【毕业学位论文】（Word原稿）基于Agent技术的作物生产管理协同决策系统研究管理科学与工程硕士论文

I 密级 ： 论文编号 ： 中国农业科学院 学位论文 基于 术的作物生产管理 协同决策系统研究 n 要 称智能体）技术和 智能体）技术是分布式人工智能的一个研究热点，其基本思路是将复杂的问题化为多个由单 以解决的简单的小问题，通过这些 协作解决超出单 力的复杂问题。本文 针对传统农业信息系统在解决分布式 网络环境下的复杂决策问题的不足，利用多 术智能性、交互性、协作性 等方面所具有的优异性能， 提出了基于 术 和作物模型 的作物生产管理协同决策系统的设计思想和实现方法； 并在 境下，建立基于多 系结构的作物管理系统平台的和 作物 模型 协作， 用于实现分布式环境下的作物信息共享、软件共享、协同工作和群决策支持。 本文讨论了多 统的概念、特性、体系结构以及相关技术，阐述了面向 软件工程和 模方法体系结构框架。在研究作物管理系统， 构以及 多 统的协作技术的基础上，我们讨论了各个角色 结构和功能，并结合决策支持系统的特点，将信任度、合作频度和积极程度等心智状态参数引入到基于合同网的协商中，设计了 “ 熟人 ” 的筛选策略，提出了基于扩充的合同网的多 作的招标、投标和决策的正规模型，使得任务的委托和承揽更加合理。该方案不仅完善和丰富了多 统协作机制和理论，减少通信开销和计算量，提高了系统效率，也为开发实际的多 统提供了有效的处理方法和实现技术。 关键词 ： 作物模型 ， 协同决策 of , is to a of to of in in as a on of in of In we on ML AS on AS on of of is of we as of we of of on it s AS an of of 录 第一章 绪论 . 1 究意义 . 1 内外研究现状分析 . 1 外研究现状 . 2 内研究现状 . 3 究现状分析 . 3 要研究内容 . 4 第二章 多 统（ . 5 本理论 . 5 概念及分类 . 5 理论模型和体系结构 . 6 对象 . 7 统（ . 7 产生及其定义 . 7 体系结构 . 8 向 软件工程（ . 9 向 软件方法 . 9 向对象的可视化建模语言 . 10 统 . 12 理 . 12 息传输 . 15 软件集成 . 15 . 16 统的实现 . 17 现多 统的关键问题 . 17 发运行环境的选择 . 18 发 方法选择 . 18 术的应用 . 18 第三章 基于 作物管理协同决策系统分析与设计 . 20 统需求分析 . 20 统的设计与建模策略 . 21 统功能设计和用例图模型 . 22 统功能设计 . 22 统角色与用例分析 . 23 V 统 图 . 24 统平台结构框架设计 . 25 统平台可重用资源分析与集成 . 27 统平台中主要 结构设计 . 28 面 结构 . 29 心控制 结构 . 29 型 结构 . 30 策支持 结构 . 30 第四章 多 统中的协作机制研究 . 32 作 . 32 本概念 . 32 作的目的 . 32 作类型 . 33 作的形式 . 33 用的协作方法 . 35 作方法的选择 . 36 信 . 36 信机制 . 36 信语言 . 37 第五章 作物管理系统中多 作研究 . 39 同网协议组织模型及其不足 . 39 于扩充的合同网的多 协作策略 . 40 社会属性 . 41 人”的筛选策略 . 42 作过程 . 44 物生产管理系统中多 间的协作过程 . 45 第六章 总结和展望 . 51 作总结 . 51 究展望 . 51 参考文献 . 53 图表目录 . 59 致谢 . 60 作 者简历 . 61 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 究意义 数字化是科学发展的重要趋势之一，基于数字化的现代农业是本世纪农业发展的重要标志。作为基于数字化的现代农业的基础之一的作物模型， 40 多年来，其已从早期单纯的作物生理过程模拟，发展到与专家系统、遥感、人工智能等的集成，从而正在走向智能化、集成化、多样化和网络化。 从 20 世纪 60 年代开始，现代系统分析理论的建立和计算机技术的发展为作物生长发育的定量化分析研究提供了强有力的方法和工具，推动了作物模型研究 及模拟技术的迅速发展。特别是通过对作物生理生态机理的研究，深化了对作物内在规律的认识，提高了作物生产管理与控制的能力，对整个农业科学的发展都产生了积极的影响。 农业生产是一个涉及多学科、多技术交叉的复杂领域 ， 一个好的作物管理决策系统往往需要综合包括气象、土壤、育种、农学、计算机、管理等学科在内的知识和技术 ， 系统中许多有关作物生理生态的机理模型和生产管理的专家经验 知识 模型需要在系统应用过程中不断得到改进和完善。这就要求对作物管理决策系统中模型模块和决策模块不仅能够方便的得到改善，而且能够被灵活的重用。 在农业信 息技术正朝着网络化、智能化、数字化方向发展的今天，运用现代信息技术改造和更新现有的农业信息服务系统，针对传统决策支持系统（ 局限性以及作物生产决策问题的复杂性， 本文展开基于智能体 （ 的作物管理决策方法的研究，将作物管理决策方法同术结合起来，开发出基于 作物管理 协同 决策支持系统，通过 术来实现决策智能化、集中化。 本文通过 探索应用 理论和技术，研究基于 作物管理智能决策支持系统的方法，设计基于 作物管理智能决策支持系统框架，构建基 于 作物管理智能决策支持系统，发挥 具有的自治、通讯、协商、合作的特性，达到作物信息、作物模型的分布式共享， 为作物模拟 模型 研究、专家决策支持系统开发、群决策系统的开发能奠定良好的工作基础， 达到对作物生产管理、病虫害防治的群决策支持的目的。 本 研究旨在利用 术、模型技术、 术、分布 式 人工智能技术，实现基于智能体的作物管理决策方法研究，为科研人员提供一种开发作物管理决策的方法，同时为农业管理者、生产者提供方便、及时的服务和辅助决策信息。 内外研究现状分析 智能体（ 一个在一些环境中具有灵活自治行为的计算机系统，它具有反应性、能动性以及社会行动能力这三种特性 （ 995） 。 是由多个 成的一个松散耦合的网络 ， 往往涉及到多个 间的相互合作、协同、协商、竞争等问题的分析和讨论以及与之相关的复杂交互模式 （ R,2001） 。 论与技术研究最早源于分布式人工智能 （ ，但从 80 年代末开始， 术研究从 域中拓展开来，在 20 世 纪 90 年代成为研究的高潮，直到现在为止仍然是人工中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 2 智能研究的热点。 已经有几个专门面向 论和 国际会议或组织，例如国际多 、亚太地区多 际会议 、中东欧多 际会议，并 且 许多著名的人工智能会议也把多 统列为单独的主题。 但是，总的来说，目前研究基本上还都处于起步阶段，许多重要的问题有待进一步研究 。 近年来，越来越多的人工智能技术被应用于决策支持系统的研究和开发中来，其中 源 于分布式人工智能技术（ 分布式决策支持系统（ 及随之发展起来的多智能体系统（ 研究也日趋深入。 我国现在在农业领域中 研究相对来说比较少，不过由于计算机技术和人工智能技术 的迅速发展及其向农业领域的渗透，使得在作物生产管理方面采用计算机进行管理和决策成为可能。 总的来说，经过近二十多年的研究， 理论与技术有了长足的发展，己经在很多领域中得到了应用。国外 （ 主要是美国、加拿大、欧洲、澳大利亚等 ） 智能 术的应用己经十分广泛，而国内起步相对较晚，更多的是着重于认知模型和理论等方面的研究。 外研究现状 国际 上 关于多 统的研究虽然只有很短的时间，但发展相当迅速。目前，主要的研究方向包括 :多 统的理论、通信和交互技术、 系结构和组织、多 统中的协作和协商、 言、多 用系统设计等。其应用己经扩展到了工业 （ 包括制造、过程控制、远程通讯、空中交通控制、运输等 ） 、商业 （ 包括信息过滤、信息收集、电子商务、商业过程管理等 ） 、娱乐 （ 游戏、交互式剧院和影院 ） 、医疗 （ 病人看护、健康照料等 ） 等相当广泛的各个领域 （ ， 1998） 。 目前多 统理论的最重要应用是在上，多 论与 得了相得益彰的发展，一方面，多 论在 信息过滤、信息收集、电子商务等 ） ； 另一方面， 相关业务的迅猛发展也极大地推动了多 论的创新和进步。多 论的另一个典型应用就是国际机器人足球比赛 （ ,1998） ，从 1996 年开始的机器人世界杯足球赛能够十分典型地体现多 统的许多特点，如动态、实时、多人协调、只有不完全的信息等，并具有对抗性及较强的可观赏性。 很多的科学家对 术在农业方面应用也有所研究，例如 人 （ 2000） 曾经研制过一 个遗传育种多 家系统； 2000） 也在作物生产管理方面进行过类似的尝试； （ 1993） 人在讨论了 理论和技术之后 ， 提出了基于 牛奶生产决策支持系统的解决方案； 2005） 在 05 年 治主体和多主体系统年会）上提出了用户建模的多主体支持； S. 2004） 在 04 年的 作出了基于运输管理案例中如何设计多主体决策支持系统的报告。 国外现在 基于 决策支持系统的研究技术上已经比较成熟，开 发出了一些系统并且投入到应用中，有些系统已经应用多年，但是在农业领域中基于 作物管理决策方法的研究也并不多见，没有建立一套成功应用的系统出来。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 3 内研究现状 国内从 2000 年开始对于 术在决策支持系统 方 面的研究日益深入，在机器人协调、过程控制、远程通信、柔性制造、网络管理、交通控制、电子商务、数据库、远程教育和远程医疗 等 领域出现了不少基于 决策支持系统。 北京交通大学 的丁勇 （ 2004） 开发了 基于 物流配送决策支持系统 ； 魏宾 （ 2004） 等运用 术 开展 了 针对可能引发军事冲突或爆发战争危机的决策行为研究 ； 张攀 （ 2004） 开发了基于 污水处理决策指导专家系统；吴芸 （ 2005） 等开发了基于 术的中医诊断决策支持系统。 在农业领域， 由国家“ 863”计划 306 主题专家组主办的智能化农业信息技术国际会议（ 已经召开了三届 ，探讨人工智能理论在农业领域的应用。目前， 术在农业领域的应用还不广，主要是将 术应用到农业专家系统的开发设计中。 首都师范大学的 刘慧敏 （ 2004） 在分析 多 术和理论的基础上 ， 分析了 多种协作方法 ， 提出了基于 术的 作机制的实现方案 ， 为开发实际的多 统提供了有效的处理方法和实现技术 。首都师范大学的 杨燕 （ 2000） 结合对目前农业专家系统的分析和其本身的特点 ， 提出了 农业专家系统的设计方案 。北京大学的薛领以及中国农业科学院的诸叶平 （ 2004）将分布式人工智能中的 术融于现代农业经济管理决策支持系统的研究与开发中 ， 提出了基于 农业经济智能决策支持系统 （ 的结构和组成 ， 分析了基于分类器系统的现 方法 ， 探讨了在多 讯与合作环境下实现农业经济系统的动态分析、评估、预测以及优化等决策支持功能的工作原理。 现在国内的已经实现的基于 决策支持系统大都被用于自动控制、电子商务等方面，在农业领域对基于 决策支持系统大多还多处于提出设计方案以及结构的层次上，实际上并没有做出真正的多智能体系统来，对于基于 作物管理决策方法， 国内暂时还没有人开始进行这方面的研究。 究现状分析 从根本上说，作物管理决策研究所涉及的作物生长发育是一个非常复杂的过程，不仅与植物生理、遗 传特性、生态环境有关，而且还涉及农业气象、土壤肥料、耕作栽培技术及计算机应用等诸多领域的科学知识。同时，作为人工智能领域的热点 研究也是刚刚起步，并且在逐步 应 用于各个领域中。所以基于智能体的作物管理决策方法的研究，不仅代表传统农业从粗放经验管理向数字化、模式化、信息化管理转变，而且在世界范围内也是极具挑战性的研究领域。 随着全球信息化浪潮的推动，我国农业信息技术有了较大的发展，近些年来许多与信息技术相关的研究成果已经在生产上不断应用，取得了很大的进展，但作物管理决策方法落后于信息技术的发展，在很大 程度上限制了其在农业生产上的应用，这也是当前我国信息农业技术领域研究中的严重不足所在。因此基于智能体的作物管理决策方法的研究及相关系统的开发能够在作物管理决策领域中进行理论创新、技术突破，同时也能给我们研究作物管理决策方法带来一种新的思路。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 4 基于模型的作物生产管理决策支持系统是指利用作物模型对作物系统运行结果的预测和分析，给决策者提供支持，辅助作物管理者进行决策，同时帮助作物管理者了解实际的决策行为及其影响因素等，以启发作物管理者寻求改进决策效能的途径。其中，作物模型有生长模型与知识模型两大类。 作物生长模 型能够对特定作物生长发育的过程及其与环境和技术的动态关系进行系统分析和定量描述，从而预测作物的阶段发育、形态发生、物质积累与分配及产量和品质等。目前，作物模拟研究的重点是以作物生理生态过程为基础，利用结构化技术，建立过程水平和面向对象的生长模型，特别是加强对生殖生长及同化物分配过程的动态模拟及关键模型参数的估计；同时运用多媒体技术实现作物生长的可视化和动画化，从而提高作物模拟模型的机理性、预测性和动态性。 作物 知识模型 是 以作物与环境关系为基础，着重对作物高产理论与技术指标的生态变异规律进行系统分析和量化表示 ，提出适用于不同时空环境的作物生育调控指标及栽培管理。这种知识模型克服了传统栽培技术体系与模式的区域性、分散性、经验性等缺点，可根据特定生产系统的环境和生产条件，自动设计和生成模式化栽培管理方案，包括确定适宜品种、产量水平与产量结构、播期、基本苗与播量、群体生育指标、肥料运筹、水分管理等，为作物栽培管理奠定了科学的知识库体系及通用的决策工具。 本研究将结合目前作物生产管理的水平、需求及农业信息化建设的国情，通过引入 论和技术， 设法 解决作物生产管理中的协同决策问题。 作物 生长 模拟模型对作物生产系统具有 较强的解释性和预测性，但缺少判断决策能力，模拟与知识模型及专家系统相结合，能实现良好的推理决策功能，有助于建立智能决策支持系统。 通过将 术与作物模型结合，将实现分布式计算和决策，提高模块的自治性和模块之间的协同性 ，提高决策和预测的准确性 ；同时通过开发先进而实用的农业及作物生产系统软件产品，这些都在理论 研究 和产品研发方面具有创新意义。 要研究内容 论文主要研究如下 几 个问题 ： 1、 在 分析 多 统的基本概念、特点及发展现状、应用领域 的基础上，研究了 面向 软件工程及多 统的建模方法， 多 统 平台的组织结构及 统 ，并探讨它们在作物管理 协同决策 系统中的应用。 2、在上述基础上设计和构建了基于 作物管理协同决策支持系统平台的结构模型，并对 各种类型角色的 功能、设计做了介绍，从系统的层次分析了它们相互之间的关系。 3、研究多 统的协作问题，协作的类型，归纳了不同的协作求解 方 法， 阐述多 在此基础上 结合 作物管理 协同决策 系统平台的特点，本文采用了 扩充 的合同网模型作为系统 的协作策略 ， 保证完成任务质量的同时，减少联盟形成过程中的通信开销和计算量，提高系统效率 。 4、从技术角度出发，应用 言、 台系统及工具，初步实现系统平台构建 ，实现以玉米为对象的生长模拟模型 知识模型 协同决策。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第二章 多 统（ 5 第二章 多 统（ 本理论 概念 及分类 概念 概念始于 70 年代的 究的物理符号假设， 研究可以划分为两个阶段： 1977研究内容集中在慎思型 1990 至今的研究内容集中在 论、体系结构和语言上。 1985）从 社会智能的角度给出 一个广义定义：“ 如下进程称为主体：每个主体本身只会做一些简单的事情，但当我们用特定方法将这些主体组成一个主体群时，就产生了真正的智能。 ” 一般认为： 设计来完成某类任务的，能在一定环境中自主发挥作用、有生命周期的计算实体。 1995 年 1995）在总结前人在 域 的一些工作后给出的 弱定义 ” 和 “ 强定义 ” 最为 经典并被广为接受，一般说来，从广义角度出发， 具备下列性质： （ 1）自治性（ 自行控制其状态和行为，能在没有人或其它程序介入时操作和运行； （ 2）反应性（ ：能感知它们的环境（物理世界、一个经图形用户接口连接的用户、其它 所有这些的组合），并能对环境的变化及时做出反应； （ 3）社会性（ ：或称为可通信性。 用通信语言与其它主体交换信息和相互作用； （ 4）能动性（ ：或称自发行为。 但能对环境做出反应，而且它们能够积极主动地做出使其目标得以实现的行为。 （ 5）可移动性（ ： 以携带数据和指令移动到网络其他环境中并在那里执行指令； （ 6）学习能力（ ： 以根据过去的经验积累知识，并且修改其行为以适应新的环境； （ 7）协作和协商能力（ ： 能在多个 境中协同工作和冲突消解，以执行和完成一些相互受益且自身无法独立求解的复杂问题。 （ 8）分布性、持续性、可靠性、理智性、预动性和鲁棒性等等。 从狭义角度来看，对某些研究者，尤其是人