天津設施農業(yè)中病蟲害預測預報專家系統(tǒng)應用分析

摘要:淺析了專家系統(tǒng)的概念、發(fā)展階段以及基本結構，概述了國內外專家系統(tǒng)在植物保護領域的研究水平和應用現(xiàn)狀，闡述了結合天津市設施農業(yè)發(fā)展情況開展病蟲害預測預報專家系統(tǒng)研究應用的必要性，并對該技術成果的應用前景做出展望。

關鍵詞:設施農業(yè);病蟲害;計算機;預測預報

中圖分類號:S126 文獻標識碼:A DOI編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2010.04.036

Analysis on the Application of Expert System for Diseases and Insect Pests Forecasting in Facility Agriculture in Tianjin

MA Xiang-you， SONG Zhi-wen， WANG Jian-chun， LV Xiong-jie

(Information Institure，Tianjin Academy of Agricultural Sciences，Tianjin 300192，China)

Abstract:Expert system's concept， the development phase as well as the basic structure were analyzed in this article， the domestic and foreign research level and the application situation of expert system in the plant protection domain were outlined， the necessity to launch the expert system of diseases and insect pests forecasting was also elaborated based on the situation of Tianjin facility agricultural development， and the forecast to this technical achievement's application prospect were made.

Key words: installation agriculture;disease;computer;forecasting and prediction

設施農業(yè)是一種先進的高技術含量的生產方式，能夠給與農作物相對穩(wěn)定的生長環(huán)境，進行優(yōu)質高效生產。但是長期封閉的生產環(huán)境條件也為蔬菜病蟲害的發(fā)生提供了適宜條件，病蟲害種類增多，為害加重，影響農業(yè)生產的高效益。農業(yè)信息技術特別是植物保護專家系統(tǒng)經過多年的研究發(fā)展，已經為設施農業(yè)病蟲害的預測預報提高準確度提供了可能。隨著天津設施農業(yè)的深入發(fā)展，及早研究并推廣應用數(shù)字化病蟲預測預報技術，對于保證天津農業(yè)的高效優(yōu)質和可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

1專家系統(tǒng)概述

1.1專家系統(tǒng)概念

專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，能夠利用人工智能技術和計算機技術處理大量來自某研究領域專家的知識和經驗，根據(jù)提供的各種條件，通過模擬人類解決問題的方法，進行判斷和推理，達到與專家同等的解決問題的能力，它能解釋決策的過程和步驟，并有自主學習的功能，能自動增長所需的知識。簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統(tǒng)。目前，專家系統(tǒng)(Expert system)是人工智能應用研究最活躍和最廣泛的課題之一。

1.2專家系統(tǒng)發(fā)展階段

專家系統(tǒng)已經歷了3個階段，正向第四階段發(fā)展。第一代專家系統(tǒng)專業(yè)化程度高、對專門問題的求解能力強。但在體系結構方面不夠完整、可移植性差。第二代專家系統(tǒng)屬單學科專業(yè)型、應用型系統(tǒng)，其體系結構和移植性方面有較大改善，而且在系統(tǒng)的知識獲取技術、不確定推理技術、增強專家系統(tǒng)的知識表示和通用性等方面都有所改進。第三代專家系統(tǒng)屬多學科綜合型系統(tǒng)，采用多種人工智能語言，綜合采用各種知識表示方法和多種推理機制及控制策略，并開始運用開發(fā)工具和環(huán)境來研制性能更強的綜合系統(tǒng)。第四代專家系統(tǒng)開始采用大型多專家協(xié)作系統(tǒng)、多種知識表示、綜合知識庫、人工神經網(wǎng)絡知識獲取及學習機制等最新人工智能技術來實現(xiàn)更加強大的功能。

1.3專家系統(tǒng)基本結構

專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)的計算機程序系統(tǒng)體系結構完全不同，它由知識庫、推理機、解釋機制和人機接口等幾個相關部分所組成。

知識庫(Knowledge base)是存儲專業(yè)領域知識的部分，是結構化、易操作、易利用、有組織的知識集群，其存放知識的方式由它的知識表示策略決定。知識庫包含所有用“如果:〈前提〉，于是:〈結果〉”形式表達的知識規(guī)則。

推理機(Inference engine)是專家系統(tǒng)中實現(xiàn)基于知識推理的部件，是專家系統(tǒng)中實現(xiàn)推理和控制功能，進行求解問題不可缺少的重要組成部分。

專家系統(tǒng)中知識庫、推理機、解釋機制和人機接口等相關組成部分各司其職，在求解問題的過程中構成一個完整的流程，根據(jù)用戶提供的前提條件給出最終的決策結論。

2專家系統(tǒng)在植物保護領域的應用現(xiàn)狀

作物病蟲害預測長期以來由于數(shù)據(jù)處理能力的限制，采用的大多是經驗型分析和較為簡單的數(shù)理統(tǒng)計方法， 其結果誤差也是顯而易見的。20世紀70—80年代以后，隨著科學技術的快速發(fā)展，各種最新成果開始在植保領域發(fā)揮越來越大的作用。如周期分析、時間序列分析、光譜分析等用于病蟲害預測，用數(shù)學模型來顯示、描述病蟲發(fā)生流行規(guī)律。

植保領域中應用專家系統(tǒng)始于20世紀70年代末期的美國，隨后在世界各地得到較大發(fā)展，美國、日本、澳大利亞、法國、德國、荷蘭、意大利等都花了大量的人力和財力從事信息技術在農業(yè)生產病蟲害預測的應用研究。從美國伊利諾斯大學開發(fā)大豆病蟲害診斷系統(tǒng)PLANT/ds以及用于向棉花種植者推薦棉田管理和病蟲害防治措施較為成功的一個農業(yè)專家系統(tǒng)Comax/gos—sym，日本千葉大學研制的番茄病蟲害診斷專家系統(tǒng)MTCC，瑞士開發(fā)出谷物病害預測預報系統(tǒng)EPRPRE，到德國病蟲害預測預報計算機決策系統(tǒng)PRO-PLANT，在農業(yè)生產病蟲害的預測預報和診斷防治方面，研究應用農業(yè)專家系統(tǒng)取得了良好的實際效果。

20世紀80年代以后，隨著信息技術的不斷進步以及在植物保護研究領域的不斷深入，中國也已開始計算機預報研究，經過近年來各地科技人員的努力，探索出多種利用計算機技術進行不同層面測報和診斷的理論和方法，建立了一些軟件和系統(tǒng)。例如，浙江省農科院植物保護研究所、計算技術研究所等單位于1984年到1986年采用計算機進行稻瘟病和麥類赤霉病預測預報這項技術，對浙江17個縣29.3萬hm2晚稻稻瘟病和12萬hm2麥類赤霉病的發(fā)生情況進行了預測預報，準確率分別達80%和75%。中國氣象局新技術推廣項目小麥條銹病日傳染率預報模型以及其他項目水稻稻瘟病和螟蟲危害預報模型等已在小范圍內應用。羅菊花的基于GIS的農作物病蟲害預警系統(tǒng)，使用國產SuperMap IS.NET的GIS軟件作為開發(fā)平臺，以C++語言作為編程語言，建立農作物病蟲害預警系統(tǒng)，用甘肅省慶陽地區(qū)西峰區(qū)2002年的小麥條銹病相關數(shù)據(jù)，來展示該預警系統(tǒng)中病害預測功能的實現(xiàn)過程，并獲得了與實際報道相吻合的預警結果。隨后，賈啟勇的基于Web GIS的病蟲害預測預報預警平臺系統(tǒng)，孟志軍的農作物病蟲害防治管理信息系統(tǒng)，溫亮寶基于網(wǎng)絡的森林病蟲害診斷咨詢專家系統(tǒng)，杜雅剛的基于模糊技術的大豆病蟲害診斷專家系統(tǒng)，惠學英等的農作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)，高靈旺的農作物病蟲測報信息管理與預測系統(tǒng)都取得了一系列不錯的成果;另外，“北京市蔬菜病蟲害遠程診治專家系統(tǒng)”是一個針對北京地區(qū)蔬菜常見病蟲害進行遠程輔助診治和信息查詢、管理的網(wǎng)絡型專家系統(tǒng)，ES能夠為各類用戶提供有關蔬菜病蟲害診治的遠程服務，令人關注;國家863計劃中的智能農業(yè)專家系統(tǒng)平臺在全國18個省市示范區(qū)的推廣應用，涉及水稻、小麥、棉花、大豆、水果、蔬菜等大多數(shù)農作物，大多包含各類作物植物保護的病蟲害診斷和防治方面的內容，在實際應用中產生很大的經濟效益。

綜觀上述各種作物病蟲害預測和防治方面的信息系統(tǒng)，大多都是針對露地蔬菜或者大田作物病蟲害而研制，涉及設施農業(yè)病蟲害方面的基于計算機技術的預測預報尚未見報導，這一領域的研究尚急需引起相關單位和科研工作者的密切關注。

3天津市設施農業(yè)應用病蟲害預測預報專家系統(tǒng)的必要性

設施農業(yè)是借助溫室及其配套裝置來調節(jié)和控制作物生產環(huán)境條件的新型農業(yè)生產方式，是一種高產、高效、優(yōu)質和技術密集型的農業(yè)。2007年8月7日，天津市委市政府下發(fā)了《關于推進城鄉(xiāng)一體化發(fā)展戰(zhàn)略，進一步加快社會主義新農村建設的實施意見》，提出到2010年天津市設施農業(yè)面積發(fā)展到6.67萬hm2的戰(zhàn)略目標，并出臺了一系列補貼政策，設施農業(yè)在天津進入了快速發(fā)展期。

無容置疑，設施農業(yè)采用比較先進、系統(tǒng)的人工設施.改進農作物生長環(huán)境，進行優(yōu)質高效生產，是一種高投入、高產出、知識與技術密集的集約型產業(yè)。但是，同樣不容忽視的是，設施農業(yè)的發(fā)展也為蔬菜病蟲害的發(fā)生提供了有利條件。有害生物周年存活，病害的發(fā)生和流行相對頻繁，并成為露地蔬菜和大田作物的外來侵染源，導致病蟲害種類增多，為害加重。病蟲為害已成為制約設施農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因子。

設施農業(yè)生產大多屬于反季節(jié)栽培，病蟲害的發(fā)生受環(huán)境條件等因素影響較大，每個品種病蟲害發(fā)生的特點、危害程度及防治方法又不盡相同，因此，菜農對復雜多變的病蟲害難以做到合理、有效的防治。在蔬菜作物病蟲害防治過程中，如果防治不及時、防治措施不當，會導致產量損失和生態(tài)環(huán)境污染嚴重，因此，在生產中采取先進的技術手段進行病蟲害的預警和診斷，幫助菜農對生產中出現(xiàn)的病蟲害盡早做出正確有效預警，防范于未然，對發(fā)生的病蟲害做出科學準確度的診斷和防治，成為農業(yè)科研工作者面臨的重要而緊迫的研究課題。

目前急需通過綜合運用人工智能技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代高科技手段，結合天津市設施農業(yè)小氣候特點和蔬菜作物優(yōu)勢布局特點，充分收集相關病蟲害資料，研制適合功能豐富、使用便捷的蔬菜病蟲害預警與診斷數(shù)字平臺統(tǒng)，為天津市農業(yè)生產中的病蟲害防治提供科學合理決策依據(jù)，為天津市生產出高產優(yōu)質農產品提供進一步技術支撐。

4設施農業(yè)病蟲害預測預報技術在天津的應用前景

目前，天津設施農業(yè)所占比重逐年增加，津郊已初步形成了一批設施農業(yè)產業(yè)聚集區(qū)，如薊縣津薊高速(薊縣段)兩側設施蔬菜生產聚集區(qū);武清北部河西務、下伍旗、大良、河北屯設施蔬菜生產聚集區(qū);靜海沿運河兩側設施蔬菜生產聚集區(qū);寧河薊運河東岳龍、豐臺、板橋、苗莊四鎮(zhèn)設施蔬菜生產聚集區(qū)等。一些聚集區(qū)打破區(qū)縣界域，如西青辛口鎮(zhèn)和靜海北部獨流、臺頭、良王莊等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的設施聚集區(qū)連成一片。但是從另一個角度講，設施農業(yè)的規(guī)模越大，發(fā)生病蟲害造成巨大損失的危險也越大。因此，通過現(xiàn)代高新技術，針對設施農業(yè)生產的具體特點，研制應用病蟲害預測預報數(shù)字化平臺，不斷地收集各種作物的生產信息，結合歷年的氣象數(shù)據(jù)，建立與之相對應的預測預報模型，科學準確地對病蟲害的發(fā)生走向做出判斷，從而有效地防止大規(guī)模的發(fā)生流行，降低對農業(yè)生產危害和影響的作用顯而易見，對促進天津農業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定和協(xié)調發(fā)展具有重要意義。

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