编程技术、软件应用与系统模拟(Programming, Applicaiton and Simulation) |
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座右铭:
只做有益人类的事
不做有害人类的事
只做有益人类的事
不做有害人类的事
棉花生产管理决策系统CPMSS/CGSM
提要: 棉花生产是一个复杂的大系统,为了使其系统输入输出最优化,以便得到高产、优质、低耗、高
效益的目的,我们研制了适应于亩产100公斤皮棉的棉花生产管理模拟系统CPMSS和棉花生长发育动态
模拟系统CGSM。目前,CPMSS/CGSM系统可以完成一熟春播棉田的播前决策、生长发育期间的调控决策
以及生育后期的估产。
关键词: 棉花,模拟,生长,生产管理
前 言
当今农业生产管理方式日趋科学化,决策方法逐步从直觉性和经验性向数学化、模型化和人工智能相
结合的方向发展,计算机日益成为农业生产管理决策的有力工具。
国外,从60年代末开始,就对作物的计算机模拟进行了深入研究,20多年来,已有了不少成功的例子。美
国的COMAX/GOSSYM系统就是极好的范例,它可用于农场级棉花生产管理的决策咨询,目前已在全美
14个州进行应用与示范，并取得良好的经济效益和社会效益。此外,澳大利亚、荷兰等国也在棉花生
长发育动态模拟上取得了明显进展。
我国是世界的植棉大国之一,植棉历史悠久,宜棉区域广阔。建国以来,我国棉花生产迅速发展,进入
80年代后,更进入一个的新阶段。皮棉总产已跃居世界第一、二位,单产达到50公斤左右。广大棉农在
生产实践中积累了丰富的经验,棉花科技工作者进行了大量的科研工作,但是与世界先进水平相比,我
国棉花的生产管理水平还比较低,需加强新技术的研究,积极将计算机技术尽快应用于棉花生产,赶上
世界先进水平。
"七五"期间我所承担了农业部重点科研项目《计算机及核技术在农业上的应用》中第一专题《作物高
产栽培计算机模拟系统与农业气象专家系统》的一个子专题《优质棉高产栽培计算机模拟系统》的任
务。五年来,我们以系统工程原理为指导思想,以计算机为工具，采用人工智能的方法,在大量的田间
试验、生产示范的基础上,广泛收集植棉专家和棉农的高产栽培经验,逐步使棉花生产管理和棉花的生
长发育数量化、模型化、规则化,初步建成了一个可以管理亩产100公斤左右皮棉的棉花生产管理模拟
系统CPMSS(Cotton Production Management Simulation System)及棉花生长发育动态模拟系统
CGSM(Cotton Growth and Development Simulation Model)。目前CPMSS/CGSM可以较好地完成亩
产100公斤左右皮棉棉田的生产管理决策及长势长相的模拟,它可以及时地向棉农提供优化的农艺决策
措施,也可以向棉花科研工作者提供一定的理论数据。
系统设计的思想方法
棉花生产系统是一个受天、地、人、作物本身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。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。人类的各种农事活动与棉花
的生长发育以及最终产量的形成之间都有着密切的联系。人类在棉花生产的长期实践中积累了丰富的
经验性知识,特别是棉花栽培专家,他们都积累了许多经验,这些经验性知识不是那么严格。棉花高产
栽培方面的专门知识,由于其不严密和模糊性,专家的经验在生产管理中往往起着决定性作用。因此
,CPMSS/CGSM系统为了适应这些特点,应用规则形式表示栽培专家的判断性知识,采用可信度来反映专
家经验的不精确性,以模拟棉花栽培专家的推理方法,去解决棉花高产栽培中的具体问题。
在分析矛盾的各个方面之后,首先,针对不同的环境条件和决策目标,推理所用的知识是变化着的,为此,
需要将知识库与推理机分离,均做为独立模块进行设计,使知识库的修改与推理机无关,增强系统在决
策活动上的伸缩性; 其次,为了增加系统透明度,使知识库易于修改、扩充、完善,应提供知识的解释
与获取功能; 第三,为了易于同棉花生长发育模拟系统CGSM和用户接口,须设计一个动态数据库,把用
户的输入和CGSM的输出作为事实存放在动态的事实数据库中,便于推理机使用; 其四，为了方便用户
的使用,人机接口应全部选用菜单提示。
CPMSS/CGSM系统是以专家系统的原理为指导，统筹考虑了系统的统用性、实用性和简便性，从系统的
概念设计、模型设计到系统的物理设计均经过认真的评估后，最后确立了以棉花生长发育动态模拟模
型和棉花栽培专家的知识与经验为内核，利用推理机和交互式人机接口，来完成棉花生产管理的具体
决策。最后得到的CPMSS/CGSM系统将具有很大的灵活性,一方面，可以随时修改已有知识和向知识库
添加新得知识,吸取先进经验,完善扩充系统的有效性；另一方面，生长发育动态模拟模型CGSM可以在
遵照一定原则得条件下,可以独立进行改进、完善和运行。
CPMSS/CGSM系统的整体结构和主要功能
该系统处理某一特定咨询的大致过程如图1所示。
这个过程是系统控制的主线,每一框都包含了许多步骤,每一步又都包着重多的规则调用。用户通过动
态数据库人机接口把推理机所需要的尽可能详细的事实输入到动态事实数据库中,然后用户选定一个
适当的目标,推理机根据这些事实导出中间结果,判定目标的合理性,若目标合理则进一步推荐优化的
决策方案,并可以解释推导过程中的某些问题。
┌───┐ ┌───┐ ┌─────┐ ┌─────┐
│输入 ├─┤选定 ├─┤确定目标 ├─┤推荐优化 │
│事实 a│ │目标 b│ │是否合理 c│ │决策方案d │
└───┘ └───┘ └─────┘ └─────┘
图1、棉花生产管理决策系统咨询过程
Fig.1 Enquiring procedure of CPMSS/CGSM
Note: a. inputing facts, b. selecting objects,
c. determining rationality of objects,
d. recommending optimizing policy-making projects.
一、系统的整体结构
该系统由知识库、推理机、知识解释机构、知识获取机构、动态数据库、关系数据库、生长发育模拟
模型、人机接口等八大部分组成。
各模块间的相互关系如图2所示。
二、系统的主要功能
CPMSS/CGSM系统有如下主要功能:
１. 播前决策(整体决策): 根据植棉地区的气候资源、土壤资源、水利资源等基本条件,对当地高产
棉花生产做出整体决策,也即在播种前做出全局的决策方案(简称为播前决策),包括选择品种、适宜播
期、株行距配置、施用底肥的种类及用量，以及在正常生长条件下生育期间应追肥量、缩节安的施用
适期及用量，可供整个生育期间参考使用。
┌───┐ ┌────┐┌───────┐ ┏━┓ ┌─┐
│CGSM a├─┐│知识库 b├┤知识获取机构 c├─┨ h┃ │领│
├───┤ │└┬───┘└───────┘ ┃人┃ │域│
│ │ │┌┴┐ ┌─┐ ┃ ┃ │专│
│ │ └┤推├────────┤关│ ┃ ┃ │家│
│┌──┴─┐│理│ ┌────┐│系│ ┃机┃ │或│
││ 动态 ├┤机├──┤知识解释││数├──┨ ┠─┤知│
││数据库 d││ e│ │机 构 f││据│ ┃ ┃ │识│
│└─┬──┘└┬┘ └─┬──┘│库│ ┃接┃ │工│
│ │ │ │ │ g│ ┃ ┃ │程│
│ │ │ │ └─┘ ┃ ┃ │师│
┣━━┷━━━━┷━━━━━┷━━━━━━━━┛ ┃ │ i│
┃ 人 机 接 口┃ └─┘
┗━━━━━━━━━━┯━┯━━━━━━━━━━━┛
输入数据│ │输出结论、建议、决策
┌──┴─┴───┐
│ 用 户 j│
└────────┘
图2、棉花生产管理决策系统总体结构
Fig.2 The general structure of CPMSS/CGSM
Note: a. a simulation model on the growth and development of cotton
crop, b. knowledge base, c. a tool for attaining the knowledge
on cotton crop management, d. dynamic database, e. engine ,
f. a tool for interpreting the knowledge on cotton crop
management, g. relative database, h. man-machine interface,
i. expert or knowledge engineer, j. user.
２. 生育期间的动态调控决策：在棉花生长发育期间,根据基本条件,植株当时的长势长相和前期所采
取的农艺措施,判断棉花当时的生长状态,判断苗情的好坏，长势的旺弱，并提供最近半月内的推荐措
施。
３. ８月底后根据棉田中前期和当时的生长发育状况,模拟产量结构,预测本年度的皮棉产量。
４. 驱动CGSM,模拟棉花各时期的生长情况,即形态性状、产量性状、生物学性状及物侯期等指标，为
研究和管理人员提供必要的信息数据。
５. 修改完善知识库,使之更符合实际生产,为棉花生产提供更加合理的管理决策。
主系统CPMSS的结构与功能
CPMSS是一个棉花生产管理的决策系统外壳，具有一个春播棉花高产栽培的小型知识库，它是在几年
来试验、示范的基础上,收集整理部分专家知识和高产典型的经验,经过滤、浓缩、规则化等处理形成
的；同时还拥有一个设计合理、结构严谨的基于规则的知识推理机，它可以把用户提供的有关事实，
运用知识库中所有的知识，进行尽可能深入的推理，得出合理的决策措施；还具有知识库易于扩充
,能够不断地学习新的知识,更新和扩充知识库的优点。
一、知识库结构及其管理子系统的功能
1. 知识库结构
知识表示不仅要表达出特定领域内的大量事实和规律，而且要真实全面地反映出专家的实践经验。知
识的表达与组织是专家系统的基础，关系到系统的推理是否能够模拟出人类专家的思维判断过程。
在 CPMSS系统中，我们采用了产生式规则的知识表达方式。知识的单位是：
if（前提条件）then（结论）
目前，CPMSS系统的知识库中有200条类似规则，可以通过知识获取机构随时添加或修改知识库中的规
则。
2. 知识库管理子系统的功能
知识库管理子系统包括五项基本功能: 知识库的获取、知识库的加载、知识库的存储、知识的删除和
知识的阅览。
知识的获取功能主要是完成向知识库添加新的知识和修改知识库中原有的知识,这个过程主要采用人
工获取方法和半自动获取方法进行的，即系统可以根据目前的模型向领域专家提问，获取知识，使模
型趋于完善；也可以由知识工程师直接修改知识库的内容来完成知识库的更新与维护。
二、事实数据库管理子系统的功能
事实数据库管理子系统有10项功能: 天气数据的输入、土壤数据的输入、生长状况数据的输入、灌溉
条件的输入、栽培措施的输入、品种的选择、肥料种类的选择、加载数据库、删除数据库和阅览数据
，可以完成事实的输入、修改、删除、加载等。
事实数据库管理子系统前7个功能项用来输入有关的事实。 例如选择天气参数输入功能的"年平均降
雨量",则系统向用户征询具体的数值，在用户输入相应的数值后,系统首先删除系统中原有的该项事
实,然后把这项事实添加到动态数据库中。这样就完成了事实的输入和修改工作。最后三项功能,可
以实现事实的删除、阅览和加载。
三、推理机及人机接口
1. CPMSS的推理策略
知识库是专家系统的灵魂,而推理机构则是专家系统赖以生存的肌体,知识库只有通过推理机,才能变
成真正有价值的东西。所以推理机的设计方法及其完善程度很大程度上影响着专家系统的效率及其实
际应用价值。
CPMSS系统采用反向推理策略,系统在一个目标引导下搜索规则集中其结论可实现该目标或可形成几个
子目标的规则。在规则调用过程中,动态地生成上下文AND/OR树。图3表示了播前决策部分AND/OR树,
即推理树。
2. 人机接口
CPMSS有一个非常友好的人机接口,其输出、输入全部采用窗口式菜单进行,选择采用点菜单方式; 在
咨询过程中,解释模块能够向用户展示棉花高产栽培领域的专门知识和问题的求解过程,回答用户或系
统设计人员的‘WHY’等各种询问,增加了系统的实用性和易用性。
┌────────────┐
│ 播种前农艺措施决策 a│
└──────┬─────┘
┌───────┴───────┐
┌────┤ 皮 棉 产 量 b ├────┐
│ └─┬─────────┬───┘ │
┌───┴───┐┌─┴───┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐
│地理环境条件 c││气候资源 f│ │土壤条件 j│ │生产条件 n│
└┬───┬──┘├─┬──┬┘ ├─┬──┬┘ ├─┬──┬┘
┌┴┐ ┌┴┐┌─┤┌┴┐┌┴┐┌─┤┌┴┐┌┴┐┌─┤┌┴┐┌┴┐
│海│ │纬││年││年││年││有││全││速││灌││品││肥│
│ │ │ ││平││平││平││ ││ ││ ││ ││ ││ │
│ │ │ ││均││均││均││ ││ ││ ││溉││ ││ │
│ │ │ ││降││日││活││机││ ││效││ ││ ││ │
│ │ │ ││雨││照││动││ ││ ││ ││条││ ││ │
│ │ │ ││ ││时││积││ ││ ││P ││ ││ ││ │
│拔│ │度││量││数││温││质││N ││K ││件││种││料│
│ d│ │ e││ g││ h││ i││ k││ l││ m││ o││ p││ q│
└─┘ └─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘└─┘
图3、播前决策部分推理树
Fig.3 The partial engine tree of the policy before sowing
Note: a. policy-making agronomic measures before sowing, b. lint yield,
c. conditions of geographic environment, d. elevation, e. latitude,
f. climatic resoures, g. average value of annual precipitation,
h. average value of annual sunshine time, i. average value of
annual accumulating active temperature, j. soil condition,
k. organic material, l. totla N, m. effective P,K, n. cultural
condition, o. irrigation condition, p. variety, q. fertilizer.
系统全部采用菜单方式向用户征求初始数据, 用户可根据自己的实际情况如实地回答。如果用户不明
白系统为什么询问这个问题,可以通过‘WHY’向系统反问,系统立即会回答收集该数据在推理中所起
的作用。
棉花生长发育模拟系统CGSM的结构与功能
CGSM是一个简单的棉花生长发育动态模拟模型,它以温度、太阳辐射等气侯因子为驱动变量,模拟棉花
的净光合生产率,然后把光合产物分配到各个生长部位,实现棉株的生长发育,并且以图表方式,直接把
模拟结果输出到屏幕,显示给用户,用户可以直观地观察到各个时期棉株的长势长相。
1. CGSM 的结构
CGSM 模型的基本结构如图4所示。
2. CGSM的功能
CGSM具有如下主要功能:
①模拟棉花各器官的生长发育情况: 通过生长发育子模型,把净同化产物分配到各个生长器官,实现棉
株的生长。
②显示各时间的植株图: 根据各时期的生长状况,调用蕾铃分布子模型,把蕾铃分布到各个果枝节位上,
以图形的方式在屏幕上显示出来。
③显示各时间的生长指标: 把各时期的生长指标以表的形式,在屏幕上显示出来,供用户使用。
④向CPMSS 提供事实数据: 把运行的结果,经过转换后以事实的形式写入文件,由CPMSS 打开添加到
动态事实数据库中,供推理机在决策过程中使用。
─────
开 始a
──┬──
├──────────────┐
───┴──── │
读入天气等数据b │
────┬─── │
┌───┴─────┐ │
│计算净光合生产率 c│ │
└───┬─────┘ │
│ ┌─────┐ │
│ ┌──┤根的生长 e│ │
│ │ └─────┘ │
│ │ ┌─────┐ │
┌──┴──┐├──┤茎枝生长 f│ │
┌──┤ 生 长 d ├┤ └─────┘ │
│ └──┬──┘│ ┌─────┐ │
┌┴┐ │ ├──┤棉铃生长 g│ │
│植│ │ │ └─────┘ │
│株│ │ │ ┌────┐ │
│图│ │ └──┤叶生长 h│ │
│ i│ │ └────┘ │
└─┘ │
否 No │
继续 ? j ───────────┘
是 Yes
┌─┴───┐
│输出结果 k│
└─┬───┘
──┴──
结 束 l
─────
图4、CGSM框图
Fig.4 The structure of CGSM
Note: a. begin, b. inputing weather data, c. computing net
photosynthytic production rate, d. growth, e. root growth,
f. stem growth, g. boll growth, h. leaf growth, i. plant
map, j. contine, k. outputing simulation results, l. end.
⑤向用户提供模拟数据，把模拟的结果直接存入到文件中，供用户观察、打印等。
系统的特点与展望
CPMSS/CGSM系统是采用先进的思想方法, 经过充分细致的设计,最后完成的一个决策系统,其具有很
多长处,但由于时间短、资料少等原因还存在一些缺点。
一、系统的特点
１. 通用: 开发系统的指导思想是完成一个可以操作各种作物栽培知识库的专家系统外壳,所以目前
完成的CPMSS是一个可以操作棉花高产栽培知识库的专家系统外壳,你可以开发其他与棉花高产栽培知
识库类似的知识库,供CPMSS操作,它可以根据这些知识,完成尽可能完善的推理判断,向用户提供决策
。
２. 简便: 系统的人机接口非常友好,用户操作起来非常简便,只要根据使用手册,熟悉各种菜单的内
容之后,就可以正确熟练地操作本系统,即使是生手,学习起来也非常快。
３. 高效: 系统在决策推理中,引用大量的棉花栽培知识和专家的经验知识,集众家之长于一体,能够
模拟人类专家的思维判断能力,完成专家的决策过程,这对保存推广专家的经验来说是一个质的飞跃
,它的推理决策结果基本上可以达到人类专家熟练水平,所以系统是高效。
４. 实用: 本系统可以根据用户的不同需要,完成几种不同目的的决策,既可以进行播前决策,也可以
在生育期间进行动态决策,用户可以随时向系统提出一个问题而获得必要的解释,为其在农业生产中的
实际应用开辟了前景。
二、系统的局限性与展望
当然CPMSS系统只是一个作物栽培管理决策系统的原型,其应用面还很窄,其功能还不完善,比如还没有
能够纳入植物保护知识、品种知识等,所以只能对棉花生产提供栽培措施方面的基础决策,由于CGSM的
不完备性,还不能模拟水分、氮素营养等的协迫,所以系统在很大程度上需要进一步完善提高。
１. 完善CGSM的功能: CGSM只能模拟中棉12的生长发育,还没有其它品种的相应参数。
２. CPMSS的知识获取还没有实现自动化,还不能从训练样中直接提取知识,在以后的几年内应当完成
这个工作。
３. CPMSS的推理中还有某些不合理性,有时也会出现不尽人意的地方。
４. CPMSS的棉花知识库仅限于一熟春棉的高产栽培部分,还要进一步补充麦棉两熟套种(栽)春棉和夏
播短季棉的高产栽培等方面的知识,以扩大其使用范围。
参考文献
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GOSSYM/COMAX system to cotton crop management, Agricultural System, 1989, 31,
55-65
[10] H. E. Lemmon, COMAX: An expert system for cotton crop management, Crop
Science, 1986, 233, 29-33
CPMSS/CGSM --- A Policy-making System to
Cotton Crop Management
(Cotton Research Institute, CAAS, Anyang, Henan,455112)
Abstract
CPMSS is a policy-making support program for cotton crop management, and CGSM is a
dynamic simulation model for cotton growth and development under high-yield
culture condition. The basic policy-making system to manage cotton cropping a
county is composed of CPMSS and CGSM.
This system have some function as follows: 1. Making a decisive policy project as
a whole. According to the resources of climate, soil and water in the given
region, and forecast climate type of the year, a overall policy-making project to
manage cotton crop is made, and it includes variety, planting date, row spacing,
nitrogen at planting, nitrogen topdressing and application day, PIX and so on. 2.
Dynamic adjusting policy-making during the growing period. according to crop
growing attitude and all the measurements used before, crop developing tendency
can be determined and crop cultural measurements are recommended by the system
during the growing period. 3. The system is able to simulate the structures of
lint yield and estimate the lint yield of this year in the end of August. 4.
Driving CGSM model, the crop developing states during the growing period can be
simulated by the system.
Keywords: cotton, simulate, growth, crop management
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