作物生产管理系统的理论
董占山
(中国农业科学院棉花研究所，河南安阳，455112)
摘要
本文就作物生产管理系统的理论基础和基本概念进行了阐述，指出它是计算机科学、农业科学和自动化科学相互交叉的产物，它的理论基础是系统论(作物模拟模型，或称为人工作物)、控制论(作物管理专家系统)和优化论(作物管理优化模型)。
关键词：憖作物，
生产管理系统，专家系统，模拟模型
作物生产系统是一个受作物本身、天、地、人多种因素制约的复杂系统，在系统内部，各因素间又相互依存、相互制约。在这个系统中除各种不可控因素外，人是这个系统的主要控制者──决策者和管理者。在进行作物生产管理时，首先要了解作物自身依外界环境(天气、土壤等)的生长发育规律(即建立作物模拟模型)；然后根据这种规律性，人为地对系统的平衡进行调整(即建立作物管理专家系统)，以期达到作物高产、稳产、优质、高效(高经济效益、高社会效益和高生态效益)的目的(建立作物管理优化决策模型)。将这3部分有机结合，即形成作物生产管理系统的框架。下面分别阐述作物生产管理系统的产生、理论基础和基本概念。
1 作物生产管理系统的产生
早在60年代中叶，美国的Duncan和荷兰的de Wit就先后用计算机程序模拟了作物冠层的光合作用，以期达到研究作物的光合作用的目的，这实际上成为了作物生产管理系统的最早的萌芽。随着时间的推移，70年代以后，在作物模拟方面，美国和荷兰等国均投入大量的人力和物力，先后建立了一批作物生长发育模拟模型，如美国的CERES、GOSSYM、SOYGRO等，荷兰的BACROS、ELCROS、SUCROS等模型，均可以在不同的生产层次上较好地模拟作物的生长发育及产量的形成。这个时期以作物模拟模型的深入研究为标志，人们在作物的生态生理的研究方面做了许多工作，对作物依环境变量的反应有了较明确的认识，并在二者关系的定量描述上取得了举世瞩目的成就。这种研究一直从60年代延续到今天，70年代和80年代初是研究的高潮，近年来的研究重点主要是进一步完善优化已有模型和改进模型的应用性。
另一方面，70年代末和80年代初，人工智能技术开始被引入到农业生产的研究中，人们试图用计算机程序来模拟人类专家的思维过程，对某些定义良好的专业领域里的问题进行计算机决策，实现专家决策过程的自动化。农业生产中应用人工智能的目的主要是试图用计算机程序来完成作物生产某一领域的决策管理的自动化，把过去由专家才能完成的工作交计算机来完成。
这一时期以研制农业生产管理专家系统为主要标志，特别是美国，研制了大量的农业专家系统。第一个农业生产管理专家系统是美国伊利诺斯的大豆病害诊断系统PLANT/ds。以后由它发展来的专家系统有预测玉米夜盗蛾危害的PLANT/cd和草地杂草识别的PLANT/tm等，它们均是基于规则的(rule-based)的专家系统，处理作物生产中的一些定性的知识和专家的经验。
80年代中期，开始出现模拟模型与专家系统的结合产物──基于作物模拟模型的(model-based)专家决策系统，这是作物生产管理系统的基本框架，作物管理系统的概念也基本形成。作物生产管理系统的出现促使作物模拟模型和农业专家系统从实验室走向农业生产实践，从研究走向应用，为提高农业生产力服务。
2 作物生产管理系统的理论基础
作物生产是一个自然和人工的复合系统，系统的主体(作物)的生长发育遵循其自然的准则，是一个完整的作物生态系统，研究它的基本理论是系统论；然而作物生产又是一个人工系统，人可以通过对系统施加一定的外力去影响系统的行为，也就是说人可以某种程度上控制系统，这就是作物管理的基本依据，研究人如何去控制系统行为的基本理论是控制论；但是，人对系统的控制不是盲目的，总是为得到一定的目的而进行的，有时(往往在大多数情况下)目标是多种的而非单一的，要使系统得到这多种的目标，当对系统施加影响时，要综合考虑外力的正负效应，对其进行优化，协调各种目标，这需要优化决策论；所以作物生产管理系统的基本理论是系统论、控制论和优化理论。在研究作物生产管理系统的过程中，始终贯穿着系统论的使用，作物模拟模型体现了系统论，作物管理专家系统体现了控制论，作物管理优化决策模型体现了优化决策论。
2.1 系统论──作物模拟模型
作物生产系统是一个复杂的系统，系统的主体是作物，在系统内部，作物对系统的各个组成部分和影响系统的各种要素做出反应，通过用数学语言将这些反应表述出来，并用计算机程序实现作物一生的反应轨迹，也就是要用计算机模拟真实世界的作物生产系统中作物的自然生长。
作物模拟模型是利用计算机程序模拟作物在自然环境条件下利用光能资源把水和二氧化碳结合制造成有机物质的过程(包括光合作用、呼吸作用、作物生长、干物质的积累与分配等生理生化过程)、作物组织和器官的建成和死亡的过程和作物产品的形成过程等，同时还包括作物需要的矿质元素在土壤中的分配、移动和被作物吸收的过程。这些过程既决定于作物本身的特性，同时也受到外界环境条件的制约，这些环境条件包括太阳辐射、温度、水分和二氧化碳等气候因子和土壤质地、土壤肥力等土壤因子，还包括人类的活动等人文经济环境条件，其中对作物生产起作用最大的因素是气候因子，只有有了光、热、水、气，作物才能进行光合作用，然后才有物质生产。
作物模拟模型总的来说有三个基本特点：①机理性：作物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，它可以模拟作物本身的内在变化和对环境的反应，从这层意义上可以将作物模拟模型看作计算机人工作物；②通用性：因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，通过模型参数的校正可以应用到不同的地区；③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。
根据作物模拟模型的特点，要研制一个比较完善的作物模拟模型是十分复杂的，需要多学科的科学研究人员经过长期的努力才能实现。作物模拟模型作为作物生产管理系统的核心组成部分，对作物生产管理决策系统的适用范围有较大的决定性。
2.2 控制论──作物管理专家系统
对作物生产系统的主体(作物)来说，其生长发育过程是可以控制的，人通过对系统施加不同的外力(农艺措施等)可以控制系统主体(作物)沿不同的道路发展，最后取得不同的结果。从这个角度来说，人对作物生产的控制是切实可行的，是有实际意义的，也是必不可少的。对系统施加什么外力(措施)可以使系统沿什么方向发展，这是作物生产中专家多年积累的经验。这种专家的经验含有的不确定因素很多，很难运用数学方法表达出来，目前处理这种经验的主要方法是知识工程学中的专家系统技术。
把作物管理专家的知识和经验规则化、具体化，用计算机程序表达出来，形成特定的知识库，通过一种具有特殊才能──推理功能──的计算机程序来操作管理，对作物生产的具体领域的问题提出解决方案，辅助作物生产者实现作物生产的各个环节的管理，这就是作物管理专家系统。
2.3 优化决策论──作物管理优化决策模型
从系统优化的角度讲，无论什么决策都存在优化的问题。作物生产作为一个系统，其管理决策也是需要优化的。况且，农业生产的目的是多目标的，不仅仅是取得最高的产量，还要求取得较高的经济、社会和生态效益，这样多目标的优化决策成为必然。
作物管理中的优化就是综合运用各种优化理论，根据一地的自然资源和社会经济资源等的具体配置，在充分考虑作物的产量和品质的前提下，对作物生产过程的管理措施提出经济的、生态的、社会的优化决策，使作物生产活动按最优化的道路进行。它在作物生产中起着辅助决策的功能，帮助专家或专业人员处理实际问题，以期达到最优的作物产品和最佳的经济和生态效益，最后向用户推荐优化的决策方案，这就是作物管理优化决策模型。
3 作物生产管理系统的概念
3.1 狭义的概念
不论是作物模拟模型还是作物管理专家系统，都是用计算机程序来模拟作物的生长或人类的思维。模拟作物的目的是为了人们更好地把握作物生长的状态，专家系统的目的是利用人类专家的知识，根据实时实地的作物生长状况，对作物的未来管理提出决策。它们的共同特点是尽可能多地利用计算机，把作物生产中作物自身发展的部分或由人类专家操作的知识部分用计算机来实现，最终的目的是实现作物生产管理的自动化。
就目前的观点来讲，作物生产管理系统是指运用计算机，把作物模拟模型、作物管理专家系统、作物管理优化决策模型和其它辅助模型有机地结合，充分利用人类专家有关作物生产的已有知识，依赖作物生产中作物自身的生长信息反馈，对作物生产的日常管理和出现的具体问题，进行实时实地的在线式管理决策，这是一种高度综合的计算机程序系统。其基本框架结构如图1。
图1 作物生产管理系统的基本框架
成功的例子有美国USDA-ARS的GOSSYM/COMAX系统，它是由棉花生长发育模拟器GOSSYM、专家系统COMAX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。
3.2 广义的概念
随着计算机科学和自动化工业的发展，智能机器人的不断涌现，工业过程的部分或全部操作被智能机器人所代替，作物生产中的某些过程也开始使用机器人，最终的发展结果是越来越多的机器人代替人类在田间进行作物管理的实际操作，这是作物生产管理的另一个层次的自动化，它是由硬件来支撑的，依赖于机械工业和电子工业的发展。
作物生产管理系统的进一步发展的概念是：以计算机软件为基础，以智能机器人为硬件支持，综合作物生产过程的各种知识、信息于一体，由计算机对作物生产的全过程的提供全面的综合的决策，通过智能机器人在田间的操作，实现作物生产过程的全盘自动化的综合的软件和硬件的组合系统。其基本的框架结构如图2。
图2 作物生产管理系统的发展框架
4 结语
作物生产管理系统是近年来刚刚兴起的一门新技术、新学科，它是多学科交叉发展的产物，特别是计算机科学与农业科学的交叉在其发展过程中起着举足轻重的作用，在以后的发展中，自动化科学也将成为其三大支柱之一。
它的开发和研制需要多学科科技工作者协作才能完成。特别是作物模拟模型的研制是系统研制的关键所在，它需要综合气象学、植物生理学、土壤学、农学的知识和计算机编程技术；作物管理专家系统的研制则需要作物管理专家和人工智能工程师的密切合作，这是一项艰巨复杂的系统工程。一方面，需要在人工控制条件下进行精确的试验研究，和在不同的生态环境条件下进行大量的大田试验，以检验系统的有效性；另一方面，需要进行大量的计算机编程和调试工作。
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，研制大型的综合的多作物的生产管理系统也成为可能。今后它将与地理信息系统和卫星地面定位系统复合，通过智能机器人和高度集成化的计算机软件相结合，实现农业生产的高度自动化。可以设想，在不太久的将来，世界上将出现无人化自动管理的农场。
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