農業專家體系發展分析

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1專家系統的發展

1.1產生階段(1965年~1971年)

1956年人工智能產生,為專家系統的誕生奠定了基礎。1965年~1968年美國Stanford大學計算機系Feigenbaum等人根據化合物的分子式及其質譜數據,研制出幫助化學家推斷分子結構的計算機程序系統DENDRAL,獲得極大的成功。該系統解決問題的能力已達到專家水平,在某些方面甚至超過同行領域的化學家。這標志著人工智能的一個新的研究領域—專家系統的產生。

1.2成熟階段(1972年~1977年)

這一時期專家系統的觀點逐漸被人們廣泛接受,從而先后出現了一批卓有成效的專家系統,典型代表是1974年E.H.Shortliffe等人研制的用于治療感染性疾病的MYCIN系統。在此期間,知識組織形式、系統的人機接口、解釋機制、知識的獲取、不確定性推理等技術得到了進一步的發展和成熟。

1.3發展階段(1978年以后)

這一時期專家系統滲透到了非常廣泛的領域。第一個農業專家系統在美國的伊利諾斯大學誕生,我國的農業專家系統研究起步較晚,但發展較快。自80年代也開始了農業專家系統的研究。

2專家系統在農業上的應用概況

2.1專家系統在國外農業上的應用

在國外,農業信息系統研究始于20世紀60年代,初期它僅僅是由農業數據庫和數據庫管理程序構成。60年代中期,美國斯坦福大學Feigen-baum等人研制了第一個專家系統。從此,人工智能專家系統發展起來,并迅速滲透到各個領域,在農業上應用更是方興未艾。此類專家系統的研制和應用已成為高新技術應用于農業生產的成功實例。比較有名的專家系統有:PLANT/ds、ICCS等,涉及多種作物的病蟲害診斷、預測與管理、施肥、防御低溫冷害等,一般用于解決帶有經驗性的定性問題。作物模擬模型在荷蘭和美國創立,而園藝作物模型出現在20世紀70年代末80年代初,作物模擬模型與農業專家系統的研究和應用表明了農業科學開始進入計算機信息時代。80年代,出現了以農業專家系統為主進而與作物模型、GIS等相結合向深度發展的趨勢,并大面積應用于生產。較為典型的有美國棉花管理專家系統Cotton++、APSIM等。90年代以來,農業專家系統、作物模型,3S技術之間的集成已成為信息技術領域研究的熱點之一,印度、加拿大等將AE-GIS/Win與RS、模型、專家系統等結合進行干旱地區決策、農業生產模式等領域的深層次決策支持系統研究與應用。

2.2專家系統在我國農業上的應用

我國農業專家系統的研究始于20世紀80年代初,國家科技部曾明確提出:“以農業專家系統為突破口,發展我國的農業信息技術”。早在1985年由中國科學院人工智能所開發的“砂姜黑土小麥施肥專家咨詢系統”在安徽省淮北平原得到很好的推廣應用。此后,“七五”、“八五”期間,國家科委、農業部先后支持了一些作物專家系統及其工具、作物生長發育模型、農業生產管理系統等的開發,并取得了一些重要成果,在農業生產和管理中發揮了重要作用,有些成果已達到了國際前沿水平。如中國科學院合肥智能機械研究所采用先進的知識工程方法,與各類農業專家緊密結合,開展了農業專家系統的廣泛研究和應用,研制了小麥、棉花、番茄等作物的田間管理、施肥和病蟲害防治等專家系統,并開發了可以由農技人員直接使用的各種專家系統工具。這些系統能模仿農業專家推理并給出決策咨詢,部分代替農業專家走向田間地頭,進入農家,對于提高農民素質,促進農業生產具有重要意義。

自1992年開始,國家“863計劃”智能計算機系統主題組織了農業專家系統的研制與應用推廣工作,以農業專家系統為代表的智能化管理系統形成了成熟的技術,北京市農林科學院等科研單位均研制出了各具特色的農業專家系統開發平臺,得到不同程度的應用和推廣。在此基礎上,科技部、國家863計劃306主題專家組與地方政府合作,“九五”期間國家863計劃專門設立了智能化農業信息應用主題,重點對水稻、小麥、玉米、棉花等作物的引種與良種推薦、合理施肥、節水灌溉、病蟲草害綜合防治、綜合栽培調控的農業專家系統及工具進行研究、開發和示范,取得了較好的效果。在北京、吉林、安徽、云南建立了四個智能化農業信息技術應用示范區,示范工作通過研制開發各類農業專家系統,對生產技術和高新技術成果進行綜合集成,及時有效的傳播給農民和干部,指導農業生產,提高農業生產力。目前,農業專家系統的研究開發已涉及到農作物生產管理、畜禽飼養、森林保護、市場管理和農業經濟分析等多種領域,農業專家系統的開發及應用能夠以有效的方式指導農業生產。

我國第一個農業專家系統是由中國科學院合肥智能機械研究所開發成功的施肥咨詢專家系統。“七五”至“八五”期間,中科院合肥智能研究所研制了《施肥專家系統》,中國農科院作物所完成了《小麥、玉米新品種選育的專家系統》,植保所開發了《粘蟲測報專家系統》等。這些系統的開發和應用取得了良好的社會和經濟效益,基本上代表了我國農業專家系統的水平。北京農科院于“八五”期間開發的《小麥管理專家系統ES-MCW》體現了我國農業專家系統的最新進展。該系統是在分析處理近100萬個實驗數據和500多條知識的基礎上建立起來的基于模型的專家系統,具有氣象條件預測、生長發育模擬預測、管理決策咨詢、計算機網絡通訊、系統維護、結果輸出等六個功能,于1990~1992年在北京昌平區試用,小麥單產明顯提高,產投比提高8~10%。我國農業專家系統的開發應用雖起步較晚,但發展較快,應用范圍也較廣泛,涉及到作物栽培、新品種培育、病蟲害防治、生產管理、節水灌溉、農產品評價等方面。

20世紀80年代初,我國開始將計算機技術應用于溫室管理和控制。“九五”國家重大科技項目“工廠化高效農業示范工程”加大了計算機應用的力度。

3目前我國農業專家系統存在的問題

3.1農業專家系統的水平參差不齊,綜合性水平偏低

雖然自1985年以來,我國農業專家系統有了較大發展,但與世界先進水平相比,無論在技術上還是在應用效果上都有很大的差距。現有的系統在質量和水平上也存在較大的差異,有些所謂“專家系統”缺少知識庫和推理機這兩個專家系統的核心部分,名不符實。大多數專家系統只是針對作物生產的某一側面開發的,缺乏對作物各個生產階段,各個方面的有機聯系和統籌考慮,而是即生產者需要的是綜合信息服務,只有提高綜合性水平,才能真正解決農民的實際問題。

3.2農業專家系統的性能較差,達不到“專家”的要求

專家系統是一個能在特定領域內,以人類專家的水平去解決該領域中困難問題的計算機程序,這表明,專家系統強調的是高性能。而專家系統的性能水平主要是它擁有的知識數量和質量的函數。對于農業專家系統來說,其知識庫中擁有的知識越多,質量越高,解決問題的能力也就越強。目前我國開發的農業專家系統中,知識的數量較少,質量較差,大多只是常識和基本原理知識,缺乏啟發性知識和真正的專家知識。另外,還存在著知識獲取困難,知識存儲方式落后等問題。

3.3農業專家系統的應用與開發脫節

應用與開發脫節是我國農業專家系統應用中存在的一個主要問題,一些農業專家系統只強調應用,缺乏進行二次開發所需的專家系統開發工具,使用者無法根據當地實際情況創建知識庫和模型庫。即使提供了系統開發工具,由于沒有充分考慮作物生產的不確定性,再加上缺乏多年積累的作物生長發育并與之實時的環境參數資料,是專家系統在推理過程中受到諸多因素的限制,從而制約了專家系統在生產實際中的應用。

3.4農業專家系統在技術方面的障礙突出

專家系統在開發技術上主要有四方面的障礙:一是知識的不完備性與脆弱性,只停留在科學性知識的介紹,其先進性和實用性不高;二是知識表示缺乏靈活性;三是推理方法的單一性和呆板性;四是系統的學習功能差或不具備學習功能。農業專家系統在這些方面的表現更為突出,使得許多農業專家系統的應用達不到預期的效果。

3.5農村計算機水平限制了農業專家系統的應用

農業專家系統要充分發揮作用,農村計算機普及應用是非常重要的一個方面。目前,我國農村計算機普及率很低,在中國上千萬網民中,農民所占的比例較小。農民學習計算機技術的意識淡薄,再加上農村計算機人才有限,師資更是缺乏,雖然有一些計算機專業的大中專學生來到農村,但數量少,實際經驗缺乏,很難勝任計算機普及的培訓工作,種種因素限制了農村計算機水平的提高。另外,還存在著基層領導對農村計算機普及工作的不到位,培訓效果不佳,農業企業信息化基礎設施薄弱等問題,這些都嚴重制約了農業專家系統的推廣應用。

4農業專家系統應用的前景

農業信息技術是新的農業科技革命的先導,是21世紀現代農業的重要標志之一,而作為一種智能化農業信息處理系統的專家系統是實現農業信息化的基本手段之一。隨著計算機應用的日益普及和信息高速公路的建設,農業專家系統和農業信息網必將成為農業科技知識和農業信息傳播的重要手段,也終將成為促進農業快速發展的積極動力。鑒于專家系統在農業生產發展中的重要作用,加快農業專家系統的研究開發勢在必行。我們有理由相信,農業專家系統的深入研究和推廣應用必將極大的促進我國農業生產的發展,為我國農業的信息化、現代化做出更大的貢獻。