基于移動(dòng)互聯(lián)平臺(tái)的馬鈴薯生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張永恒， 張 峰，2， 吳敏寧， 劉紅霞

（1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710065）

專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)處理該領(lǐng)域問(wèn)題[1]。也就是說(shuō)，專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量的專門(mén)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過(guò)程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問(wèn)題，簡(jiǎn)言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是把專家系統(tǒng)知識(shí)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一項(xiàng)運(yùn)用人工智能技術(shù)來(lái)匯集總結(jié)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里的知識(shí)技術(shù)、以及通過(guò)試驗(yàn)得到的各種數(shù)據(jù)資料和數(shù)學(xué)模型等，用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編制的能指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)智能軟件。

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如作物栽培、植物保護(hù)、配方施肥、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益分析、市場(chǎng)銷(xiāo)售管理等[2]。例如，病蟲(chóng)草害防治專家系統(tǒng)是針對(duì)作物不同時(shí)期出現(xiàn)的各種癥狀和不同環(huán)境條件，診斷可能出現(xiàn)的病蟲(chóng)草災(zāi)害，并提出有效的防治方法。栽培管理專家系統(tǒng)是在各個(gè)作物的不同生育期，根據(jù)不同的生態(tài)條件，進(jìn)行科學(xué)的農(nóng)事安排，其中包括栽培、施肥、灌水、植物保護(hù)等[3]。栽培部分包括品種選擇、種子準(zhǔn)備、整地、播種、田間管理與收獲，優(yōu)化它們之間及其與產(chǎn)量之間的關(guān)系[4]；施肥部分主要是優(yōu)化肥料與產(chǎn)量的關(guān)系；水分管理部分主要是合理灌排，優(yōu)化水分與產(chǎn)量的關(guān)系；植保部分主要是病蟲(chóng)草害的預(yù)測(cè)和控制。

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)來(lái)自專家經(jīng)驗(yàn)，它們代替為數(shù)極少的專家群體，走向地頭，進(jìn)入農(nóng)家，在各地具體地指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)種田，培訓(xùn)農(nóng)業(yè)技術(shù)人員，把先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)技術(shù)直接交給廣大農(nóng)民，這是科技普及的一項(xiàng)重大突破[5]。

本文將計(jì)算機(jī)技術(shù)與農(nóng)學(xué)有機(jī)結(jié)合、將專家系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)建設(shè)面向榆林市基層技術(shù)人員和廣大農(nóng)戶服務(wù)的馬鈴薯生產(chǎn)管理農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)；為馬鈴薯生產(chǎn)提供全過(guò)程的決策和指導(dǎo)，并利用互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息渠道，加快馬鈴薯科技成果的轉(zhuǎn)化，加快馬鈴薯生產(chǎn)技術(shù)的推廣應(yīng)用；幫助基層農(nóng)業(yè)技術(shù)人員和農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者進(jìn)行科學(xué)管理決策，并快捷、方便地提供專家水平的技術(shù)指導(dǎo)，用信息技術(shù)推動(dòng)榆林馬鈴薯生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

1 系統(tǒng)主要功能模塊分析

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

統(tǒng)中由推理決策模塊，從選地、播種、灌溉、田間管理、收獲和貯藏等各個(gè)階段都給出了專家決策，便于對(duì)用戶進(jìn)行馬鈴薯種植的專家性指導(dǎo)和幫助。本信息管理系統(tǒng)由以下四大子系統(tǒng)組成。

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)：主要實(shí)現(xiàn)馬鈴薯生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)提供了馬鈴薯從種到收、到貯藏的各種信息支持，以移動(dòng)互聯(lián)的形式提供馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題，包括生長(zhǎng)發(fā)育、環(huán)境效應(yīng)、退化脫毒、栽培技術(shù)、收獲貯藏、加工利用等，另外把推理決策作為一個(gè)模塊集成到了系統(tǒng)之中，它具有繼承性、集成性、復(fù)制性、便捷性等特點(diǎn)。用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端或計(jì)算機(jī)訪問(wèn)系統(tǒng)平臺(tái)。

2）移動(dòng)互聯(lián)管理平臺(tái)：包括栽培與管理知識(shí)、咨詢服務(wù)、播前準(zhǔn)備、品種信息等功能。系統(tǒng)平臺(tái)以服務(wù)農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民為目標(biāo)，針對(duì)榆林市農(nóng)業(yè)地域廣、區(qū)域性強(qiáng)、生產(chǎn)個(gè)體分散的特點(diǎn)，建立以信息技術(shù)為支撐的農(nóng)業(yè)推廣體系，引導(dǎo)農(nóng)民依靠農(nóng)業(yè)科技發(fā)展經(jīng)濟(jì)。

3）系統(tǒng)管理平臺(tái)：對(duì)系統(tǒng)的安全、用戶、知識(shí)庫(kù)和模型等進(jìn)行管理。

4）生產(chǎn)管理咨詢系統(tǒng)：包括播期、播量、品種、施肥、田間管理等決策。具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 功能組成圖Fig.1 Functional components

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，利用國(guó)際上流行的“客戶層/服務(wù)層/數(shù)據(jù)層”三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，建立在Java EE技術(shù)架構(gòu)基礎(chǔ)之上。采用安卓平臺(tái)技術(shù)，組合多層次的統(tǒng)一的類庫(kù)集合，以后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，通過(guò)前臺(tái)瀏覽器管理和運(yùn)行。Web瀏覽器為表現(xiàn)層，主要提供專家系統(tǒng)人機(jī)交互界面中信息的表示和數(shù)據(jù)的收集，包括多媒體信息，表單（面向系統(tǒng)）以及決策結(jié)果（面向用戶）的提交等[6]。Web服務(wù)器為應(yīng)用層（或功能層），提供專家系統(tǒng)中與應(yīng)用邏輯有關(guān)的各種服務(wù)構(gòu)件，也是系統(tǒng)運(yùn)行的樞紐部分。它響應(yīng)用戶發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，執(zhí)行某種業(yè)務(wù)任務(wù)，并對(duì)響應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和對(duì)數(shù)據(jù)源層的訪問(wèn)與操作，用戶不需要直接與數(shù)據(jù)庫(kù)打交道。數(shù)據(jù)源層提供和管理大量的數(shù)據(jù)。前兩層實(shí)現(xiàn)頁(yè)面結(jié)構(gòu)和元素的定義，而把該頁(yè)面的大量元素值即數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理放在中間層。從而站點(diǎn)結(jié)構(gòu)維護(hù)和數(shù)據(jù)更新成為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。這種結(jié)構(gòu)的最大好處就是把應(yīng)用程序和計(jì)算邏輯全部移植到服務(wù)器端，客戶端只保留界面統(tǒng)一的瀏覽器，便于維護(hù)和減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

在邏輯上系統(tǒng)由3部分組成，即3G用戶端移動(dòng)系統(tǒng)、后臺(tái)管理平臺(tái)系統(tǒng)和知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)；從硬件組成上講，3G移動(dòng)系統(tǒng)也由3部分組成，即監(jiān)控中心、通訊網(wǎng)絡(luò)和用戶終端。用戶使用場(chǎng)景如如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.2 System architecture diagram

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 用戶訪問(wèn)合法性控制

系統(tǒng)訪問(wèn)控制層采用Seam的Action作為用戶訪問(wèn)控制器，Seam的Action實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，通過(guò)繼承Seam的Action基類重載execute方法，并在該方法里調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯組件的業(yè)務(wù)方法。通過(guò)上述分析，在本系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)所有的Action有個(gè)共同之處是都需要調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯組件。而在分析服務(wù)層時(shí)，業(yè)務(wù)邏輯組件統(tǒng)一封裝成了工廠類ManagerFactory，所以定義一個(gè)基類BaseAction，讓所有的Action都從基類派生。BaseAction基類代碼如下所示。

在本系統(tǒng)中，大多模塊需要驗(yàn)證用戶是否登錄系統(tǒng)，所以為所有登錄驗(yàn)證的Action設(shè)計(jì)一個(gè)安全控制基類SecureValidBaseAction， 在 SecureValidBaseAction類 中 的execute方法中，首先檢查用戶是否己登錄，如果沒(méi)有登錄，則將用戶導(dǎo)向登錄頁(yè)面，否則執(zhí)行todoExecute邏輯。todoExecute方法是在SecureValidBaseAction定義的抽象方法，該方法與一般的Action類的execute方法類似，有相同的參數(shù)。SecureValidBaseAction的實(shí)現(xiàn)類不在執(zhí)行execute方法，而是實(shí)現(xiàn)todoExecute方法。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)主要由客戶端 （包括蘋(píng)果平臺(tái)，Android平臺(tái)，Blackberry黑莓平臺(tái)等），服務(wù)器端主要由App Web服務(wù)，App連接服務(wù)，PUSH連接服務(wù)等組成，外部依賴系統(tǒng)主要由第三方移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)中間件組成，系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System structure of the platform process diagrams

2.3 業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)邏輯架構(gòu)

用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端了解馬鈴著各種生長(zhǎng)特性，如播前準(zhǔn)備，品種介紹，病蟲(chóng)害診斷與防治等。系統(tǒng)業(yè)務(wù)客戶端實(shí)現(xiàn)邏輯架構(gòu)如圖4所示。

2.4 系統(tǒng)的功能模塊

為了使用系統(tǒng)平中具有可擴(kuò)展的功能，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，該平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)組織機(jī)構(gòu)信息、人員信息、功能模塊信息、用戶管理、角色管理、用戶角色權(quán)限設(shè)置 、日志管理，系統(tǒng)主界面功能區(qū)域主要?jiǎng)澐譃?個(gè)區(qū)，分別為導(dǎo)航區(qū)、功能設(shè)定區(qū)和結(jié)果顯示區(qū)。其登錄模塊如圖5所示。

當(dāng)用戶通過(guò)登錄界面輸入用戶名，密碼后，單擊“登錄”按鈕，如用戶名，密碼無(wú)誤后則可進(jìn)入系統(tǒng)窗口?？梢赃M(jìn)入移動(dòng)平臺(tái)主界面進(jìn)行各功能模塊的操作，如馬鈴著各種生長(zhǎng)特性，如播前準(zhǔn)備，品種介紹，病蟲(chóng)害診斷與防治等。系統(tǒng)主界面布局如圖6所示。

圖4 移動(dòng)終端功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Mobile terminal functional structure

為了滿足不同用戶的需求，能處理更多的知識(shí)信息，本系統(tǒng)運(yùn)行在Internet，用戶只要通過(guò)瀏覽器就可以獲得所需信息。由于本系統(tǒng)面對(duì)的主要用戶為農(nóng)戶和鄉(xiāng)村農(nóng)技人員，因此不適宜用過(guò)多的專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表述，操作也不宜過(guò)于復(fù)雜。設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面時(shí)盡量采用所見(jiàn)即所得的方式，將描述和操作簡(jiǎn)化。該平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)組織機(jī)構(gòu)信息、人員信息、功能模塊信息、用戶管理、角色管理、用戶角色權(quán)限設(shè)置 、日志管理，系統(tǒng)主界面功能區(qū)域主要?jiǎng)澐譃?個(gè)區(qū)，分別為導(dǎo)航區(qū)、功能設(shè)定區(qū)和結(jié)果顯示區(qū)。瀏覽器端界面布局如圖7所示。

圖5 系統(tǒng)登錄界面布局Fig.5 System login screen layout

圖6 系統(tǒng)主界面布局Fig.6 The main interface layout

3 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的基于移動(dòng)互聯(lián)平臺(tái)的馬鈴薯生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)為基層技術(shù)人員和廣大農(nóng)戶服務(wù)的馬鈴薯生產(chǎn)管理農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，為馬鈴薯生產(chǎn)提供全過(guò)程的決策和指導(dǎo)。采用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和系統(tǒng)集成技術(shù)，將馬鈴薯專家多年積累的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和方法以及大量的馬鈴薯作物普遍性知識(shí)，建立核心知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。支持馬鈴薯全生命周期的規(guī)范化管理和種植運(yùn)作管理，具有較強(qiáng)的可移值性，能方便地集成其他多媒體輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)擴(kuò)大用戶了解信息渠道，加快馬鈴薯科技成果的轉(zhuǎn)化，加快馬鈴薯生產(chǎn)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

圖7 系統(tǒng)總體布局Fig.7 The overall layout of the system

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