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
棉花生产管理决策支持系统CPMSS的设计与实现
董占山 潘学标 吴同礼 邓绍华 蒋国柱
(中国农科院棉花研究所)
提要: 我们采用Turbo PROLOG在微机上实现了一个棉花生产管理决策支持系统CPMSS, 本文详细介
绍CPMSS的设计思想和系统设计中的几个关键问题。
关键词: 棉花,生产管理,决策
一、前言
随着农业生产的工业化和现代化,美国、荷兰、澳大利亚等国，从60年代开始就展开了作物生产的计
算机模拟, 在80年代初又把作物模拟技术与人工智能技术相结合, 实现农业生产管理和措施推荐的
智能化、现代化, 为农业生产的发展开创了新的途径。较成功的例子有：美国以Ritchie为首研制
的CERES系列软件, 和Baker等研制的COMAX/GOSSYM; 还有澳大利亚Hearn等研制的SIRATAC。国内
有江苏省农科院高亮之等人研制的RCSODS水稻栽培管理系统。
“七五”期间，我们以系统论为指导思想，采用人工智能技术，广泛收搜集植棉专家和传统的棉花
高产栽培经验，初步建成了一个可管理亩产100公斤左右皮棉的棉花生产管理决策支持系统CPMSS。
在多年棉花生理和生态理论研究的基础上，运用作物模拟技术，建立了高产栽培条件下的棉花生长
发育和产量形成的动态模拟模型CGSM, 从而得到一个适合于县级棉花生产管理的决策系统
CPMSS/CGSM。本文仅对CPMSS的设计思想和设计原理进行阐述。
二、CPMSS的系统设计思想
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,他们都积累了许多丰富的经验,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,皆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; 其三,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; 最后，为了方便
用户的使用,人机接口应全部选用菜单提示。
CPMSS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。
这样得到的CPMSS系统具有很大的灵活性,一方面，可以随时修改已有知识和向知识库添加新的知识,
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在遵照一定原则的条
件下,可以独立进行改进、完善和运行。
三、CPMSS的设计与实现
CPMSS是由知识库管理子系统、推理机、关系数据库、动态数据库和接口模块等组成的。下面介绍系
统设计的几个关键，即知识库管理子系统和推理机的设计以及系统的接口技术。
(一)知识库管理子系统
CPMSS的知识库管理子系统有五部分组成: 加载知识库、存贮知识库、浏览知识库、知识删除和知识
获取。
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）
知识库的内在表示是通过谓词Rule、Cond和Fact来表达。
Rule谓词的各对象的含义如下：
谓词名（序号，父节点名，子节点名，条件编号，措施编号）
Cond谓词名的各对象的含义如下:
谓词名（序号，节点名，条件式，用量，增量）
Fact谓词的各对象的含义如下：
谓词名（序号，节点名，内含，百分率）
采用这种表示方法可读性强，不仅便于修改与扩充，也便于机器查询，且容易和其他各功能模块接
口。
2、知识获取机构的实现
CPMSS知识的获取主要是这通过人工获取方法和半自动获取方法进行的。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。
知识获取机构包括删除规则、修改规则、添加规则与直接编辑四种功能，下面以“修改规则”为例
，说明具体的设计方法。图1为修改规则的流程图。由图1可知：系统首先向用户提问，要求输入父
结点和子结点名，若规则存在就显示，然后一步一步询问是否修改结点名、条件和措施等各项，直
至完成。
(二)CPMSS推理机的实现
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1、修改规则的控制流图
Fig.1 The flow chart of modifying rules
本系统推理机由总控模块与子模块两部分组成, 总控模块完成选定推理目标的功能, 并根据当前的
目标, 调入相应的子控模块。子控模块首先进行初始化工作, 然后对欲求解的子
图2、推理机构控制流程图
Fig.2 The flow chart of the inference engine
问题进行反向推理, 展开系统与用户之间的会话。显示菜单的先后次序是由知识库中的规则决定的
。选择完成后, 便进入推理工作, 整个推理过程是依图2所示的流程来实现的。
(三)CPMSS的接口技术
在CPMSS中, 人机交互采用了菜单式窗口界面, CPMSS与CGSM的交互则采用知识解译器来完成。
1、人机接口技术
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
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,系统立即会回答该数据在推理中所起的作
用。
2、CGSM与CPMSS的接口技术
在CPMSS中, 数据流是以规则或事实形式出现的, 而在CGSM中数据流是以数值形式表达的, 当其间
需要数据交换时, 存在不兼容的问题。一方面, CPMSS从用户那里取得的事实如施肥、喷缩节安等
具体措施是以事实形式存放在CPMSS的动态数据库中的, 当它驱动CGSM运行时, 要将这些数据传递
给CGSM,以便在其运行过程中使用;另一方面,当CGSM运行完毕后,要把输出的结果传输给CPMSS,便于
CPMSS推理过程中使用。
为了解决这个数据共享问题，在CPMSS中设计了一个知识解译器, 它可以把CPMSS输给CGSM的数据转
变为CGSM可接受的格式, 也可把CGSM输出给CPMSS的数据转变为CPMSS可接受的事实格式,加到动态
数据库中。
四、结语
在CPMSS的系统设计过程中,我们查阅了大量资料,取人之长,补己之短,采用先进的思想方法,进行细
致的设计, 力求精益求精, 使CPMSS具有通用、简便、高效和实用的优点，当然CPMSS仍有一些不合
理之处, 有待改进提高。
开发CPMSS的指导思想是完成一个可操作各种作物生产管理知识库的决策支持系统外壳, 也即, 只
要给CPMSS匹配某个作物的生产管理知识库和生长发育的模拟模型, 它就可以根据这些知识, 完成
尽可能完善的推理判断, 为用户推荐优化的决策方案，这只是开发通用的作物生产管理决策支持系
统的一个尝试。
目前，我们给CPMSS配备了有关棉花生产管理的知识库COTTON.KBS和生长发育的模拟模型CGSM, 形
成了一个棉花生产管理决策系统CPMSS/CGSM, 它可以较成功地完成植棉专家的决策过程, 这对推广
和保存棉花栽培专家的经验是一个质的飞跃, 它的推理决策过程初步达到人类专家的熟练水平。
参考文献
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Columbia
Design and Realization of CPMSS---a Decision-making
Support System for Cotton Crop Management
Dong Zhanshan Pan Xuebiao Wu Tongli
Deng Shaohua Jiang Guozhu
(Cotton Research Institute, CAAS, Anyang, Henan, 455112)
Abstract: CPMSS was established in microcomputer, and its programming adopted
Turbo PROLOG 2.0--a artifical intellectal language. This paper introduces the
thought and some key problems for designing CPMSS in detail.
Key word: cotton, crop management, decision-making
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