（控制理论与控制工程专业论文）温室控制专家系统开发平台的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 温室农业是高度城市化的大都市农业发展的一种重要模式，温室农业技术向 专家控制发展是必然趋势。本课题的研究对象“温室控制专家系统开发平台”是 在我们2 0 0 0 年完成的“温室计算机智能控制系统”的基础上提出的。课题来自 上海市高等学校青年科学基金项目“温室作物生产的专家控制软件平台”。 本文所研制的温室控制专家系统开发平台是个用于开发温室控制专家系 统的工具，而并非是一个已经成形的温室控制专家系统。同时平台面向的使用者 是领域专家( 温室工人) ，而非知识工程师。温室工人借助平台中的知识编辑器 输入自己的领域知识，创建知识库，对该知识库进行修改与维护，形成控制规则， 从而实现知识的自动获取。随后系统可载入已创建的知识库，根据作物的生长状 况和环境状况，进行推理运算，得到温室控制参数值，供实时控制系统调用。 本文首先研究了温室作物生长发育与环境参数之间的关系，分析了植物生长 过程中气候因素、灌溉因素以及植物自身的生长状态之间的联系，从而确定了专 家系统知识库规则结构中的前提和结论因素。 考虑到温室工人掌握知识经验的不精确性与不完备性，本文引入了模糊逻辑 的概念用以解决专家系统不精确知识的表示问题。知识库分为两种形式存储：领 域专家借助知识编辑器直接创建的图形知识库1 ；以a c c e s s 数据库存储的知识库 2 。系统提供知识库1 到知识库2 的自动映射功能，知识库2 直接供推理机使用。 论文从领域专家的思维方式出发，建立了图形化的面向对象的友好人机交互 界面。论文介绍了用矢量图形系统构建知识编辑器模块的方法，实现了图形组态 方式。 论文根据作物的生长状况和环境状况，采用数据库管理技术，通过查询知识 库2 ，进行推理运算，得到温室控制参数值。推理过程中结合了模糊逻辑理论， 从而提高了系统的智能化水平。 论文建立的开发平台旨在帮助温室工人建立、完善具有自主知识产权的温室 作物种植专家系统，有助于打破智能型温室主要依靠从国外进口的局面，从而推 动智能温室国产化的进程。 关键词：温室控制专家系统模糊逻辑矢量图图形组态 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r e e n h o u s ea g r i c u l t u r ei sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ed e v e l o p m e n to fh i g h l y m e t r o p o l i t a na g r i c u l t u r e i t s a ni n e v i t a b l et e n d e n c yt h a te x p e r ts y s t e mw o u l d d o m a i nt h ec o n t r o lm e t h o d o l o g yo fg r e e n h o u s et e c h n o l o g y t h es t u d i e do b j e c ti nt h i s t h e s i s ，“ad e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rt h eg r e e n h o u s ec o n t r o le x p e r ts y s t e m ，i s b a s e do nt h ep r o j e c t “t h ec o m p u t e r i z e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fg r e e n h o u s e ， w h i c hw a sf i n i s h e di n2 0 0 0t h ep r o j e c td i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni s t h ee x p e r t c o n t r o ls o f t w a r ep l a t f o r mf o rg r e e n h o u s ep l a n t s ”，w h i c hi ss u p p o s e db yt h e s h a n g h a im u n i c i p a le d u c a t i o nc o m m i s s i o n t h er e f e r r e dp l a t f o r mi sat o o lf o rc r e a t i n gg r e e n h o u s ec o n t r o le x p e r ts y s t e m r a t h e rt h a n a g r e e n h o u s e c o n t r o l e x p e r ts y s t e m a n di ti sn o ta k n o w l e d g e e n g i n e e r o r i e n t e dt o o l ，b u tad o m a i n - e x p e r t o r i e n t e do n e d o m a i ne x p e l s ( g r e e n h o u s ew o r k e r s ) c a nu s et h ek n o w l e d g ee d i t o ro f t h ep l a t f o r mi n d e p e n d e n t l yt o i n p u tt h e i rk n o w l e d g e ，c r e a t ek n o w l e d g eb a s e ，m o d i f ya n dm a i n t a i nt h eb a s e ，a n d f o r mr u l e st h u st h ea u t o m a t i ca c q u i s i t i o no fk n o w l e d g ei sr e a l i z e dt h e nt h es y s t e m l o a d st h ek n o w l e d g eb a s e ，e x e c u t e si n f e r e n t i a lc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt ot h eg r o w t h c o n d i t i o no fp l a n t sa n dt h eg r e e n h o u s ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r st op r o d u c et h e g r e e n h o u s ec o n t r o lp a r a m e t e r sf o rt h er e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r o w t ho fg r e e n h o u s ep l a n t sa n de n v i r o n m e n t a l f a c t o r si ss t u d i e di nt h i st h e s i s ，t h ei n t e r a c t i o na m o n gt h ec l i m a t ea n di r r i g a t i o n f a c t o r si nt h eg r e e n h o u s ea n dt h ec o n d i t i o no ft h ep l a n t s g r o w t hi sa n a l y z e dt o d e t e r m i n et h ep r e c o n d i t i o na n dc o n c l u s i o ni t e m si nt h er u l ec o n s t r u c t i o ni nt h e k n o w l e d g eb a s e f u z z yl o g i c i s a p p l i e d t ot h er e p r e s e n t a t i o no fk n o w l e d g et oh a n d l et h e i n a c c u r a c ya n di m m a t u r i t yo ft h ek n o w l e d g ef r o md o m a i ne x p e r t s t h ek n o w l e d g e b a s ei sc o m p o s e do f t w op a r t s ：k n o w l e d g eb a s e1 ，w h i c hi sag r a p h i cd o c u m e n ts e tu p b yt h ed o m a i ne x p e r t sw i t ht h ek n o w l e d g eb a s ee d i t o r ；a n dk n o w l e d g eb a s e2 ，i n w h i c hk n o w l e d g ei ss t o r e di na c c e s sd a t a b a s et h ek n o w l e d g ef r o mk n o w l e d g e b a s e v i 上海大学硕士学位论文 1i sa u t o m a t i c a l l ym a p p e dt ok n o w l e d g eb a s e2f o rt h ei n f e r e n c ee n g i n e a f r i e n d l yo b j e c t o r i e n t e dg r a p h i cu s e ri n t e r f a c eh a sb e e ne s p e c i a l l yd e s i g n e df o r t h ed o m a i ne x p e l s - - g r e e n h o u s ew o r k e r sv e c t o g r a mi se m p l o y e di np r o g r a m m i n g t h ek n o w l e d g ee d i t o rt or e a l i z et h eg r a p h i cc o n f i g u r a t i o ni nt h ek n o w l e d g e - i n p u t p r o c e s s t h e g r e e n h o u s ec o n t r o lp a r a m e t e r sa r ei n f e r r e db yi n q u i r i n gk n o w l e d g eb a s e2 a c c o r d i n gt ot h eg r o w t hs t a t e so fp l a n t sa n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r sw i t hd a t a b a s e m a n a g e m e n tt e c h n o l o g ye m p l o y e d f u z z yl o g i c ，w h i c hi m p r o v e st h ei n t e l l i g e n c eo f t h ew h o l es y s t e m ，i sa l s ou t i l i z e di nr e a s o n i n g t h ep l a t f o r md e v e l o p e di nt h i st h e s i sa i m st oh e l pg r e e n h o u s ew o r k e r st oc r e a t e a n di m p r o v eg r e e n h o u s ep l a n tg r o w t he x p e r ts y s t e mw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t y i tw i l lh e l pt oc h a n g et h es i t u a t i o nt h a tt h ei n t e l l i g e n tg r e e n h o u s e sa r e m a i n l yi m p o r t e df r o mf o r e i g nc o u n t r i e si no u rc o u n t r y , a n dp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n t o fo u ro w ni n t e l l i g e n tg r e e n h o u s e s k e y w o r d s ：g r e e n h o u s ec o n t r o l ，e x p e r ts y s t e m ，f u z z yl o 舀c ， v e c t o g r a m ，g r a p h i cc o n f i g u r a t i o n v 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 期塑堕墨：多 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 壅跹导师签名：望壑丛塑二自 期：鬯堕二查! 圭 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 农业温室生产控制与管理 随着社会经济的发展，农业现代化的进程不断加快，农业现代化要求农业生 产向着集约化、工厂化方向发展，把经济效益作为农业生产的一项重要指标。温 室工程作为农业生物环境工程的一个重要类型，以其高产高效得到了广泛应用， 引起了人们越来越多的重视。温室生产通过模拟生物生态的主要环境因子，如温 度、湿度、光照、二氧化碳浓度等，用人工方法创造一个适于农作物生长繁殖的 环境，使农作物一年四季均衡生产，并且获得较高的质量和产量【1 ，”。 1 1 1 温室生产的历史【3 早在公元前2 1 世纪，中国就开始用棚屋和温泉加温种菜种瓜。而在公元前 4 世纪的罗马时代，出现了云母片覆盖的厩肥酿热加温床种植黄瓜。经过两三千 年的缓慢发展，中国在清朝出现了戳立油纸前窗的土温室，可以视为最早温室的 原始类型。法国则在1 3 8 5 年出现了第一座前面有玻璃，后面依墙的最早玻璃温 室。 此后6 0 0 余年，随着科学技术的日新月异，温室对推动农业生产起着越来越 重要的作用。1 9 4 9 年借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候 室，开展了植物对自然环境的适应性和抵御能力的基础研究和应用基础研究。2 0 世纪6 0 年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄 生产工厂。 1 1 2 国内外现代温室工程发展经验【4 1 9 现代温室是旨在改变作物生长环境，为植物创造最佳生长条件，避免外界四 季变化和恶劣气候的影响，以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高 质量、产量、产值等为目的的场所。近年来发展起来的智能温室系统是一种资源 节约型高效农业发展技术，它是在普通目光温室的基础上，结合现代计算机自控 上海大学硕士学位论文 技术、智能传感技术、人工智能和专家系统等高科技手段发展起来的。在计算机 综合控制下提供与季节无关的适合作物生长的环境，以实现各种作物的优质、高 效、低耗的工业化生产。 ( 1 1 国际 近年来，温室工程生产技术发生了巨大改变，其中以荷兰、法国、西班牙、 以色列、加拿大和美国最为突出。温室的环境控制和水肥调控已经全面走向自动 化，配套设施齐全，配有燃烧天然气或煤的加热系统、c o ：施肥系统、通风系统、 帘幕系统、湿帘系统、营养液循环灌溉系统和人工补光系统等，通过计算机采集 每时刻的环境因子变化数据，自动进行在线处理分析，按照目标值对环境进行调 控，实现了温、光、水、肥、气的全自动化控制。但是，种植人员还需设置理想 环境目标值。 日本的温室设施除了可以通过计算机将温度、湿度、c 0 2 浓度和肥料等控制 在最适合植物生长发育的水平上，还可以在整个生长周期通过监控植物营养液的 浓度来很好控制植物增长和繁殖增长的平衡，达到植物所需采摘的成分( 或叶、 或茎、或果) 产量最高。其开发的设施栽培计算机控制系统可以较全面的对设施 内栽培植物所需环境进行多因素检测控制，并采用微机和专用设施栽培控制装置 组成网络系统，实现对设施栽培数量多、地点分散的大农场进行集中管理，可以 利用电话线实现异地监控与管理。 在加拿大，已经开始使用一种计算机辅助温室管理软件( h g m ) 帮助生产者判 断和解决病虫害问题，同时提高温室的整体管理水平。h g m 可以将生产过程中 采集的数据与标准数据库中的资料进行对比和分析，从而对作物的生长状态进行 判断，进而将系统调整到最佳状态。这不但降低了生产成本，而且还可以减少农 药的使用，达到利用非化学方法控制病虫害的效果。 结合植物生长状况对温室环境进行调控在国外也已经开始研究。这一研究的 难点是植物生理状态和状况的检测，所采用的检测技术有：红外测量植物冠层温 度；图像拍摄植物生长照片然后采用先进的图像处理技术、智能技术、计算技术 对植物的生长状态信息进行提炼。以色列开发了一种植物生理生态监测仪：它可 以监测：株高、植物果实大小、叶片大小与厚薄、茎直径、茎流量、叶温、叶片 附近湿度、c o ：浓度等，2 4 小时连续工作，每隔一定周期就采集一次数据，得 上海大学硕士学位论文 到的数据定期发送到对环境气候进行控制的p c 机上。有了植物生长信息，下一 步就可以在生长周期的每一阶段都按照植物最佳生长要求进行精准调控。 国外目前已经能从整体上调控温室环境，包括温度、湿度、c o ：浓度、光强 度，但作物的理想环境目标值需种植者根据经验设定，个别作物已有专家系统帮 助对温室环境进行管理，包括环境目标值设定，但细化和精度还不够，正在不断 完善。 ( 2 ) 国内 随着我国农业经济的发展和综合国力的增强，农业工程逐渐发展成为设施工 业的生长点。从7 0 年代起，我国的农业工程学家和农学家开始学习、借鉴国际 上设施农业发展的先进经验，致力于温室工程的研究和开发工作。8 0 年代我国 先后从日本、荷兰、美国、保加利亚、以色列等国家引进现代化温室2 9 套，总 面积3 4 万m 2 ，其中6 0 用于蔬菜生产，4 0 用于花卉苗木生产。9 0 年代，中国 农业的发展进入了战略转折阶段，我们一方面面临耕地减少、人口增长的供需矛 盾，另一方面经济、工业的发展和科技进步给温室工程发展带来了新的机遇。1 9 9 5 年，中国政府和以色列政府达成了农业发展协议，在北京建立了进行工厂化农业 示范的中以合作园艺场；上海市政府在五个农业生产企业引进了荷兰和以色列的 现代化温室，组织了跨学科、跨专业的科技攻关队伍，进行了“引进、消化、吸 收国外温室及蔬菜栽培技术”的重点科技兴农项目、“工厂化农业示范工程”上 海市重大科技攻关项目。 然而，现代化温室的推广应用存在不少问题和挑战。首先是它的一次性投入 成本高风险大，但经济效益并不理想；其次是运行管理需要比较专业的知识；第 三，引进的温室其核心技术仍掌握在国外，而且实际证明，由于地域、水土气候 乃至资源的差异，引进的国外系统并不完全适合于我国国情或本地情况，引进的 设备并没有充分发挥其作用，且成本高、维护困难，难以进一步推广应用。 因此，研究适合我国具体情况的温室环境控制技术显得十分迫切。国家“十 五”重点科技攻关项目“工厂化农业关键技术研究与示范”，涉及以下几方面： f 1 1 温室专家决策支持系统研究。基于我国气候特点，研究温室环境信息( 温、 光、湿、气) 、水肥信息( t h 、肥、盐等) 的模拟、分析、预测，建立黄瓜、番 茄基质栽培的温、光、气、水、肥管理模型及相关知识库、数据库，为实现温室 上海大学硕士学位论文 环境智能调控提供软件。 ( 2 ) 温室环境智能控制技术研究与系统开发。研究温室环境信息( 温、光、湿、 气) 、水肥信息( 水、肥、盐等) 的自动监测技术；应用人工神经网络、模糊控 制、遗传算法等先进控制技术，研究开发计算机分布式控制系统；研究开发基于 智能化综合调控系统；研究温室群控中的接口和网络通讯技术。 ( 3 ) 温室环境调控配套工程技术与设施研究。研究温室冬季节能保温、夏季降温 配套工程技术，强化环境抗逆能力，实现光、热资源的高效利用；开发与研究高 效生产的温室环境综合调控模式与配套设旖；研究不同种植体系下，灌溉系统经 济配套模式；研究温室高效水、肥、药一体化灌溉技术与配套设备。 国内已有些单位根据当地的具体情况自行研制和开发了温室栽培管理专 家系统和智能温室环境控制系统，基本上能实现栽培生产管理、病虫害识别与防 治或者实现对温度和湿度c o ：浓度的控制。 1 1 3 温室控制特点与智能控制。 温室控制可分为温室气候和温室灌溉两个子系统。温室内的温度、湿度、光 照强度、气体成分( 二氧化碳浓度) 等环境因子构成了温室小气候，温室气候控 制系统就是要通过调节这些环境因子，创造作物生长的良好条件。温室灌溉控制 系统包括灌溉和施肥控制两部分，主要控制灌溉水量和肥料品质( 如e c p h 值) 。 温室控制是一个相当复杂的课题：温室气候本身非常复杂，各环境因子之间 存在很强的耦合作用，它们的相互影响难以定量描述，需要控制的过程与控制目 标之间不存在简单的关系；作物生长与环境的关系格外复杂，而且到目前为止人 类仍然不能完全研究清楚。温室控制系统是一个多因素、多层次、多目标、关系 纵横交叉的复杂大系统。由于温室控制系统的上述特点，使得基于精确数学模型 的设计方法受到了挑战。 近年来，随着计算机的广泛应用和人工智能技术的发展，出现了不依赖于被 控对象数学模型的智能控制技术。智能控制为控制理论和方法带来了新的生机， 尤其是对于许多难以建立精确数学模型的控制系统提供了解决办法。智能控制系 统，在人参与过程控制中，经验丰富的操作者不是依据数学模型而是根据积累的 经验和知识进行在线推理，确定或变换控制策略。而在温室作物生长过程中，温 4 上海大学硕士学位论文 环境智自调控提供软件。 ( 2 ) 温室环境智能控制技术研究与系统开发。研究温室环境信息( 温、光、湿、 气) 、水肥信息( 水、肥、盐等) 的自动监测技术；应用人工神经网络、模期控 制、遗传算法等先进控制技术，研究开发计算机分布式控制系统：研究开发基于 智能化综合调控系统；研究温室群控中的接口和网络通讯技术。 ( 3 ) 温室环境调控配套工程技术与设施研究。研究温室冬季节能保温、夏季降温 配套工程技术，强化环境抗逆能力，实现光、热资源的高效利用i 开发与研究高 效生产的温室环境综合调控模式与配套设施；研究不同种植体系下，灌溉系统经 济配套模式；研究温室高效水、肥、药一体化灌溉技术与配套设备。 国内已有一些单位根据当地的具体情况自行研制和开发了温室栽培管理专 家系统和智能温室环境控制系统，基本上能实现栽培生产管理、病虫害识别与防 治或者实现对温度和湿度c 0 2 浓度的控制。 1 1 3 温室控制特点与智能控制”。 温室控制可分为温室气候和温室灌溉两个子系统。温室内的温度、湿度、光 照强度、气体成分( 二氧化碳浓度) 等环境因子构成了温室小气候，温室气候控 制系统就是要通过调节这些环境因子，创造作物生长的良好条件。温室灌溉控制 系统包括灌溉和施肥控制两部分，主要控制灌溉水量和肥料品质( 如e c p h 值) 。 温室控制是一个相当复杂的谋题：温室气候本身非常复杂，各环境因子之间 存在很强的耦合作用，它们的相百影响难以定量描述，需要控制的过程与控制目 标之间不存在简单的关系；作物生长与环境的关系格夕 复杂，而且到目前为t 人 类仍然不能完全研究清楚。温室控制系统是一个多因素、多层次、多目标、关系 纵横交叉的复杂大系统。由于温室控制系统的上述特点，使得基于精确数学模型 的设计方法受到了挑战。 近年来，随着计算机的广泛应用利人工智能技术的发展，出现了不依赖于被 控对象数学模型的智能控制技术。智能控制为控制理论和方法带来了新的生机， 尤其是对于许多难以建立精确数学模型的控制系统提供了解决办法。智能控制系 统，在人参与过程控制中，经验丰富的操作者不是依据数学模型而是根据积累的 经验和知识进行在线推理，确定或变换控制策略。而在温室作物生长过程中，温 经验和知识进行在线推理，确定或变换控制策略。而在温室作物生长过程中，温 上海大学硕士学位论文 室工人的知识经验往往起着至关重要的作用。因此在温室控制中引入智能控制是 必要的也是合理的。目前，专家系统、模糊理论、人工神经网络等智能控制技术 在温室控制中的研究越来越得到的重视。 1 2 农业专家系统瞳1 专家控制是智能控制的一个重要分支。所谓专家控制，是把专家系统的理论 和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能实现对 系统的控制。专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 不精确推理、知识库和推理机分离及自 我学习等特性使它不同于传统的程序设计方法，能够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。 农业专家系统是一个具有大量农业专门知识与经验的计算机系统，是运用人 工智能技术，依据一个或多个农业专家提供的特殊领域知识、经验进行推理和判 断，模拟农业专家就莱一复杂农业问题进行决策。农业专家系统汇集农业领域知 识、模型和专家经验等，采用适合的知识表示和推理策略，向农业生产管理者提 供咨询服务，指导科学种田。 1 2 1 专家系统的结构 图l 1 专家系统的一般结构 专家系统是用基于知识的程序设计方法建立起来的计算机系统，它综合集成 了某个特殊领域内专家的知识和经验，能像专家那样运用这些知识，通过推理， 5 上海大学硕士学位论文 模拟人类专家作决定的过程来解决那些专家才能解决的复杂问题。专家系统是由 知识库、推理机、知识获取部分、解释界面等四个部分组成，如图1 1 所示。知 识库和推理机是专家系统的核心。建立知识库的关键是如何表示知识，推理机用 于确定不精确推理的方法。解释界面是用户的一个窗口，能够处理各种咨询问题。 1 2 2 专家系统的类型 专家系统的类型很多，按照专家系统所求解问题的性质，可把它分为下列几 种类型： f 1 ) 诊断型专家系统 这是根据症状的观察与分析，推出故障的原因及排除故障方案的一类系统。 如诊断细菌感染并提供治疗方案的m y c l n 专家系统。 ( 2 ) 解释型专家系统 根据表层信息解释深层结构或内部可能情况的一类专家系统，如卫星云图分 析、地质结构及化学结构分析等。 f 3 ) 预测型专家系统 根据过去和现在观测到的数据预测未来情况的系统。例如气象预报。 ( 4 ) 设计型专家系统 按照给定的要求进行产品设计的一类专家系统，它广泛地应用于线路设计、 机械产品设计及建筑设计等领域。 f 5 1 决策型专家系统 对各种可能的决策方案进行综合评判和选优的一类专家系统，它包括各种领 域的智能决策及咨询。 f 6 ) 规划型专家系统 这是用于制订行动规划的一类专家系统，可用于自动程序设计、机器人规划、 农物施肥方案规划等。 ( 7 ) 控制专家系统 控制专家系统的任务是自适应地管理一个受控对象或客体的全部行为，使之 满足预定要求。 控制型专家系统的特点是：能够解释当前情况，预测未来发生的情况、可能 6 上海大学硕士学位论文 发生的问题及其原因，不断修正计划并控制计划的执行。所以说，控制专家系统 具有解释、预测、诊断、规划和执行等多种功能。 ( 8 ) 教学型专家系统 这是能进行辅助教学的一类系统。它不仅能传授知识，而且还能对学生进行 教学辅导，具有调试和诊断功能，加上多媒体技术，其具有良好的人机界面。 ( 9 ) 监视型专家系统 监视型专家系统用于对某些行为进行监视并在必要时进行干预。例如当情况 发生异常时发出警报。 1 2 3 农业专家系统发展概况。2 1 6 ( 1 ) 国际 农业专家系统于2 0 世纪7 0 年代在美国首次面世，当时开发的系统主要是面 向农作物的病虫害诊断。1 9 7 8 年伊利诺斯大学研制的大豆病虫害诊断专家系统 p l a n t d s 是世界上应用最早的专家系统。一个未经训练的普通人使用该系统能 够识别大豆病害症状，并提出治理方案，测试表明，其诊断能力超过了真正的专 家。以后，美国、日本、英国、荷兰、澳大利亚、加拿大等国家都相继开发了其 它一些农业专家系统。到了8 0 年代中期，研究从单一的病虫害诊断转向生产管 理、经济决策与分析、生态环境等，例如东京大学的西红柿栽培管理专家咨询系 统就面向生产管理。从分布区域看，美国占绝大部分，几乎占8 0 ，其他国家( 包 括中国1 只占2 0 ；从应用领域看，设计到作物栽培、施肥、病虫害防治、杂草 控制、森林环保、家禽饲养、农业经济效益分析、储存管理、市场管理等方面。 目前，国外最成功的农业专家系统是美国农业部农业研究局作物模拟研究所 研制的棉花管理专家系统c o m a x - - - - g o s s y m 。c o m a x 是在棉花植物生长模 拟模型c o s s y m 的基础上发展起来的第一个基于模型的农业专家系统。在研制 过程种，c o m a x 考虑了影响棉花生长的多种因素：在植物方面有根、茎、叶、 花蕾和棉桃；在土壤方面有水文特征、肥力、养分的传输、阻抗、水分释放、容 重等；在气象方面考虑了每目为基础的最高气温、最低气温、太阳辐射、降雨量 等。c o m a x 能在农场内为棉花管理提供咨询，以确定灌溉、施肥、施用脱水剂 和棉桃脱落剂的最佳方案。美国的农场推广应用c o m a x 系统后，每英亩盈利 达6 0 美元以上，给美国的棉花生产带来了巨大的经济效益。 上海大学硕士学位论文 1 9 9 6 年6 月在荷兰瓦根宁根举行的国际计算机技术应用于农业学术会议上， 西班牙学者奥赛林在大会上对专家系统做了一个综述报告，目前国际上农业专家 系统有近百个，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、牛奶生产管理、牲畜环境控制、土壤保持、食品加工、粮食储存、环 境污染控制、森林火灾控制、经济分析、财务分析、市场分析、农业机械选择、 农业机械故障检测等众多方面，几乎无所不包。许多系统已经得到应用。一部分 已成为商品进入市场。用户主要是农民、农技人员和农业顾问。 ( 2 ) 国内 我国从8 0 年代开始农业专家系统的研究，第一个农业专家系统是由中国科 学院合肥智能机械研究所开发成功的施肥咨询专家系统。“七五”至“八五” 期间，中科院合肥智能研究所研制了施肥专家系统，中国农科院作物所完成 了小麦、玉米新品种选育的专家系统，植保所开发了粘虫测报专家系统 等。这些系统的开发和应用取得了良好的社会和经济效益，基本上代表了我国农 业专家系统的水平。北京农科院于“八五”期间开发的小麦管理专家系统 e s m c w ，体现了我国农业e s 的最新进展。该系统是在分析处理近1 0 0 万个实 验数据和5 0 0 多条知识的基础上建立起来的基于模型的专家系统，具有气象条件 预测、生长发育模拟预测、管理决策咨询、计算机网络通讯、系统维护、结果输 出等六个功能，经北京昌平县于1 9 9 0 一1 9 9 9 年使用，小麦单产明显提高，产投 比提高8 1 0 。近几年，中科院西北水土保持研究所开发的早地小麦综合管 理专家系统，对提高早地小麦的优质高产及降低成本等也起到了积极的作用，取 得了较好的经济效益。 近几年的文献表明，我国农业专家系统的开发应用虽起步较晚，但发展较快， 应用范围也较广泛，涉及到作物栽培、新品种选育、病虫害防治、生产管理、节 水灌溉、农产品评价等方面。农业专家系统的研究不仅在广度上有了新的发展， 更在纵深方向有了突破。 1 , 2 4 目前研究热点与难点。1 3 7 “” 专家系统的应用日益广泛，处理问题的难度和复杂度不断增大，导致了专家 系统技术研究的不断深化，具体体现在以下几个方面： 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 骨架系统等建造专家系统的工具相继出现 比较突出的例子是e m y c i n 、e x p e r t 等。国内，陆汝铃等人开发的“天 马”专家系统开发工具，中科院合肥智能研究所研制的“雄风”系列农业专家系 统开发工具，利用该开发工具已开发出施肥、栽培管理、园艺生产管理、畜禽水 产管理饲养、水利灌溉等专家系统。一个骨架系统以一个已经成熟的具体专家系 统为基础，抽去原系统中的专门知识但保留其基本骨架( 如知识表示框架、推理 机制等) 而形成，当这个基本骨架中填入另一个领域的专门知识而形成新的知识 库时，便产生一个新的专家系统，从而大大地缩短了专家系统的研制周期。另外， 人们还进一步研制了通用性较强的知识表示语言( 如o p s s ) 和构造专家系统工 具的工具( 如a g e ) 。 ( 2 ) 自动知识获取系统的研制 在开发专家系统的实践中人们逐渐意识到：知识获取是建造专家系统的“瓶 颈”问题。传统的知识获取方式主要通过知识工程师与领域专家长期对话实现( 图 1 2 ) 。知识获取的困难在于如何恰当地把握领域专家所使用的经验、关系和问题 求解的方法，即专家的个性化知识。专家的个性知识特点是：个性知识难以描述 和掌握，它完全是领域专家在长期实践中不自觉地形成的一种直觉认识，很难用 确定的数学模型加以描述和刻画，个性容易被忽视。领域专家懂得比领域的原理 和事实更多的东西，大部分表现为常识性知识，这类知识大部分被领域专家下意 识地使用，而在专家的表述中往往被忽视，个性知识具有片面性、不完整性。这 些特点使得获取知识相当困难，成为建造专家系统的“瓶颈”。为克服这一瓶颈， 出现了自动知识获取系统。在t e i r e s i a s 系统中，专家系统的交互方式在后来 的专家系统开发中作为一种自动知识获取手段被接受和采用；在d e n d t a l 基 础上设计的m e t a d e n d r a l 能够从实验数据中分柝和推理新的推理规则，并 能把有用的规则作为新知识添加到知识库。 通过知识工程师获取知识( 图12 ) 与通过知识编辑器获取知识( 图13 ) 的两 种知识获取方法比较如下。 通过知识工程师获取知识是最直接、最简单的获取知识的方法( 图12 ) 。 知识工程师通过与领域专家接触对话，并在领域专家的指导下通过对必要的书本 知识和实例知识的提取，然后以一种合适的计算机内部表示方法把专家的经验知 上海大学硕士学位论文 识存入知识库。 领域专家+ 知识 数据、实例 图1 2 通过知识工程师获取知识 领域专家一知 图1 3 通过知识编辑器获取知识 在图13 中，领域专家通过与知识编辑器程序进行对话，把经验知识输入到 知识库，系统按照约定获取。知识编辑器是采用交互方式用于知识输入的工具软 件。它是建造专家系统时根据需要编制的。 领域专家借助于知识编辑器器直接创建知识库，缩短了与知识工程师之间对 话的环节，提高了效率，所以知识编辑器成为研制自动知识获取系统的重要方面。 ( 3 ) 知识库管理系统的研制 在近年来研制的专家系统中，知识的数量相当庞大，知识的层次也包括了尝 试性知识、原理性知识、经验性知识和元知识等多个层次。人们试图把数据库管 理系统技术引入知识库的管理之中。 f 4 1 面向对象的知识表示方法 面向对象的知识表示就是用面向对象中的对象类来表示领域知识。面向对象 的封装性使得面向对象知识表示方法具有很强的可扩充性，继承性使知识表示结 构简练，节省知识空间。这种方法的主要工作是识别对象和类的设计。其基本思 路是：根据问题领域，首先识别、确定问题领域中的对象，然后把具有相似属性 和操作的对象归并为一类，形成底层类。在纵向方面自底向上逐步抽象，把具有 公共属性的底层类抽取共性形成父类，直至无共性抽取为止；在横向方面，识别 对象间的联系以及类之间的关联，最后形成对象模型。 面向对象的知识表示方法具有传统知识表示方法的知识灵活性、可扩充性、 1 0 上海大学硕士学位论文 推理高效性等优点外，还具有以下特性：( 1 ) 它直接模拟人类思维，消除问题领 域概念与计算机概念之间的语义间隙；( 2 ) 面向对象的知识表示使得建造专家系 统过程中知识获取、知识表示、知识运用三者在概念上、形式上同一起来。从系 统开发的角度，面向对象的思想将程序分析、设计、编程同一起来，中间无需任 何转换。因此，这种知识表示方法非常适合表示复杂的系统知识，例如农业系统 知识。 过去几十年专家系统取得的成就是有目共睹的，但是专家系统有待解决的问 题也不少。 ( 1 ) 尽管市场上己有许多商品专家系统外壳，但对农业问题井非最佳。另外一方 面，面向的对象大多是知识工程师，面向领域专家的专家系统工具并不多。因此 面向领域专家的农业专家系统外壳的研究逐渐引起人们的重视。 ( 2 ) 专家系统的问题求解一般不像数学、物理那样具有严密性和精确性，它面向 结构不良的复杂问题，一方面，有关问题的信息常常具有不确定性、模糊性、不 完备性、甚至矛盾性，另一方面，人类专家处理这样的阀题信息所用的知识也常 常是不精确、不完备的。因此，专家系统设计中不精确性的处理，包括不精确的 领域数据处理和不精确的知识处理，有时成为一个涉及到专家系统设计成败的重 要问题。这些年来，研究者们提出了基于模糊逻辑的一类方法来解决专家系统不 精确知识的表示问题。 ( 3 1 专家系统在过程控制中往往是作为一个决策者而非仅仅是咨询者。国外，用 于实时控制的专家系统有美国g e n s y m 公司的g 2 专家系统。农业上决策型专家 系统多用于温室的自动调节与控制，例如美国m i s t i n g 系统就是在一定的系统 参数控制下通过传感器装置来自动调节控制。而国内目前的专家系统在农业方面 主要应用于病虫害的诊断、育苗选种等咨询用途，在实时控制方面的研究几乎为 零，国内目前还未有用于实时控制的商业软件。 1 3 课题介绍 1 3 1 课题背景 为了早日建立国产化的现代温室工程，1 9 9 8 年底，由上海交通大学、上海 上海大学硕士学位论文 农学院和上海大学三校开始联合开发温室计算机控制系统。此系统以上海农学院 的法国温室为基础，建立起一套现代化的自动温室控制系统。系统以实现温室内 气候和灌溉的自动控制、科学管理为目标。 温室农业是高度城市化的大都市农业发展的种重要模式，温室农业技术向 专家控制发展是必然趋势。本课题的研究对象“温室控制专家系统开发平台”是 在上述温室计算机智能控制系统的基础上提出的。课题来自上海市高等学校青年 科学基金项目“温室作物生产的专家控制软件平台”。 利用专家控制软件平台开发温室控制专家系统，生成的专家系统被温室计算 机智能控制系统调用，所以广义上来讲，本文中的专家系统隶属实时控制专家系 统的范畴。 1 , 3 2 研究内容 在农业生产中，由于作物生长的不确定性，农业专家的经验往往决定了作物 的优劣，因此在现代化农业中要求充分利用农业专家的经验知识，提高农业生产 水平和经济效益。基于这种要求，本文实现了一种供温室农业科技人员使用的温 室控制专家系统开发平台。温室工人能直接建造温室领域的知识库，并且知识库 能自动与推理机结合，使温室控制专家系统工具真正成为脱离知识工程师的开发 平台。 以下为主要研究内容： f 1 1 分析温室作物生长发育与环境参数的关系，确定知识表示中各项前提和结论 项。 f 2 1 知识编辑器的研制。知识编辑器提供友好的人机交互界面，温室工人直接输 入知识经验，实现知识的自动获取。 ( 3 ) 知识库的存储。通过知识编辑器获得的领域知识存储为计算机能够直接读取 的知识库磁盘文件，最后生成的知识库易于推理的实现。 f 4 1 推理机实现。对于知识库中的不精确知识表示，推理实现中引入了模糊逻辑 理论。 上海大学硕士学位论文 1 3 3 论文编排 文章的内容分为以下五个章节： 第一章绪论，回顾农业温室生产与专家系统概况，分析温室专家系统的研 究热点与难点，课题背景与研究内容介绍，提出课题研究目标：研制一个供温室 领域专家使用的用于开发温室控制专家系统的平台工具。 第二章温室作物生长发育与环境，分析温室环境因素与温室作物生长状态 之间的关系，提炼出对温室作物生长发育起决定作用的参数，为专家系统知识结 构前提与结论的确定提供可选项。 第三章系统设计思想，介绍了基本规则与微调规则的表示方法，图形化的 知识编辑器，规则的存储，以及推理的实现过程。 第四章软件设计，介绍了专家系统开发平台的知识编辑器模块的矢量图形 系统的研制开发，图形化知识库到a c c e s s 知识库映射实现，以及推理机的软 件实现过程。 第五章结论与展望，总结温室控制专家系统开发平台研制过程中取得的成 绩和存在的不足，展望农业专家系统的发展前景。 上海大学硕士学位论文 第二章温室作物生长发育与环境参数 本文研制的是一个直接供温室工人开发专家系统用的平台工具。温室工人所 掌握的温室作物生长的知识经验和温室环境参数是密切相关的。他们在利用专家 系统平台工具开发温室控制专家系统时，专家系统知识结构的前提项与结论项的 选择，是根据温室环境参数与温室作物的生长发育状况确定的。因此有必要分析 外界环境因素以及作物生长状态，从而提炼出对温室作物生长发育起决定作用的 各项参数。 2 1 环境条件2 川2 作物的生长发育及产品器官的形成，方面取决于作物本身的遗传特性，另 一方面取决于外界环境条件。在生产上，要通过育种技术来获得具有新的遗传性 状的新品种。同时，也要通过优良的栽培技术及适宜的环境条件来控制生长和发 育。影响作物生长发育的主要环境条件