“水肥一體化”自動控制系統的專家知識庫子系統設計

摘要：“水肥一體化”自動控制系統基于現代農業的發展趨勢，解決當今農業水肥利用不當等重要問題。基于實用性和操作性，針對“水肥一體化”自動控制系統的專家知識庫子系統涉及的架構、功能、數據存儲、檢索算法及操作頁面給出概要設計，并具體介紹了該子系統核心層的結構設計和功能實現。

關鍵詞：水肥一體化；知識庫；知識檢索；知識管理；專家決策

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）12-3189-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.12.048

Abstract：“Integration of water and fertilizer” automatic control system based on the development trend of modern agriculture to address the important issues of today's agricultural and fertilizer use improper. Based on practical and operational， expert for the “Integration of water and fertilizer” automatic control system architecture knowledge base subsystem involved， data storage， retrieval algorithm design and operation of the page gives a summary and specific description of the subsystem core structural design and functional layer implementation.

Key words：integration of water and fertilizer；knowledge base；knowledge retrieval；knowledge management；expert decision

中國是人口眾多的農業大國，農業問題關系到中國國計民生。農業用水約占全國總用水量的73%，以主要的糧食作物小麥、玉米為例，用水量占到中國農業用水量的60%[1，2]，有效利用率低，水資源浪費十分嚴重。盡管采取了嚴格的耕地保護措施，但大量農業灌溉水源被城市生活和工業占用，耕地資源減少的勢頭難以逆轉，水資源短缺的壓力進一步增大。按照黨中央提出的“穩糧增收、提質增效、創新驅動”[3]，努力在提高糧食生產能力上挖掘新潛力，在優化農業結構上開辟新途徑，在轉變農業發展方式上尋求新突破，在促進農民增收上獲得新成效，除了調整現有農業結構，發展旱作農業外，從技術環節上開展節水節肥設備研究迫在眉睫[4]。

為了解決以上問題，設計研發了“水肥一體化”自動控制系統，該知識庫系統是“水肥一體化”自動控制系統的子系統。“水肥一體化”自動控制系統整合了計算機技術、電子信息技術、自動控制技術、傳感器技術和施肥技術，依托于專家知識庫系統，提供施肥灌溉建議量，實現自動化地灌溉施肥，全面提升農田水肥利用效率，不僅科學、節水、節肥、節能、節省人力，而且還可大大提高農作物的產量和質量，同時減輕了施肥對環境的污染[5，6]。該系統共有3個子系統。

1）農作物環境數據采集子系統。該子系統由環境土壤溫度采集器、環境土壤水分采集器組成，為專家知識庫提供農作物實時種植環境數據。

2）專家知識庫子系統。該子系統采用農藝與信息技術技術，結合實際種植過程中的經驗，針對農作物在不同季節、不同生長階段的根水肥吸收規律建立而成，并結合農作物種植農藝關鍵技術在生育期內對水肥的不同需求以及對實時種植環境的數據采集分析，制定符合該區域農作物的“水肥一體化”灌溉自動控制方案[6]，并為用戶提供專家信息檢索平臺，用戶可以使用該系統查詢農作物種植相關的信息。

3）農作物水肥自動操作子系統。該子系統采用計算機、通訊、自動化、微電子技術，開發了“水肥一體化”自動運行系統。根據專家知識給與的建議，進行肥料、營養液的配比，以及灌溉量、灌溉時間的設定。

本研究主要對專家知識庫子系統進行研究，對其核心層的結構設計和功能實現進行介紹。

1 系統結構的設計

專家知識庫系統使用微軟的NET開發框架（C語言）和甲骨文公司的Oracle 10g數據庫進行開發。該系統使用數據訪問服務（DataAccess）來實現統一的數據訪問和數據操作、使用主系統核心庫中的成員管理服務（Membership）來實現統一的用戶管理、使用角色管理服務（Roles）來實現統一的角色管理，使用統一配置服務（Configuration）來實現統一的配置管理。

該專家知識庫系統采用類似SOA方式進行設計，并結合實際功能和實時環境，共設計了3層結構，用戶顯示層、業務邏輯層、數據庫層。該專家知識庫系統結構如圖1所示。

業務邏輯層是該系統核心功能的表現層，將用戶界面層傳遞的操作指令轉換為數據查詢、數據分析、數據存儲、數據傳輸等操作，同時結合實時環境的分析，實現自動數據處理，最終將結果數據傳輸到數據庫。同時其以Web Service的形式向用戶界面推送結合數據庫知識和實時采集數據共同得出來的操作參考數據，傳輸過程中將數據實體序列化為XML格式，最終簡潔的顯示到用戶界面。

系統內的數據庫包含了農作物的不同種類、不同季節、不同生長階段內所需的水肥耦合規律的所有參考資料，保證了專家系統的準確度。數據庫分為農作物信息數據庫、農作物水肥耦合參考值數據庫和農作物水肥耦合操作值數據庫三部分。

該系統的3個部分相互獨立又相互聯系，并且是相互影響，是一個不可分的整體。知識庫系統中每條知識都是一塊獨立的程序，在獲取數據時，又是有層次性的，按著知識的傳輸方向，有序進行檢索、傳遞、存儲、反饋。

2 系統功能的設計

2.1 用戶顯示層

用戶顯示層是為用戶提供應用服務的操作界面，有助于用戶理解和高效的使用農作物精準水肥專家系統。該層包括品種選擇、作物信息、環境信息、施肥配比、灌溉量值、施肥灌溉預測分析、效益分析、系統管理、數據統計分析、時間地點顯示和打印等功能。用戶顯示層界面主要功能如圖2。

用戶顯示層可以使用戶便捷輸入不同種植環境下的作物信息，可以直觀瀏覽不同種植環境下的作物信息，可以直接輸入所要觀察的農作物名稱或編號，來查詢所要觀察的種植作物在不同種植環境下的信息，使農作物信息直觀地表現出來。根據用戶輸入的信息已經采集設備采集的信息，系統會根據數據庫所保存的信息以及實時情況給出適宜該農作物現階段生長的肥料配比和灌溉時間，并直觀顯示到用戶顯示頁面，便于用戶直接進行有效的操作。

2.2 業務邏輯層

業務邏輯層位于用戶顯示層和數據庫層之間，為實現系統的業務邏輯提供了一個明確的層次，在該層次封裝了與系統關聯的應用模型，并把用戶表示層和數據庫代碼分開。該層次提供用戶應用程序和數據服務之間的聯系，主要功能是執行應用策略和封裝應用模式，并將封裝的模式呈現給用戶應用程序；主要包括系統數據處理、數據分析與處理、數據顯示和輸出以及數據接口，通過程序文件，實現數據庫層和用戶顯示層連接。主要提供知識檢索服務、知識管理服務和專家決策服務3個服務。

2.2.1 知識檢索服務 在用戶顯示頁面，用戶通過錄入作物名稱、生育階段并結合由環境監測設備所采集來的各項數據，傳入到業務邏輯層，進而進行相對應的知識檢索。檢索服務將用戶輸入的檢索數據轉換為檢索表達式，在內部將該檢索表達式轉換為對數據庫的查詢。使用檢索表達式可以實現讓用戶無需學習復雜的數據庫查詢語言而實現高效、簡單地查詢。檢索表達式方式為作物名稱|地塊編號|生育階段。這些檢索表達式所包含的信息最終會輸入到數據庫中的農作物信息數據庫。知識查詢頁面設計如圖3所示。

2.2.2 知識管理服務 知識庫內容需要維護人員定期更新和維護，系統提供了一套完整的知識維護接口，工作人員可以維護知識、知識目錄以及各類數據。其中主要維護的是農作物水肥耦合參考值數據庫，需要人員定時的補充新知識，更新舊知識，保持知識的準確性和全面性。該服務的設計結構如圖4所示。

該服務功能可以使系統自動從農作物信息數據庫、農作物水肥耦合操作值數據庫提取最新、最實用的信息，存儲到農作物水肥耦合參考值數據庫，并更新之前的信息，使農作物水肥耦合參考值始終保持在最符合農作物實際生長的數值上。

2.2.3 專家決策服務 該服務是用戶在顯示頁面進行作物名稱、地塊信息、生長階段等條件的輸入，從農作物信息數據庫中找到對應的農作物，再根據設備采集到溫濕度、pH、EC值等數據，在農作物水肥耦合參考值數據庫中選取水肥灌溉量的參考值，最后再將參考值存儲到農作物水肥耦合操作值數據庫中，傳輸到水肥一體化自動控制系統的操作子系統中，進行自動施肥灌溉。

2.3 數據庫層

數據庫層是三層模式中最底層，用來定義、維護、訪問和更新數據并管理和滿足應用服務對數據的請求。該層包括數據庫、模型庫、知識庫文件以及調用這些庫的程序文件，可以為業務邏輯層體統基本處理數據。數據層主要設計功能如圖5所示。

數據庫層主要包括農作物信息數據庫、農作物水肥耦合參考值數據庫和農作物水肥耦合操作值數據庫三部分。三者之間相互獨立又相互影響，彼此的數據信息相互傳輸、相互更新，使數據庫信息始終保持最新、最全、最實用。

3 知識庫系統設計實現

基于信息檢索理論和系統設計，最終完成了“水肥一體化”自動控制系統專家知識庫子系統的設計開發過程，頁面如圖6、圖7所示。

4 小結

“水肥一體化”自動控制系統專家知識庫子系統通過將信息技術與農藝技術相結合，實現農業信息化和自動化控制，為實現農作物“水肥一體化”灌溉自動控制生產管理功能提供有利的信息支持。根據專家知識庫提供的農作物水肥需求規律進行施肥與灌溉，“水肥一體化”自動控制系統的操作子系統進而對農田水分和養分進行綜合調控和一體化管理，具有肥隨水走，利于作物吸收的特點，通過以水促肥、以肥調水，實現水肥耦合，全面提升農田水肥利用效率，不僅節水、節肥、節能、節省人力，而且還可大大提高農作物的產量和質量，同時減輕了施肥對環境的污染。專家庫系統為“水肥一體化”自動控制系統的功能實現提供了有利的知識依據，是該系統的基礎。

參考文獻：

[1] 水 益.因地制宜節水增效提高農業用水效率[J].調研世界，2001（10）：5-7.

[2] 孫學平，李海軍.淺析農業用水效率的提高[J].市場經濟研究，2003（3）：25-26.

[4] 劉亞克，王金霞，李玉敏，等.農業節水技術的采用及影響因素[J].自然資源學報，2011（6）：932-942.

[5] 李人厚.智能控制理論和方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，1999.

[6] 劉春林，何建敏，盛昭瀚，等.應急模糊網絡系統最大滿意度路徑的選取[J].自動化學報，2001，26（5）：609-615.