基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)模型構建

金松林,鄭穎,姜小苓,張自陽,劉明久,茹振鋼,王斌

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)模型構建

金松林,鄭穎,姜小苓,張自陽,劉明久,茹振鋼,王斌

（河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于TRIZ理論構建了小麥育種專家系統(tǒng)模型,旨在利用該系統(tǒng)為小麥育種科研人員在短時間內提供創(chuàng)新育種的思路、技術及方法,解決目前常規(guī)小麥育種過程中所面臨的效率低下、創(chuàng)新力不夠的問題,克服常規(guī)育種方法中的不足.

TRIZ理論；小麥育種；專家系統(tǒng)

農業(yè)是我國立國之本,因此農業(yè)的發(fā)展問題一直作為我國的戰(zhàn)略安全問題.如何提高農業(yè)生產效率,最終使我國由農業(yè)大國發(fā)展為農業(yè)強國是每一個農業(yè)工作者必須思考的問題.“十三五”期間我國計劃實施“互聯網+”現代農業(yè),利用現代技術發(fā)展現代農業(yè)是提高農業(yè)生產效率的必由之路.

TRIZ理論在最近幾年才被引入我國,該原理不僅可以指導科學創(chuàng)新且可以使創(chuàng)新過程具體化. TRIZ理論被引入我國后,在機械、電子、化工、食品、航空、船運、建筑及經濟領域得到普遍的應用,取得了明顯的經濟和社會效益.

隨著TRIZ理論的推廣普及,農業(yè)領域中的水稻育種[1]、食用菌病蟲害防治[2]、植物組織培養(yǎng)技術[3]等應用TRIZ理論獲得了一些全新的指導思想和解決方案.但是,在各種小麥育種方法中,從未見TRIZ理論應用于該領域.就育種方法而言,21世紀前半葉,常規(guī)育種是小麥育種采用的主流方法,但是該方法組織形式落后,存在各種各樣的問題,這些問題嚴重地制約著小麥育種工作[4].

本文結合TRIZ理論的解題流程、問題求解模式及最新研究成果,構建基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)模型,為小麥育種提供科學、高效、可供借鑒的育種思路,從而縮短小麥育種時間,提高育種效率.

1TRIZ理論的基本概念及核心思想

1.1 TRIZ理論的基本概念

TRIZ理論由根里奇·阿奇舒勒帶領自己的研發(fā)團隊通過對幾百萬份創(chuàng)新案例和發(fā)明專利進行分析總結,最終創(chuàng)建出TRIZ理論（Theory of Inventive Problem Solving）,其含義為發(fā)明問題解決理論[5].

1.2 TRIZ理論的核心思想

TRIZ理論主要包括3個方面：第一,絕大多數的技術發(fā)明,使用的方法和原理是重復的,即使在解決不同行業(yè)中的問題時,所采用的方法和原理也是相同的；第二,在任何發(fā)明創(chuàng)造的過程中,所用的技術和方法的發(fā)展都不是隨機的,而是按照某種客觀規(guī)律進化而來的；第三,任何技術和方法都是想用最少的資源獲取最大的收益.

2TRIZ理論創(chuàng)新問題解決流程及求解模式

TRIZ理論的研究團隊總結了應用于實踐的多種方法,結合國內外TRIZ研究機構對TRIZ理論的豐富、完善和發(fā)展,TRIZ理論創(chuàng)新問題解決流程如圖1所示.

圖1 TRIZ理論創(chuàng)新問題解決流程Fig.1 The process of innovative problems solving based on TRIZ

TRIZ理論的創(chuàng)新方法有自己的獨特的優(yōu)勢[6-7].它為科研人員提供了可操作性比較強的科學方法,幫助科研人員快速、高效、準確地找到問題的核心,并將其轉化成問題模型,進而對問題進行系統(tǒng)分析,在此基礎上確定影響問題解決的核心問題或根本矛盾,然后選擇運用TRIZ理論數據庫中提供的原理、方法和原則等按照程序有步驟地解決問題,其問題解決模式如圖2所示.

圖2 TRIZ理論問題解決模式Fig.2 The model of problems solving based on TRIZ

3 小麥常規(guī)育種技術

小麥常規(guī)育種,即通過雜交育種的方法,把分屬于不同品種包括野生種的一些有利基因聚合到一個品系中,培育出高產、優(yōu)質、多抗的農作物新品種,該育種方法為提高我國小麥產量做出了卓越的貢獻.

2015年我國小麥每公頃產量比2014年增加141.6 kg,產量提高了2.9%,其中小麥常規(guī)育種技術的進步為增產發(fā)揮了重要的作用.毋庸置疑,常規(guī)育種在農業(yè)發(fā)展過程中的貢獻是巨大的,但是,隨著生產力的發(fā)展和育種目標的提高,要求育種工作者快出品種,出好品種,常規(guī)育種技術就顯得力不從心了.主要原因是因為小麥常規(guī)育種技術有其自身的缺點：一是育種周期長,從雜交組合選配到育出品種審定需要7～10 a的時間；二是效率低,育種單位每年要配制幾百至幾千個雜交組合,配制的雜交組合中僅有1%左右的雜交組合有希望通過審定；三是預見性差,早期的育種選擇大多建立在目測的基礎上,但由于種種因素的影響,很難預測雜交后代的表現,因此優(yōu)良的基因型被發(fā)現的概率不高.

小麥育種專家系統(tǒng)可以在育種科研人員進行田間試驗之前,利用小麥育種積累的大量數據建立比較真實的育種思路及育種方法,利用計算機對育種過程進行模擬,選擇出最佳的育種策略,從而大大減少育種時間,提高育種效率,為育種工作者提出可供參考的育種方案.

4 基于TRIZ理論的小麥育種模型的構建

4.1 一般專家系統(tǒng)結構

專家系統(tǒng)是一個利用現代信息技術,模擬人類專家解決某領域內復雜問題的智能問答系統(tǒng).專家系統(tǒng)一般包含4個主要部分：知識庫、推理機、知識獲取、解釋器[8],其結構如圖3所示.

圖3 專家系統(tǒng)結構Fig.3 The structure of the expert system

4.1.1 人機交互界面用戶可以通過人機交互界面向系統(tǒng)提出問題,系統(tǒng)對問題進行分析、推理,將問題解決方案通過該界面返回給用戶.

4.1.2 推理機推理機采取某種控制機制和匹配策略,根據當前數據庫中存儲的內容,針對用戶提出的問題,根據數據中的知識進行反復分析、推理,從而給出用戶提出問題的解決方案.

4.1.3 解釋器解釋器的主要功能是將輸入到專家系統(tǒng)的信息進行轉化翻譯,按照一定的規(guī)則,解釋成系統(tǒng)能夠識別的形式.

4.1.4 知識庫知識庫是為系統(tǒng)中推理機提供服務的,主要用于存儲某領域的知識和經驗,其中包括領域內的知識原理、成功案例等.

4.1.5 知識獲取知識獲取模塊設計的好壞直接影響專家系統(tǒng)中知識庫的質量,是整個系統(tǒng)設計的關鍵.該模塊通過不同的方式從不同的專家處獲取知識,可以擴充和修改原知識庫中的內容,也可以實現知識庫的自動學習.

4.2 基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)模型

將TRIZ理論應用于小麥育種領域構建小麥育種專家系統(tǒng),該系統(tǒng)可為小麥育種科研人員在短時間內提供創(chuàng)新育種的思路、技術及方法,解決目前常規(guī)小麥育種過程中面臨的效率低下、創(chuàng)新力不夠的問題.

該系統(tǒng)主要由小麥育種知識庫、主要功能模塊、知識獲取、推理機、解釋器等模塊組成,其結構如圖4所示.

圖4 基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)Fig.4 The wheat breeding expert system based on TRIZ

小麥育種科研人員可以通過該專家系統(tǒng)實現小麥品種育種解決方案、育種思路等小麥相關育種知識的獲取,同時小麥科研人員也可以利用自己的育種經驗及成功的育種實踐案例對小麥育種知識庫進行添加,不斷豐富和完善知識庫.

4.2.1 知識庫

（1）小麥育種知識原理數據庫

小麥育種知識庫主要包括三部分內容：一是育種理論,主要包括各種育種的理論知識；二是育種實驗技術,包括各小麥品種育種時的實驗參數；三是小麥遺傳信息,主要包小麥品種進化過程中積累的海量遺傳信息.

（2）小麥品種知識庫

對現有小麥品種的數據（主要包括小麥生理育種數據庫、生化育種數據庫、分子育種數據、育種常用實驗技術數據）進行歸納總結,將TRIZ理論與小麥育種知識相結合,形成具有一定規(guī)則的知識體系并將其儲存在小麥品種知識庫中,為小麥育種專家系統(tǒng)指導小麥育種創(chuàng)新提供思路.

（3）小麥育繁推成功案例庫

將現階段不同生態(tài)區(qū)審定的小麥品種大面積推廣應用的實施辦法總計形成數據庫,例如,對河南科技學院百農系列小麥品種、周口農科院周麥系列小麥品種、新鄉(xiāng)市農科院新麥系列小麥品種、河南農科院鄭麥系列小麥品種等育繁推一體化實施機制進行總結,提煉升華,得到可行的育繁推一體化可操作方法.

（4）小麥專家育種思路庫

小麥育種科研人員掌握大量育種知識和豐富的育種經驗與育種思路,并且具有解決小麥育種過程中性狀沖突的技術方法,可以把小麥育種過程中遇到的問題歸納起來,分為不同的問題類型,方便為不同的育種要求提供不同的育種思路.

4.2.2 主要功能模塊

（1）人機交互模塊

本模塊主要為小麥育種科研人員提供一個友好的提問界面,用戶通過該界面能方便地使用小麥育種專家系統(tǒng).

（2）專家預警模塊

本模塊主要針對專家系統(tǒng)模擬出的新品種培育方案,從品種進化、社會效益、生態(tài)效益角度,預測小麥品種在未來的推廣應用過程中所出現的問題.

（3）專家推理模塊

本模塊主要根據小麥育種科研人員提出的育種要求,推理機通過對科研人員的描述來提取關鍵信息,與知識庫中的知識及案例進行匹配對比,得到比較有效的解決方案.利用該模塊實現的關鍵是對所培育的品種要有一個詳細的描述,最好能把培育的品種性狀等指標數量化.

（4）專家問答模塊

該模塊主要實現小麥育種科研人員與在線專家實時交流溝通,共同討論在育種過程中遇到的問題,還可以通過留言的方式向專家提問.

（5）TRIZ工具模塊

首先把小麥育種中需要解決的問題,提煉升華轉化為TRIZ問題,然后利用TRIZ理論工具,獲得該TRIZ問題的通用解決方案,最后小麥育種人員將通用解決方案轉化為小麥育種領域的創(chuàng)新解決方案.

通過與TRIZ理論結合,將知識庫中的育種知識經驗作為TRIZ理論指導創(chuàng)新育種的基本的規(guī)則.由于不同的專家對于育種知識、經驗、思路的描述不同,需要TRIZ工程師與育種專家緊密結合,用比較準確的方法來獲取知識、經驗和思路,然后以規(guī)范的規(guī)則通過編輯存儲到計算機中去.隨后通過不斷的小麥育種實踐逐步修正和完善小麥育種專家系統(tǒng),為今后小麥育種科研人員提供更好的創(chuàng)新育種思路.

5 小麥育種專家系統(tǒng)展望

TRIZ的創(chuàng)新思維揭示了事物的發(fā)展規(guī)律,基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)可以避免常規(guī)育種方法中所做的大量室內和田間試驗,不僅節(jié)省大量的人力、物力及財力,還可以在不同的育種策略中進行分析比較,提高育種工作者的育種效率.然而,小麥育種學是實踐性較強的學科,小麥育種方法與育種思路的優(yōu)化等研究要來源于育種實踐.在小麥育種研究過程中,小麥育種專家系統(tǒng)必須與育種實踐緊密結合,不斷發(fā)現、解決系統(tǒng)中存在的問題,逐步補充豐富育種數據庫,讓小麥專家專家系統(tǒng)推薦出最優(yōu)的小麥育種策略供小麥育種科研人員使用,其相關效果也才能接受實踐的檢驗.

[1]閔軍,羅郝榮,段永紅,等.運用TRIZ創(chuàng)新方法選育抗逆型優(yōu)質稻品種[J].湖南農業(yè)科學,2012（15）：3-5.

[2]趙鶴,王延鋒,董雪梅,等.基于TRIZ理論食用菌病蟲害化學防治方法初探[J].中國食用菌,2013,32（5）：65-66.

[3]韓彥良,曲芬霞.TRIZ理論在植物組織培養(yǎng)技術中的應用研究[J].安徽農業(yè)科學,2011,39（28）：17188,17234.

[4]何中虎,夏先春,陳新民,等.中國小麥育種進展與展望[J].作物學報,2011,37（2）：202-215.

[5]張玉靜.基于TRIZ的產品創(chuàng)新設計研究及軟件開發(fā)[D].濟南：山東大學,2009：41-44.

[6]周永清,臧鐵鋼,吳欣.TRIZ應用研究綜述及展望[J].江蘇科技信息,2015（14）：66-69.

[7]武青艷,陳瑞三,羅玲玲.TRIZ理論的優(yōu)勢特點及其局限性[J].遼寧教育行政學院學報,2013（4）：17-21.

[8]敖志剛.人工智能及專家系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010.

（責任編輯：盧奇）

Constructing of wheat breeding expert system based on TRIZ

JIN Songlin,ZHENG Ying,JIANG Xiaoling,ZHANG Ziyang,LIU Mingjiu,RU Zhengang,WANG Bin
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A system model for wheat breeding expert was constructed based on theory of inventive problem solving in this paper.This model was used to provide some ideas,technique and methods of innovative breeding,for wheat breeding researchers in short time period.Besides,it can overcome the shortcomings in the process of conventional wheat breeding,for example,inefficiency and low level of innovative ability.

TRIZ；wheat breeding；expert system

TP182

A

1008-7516（2016）04-0051-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.011

2016-03-24

科技部創(chuàng)新方法研究專項（2013IM030700）；科技部創(chuàng)新方法工作專項項目（2015IM010400）；河南科技學院青年教師資助計劃（201010714004）

金松林（1983―）,男,河南周口人,碩士,助教.主要從事農業(yè)信息化研究與應用.

王斌（1977―）,男,甘肅蘭州人,碩士,講師.主要從事TRIZ理論的研究與應用.