《农业信息技术》课件-第四章 农业专家系统

农业信息技术第1页第2页第四章农业专家系统一、人工智能简介二、专家系统简介三、农业专家系统简介第3页一、人工智能简介请大家想一想，我们生活中有哪些技术和产品，属于人工智能？第4页什么是人工智能？编程ChatGPT机器人计算机视觉机器深度学习自然语言处理自动驾驶语音助手人机互动协作大数据智能家居人脸识别专家系统第5页智能制造智能家居智慧金融智能医疗自然语言生成智慧农业智慧城市人工智能技术全面赋能当今时代基于人工智能的各种产品在各个领域从事着不同的工作，提高了生产效率和生活质量，促进着不同行业的发展和变革。第6页不同领域对人工智能的定义学术界学术定义人工智能是致力于使机器智能化的活动，而智能就是使实体在其环境中能够适当地、预见性地发挥作用的性质。研究机构多种技术可以以不同的方式结合起来感知、理解和/或行动。咨询定义产业界计算机科学领域致力于解决通常与人类智能相关的认知问题，如学习、解决问题和模式识别。企业定义第7页人工智能的概念尼尔逊（NilsJohnNilsson）1933—2019斯坦福大学人工智能研究中心人工智能领域的开创者之一人工智能是关于知识的学科――怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学温斯顿(PatrickWinston)1943—2019麻省理工学院教授人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作第8页表示、运算和搜索是人工智能的算法领域三个最基本、最核心的技术表示：将现实世界中的信息转化为计算机可以理解和处理的数字形式。运算：对计算机中的数据进行各种数学运算和逻辑运算，通过处理和分析大量的数据，以便从中提取有用的信息搜索：在大量数据中找到与问题相关的信息。搜索引擎会对我们输入的关键词进行运算，以找到与关键词相关的网页或内容。当我们使用推荐系统时，系统会对我们的历史行为和偏好进行运算，以找到与我们兴趣相关的商品或内容当我们使用地图应用时，地图应用会通过复杂的路径规划算法来为你提供最佳的出行路线。图像识别、人脸识别语音识别技术，将文本、图像、音频转换为二进制代码，计算机才能理解并处理这些信息。看到→看懂/认得出；听到→听懂第9页人工智能发展历程1、从计算到智能测试：艾伦·麦席森·图灵计算机科学之父提出“图灵测试”概念为英国破解德国的著名密码系统Enigma1936年，提出可计算模型丘奇—图灵论题，图灵机成为了现代计算机的理论模型。1950年，提出机器具有人类功能的测试模式图灵测试：测试机器是否具有智能的一种方法。图灵奖——计算机科学领域的最高荣誉第10页通过图灵测试，就代表可以像人一样思考吗？测试“一台机器可不可以像人一样回答问题？”图灵测试是一种评估计算机是否能够表现出与人类智能相似的能力的基准，它主要关注计算机在自然语言理解和生成方面的表现。虽然通过图灵测试可能意味着计算机在某些任务上能够以类似人类的方式进行交流和理解，但这并不意味着计算机具有真正的意识、情感或主观体验。人类的思考过程是复杂而多维的，涉及到记忆、推理、判断、情感等多个方面，而目前的计算机系统还无法完全模拟这些复杂的认知过程。第11页2、人工智能概念的提出——达特茅斯会议1956年在美国达特茅斯学院召开的一次学术会议，会议讨论了如何为计算机编程使其能够使用语言、神经网络、计算规模理论等问题这次会议第一次提出了“人工智能”这个概念：用机器来模仿人类学习以及其他方面的智能，标志着人工智能这一概念的诞生。1956年也就成为了人工智能元年。第12页1997年IBM公司深蓝战胜国际象棋冠军卡斯帕罗夫标志着棋类博弈中，人工智能在象棋领域的突破3、人工智能发展的几个标志性事件第13页视频8：探寻人工智能-沃森2011年，IBM公司沃森——击败最强大脑的人工智能第14页2016年Google公司AlphaGo战胜世界围棋冠军李世石2016年之后，人工智能迎来大爆发第15页人工智能为何在近几年掀起了一股全民关注的热潮？人工智能是近几年产生的新鲜事物吗？从1956年达特茅斯会议至今，已有60多年的历史人工智能的三大构成因素是：算法、算力、数据随着大数据技术大的发展，能够给予人工智能算法的数据量产生了几何级数般的变化和增长第16页4、自然语言处理模型ChatGPT文心一言讯飞星火大模型视频：人形机器人ameca搭载ChatGPT，实现AI人工智能机器人对话交流视频：苹果语音助手siri第17页视频9：无人驾驶汽车5、感知智能第18页6、运动智能视频2：波士顿动力机器人的40年进化史（1983-2023）2023世界机器人大赛锦标赛第19页强人工智能具有自我意识和自我学习的能力超人工智能？？弱人工智能限制领域人工智能人工智能是一门让机器变得智能的学科第20页社会对人工智能发展的忧虑人工智能可能威胁人类吗？《机械公敌》2004机器人有了自我意识,反过来攻击人类人工智能的发展是有边界的未知领域有答案可计算第21页人工智能会替代人类吗？硅基生命vs.碳基生命人类功能自然功能社会功能属于精神、艺术层面，还包括心理学效应，如从众心理、正向激励、风险厌恶等。自身感知的能力。如视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉，及肢体平衡、学习模仿的能力。理解分析的思维能力。如人类听到的，除了声音，还能体会到声音以外的一些意境；人类的注意力的有效分配的机制。第22页当我们过于专注某件事情时，大脑就会自动忽略掉无关的因素。大脑的这个机制，有助于我们更好地分配有限的注意力，将其用在刀刃上，提高效率。注意力实验视频：注意力实验第23页人工智能会替代人类吗？硅基生命vs.碳基生命人类功能自然功能社会功能属于精神、艺术层面，还包括心理学效应，如从众心理、正向激励、风险厌恶等。自身感知的能力。如视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉，及肢体平衡、学习模仿的能力。理解分析的思维能力。如人类听到的，除了声音，还能体会到声音以外的一些意境；人类的注意力的有效分配的机制。人工智能想要模拟人类极其复杂的思维过程，目前是无法实现的第24页计算机视觉-基于卷积神经网络VGG模型的猫狗识别第25页人工智能加剧就业困难吗？目前阶段，人工智能取代的岗位大多是有毒、有危险、体力繁重、服务类在人工智能替代大量传统岗位的形势下，我们应该如何考虑自己的职业生涯规划呢？第26页下列应用中，体现人工智能技术的是（）①在微信中将对方发来的语音转换为文字②使用某OCR软件中的扫描图像功能，将一份杂志的目录页扫描成JPEG文件③某停车场管理系统，通过调用出入口的摄像头，对汽车车牌进行拍照并识别，从而实现无人管理④小明在Word中输入的某一错别字时，改错别字被自动更正A.①③B.②④C.①③④D.②③④①为语音识别，自然语言处理技术②OCR（光学字符识别）是一种识别和提取图像中的文本的技术，属于人工智能。但扫描图像功能不属于人工智能③为图像识别技术④自动更正技术为基于规则的自动化技术，基于预先设定的词典和规则，并未体现“智能思维”A√√第27页下列实际生活场景中，涉及人工智能技术的是（）①疫情期间进入公共场合通过“人脸识别登录验证”申领健康码②通过手机APP远程打开家里的空调③拨打某客服电话，与语音助手沟通解决售后问题④驾驶搭载自动驾驶技术的汽车⑤利用扫描仪扫描文稿，并自动通过Email进行发送A.①③④B.①②④C.①③⑤D.③④⑤②⑤属于数据通信技术A√√√第28页一、Mind+软件介绍第29页什么是Mind+？https://mindplus.cc/视频介绍第30页01支持图形化编程，入门门槛低拖动图形积木即可进行编程，让你轻松跨入编程世界的大门。第31页02支持三大主流开源硬件平台，可脱机运行Mind+完美的将当前科技教育中的主流开源硬件平台进行了整合，使其拥有一致的使用体验，并且可以脱离电脑运行，让你摆脱电脑的束缚，改造真实世界。第32页03支持海量电子模块，一键添加拥有强大的硬件扩展功能库，直接使用即可以对上百种硬件模块，包括各种传感器、执行器、通讯模块、显示器、功能模块进行编程控制，同时Mind+还开放了扩展库，给你丰富的扩展空间进行无限的创造。第33页04自动转换Python代码，可手动编辑使用图形化积木编程时可以自动转换为Python或C代码，对照学习很轻松，同时也可以手动编辑代码，让你轻松进阶编程达人。第34页Mind+与人工智能相关模块第35页第36页FaceAPI人脸追踪第37页PoseNet姿态追踪第38页垃圾分类图片的识别第39页植物图片的识别第40页二、专家系统简介第41页人工智能研究进展较大的三个应用分支机器人专家系统自然语言理解再现人的感觉、操作和行动，从事复杂作业，可在一些有害、危险和繁重、疲劳性劳动场合来代替人去完成作业，如焊接、搬运、装配、水下与地下作业等一个智能计算机程序系统，具有专业知识并能通过推理和判断来解决问题，可代替人类专家进行疾病诊断、数学公式推导、化学结构分析等方面的复杂工作研制各类自然语言处理系统，利用计算机来分析人的自然语言表达，帮助进行翻译和实现人机自然语言对话第42页（一）专家系统的概念模拟人类专家解决某一类具体问题的人工智能系统。第43页如何把专家头脑里的知识整理出来？经验总结产生式规则

IFPTHENQP->QIFPTHENQP->QIFPTHENQP->QIFPTHENQP->Q......“如果xxx，那么xxx”形式的判断句IFPTHENQP->Q领域知识库推理引擎打喷嚏、发烧感冒吃感冒药在编程思想上传统程序=数据结构+算法通过知识和推理来解决决策问题前提前提第44页知识表示技术问题求解技术推理知识人工智能的两大要素专家系统的关键技术知识获取知识表示知识运用研究如何对存放在知识库中的知识进行控制和操作，即问题求解，通常采用的方法是搜索和推理是研究如何将领域知识和专家经验等有效地表示成计算机能够工作和运行的形式研究如何从领域专家的口述或文字、书本资料或数据实例中抽取出该专家系统所需要的知识专家系统的技术基础第45页领域专家知识、经验知识工程师知识库算法工程师推理引擎终端用户用户界面将知识编码构建知识图谱以耘眼App为例形式化、结构化的知识知识获取知识表示知识运用第46页专家系统作为一种计算机系统，它具有计算机快速、准确的特点，在某些方面比人类专家更可靠、更灵活，可以不受时间、地域、人为因素的影响。所以，专家系统的专业水平能够达到，甚至超过人类专家的水平。专家系统来自于专家，但又高于专家，是专家技能和知识的集成和综合。数量专家知识保留判断分析能力获得专家知识的时间成本应用人类专家数量稀少非永久性易受情绪和环境的影响较长较高广泛利用受到限制专家系统易于复制和转换永久性不受环境影响较短价格相对便宜很大程度上代替领域专家第47页费根鲍姆教授(EdwardFeigenbaum)斯坦福大学，“专家系统和知识工程之父”专家系统的概念产生于1965年，先驱是美国计算机学家费根鲍姆。（二）专家系统的历程全球第一个专家系统，是DENDRAL系统，由斯坦福大学1965年研制。此后，专家系统技术发展迅速，已经应用到数学、物理、化学、医学、地质、气象、农业、法律、教育、交通运输、机械、艺术以及计算机科学本身，产生了巨大的社会效益和经济效益，称为人工智能的重要分支。MIT于1971年研制的MYCSYMA系统——对特定领域的数学问题进行有效处理。这个时期的专家系统完全是针对特定的应用领域而研发的，第一代专家系统（1965-1971年）第48页斯坦福大学于1965年研制的DENDRAL系统——分析化合物的分子结构的专家系统特点：高度专业化、求解专门问题的能力强，注重系统性能；不足：忽视了系统的透明性和灵活性，系统的结构、功能不完整，可移植性差，缺乏解释功能。可以帮助化学家判断某物质的分子结构。利用的信息主要是化合物的质谱数据和化学家对质谱数据与分子构造关系的经验知识，给出化合物的分子结构。河豚毒素——存在于河豚的内脏和皮肤中自然界中发现的毒性最大的神经毒素之一质谱数据分子结构CASNET系统——拉特格尔大学开发的用于青光眼的诊断与治疗的专家系统。PROSPECTOR系统——斯坦福研究所开发的用于探矿的专家系统，首次实地分析华盛顿某山区一代的地质资料，发现了一个钼矿，成为第一个取得显著经济效益的专家系统。性能据称完全可以与地质学家相比拟。MYCIN使用了大量（约500条）带有置信度的产生式规则如果xxx，那么xxx IFPTHENQP->QIF——本微生物的染色斑是革兰氏阴性本微生物的形状呈杆状病人是中间宿主THEN——该微生物是绿脓杆菌，置信度为CF=0.6通过一系列是非问题，帮助医生判断病人患有血液疾病是遗传性还是细菌感染引起，并根据病人体重，建议抗生素用量。正确性65~69%（医生为80%）第49页MYCIN系统——斯坦福大学研制的血液传染病的诊断和治疗的专家系统。第二代专家系统（1972-1980年）特点：1.单学科专业型专家系统。2.系统结构完整，功能较全面，移植性好。3.具有推理、解释功能，透明性好。4.采用启发式推理，不精确推理。5.用产生式规则、框架、语义网络表达知识。6.用限定性英语进行人机交互。通过提供咨询服务，来帮助普通内科医生诊治细菌感染性疾病取名来自多种治疗药物的公共后缀。第一个结构较完整、功能较全面的专家系统。第一次使用知识库的概念，引入了可信度的方法进行不精确推理，能够给出推理过程的解释，用英语与用户进行交互。同时期的许多医疗诊断和咨询型专家系统，参照MYCIN系统的技术，如知识表示、不确定推理、推理解释、知识获取等。第50页EMYCIN系统——MYCIN系统的基础上开发的一个骨架系统，没有领域知识库。XCON系统——DEC公司与卡内基－梅隆大学开发的，为VAX计算机系统制订硬件配置方案。第三代专家系统（1981-1995年）特点：1.专家系统高速发展期。2.出现了专家系统开发工具，从而简化了专家系统的构造。第51页第四代专家系统（1996年至今）特点：对专家系统的研究与知识工程、模糊技术、实时操作技术、神经网络技术、数据库相结合。采用大型多专家协作系统，并利用多种知识表达、综合数据库、自组织解题机制、多学科协同解题与并行推理、专家系统工具与环境、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术。用户：通过人机交互界面输入欲求解的问题，向系统提出询问系统通人机交互界面输出运行结果、回答用户的询问或者向用户追问领域专家和知识工程师：通过人机交互界面输入知识，更新、完善知识库人机交互接口：用于完成输入输出工作，进行内部表示形式与外部表示形式的转换。一般提供两种交互方式：菜单方式命令语言方式知识获取和管理：是把知识输入到知识库中，建立健全、完善、有效的知识库，是专家系统的一个“瓶颈”。知识的获取一般是由知识工程师与专家系统中的知识获取机构共同完成的。目前，仍无一种可以完全代替知识工程师的自动化方法。解释器：负责获取用户需求由一组程序组成，能跟踪并记录推理过程，对用户提出的询问给予解释。能对自己的行为做出解释，回答用户提出的“为什么”、“结论如何得出”等问题。推理机：是专家系统的“思维机构”，是构成专家系统的核心部分。任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。推理机的性能与知识的表示方式及组织方式有关，与知识的内容无关，有利于推理机与知识库的独立，这也是专家系统的优点之一。综合数据库：又称“黑板”，是用来存储事实、问题描述、中间和最终结果、运行信息的工作存储器。知识库：是知识的存储机构，用于存储领域内原理性知识、专家的经验性知识、有关事实等。知识来源于知识获取机构；为推理机提供知识。知识库管理系统：负责对知识库中的知识进行组织、检索、维护等。第52页（三）专家系统基本结构知识的获取需要以下工作：知识的抽取→知识的转换→知识的输入→知识的检测把用于问题求解的专门知识，从知识源中提炼出来，并转换为计算机中可存储的内部形式，存入知识库中，并检测知识库中知识的一致性和完整性核心知识的获取非自动知识获取自动知识获取专家、知识工程师用户人机交互界面知识获取解释器综合数据库推理机知识库第53页专家系统开发平台——雄风6.0基本结构框图中国科学院合肥智能机械研究所开发研制的专家系统开发平台——雄风6.0其结构由知识库检验、知识库运行、ODBC数据库服务、网络信息获取等软构件组成第54页（四）专家系统的类型及特点-----应用领域的性质和解决的问题类型不同诊断型专家系统预测型专家系统解释型专家系统设计型专家系统规划型专家系统监视型专家系统控制型专家系统教学型专家系统调试型专家系统咨询型专家系统维护型专家系统......每个专家系统都应具备以下几个特点：专家系统基本特征1、具有专家水平的专门知识2、具有有效推理能力3、具有获取知识的能力4、具有灵活性5、具有透明性6、具有交互性7、具有实用性8、具有一定的复杂性及难度不确定的、非结构化的、没有算法解、现有机器无法实施算法解的高难问题。专家级知识，知识越丰富，解决问题的能力就越强。根据用户提供的已知事实，通过运用掌握的知识，进行有效的推理，已实现对问题的求解。推理的类型包括：精确推理不确定性推理不完全推理试验性推理建立知识编辑器，把领域知识“传授”给专家系统，建立知识库。系统自身具有学习功能，能从系统运行中总结出新知识，使知识库越来越丰富、完善。知识库和推理机互相分离。二者之间互相影响很小，是一种松耦合关系。透明性：是指系统自身及其行为能被用户所理解。解释机构：向用户解释他的行为动机，及得出某些答案的推理过程。专家系统一般都是交互系统。可以通过与专家的对话，来获取知识。通过对话，来回答用户的询问。专家系统都是根据领域问题的实际需求开发的。专家系统拥有知识，能运用知识进行推理，以模拟人类求解问题的思维过程。知识——丰富思维——多种多样第55页第56页总结：专家系统是人工智能中的一个重要应用分支，是一种具有推理能力的智能程序系统。专家系统与一般人工智能系统又有所区别，其最重要的特征是它的研究对象不是普通人的智能，而是某个领域具有技术特长的专家在解决问题时的本领。这个程序系统内部具有大量某一特定领域内专家们的知识和经验，它能利用人类专家可用的知识和推理方法来解决复杂问题，并且得到与专家相同的结论。专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、诊断、设计、规划、监视、修理、指导和控制等。第57页三、农业专家系统简介第58页农业专家系统也叫农业智能系统，是专家系统在农业领域中的具体应用，是基于农业专家知识和模仿农业专家进行推理决策的计算机程序系统。农业专家系统是农业信息技术的一个重要分支，是计算机科学技术与系统科学以及农业科学技术相结合的产物。它应用人工智能技术，总结和汇集农业专家长期积累的宝贵经验，以及通过试验获得的各种资料和数据，针对具体的自然条件和生态环境，科学地指导农业生产，以实现高产优质、低耗和高效的目标。第59页从20世纪70年代至今，按照历史发展进程，农业专家系统发展可归纳为单功能农业专家系统阶段多功能农业专家系统阶段基于模型的农业专家系统阶段智能化农业专家系统阶段（二）农业专家系统发展概况第60页农业专家系统研究的必要性生产的复杂性和经营的综合性由多个学科组成的专家群体解决问题长期的实践过程中通过不断探索、研究和总结农业领域知识的整体性、系统性、综合性以及可操作性和应变性不够强农业科技发展局限性专家系统“长期蹲点”整理、归纳综合集成第61页作物栽培专家系统农田施肥专家系统植物保护专家系统设施农业专家系统新品种选育专家系统畜禽水产养殖专家系统水利灌溉专家系统其它学科领域的专家系统农业生产管理农机具优化设计与选择农业经济分析农产品评价水土保持目前，国内外研制开发的农业专家系统已有数百个，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、农业机械故障检修等众多方面，许多系统已得到实际应用，受到农民、农业技术人员、农业顾问以及农业管理机构等各类用户的欢迎。按涉及学科领域划分：第62页（三）农业专家系统的特点农业专家系统比一般计算机信息系统更突出专门农业知识与推理判断的作用，具有针对性更强的决策咨询能力，比人类农业专家拥有综合性知识和高速的知识处理本领，不受时间、空间的限制和人类情感的影响。农业专家系统具有智能性、集成性、复制性和便捷性。第63页（四）农业专家系统的应用第64页物联网信息采集设备控制设备专家系统程序视频：福建发布首款人工智能5G农业机器人-2019.6.17第65页第66页实训：专家系统app“耘眼”第67页第68页用户发现作物异常时，可通过手机拍摄作物叶片或者果实上传到耘眼，即可在毫秒内识别作物是否患有病虫害，患有什么病虫害，并获得防治措施。1、自动识别作物病虫害第69页当用户需要判断作物当前生理状态，可通过手机拍摄作物图片上传到耘眼，即可智能识别作物生理状态健康与否，并针对地块特定作物提供个性化生产管理方案。2、智能识别生理状态第70页通过手机或无人机拍摄，耘眼可快速识别果实数量，部分品类可根据果实成熟度等进行分类。告别人工数果，节省大量的时间和人力，更准确掌握果园产量。3、快速数果预测产量第71页“耘眼”可根据病虫害种类、果园所在地区一季作物当前所处的生产周期（物候期），为用户推荐最适合的配药方案建议，指导用户科学用药。4、病虫害用药方案智能推荐第72页当用户需要多元复配农药及叶面肥时，在“耘眼”中输入农药登记证号即可快速进行复配检测，评估复配方案是否可行，避免药害及药品减效、失效的发生。5、农药复配方案自动评估第73页实训内容：利用“耘眼”小程序，对柑橘进行1、病虫害识别，识别出尽可能多种类的病虫害，并列出每种病害的用药方案2、生理状态识别，如花期、梢期、数果测产等，并列出不同物候期需要的生产管理3、同时考虑多种病虫害与物候期等因素，列出综合的配药方案第74页实训内容：利用“耘眼”小程序，对杧果、番茄进行1、病虫害识别，识别出尽可能多种类的病虫害，并列出每种病害的用药方案2、同时考虑多种病虫害与物候期等因素，列出综合的配药方案第75页请思考：物联网信息采集设备控制设备专家系统“耘眼”小程序能不能更智能？人来使用→机器来使用您可以在识农App中直接拍摄或上传症状照片，识农将运用强大AI智能程序，通过大数据匹配，帮您快速识别病害或缺素类型，并给出相应解决方案。目前已支持柑橘、苹果、葡萄、水稻、小麦等多个作物。其中，柑橘类作物已能识别超过300种病害，准确率可达98%。作物病害诊断您只需通过识农App，对完整虫体、杂草进行拍摄或图像片上传，识农就能帮您准确识