棉花生产管理决策系统研究的现状与对策
董占山
(中国农科院棉花研究所, 河南安阳, 455112)
摘要
本文详细叙述了棉花生产管理决策系统的发展与现状，剖析了代表当前国际水平的GOSSYM/COMAX系统，指出作物生产管理决策系统今后的发展趋势是：集成化、智能化、自动化和网络化，并提出了我国研制棉花生产管理决策系统的策略方针是：立足当前国际先进水平，验证和修改
GOSSYM模型，根据我国各棉区的生态环境条件、生产技术条件和社会经济条件，建立一个符合我国棉花生产管理水平的专家系统，而后将二者集成为一个完整的棉花生产管理系统。
关键词: 棉花, 决策系统, 生产管理, 模拟模型
一、棉花生产管理决策系统的研究概况
近10年来，有关棉花生产管理的计算机自动化决策日益增多，在生产管理上，已经涉及棉花生产的各个方面，如棉花的害虫管理、灌溉方案的制订、农事活动、经济和资金计划、作物生长状况诊断、营养管理等(Lambert,
1993)。
在美国比较成熟的棉花生产管理系统有3个，德克萨斯农业及机械大学的COTFLEX(Stone,
1986)，加利福尼亚州立大学的CALEX/Cotton(Plant,1987;Goodell, 1990)，美国农业部农业研究署(USDA-ARS)的GOSSYM/COMAX(Lemmon,
1986)。CALEX/Cotton可为加利福尼亚棉花生产提供PIX、害虫管理、收获期等的决策;GOSSYM/COMAX是基于棉花生长发育模拟模型GOSSYM(Baker,
1983)的一个农场级棉花生产管理系统，GOSSYM提供关于棉花生长发育等生理学方面的信息，COMAX则制订出关于施肥、灌溉和植物生长调节剂等方面的决策方案。
目前，美国有4个专家系统用于棉花害虫管理，除上面提到的COTFLEX和CALEX/Cotton外，还有CIC-EM(Bowden,1990)和rbWHIMS(Olson,
1992)。CIC-EM是一个基于分类规则的专家系统,主要在密西西比州使用，可以完成13个棉花害虫的管理。rbWHIMS是由USDA-ARS的CSRU(Crop
Simulation Research Unit)设计的，包括700多条规则，可以完成9组至少15种害虫的管理，下一步，rbWHIMS将集成到GOSSYM/COMAX中。
自80年代末开始，我国在棉花生产管理决策支持系统方面也取得了长足发展。国家"七五"计划期间，由农业部下达了有关农作物生产管理专家系统的研制课题，中国农科院棉花研究所和北京农业大学分别独立完成了一个棉花的生产管理决策系统(肖荧南等,
1991;董占山等, 1992)。
二、一个典型的棉花生产管理决策系统
棉花生产管理在不同地区不同季节均有不同的内容，在一个地区研制的生产管理系统不能完全照搬到另一个地区，不过其中某些部分是可以相互借用的，比如作物的模拟模型，有关生产管理的决策支持部分则必须大量修改和补充或重建。因此有必要剖析成功的例子，以发展和完善适合我国应用的棉花生产管理系统。下面重点介绍GOSSYM/COMAX(Lemmon,1986;McKinion,1989;Baulch,1992;Lambert,1993)的特点和功能。
GOSSYM/COMAX系统是由棉花生长发育模拟器、专家系统和其它多个分析工具组成的，它可以对棉花的灌溉、施肥和化学生长调节剂的使用时间和用量及作物收获期提供决策。此系统由GOSSYM、COMAX、工具箱和图形用户界面GUI(Graphical
User Interface)组成，下面对这四个部分介绍。
1.GOSSYM模型
GOSSYM模型本质上是一个表达植物根际土壤中水分和氮素与植株体内碳和氮的物质平衡的模型，是一个以土壤物理学性质、土壤养分和水分等为初始条件，以气象要素太阳辐射、昼夜最高和最低温度为驱动变量，以关键农艺措施如施氮、灌水、喷脱叶剂等为控制变量的系统动力学模型。GOSSYM是GOSSYM/COMAX中最早完成的一个组成部分，也是其核心部分。
2.COMAX专家系统
COMAX是一个基于规则的专家系统，它可以调用GOSSYM模型，对灌溉和施氮的时间和用量进行决策，实现了在农场使用GOSSYM的目标。用户可以设定农艺措施，用GOSSYM分别模拟用与不用此措施经济收益的差别，然后决定是否采用该措施。目前COMAX仅能对灌溉和施氮作出决策，其它方面的决策，如害虫管理则有待另外的专家系统来完成，如前面提到的rbWHIMS。
3.GOSSYM/COMAX工具箱
情景分析(scenario analysis)，如把天气和化学生长调节剂的几个脚本组合起来进行分析。风险分析(risk
analysis)，根据未来可能的天气条件推荐最佳的施氮方案。
4.图形用户界面
GUI把以上三个部分和数据的输入与结果的输出集成一个系统，为GOSSYM/COAMX的用户提供一个友好的操作环境。
目前，GOSSYM/COMAX可以提供以下四个方面的决策：
1.灌溉日期和灌溉量的决策
根据水分胁迫、灌水对最终产量的效应和距成熟期的时间进行决策，GOSSYM预报由于缺水而引起的生理胁迫的时间，COMAX则作出减轻或消除生理胁迫的灌溉方案。
2.施氮时间和用量的决策
根据氮素胁迫、施肥对最终产量的效应和对营养生长的作用来决策，制定出减轻或消除生理胁迫的施氮肥方案。
3.化学生长调节剂决策
化学生长调节剂能降低株高，促进光合产物向生殖部分分配，缓解营养生长过快带来的负效应。PIX是当前最流行的化学生长调节剂，其使用时间和用量依赖于未来的天气状况。PIX价格较高，只有能带来明显的经济效益时才使用。GOSSYM能模拟PIX的使用效果，从而对PIX的使用日期和用量作出决策。
4.收获期决策
一旦大量的棉铃成熟，就要使用脱叶剂和催絮剂，加速作物成熟过程，以便在不利的天气到来之前，完成收获。
GOSSYM/COMAX系统从1985年建成后，就开始示范推广，到目前为止，已推广至全美棉花带14个植棉州的300多个农场,
平均每公顷可获纯利润169美元。1988年美国农业部组织了一个GOSSYM/COMAX的推广组织GCIU(GOSSYM/COMAX
Information Unit)，在GOSSYM/COAMAX的推广过程中起着重要的协调作用。
三、今后的发展趋势
随着计算机技术的飞速发展，超级微机和多媒体技术使原来许多由微型机难以实现的算法和大型软件系统得以实现，研制大型的综合专家决策系统也成为可能。内容庞杂的农业生产管理专家决策系统也不例外，它也在这个潮流的带动下迅猛地发展。发展趋势有以下几方面：
1.高度集成化
随着计算机技术的高度发达，农业生产管理专家决策系统也会把农场管理、资金计划、灌溉与施肥的决策、病虫害的管理、市场预测等内容结合到一起，形成一个全面的农场管理系统。GOSSYM/COMAX是一个集成了决策支持、模拟、诊断、风险评估的智能专家系统。
2.高度自动化
目前的专家系统已经具有了自动化功能，如COMAX系统就可以通过电话线，拨通安装在田间的自动气象站，获取气象数据。今后这种自动化会越来越强，比如美国目前正在研制适用于农田的自动定位系统，把这种定位系统安装在田间工作的农具上，通过室内的主机可以控制农具在田间的具体操作，实现农业生产的高度现代化。美国目前已提出要在每一寸土地上实现控制的思想(Lambert,1993)，就是要研制基于卫星定位系统的农业智能专家系统，以全面控制在田间作业的所有农机具。
3.高度智能化
人们希望专家系统不仅要具有决策咨询的功能，还应当具有自学习功能，使其具有人类专家的特点，在实践中不断地积累经验和知识，完善系统本身，这是基于知识系统应具有的学习功能。
4.网络化
随着社会的信息化程度的提高，信息的发生、发展、传递和使用越来越多地依赖于计算机,计算机信息的网络化是其重要标志，世界各国都投入大量的人力物力发展计算机网络系统，以提高信息的交换速度，促进本国经济的发展。与农业有关的信息也是如此，农业生产管理的决策也越来越多地依赖于信息量的大小和信息的交换与更新速度，所以农业生产管理专家决策系统也要加入到网络系统中，使其决策更及时和准确。美国从1987年开始筹建GOSSYM/COMAX远程通讯网络系统，以便即时准确地得到棉花生产信息的双向交流。
四、我们的对策
植棉业是我国农业的支柱产业，总产居世界前列，但仍存在原棉供不应求的状况。我国的棉花生产管理水平与美国、澳大利亚等国相比还有较大差距，因此，我们应当引进、消化、吸收国外的先进技术，在充分运用传统植棉技术的同时，加强棉花高新技术的研究，促进计算机在棉花生产管理上的应用，提高我国棉花生产管理水平，发展我国棉花生产。
要研制一个比较完善的棉花生产管理系统，且在生产中发挥作用，需要多学科的科学家共同合作，经过长期的努力才能实现。其中，若想研制达到GOSSYM/COMAX水平的棉花生产管理系统，则必须研制一个类似于GOSSYM的棉花模拟模型，但要开发一个这样的模型，需要花费大量的人力、物力、财力，并且要具备一定的科研技术条件。GOSSYM模型的研制花了许多科学家20多年的心血，目前我国要从新研制一个类似模型几乎是不可能的，同时将也大大落后于国际先进水平。那么我们应该采取什么对策才能迎头赶上国际先进水平呢?
首先，从作物模拟的观点看，作物模拟模型具有三个特点：⑴机理性：模拟模型的各部分是作物对应部分的生理生化机制的简要表示，可以模拟作物本身的内在变化和对环境的反应;⑵通用性：模拟模型一般是基于作物生长发育的生理过程的，使这样的模型具有较为广泛的适应性，通过模型校正可以应用到不同的地区。GOSSYM模型即是如此，它已在美国棉花带的十几个州广泛应用；⑶复杂性：由于作物本身的复杂性，模拟模型要模拟现实世界的全部或主要结构和功能，必然具有众多的内容和复杂的结构。
因此，对于棉花模拟模型，我们的对策是：立足当前，引进消化国外先进的模拟模型，进行试验，评估模型参数，修改模型，完善和发展我国的棉花模拟模型。GOSSYM模型是目前国际上最优秀的棉花模拟模型，我们可以在我国各大棉区布置验证试验，收集数据，验证GOSSYM模型在我国的适应性，并根据我国的具体情况，修改和完善GOSSYM模型，使其能够在我国各大棉区应用。
对于专家系统，由于农业生产的地域性和发展的不均衡性，造成农业生产管理的方法和内容均有较大的差异，所以农业生产管理专家系统的通用性较差。要研制一个专家系统，不象研制模拟模型那样需要特殊的实验设备和较高的技术条件，只要农学家和知识工程师有机地合作,即可完成专家系统的研制。
总之，我们的策略方针是引进消化GOSSYM模型，把其改造成为适合我国应用的模型，并根据我国各棉花生态区的自然条件和生产管理的具体内容，建立一个符合我国棉花生产管理水平的专家系统，最后将二者集成为一个适合于我国应用的棉花生产管理决策系统。
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Advances of Crop Management System of Cotton
Dong Zhanshan
(Cotton Research Institute, CAAS, Anyang, Henan, 455112)
Abstract
This paper gives a summary of crop management system of cotton in detail,and describes
the GOSSYM/COMAX, which stands for the highest level in this research field all over the
world. It is discussed the tendencies of development on the crop management system that
are the integration, intellectualization, automation and software networking. Finally, it
is suggested that our policies are that validate and calibrate GOSSYM and develop a crop
management expert system, then piece both together to form the crop managemnt system of
cotton suitable foe being used in Huang Huai region, China.
Key Words: cotton, simulation model, crop management, decision-making system
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