（植物病理学专业论文）中南黄瓜病虫害无公害防治专家系统的研究与建立.pdf

摘要 自1 9 7 0 年以来，我国黄瓜的栽培面积和产量一直居世界首位，但单位面积 产量很低。究其原因，病虫害是影响黄瓜生产的主要因素。在我国农业生产者素 质较低、专家型农业科技人员奇缺以及农业推广手段落后，生产者在生产中缺乏 必要的指导，很多时候生产者单纯依靠增加农药的使用次数和剂量来增加产量， 因此黄瓜栽培中滥用化学农药的现象非常普遍。这不仅障碍了我国黄瓜的出口， 还严重危害人们的健康。 当今随着信息时代的到来，网络和人工智能等信息技术的迅猛发展及其向农 业领域的渗入，为解决上述问题提供了重要手段，给黄瓜生产带来了新的发展机 遇。本研究应用专家系统这一农业信息技术研制了中南黄瓜病虫害无公害防治专 家系统，系统主要针对湖南省为代表的中南地区，以黄瓜病虫害为主要内容，探 讨黄瓜病虫害的诊断和无公害防治策略。根据从专家、书本和各种文献中获取的 知识，建立一套相关的数据库、知识库和规则库，通过人机对话和推理机，为用 户提供黄瓜病虫害诊断和无公害防治决策支持，以克服以往决策的盲目性，指导 农民科学防治病虫害。 系统主要包括病害部位诊断与无公害防治、病害时期诊断无公害防治、虫害 诊断与无公害防治等予系统。 关键字：黄瓜；专家系统；病虫害；无公害防治 a b s tr a c t s i n c e1 9 7 0 ，t h ec u l t i v a t ea 2 e aa n dy i e l do ft h ec u c u m b e ri nc h i n ah a v eb e e ni n t h ef i r s tp l a c ei nt h ew o r l d ，b u tt h ey i e l dp e ru n i ta r e ah a sb e e nv e r yl o w t o i n v e s t i g a t et h er e a s o n i ti sf o a n dt h a t t 1 1 ed i s e a s e sa n di n s e c tp e s t sa r e 血em a i n f a c t o r st h a ta f f e c tt h e p r o d u c t i o n o fc u c u m b e r i no u rc o u n l l - y , t h ea c t u a l i t yo f a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ni st h a tt h ec u l t u r a lq u a l i t yo f f a r m e r si sl o w , e x p e r ta g r i c u l t u r a l t e c h n i c i a n sa l es c a r c ea n dm e t h o d so f a g r i c u l t u r a lp o p u l a r i z a t i o na r eq u i t eo u t d a t e d w i t h o u ta n y n e c e s s a r yg u i d a n c ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，f a r m e r sp r o m o t et h ey i e l d s i m p l yt h r o u g hi n c r e a s i n gt h et i m e sa n dd o s a g eo fp e s t i c i d e s oi t i sq u i t ec o m m o n t h a tc h e m i c a lp e s t i c i d ei s 曲u s e di nc u c u m b e rc u l t i v a t i o n t 1 1 i ss i t u a t i o nn o to n l y p r e v e n t s t h ee x p o r to f c u c u m b e r , b u ta l s oe n d a n g e r s p e o p l e sh e a l t hs e r i o u s l y w i t ht h ec o m i n go ft h ei n f o r m a t i o na g e ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ys u c ha sn e t w o r k a n da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c eg a i n sr a p i dd e v e l o p m e n t t h e i n f i l t r a t i o no ft h e s e t e c h n o l o g i e si n t ot h ef i e l do fa g r i c u l t u r e o f f e r si m p o r t a n tm e t h o d st os o l v et h e p r o b l e mm e n t i o n e da b o v ea n db r i n g s n e wd e v e l o p m e n t a lc h a n c ef o rc u c u m b e r p r o d u c t i o n t h i ss t u d ya p p l i e se x p e r ts y s t e m a na g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t oe s t a b l i s ht h eh a r m l e s sc o n t r o le x p e r ts y s t e mo fc u c u m b e r sd i s e a s e s & i n s e c tp e s t s i nt h es o u t h c e n t r a lp a r to fc h i n a t h i ss y s t e mm a i n l ya i m sa td i s e a s e s & i n s e c tp e s t s o fc u c u m b e ri ns o u t h c e n t r a la r e a , t a k i n gh u n a np r o v i n c ea sar e p r e s e n t a t i v e ，a n d d i s c u s s e st h ed i a g n o s i sa n dh a r m l e s sc o n t r o ls t r a t e g yo fc u c u m b e r sd i s e a s e s & i n s e c t p e s t s ，a c c o r d i n g t ot h ek n o w l e d g e g a i n e df r o me x p e r t s ，b o o k sa n dv a r i o u sl i t e r a t u r e s ， as e r i e so f r e l a t i v ed a t a b a s e ，k n o w l e d g eb a s ea n dr u l e sb a s eh a sb e e ns e tu p t h r o u g h t h em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n d r e a s o n i n gm e c h a n i s m ，t h es y s t e ms u p p l i e s d e c i s i o ns u p p o r to fd i a g n o s i so fc u c u m b e r sd i s e a s e s i n s e c tp e s t sa n dh a r m l e s s c o n t r o li no r d e rt oo v e r c o m et h eb l i n d n e s so ff o r m e rd e c i s i o na n dt ot e a c hf a r m e r s h o wt oc o n t r o ld i s e a s e s & i n s e c t p e s t ss c i e n t i f i c a l l y 西硷s y s t e m i n c l u d e s f o l l o w i n gs u b s y s t e m sa sd i s e a s ep o s i t i o nd i a g n o s i s & h a r m l e s sc o n t r o l ，d i s e a s ep e r i o d d i a g n o s i s & h a r m l e s sc o n t r o l ，i n s e c tp e s td i a g n o s i s & h a r m l e s sc o n t r o la n ds oo n k e y w o r d s ：c u c u m b e r , e x p e r ts y s t e m ，d i s e a s e s & i n s e c tp e s t s ，h a r m l e s sc o n t r o l i i 独创性声明 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，除了文中特别加了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，也不包含为获得湖南农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的资料。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： 徘辕、 l 时间：矽j 年6 月) 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解湖南农业大学有关保留、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，可以采用影印，缩印或扫描等 手段保存、汇编学位论文。同意湖南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：辛讼簿时间：扩，r 年占月多日 导师签名：私址 时间：饵哆日 。l 绪论 1 黄瓜生产概况及存在的问题 随着耕地面积不断减少，世界人口的不断增长人类对生存环境的保护意识不 断增强，人口、农产品供应、环境保护的矛盾日益突现，已成为2 1 世纪全人类 所面临的最严峻挑战之一【1 j 。黄瓜是我国主栽蔬菜作物之一，截止2 0 0 2 年底， 我国的黄瓜栽培面积已达1 2 5 3 万公顷，占全国蔬菜面积的1 0 左右。自1 9 7 0 年以来我国黄瓜产量一直居世界首位，但我国黄瓜的单位面积产量很低，仅达世 界平均水平，与发达国家的水平相去甚远【2 】。除了栽培技术和生产管理的影响外， 黄瓜病虫害是影响我国黄瓜生产数量和质量的主要因素。 过去几十年，黄瓜的育种工作取得了很大的发展。自“六五”、“七五”、“八 五”及“九五”攻关计划实施以来，我国黄瓜新品种选育工作发展迅速，先后经 历了两次大的品种更新，每次都使我国黄瓜生产水平跨上一个新台阶【引。科学技 术的发展和应用为农产品的增产做出了重要贡献，但由于各类农作物上的病虫害 的猖獗在一定程度上抵消了科技的作用。为满足人类的需求，必须不断地提高科 学技术的应用水平，尽可能多地从病虫害的为害中挽回农作物产量与质量的损 失。 黄瓜起源于喜马拉雅山脉热带东印度森林潮湿地带，自身抗病性差，瘸虫害 严重。据调查我国中南地区黄瓜的病虫害包括病毒病、猝倒病【4 i 、根腐病卯、炭 疽病【酣、疫病、立枯病7 l 【8 】、菌核病、茶黄螨1 9 1 、红叶螨、黄守瓜【1 0 1 、瓜蚜、 瓜实蝇、斑潜蝇等几十种。这些病虫害严重地影响黄瓜的正常生长发育，影响黄 瓜的品质。 一直以来农药是病虫害防治的重要手段。根据联合国粮农组织的调查，如果 不使用农药，全世界农作物总收成的一半；将会被各种病、虫、草害所吞噬；而 农药的使用，能挽回1 5 左右的损失1 1 2 】。而在我国农业生产者素质较低、专家 型农业科技人员奇缺以及农业推广手段落后等因素。生产者在生产中缺乏必要的 指导，因此黄瓜栽培中滥用化学农药的现象非常普遍。黄瓜栽培中农药残留超标 问题比较突出，不仅障碍了我国黄瓜的出1 3 ，还严重危害人们的健康1 3 1 f 1 4 1 。如 何有效解决这些问题，促进黄瓜的可持续发展，成为摆在科技人员面前必需要的 问题。 2 研究的目的和意义 当今随着信息时代的到来，网络和人工智能等信息技术的迅猛发展及其向农 业领域的渗入，为解决上述问题提供了重要手段，给黄瓜生产带来了新的发展机 遇。以农业专家系统为代表的智能化农业信息系统是基于农业专家知识和模仿农 业专家进行推理决策的计算机程序系统，可以将单项农业技术进行综合组装，实 现更高层次的多项农业技术集成，能对需要解决的农业问题进行解答，提出决策 建议，使计算机在农业活动中起到多层次多方面农业专家的作用1 1 5 l 【旧，因此在 众多信息技术的应用中，农业专家系统的研究与应用尤为突出。在黄瓜生产中， 借助于计算机强大的信息处理和逻辑运算功能，建立黄瓜病虫害无公害防治专家 系统，为防治黄瓜病虫害提供科学的决策支持，是一种十分有效的方法和手段。 专家系统技术以其快速的计算能力和推理功能，将在有效解决农业生产管理 困难的同时，有效地完善农业生产管理技术体系 17 1 。在帮助基层人员和农业经 营者进行管理决策时，通过人机对话，专家系统即可快捷、方便地给予专家水平 的解答【1 8 】【伸】。为了对黄瓜病虫害的综合管理技术有一个系统的总结和提高，并 能指导生产，本研究应用专家系统这一农业信息技术构建黄瓜病虫害防治专家系 统，可通过单机或网络对黄瓜病虫的发生危害进行诊断和提供决策咨询，以克服 以往决策的盲目性，对指导农民科学防治病虫害，实现黄瓜优质、高产、高效， 加速农业科技成果转化，全面提高基层干部、农技人员和生产者的科技意识及科 学管理水平，具有重要的理论价值和应用前景。 3 研究的主要内容 本研究采用基于w e b 的开发平台作为开发工具，将已有的黄瓜病虫害无公 害防治方面的专家经验和科技成果等归纳总结成知识规则，通过计算机技术集成 为具有提供黄瓜病虫害诊断、无公害防治策略等方面功能的专家系统，并将其在 阿络上公布，使其成为共享资源。将信息技术应用到黄瓜的生产管理环节中，将 农业知识、科研成果和实践经验与计算机技术有机结合起来，建立一套针对中南 2 地区的黄瓜病虫害无公害防治专家决策系统，探索高新技术引入农业并推动科技 进步的发展机制，全面提高黄瓜生产的经营管理水平，促进中南地区黄瓜产量、 品质及效益的进一步提高。 1 农业专家系统 1 1 专家系统的概念 专家系统是一种计算机系统，是人工智能的一个分支。研究专家系统先驱者 之一s t a n f o r d 大学的e d w a r df e i g e n b a u m 教授把专家系统定义为“一种智能的计 算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题” 2 0 lo 它的 不精确推理、知识库和推理机分离以及自我学习等特性使它能很好地处理一些非 确定型或非结构化的复杂问题，被广泛地应用于医疗、工业、农业、教育等领域 【2 ”。农业专家系统主要指依据人工智能原理和利用专家系统技术开发的，基于 农业专家知识和模仿人类农业专家的思维，进行推理决策的计算机程序。农业专 家系统也叫农业智能系统，是农业信息技术中的一项重要技术【2 “。 专家系统由知识库、推理机构、人机交互接口和其它有关部分组成，图1 为 专家系统最常见的基本结构。 图l ：专家系统基本结构 f i g i ：t h e b a s i cs t r u c t u r eo f e x p e r t s y s t e m 专家系统不同于一般的计算机程序，它有其自身的特点。一般的专家系统都 具有以下三个特点。 ( 1 ) 启发性。号家系统的推理过程不是像一般的计算机程序那样必须处理 大量的数据或数学运算，它主要是利用领域专家的知识与经验进行推理、判断和 决策。在推理过程中，它利用专家的思维模式，用一些具有启发性的知识来引导 整个推理过程的进行。 4 ( 2 ) 透明性。专家系统的另外一个重要的特点是其具有透明性。如同一个 专家在解决实践中的问题一样，用户可以通过询问而知道专家为什么要问一些问 题、专家在解决这些问题的思维过程是怎么样的? 专家系统也具有同样的能力， 它可向用户解释其对系统的疑点，从而增加用户对系统的信赖感。 ( 3 ) 灵活性。随着专家系统理论和实践的发展，它的灵活性逐日增加。知 识库和推理机的分离，使得随着知识的不断更新，专家系统知识库中的知识也可 以得到及时的修改，这样就极大地增强了它在生产中的应用范围，延长了专家系 统的使用寿命。 1 2 农业专家系统的研究概况 当今随着信息时代的到来，应用信息技术来发展现代农业已经成为世界农业 发展的一大热点。而在众多信息技术的应用中，农业专家系统的研究与应用尤为 突出。农业专家系统是人工智能科学与农业科学相结合的产物，它是个应用知 识和推理过程来解决那些需要杰出的专业人员才能解决的智能程序。农业专家系 统将农业专家积累的知识和经验进行汇集、总结，使知识生动化，并易于传播， 是知识活化和应用的有力工具四】。而植物病害防治专家系统主要指依据人工智 能原理和利用专家系统技术开发的，针对病虫害发生的时期、发生部位、症状等 特点的模仿人类植保专家的思维，进行病虫害的诊断和科学管理的智能系统。 专家系统是2 0 世纪6 0 年代伴随着人工智能的发展而发展起来的【2 4 1 。利用 专家系统辅助防治植物的病虫害是专家系统应用较早的领域。如1 9 7 8 年伊利诺 斯大学开发的大豆病虫害诊断诊断专家系统p l 址盯 d s 是世界最早开发的农业 专家系统 2 5 l 。在那以后专家系统的研究在世界范围开始飞速发展起来。很多国 家如英国、美国、德国、日本、中国等相继开发了许多新的农业专家系统，有的 已经投入使用，并取得良好的效果。1 9 8 6 年，美国研制的棉花管理专家系统 c o m a x g o s s y m ，投入棉花的生产管理后，每公顷增加纯利润1 6 9 美元。1 9 9 6 年，瑞士开发了“谷物预测预报系统”，该系统主要功能之一是为小麦主要病害 提供杀菌剂推荐喷洒剂量。应用该系统在保证基本产量的前提下可以节约杀菌 剂3 0 的使用量和5 0 的使用费用【2 6 1 。目前，世界上应用于生产的农业专家系 统已有成百上千个，极大地推动了农业生产的现代化和信息化进程。 我国农业专家系统的研究和应用始于2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 5 年中国科学院 合肥智能机械研究所与安徽省农业科学院土壤肥料研究所合作研制的“砂姜黑土 小麦专家施肥咨询系统”是我国虽早开发出来的专家系统，在安徽省淮北1 0 多 个县得到较大规模的应用田】，该系统的问世拉开了我国农业专家系统研究的序 幕。尤其从“七五”开始至今，农业专家系统成为国家“8 6 3 ”计划的重大项目， 相继研制完成了一大批农业专家系统。如，湖南农业大学的廖桂平等应用专家系 统技术、数据库技术、多媒体技术和计算机技术，以实现油菜高产、优质、高效 为目标，面向基层农业经营者，以v b 6 为开发语言和a u t h o r w a r e 为多媒体制作 软件，开发出的油菜栽培管理多媒体专家系统【卸。农业专家系统在数量和质量 上均有较大提高，开发的系统涉及病虫害防治，杂草防治，栽培管理，品种选育， 储藏管理等多个方面，并在生产应用上已取得较好的经济、社会效益。 1 2 1 植物病虫害防治中农业专家系统的研究现状 2 0 世纪8 0 年代，我国在植物病虫害防治专家系统的研究已经开始。1 9 8 1 年曾士迈等在大量田间调查资料基础上组建了我国第一个病害流行模拟模型一 一条锈病春季流行模拟模型( t x l x ) 。在此基础上，1 9 8 3 年肖悦岩等组建了条 锈病流行模拟模型s i m y r ，该模型包括日传染率和显症率、病班扩展率及寄主生 长量等几个子模型。1 9 8 7 年，浙江金华市气象台开发的金华市小麦赤霉病预报 专家系统，该系统在8 7 年到8 8 年两年间，短期预报作了正式服务，实况在预报 范围内，为农业部门的防治工作提供了准确依据圆。这个时期是我国农业专家 系统的起步和探索研究初期。 从9 0 年代到如今，研究用专家系统来帮助农民、植保工作人员防治植物病 虫害的研究蓬勃发展起来。如，1 9 9 1 年，西北农业大学用知识工程语言c m 1 开发的果树害虫识别及防治专家系统【2 9 1 。1 9 9 3 年的水稻害虫管理专家系统 ( e s r i c e ) ，由1 3 个子系统组成，各子系统可对不同代次的褐飞虱、稻纵卷叶 螟的种群动态进行监测，并提供决策方案【3 0 】。1 9 9 7 年，中国科技大学实现了基 于改进型神经网络的棉花病虫害诊断专家系统，该诊断系统投入实际使用，收到 了明显的经济效果f 3 ”。1 9 9 9 年，吉林大学和吉林农业科学院结合不确定性推理、 多媒体、友好界面等技术，实现了个面向农民用户的“玉米病虫害防治专家系 6 统”【3 2 】。 表1 ：植物病虫害防治专家系统 系统名称 开发者开发时间 主要技术特征 油菜优质高产高效廖桂平 2 0 0 1系统应用专家系统技术、数据库技术、多媒体 栽培【2 8 1 技术，以v b 6 位开发语言和a u t h o r v e a r e 为多 媒体制作软件构建。 稻纵卷叶螟管理专 胡全胜等 1 9 9 1 系统用知识工程语言n e w 和b a s i c 语言构 家系统【州 筑。 油菜菌核病流行趋蔡煜东 1 9 9 5按照遗传程序设计，笔者用c 语言编制了预报 势预测专家系统 油菜茵棱病程序。 稻区主要害虫综合冯国灿等 1 9 9 5系统利用t u b r oc2 0 和t u r b op r o l o g2 0 编程 防治专家系统o q 实现 棉花虫害管理专家王步瑞等 1 9 9 5 系统采用模块化结构，多知识库系统，智能程 系统 序设计语言，汉化t u r b o p r o l 0 9 2 0 研制完成。 棉花痛虫害诊断专冯旭东等 1 9 9 7 采用面向对象的程序设计技术和神经网络技 家系统术，用c + + 语言编制。 棉花烂铃病流行趋孙用明等 2 0 0 0系统运用人工神经网络反向模型建立，能 势预测计算机智能预测棉花烂铃病的流行趋势。 专家系统f 3 8 l 茶树病虫计算机决苏锋等 2 0 0 0 系统应用v i s u a lf o x p r o6 0 语言、结合多媒体 策系统o q技术开发。 黄瓜温室栽培管理陈青云等 2 0 0 1 系统应用人工智能专家系统原理和面向对象 专家系统p q的设计方法，采用v i s u a lb a s i c 语言开发研制。 番茄瘸虫害诊断专涂运华等 2 0 0 l 系统在对病虫害症状特征描述的基础。匕，利用 家系统i l 】知识工程的方法和技术，结合神经网络、不确 定性推理、多媒体、友好界面和协作冲突消解 技术，在本框架的神经网络中，采用了渐近学 习、粗集消除冗余样本等技术。 枣病虫害诊断咨询张春雨等2 0 0 3系统采用c s 三层结构设计，按照面向对象的 专家系统h 2 l知识表示方法。在m i c r o s o rv i s u a lc h 环境下 通过创建c o m 组件来实现对病虫害的诊断； 知识库的管理与维护在服务器端通过知识库 维护界面用v b 实现。 黑龙江省水稻病虫于艳 2 0 0 4 系统采用了正反向混台推理机制，并用模块结 害诊断专家系统l 耵1构将知识库中的知识组织起来。以v i s u a l s t u d i o6 0 为开发工具研制完成。 浙江省蔬菜重要病郑永利等 2 0 0 4 系统整体采用面向对象的关系数据库v i s u a l 虫诊治咨询系统州】 f o x p r og o 编制而成，采纳了属性、方法和事件 编程的事件驱动模式。 2 0 0 1 年，重庆大学设计并开发了“多媒体蔬菜栽培专家系统m v p e s ”，该 7 系统采用a u t h o r w a r e 为开发工具，多种知识表示形式，并辅以图片数据库、超 文本数据库、知识规则库等专家决策支持系统，是专家开发中采用多媒体技术辅 助决策的典对3 3 】。其他的植物病虫害防治专家系统及其主要技术特点见表1 。 1 2 2 植物病虫害防治专家系统存在的问题及解决方案 1 2 2 1 对基础研究不够重视 在病虫害防治中“预防”是基础，要做好预防工作，就必须先做好病虫害的 预测预报。专家系统正确的预测预报的关键是模型。基础研究和田间实验数据是 高质量模型的根本。在我国大量的数据没有形成一个统一、共享的平台，很难共 享，使得系统研制中基础数据不足，在很大程度上限制了专家系统向更高水平发 展。在今后的研究中，基础研究不容忽视。 1 2 2 2 使用“门槛”过高 植物病虫害防治专家系统的使用者包括专家，植保科技人员和农民，其中农 民的文化水平相对较低。而很多专家系统的专业性太强、操作性差，只适合专家 使用。如何保证占我国人e l 大部分的农民方便使用性，是病虫害防治专家系统研 制中急需解决的问题。 在已有的植物病虫害防治专家系统的研制中，人们已经开始辅以多媒体技 术，把病虫害症状、害虫形态和发生症状可视化，并配以实况录像和解说，使原 本对农民用户来说晦涩难懂的推理，变得生动起来。这可能不失为解决问题的方 法之一。 1 2 3 植物病虫害防治专家系统发展趋势 与“3 s ”技术的结合：“3 s ”技术地理信息系统( g i s ) ，全球定位系统( g p s ) 和遥感( r s ) 技术。g i s 可以对地理实体实现定性和定量的描述。为系统提供必 需的数据。g p s 可以给出任意一个地面物体精确的经纬坐标，从而能精确地确定 物体的空间位置，以便调用该地区的相关资料辅助决策。r s 是快速获取大面积 信息的主要技术手段，获得的空间信息是动态的，更新很快，能对动态变化现象 进行监测。植物病虫害专家系统与“3 s ”技术结合是必然的发展趋势。 网络化：在农业生产中存在有许多动态的因素。如新药剂的生产、新的病虫 害的出现、害虫抗药性的产生等诸多问题。我们只有及时更新系统的数据库和知 识库，才能在生产中做出正确的指导。而随着国家网络建设的进程，现在农村也 能上网已经不是新鲜事，这为农业专家系统的网络化发展提供了必备条件。 综合化：目前已经开发的系统，有的只针对某种作物的一种病害或虫害，有 的只预测某一种作物的一种病虫害，在使用专家系统指导病虫害防治时，用户不 可能就作物有多少种病虫害买多少个专家系统，这样太不现实。专家系统要能很 好的应用于生产，最好是针对一种作物开发出一个综合性的系统，这个系统要包 括品种选择决策、育苗决策、施肥决策、病虫害预测预报、病虫害诊断与防治等 栽培该作物中可能遇到的一切问题，让专家系统真正成为“作物电子医生”。 开发专家系统代替专家指导病虫害防治是一项投资少、见效快的高新技术， 他将成为我匡i 农业发展和现代化的一个重要工具，在我过农业生产管理中必将有 着广阔的发展前景。 9 2 系统开发平台及运行环境 利用程序设计语言开发专家系统不仅工作繁杂，开发效率低下，而且成本较 高，因此现今开发专家系统大多都使用开发工具，利用开发工具不仅减少了不必 要的重复性工作和社会资源浪费，而且显著提高了专家系统的开发速度。本研究 采用国家农业信息技术研究中心与国防科技大学共同研制的p a i d 4 0 开发平台 作为工具，开发了中南黄瓜病虫害无公害防治专家系统( 以下简称“系统”) 。 2 1 系统的体系结构 本系统的体系结构继承开发平台的体系结构，主要包括八个主要功能模块， 即系统管理，知识管理，数据库管理，数据录入，专家决策，知识挖掘，数据查 询，帮助等。 2 1 1 系统管理 本模块的主要功能有，定义专业领域类别和其下的不同决策模块；定义和维 护系统所有的数据表结构；管理和维护表属性、界面管理、帐户信息、特定领域 规范、基础数据等。 在管理帐户信息时，系统利用分层技术将用户的权限分为几类，即普通用户、 知识工程师、系统管理员，保证了不同权限的用户在不同层次上操作，使系统便 于远程管理和维护1 4 5 l 。模块采用了多窗口界面、菜单式界面，同时用户界面集 成了多媒体技术，使人机交互更便捷。 2 1 2 知识管理 本模块通过可视化的输入界面定义知识和规则，并对知识进行求精；通过数 据表的方式维护知识规则；对知识库进行逻辑语法检测。定义知识规则时，通过 知识规则可视化录入界面直接用菜单选择录入，自由选择决策模块和决策项目， 并通过复选框选择前提条件、逻辑关系等，这样不但大大提高了录入效率，同时 减少了人为错误。 2 1 3 数据库管理 本模块的主要功能是对数据库、知识库进行备份、恢复、导入。 2 1 4 数据录入 用户可以进行原始数据编辑，录入的数据是系统进行推理的基础。该模块所 有数据项的属性均由系统管理员或知识工程师定义。 2 1 5 专家决策 根据知识规则对事实数据进行推理和解释，并产生推理结果。该模块实质是 系统推理过程、推理解释、推理结果的可视化，是系统透明性的集中体现。 2 1 6 知识挖掘 从大量原始数据中搜索知识规则，运用该模块可使系统通过各种算法自动搜 索知识规则。 2 1 7 数据查询 根据条件对输入的原始数据进行查询；根据条件对决策的结果进行查询。 2 1 8 帮助 即平台的使用说明。通过文字和图片的生动说明为初次使用系统的用户提供 有效帮助。 2 2 系统原理 系统采用“浏览器w e b 服务器数据库系统”三层网络结构模型( 图2 ) ，以 后台数据库管理为核心，在w e b 服务器挂接服务构件，通过前台浏览器管理和运 行。同时系统采用了智能构件技术、分层技术、可视化技术和a s p ( a c t , i v e x s e r v e r p a g e s ) 技术。这些技术的有机结合使系统便于管理、维护和升级，运行速度快， 性能稳定。 当浏览器遇到调用构件对象的命令时，会向w e b 服务器发出请求，由w e b 服务器执行调用构件的方法和属性的任务；当需要知识库中知识和数据库中的数 据时，将向数据库服务器发出请求；当w e b 服务器执行完命令，会把结果退回给 f i g2 ：t h ee x p e r ts y s t e mp r i n c i p l e 2 3 系统知识的表示和知识的求精 2 3 1 知识的表示 系统采用“模糊加权产生式规则+ 模型”的知识表示方法，实现了模糊知识 和确定知识、知识和模型的有机结合，使之更加接近于符号知识的本质和特点， 在农业特定领域应用更能体现生产实际“”“。 知识规则表示形式如下： w l * px ，w z * p 2 ，k ，w 。：l = p 。+ q ，c f ，t 式中p ，为前提条件，w ，为权系数，q 为结论，c f 为规则可信度，t 为条件阈值。 前提p 和结论q 都可以是模糊，其真度为 0 ，1 间的实数，o 为条件不成立， 1 为条件完全成立。c f 是0 c f i 称为规则的置信度。当前提的真度t = w 。木t ( p 。) 大于t 时，该规则即可被激活( 即激活结论q ) ，且结论q 既是前一次推理的结 论又可以作为前提项p j 参加下一步推理，是形成推理链的基础。 同时，在知识规则的前提条件、结论和规则备注中均插入多媒体知识，作为 对规则相应内容的补充和解释说明。 2 3 2 知识的求精 当知识库的知识不完整时会导致系统运行产生错误，这时需要通过知识求精 不断改进、完善，使其能满足问题求解的需要。平台采用s e e k 2 算法，自动对知 识的一致性与完整性进行检测和求精。在知识的一致性检测中检测知识的冗余规 则链、矛盾及矛盾规则链、环路规则链及从属规则的检测。 2 4 推理机 推理机构又称推理机、控制机构或问题求解器，是利用知识库中存放的知识， 按照一定的推理策略，控制整个专家系统进行工作，求解用户所提出的问题的机 构。 推理机与知识规则的表示方法是紧密相关的，因此系统的推理机是基于模糊 知识规则的推理方法，是根据推理策略从知识库中选择有关的知识，对用户提供 的证据进行搜索和匹配，直至推出结论的过程。其推理具有不确定性，由于知识 和证据都具有不确定性，而且知识所要求的不确定性程度与事实实际具有的不确 定性程度不一定相同，因此需要通过算法来计算匹配双方相似的程度，另外再指 定一个相似的“限度”( 即前面所说的t ) ，用来衡量匹配双方相似的程度是否 在指定的限度内。如果在指定的限度内，就称它们是可匹配的，结论( q ) 是真 值，相应知识可被应用，否则就不可应用。同时结论( q ) 也可作为另一条各种 的前提( p j ) ，进行下一次推理，这对实现相同知识模块中各决策项的关联和优 化具有重要意义。 2 5 解释机 解释机构一般是在推理机构配合下，专用于向用户解答推理或系统如何决策 问题的过程。系统设计人员或领域专家可以借助于系统的解释功能发现系统做出 错课结论的原因，以便给予改正；另外水平较低的用户可以通过解释功能学习到 领域专家的知识。解释机构功能充分反映了系统的透明性。 2 6 运行环境 2 6 1 硬件环境： 本系统能在网络环境和单机环境下运行。单机运行时要求内存空间3 2 兆 以上，硬盘空间1 0 0 0 兆以上；网络运行时要求服务器内存空间6 4 兆以上，硬盘 空间2 0 0 0 兆以上。 2 6 2 软件环境： 服务器端采用w i n d o w ss e v e r2 0 0 0 w i n d o w sx p 网络操作系统、s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库、i i s 4 o l 信息服务器、m t s 事务处理服务器；客户端需要 w i n d o w s9 8 或w i n d o w ss e v e r2 0 0 0 操作系统、i e 4 0 以上的浏览器软件；系统 可在任何支持t c p i p 协议的网络环境下运行。 2 6 3 接口标准 只要遵循c o m d c o m 技术规范，形成动态连接库d l l 方式( 服务器端执 行) 或o l e 控件o c x 方式( 客户端执行) ，均能集成到开发平台中来。 3 系统数据库的建立 数据库是专家系统中知识库的一个重要组成部分口o 】。由于数据库与知识库 及专家系统组分相分离而独立存在。数据修改既可以在数据库系统进行，也可以 在专家系统数据库窗口进行，所有的操作如数据的追加、取消、修改等不会影响 应用程序；反过来数据也不会因应用程序变化而受到影响。因而数据库为专家系 统的建立和维护打开了方便之门。 系统数据库由s q ls e r v e r 建成，根据系统的需要，我们建立了黄瓜诊断决 策事实库、数据标准库及规则库等。 3 1 系统决策标准库的建立 系统决策标准库用于对知识的贮存，利用a s p 和s q ls e r v e r 等技术在服务 器端实现知识的归类功能，并传送至浏览器人机交互界面询问表的相应数据栏， 且以下拉选择的方式提供给用户回答。系统决策标准使系统知识表示方法和推理 机制实现顺序诊断和知识分类的功能。 表2 黄瓜病害部位诊断标准表( h g b h b w z d _ d a t a ) ：! 些! ! ! ：! ! ! 墨翌! 型塑! 坦延盟! ! 竺堕! ! ! ! ! 篓! 熙! ! ! ! ! ! ! ! g 磐! 堡 字段名字段定义数值类型长度编辑属性 注：表中下拉选择为报部或根颈( 茎摹) 部、瓜条、茎蔓、叶片( 真叶) 、叶片( 子叶) 。 表3 黄瓜病害时期诊断标准表( h g b h s q z d _ d a t a ) ! ! ! ! ! i j ! ! ! ! 鲤! 竺! 璺! ! ! ! ! ! ! ! ! 翌! ! ! ! ! 兰兰! 竖塑! ! ! ! ! 罂! ! ! ! 字段名字段定义数值类型长度编辑属性 注：表中下拉选择为苗期、成株期。 择选 拉入入入 下输输输 加撇瑚抛 型型型型符符符符字字字字 l 2 3 期状状状时症症症 跗嘲越必 同时，系统决策标准库与事实库中字段的数量、字段的名称、数值类型、字 段长度是相对应的。本系统建立的标准库内容如表2 - 4 所示。 表4 黄瓜虫害诊断标准表( h g c h z d _ d a t a ) 然! ! ! i ! ! ! 测型型! ! ! 竺竺堕! 熙! ! 熙璺! ! 卿! ! ! ! 字段名字段定义数值类型长度编辑属性 注：表中下拉选择为瓜条、叶片、茎蔓、根。 3 2 系统决策事实库的建立 表5 s s 一黄瓜病害部位诊断事实表( h g b h b w z d _ f a e t ) t a b l e 5 ：s s _ t h e f a c tt a b l eo f e u c u m b e rd i s e a s ep o s i t i o nd i a g n o s i s 字段名与定义内容数值类型长度编辑属性 帐户( a c c o u n t ) s e l e c t a c c o u n tf r o md _ c _ y h bw h e r c 字符型2 0隐含 a e c o u n r “? u s e f i d 日期( r q ) y y y y - m m - d dv a r c h a r2 0 自动当前日期 编号( b h ) s e l e c ty h b h f r o m d _ cy h b w h e r ev a r c h a r2 0自动序列编号 a e c o u n t 。l ? u s e r i d “ 病害发生部位f s e l e c td i s t i n c t b wf r o mv a r c h a r3 0 从动选择 ( b w ) h g b h b w z d _ d a t a 症状l ( z z l ) s e l e c t d i s t i n c t口lf r o mv a r c h a r3 0 0 从动选择 h g b h b w z dd c t a w h e r eb w 2 2 西6 州曼7 症状2 ( z z 2 ) s e l e c t d i s t i n c t z z 2 f r o mv a r c h a r3 0 0从动选择 h g b h b w z dd a m w h e r ez z i = _ z z i l “ 症状3 ( z z - 3 ) s e l e c t d i s t i n c tz z 3f r o mv a r c h a r3 0 0 从动选择 h g b h b w z d _ d c t a w h e r ez z 2 = “ 越 _ ) 症状4 ( z z 4 ) s e l e c t d i s t i n c tz z 4f r o mv a r c h a r3 0 0 从动选择 h g b h b w z d _ d c t a w h e r ez z 3 = “ z z 3 唾) _ ) 系统决策事实库用于存放用户事实数据。建立事实库时需要依据已经收集和 1 6 整理的资料设计和定义字段，这包括字段的数量、字段名称、数值类型、字段长 度、编辑属性等内容。事实库中字段的具体内容是系统进行推理决策所依据的基 本事实。本系统建立事实库的具体内容如表5 。7 所示。 3 3 系统知识规则库 规则库主要用于存放黄瓜病害时期诊断、黄瓜病害部位诊断和黄瓜虫害诊断 等几个决策项目、知识规则及系统进行决策运算所要用到的各项参数。如，知识 权重、目标结果类型、目标结果值、结论、条件阈值、规则可信度等。 表6s s 黄瓜病害时期诊断事实表( h g b h s q z d f a c t ) 垡鲢! 翌生垒! ! 堂! ! ! 业! ! 竺璧! 垫竺! 竖璺! ! 变靶! 坐 字段名与定义内容数值类型长度编辑属性 帐p ( a c c o u n t ) f s e l e c t a c c o u n tf r o m d _ c _ y h b v a r e h a r2 0 隐含 日期( r q ) 编号( b h ) 时期( s q ) 症状1 ( z z l ) 症状2 ( z z 2 ) 症状3 ( z z 3 ) w h e r ea c e o t t n t “? u s e d d “ y y y y 二m m d dv a r c h a r2 0 s e l e c ty h b h f r o m d _ c _ , v h b v a r c h a r2 0 w h e r e8 c c o b n t = “? u s e r i d “) 自动当前日期 自动序列编号 f s e l e c td i s t i n c t s q f r o mv a r c h a t2 0从动选择 h g b h s q z d _ d a t a l s e l e c t d i s t i n c tz z lf r o mv a r e h a r2 0 0单值从动 h g b h s q z d _ d a t a w h e r e s q = _ s q 一 s e l e c t d i s t i n c tz z 2f r o mv a t c h a r2 0 0单值从动 h g b h s q