（信号与信息处理专业论文）西部优势农作物专家系统设计.pdf

摘要 摘要 进入2 l 世纪以来，信息技术已经广泛应用于生产生活的各个领域，我国农业 生产正处于传统农业向现代化农业转型的重要时期。农业要实现现代化，实现生 产力质的飞跃，必须大力发展信息技术这一管理和传播手段。而作为信息技术重 要内容的智能化专家系统已成为精确农业研究领域的一个热点，具有广阔的应用 前景和发展潜力，对于提高劳动者素质，实现农业现代化有着重要意义。 论文主要研究了人工智能、知识工程以及专家系统在农业信息化领域的应用 和发展现状，深入分析了几种较为典型的专家系统，针对课题要求的西部优势农 作物生产管理专家系统提出了设计方案并予以实现。通过对经典专家系统设计方 法的研究和分析发现，多知识库、多主体特性是专家系统发展的趋势。本文研究 的专家系统主要包括了温室控制、病虫害诊治、智能调控三大模块。 为了实现对温室的精准化管理，本文应用基于产生式规则的专家系统设计方 法构建生长模型库和规则库，开发了温室管理子系统。根据作物的生长模型和参 数控制指标，可以预测作物的生长发育状态，能够比较精准地对温室的环境参数 做出调整。 为了实现病虫害的智能诊断，本文采用基于模糊理论的知识表示方法，应用 不精确推理的可信度模型，较好地解决了病虫害知识关系复杂和无法精确描述的 困难，构建了病虫害诊治子系统。系统能够对病虫害信息做出近于专家的判断， 并给出病虫害防治措施。 为了更精确、细致地模拟领域专家的生产经验，实现对温室参数的智能调控， 本文引入神经网络方法构建专家系统的自学习机制和推理机制，设计实现了温室 控制参数优化子系统。系统能够自主学习相关农业专家多年试验得出的庞大数据 中的规律，动态调整不合理参数，使得作物在最优状态下生长。 关键词：专家系统产生式规则模糊理论神经网络 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y , t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u s f i e l d so fh u m a np r o d u c t i o na n dl i f e ，a n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ni nc h i n ai si nt h e c r u c i a lp e r i o do ft h et r a n s i t i o nf r o mt r a d i t i o n a la g r i c u l t u r et om o d e ma g r i c u l t u r e t o r e a l i z ea g r i c u l t u r a lm o d e r n i z a t i o na n da c h i e v eaq u a l i t a t i v el e a pi np r o d u c t i v i t y , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya sam e a n so fm a n a g e m e n ta n dd i s s e m i n a t i o nm u s tb e d e v e l o p e dw i t hg r e a te f f o r t a s a l li m p o r t a n tc o n t e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n te x p e r ts y s t e mh a sb e c o m e ah o ts p o ti nt h er e s e a r c hf i e l do fp r e c i s i o n a g r i c u l t u r e i th o l d sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dg r e a td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l ，a n dh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fl a b o r e r sa n dr e a l i z i n ga g r i c u l t u r a l m o d e r n i z a t i o n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，k n o w l e d g ee n g i n e e r i n ga n dt h e a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe x p e r ts y s t e mi nt h ea g r i c u l t u r a l i n f o r m a t i o n i z a t i o n f i e l d ，t h o r o u g h l ya n a l y z e ss e v e r a lk i n d so ft y p i c a le x p e r ts y s t e m s ，a n dp r o p o s e sa d e s i g ns c h e m eo ft h ee x p e r ts y s t e ma c c o r d i n gt ot h ei s s u e ，n a m e l yt h ew e s t e r ns u p e r i o r c r o p s p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t o nt h eb a s i so f t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ec l a s s i c a l e x p e r ts y s t e m sd e s i g nm e t h o d s ，t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h ee x p e r ts y s t e mi sw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i p l ek n o w l e d g el i b r a r i e sa n dm u l t i a g e n t t h ee x p e r ts y s t e m d i s c u s s e di nt h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h r e em o d u l e sw h i c ha r eg r e e n h o u s ec o n t r o l ， p l a n td i s e a s e sd i a g n o s i sa n di n t e l l i g e n ta d j u s t m e n t i no r d e rt oa c h i e v ep r e c i s i o nm a n a g e m e n to ft h eg r e e n h o u s e ，t h eg r o w t hm o d e l l i b r a r ya n dr u l el i b r a r yb a s e do ng e n e r a t i n g r u l e s a r eb u l i d ，a n dt h eg r e e n h o u s e m a n a g e m e n ts u b s y s t e mi sd e v e l o p e d a c c o r d i n g t ot h ec r o p s g r o w t hm o d e la n d p a r a m e t e rc o n t r o li n d i c e s ，t h ed e v e l o p e ds y s t e m c a l l p r e d i c t t h e c r o p s g r o w i n g c o n d i t i o n s ，a n dm a k ea c c u r a t ea d j u s t m e n tt ot h eg r e e n h o u s e se n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s f o rt h ei n t e l l i g e n td i a g n o s i so fp l a n td i s e a s e s ，t h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n m e t h o db a s e do nf u z z yt h e o r ya n dt h ec r e d i b i l i t ym o d e lb a s e do ni n e x a c tr e a s o n i n ga r e a p p l i e d t ot h ec o n s t r u c t i o no ft h ep l a n td i s e a s e sd i a g n o s i ss u b s y s t e m ，w h i c hi sab e t t e r s o l u t i o nt ot h ec o m p l e xr e l a t i o n s h i pa n du n a c c u r a t ed e s c r i p t i o mo ft h ep l a n td i s e a s e s t h ed e v e l o p e ds y s t e mc a nm a k en e a r l yt h es a m ej u d g m e n ta sa ne x p e r to nt h e i n f o r m a t i o no fp l a n td i s e a s e s ，a n dg i v et r e a t m e n tm e a s u r e sf o rt h ed i s e a s e s i no r d e rt os i m i l a t et h ee x p e r t s p r o d u c t i o ne x p e r i e n c em o r ep r e c i s e l y , a n da c h i e v e a b s t r a c t i n t e l l i g e n ta d j u s t m e n tt ot h eg r e e n h o u s e sp a r a m e t e r s ，an e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mi s i n t r o d u c e dt ob u i l da l le x p e r ts y s t e m 诵t l ls e l f - l e a m i n ga n dr e a s o n i n gm e c h a n i s m ，s o t h a tt h eg r e e n h o u s e sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ns u b s y s t e mi sd e s i g n e d t h ed e v e l o p e d s y s t e mc a l li n d e p e n d e n t l yl e a r nt h el a w sc o n c e a l e di nh u g ed a t ao b t a i n e df r o my e a r so f e x p e r i m e n t sb ya g r i c u l t u r a le x p e r t s ，a n dd y n a m i c a l l ya d j u s tu n r e a s o n a b l ep a r a m e t e r st o m a k ec r o p sg r o wu n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e mg e n e r a t i n gr u l ef u z z yt h e o r y n e u r a ln e t w o r k 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 一一气 本人签名：圭之型 日期 2 诤l ot | 1 y 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 王珂 日期 u h | 。拇 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机科学的发展，专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 作为人工智f i e ( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，a i ) 研究领域最活跃的分支之一，被广泛的应用在各个领域，包括农 业生产、医疗诊断、图像处理、石油化工、地质勘探、金融决策、实时监控、分 子遗传工程、教学、军事等领域【l 捌。已开发的专家系统有不少在功能上已达到、 甚至超过同领域中人类专家的水平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益。农 业专家系统作为农业信息技术的重要分支，已成为研究热点，并有着广泛的应用 前景。本章主要介绍了农业专家系统的研究背景与意义，国内外研究概况以及全 文的内容安排。 1 1 研究背景与意义 在当前经济全球化进程加快和科学技术迅猛发展的形势下，我国已经进入工 业反哺农业、城市支持农村的历史发展新阶段，作为发展现代农业的一项重要内 容，农业信息化建设是新时期农业和农村发展的一项重要任务【3 】。农业要实现现代 化，实现生产力质的飞跃，大力发展信息技术这一管理和传播手段是必不可少的。 自2 0 世纪6 0 年代以来，许多发达国家已将信息技术在农业中广泛应用，主 要包括作物生长管理自动化、病虫害诊断、病虫害预测预报、农业技术资源保护、 农业气象、农业经营、农产品加工等多个方面【4 】。美国、德国、日本、以色列等国 在农业信息化方面的工作卓有成效，农业的生产能力和技术水平都处于世界领先 地位。目前国外的先进性主要体现在农业信息网络健全、自动化控制程度高、配 套设施健全，形成了完整的农业专家系统、农业决策支持系统、作物生长模拟系 统以及农业信息的管理系统。有资料表明，美国农业信息化水平高于工业8 1 6 ， 计算机与互联网应用已经成为农业科研、生产、管理等各个方面的重要工具1 5 l 。 我国幅员辽阔，气候多样，地域发展极度不平衡，直接从事农业生产的劳动 者科学文化水平普遍偏低，农业科研和推广生产脱节较为严重，种种因素制约了 我国农业的发展。智能化农业信息技术已经成为加快农业科技成果转化，实现农 业现代化的有效途径。农业信息化必将促使农业生产方式发生根本性转变，促进 农业实用技术的全面普及和推广，促进农民文化素质的提高和科技意识的增强， 促进农业科技化和产业化的不断提高，从而加快农业现代化的发展【6 j 。 进入2 l 世纪，从国内来看，我国正处在农业经济结构调整和全面建设小康社 会的关键时期；从国际来看，加入世贸组织既给我国农业走向国际市场提供了良 2 西部优势农作物专家系统设计 好的机遇，同时也会对我国农业产生强大的冲击1 7 1 。未来我国农业发展靠消耗资源 和拼资源已不是方向，应遵循劳动生产率的提高与资本节约并进的方面发展。智 能化农业是对传统农业的一场技术性革命，对于我国这样一个农业大国，不仅有 深远的历史意义，更有强烈的现实意义。它在农业生产和农产品经营中的作用日 益突出，为我国“三农”问题的解决和农业可持续发展提供强大的技术支持。 在生产力众多因素中，劳动者是最根本、最活跃、最积极的部分。我国农村 人口科学文化素质低下，接受新观念、新技术和新知识的能力差，这已成为新时 期农业和农村发展的主要障碍【7 】。由于受教育体制、经济条件等多方面因素的影响， 我国现有农民的文化素质不可能在短期内通过学校的正规学习解决，而智能化农 业专家系统的推广应用是提高农民科技文化素质的有效途径之一。通过发展智能 化农业专家系统，可以广泛、快捷地传播农业技术、科普知识，使农民在应用中 获取农业科技知识，提高科技文化水平，从而提高农业生产的科技含量。 总而言之，在农业信息化过程中，以农业专家系统为主要内容的农业知识工 程越来越为人们所认同，并有广阔的应用发展前景。智能化农业专家系统是农业 信息化建设的一个重要组成部分，我国在农业专家系统的开发、应用上投入了大 量的人力和物力，积累了丰富的系统研发经验并开发出了一系列技术成熟的专家 系统，通过初步的示范应用，已经取得了良好的效果。我国的智能化农业专家系 统研究已经进入了实际应用阶段。 本系统主要应用方向为西北优势农作物生长发育的预测与实时动态调控，在 生产过程中面向用户技术咨询、答疑解惑，对西北优势农作物的精准管理和优质 成长有着重要的意义。 1 2 国内外研究概况 国际上农业专家系统的研究是在7 0 年代末期开始的，以美国最早【s 9 】。当时 开发的系统主要是面向农作物的病虫害诊断。比较有名的专家系统有：p l a n t d s 、 i c c s 等，涉及多种作物的病虫害诊断、预测与管理、施肥、防御低温冷害等，一 般用于解决带有经验性的定性问题。到了8 0 年代中期，随着专家系统技术的迅速 发展，农业专家系统在国际上有了相当的发展，在数量和水平上均有了较大的提 高，已从单一的病虫害诊断转向生产管理、经济分析与决策、生态环境等，尤其 以美国、日本和欧洲国家最为突出。较为典型的有美国棉花管理专家系统 c o t t o n + + 、a p s i m 等。9 0 年代以来，农业专家系统、作物模型3 s ( r s ，g p s ，g i s ) 技术之间的集成已成为信息技术领域研究的热点之一，印度、加拿大等将 a e g i s w i n 与r s 模型、专家系统等结合进行干旱地区决策、农业生产模式等领域 的深层次决策支持系统研究与应用。目前，国外农业专家系统已有极大的发展， 第一章绪论 3 其范围涵括了农业生产的各个方面，如农作物的生产与育种，果园的生产管理， 病虫害的防治、诊断与发生预测及农业科技管理体制等。比较有影响的有：美国 的p o m m e ( 果园管理及害虫防治) 、c o m a x c o s s y m ( 棉花管理专家系统) 、e x t r a ( 农业技术和资源保护) 及日本千叶大学开发的番茄病害诊断专家系统等。 我国农业专家系统的研究，早在8 0 年代初期就已开始，是国际上开展此领域 的研究与应用比较早的国家1 8 9 a o l 。研制开发的专家系统主要分为作物育种、作物 栽培和作物保护三大类。主要代表人物是中国科学院合肥智能机械研究所熊范纶 研究员。1 9 8 5 年中国科学院人工智能所开发的“砂姜黑土小麦施肥专家咨询系统” 在安徽省淮北平原得到很好的推广应用。在国家“八六三 计划、国家自然科学 基金、国家科技攻关的资助与中科院、农业部、机电部和各地政府的支持下，许 多科研院所、高等院校和各地有关部门开展了各种农业专家系统的研究、开发以 及推广应用，取得了可喜的成就。2 0 世纪9 0 年代，科技部把电脑农业专家系统列 入8 6 3 计划，我国农业专家系统又有了新的发展。国家“八六三 计划和农业部、 中科院以及许多省的农业科学院和高等院校继续进行农业专家系统的研究与开 发，不论在广度和深度方面均有了很大的进展，进一步将人工智能技术应用于农 业领域，取得了若干重要的研究成果。进入新世纪以来，以农业专家系统为重要 手段的智能化农业信息技术在我国迅速发展，并成为我国农业现代化的重要内容。 目前已有多种大田作物生产管理专家系统正在我国广大地区应用，为我国农业现 代化建设服务，且已有几种蔬菜作物的生产管理专家系统研制成功。目前已研制 出一批有影响的系统软件，例如，合肥智能所的“施肥专家系统”在全国已推广 了1 0 0 多个县，节约化肥3 0 多万吨，增产粮食十多亿斤；中国农业科学院土肥所 的“禹城小麦、玉米施肥专家系统”已推广了1 1 2 5 万亩，增产小麦4 0 0 多万斤。 此外还有长春市农科院的国家“8 6 3 课题“玉米栽培专家系统 、中国农业科学 院作物所的“冬小麦新品种选育专家系统 和“玉米杂交种选育专家系统”等。 目前，专家系统几乎应用到了农业上的各个领域。涉及到作物生产管理、施肥、 节水灌溉、品种选育、温室管理、病虫害防治、杂草控制、水土保持、森林环保、 家畜饲养、食品加工、财务分析、农业机械选择、市场管理等方面。有些系统已 成为商品进入市场，以农业专家系统为主要内容的农业知识工程越来越为人们所 认识，并有广阔的应用发展前景。 我国农业专家系统存在许多问题，( 1 ) 水平参差不齐，综合性水平偏低1 9 , 1 0 。 目前大多数专家系统只是针对作物生产的某一侧面开发的，缺乏对作物各个生产 阶段、各个方面的有机联系和统筹考虑，而生产者需要的是综合信息服务，只有 提高综合性水平才能真正解决农民的实际问题。( 2 ) 性能还达不到“专家 的要 求，目前我国开发的农业专家系统中，知识的数量较少，质量较差，大多只是常 识和基本原理知识，缺乏启发性知识和真正的专家知识。另外，还存在知识获取 4 西部优势农作物专家系统设计 困难、知识存储方式落后等问题。( 3 ) 知识获取困难，我国农业信息资源极其丰 富，但农业信息网络和数据库的建设严重滞后，缺乏有序管理，利用困难，使专 家系统的知识来源比较单一，仅仅是专家的研究成果、试验分析结果和各种模型。 ( 4 ) 一些专家系统只强调应用，缺乏进行二次开发所需的开发工具，使用者无法 根据当地实际情况创建知识库和模型库。还有解决问题的深度和广度还不够，与 其他程序或模块的接口还未彻底解决，这样就使得许多农业专家系统只能向用户 提供一些基本的常识性解释和判断，无法详尽、准确地解决用户提出的问题；一 些专家系统由于缺乏模型、数据库管理系统、g i s 等的支持，系统功能受到限制。 农村计算机应用水平也限制了农业专家系统的应用，农村网络设施和计算机硬件 设施不完备，以及应用计算机水平的落后，限制了专家系统的应用和推广。 目前专家系统的发展已经历了3 个阶段，正向第四代过渡和发展 9 1 。第一代专 家系统( d e n d r a l 、m a c s y m a 等) 以高度专业化、求解专门问题的能力强为特点， 但在体系结构的完整性、可移植性等方面存在缺陷。第二代专家系统( m y c i n 、 c a s n e t 、p r o s p e c t o r 、h e a r s a y 等) 属单学科专业型、应用型系统，其体系 结构较完整，移植性方面也有所改善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识 获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发性、通 用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综合型系统，采用多种人工智 能语言，综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略，并开始运用各 种知识工程语言、骨架系统及专家系统开发工具和环境来研制大型综合专家系统。 在总结前三代专家系统的设计方法和实现技术的基础上，目前已开始采用大型多 专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、自组织解题机制、多学科协同解题 与并行推理、专家系统工具与环境、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人 工智能技术来实现具有多知识库、多主体的第四代专家系统。 本文研究的西部优势农作物专家系统，结合了产生式规则知识表示方法，基 于模糊理论的推理机，基于人工神经网络的学习机制和推理机制，具有多知识库 多主体的特性。 1 3 本文的内容安排 本文主要研究了人工智能、知识工程以及专家系统在农业信息化领域的应用 和发展现状，深入分析了几种较为典型的专家系统，针对课题要求的西部优势农 作物生产智能管理专家系统提出了设计方案并予以实现。在对现有专家系统全面 学习和理解的基础上，本文对新概念新理论在专家系统设计中的应用展开了系统 的研究。全文内容安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了专家系统的应用领域和研究背景，阐述了本文的 第一章绪论 5 研究目的和选题意义，综述了现有专家系统研究概况，提出目前存在的问题，最 后给出了全文的内容安排。 第二章研究了基于规则的专家系统设计方法，首先介绍了专家系统的原理、 特点及开发工具等基本概念和相关知识，具体介绍了基于规则的专家系统的设计 与实现方法，最后对基于规则的专家系统的特点做了简单总结。 第三章研究了基于模糊理论的专家系统设计方法，首先简单阐述了模糊理论 基本原理以及模糊专家系统的特点，介绍了本研究中应用模糊理论的病虫害诊治 子系统的设计与实现方法，分别从知识库的建立和推理机的设计两方面进行阐述。 第四章研究了基于人工神经网络技术的专家系统设计方法，首先介绍了人工 神经网络技术的基本原理，重点描述了本研究中基于神经网络的专家系统知识库 的建立方法，最后介绍了温室控制参数优化子系统的设计与实现。 第五章全文总结，提出了进一步需要研究和解决的问题。 本论文的工作来源于国家科技部科技支撑计划“生产精准管理关键技术研 究与示范”项目子课题农作物生长数据库和模型构建 中有关甜瓜、番茄等 西部优势农作物精准管理的专家系统要求。 第二章基于产生式规则的专家子系统设计 7 第二章基于产生式规则的专家子系统设计 2 1 引言 专家系统是人工智能应用研究最活跃的领域之一，已经获得了日益广泛的应 用。一般来说，专家系统是一种智能的计算机程序系统，内部具有大量专家水平 的领域知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的 问题【1 】。产生式表示( 或规则表示) 【l ，2 】是目前专家系统最基本并且使用最广泛的知 识表示方法，采用这种表示法的专家系统称为基于规则的专家系统。产生式表示 法一般用于所谓的产生式系统。产生式系统最早由e p o s t 于1 9 4 3 年提出的，并由 a n e w e l l 和e a s i m o n 于1 9 7 2 年作为一种人类认知模型引入到人工智能研究领域， 现在产生式系统已经在人工智能中广泛应用，并有了很大进展。基于规则的专家 系统亦称为一个产生式系统，用“i ft h e n ”的规则形式捕获人类问题求解的行为 特征，并通过认识行动循环过程求解问题，具有表现形式单一、直观的特点， 有利于知识的提取与形式化，并且问题求解过程符合人的认知过程，计算机容易 实现，有利于问题求解和专家系统的开发。 本章将对专家系统的定义、特征、基本框架结构、开发工具、知识表示方注 与知识库系统、推理策略与机制等与专家系统设计密切相关的知识作简单的介绍， 对本文要实现的专家系统的开发环境和总体构架作出说明，结合生长模型库和控 制规则库的建立，对本研究中基于产生式规则表示的温室控制子系统的实现做详 细阐述。 2 2 1专家系统的定义与特征 2 2 专家系统概述 人工智能是计算机科学的一个分支，是计算机科学、控制论、信息论、神经 生理学、心理学、语言学等多种学科互相渗透而发展起来的一门综合性学利。从 计算机应用系统角度来看人工智能是研究如何运用计算机模拟制造出智能机器或 智能系统，实现模拟人类智能活动的能力，以延伸人脑功能的科学。换言之，人工 智能研究如何用计算机模仿人脑所从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、 思考、规划以及问题求解等思维活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题， 例如咨询、诊断、预测、规划等决策性问题。人工智能技术中最活跃的三个领域 西部优势农作物专家系统设计 分别是专家系统、模式识别、智能机器人。 专家系统的出现是人工智能研究领域的重大进展，作为人工智能应用最为成 熟的一个领域，使人工智能的研究从实验室进入现实世界1 1 ，2 17 1 。专家系统已用于 医疗诊断、化学分析、工程设计、地质勘探、气象预报、艺术创作、案情分析、 军事决策、教学和科研等各个不同的领域，大大提高了人们的工作效率和工作质 量，促进了人类智能与机器智能的相互补充与相互渗透。概括地讲，专家系统包 括以下三个方面的含义1 1 8 ，19 2 0 l ：首先专家系统是一种以专家知识和经验进行推理 的智能程序系统；专家系统内部必须包含有大量专家水平的领域知识和经验，并 且能够在运行过程中不断地增加新知识和修改原有知识；专家系统能够解决领域 专家才能解决的问题。也就是说，专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程 序系统，应用人工智能技术，根据某个领域一个或多个人类专家提供的知识和经 验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决那些需要专家决定的复杂 问题。专家系统是在关于人工智能研究处于低潮时提出来的，其成功应用使人工 智能摆脱了困境，人们也由此开始从探索思维规律转向智能行为的研究。 专家系统实质就是一组程序，从功能上可定义为“一个在某领域具有专家水 平理解能力的程序系统，能像领域专家一样工作，运用专家积累的工作经验与专 门知识，在很短时间内对问题得出高水平的解答。从结构上讲，可定义为“由一 个专门领域的知识库，以及一个能获取和运用知识的机构构成的解题程序系统”。 专家系统的研究正在开创一门新学科知识工程，其关键问题是知识获取、表 示和推理三个方面。专家系统把某一领域专家的知识、人类长期总结出来的基本 理论和方法输入其中，模仿人类专家的思维规律和处理模式，按一定的推理机制 和控制策略，利用计算机进行演绎和推理，使专家的经验变为共享财富，克服了 专家严重短缺的现象，充分利用了现代计算机的高速、高效、可靠的优越性，以 其强大的生命力倍受欢迎。专家系统的特征可概括为以下几个方面【2 l ： ( 1 ) 启发性：可以处理不确定的知识，进行启发式推理，使其更接近人力思 维方式。 ( 2 ) 灵活性：系统的知识库和推理机分离，维修知识库灵活方便。 ( 3 ) 透明性：系统推理过程透明，用户易于接受系统给出的结论和建议。 ( 4 ) 智能性：具有相对独立的解决问题的能力，以及总结经验完备自身的能 力，也就是具有自我学习能力。 此外，本文研究的农业专家系统还应具有继承性、集成性、便捷性等特点， 对解决农业专家不足，提高农业生产的科学管理水平具有重要意义。 第二章基于产生式规则的专家子系统设计 9 2 2 2 专家系统的基本结构 专家系统是一个基于知识的智能推理系统，涉及对知识的获取、知识库、推 理控制机制以及智能人机界面的研究，集人工智能和领域知识于一体。专家系统 的主要组成部分是：知识库、推理机、工作数据库、人机接口、解释系统和知识 获取系统，其中知识库和推理机制是核心要素。基本结构框图如下图2 1 所示i l l 。 领域专家 用户 知识工程师 厂- j l 口圈 困匝囫 l 厂一 困 圈 图2 1 专家系统基本结构框图 各部分功能简单介绍如下i l 】： ( 1 ) 人机接口。人机接口是专家系统与专家及一般用户间的界面，由一组程 序和相应的硬件组成，用于完成输入输出工作。领域专家和知识工程师通过人机 接口输入知识，更新和完善知识库；用户通过它输入初始证据和所提出的问题； 系统则通过它输出运行结果，回答用户询问或向用户索取进一步证据。 ( 2 ) 知识获取系统。这是专家系统中获取知识的机构，由一组程序组成，其 基本任务是把知识输入到知识库中；检测并修改知识库中的错误；对知识库进行 扩充和调试等。其目的是建立起性能良好的知识库。 ( 3 ) 知识库。知识库是知识的存储器，用于存储领域专家的经验性知识、有 关事实和一般常识等。知识库中的知识来源于知识获取系统，它是为推理机提供 求解问题所需知识的系统。 ( 4 ) 推理机。推理机是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心部分， 其任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。它能根据当前已 知的事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和搜索策略进行推理，求得 问题的答案或证明某个结论的正确性。 ( 5 ) 数据库。数据库是用于存放推理的初始证据、中间结果和最终结果等的 工作存储器，是推理机不可缺少的工作场地。数据库的作用是记录推理过程中的 有关信息，为解释机构提供回答用户咨询的依据。 1 0 西部优势农作物专家系统设计 ( 6 ) 解释系统。解释系统是专家系统区别于一般程序的重要特征，它由一组 程序组成，能够跟踪并记录推理过程，能够对自己的行为作出解释，并能够回答 用户提出的问题。 2 2 3 专家系统的开发工具 从目前的专家系统开发工具来看，可分为三种主要的类型，即语言、外壳、 工具【1 1 2 1 3 】。用于建造专家系统的语言可分为两类：一类由语言提供一个推理机去 执行该语言编写的语句，称为专家系统语言，如p r 0 1 0 9 ：另一类是普通的编程语 言，自身不提供推理机。常用于开发专家系统的这类语言有l i s p 、s m a l l t a l k 、c 和c + + 语言。用编程语言开发专家系统的主要缺点是开发效率不高。专家系统外 壳是抽去一些已开发成功的专家系统中的具体知识，保留其体系结构和功能，将 专用领域的界面改为能用的界面而得到的，如e m y c i n 、e x p e r t 等系统。通过向外 壳中加入新的知识，就可以开发出新的专家系统，由于专家系统外壳中的知识表 示模式、推理机制等都是针对原来问题领域而定制的，所以一般用于与原专家系 统相同或相近类型的应用系统的开发。专家系统开发工具是不依赖于任何已有的 专家系统，完全重新设计且提供更多灵活性的一类专家系统开发工具，是专门语 言加上有关的实用程序的集合。实用程序可包括脚本编辑器、调试器和代码生成 器，有时还提供一些方便的构件。人工智能和专家系统的发展非常迅速，k d d 技 术、面向对象程序设计、可视化开发环境、i n t e m e t 、多媒体、虚拟现等为专家系 统的发展提供了新的工具和方法，开辟了新的领域。本研究内容的农业专家系统 界面主框架开发使用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 开发平台，基于m f c 类库设计 o f f i c e2 0 0 7t a b 风格的多视图系统界面。 2 2 4 知识的表示方法与知识库系统 2 2 4 1 知识的表示方法 知识表示在专家系统中非常重要，第一，知识是专家系统的核心，知识表示 是专家系统乃至人工智能的重要研究内容i l 2 】。第二，专家系统外壳、工具是为某 种类型的知识表示方法设计的。第三，一个专家系统表示知识的方式影响着系统 的开发、效率、速度和维护。第四，一个专家系统的问题求解能力，从根本上取 决于该系统所具有知识的广度、深度和正确性。 在建立完成某个特定任务的专家系统时，首先需要考虑的就是要选用合适的 知识表示方法将本领域的专家知识表示出来，存入知识库。在早期的人工智能系 统中，知识表示并不是明确地作为一个重要问题来考虑的，大多数系统将知识间 第二章基丁：产生式规则的专家子系统设计 接地插入规则和数据中。直到6 0 年代中期，知识表示才开始作为一个独立的研究 课题，经长期研究，人们发现基本不可能找到一种适合于表示所有不同性质的问 题的知识表示方法，因此对不同性质的问题应采用不同形式的表示方法。时至今 日，人们已研究出诸多实用而有价值的知识表示方法，下面就来简单介绍一下实 用中的一些具体技术方法。 ( 1 ) 逻辑表示法 逻辑表示法采用阶谓词逻辑表示知识，利用逻辑公式来描述对象、性质、 状况和关系1 1 ，1 2 l 。一阶谓词逻辑是一种形式语言系统，特点是精确、无二义性，容 易为计算机所理解和操作，同时又与自然语言相似，故可以看成是自然语言的一 种简化形式。一阶谓词逻辑研究的是假设与结论之间的蕴含关系，即用逻辑方法 研究推理的规律，其推理机制采用归结原理，主要用于自动定理证明。 ( 2 ) 产生式规则方法 人工智能研究者们在早期阶段，只是重点研究具有因果关系的知识。这些因 果关系也就是前提与结论的关系，用规则来表示是非常方便的，这种知识表示方 法被称为规则方法，亦称产生式规则方法【1 2 2 1 ，表示格式为：如果条件集合成立， 则结论成立。以字符形式可表示为：i f a ，t h e nb 。 a 表示若干条件因素的 集合，b 表示结论因素。条件因素集合中，各条件因素可以是“与”的关系，也可 以是“或”的关系，或者是“与”和“或的组合。 产生式规则方法是一种十分自然的知识表示形式，具有准确灵活的特点，目 前己是专家系统中使用最广泛的一种表示方法。如果领域知识因果关系比较明确， 表示的对象较为简单，则采用产生式规则方法为宜，但若是描述复杂的对象和关 系，则此方法并不能保证合适有效。人们一般将利用产生式规则方法表示知识的 专家系统称为基于规则的系统。 ( 3 ) 语义网络表示法 语义网络表示法是用网络图解的形式来表示和组织知识i l 2 l 。网络由节点和具 有语义的弧链组成，节点用来表示对象、概念和事件等，弧链表示它们之间的关 系。语义网络表示法可以把事物的结构、属性及因果关系通过节点与弧链的形式 简明扼要地表达出来，自然直观，易于理解。语义网络表示是知识的图解表示， 长于表示事物间的静态关系。 ( 4 ) 框架表示法 框架是把关于一个概念、对象或事件的所有信息和知识都存贮在一起的一种 数据结构【1 2 1 。每个框架有一个框架名，有一组描述这个概念、对象或事件的各方 面内容的“槽”，每个槽有若干“侧面 组成。每个槽可以按实际情况被一定类型 的实例或数据所填充( 或称赋值) ，所填写的内容称为槽值。每个槽值一般都预先规 定赋值的条件，譬如，规定其值是人物、符合一定条件的事物、指向某类子框架 1 2 两部优势农作物专家系统设计 的指针等等，还可规定不同槽的槽值之间应满足的条件。因此框架是一种层次型 的数据结构，框架下层的槽可以看成是一种子框架，子框架还可以进一步分层次。 框架的层次结构与语义网络类似，是对知识的二维描述，但因框架的槽值还可以 是另一个框架，框架结构还可以对知识进行三维的描述，因此框架也可看作是一 种复杂结构的语义网络，能有效地描述复杂事物。如果领域知识中描述性知识占 较大比例，采用框架表示法最为合适，框架表示法最初就是针对叙述性、描述性 的知识类型提出来的。人们一般将利用框架表示知识的专家系统称为基于框架的 系统。 ( 5 ) 神经网络表示法 神经网络中的知识表示方式1 1 1 4 l 有两种：一种是局部表示方式，这是一种直接 表示法，其每个神经元表示一个概念或符号，神经元之间的连接则与概念或符号 之间的关系相对应，可以根据问题的需要解释成一个概念或符号对另一个概念或 符号的关联程度，或者解释成为求解问题中的推理规则等等：另一种是分布式表 示方式，信息、概念或符号通过多个神经网络的某些动作或动态模式来表达，即 一个概念或符号通过多个神经元来表达，而不是通过单个神经元来表达。 本研究内容的生长模型知识以及病虫害诊治知识主要采用基于产生式规则的 表示方法来表达。 2 2 4 2 知识库系统 专家系统通常拥有一个巨大的知识库存储领域知识，而系统的控制级，通常 表达成某种推理规则1 1 2 l3 1 。整个系统的工作是从知识库出发，通过控制机理，得 到所需的结论。即利用计算机来模拟某领域专家或专家群体在解决某些任务时所 具有的技能，对各种实际问题给出高水平的解答，对解决任务问题给出决策指导。 知识库，又称为智能数据库。知识库的概念来自两个不同的领域，其一是人工智 能及其分支一一知识工程领域，其二是传统数据库领域。在知识库技术的发展中， 由于各自存在难以克服的困难和障碍，两个领域相互借鉴和引进对方领域的先进 技术。人工智能( a i ) 和数据库( d b ) 这两项计算机技术的有效结合，促使了知识库系 统的产生和发展。 目前，对知识库系统的研究分为两个方面：一方面从人工智能领域出发研究 知识库系统，另一方面从数据库角度研究知识库，即在数据库中加入推理规则， 使数据库具有推理能力。从这两个方面研究知识库系统本身并没有本质的差别， 只是在处理的对象这一侧重面上有所不同，特别当在知识信息量很大的领域应用 智能系统时，没有强有力的库管理机制支持是很难想象的。现有的知识管理系统 则多是从数据库出发，用逻辑方法及手段来改造传统的数据库信息技术的局限性， 第二章基于产生式规则的专家子系统设计 1 3 以适应那些信息结构复杂、需要知识处理和对知识管理有特殊要求的某些应用领 域( 如智能c a d 、智能d s s 、工程设计与制造、办公自动化o a 等) 。但这些系统 在语言表达能力、智能化程度和灵活性等方面还不太适应多数人工智能应用。 知识库系统的发展经历了若干个阶段，其初期阶段是7 0 年代中期出现的演绎 数据库系统。演绎数据库系