水利專家系統的應用現狀與展望

何進宇，田軍倉,2,3，馬 波,2,3

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021； 3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

0 引 言

專家系統(Expert System，ES)是一個智能計算機程序系統，其內部含有大量的某個領域專家水平的知識與經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領域問題。專家系統是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統,也是現在計算機人工智能領域最為活躍、也是最為廣泛的領域之一。專家系統是F.A.費根鮑姆等人在1968年總結通用問題求解系統的經驗基礎上，結合化學領域的專業知識，研發出了世界上第一個專家系統Dendral，用以推斷化學分子結構。經過40年的開發，各式各樣的專家系統已遍布各個專業領域，并在不同研究方向開發中得到進一步發展。

1 專家系統的原理

1.1 定 義

所謂專家系統，是利用計算機模擬具有的特定智能的專家所解決問題的計算機程序。專家系統的中心是知識處理，并利用特殊領域的知識來模擬真實的專家考慮和處理問題。專家系統的用途包含具有預測能力，而可提供管理、決策的專門知識功能，同時可為管理者、決策者提供訓練、試驗、仿真手段，并且具有自我學習、自我教育的功能[1]。一個專家系統的構成，一般需要將專家的知識通過歸納、類比、演繹、聯結等演變成具有一定體系和熟知的問題類型，把所能獲取的知識、資源處理為計算機可以辨識的各種形式,從而建立特有的知識庫，進而設計、推理、解釋系統以及必要的資源數據庫。由于許多問題的解決方法并不僅僅依賴某一個或者兩個專家，而是依靠許多專家知識、經驗的密切協調與合作。因此，專家系統能夠精確快捷的得出最優解決方法以及最大限度地避免決策失誤。

1.2 專家系統的研究現狀

針對不同領域專家系統的研究，國內外學者主要是對專家系統的發展階段、類型劃分以及未來發展趨勢進行了較為詳細的探討和研究。

對于專家系統的發展階段，雷曉輝(2006年)[2]認為專家系統的發展史可分為：孕育期(-1965年)、誕生期(1965-1972年)、開創期(1972-1977年)、成長期(1978-1990年)和成熟期(1990-)5個時期。在20世紀90年代以來，全世界進入商業競爭時代，大量的專家系統被廣泛應用于世界各行各業。楊興，朱大奇，桑慶兵(2007年)[3]則將專家系統的發展分為：初創期(-1971年)、成熟期(1972-1977年)和發展期(1978-)3個階段。

對于專家系統的類型劃分，雷曉輝(2006年)[2]對專家系統分別從知識表示技術和任務類型2個方面分類，其中按知識表示技術可分為基于邏輯、語義網絡、規則以及框架的4類專家系統；而按任務類型可分為：預測型、解釋型、調試型、診斷型、規劃型、維修型、監護型、設計型、教育型及控制型等十類專家系統。楊興，朱大奇，桑慶兵(2007年)[3]將專家系統模型分為基于規則、模糊邏輯、框架、案例、D-S證據理論、人工神經網絡和遺傳算法等7個類型的專家系統。張煜東，吳樂南，王水花(2010年)[4]按照不同發展階段，將專家系統分為基于案例、框架、規則、模型和基于Web等五個階段，并對每個階段進行了綜述和特征分析。進而對專家系統的發展規律進行了總結，認為專家系統主要可分為“技術上的突破”與“原理上的突破”兩大類，并預測專家系統必定將成為21世紀全世界人類進行智能決策與管理的助手與工具。

對于專家系統的發展趨勢，劉金琨，鄧守強(1995年)[5]認為隨著神經網絡和數據庫技術的日新月異的發展，專家系統的發展趨勢將從單一專家系統向組合專家系統轉化并形成多專家系統間的協同化。楊興，朱大奇，桑慶兵(2007年)[3]認為發展專家系統要通過采用各種定性的模型進而將各種模型綜合運用，同時運用計算機技術及人工智能的一些新技術和新思想，例如通用性專家系統、分布式專家系統以及協同式專家系統等三類。這些都是專家系統的今后的必然發展趨勢。

2 專家系統在水利工程方面的應用

所謂專家系統在水利方面的應用，主要是運用專家系統的基本原理和技術，通過匯總相關水利專家所掌握的工程知識以及積累的大量經驗，運用數學方法建立各種水利模型，構造基于水利工程基本知識的計算機應用系統，這就構成了水利專家系統。例如，通過總結節水灌溉專家所積累掌握的氣象參數、降水過程、土壤肥力、土壤質地、土壤水分、作物生長發育規律以及栽培技術等科學試驗資料、數據及經驗，經過計算機技術和軟件進行分析、整理和歸類，建立起節水灌溉專家系統，這樣就可以利用它來指導農田節水灌溉和作物種植活動。另外，專家系統還可以在水力發電、水庫調節、防洪調度、水資源管理、工程規劃、節水技術推廣以及大型灌區管理等方面大顯身手。所以，水利工程專家系統的應用前景是非常廣闊的。糜鶯英(1990年)[6]首次提出在我國把專家系統的理論方法用于水利工程的設想,闡述水利工程施工專家系統應用的方法、內容及建立過程。她認為水利工程施工具有復雜性和多樣性等特點，這就造成施工中需要控制的因素很多。水利工程施工的特點之一就是受自然條件影響大且存在一定的隨機性。不同類型的水工建筑物，會因自然條件影響因素不同，施工制約的條件繼而不同。如果可以將水利工程分別建立多個二級子系統，再將這些子系統歸類整理組成一個完整的基于水利工程施工的專家系統，而這個專家系統應包含有水工建筑物和水利工程施工的規范，水利工程專家所掌握的知識與經驗以及已經完成的不同類型工程實例，其中還有工程技術經濟指標和技術信息等相關資料，而這些知識可以按照施工需求，通過知識庫編輯器的選擇，按一定的知識規范方式表達，即可便于實際施工時參考和運用。路京選(1994年)[7]建立了一種水資源系統管理的專家系統決策模型。這個水資源專家系統包含1個地面水庫供水系統、1個沼澤生態系統、2個城鎮市政供水系統以及3個農區灌溉系統。該模型中的對策者是地面水源管理者(WAM)、市政供水管理者(PWSM)以及三組不同農戶(Farmers)。為了使該系統更趨完善且更符合中國國情，又引入了一個稱之為系統總管的對策者(Manager)，這個對策者主要負責該系統的全面運行，監控全系統的環境質量，并解決系統中各對策者之間的矛盾沖突，盡可能使整個系統獲得最佳的社會、經濟與環境效益。丁國強(1996年)[8]通過利用現代安全系統工程方法，將水利水電領域的專業知識和計算機技術相結合，構造了基于因果關系網絡，可以進行深層推理的龍羊峽大壩安全性態評價專家系統。此系統通過不斷試驗與校對驗證，成功地解決了大壩施工的知識表示與知識獲取等關鍵技術問題，通過相應操作，還可對不同工況進行全方位跟蹤、預測和防范處理。劉志輝，金炯球，付建萍等人(2004年)[9]在對分布式專家系統技術進行大量研究的基礎上，通過對大壩安全性能特點的檢測，探討了分布式專家系統在大壩安全監測中的應用，此分布式專家系統可以通過計算機模擬人類領域的專家群體，對可能出現的相關問題給出專家級水平的解答方案。這對實現大壩安全的實時監控，有著極其重要的經濟價值和科研價值。

3 專家系統在作物種植方面的應用

農業專家系統的研究，開始于20世紀70年代末，主要用于農作物病蟲害診斷方面。經過專家系統和現代網絡發展，農業專家系統有了相當大的進展，并從單一農作物病蟲害診斷方面向多種作物育種、栽培管理、施肥和植物保護等方向發展，以及灌溉與土壤管理、資源保護與耕作、土壤侵蝕預測和控制、經濟分析決策等等方面，并已取得了很好的經濟效益和社會效益。趙春江，諸德輝，李鴻祥等人(1997年)[10]利用計算機人工智能技術，建立小麥栽培管理計算機專家系統，該系統將40多年小麥栽培科學所取得的研究成果和專家所積累的研究經驗集成其中，是具有綜合性和智能性的決策系統。根據實際應用和示范驗證結果，由該系統控制的80個試點地塊在原有基礎上產量增加10%～15%，成本降低5%～7%，效益增加15%～20%。毛明策，上官周平，劉曉東等人(2001年)[11]利用當地特產獼猴桃的種植，建立了獼猴桃優質高效管理專家系統。該系統由苗木繁殖技術、高接換種技術、整形修剪技術等14個子系統組成。通過應用示范該系統，結果表明：該系統指導的66.67 hm2示范果園年增產值9 000 元/hm2，推廣輻射的6 700 hm2果園年增產值2 840 萬元。蓋迎春，王亞軍，馮敏等人(2004年)[12]通過利用“3S”技術、計算機網絡技術與農業專家系統相結合，形成了新型數字化農業專家系統。該系統基于B/S架構五層體系結構，不但具有空間信息查詢、分析和可視化能力，并且能夠實時、實地地對農作物的生長、灌溉以及田間管理等操作進行詢問和決策支持。孫妮娜，秦向陽，楊寶祝等人(2006年)[13]通過綜述了近幾十年國內外農業專家系統開發平臺的研究及應用現狀，發現農業專家系統開發平臺在將軟件開發人員與用戶之間進行分離、提高農業專家系統開發效率、減少了重復開發方面取得了一定的成就，但是也存在一些問題，諸如使用過程對用戶要求過高，開發之前對用戶需求調研不足，平臺開發完成之后實現產品化程度較低等等問題。彭瑩瓊，王映龍，唐建軍等人(2008年)[14]采用B/S結構，收集了江西水稻常見的病蟲鼠害共25種，建立了水稻病蟲害診斷專家系統，該系統主要功能有信息咨詢、信息發布、數據維護、在線交流、診斷功能和預測功能。常家豪(2013年)[15]針對寧夏特產枸杞的產業生產全過程，采用基于網絡的B/S開發構架，設計并開發了枸杞專家服務系統，包括枸杞的栽培技術，枸杞生產規程以及農業基礎常識等知識庫，其中此系統的核心是涉及枸杞的配方施肥、合理灌溉、病蟲害診斷與防治、品種推薦和園區規劃等輔助決策功能，為枸杞規范化生產管理提供知識查詢和技術決策服務。

4 專家系統在農業節水灌溉方面的應用

農業灌溉是世界上消耗最大的用水方式之一，通過對農業灌溉的優化管理，可達到大量節省水資源的目的。就我國現狀而言，不但水資源十分缺乏，而且存在地區分布不均的問題，所以發展節水農業勢在必行。近年來，我國在節水灌溉技術及理論方面進行了廣泛而深入的研究，取得了很多成果。而結合專家系統針對節水農業發展的研究也逐步成為農田水利科學的重要分支。這類專家系統可以通過多樣的計算獲得諸如作物蒸發蒸騰量、土壤墑情、地下水情況及水源情況，進而根據原始資料，自動選擇計算方法來預報和預測目標信息，快速確定灌溉用水計劃[16]。國內已開發了不少這方面的專家系統。徐建新，陳南祥，田峰巍(1999年)[17]認為利用人工智能理論進行灌區灌水技術選擇，可以提高灌區管理工作中的科技含量，有效地防止灌區建設中的主觀性和盲目性。軟件中的水資源優化調度程序還可單獨用于進行灌區優化管理工作的，同時又是未來建立灌區自動化控制系統必備軟件。灌區節水灌溉技術選擇專家系統僅是灌區規劃與管理專家系統中的一部分。楊寶祝，趙春江，孫想等人(2002年)[18]通過利用知識工程的技術和方法，并結合計算機網絡、多媒體和智能化推理等技術，將多年節水灌溉的研究成果和專家知識信息進行系統化的集成，建立了可以面向基層用戶使用的節水灌溉專家決策支持系統。這個系統不但可以提供灌溉類型選擇和系統布置的設計，還可以推出資源優化和經濟核算等管理方案。多年試驗示范結果和應用推廣，經過專家決策系統指導的地塊可使水資源的生產效率提高8%～10%，增產300～625 kg/hm2，節水450～750 m3/hm2，單位生產成本降低5%～7%，經濟效益提高15%以上。姜寧，張淑敏，李鐵軍(2006年)[19]通過計算機編程和數據庫等工具，并采用人機交互方式，開發了一個基于網絡的行走式節水灌溉專家系統。這是將節水灌溉技術與農業專家系統技術相結合的應用軟件系統。用戶可以方便快捷地了解不同地區的具體作物在特定條件下如何選擇適宜的行走式灌溉機具，從而進行既節水又高效的農業作業。陳大春，雷曉云，馬英杰等人(2007年)[20]使用計算機編程組件開發了農業灌溉專家系統。該系統由用戶輸入界面、數據庫管理系統、知識庫、CLIPS組件和用戶輸出界面五部分組成。它基本解決了將專家系統嵌入到軟件系統中的諸多難題，并為基于數據庫的CLIPS應用提供了思路。在開發過程中充分利用了多種計算機編程語言的各自特性，揚長避短，從而有效地縮短了軟件開發周期。周彩霞，汪志農(2008年)[21]運用中國科學院合肥智能機械研究所研制開發的雄風4.1開發工具，結合節水灌溉相關知識，以陜西省寶雞峽灌區大同管理站所轄的五泉段20斗的降南、降中兩個村的實際資料，以冬小麥、夏玉米、油菜3種主要農作物為研究對象而建立的農業專家系統。可以通過選擇灌溉制度，實現灌溉預報和灌溉決策。王宇，邵孝侯，莫建國等人(2010年)[22]通過分析不同天氣類型下影響參考作物需水量(ET0)的多種因素，建立了不同天氣類型下ET0實時預報模型。同時，利用農田水量平衡原理，并結合近年來烤煙節水灌溉研究的最新成果，建立了烤煙實時灌溉預報決策模型，并運用計算機編程和農業專家系統平臺，開發了烤煙實時灌溉預報與決策專家系統。該系統以立足田間、面向基層生產管理者為出發點，充分體現了實用性、準確性和可操作性，可以為貴州省水資源短缺和時空組合差的煙區的灌溉決策提供更加有力的科技支撐。

5 存在的問題

(1)應用與開發升級的脫節。我國現有開發的一些農業專家系統只是強調如何應用，卻并沒有提供二次開發和升級擴充的工具，不能繼續更新和二次開發系統，限制了專家系統的進一步開發利用。其中有一些農業專家系統雖然提供了二次開發的工具，但缺少通用的開發模板和模型，而且模板和模型開發基于一定的計算機平臺，這就要求使用者必須具備一定的計算機基礎，遂縮小了專家系統的應用范圍，不具有普遍性。

(2)靜態與動態的不同。因為農業專家系統需要解決的問題大多是農業生產中的實際問題，而這些問題大多屬于動態因素，這就要求農業專家系統的數據庫、知識庫以及模型庫的資料必須是動態的，能隨著時間的推移而不斷更新。國內現有的農業專家系統多屬靜態、時效性差的實用性報告。

(3)信息來源困難。我國農業信息資源極其豐富，農業形態多種多樣，但農業信息網絡和農業信息資源庫的建設嚴重滯后，缺乏有效的管理和維護，致使利用困難，所以導致農業專家系統的知識信息來源較為單一，都屬農業專家的研究成果和試驗結果及分析，使得農業專家系統的數據庫、知識庫不具有普遍利用性。

(4)解決問題的深度和廣度不夠。多數農業專家系統只是向使用者提供了基本的和常識性的解釋和判斷，無法準確地、詳盡的解決用戶提出的實際問題。有些農業專家系統由于模型和數據庫管理的限制，使得系統的功能受限。

6 未來的發展趨勢與展望

(1)傳統的專家系統與新興的科技相結合，針對同一類型或專業方向的農業專家系統，采用通用的模型結構，從而將已經開發出來的知識庫、數據庫和模型構架同多媒體等技術相結合，實現專家系統自學習、自組織、自適應等更高級的農業專家系統。

(2)功能多元化集成。未來的專家系統將從單一學科、單一功能、專業性的小型農業專家系統向多學科、多功能、綜合性的大型農業知識專家系統發展。結合多媒體、超媒體的新技術，將我國農業專家系統發展成為人機智能對接、界面圖文并茂的新型專家系統。

(3)利用“3S”技術為核心，以解決我國的農業專家系統信息來源單一、困難的問題，為農業專家系統的基礎數據庫、知識庫以及模型構架提供數據支持，以待將我國農業專家系統發展成為擁有大型數據庫、全面、動態、可更新的新型農業專家系統，使其具有強大的生命力。

(4)開發設施栽培農業的專家系統。設施栽培是一種高投入伴隨高產出的農業方式，所以在農業管理上尤其較高，我國現有農業專家系統多數針對大田農作，而設施栽培屬于小環境，小氣候條件下，可控性比大田農作要強，自然環境的不良因素影響便可以通過一定的設施手段來彌補，所以設施栽培農業更適宜開發專家系統來進行控制和管理。

7 總 結

水是一切生命的源泉，是人類生活和生產活動中必不可少的物質。在人類社會的生存和發展中，需要不斷地適應、利用、改造和保護水環境。水利事業隨著社會生產力的發展而不斷發展，并成為人類社會文明和經濟發展的重要支柱。隨著現代科技的飛速發展，我國傳統農業已面臨巨大的挑戰。所以依靠現代高新技術，結合我國具體國情，為實現農業水利現代化和信息化，發展水利專家系統是一條嶄新的路，也是一條必經之路。而現如今，我國農村的生產力發展水平還是相對比較低、尤其信息缺乏嚴重、技術相對落后，尤其農業管理水平低下。開發研究水利專家系統，逐步實現以專家的水平對水利水電工程和農田水利工程中生產和管理進行指導，從而使水利建設的成本降低，便可大幅度的提高農民收益。由于在農作物種植生產的多個環節中都可以用到水利專家系統，所以，有針對性地發展不同類型的水利專家系統，將為普及農業水利知識和技術，改善農業水資源管理和決策創造良好條件。展望未來，水利專家系統的研究和應用將更加活躍，在農業生產中有著更為廣闊的應用前景。

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