作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

郭瑞林　王占中　劉亞飛　王景順

摘要：介紹了作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、開(kāi)發(fā)環(huán)境與流程、主要模塊與功能，演示了其實(shí)例。在此基礎(chǔ)上，討論了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與不足，指出了其廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：作物；灰色育種；電腦決策系統(tǒng)；研制；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S11* 7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114(2009)02-0458-04

上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始進(jìn)行作物育種專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究。F.J.Muehlbauer等(1981)首先對(duì)“單粒傳”和集團(tuán)選擇方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬：Mokinion.J.M(1985)將育種專家系統(tǒng)列為農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的潛在領(lǐng)域：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所(01990)以著名小麥遺傳育種學(xué)家莊巧生院士、王恒立研究員和著名玉米遺傳育種學(xué)家李競(jìng)雄院士等多年的育種經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分別研制了“冬小麥新品種選育專家系統(tǒng)”和“玉米雜交種選育專家系統(tǒng)”；孫其信、張愛(ài)民等(1991)依據(jù)小麥產(chǎn)量育種的系統(tǒng)方法、親本選配的最小二乘法、組合表現(xiàn)指數(shù)法和預(yù)測(cè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的標(biāo)準(zhǔn)差距離分組法等方法原理建立了小麥育種親本選配計(jì)算機(jī)評(píng)判系統(tǒng)：遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院(1993)以北方水稻良種選育工作為背景研制了“水稻新品種選育專家系統(tǒng)”。上述專家系統(tǒng)均在一定程度上促進(jìn)了作物育種工作的開(kāi)展，但有一定局限性。馬洪文等(2002)和郭瑞林等(2003)以《作物灰色育種學(xué)》一書(shū)為藍(lán)本，分別研制了以Visual Basic 6.0和PowerBuilder 6.0為基礎(chǔ)的作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)彌補(bǔ)了上述專家系統(tǒng)的某些不足，但前者不包含繼承性，不支持多線程技術(shù)，不能跨平臺(tái)運(yùn)行(只能在Widows操作系統(tǒng)運(yùn)行)，后者則與Widows XP和Vista操作系統(tǒng)不兼容。為此，2007年我們開(kāi)展了基于Java的作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的研制，并取得重要進(jìn)展，從而為作物育種下作者提供了一個(gè)便捷有效的工具和手段。

作物灰色育種學(xué)系灰色系統(tǒng)理論與作物育種理論相結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興學(xué)科。它的誕生標(biāo)志著傳統(tǒng)作物育種向現(xiàn)代化、信息化、定量化育種邁進(jìn)，使作物育種水平由定性經(jīng)驗(yàn)階段上升到定量或定性與定量相結(jié)合階段。在作物育種過(guò)程中采用這種理論與方法，不僅能綜合考慮多種因素，為現(xiàn)代作物育種的多目標(biāo)化提供準(zhǔn)確有效的決策方法，克服傳統(tǒng)育種受主觀判斷和人腦綜合思維能力的局限，而且可實(shí)現(xiàn)作物育種的高度智能化，即使育種新手，也能達(dá)到育種專家那樣的決策水平。因此，以作物灰色育種學(xué)作為理論基礎(chǔ)，研究和開(kāi)發(fā)作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)作物育種事業(yè)的發(fā)-展具有重要意義。

1作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境與流程

1．1開(kāi)發(fā)環(huán)境

作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)采用MVC模式，以美國(guó)Sun公司開(kāi)發(fā)的JAVA 2為技術(shù)支撐，以JBuider 2006為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，以Microsoft Access2000為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，JBuilder 2006是一款強(qiáng)大的Jav。企業(yè)級(jí)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，集成了幾乎所有的Java技術(shù)，涵蓋了軟件開(kāi)發(fā)生命周期的各個(gè)過(guò)程，可以在J2EE的框架下開(kāi)發(fā)各種各級(jí)應(yīng)用程序。不僅可以跨平臺(tái)，適應(yīng)各種各樣的操作系統(tǒng)，做到“一次編程，到處運(yùn)行”，而且可以面向?qū)ο缶幊蹋O(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)清晰，層次分明。易于維護(hù)，可擴(kuò)展性和可重用性得到增強(qiáng)，同時(shí)也提供了4種對(duì)各種數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)訪問(wèn)的統(tǒng)一接口，可以使系統(tǒng)方便地連接到所有現(xiàn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)上，諸如大型數(shù)據(jù)庫(kù)如Ora-ele、Sybase、Microsoft SQL Server、IBMDB2、In-formix等，個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)如Access、Foxpro、Paradox等均能通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行訪問(wèn)。更為可貴的是以Java開(kāi)發(fā)的軟件易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。由此可見(jiàn)，作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境十分優(yōu)越。

1．2開(kāi)發(fā)流程

基于Java的作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)以《作物灰色育種學(xué)》一書(shū)為藍(lán)本，結(jié)合郭瑞林近年來(lái)的成果進(jìn)行二次創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)。其開(kāi)發(fā)流程如下：作物灰色育種系統(tǒng)分析→作物灰色育種系統(tǒng)設(shè)計(jì)→建立作物灰色育種應(yīng)用對(duì)象→生成作物灰色育種用戶對(duì)象、函數(shù)和結(jié)構(gòu)→建立作物灰色育種窗口和菜單→創(chuàng)建作物灰色育種數(shù)據(jù)窗口對(duì)象→編寫(xiě)作物灰色育種事件(包括數(shù)學(xué)模型程序)→調(diào)試應(yīng)用→測(cè)試系統(tǒng)→生成作物灰色育種可執(zhí)行文件。

2作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的主要模塊與功能

作物育種從育種目標(biāo)的制定、親本觀察、雜交組合配制、單株選擇、品系鑒定、品種區(qū)域試驗(yàn)、品種布局到品種利用等一系列活動(dòng)，實(shí)質(zhì)上是一系列的決策過(guò)程。在這些過(guò)程中，要運(yùn)用多種決策模塊，這些模塊是作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的核心。模塊包括：育種目標(biāo)灰關(guān)系分析模塊、親本灰色分類模塊、雜交組合灰色評(píng)判模塊、單株灰色選擇模塊、品種灰色多維綜合評(píng)估模塊、品種灰色布局模塊、品種灰色相似性栽培模塊、病蟲(chóng)害灰色預(yù)測(cè)模塊。上述模塊就像鏈條上的一個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)，順序形成一個(gè)整體，缺一不可。任何一個(gè)環(huán)節(jié)的脫節(jié)，都將使作物育種無(wú)法進(jìn)行。

2．1育種目標(biāo)灰關(guān)系分析模塊與功能

本模塊采用灰關(guān)聯(lián)分析原理與方法，分析各主要性狀對(duì)產(chǎn)量或品質(zhì)的影響，判別主要性狀與次要性狀，明確各性狀之間的數(shù)量關(guān)系，并對(duì)性狀間進(jìn)行量化、序化，從而為確定客觀合理的育種目標(biāo)提供依據(jù)。

2．2親本灰色分類模塊與功能

本模塊采用親本灰色分類原理與方法，定量地確定各親本之間的親疏關(guān)系(遺傳差異)，并按這種關(guān)系從本質(zhì)屬性上將親本進(jìn)行分類，用于指導(dǎo)雜交組合的配制。

2．3雜交組合灰色評(píng)判模塊與功能

本模塊采用雜交組合灰色評(píng)判原理與方法，對(duì)雜種F雜交組合進(jìn)行綜合評(píng)估，從而確定重點(diǎn)組合，使育種工作者在雜種早代就做到胸中有數(shù)，把精力盡早集中到有希望的組合上。

2．4單株灰色選擇模塊與功能

本模塊采用單株灰色選擇原理與方法，依據(jù)灰選性狀定權(quán)系數(shù)，對(duì)育種分離世代個(gè)體或單株進(jìn)行選擇，從而決定取舍。通常將單株分為3個(gè)等級(jí)，一級(jí)單株為重點(diǎn)單株，在以后世代中加以重點(diǎn)觀察、選擇：二級(jí)單株為一般單株，保留種植，并繼續(xù)觀察、選擇：三級(jí)單株則加以淘汰。

2．5品種灰色多維綜合評(píng)估模塊與功能

本模塊采用品種灰色多維綜合評(píng)估原理與方法，從多個(gè)目標(biāo)性狀對(duì)品系鑒定、品種比較試驗(yàn)或生產(chǎn)示范試驗(yàn)的參試品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為品種審定推廣提供科學(xué)依據(jù)，與通常品種比較試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法相比，其優(yōu)越之處就在于可以同時(shí)考慮多個(gè)性狀，因而對(duì)品種的評(píng)價(jià)更加客觀、合理。

2．6品種灰色布局模塊與功能

本模塊采用品種灰色布局原理與方法，對(duì)品種

多點(diǎn)聯(lián)合區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，提出不同生態(tài)類型區(qū)最適宜種植的品種，做到種盡其用，以取得最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其突出優(yōu)點(diǎn)是能夠克服通常分析結(jié)果導(dǎo)致在全省統(tǒng)一推廣平均產(chǎn)量居前幾位的品種的局限，不僅重視廣適性品種的充分利用，而且重視特定適應(yīng)性品種的增產(chǎn)潛能的發(fā)揮。

2．7品種灰色相似性栽培模塊與功能

本模塊采用品種灰色相似性栽培原理與方法，通過(guò)待推廣品種與大面積推廣品種之間在栽培學(xué)特性上的灰色相似度來(lái)確定相似性品種，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良種與良法的配套。與通常栽培試驗(yàn)方法相比，這種方法的不同之處就在于它可以省去繁瑣復(fù)雜的栽培試驗(yàn)，僅根據(jù)某新品種與大面積推廣品種栽培學(xué)特性的相似性程度即可推斷該品種的栽培類型，繼而采用相應(yīng)的栽培技術(shù)和措施與之匹配，在新品種推廣的當(dāng)年，直接實(shí)現(xiàn)良種與良法的配套，從而有效地解決了生產(chǎn)上良種與良法相脫節(jié)的矛盾，使品種的產(chǎn)量和優(yōu)質(zhì)潛力得到充分發(fā)揮。

2．8病蟲(chóng)害灰色預(yù)測(cè)模塊與功能

本模塊采用GM(1，1)模型或模型群，對(duì)作物病蟲(chóng)害行為進(jìn)行災(zāi)變或季節(jié)災(zāi)變預(yù)測(cè)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供病蟲(chóng)害預(yù)防策略。模塊包括病蟲(chóng)害災(zāi)變預(yù)測(cè)和病蟲(chóng)害季節(jié)災(zāi)變預(yù)測(cè)兩種類型。前者指的是作物病蟲(chóng)害行為特征量超出某個(gè)閾值的異常值在何時(shí)再出現(xiàn)的預(yù)測(cè)：后者則指的是作物病蟲(chóng)害行為特征異常值的出現(xiàn)，是在一年中某個(gè)特定時(shí)區(qū)的預(yù)測(cè)。

3作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的應(yīng)用示例

以安陽(yáng)工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院2008年小麥F₂單株選擇為例，說(shuō)明作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)在作物育種中的應(yīng)用。

首先，在Windows桌面上用鼠標(biāo)雙擊作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)圖標(biāo)，進(jìn)入系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)管理菜單內(nèi)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫(kù)連接。接著，點(diǎn)擊“單株灰色選擇”菜單，選擇已輸入的F₂田間人選單株表“F208”，點(diǎn)擊“確定”按鈕，出現(xiàn)[請(qǐng)選灰選性狀]界面(圖1)。選擇參與評(píng)判的灰選性狀，單擊“操作”、“下一步”，進(jìn)入[請(qǐng)輸入灰選等級(jí)1的參數(shù)]界面(圖2)，輸入各性狀相應(yīng)值并提交，出現(xiàn)“灰選等級(jí)1各性狀白化函數(shù)”圖示(圖3)。單擊“下一步”，進(jìn)入[請(qǐng)選擇確定各性狀權(quán)值的方式]界面(圖4)，在“專家確定”、“灰度計(jì)算確定”、“離差計(jì)算確定”、“信息熵計(jì)算確定”和“判斷矩陣確定”5種方式中根據(jù)情況任選其一，奉例選用“判斷矩陣確定”，輸入相應(yīng)值后，單擊“完成權(quán)值確定”、“下一步”，分別出現(xiàn)[請(qǐng)輸入灰選等級(jí)2的參數(shù)]和[請(qǐng)輸入灰選等級(jí)3的參數(shù)]界面，分別輸入相應(yīng)值后并提交，然后點(diǎn)擊“系數(shù)矩陣展示”，即可得到各單株等級(jí)評(píng)定結(jié)果(圖5)。

結(jié)果表明，在F₂田間選取的2031個(gè)單株中，635株為一等單株，占31.3％：1204株為二等單株，占59.3％；192株為三等單株，占9.5％。其中，一等單株可視具體情況在下年適當(dāng)擴(kuò)大種植規(guī)模，重點(diǎn)觀察、選擇；二等單株保留種植，繼續(xù)選擇；三等單株淘汰，整個(gè)過(guò)程5min內(nèi)即可完成，比通常育種工作者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)權(quán)衡決定取舍要快100多倍，大大節(jié)省了時(shí)間，同時(shí)也提高了選擇效果。

4小結(jié)與討論

長(zhǎng)期以來(lái)，作物新品種選育一直處于定性經(jīng)驗(yàn)階段，這也正是為什么從事育種工作的研究人員數(shù)以千計(jì)，而只有少數(shù)育種家才能獲得成功的原因之一。勿庸置疑，育種經(jīng)驗(yàn)包括育種藝術(shù)和技巧，是育種家多年心血和智慧的結(jié)晶，更是育種界寶貴的精神財(cái)富。然而，這些經(jīng)驗(yàn)的獲取，決非一年半載之功。其中，既包含有育種家艱辛的意志磨練，還包含有育種家曠日持久的深厚積累。惟其如此，某些比較棘手的育種難題，育種家能夠做到官止神行，妙手回春，而其他育種工作者尤其是育種新手卻望塵莫及。更何況育種經(jīng)驗(yàn)具有較強(qiáng)的針對(duì)性和時(shí)效性，隨著育種目標(biāo)的變化而有所不同。比如用高產(chǎn)育種的經(jīng)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)育種顯然難敷應(yīng)用。這就更增加了育種經(jīng)驗(yàn)的難以掌控性和神秘性，成為困惑育種工作者的難題之一?；贘ava的作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)的研制成功，為破解這一難題帶來(lái)了希望，其有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

1)提高決策水平和工作水平。由于灰色數(shù)學(xué)模型的引入，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)育種向定量化育種的跨越，即使育種新手也能通過(guò)該系統(tǒng)得到育種專家那樣的決策水平，同時(shí)工作效率也得到成倍提高。

2)可以跨平臺(tái)運(yùn)行。如前所述，該系統(tǒng)是以JBuilder 2006作為開(kāi)發(fā)環(huán)境的，可以做到“一次編程，到處運(yùn)行”。與此之前的育種專家系統(tǒng)相比，它具有良好的跨平臺(tái)運(yùn)行能力，不僅支持Window操作系統(tǒng)，而且支持Linux和Solaris等操作系統(tǒng)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)性。

3)功能齊全，界面友好，易學(xué)易用。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)作物育種過(guò)程各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的決策功能，同時(shí)可視性極強(qiáng)，便捷易學(xué)。

4)具有極高的魯棒性和安全性。該系統(tǒng)全部采用MVC模式，以Java技術(shù)為支撐，可方便地?cái)U(kuò)展為網(wǎng)絡(luò)版。作為網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言，該系統(tǒng)必須提供足夠的安全保障，并且要防止病毒的侵襲。在運(yùn)行育種應(yīng)用程序時(shí)，要嚴(yán)格檢查其訪問(wèn)數(shù)據(jù)的權(quán)限，比如不允許網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序修改本地的數(shù)據(jù)，下載到用戶計(jì)算機(jī)中的字節(jié)代碼在其被執(zhí)行前要經(jīng)過(guò)一個(gè)核實(shí)工具，一旦字節(jié)代碼被核實(shí)，便由Java解釋器來(lái)執(zhí)行，該解釋器通過(guò)阻止對(duì)內(nèi)存的直接訪問(wèn)來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。同時(shí)Java極高的魯棒性也增強(qiáng)了其安全性。

5)支持多線程技術(shù)。多線程使育種應(yīng)用程序可以同時(shí)進(jìn)行不同的操作，處理不同的事件或任務(wù)，互不干涉，不會(huì)由于某一任務(wù)處于等待狀態(tài)而影響了其它任務(wù)的執(zhí)行，這樣就可以容易地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)交互操作，同時(shí)也非常有利于軟件的開(kāi)發(fā)，即使是更新類庫(kù)也不必重新編譯使用這一類庫(kù)的應(yīng)用程序。

上述特點(diǎn)決定了作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。相信隨著時(shí)間的推移，將會(huì)成為育種工作不可或缺的有效工具。當(dāng)然，該系統(tǒng)也有不足之處，譬如表格創(chuàng)建、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)修改等不如Excel方便快捷，雖然可以通過(guò)在Excel上完成數(shù)據(jù)輸入，然后從系統(tǒng)內(nèi)Aceees dbl.mdb中導(dǎo)人來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接，但畢竟有所不便，因此尚待今后進(jìn)一步研究與改進(jìn)。

(責(zé)任編輯王曉芳)