作物生产系统及其管理系统

1、作物生产系统及其管理系统作物生产系统及其管理系统董占山 中国农业科学院棉花研究所，河南安阳，455112摘要 本文在概述作物生产系统的概念、特点、结构和组成的基础上，提由现代作物 生产管理系统的基本概念和理论基础，指由它是计算机科 学、农业科学和自动化科学相互交叉的产物，它的理论基础 是系统论作物模拟模型，或称为人工作物、控制论作物管理 专家系统和优化决策论作物管理优化决策模型，其未来的发 展方向是高度集成化、高度自动化等，鉴于此我们要综合运 用作物模拟技术、知识工程技术、地理信息系统（ GIS）、全 球定位系统（GPS、遥感技术（RS）等现代技术，建立集成 的作物生产管理系统（CROPMAN

2、 。关键词作物，生产管理系统，专家系统，模拟模型Crop Production System and Its Management System Dong Zhanshan Cotton Research Institute, CAAS, Anyang, Henan, 455112 ABSTRACT First, the definition, properties, structure and components of crop production system have been explained in this paper. Then, definition of crop pro

3、duction management system have also raised. It is indicated that essential principles of crop production management system CROPMAN consist of crop simulation, crop management expert system and model of optimizing cultural measurements. The developing tendency ofCROPMAN is high automation and integra

4、tion. So we have to establish the integrated crop production management system by using the geographic information system GIS and global positioning system GPS, remote sensing RS, crop simulation and knowledge engineering. Key words crop, management system, expert system, simulation model 耕地、粮食、人口、

5、环境是当今世人所关注的几大热点。在耕地减少，人口骤增的发展中国家，各种矛盾尤为突 出O解决问题的关键在于充分利用并维护有限的自然资源， 发展作物生产，提高单位面积的产量，走可持续发展农业的 道路。要达到这些目标，必须用系统论的观点，把作物生产过 程看做一个系统一作物生产系统，深入研究作物生产过程中 各种因素的相互作用规律，探求两高一优”的作物生产管理措施，为国家的稳定、发展提供最基本的物质保障 一人们赖 以生存的粮食、油料等农产品。1作物生产系统从人类种植各种谷物开始，就有了作 物生产。在千百年的发展过程中，人类一直是靠天吃饭，即气候 的好坏决定了作物产量的高低、农业的丰歉。随着科学技术的发展

6、，现代农业逐步取代了靠天吃饭的传统农业，农业（作物）科学也逐步由经验科学变成了精密 科学。人们开始用系统论的基本思想来重新认识作物生产，把 作物的生产过程看作一种系统过程，它有系统的输入，经过 系统内部的功能结构（作物有机体）加工处理，最后以农产 品的形式输生到系统外。1.1定义和特点作物生产系统就是以农业生物、气候、 土壤、社会经济为物质基础，由人类采用多种生产管理措施 来调控，以作物有机体为生产主体，以获取作物机体的莫一 部分（产品）为目的，同时兼顾经济效益、社会效益和生态 效益，有利于农业可持续发展的人工和自然的复合系统。所以说作物生产系统是由作物、环境、技术、经济四大 要素所组成的，作

7、物生产的丰歉是这四大要素相互作用的结 果。作物生产系统有以下几大特点1.1.1作物生产系统是一个复合系统 作物生产系统首先是一个自然生态系统，在系 统内生物与生物、生物与环境、环境与环境以物质循环和能 量交换建立起的纯自然的部分，它是一个多层次、多序列、 多结构的自然系统，且具有一定的生产能力。但是，作物生产系统又是一个人工系统，它不断地受到 人们采取的各种农艺措施的影响，其发展的道路会偏离其自 然生长的轨道，沿着人类设计的轨道进行，所以说作物生产系统是一个人工和自然的复合系统。1.1.2 作物生产系统是一个复杂巨系统作物生产过程是一个复杂的系统过程。它的复杂性既表现在地域性、季节性和生物性等

8、方面， 又表现在人为性、经济性和社会性方面；它既要按照生物自 身固有的生命活动规律进行，又要按照人类活动所必须遵循 的社会规律进行。作物生产活动是人类通过生态、社会经济、技术管理等 诸要素之间的相互作用来实现自然过程和人为过程的统一。系统内部各要素之间的关系是复杂的非线性关系，所以 作物生产系统是一个复杂的非线性系统。1.1.3 作物生产系统是一个开放系统作物生产系统是一个开放系统，作物自身的生长过程是一个内部结构、特性 和机理都还未完全搞清楚的黑箱”，但它的输入和输生是透明的，是可以定量的。作物品种、气候、土壤以及农艺措施作为输入，通过作 物有机体，将这些输入的物质或能量转化为特定的有机物

9、质，如蛋白质、糖、纤维素等，伴随着作物的开花结果，生 产生人类需要的那部分产品，形成系统的输生，作物生产过 程的一个周期就完成了。在这些过程中，输入系统的物质和能量是可以通过莫种 手段加以精确地定量的，系统输生的产品也是可以在质和量两方面定量的1.2结构、组成和功能作物生产系统大体上可以划分为 自然生态部分和社会经济两大部分，自然生态部分就是作物 生态系统，包括气候、土壤、作物及其产品；而社会经济部 分是属于农业经济的范畴，包括人、农艺措施、社会经济资 源等。各部分之间的关系如图1所示。图1作物生产系统示意图（图中实线代表物质流，虚线代表信息流）一个优化的作物生产系统，具各个组成部分之间应该协

10、调平衡、相互促进、转化率高，总体功能越来 越好，可以为人类提供越来越丰富的农产品。现代作物生产，实质上就是用现代科学技术和管理的新 思想、新方法、新技术和现代工业提供的一系列新的生产力 要素，如农机具、化肥、农药、电力等，改造传统的作物生 产活动，使之合理、优化利用资源，不断提高土地生产率， 实现作物生产的 高产、稳产、低耗”的目标。2作物生产管理系统由于作物生产系统具有复合性、 复杂性和开放性，其管理就更加困难。所以在进行作物生产管理时，首先要了解作物自身依外 界环境天气、土壤等的生长发育规律建立作物模拟模型；然 后根据这种规律性，人为地对系统的平衡进行调整建立作物 管理专家系统，以期达到作

11、物高产、稳产、优质、高效高经济效益、高社会效益和高生态效益的目的建立作物管理优化 决策模型。将这3部分有机结合，即形成作物生产管理系统的框架。下面分别阐述作物生产管理系统的基本概念和理论基 础。2.1 定义 就目前的观点来讲，作物生产管理系统是指运 用计算机，把作物模拟模型、作物管理专家系统、作物管理 优化决策模型和其它辅助模型有机地结合，充分利用人类专 家有关作物生产的已有知识，依赖作物生产中作物自身的生 长信息反馈，对作物生产的日常管理和由现的具体问题，进 行实时实地的在线式管理决策，这是一种高度综合的计算机 程序系统。2.2 理论基础 作物生产系统的主体作物的生长发育遵 循其自然准则，即

12、作物生态学原则，研究它的基本理论是系 统论；作物生产系统的主要控制者人可以通过对系统施加一 定的外力农艺措施去影响系统的行为，也就是说人可以在奥 种程度上控制作物的行为，这就是作物生产管理的基本依 据，研究人如何去控制系统行为的基本理论是控制论；但是,人对系统的控制不是盲目的，总是为得到一定的目的而进行 的，有时往往在大多数情况下目标是多种的而非单一的，要 使系统得到这多种的目标，当对系统施加影响时，要综合考 虑外力的正负效应，对其进行优化，协调各种目标，这需要优化决策论；所以，作物生产管理系统的基础理论是系统论、 控制论和优化理论。在作物生产管理系统的研究中，始终贯穿着系统论的使 用，作物模

13、拟模型体现了系统论，作物管理专家系统体现了 控制论，作物管理优化决策模型体现了优化决策论。同时这些模型和系统都是计算机程序，因此计算机科学 的基本理论也是研究作物生产管理系统所必不可少的。2.2.1 系统论作物模拟模型在作物生产系统内部，系统 的主体作物对系统的各个组成部分和影响系统的各种要素 做由反应，通过用数学语言将这些反应描述由来，并用计算 机程序实现作物一生的反应轨迹，也就是用计算机模拟真实 世界的中作物的自然生长。作物模拟模型是利用计算机程序模拟作物在自然环境 条件下利用光能资源把水和二氧化碳结合制造成有机物质 的过程包括光合作用、呼吸作用、作物生长、干物质的积累 与分配等生理生化过

14、程、作物组织和器官的建成和死亡的过 程和作物产品的形成过程等，同时还包括作物需要的矿质元 素在土壤中的分配、移动和被作物吸收的过程。这些过程既决定于作物本身的特性，同时也受到外界环 境条件的制约，这些环境条件包括太阳辐射、温度、水分和 二氧化碳等气候因子和土壤质地、土壤肥力等土壤因子，还 包括人类的活动等人文经济环境条件，其中对作物生产起作用最大的因素是气候因子，只有有了光、热、水、气，作物 才能进行光合作用，然后才有物质生产。研制一个比较完善的作物模拟模型是十分复杂的，需要 多学科的科学研究人员经过长期的努力才能实现。作物模拟模型作为作物生产管理系统的核心组成部分， 对作物生产管理决策系统的

15、适用范围有较大的决定性。2.2.2 控制论作物管理专家系统对作物生产系统的主体作物来说，其生长发育过程是可以控制的，人通过对系统 施加不同的外力农艺措施等可以控制系统主体作物沿不同 的道路发展，最后取得不同的结果。从这个角度来说，人对作物生产的控制是切实可行的， 是有现实意义的，也是必不可少的。对系统施加什么外力措施可以使系统沿什么方向发展， 这是作物生产中专家多年积累的经验。这种专家的经验含有的不确定因素很多，很难运用数学 方法表达由来，目前处理这种经验的主要手段是知识工程学 中的专家系统技术。把作物管理专家的知识和经验规则化、具体化，用计算 机程序表达由来，形成特定的知识库，通过一种具有推

16、理功 能的智能计算机程序来操作管理，对作物生产的具体领域的 问题提由解决方案，辅助作物生产者实现作物生产的各个环 节的管理，这就是作物管理专家系统。2.2.3 优化决策论作物管理优化决策模型从系统优化的角度讲，无论什么决策都存在优化的问题。作物生产作为一个系统，其管理决策也是需要优化的。况且，农业生产的目的是多目标的，不仅仅是取得最高 的产量，还要求取得较高的经济、社会和生态效益，这样多 目标的优化决策成为必然。作物管理中的优化决策就是综合运用各种优化理论，根 据一地的自然资源和社会经济资源等的具体配置，在充分考 虑作物的产量和品质的前提下，对作物生产过程的管理措施 提由经济的、生态的、社会的

17、优化决策，使作物生产活动按 最优化的道路进行。它在作物生产中起着辅助决策的功能，帮助专家或专业 人员处理实际问题，以期达到最优的作物产品和最佳的经济 和生态效益，最后向用户推荐优化的决策方案，这就是作物 管理优化决策模型。3典型应用实例 国家八五”计划期间，中国农科院棉 花所研制了一个黄淮海地区棉花生产管理系统COTMAS，它就是运用上述理论建立的一个作物生产管理系统，它由棉花 模拟模型GOSSYM、棉田管理专家系统 CMES、图形用户界 面GUI和数据库组成，可以对棉花生产管理中的氮肥、水和植物生长调节剂缩节安的管理提供辅助决策。系统的主要功能如下 3.1灌溉日期和灌溉量的决策根 据水分胁迫

18、、灌水对最终产量的效应和距成熟期的时间进行 决策。GOSSYM预报由于缺水而引起的水分胁迫的时间， 然后， 根据棉花各时期的需水量初定灌溉基量， CMES通过多次执 行GOSSYM作曲减轻或消除水分胁迫的灌溉方案。3.2 施氮时间和用量的决策 根据氮素胁迫、施肥对最终 产量的效应和对营养生长的作用来决策。GOSSYM预报由于缺氮造成的氮素胁迫时间，然后根据 预计要达到的皮棉产量推算由作物的需氮量，再由CMES多次执行GOSSYM制定由减轻或消除氮素胁迫的施氮肥方案。3.3 植物生长调节剂决策 植物生长调节剂能降低株高， 促进光合产物向生殖部分分配，缓解营养生长过快带来的负 效应。缩节安是当前我

19、国最流行的植物生长调节剂，其使用时 间和用量依赖于棉花的生育状况。缩节安的使用时间一般分蕾期、初花期和花铃期，在正 常年型下，蕾期每公顷喷施015克，初花期每公顷喷施3060克，花铃期每公顷喷施 4560克。GOSSYM能模拟缩节安的实际使用效果，然后由 CMES 对缩节安的使用日期和用量作由决策。3.4 估计皮棉产量 利用GOSSYM模型，可以对模拟棉 田的棉花皮棉产量，提前 1个月左右进行估产，但还不能对大面积的棉花产量进行预测。4发展趋势随着计算机科学、自动化工业、航空航天 技术的发展，智能机器人的不断涌现，工业过程的部分或全 部操作被智能机器人所代替，作物生产中的莫些过程也开始 使用机

20、器人，最终的发展结果是越来越多的机器人代替人类 在田间进行作物管理的实际操作，这是作物生产管理的另一 个层次的自动化，它是由硬件来支撑的，依赖于机械工业和 电子工业的发展。作物生产管理系统的进一步发展的概念是以计算机软 件为基础，以智能机器人为硬件支持，综合作物生产过程的 各种知识、信息于一体，由计算机对作物生产的全过程的提 供全面的综合的决策，通过智能机器人在田间的操作，实现 作物生产过程的全盘自动化的综合的软件和硬件的组合系 统。作物生产管理系统的发展趋势是高度智能化、高度综合 化、高度自动化。高度智能化是指作物生产管理系统中的专家系统会越来 越成熟，逻辑推理功能逐步增强，决策的准确率提高，同时 增加自学习功能，使系统在实例决策中积累知识。高度综合化是指作物生产管理系统不仅仅包括作物模拟 模型、作物管理专家系统和作物管理优化决策模型，它将和 地理信息系统（GIS）、全球定位系统 GPS、遥感技术RS等一系列的高新技术结合，形成集成的作物生产管理系统CROPMAN 。高度自动化是指 CROPMAN自身逐步具有控制田间作业 机器的能力，实现田间作业的自动化。最终，CROPMAN将充当作物生产自动化的主角。5结语作物生产管理系统是近年来刚