专家系统在植物模拟中应用.doc

智能专家系统在植物生长模拟中的应用易怀锋2010214015 农业机械化工程 摘要详细介绍了虚拟植物生长模型的研究概况，着重论述了基于虚拟植物生长模型的农业专家系统体系结构以及各组成部分的功能在此基础上，进一步讨论了新型农业专家系统的开发原则虚拟植物生长模型和农业智能系统的有机集成，可以帮助推理机获得推理决策所必需的数据；此外，模型的预测结果与专家经验知识进行有效协同融合，可以实现定性决策与定量决策推理的有机结合，降低系统决策的风险性讨论智能专家系统目前还存在的问题及对未来的展望。关键词；智能专家系统；模拟 AbstractDetailed introduced virtual plant growth model, this paper discusses the general situation of the study of virtual plant model based on the agricultural expert system architecture and the function of each component of the. Based on this, it further discusses the development of new agricultural expert system principle. Artificial plant growth model and the organic integration of agricultural intelligent system, can help the inference engine to obtain the data needed the inference; In addition, the prediction results and expert experience knowledge effectively, can achieve coordinated fusion qualitative decision-making and quantitative decision inference organically, reduce the risk of system decision. Discuss intelligence expert system is still existence question and the outlook for the future.Key words: Intelligent expert system, simulation 引言农业专家系统在2O世纪70年代末8O年代初出现以来，在作物生产综合管理、农业经济NN决策、生态环境等多个领域都取得了很好的成功传统的农业专家系统主要以农业专家经验为基础，通过知识库和推理机，来模拟农业专家进行推理、判断和决策的过程这种系统的主要功能是对知识的综合和应用，提供一种专家推理与决策工具然而，它较多地利用了系统的浅层知识缺少动态预测功能和机理性解释，定量科学计算推理能力较弱，因而难以超越专家的智能范围和决策能力特别是对于结构复杂、影响因素多、时空性强等特点的作物生产管理系统，完全依靠农业专家的经验知识进行定性的推理决策不能保证系统推理的准确全面 为了提高农业专家系统的决策水平，从2o世纪80年代起，建立在作物生长模型基础上的农业专家系统(如棉花生产管理专家系统COMAX)开始出现，并在农业生产领域中得到了广泛的应用。基于作物生长过程的模拟模型，能够系统地描述作物生长发育及其和农业环境的相互关系然而，由-于植物结构及其生长过程极为复杂，这类模型一般偏重于对植物生长过程的机理性研究，而在植物形态结构对植物生长的影响方面进行了简化因此，尽管这种农业专家系统可以弥补传统农业专家系统完全根据经验性知识进行定性推理的不足，但是它也存在着不能动态地表达系统决策结果的缺点近年来出现的虚拟植物生长摸型可以在计算机上逼真地再现植物的生长过程 这种模型，将植物的几何结构模型与具体的生理生态模型有机结合，为探索植物生长机理提供了一个有效而又直观的途径因此，研究虚拟植物生长模型和农业专家系统知识模型的集成机制，利用植物的生理生态模型辅助专家系统决策，对改进传统专家系统的决策性能具有重要的理论和实践意义目前研究方法及状况虚拟植物生长模型虚拟植物生长模型由形态发生模型、生理生态模型和可视化模型组成虚拟植物生长模型通过形态发生模型和生态生理模型的交互作用，计算出植物在各个生长阶段的生长发育状况，再利用可视化模型形象直观地再现不同生理生态因素下植物的生长状况或植物的连续生长过程形态发生模型形态发生模型是植物几何结构模拟的基础，提供植物的形态信息，它又由“拓扑结构模型”和“几何结构模型”组成_l拓扑结构模型描述了组成植物的各部分之间的关系和分布状况，如在每个生长阶段能够长出的器官的种类、数量、位置和彼此之间的结构关系；几何结构模型描述了植物整体结构以及各器官的三维几何信息，如各器官的尺寸、形状以及角度等 一常见的形态发生模型有I 系统、自动机模型、分形、函数迭代系统(IFS)、分枝矩阵和粒子系统等L系统由美国生物学家ALindenmayer于2O世纪60年代提出Es最初的I 系统被用来模拟简单生物体(如藻类)细胞的分生、生长和死亡的过程1984年Smith提出用I 系统作为工具在计算机上生成植物图像 j加拿大Calgary大学的Prusinkiewicz等人用L系统来模拟树、灌木丛和花朵 在众多学者发展和应用下，I 系统得到了迅猛发展，已成为虚拟植物建模的主要方法之一 J法国农业发展国际合作研究中心(CIRAD)的de Reffye等研究人员提出的自动机模型(又称为“参考轴技术”)是一种模拟植物生长的典型随机过程方法 它使用马尔可夫链理论和状态转换图(state transition graph)来描述植物生长发育及死亡等过程该模型能很好地模拟植物轴上分生组织的活动，已经成功地应用于植物生长模拟系列软件AMAP 中赵星等提出了双尺度自动机模型来模拟真实植物的生长过程 双尺度自动机模型根据植物的生理年龄来组合植物的生长参数，它包含微状态和宏状态两种尺度的状态这两种尺度的状态是由植物的生长规律决定的该模型通过微状态和宏状态的组合和循环来模拟植物的生长过程，生成植物的拓扑结构双尺度自动机模型在自动机模型的基础上发展而来，结合了植物的许多固有生长特点分形方法是由BBMandelbrot在2O世纪7O年代首先提出的在众多研究者的努力下，它在自然景物模拟、图象处理、模式识别、以及艺术制作等领域得到了迅速的发展和广泛的应用如Oppenheimer使用分形的方法构造的树木模型。迭代函数系统IFS(Iterated Function Systems)是分形几何中的重要研究内容之一Barnsley和Demko用IFS方法生成了具有很强自相似特征的蕨类植物叶片 粒子系统是一种模拟不规则模糊物体的方法，适合描述复杂自然景物，如火、云、水、森林和草原等 与其他模拟方法不同，这种方法能够充分体现不规则模糊物体的动态性和随机性，擅长描述随时间变化的物体对象粒子系统的缺点是不适合表现个体植物的形态结构所绘制的树木看起来有比较明显的人造痕迹前面介绍的几种植物形态发生模型，虽然都能生长植物的拓扑结构，却各有不同I 系统能够很容易地生成形似植物的图形，但在具体植物形态模拟上(如棉花、番茄)很繁琐，比较困难；分形、迭代函数系统、粒子系统等纯数学方法只适合对植物形态的模拟，不适合模拟植物的生长过程_ ；有限状态自动机模型和在其基础上发展起来的双尺度自动机模型在实现真实植物形态结构的模拟方面具有优势因此，目前在真实植物生长模拟方面多采用后面两种模型生理生态模型生理生态模型能够动态模拟作物的生长发育和产量的形成过程，较准确地表达作物生长与环境因子变化之间的关系，还可以通过可控因子(施肥、灌溉)来调节作物的生长发育进程，预测特定环境因子下的作物产量它包括诸如植物光合作用、水肥、土壤、呼吸作用等许多具体的生长机理模型具有代表性的生理生态模型有G()SSYM 模型、CottonPlus模型及MACROS模型G()SSYM 模型是由美国农业部农业研究署组织各领域20多位科学家于1983年研制成的棉花模拟模型(Gossypium Simulation Mode1)L3J该模型于1984年开始推广应用于生产G()SSYM 模拟模型是一个动态模型，能在生理过程水平上模拟棉花的生长发育和产量形成过程它包括若干子模型，如氮素平衡模型、水分平衡模型、光合产物形成与分配模型1985年他们又研制成功了解释GOSSYM 的棉花生产管理专家系统C()MAXCottonPlus模型是在GOSSYM 的基础上发展起来的能够模拟植株地上部分的光合、呼吸、物质积累和分配、器官建成等生理过程，也能模拟植株根际两米深土壤水分、氮素的移动、作物根系的生长等物理和生理过程，还可以模拟棉株对各种环境变量的反应CottonPlus在模拟机理上更符合作物生长的实际规律MACROS模型是荷兰瓦格宁根农业大学的deWit及Gourdrian等人，经过多年的研究与实验推出的模型比较详细的模拟了植物群体的呼吸作用和光合作用等生理过程，较好地解决了植物生长发育的生理阶段描述与动态机理模拟该模型虽然在理论上比较完善，但在农业生产中还没有得到实际应用可视化模型可视化模型调用表示各种器官的图形符号，并将这些图形符号按照拓扑结构连接起来，从而生成植物的二维或三维图形及其生长过程的计算机动画植物的可视化模型由几何、光照、纹理和渲染等若干子模型组成 除此之外，植物可视化研究的主要内容还包括图形的快速渲染、枝条的弯曲、植物的向光性和趋地性等虚拟植物生长模型的建立建立虚拟植物生长模型，需要经过以下几个步骤：(1)对不同阶段、不同环境因子下植物的生长状况进行观察，判别其生长模式、分枝方式、叶序种类和叶序分数，从而确定描述植物形态结构的总体框架(2)使用三维数字化仪器对植物生长过程中的拓扑结构、几何特征等进行连续精确的测量，并使用数理统计或人工智能方法对测量所得的数据进行分析处理，提取植物形态结构规则(3)选择适当的数学模型工具，依据测量所得的植物生长规则，建立植物的拓扑结构模型和几何结构模型(4)将形态发生模型与具体的生理生态模型相结合，围绕着每个阶段生物量的生产和在不同器官上的分配，计算出植物在各个生长阶段的生长发育状况(5)根据计算出的各个生长阶段每种植物器官的几何尺寸和空间位置，使用可视化模型构造成三维植物图形；再利用计算机图形学技术，如纹理映射、光照计算、深度消隐、反走样、投影等，处理植物三维几何结构，生成形象逼真的植物图形 基于虚拟植物生长模型的农业专家系统框架结构为可视化地显示智能系统的决策结果，提高农业专家系统的决策能力，在原有智能系统结构的基础上，提出一种基于虚拟植物生长模型的新型智能系统结构框架，见图1系统由模型管理模块、知识库管理模块、推理机、数据库管理模块以及模型库、知识库、数据库和人机交互接口组成模型管理模块、数据库管理模块和知识库管理模块之间存在着密切联系模型管理模块负责协调各模型之间的工作，实现不同目标的定量推理数据库有资源数据库和用户数据库：资源数据库中存放着作物和当地的基本资源数据，比如病虫害数据、气象数据用户数据库中存放着与系统有关的数据，如系统运行时用户输入的数据，中间推理得到的结果及最终结果数据库管理模块负责协调数据供给知识库由于知识的多样性，不同知识之间可能存在相互矛盾的地方，需要知识管理模块对，基于虚拟植物生长模型的农业专家系统各种知识进行比较、筛选、提炼，以获得可靠的知识推理机根据用户提出的问题和已知事实，在知识库中搜索、匹配激活相应的知识，根据知识由已知事实推断计算出新的事实，或者向用户提问获取推理需要的相关事实，直到最终问题求解或已知条件不足无法求解为止推理机得出决策结果后和外部环境因子一起作为生长机模型的输入，通过形态发生模型和生理生态模型的相互作用，计算出不同环境因子下作物在各个生长阶段的生长状况，再利用计算机可视化技术即可生成反映植物当前生长状况的三维图形或其生长过程动画，从而可视化显示智能系统决策结果目前存在的问题 农业专家系统自身存在的问题 至今为止，在农业专家系统中，由专家整理出来的知识大多属于这个领域的浅层知识，形式上也主要是条件规则型知识。因为知识种类、数量可能很多，难于详细检验，待到专家系统具体使用这些知识时，机械死板的计算机程序就有可能推导出一些错误的结论。另外，由于专家系统并不具有真正的学习能力，结果导致系统的表现只能处理人类专家见过的各种情况，不能“随机应变”，人工智能面临严峻的考验。 开发工具不完善,国外目前出现了许多专用的专家系统工具，开发某领域系统基本上是运用开发工具来实现的。我国农业专家系统的开发工具在应用国外较成熟的开发工具的同时，也自主研制了一些开发工具。但利用开发工具开发的专家系统已形成系列化，商品化水平很低。而且，目前国内开发的农业专家系统生成工具太都在处理文字描述的定性知识方面功能较强，而在处理用数学模型描述的定量知识方面很少涉及。 信息(知识)获取困难、存储方式落后。我国是农业大国，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，使专家系统的知识来源比较单一。另外，我国已完成了农业普查、土壤普查、土地利用现状调查等基础性工作，取得了大量的属性数据图和形数据，这是农业专家系统的基础数据。但这些数据太多以纸为存储介质，不但信息的精度和数量受到限制，信息的更新也不方便，影响其时效性。7 8 农业专家系统应用的外部环境中存在的问题 农业专家系统的应用与开发脱节、适用对象狭窄。我国的一些农业专家系统只强调应用，缺乏进行二次开发所需的专家系统开发工具，使用者无法根据当地实际情况创建知识库和模型库，限制了专家系统的进一步应用。有些农业专家系统虽提供了开发工具，但缺少通用的模板和模型，要求使用者具有一定的计算机基础技术，缩小了专家系统的应用范围。而且一些农业专家系统追求所谓先进性，要求高档次的软硬件，也要求使用者有一定的计算机技术基础，很难在农业基层普及；另一些农业专家系统与领域知识结合不够，停留于科普性知识介绍，其先进性和实用性不高。 动态服务能力低，时效性差。农业生产中的多变因素复杂，受很多外界条件的影响，有许多结果事先是无法预测的，这就要求专家系统有适应动态变化的能力，而我国目前的农业专家系统多数是静态的，因此在农业专家系统开发过程中必须注意动态性建设4,9。 缺少进一步延续开发的能力。一些农业专家系统只是为了一时的应用，而忽视了搭建好功能强、灵活性高的平台，缺少二次开发的接口。目前虽然有许多的开发工具，但通用性差，很难在农业基层普及，使那些具有普通计算机水平而又想开发所研究领域专家系统的人员无计可施，从而限制了专家系统的进一步开发与应用，因此，开发与应用并进，增强系统的实用性是非常必要的。 网络化农业专家系统的开发数量不多。多数农业专家系统仅局限于某一区域，应用面窄，若要扩大应用范围，就得大力开发网络版专家系统，充分利用好网络，实现专家系统的网络化远程服务，这也是今后专家系统研制和应用的大势所趋10。 推广问题。目前研制出的农业专家系统较多，但真正用于生产实际的不多，这说明我们重开发， 轻系统推广，在推广上下的功夫不够。在目前家庭联产承包责任制情况下，每户的种、养殖的规模都很小投资电脑、购买专家系统软件费用很高，投入产出比很低，要推广就得换思路。充分利用互联网，在各地网站设立专家系统咨询推广点，或许是不错的选择。同时，加强农业专家系统的实用培训，提高使用者的对专家系统的认识、计算机使用水平和科学生产的水平，也是推广中需要加强的措施之一。 知识产权问题 在开发农业专家系统时，需要大量领域专家的智慧或者说采纳了许多领域专家的经验，如果专家系统作为产品要销售时，就存在商业盈利目的，就必然会产生知识产权的纠纷。现在农业专家系统的使用还不普遍，但是随着网络信息服务业的发展，各国都在重视网络环境下的知识产权立法问题。对此，农业专家系统的设计者在建造时，所采用的各种图文资料最好是具有自主知识产权的，或者购买别人的图文资料 。农业专家系统中，无论是知识库中知识的抽取、规则的确定，还是推理机的设计，每一个环节都要符合科学的原则，相关数据、公式都要经实践检验，经试运行完善后才可正式使用。因此，在研制农业专家系统时，要有法律意识，研制者要对专家系统使用的后果负责11农业专家系统研究的前景展望 系统数据动态化。农作物生产系统是由生态系统、经济系统和技术系统在持定的空间和时间上(四维特性)组合而成的复杂大系统，它是一个多因素、多层次、多目标、关系纵横交叉的复合系统。这一系统的复杂性、动态性、模糊性和不可确定性是其它专家系统无法比拟的。由于农作物生产的这一特性就要求专家系统中的基础数据不但是海量的，而且必须是动态的。如知识库、数据库、模型库必须要不断有新的知识、新数据、新技术来更新扩充支撑，尽快解决农业生产中的实际问题。“3S”技术即地理信息系统(Geographic Information System)、全球定位系统(Global Positioning System)以及遥感技术(Remote Seniing)、为核心的包括多媒体技术、计算机技术和计算机网络技术，为专家系统的构建提供了巨大的技术支撑。因为“3S”技术的集成首先缓解了专家系统知识源和数据库的缺乏问题，提供了海量的基础数据，为专家系统基础数据库、知识库和模型库的建立提供了数据支持，使农作物生产管理立体化、空间化和实时化。其次，提供的数据不仅量大、全面、而且动态、可更新的，因而使知识库、数据库和模型库具有强大的生命力，这极大地丰富了农业专家系统有功能和使价值。系统功能集成化。农作物生产是一个多方面的综合体，影响因素繁多，时空差异和变异性大，生产稳定性和可控性差，随时可能遭受气候、气象、病虫害的侵袭，因此需要不同的相关的多个领域专家系统共同合作。将系统模拟、地理信息系统、全球定位系统、决策支持系统等技术相结合，这些集成技术可以更有效地研究气候变化对农业的影响、土地评价以及农业环境保护等问题。 系统技术综合化。现有的专家系统在建模中多利用简单的数学回归模型，这种模型一般只考虑部分因素，而作物生产过程中需要解决的问题往往是多个因素的共同作用，因此建模时应考虑多因素的影响。目前，人工神经网络、模糊数学、随机模拟等多种技术的研究日趋成熟，将这些技术用于专家系统必然会增加其处理功能。尤其是在解决一些复杂问题时，人类专家有时很难准确表达自己的想法，或者很难找出其规律，利用这些技术可以帮助知识工程师解决问题。 系统应用网络化。进一步提高农业专家系统的智能化和本土化程度，通过网络传送走向田间将成为一种趋势。网络技术无疑可以弥补我国农业的分散与闭塞弱势。光纤化和宽带化的国家网络建设，为农业专家系统应用网络化提供了良好的硬件条件。因此，未来农业专家系统在设计阶段首先要考虑网络化、数据共享问题。能够成功地在网上运行的系统才真正具有强大的生命力和实用性，符合农业生产与管理的要求12,13。 系统面向多层次设计。专家系统服务的对象并不都在同一个层次上，文化程度存在较大的差异，不同对象要求获取信息的复杂程度不同，所操作的专家系统和输出的内容复杂程度也不相同，因此开发不同层次的专家系统(如面向灌溉管理专业人员、农村技术人员、农户的灌溉专家系统)也是需要考虑的一个问题14。 系统开发市场化。我国已经成功加入WTO，因此农业专家系统的建造不应忽视国际市场的需求，开发既能满足我国需求也能适宜国际需求的农业专家系统是必要的12,13。 创造良好的农业专家系统应用的外部环境。目前，我国农村计算机的普及(包括上网)虽然初显端倪，但由于资金、条件和培训对象文化程度等诸多因素的限制，推广和普及计算机依然存在着许多实际困难，与经济和社会发展的要求相差甚远，远远滞后于其他行业，与发达国家相比更显不足，从而也影响了农业专家系统的更进一步推广应用。为此，必须从计算机技术培训人手，传播和普及计算机技术，并进一步在现有的有线通信技术体系中，减少农村缺乏网络服务商的服务及农民文化素质低等重大障碍，改善农民的上网条件。另外，农业企业是我国农业生产的主力军之一，只有农业企业积极使用农业专家系统，大力推进电子商务，才能提供全球服务、提升企业形象、开拓潜在市场、增加企业利润，才能使企业信息化走向实务。由于农业生产具有生产周期长、成本高、风险大、收益低等特点，我国大部分企业分散经营，环境闭塞，信息不灵，传递不便，难以形成竞争优势。而在市场经济下，随着全球经济一体化的发展和我国加入WTO进程的加快，企业信息化能使人力、物力、财力以及内外部信息资源得以充分开发和利用，从而降低成本，提高经济效益，在激烈的竞争中找到自己生存与发展的空间，并最终使农业专家系统更好地为农业、农村、农民服务创造一个良好的外部环境15。结束语 农业专家系统在生产中有着广阔的应用前景。可以说，在农作物生产的各个环节中都可以用到专家系统。随着计算