灌区目前条件下节水增产的水稻优化灌溉制度。石滓灌区管理局、石家庄水电设计院和中科院合肥智能所合作开发了石津灌区管理专家系统，对灌区管理提供了很大帮助。在国外，s r i n v a s a n 等开发了e s i m 灌溉管理专家系统”“，b a l c h e r 等开发了一个评价地下滴灌区适宜性的专家系统。1 3 研究的目的和意义水资源紧缺已成为许多国家或地区经济发展的障碍，各国已把水资源保护与开发利用列入2 l 世纪重要议程“3 。我国人均水资源严重不足，已经逼近国际公认的缺水警戒线，降水资源季节分布极不均衡、降水资源年际间变化剧烈、水资源的空间分布不均，区域性缺水严重、水质严重恶化，可用水资源量不足。农业用水总量紧缺，增水能力有限，缺水程度加剧、灌溉水的利用率低、灌溉定额严矗重超标、自然降水利用率低、农业用水的效率不高、结构性高耗水使水资源利用效益下降。现阶段我国农业处于一个生产性低耗水而结构性高耗水的状态，节水农业产业结构缺陷，导致农村经济发展缓慢，节水农业投入的经济基础薄弱，严重制约了农业的可持续发展“。近年来，由于农业发展，工业和城镇生活用水的不断增加，致使不少省份每年都有数百万甚至上千万亩的稻田供水不足，缺水问题目益突出，严重影响水稻生产的发展。淠史杭灌区是新中国成立后我国自行设计、兴建的最大灌区，位于安徽省中西部和豫东南的江淮丘陵区。西依大别山，北邻淮河东抵巢湖，跨长江、淮河两大流域，涉及皖中、皖西和豫东南1 4 个县区，设计灌溉面积1 1 9 8 万亩，其中安徽省1 1 0 0 万亩、河南省9 8 万亩。灌区以大别山五大水库为源头，以淠河、史河和杭埠河三条主干渠为动脉，在防洪、灌溉、发电、航运、城镇供水、旅游等方面的综合效益十分明显，是灌区经济发展的命脉。安徽省境内灌区总面积1 3 1 3 0 k i n 2 ( 不含低山、湖泊及中型水库、合肥市城区等面积) ，总耕地1 1 6 0 万亩，平均耕地率为5 8 8 ，在设计灌溉面积1 1 0 0 万亩中，现有正常灌溉面积8 6 0 万亩，灌区作物以水稻为主，水田率平均为7 8 ，现状水平灌区年均灌溉、工业和生活总需水量为4 6 1 亿m 3 ，其中水库及渠首以上区间供水2 9 8 亿m 3 ，塘坝及小型水库利用当地径流1 0 1 亿m 3 ，抽引灌区外河湖水0 6 m 亿m 3 ，灌区年均缺水约5 7 亿盯1 3 ，若遇中等偏早年份( 保证率p = 8 0 ) ，灌溉需水量要比多年平均值增加3 3 ，即增加需水量1 4 亿m 3 ，灌溉缺水量将达1 0 1 5 亿m 3 。7 1 。随着国民经济的发展，水资源供需矛盾将更加突出。因此，为满足不断增长的城乡供水要求，达到设计灌溉面积，提高灌溉保证率，除了采取灌区续建配套和增加水源工程等工程措施外，必须实行节水灌溉，加强灌区用水管理等综合措施。因此，为满足不断增长的城乡供水要求，达到设计灌溉面积，提高灌溉保证率，除了采取灌区续建配套和增加水源工程等工程措施外，必须实行节水灌溉，加强灌区用水管理等综合措施。就灌区强前经济社会状况面言发展水稻的节永灌溉是解决目前水资源短缺的有效途径之一。随着科学技术的发展，以计算机为中心的现代信息技术正迅速地向农业领域渗透，农业信息化的进程已势不可挡“。信息技术的突破性进展为世界农业科技革命和农业飞跃发展带来了契机，也为世界农业科技革命拉开了序幕。在未来的农业科技革命过程中，信息技术将上升到更加重要的地位，在发达国家，信息技术在农业上的应用大致有以下方面：农业生产经营管理、农业信息获取及处理、农业专家系统、农业系统模拟、农业决策支持系统、农业计算机网络等。农业中所应用的信息技术包括：计算机、信息存储和处理、通讯、网络、多媒体、人工智能、3 s 技术( 地理信息系统g i s 、全球定位系统g p s ，遥感技术r s ) 等“。我国引进“信息化”的概念是在2 0 世纪8 0 年代。早期农业信息化建设表现在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初计算机应用于农业生产，8 0 年代末9 0 年代初相继建立了一批农林数据库。到1 9 9 6 年，第一次全国农村经济信息工作会议明确了农业信息化建设方向。经过二十多年的发展，农业信息化已经成为农业经济发展、提高农业竞争力的重要支撑手段和推进我国农业战略性转变的一个重要枢纽。到目前为止，我国的农业信息化建设从物理网络到组织网络都打下了很好的基础，初步构建了以农业部信息中心为龙头、连接3 1 个省( 市、区) 农业部门的信息平台，建立了以批发市场价格行情、农产品供求、科技教育、种植业、水产业、农垦等专业网为骨干的中国农业信息网。农业信息数据库建设正朝着多元化、平民化、多媒体化、智能化、联合化和网络化的方向发展。从1 9 9 0 年开始，科技部通过8 6 3 计划，组织实旌智能化农业信息技术应用示范工程项目。项目以服务农业、农村、农民为目标，针对我国农业地域广、区域性强、生产个体分散的特点，探索适合中国国情的信息技术服务农业的发展模式，建立以信息技术为支撑的农业推广体系，引导农民依靠农业科技发展经济。项目按农业专家系统平台开发、关键技术研究、应用示范区建设和研发中心建设四个层次组织实施，经历了研究探索( 1 9 9 0 - 1 9 9 6 ) 、试验示范( 1 9 9 6 1 9 9 8 ) 和应用推广( 1 9 9 8 2 0 0 3 ) 三个历史阶段，该项目实现了信息技术与农业的有机融合，形成了适应不同区域经济发展水平的开发模式、应用模式和推广模式，推动了我国农村科技进步和农村经济的发展。对于不发达地区，主要表现在提高产量，使当地农村经济建设转移到了依靠科技进步和提高劳动者素质的轨道上来，科技进步对农业发展的贡献率明显提高；对于边远偏穷的少数民族贫困地区，已成为发展民族经济、扶贫攻坚的重要措施，还起到了巩固边疆安定局面的作用。对于发达地区，实施示范工程的效果主要表现为降低农业生产成本，提高农产品品质，加快了农业结构调整和产业化经营，提高了当地农业的市场适应能力，同时加快了农村信息化建设的步伐，使农业科学技术的普及推广方式逐步实现计算机信息网络化，农村经济逐步由产量型向质量和效益型方向发展。因此，在这样的背景下，信息化农业将成为农业的发展方向呻”3 。依托中国科学院合肥智能机械研究所熊范纶教授等研制出的雄风系列农业专家系统开发工具对农业专家系统和决策支持系统进行创新性研究、开发、综合集成研制成淠史杭灌区水稻节水灌溉专家系统，对灌区水稻全生育期内的灌水时间和灌水定额进行预测”“5 “”，、这样可以在可供水源有限的条件下对灌区用水进行合理的调度，并为防止供水冲突和合理有效利用水资源、取得最大的作物产量和最大的经济效益提供了理论依据。7 ”“”1 。82 系统开发平台雄风智能a l p l 0 简介淠史杭灌区水稻节水灌溉管理专家系统采用农业专家系统开发平台雄风智能a i p i 0 为开发工具，经设计、构建而整体集成。雄风智能a i p i 0 开发平台是在国家8 6 3 计划支持下，由中国科学院合肥智能机械研究所研制而成，本人曾参与开发新平台的框架结构扩充和完善过程。2 1 开发平台的特点a i p i 0 是基于构件体系结构的一个开放性系统开发平台，融单机版、网络版为一体，具有以下主要技术特点：( i ) “多级知识单元”的知识表示方法( 集成化)多信息融合：规则库、模型库、数据库、方法库四库融合，实现基于规则的定性推理与定量模型计算结合。多媒体知识集成：声音( 术w a y ) 、图像( b m p ，斗：j p g ， g i f ) 、影像( a v i ) 、动画( $ g i f ，十a p p ) 等。外部构件技术集成：以应用程序对象( e x e ) 、动态连接库( 术d l l ) 、c o m 对象( 十d l l ，十o c x ) 等形式实现的各种智能计算构件等。( 2 ) 基于可视化知识录入、编辑、修改以及知识冗余、矛盾等一致性校验功能( 可视化)知识对象、事实项的可视化知识节点描述，以有向连结线来表示诸多知识节点闯的逻辑关联关系，拖放相应类型的知识节点，关联相关的知识节点，双击节点进行知识对象定义，进行系统知识描述。推理网络图层次结构、逻辑关联关系透明，系统知识构建和维护直观形象，使得用户能够从系统的观点上对知识库的整体层次结构有清晰的认识理解和管理维护。( 3 ) 开放的构件化体系结构，三种用户界面，用户任意定制功能( 客户化)采用基于构件技术的灵活开放性系统结构，使得系统的用户定制、维护、功能扩展简便易行。以客户化服务为目标，平台为高、中、低三种用户提供不同技术层面的开发环境，同时可根据用户需求定制相应的功能构件。( 4 ) 基于应用系统框架的系统开发( 傻瓜化)基于应用系统框架的系统开发即面向特定任务的框架实例化过程。根据特定的应用任务，设置不同的结构和逻辑计算处理参数，即可形成完成特定任务的系统，通用性知识可以共享，这种开发系统方法最为便捷，可事半功倍。( 5 ) 拟人化智能引导和智能帮助系统( 智能化)采用a g e n t 的机制，模仿经验丰富的知识工程师建造系统的一般思维过程，9以一问一答的友好会话的方式引导用户进行领域知识的整理、获取，构建相应的系统模型。同时通过对系统开发中各界面的动态跟踪识别，在帮助系统中自动搜索到相应界面的帮助文档，给用户提供在线服务。( 6 ) a i p l 0 单机版、网络版合二为一( 网络化)两个版本知识库完全兼容，开发环境可在单机上进行，硬件环境要求低。开发一个知识库可同时得到单机和网络两个版本的系统，事半功倍。( 7 ) 语音与可视化技术结合( 易用性、好用性、产品化)语音与可视化技术结合使用户融入视觉、听觉合二为一的开发环境，用户界面更友善，易学、易用，便于推广，对用户的计算机知识要求不高，让他们可以把主要精力投入到专业知识的整理与获取上去。( 8 ) 多重主一从推理机制( 强大推理功能)针对“多级知识单元”的知识表示方式，提出种“多重主推理+ 从推理”的推理方式。它不仅可进行正向推理、反向推理、混合推理，可以进行不确定推理、基于案例的推理，还可以进行用户自定义的任何推理求解方式。从推理机的选择完全可以根据实际需要自行定制。( 9 ) 平台与g i s 快速开发工具集成( 集成化)g i s 快速开发工具可直接用于当地土壤、气象、农业资源等地理信息系统的开发，有效的避免m a p i n f o 等类似专业开：发工具的复杂性和昂贵的软件费用。开发地理信息系统可与系统赢接连接，实现土壤等信息的直接获取。2 2 开发平台的推理机制针对“多级知识单元”的知识表示方式，a i p 采用了“主推理+ 从推理”的多级主从推理机制。在a i p 中，一个知识库，根据其问题求解任务的专业领域的分工，由多个框架知识单元组成。每个框架知识单元又由若干个具体的规则知识单元组成。每个知识单元根据其自身知识的特点，选用恰当的知识构造方式，根据其构造方式的不同采用不同推理机制，得至其对应的推理结果，然后由主推理机将整个推理结果进行综合分析，得出整个问题解答。这种“主推理+ 从推理”的分层的综合推理方式，是一种开放的多推理机问题求解机制。它不仅可进行正向推理、反向推理、混合推理，可进行不确定推理、基于案例的推理，还可以进行用户自定义的任何推理求解方式。从推理机的选择完全可以根据实际需要自行定制。a t p 平台给用户提供的是多层次的系统建造选择，雄风的推理机制只受限于用户的创造才能。在这种“主推理+ 从推理”的推理方式中，主推理机相当一个总控制器，它安排与调度多个从推理机按规定的流程协同工作，它本身也具备控制转向和一定1 0的推理能力。整个系统的推理从主推理机开始，在推理进行的过程中它可以根据需要启动相应的从推理机，将任务分配给子问题推理机( 从推理机) ，由子问题推理机进行相应的问题推理求解。每一个子问题推理机是一个独立封装的服务器对象，它可以由自己特有的一种或几种推理方式组成，例如，系统在实现某个框架知识单元推理时，在规则知识单元之间采用反向推理进行推理路径的搜索，然后再采用正向推理执行规则知识单元语句。它还可以表示不确定性知识，进行不确定性推理，整个规则组的推理是一种混合推理。另外，系统不仅把子问题推理机作为一个服务器对象看待，同样把一些其它功能如数据库操纵，多媒体服务等也都作为独立封装的服务器对象供主推理机调度。采用这种方式构成一个分布式知识推理环境，从而实现了多知识的推理集成。新的推理机制可以很容易的添加到原有的系统之中，并且不需对原有系统作大的变动或修改，这样非常方便系统的扩充及维护。专家系统的问题求解机理框架中，c l n f e r 为系统主推理组件。它加载系统的主知识库，进行推理计算、问题求解，并根据推理的需要激活某个组件请求获得特定的服务。辅助组件是系统的通用工具组件，主要用于完成智能计算、复杂信息处理、网络信息搜索等任务。辅助组件的组装是通过系统主知识库进行的，在主知识库和特定的知识对象内，根据推理计算的需要通过接口请求某个组件对象提供特定的服务。在这里，主知识库是系统的客户程序，它描述组件对象间协作问题求解的逻辑模型，是组装系统组件的软总线。在“多级知识单元”知识表示下，专家系统的问题求解过