（计算机应用技术专业论文）天津市小麦知识管理系统.pdf

中文摘要农业知识管理系统( a k m s ) 是在现有农业专家系统基础之上，利用先进的信息技术，将信息咨询系统与相关的农业专家系统集成为一个整体，使之能够更方便的应用于农业生产之中，成为带动知识资本进入农产品生产，替代资源、物质“双重资本”所起的决定性作用，推动知识化农业经济发展的有利工具。本课题将以知识工程( 知识科学) 理论为基础，讨论如何以现有农业专家系统为基础，通过完善、开发系统功能，建立新的农业知识系统( a k s ) ，并以原天津市小麦专家系统为课题研究对象，进行系统功能的完善与开发，建立一套新的适应天津市小麦生产管理所需的知识管理系统，以期达到借助计算机信息技术提升种植业发展能力的目的。首先通过查阅相关的国内外资料，了解知识工程的相关理论和原小麦专家系统的开发基础、结构和实际应用情况，有针对性的整理、查阅和记录各类资料中与课题研究方向相关的内容，为实际研究工作做好充足的理论准备。同时保证课题研究中所采用的各种方法有可靠的科学理论依据。然后借助天津市农业技术推广站所开展的农业技术推广工作实践，收集、积累课题研究所需实验数据、情况，通过分析为推广小麦知识管理系统所收集的各类情况，并输入实验数据，检验系统整体的实用性、可靠性、灵敏度和自我完善能力等。同时，采用面向对象程序设计语言，设计人性化人机交互界面，编写各种调用功能模块程序，利用可靠性强的信息咨询系统设计模板，结合小麦生产实际需要，编制并集成信息咨询系统，达到完善开发小麦知识管理系统的研究目的。最后总结课题研究成果，测试该系统的各项功能，对测试中发现的不足之处，有针对性的进行补充修改，通过生产实践，不断完善小麦知识管理系统的整体功能。关键词：农业专家系统，知识工程，小麦知识管理系统，功能集成a b s t r a c tb yu s i n gt h ea d v a n c e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea g r i c u l t u r ek n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e m ( a k m s ) o r i g i n a t i n gf r o mt h ea g r i c u l t u r ee x p e r ts y s t e mh a sd e v e l o p e dt ob ea nu s e f u lt o o tf o ri m p r o v i n gk n o w l e d g ea g r i c u l t u r ee c o n o m y , w h i c hi n t e g r a t e dt h ei n f o r m a t i o ni n q u i r i n gs y s t e ma n dr e l a t e dt h ea g r i c u l t u r ee x p e r ts y s t e m a f t e rt h a ta k m sc a nb ea d o p t e di na g r i c u l t u r ep r o d u c t i o na n db r i n gi n t e l l e c t u a li n v e s t m e n tt or e p l a c er e s o u r c e sa n ds u b s t a n c ec a l l e dd o u b l ei n v e s t m e n t t h i st h e s i sd i s c u s s e sh o wt om a k eu s eo f t h eo r i g i n a la g r i c u l t u r ee x p e r ts y s t e mt oe x p l o i tt h en e wa g r i c u l t u r ek n o w l e d g es y s t e m ( a k s ) b a s e do rt h et h e o r yo fk n o w l e d g ee n g i n e e r i n g( k n o w l e d g es c i e n c e ) t a k i n gt h eo r i g i n a lw h e a te x p e r ts y s t e mo ft i a n j i na sas a m p l e ，t h ew r i t e rm a k e ss v s t e mf h n c t i o nt ob ec o n s u m m a t e da n de m p o l d e r e d ，b u l i d sas u i to fn e wk n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e mt oa d a p tt h ew h e a tp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n to ft i a n j i n ，i no r d e rt oi n c r e a s et h ea b i l i t yo fp l a n t i n gd e v e l o p m e n tb yd i n to fc o m p u t e ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a tt h eb e g i n n i n go ft h er e s e a r c h ，t h ew r i t e rr e f e r r e di n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a lm a t e r i a lt oa c q u a i n th i m s e l f w i t ht h er e l a t e dt h e o r yo f k n o w l e d g ee n g i n e e r i n ga n dt h eb a s i s , f r a m e w o r ka n df a c t u a la p p l i c a t i o no ft h eo r i g i n a lw h e a te x p e r ts y s t e m ，a l lk i n d so fm a t e r i a lr e l a t i n gt ot h i ss t u d yw a ss e t t l e d ，c h e c k e da n dr e c o r d e dt om a k et h e o r e t i c a l l yp r e p a r a t i o nf o rt h es t u d y , f o rt h ep u r p o s eo fu s i n gr e l i a b l es c i e n t i f i ct h e o r yi nt h es t u d y t h e n ，t h r o w i g ht h ee x t e n s i o no fa g r i c u l t u r et e c h n o l o g yb yt i a n j i na g r i c u l t u r a lt e c h n o l o g yp r o m o t i o ns t a t i o n ，t h ew r i t e rc o l l e c t e da n da c c u m u l a t e dd a t aa n dr e s u l t sw h i c ha r en e e d e di nt h es t u d y f u r t h e r m o r e ，t h ep r a c t i c a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , d e l i c a c ya n dt h ea b i l i t yo fs e l f - i m p r o v e m e n th a sb e e na p p r o v e db ya n a l y s i so ft h er e s e a r c hf i n d i n g sf r o mt h ee x t e n s i o n a tt h es a m et i m e ，t h ew r i t e ra d o p bp r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o ro b j e c t ，d e s i g n st h em a n m a c h i n ea l t e r n a t i o ni n t e r f a c es i m p l ya n de x p e d i e n t l y , w r i t e st ot r a n s f e rm a n i f o l df u n c t i o nm o d u l ep r o g r a m ，m a k e su s eo ft h ei n f o r m a t i o ni n q u i r i n gs y s t e mr e l i a b i l i t ya n dd e s i g n st e m p l e t t h ei n f o r m a t i o ni n q u i r i n gs y s t e mi sp r o g r a m m e da n di n t e g r a t e d ，d e p e n d so nt h ew h e a tp r o d u c t i o nf a c ta n dn e e d ，i no r d e rt oa c h i e v et h ea i mb yc o n s u m m a t i n ga n de x p l o i t i n gt h er e s e a r c ho ft h ew h e a tk n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e m i nt h ec o n c l u s i o no ft h er e s e a r c h ，t h ew r i t e rt e s t e da l lf u n c t i o n so fa k m sa n dp u r p o s e l yc o r r e c t e dt h es h o r t c o m i n g sf o u n di nt h et e s t ，i nt h eh o p eo fi m p r o v i n gt h ew h o l ef u n c t i o no ft h ew h e a tk n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e mb yp r o d u c t i o na n dp r a c t i c et h o r o u g h l y k e yw o r d s ：a g r i c u l t u r ee x p e r ts y s t e m ，k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g , k n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e mo f w h e a t , f u n c t i o ni n t e g r a t i o n独刨性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 ：作和取得的研究成果，除了文中特别加以末示注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者魏纠乳抽签字日期：加年9 月矿日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫星盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：o 稻导师签名：) 呵乙压签字门期：) 矽f 年9 月 f 闩签字r 期：砂刃g 年g 月旷闩第一章绪论1 1 课题背景第一章绪论信息化的概念起源于2 0 世纪6 0 年代的日本。关于信息化的表述，在我国学术界和政府内部作过较长时间的研讨。1 9 9 7 年召开的首届全国信息化工作会议，对信息化定义为：“信息化是指培育、发展以智能化工具为代表的新的生产力并使之造福于社会的历史过程。”信息技术的重要组成部分就是专家系统，智能化信息技术特别是专家系统技术应用己遍及作物栽培管理、设施园艺管理、畜禽饲养、水产养殖、植物保护、育种以及经济决策等各方面。国际上著名的棉花生产管理c o m m a x 系统、大豆病害诊断p l a t d s 系统等。国内的智能化农业信息技术近年来也发展相当快，尤其在农业专家系统的开发与应用方面己受到广泛重视并逐步应用，如中科院合肥智能所的施肥专家系统、北京市农科院作物所的小麦管理专家系统等。“六五”期间，天津市就开展了农业信息技术研究与应用工作，至“八五”末，积累了大量研究与推广应用的基础资料，并取得了良好的社会经济效益。先后建立起“天津农业信息网”、“天津科技信息网”和。天津金农科技信息网”，并通过互联网络，形成上与全国农业信息网、全国科技网、天津经济信息网互联，下与1 2 个区县、市农口局、农科院及其研究所信息资源共享的农业网络信息服务体系平台，为天津市开发种植业专家系统奠定了基础“2 “1 。1 2 国内外农业专家系统研究现状信息化的概念起源于上个世纪6 0 年代的日本，7 0 年代末在西方得到普遍接受。在美国首先应用于农业生产的专家系统技术是上世纪8 0 年代开发的c o m m a x 系统。目前，智能化信息技术特别是专家系统技术在农业生产中的应用已遍及作物栽培管理、设施园艺管理、畜禽饲养、水产养殖，植物保护、育种以及经济决策等各方面。国际上著名的农业专家系统有棉花生产管理c o m m a x 系统、大豆病害诊断p l a t d s 系统、温室喷雾控制m i s t i n g 系统、乳牛管理的d i e s 系统等。国内的智能化农业信息技术近年来也发展相当快，第一章绪论尤其在农业专家系统的开发与应用方面己受到广泛重视并逐步应用，如中科院合肥智能所的施肥专家系统、北京市农科院作物所的小麦管理专家系统、云南省的水稻管理专家系统、中国农业大学的病虫害诊断与防治专家系统等。2 0 世纪7 0 年代末期美国开始研究农业专家系统，最初用于农作物的病虫害诊断。19 7 8 年伊利诺斯大学开发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。到8 0 年代中期，研究从单一的病虫害诊断转向生产管理、经营决策与分析、生态环境等。例如日本东京大学建成的西红柿栽培管理专家咨询系统就面向生产管理。目前国际上知名农业专家系统广泛应用子作物生产管理、灌溉、施肥、品种选择、病虫害控制、温室管理、畜禽饲料配方、水土保持、食品加工、财务分析、农业机械选择等方面，有些系统( 如哥伦比亚大学的梯田管理系统) 己成为商品进入市场。我国农业专家系统的研究，始于2 0 世纪8 0 年代初期。中国科学院合肥智能机械研究所与安徽省农业科学院士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于1 9 8 5 年l o 月建成，在安徽省淮北1 0 多个县得到较大规模的应用。随后，许多科研院所开展了各种农业专家系统的研究、开发及推广应用活动，这些专家系统，在基础研究和应用两方面推动了我国农业专家系统的发展。在基础研究方面，也就是面向领域和面向任务的专家系统开发工具，主要是编辑型开发工具和智能型开发工具，如熊范纶等研制的雄风系列、北京农业科学院和国防科技大学的p a i d ，中国科学院计算所的虚拟企业支撑平台系统( s u p p o r t i n gs y s t e mf o r v i r t u a le n t e r p r i s e ，v e s s ) 、哈尔滨工业大学的专家系统平台等，同时还开发出自动知识获取工具。在应用方面，砂姜黑土小麦施肥专家咨询系统在我国农业专家系统的应用中是晟早的，随后，施肥专家系统、品种选育专家系统、粘虫测报专家系统相继问世。到目前为止，已广泛应用的专家系统包括关于粮食作物和经济作物的栽培技术专家系统、管理专家系统、施肥专家系统、病虫害防治专家系统、专家咨询系统、品种选育专家系统、畜牧兽医专家系统、饲料配方专家系统、农业气象专家系统以及农业工程、土壤侵蚀、盐碱地改造等方面的专家系统。根据我国农业发展的实际需要，从1 9 9 0 年起把农业专家系统等智能化农业信息技术列为8 6 3 重点课题，给予重点支持。为了进一步探索信息技术支撑服务农业犬面积推广应用的经验，1 9 9 6 1 9 9 8 年度在北京、云南、安徽、吉林四省市丁f 展了以农业专家系统为核心的“智能化农业信息技术的应用示范上程”，第一章绪论并在示范区内实施。目前，在国家8 6 3 计划的支持下示范区已扩展到2 3 个，示范区建设取得了显著成效，同时探索出了信息技术服务农业的成功经验和发展模式。总之，农业专家系统触及农业领域的各个方面，为发展高产、优质、高效农业做出了贡献”。1 3 课题目标充分研究、分析现有小麦专家系统的结构、功能、使用方法及不足，认真规划设计人机交互界面，不断补充完善各种调用功能，根据生产实际需要，集成信息咨询系统，利用农业技术推广工作实践，收集各类测试数据，检s u d , 麦知识系统的各项功能。知识工程( 知识科学) 理念适合各类面向农产品生产的专家系统的升级改造，但由于研究时间及研究条件的限制，本课题主要针对天津市农业技术推广站提供的小麦专家系统功能进行补充完善和提升。本课题主要完成了以下三项工作一、补充完善多系统、多种数据库之间的调用功能( c o n s u m m a t et r a n s f e rf u n c t i o n )多系统、多种数据库之间的调用功能作为支持知识管理系统的核心技术，在完善小麦专家系统时，必须整合添加。增加这一功能可提供一个广阔的操作平台，以满足各类用户的不同需求。本课题利用面向对象的程序设计语言编制各类调用功能模块，实现了多种调用功能。二，信息咨询系统的集成( i n t e g r a t e di n f o r m a t i o nc o n s u l t a t i o ns y s t e m )把信息咨询系统集成到系统中来不仅能够使整个小麦知识管理系统让每个用户感到方便、亲切，更能使整个系统成为个能够自我完善、逐步成长的、动态智能化系统。因此，本课题在研究中采用了成熟的信息咨询系统模板，并依据模仿小麦生产过程的模型数据库。有针对性的整合各阶段的咨询信息类型，使其不仅具有为用户服务的功能，还能成为自我完善的工具。三、人机交互界面设计( m a n m a c h i n e a l t e r n a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n )第一章绪论人机交互界面设计既是用户界面设计( u s e ri n t e r f a c ed e s i g n ) 。也是整个系统结构设计( s y s t e ms t r u c t u r ed e s i g n ) 理念的一种表现，用户通过界面即可以调用各类系统功能，也可以查询各类即时信息。本课题采用了成熟的菜单条+下拉菜单+ 工具栏，预留整个屏幕提供查询信息模式的设计理念，制作了人性化的交互界面。遵循系统工程的方法，本课题的设计与实施分为四个阶段，各个阶段所实现的主要目标如下：- 系统模型设计阶段依据导师的指导意见，对照课题分析报告，结合天津市农业技术推广站提供的小麦生长模拟数据库，有针对性的选择确定系统及各功能模块的结构，把课题研究的主要内容转化成数学模型。例如：针对不同土壤环境、气候条件，提供不同的主栽品种决策方案及方案的比较，并依据地理信息、土壤、品种、气象条件。确定水肥管理方案，病虫害防治措施，市场形式分析预测，以及产品销售方向等。最终形成系统模型设计书，为系统开发提供参照。一系统开发及实验数据收集阶段依据数据模型设计书，利用收集到的各类开发软件工具，按照系统总体结构设计和课题选定的功能模块，着手开发人机交互界面、调用模块及信息咨询系统的集成。同时，随着农业技术推广工作的开展，收集、整理各类实验数据。如：小麦生产中新出现的典型数据组合下所应采取的各种对策，以及不同对策采用后的结果对比等，以便系统调整时采用。- 系统组合调试阶段利用现有的数据资料，将各功能模块，按照系统结构组合成完整的系统，并利用典型数据进行连动调试，以保证系统运行的实用性、可靠性、灵敏度，最终形成系统组合调试报告，提供给系统测试阶段做参考。这一阶段是整个课题研究的中试阶段，利用原有数据，可以充分检测在同等条件下。小麦知识管理系统与小麦专家系统相比，在实用性、可靠性、灵敏度等方面提高的程度，可以总结出课题研究的阶段性成果，实现部分研究目标。_ 系统检测改进阶段第一章绪论将组合调试后的系统，输入最新收集整理的实验数据，等于将系统投入实际应用之中。除继续测试该系统在生产实际中的动态性能，包括其实用性、可靠性、灵敏度等方面的指标，还要观测该系统的自我完善功能的发挥程度。通过对测试结果的分析，进一步完善整个系统的功能，并总结整个课题研究的成果、问题解决方案，并形成检测改进报告。系统开发实现方法：应用a s p 、a s p n e t 、x m l 、x s l 、h t m l 、d t d 等语言，结合今后农业技术推广工作的需要和课题的研究方向，明确系统的各项功能和需求，制作人性化人机交互界面、编制调用功能模块、集成信息咨询系统，以及为适用于更广泛操作平台而编制规范的程序代码、推理规则、接口转换等各项操作。并且对系统进行必要的测试，以实现课题研究目标。1 4 课题研究意义农业知识管理系统( a k m s ) 是在现有农业专家系统基础之上，利用先进的信息技术，将信息咨询系统与相关的农业专家系统集成为一个整体，使之能够更方便的应用于农业生产之中，成为带动知识资本进入农产品生产，替代资源、物质“双重资本”所起的决定性作用，推动知识化农业经济发展的有利工具。上个世纪9 0 年代末到本世纪初，天津市农业部门结合执行国家8 6 3 计划，集数十位农业专家的集体智慧，借鉴北京农科院农业专家系统开发模板，开发出较高水平的小麦、玉米、水稻、黄瓜等4 个专家系统“”o 。但随着智能化信息技术的高速发展，这些农业专家系统的不足逐渐显露出来。以小麦专家系统为例，虽然其通过一定的信息技术手段，将天津市地理信息系统与该系统做了链接，但由于受到当时信息技术发展的局限，其在入机交互界面的设计、多种数据库之间的相互调用、查询信息保存、信息咨询系统的集成等方面仍有诸多不尽人意之处。为此，本课题计划在现有小麦专家系统的基础上，利用面向对象设计语言，重新设计人性化人机交互界面，补充多系统、多种数据库之间的相互调用功能，集成信息咨询系统。将系统功能提升为丽向整个小麦生产全过程的智能化系统，尝试将其改造为小麦知识管理系统。借助天津市农业技术推广工作的开展，测试该系统的各项功能，对测试中发现的不足之处，有针对性的进行补充修改，通过生产实践，不断完善小麦知第一章绪论识管理系统的整体功能，使其进一步适应农业生产的实际需要，为知识化农业经济的发展做好服务工作，成为天津市启动知识化农业经济的有力工具。第二章我国农业专家系统开发方式第二章我国农业专家系统开发方式2 1 我国农业专家系统应用现状分析农业专家系统是基于农业专家知识，能模仿农业专家进行推理决策，把多项农业技术和知识进行高度集成的计算机应用系统。它比一般的计算机信息系统更突出专门农业知识与推理判断的作用，且具有针对性更强的决策咨询能力；此外，它比人类农业专家拥有更全面的综合性知识和高速的知识处理本领，可以不受时间、空间的限制和人类情感的影响，起到多方面高层次农业专家时时指导具体生产的作用。专家系统具有智能性、继承性、集成性、复制性、便捷性。我国农业专家系统的研究，始于2 0 世纪8 0 年代初期。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于1 9 8 5 年1 0 月建成，在安徽省淮北1 0 多个县得到较大规模的应用。随后，许多科研院所开展了各种农业专家系统的研究、开发及推广应用活动，促进了我国农业专家系统基础研究和应用的发展。在基础研究方面，也就是面向领域和面向任务的专家系统开发工具，主要是编辑型开发工具和智能型开发工具，如熊范纶等研制的雄风系列，北京农业科学院和国防科技大学的p a i d ，中国科学院计算所的v e s s 、哈尔滨工业大学的专家系统平台等，同时还开发出自动知识获取工具。在应用方面，砂姜黑土小麦施肥专家咨询系统在我国农业专家系统的应用中是最早的，随后，施肥专家系统、品种选育专家系统、粘虫测报专家系统相继问世。目前我国农业正处于由传统农业向现代农业转变的历史时期，又面临加入w t o 带来的挑战与机遇。抓住发展机遇、实现历史性的跨越，需要农业信息等高新技术作支撑。农业专家系统作为农业信息技术的重要组成部分在传播各类农业信息和农业知识，提高广大农业技术人员及农民的科技意识，整合分散、局部的单项农业技术，并经过智能化的信息处理，能针对不同的自然资源和环境气候条件，做出系统性和应变性的各类农业问题的解决方案，为农业生产全过程提供优质服务，从而对于节省资源、降低成本、提高效益，促进农业和农第二章我国农业专家系统开发方式村经济结构调整，提高农民收入具有重要意义嘲。2 2 国内现有农业专家系统在应用中存在的不足上个世纪9 0 年代末到本世纪初，各地农业部门结合执行国家8 6 3 计划，集当地农业专家的集体智慧，借鉴国内成熟农业专家系统开发模板，开发出较高水平的农作物等专家系统。但随着计算机信息技术的高速发展，这些农业专家系统的不足逐渐显露出来。以天津市小麦专家系统为例，虽然其通过一定的信息技术手段，将天津市地理信息系统与该系统做了链接，但由于受到当时信息技术发展的局限，其在人机交互界面的设计、多种数据库之间的相互调用、信息收集能力、信息咨询系统的集成等方面，以现有技术水平衡量仍有诸多不尽人意之处【3 】【“。本课题试图通过完善天津市小麦专家系统，对利用现有农业专家系统开发农业知识管理系统进行研究。并借助天津市农业技术推广站的工作实践，收集整理测试系统功能所需的数据，检验该系统的实用性和系统推广应用的可行性。通过推广示范，探索知识工程技术在农业生产中应用的途径。2 3 完善开发现有农业专家系统的设想天津市现有的农业专家系统是通过实施“天津智能化农业信息技术样本工程”建立的，该工程是基于北京农科院，北京农林科学院和国防科技大学开发的专家系统开发平台p a l l ) 2 0 版，主要针对小麦，玉米，水稻专家系统的二次开发。已实现农业数据库系统下发展和建立的g i s 系统的a r c i n f o 背景数据与s q ls e r v e r 数据库的集成。数据字典和一对一关系表的技术被添加到系统里用于支持疑难问题，数据统计和需求“3 】【”“1 。但由于受到当时信息技术发展的局限，其在人机交互界面的设计、多种数据库之问的相互调用、查询信息保存、信息咨询系统的集成等方面，以现有技术水平衡量仍有诸多不尽人意之处。为此，本课题计划在现有小麦专家系统的基础上，利用面向对象设计语言，重新设计人性化人机交互界面，补充多系统、多种数据库之间的相互调用功能，集成信息咨询系统，将系统功能提升为面向整个农作物生产全过程的智能化系统，尝试将其改造为智能化农作物知识管理系统。课题将从以下几个方面改造现有农业专家系统。第二章我国农业专家系统开发方式2 3 1 充分利用已开发的各种数据库目前，天津市农业专家系统己建立了4 个基础资料数据库收集基础数据2 4 0 8 4 0 条，并开发出8 个专家知识库，制定各项规则7 8 5 1 条旧。其中：基础资料数据库包括：地理信息数据库：收集整理了政区、居民地、居民点、公路、铁路、火车站、双线河、单线河、湖泊水库、水渠、水闸、池塘、等高线、堤防等基础地理信息数据共1 6 个图层1 2 1 1 5 2 条：土壤资料数据库：收集整理了采集地点、土壤养分、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾及其他主要营养元素的含量等基础土壤资料数据共8 个图层1 5 3 4 0 条；气象资料数据库：收集整理了包括近3 0 年天津市的日照时数、日平均温度和最高、最低温度、风速、日降水量、无霜期，1 0 积温等基础气象信息共2 6 个图层5 6 3 0 0 条；品种资料数据库：收集整理了品种生物学特征( 生育期，生育特性、品质特性、抗逆性、抗病性、抗倒伏性、抗寒性、抗早性等) ；载培要点( 如播期、种植密度、施肥量等) ；生态适应性以及产量水平等基础品种资料数据4 8 0 4 8 条。专家知识库包括：品种选择知识库：根据品种对温、光的反应，生态适应性( 耐旱、涝、肥、瘠、盐碱等的特性) ，综合农艺性状( 如：株高、产量与产量结构、抗倒性、熟期、熟相等) ，生长发育特点( 生育进程、生长速度、生物量、光合能力、经济系数等) ，抗性( 病、虫、杂草、高温、冷害等) ，品质( 外观品质、加工品质、营养成分等) 等综合因素对照用户所处地理位置、目标产量、栽培水平和土壤肥力状况等相关因素确定适宜的品种；播期发密度知识库：根据不同品种特性、环境条件、茬口及产量水平，确定适宜的播期及合理的播种量与密度：第二章我国农业专家系统开发方式作物营养与施肥知识库：针对不同土质和地力基础可能达到的生产潜力。作物不同生长和发育阶段和不同苗情的需肥特点，根据土壤肥力水平和目标产量确定施肥量、元素配比和施肥方法，提高肥料利用率的技术，群体大小、长势、长相与施肥量、施肥期、元素配比的关系等； 农田水分管理知识库：作物不同生育阶段需水规律和实际耗水量；不同时期、不同土壤深度水分动态对作物生长发育的影响及l 临界含水量；根据天气、墒情和苗情掌握关键灌溉时间和灌水量的科学依据：生长调节剂和生化制剂的使用知识库：常用生长调节剂的种类、特点及使用方法，根据作物群体指标，选用适当的化学制剂和生物制剂，以这到生长调控的目的； 病虫草害与防治知识库：包括病虫草的主要种类及其识别、发生规律、预测技术、综合防治的策略和措施； 农业机械知识库：包括各类农业机械设施的选择和使用知识；定植管理知识库：主要指农作物的定植、养护与管理知识。这些数据库在实践中发挥着巨大作用。本课题正是在此基础上开展研究的【l 】f3 】目。2 3 2 开发智能化知识处理功能模块原小麦专家系统已建立了8 个知识数据库，编制了2 9 2 个功能模块，通过多年使用，其整体系统结构日臻完善。”1 ，本课题在保留绝大部分功能模块的前提下，重点对知识库数据调用和网络信息处理、获取知识反馈、新基础数据比对收集等功能模块采用面向对象的设计语言( a s p 、a s p , n e t 、x m l 、x s l 、h t m l 、d t d ) 进行智能化开发，己提高系统获取信息、处理信息以及反馈信息的自动化程度。2 3 3 人性化人机界面的设计开发天津市原有智能化小麦专家系统的人机界面是在国家农业信息化工程技术研究中心开发的网络化、构件化农业专家系统开发平台p a i d 3 0 ( p l a t f o r mf o r第二章我国农业专家系统开发方式a g r i c u l t u r a li n t e l l i g e n c e s y s t e md e v e l o p m e n t ) 上，采用v i s u a lb a s i c 、e x c e l l 、f o x p r o w 等语言编写开发的”。虽具备了智能性、继承性、集成性、复制性等技术优点，但人机界面受当时技术条件限制，缺乏人性化设计，操作的专业化程度较强。为了改善这一缺陷，本课题采用面向对象的设计语言如：x m l 、x s l 等从新优化人机界面和各种调用模块，使小麦知识管理系统通过人性化人机界面，经过简便易学的操作，就能够充分发挥知识密集、处理功能强大的作用。2 3 。4 利用推广实践数据调试系统功能原小麦专家系统通过定点建立不同类型地块的技术档案，动态监测作物生长发育苗情、气候、土壤养分和墒情的变化特点，综合分析天津市各区县的自然资源状况和生产力水平发展现状后，在全市范围内确定了生育动态监测示范点3 0 余个，并制作了相关模拟数据，提供单机系统测试，获得了成功。由于当时( 1 9 9 9 2 0 0 0 年) 技术条件限制，没有开展网络联机时时测试系统工作。为弥补原系统开发中存在的不足，本课题借助天津市农业技术推广站日常工作，利用推广农业技术实践中获取的数据，对新的小麦知识管理系统进行调试和知识更新、系统维护等项工作，并通过定点监测的手段，对监测点生产情况进行了认真比对，以验证新系统决策推理的实用性和知识信息集成、规则组合查询的合理性，补充了原系统开发过程中的不足。第三章人工智能及知识工程概述第三章人工智能及知识工程概述人工智能是计算机科学的一个分支，它是当前科学技术中正在迅速发展，新思想、新观点、新理论、新技术不断涌现的一个学科，也是一门涉及数学、计算机科学、控制论、信息论、心理学、哲学等学科的交叉和边缘学科。3 1 人工智能的诞生及发展人工智能于1 9 5 6 年夏季在美国d a r t m o u t hc o l l e g e 诞生。自从诞生到现在已有4 0 多年的历史。上世纪5 0 年代，人们以游戏、博弈为对象开始了人工智能的研究工作，6 0 年代初美国的j o h nm c c a r t h y 发明了人工智能程序设计语言l i s p ：1 9 6 3 年n e w e l l 发表了通用问题求解程序，走向了以计算机程序来模拟人类思维的道路，第一次把问题的领域知识与求解方法分离开来；1 9 6 5 年r o b i n s o n提出了归结原理，实现了自动定理证明的重大突破；1 9 6 8 年q u i l l i a n 提出了知识表示的语义网络模型。进入7 0 年代，人工智能的研究在世界范围内开展，研究成果不断涌现，但由于在机器翻译、问题求解、机器学习等领域出现问题，人工智能受到非议，经过研究者认真反思和总结以前研究的经验教训，1 9 7 7 年f e i g e n b a u m 提出了知识工程的概念，引发了以知识工程和认知科学为主的研究。以知识为中心开展人工智能研究的观点被普遍接受。此时，专家系统开始广泛应用于各个行业，专家系统的开发工具也层出不穷，人工智能作为朝阳产业日渐兴旺。8 0 年代，由于知识工程概念的提出和专家系统开发的初步成功，人工智能以推理技术、知识获取、自然语言理解和机器视觉的研究为主，开始了不确定推理、非单调推理、定性推理方法的研究。其时，专家系统和知识工程得到迅速发展，其产品也转化为商品。9 0 年代至今，专家系统、机器翻译、机器视觉、问题求解等方面的研究已获实际应用。同时，机器学习和人工神经网络的研究得以深入开展。当前机器学习的知识获取范畴内又衍生出信息过滤、分类、数据挖掘等新的研究方向。另外，不同学派间的争论也非常激烈，不断推动着人工智能的发展”1 。第三章人工智能及知识工程概述3 2 人工智能的定义和许多新兴学科一样，人工智能至今尚无统一的、严格的定义，要给人工智能下一个准确的定义是困难的。字面上顾名思义人工智能就是用人工的方法在机器( 计算机) 上实现智能；或者说是人们使用机器模拟人类的智能，也称机器智能。人类智能是指人类具备的智力和行为能力，其基础就是知识。其目的是获取知识，并运用知识解决问题。人类智能拥有感知能力、记忆与思维能力、归纳与演绎能力、学习能力以及行为能力等方面的特点。尽管就目前人工智能研究成果来说，还难以给出其完整而严格的定义，但研究者还是从不同的侧面对其进行了狭义的描述。如：人工智能学科是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。所谓智能机器就是能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务的机器。它包括研究如何设计和构造智能机器( 智能计算机) 或智能系统，使它模拟、延伸，扩展人类智能；如何在这种智能机( 计算机) 上来实现人类的智能，使机器具有类似于人的智能；如何来应用这种智能机器。人工智能也是研究怎样使用计算机来模仿人脑所从事的推理、证明、理解、设计、学习、思考、规划以及决策解决问题等思维活动，来解决需要人类专家才能处理的复杂问题。如医疗诊断、指导农业生产、气象预报、交通运输管理等决策性课题。以实用的观点看，人工智能是一门知识工程学，它以知识为对象，主要研究知识的获取、知识的表示方法和知识的使用，即运用知识进行推理。3 3 人工智能研究的方法及途径3 3 1 人工智能研究的各种学派及其理论人工智能是一门新兴学科，对它的研究有许多学派。比较著名的有逻辑学派，其代表是j m c c a r y t h y 和n j n i l s s o n 知识工程学派( 研究知识在人类智能中的作用与地位，提出了知识工程概念) ，代表人e a f e i g e n b a u m ；联接学派( 研究神经网络) ，其代表是j l m e e k l l a n d 和j d r m e l h a r t ；分布式学派，代表人c h e w i t t ；进化论学派，代表人r a b r o o k 。这些学派的研究内容及研究途径各不相同。虽学派众多，内容迥异，但就研究途径和学术观点看主要分为两种：( 1 ) 通第三章人工智能及知识工程概述过运用计算机科学的方法进行研究，以研究逻辑演绎在计算机上的实现方法为主，实现人类智能在计算机上的模拟称为符号主义( s y m b o l i c i s m ) ，又称逻辑主义( l o g i c i s m ) 或计算机学派( c o m p u t e r i s m ) 。其主要观点是认为人类智能的基本单元是符号，认知过程是符号表示下的符号计算，即思维就是计算。其原理主要为物理符号系统假设和有限合理性。这种推理方法又称串行处理；( 2 ) 利用仿生学的方法进行研究，通过研究人脑的工作模型，探询人类智能的本质。称为联接主义( c o n n e c t i o n i s m ) ，又称仿生学派( b i o n i c s i s m ) 。它的主要观点认为人类智能的基本单元是神经元，认知过程是由神经元构成的网络的信息传递，这种传递是并行分布进行的。其原理主要为神经网络及神经网络问的联接机制与学习算法。这种处理问题的方法又称并行处理。另外，还有一种比较另类的观点行为主义( a c t i o n i s m ) ，它认为智能取决于感知和行动，智能不需要知识、表示和推理。它提出人的本质能力是在动态环境中的行走能力、对外界事物的感知能力、维持生命和繁衍生息的能力，这些能力提供了智能发展的基础，智能行为只能在与现实世界的环境互动中表现，而不需要知识的表示和推理。这种认识与进化论相似，所以又称进化主义( e v o l u t i o n i s m ) ，在取消利用概念、模型及显示表示知识，否定抽象对人工智能研究的必要性的同时，强调分层结构对于智能进化的可能性、必要性，其理论核心是用控制取代知识表示，即控制论学派( c y b e r n e t i c s i s m ) ，目前尚未形成完成理论体系，有待深入研究。其另类的看法，引起人关注* ，。3 3 2 实现人工智能的技术路线开发研制智能系统和智能产品的技术路线也是百家争鸣，目前几种被经常采用的技术路线，在实际应用中也是相互结合的。它们是： 专用路线。用于开发研制一些专用的智能计算机( 如l i s p 机、p r o l o g 机)或专用的软件系统( 如e m y c i n 专家系统开发工具) ，再有专门用于开发人工智能系统的计算机语言( 如l i s p 、p r o l o g ) 。通用路线。即现有的一般计算机软硬件能够有效支持人工智能系统的开发，并能解决一般的人工智能问题。该路线在人工智能应用系统及产品开发中，将知识工程视做软件工程的分支，大量利用知识工程思想，并将其融入整个系统或产品开发的全过程。硬件路线。主要开发超大规模集成电路、人工神经网络等。其基本认知第三章人工智能及知识工程概述是人工智能的发展有赖于硬件技术的发展，即智能机器开发主要依赖各种智能硬件、工具及固化技术，脱离这些技术无法开发智能产品。 软件路线。其主要研究对象是启发性程序设计、自动编程系统、知识工程以及其它各种智能算法。它的认知基础是智能机器的开发主要在于各种智能软件及工具的开发运用，人工智能发展的关键是发展软件技术。目前各种面向对象的语言编程系统及应用系统都带有辅助人类编程的功能( 具备一些智能编程的功能) 6 1 。3 4 人工智能的研究及应用领域目前，人工智能的研究及应用领域众多，并与其它具体应用研究领域紧密结合，这些领域主要是问题求解、专家系统、机器学习、模式识别、自动定理证明、自然语言理解等。3 4 1 问题求解能够求解难题的下棋程序是人工智能的第一大成就。通过研究下棋程序，发展了人工智能中的搜索策略及问题归约技术。搜索尤其是状态空问搜索及问题归约，已成为一种十分重要而又非常有效的问题求解手段，也是人工智能研究中的一个重要方面。许多人工智能的概念如归约、推理、决策、规划等等都与问题求解有关。其研究涉及问题表示空间的研究、搜索策略的研究和归约策略的研究。目前最具代表性的问题求解程序就是下棋程序。计算机下棋程序虽然具有了很高的水平，但仍有未解决的问题，如人类棋手所具有的尚不能明确表达的能力，国际象棋大师们洞察棋局的能力等等。这些问题正是人工智能问题求解需要进一步解决的”1 。3 4 2 机器学习想使机器想人一样拥有知识，具有智能，必先让机器有获得知识的能力。其方法一般有两种：一是归纳、整理人类有关知识，并用计算机可接受、处理的方式输入到计算机中去；二是让计算机自身具有学习能力，使它可直接向书本、教师学习，亦可像人一样在实践过程中不断总结经验、吸取教训，实现自身的不断完善。这种方法亦称机器学习。第三章人工智能及知识工程概述机器学习是人工智能中研究如何使用计算机模拟人类学习活动的研究领域。严格说它是研究计算机获取新知识和新技能，识别现有知识、不断改善性能、实现自我完善的方法。