“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)的專家知識庫子系統(tǒng)設(shè)計

摘要：“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，解決當(dāng)今農(nóng)業(yè)水肥利用不當(dāng)?shù)戎匾獑栴}?；趯嵱眯院筒僮餍裕槍Α八室惑w化”自動控制系統(tǒng)的專家知識庫子系統(tǒng)涉及的架構(gòu)、功能、數(shù)據(jù)存儲、檢索算法及操作頁面給出概要設(shè)計，并具體介紹了該子系統(tǒng)核心層的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：水肥一體化；知識庫；知識檢索；知識管理；專家決策

中圖分類號：S24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）12-3189-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.12.048

Abstract：“Integration of water and fertilizer” automatic control system based on the development trend of modern agriculture to address the important issues of today's agricultural and fertilizer use improper. Based on practical and operational， expert for the “Integration of water and fertilizer” automatic control system architecture knowledge base subsystem involved， data storage， retrieval algorithm design and operation of the page gives a summary and specific description of the subsystem core structural design and functional layer implementation.

Key words：integration of water and fertilizer；knowledge base；knowledge retrieval；knowledge management；expert decision

中國是人口眾多的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)問題關(guān)系到中國國計民生。農(nóng)業(yè)用水約占全國總用水量的73%，以主要的糧食作物小麥、玉米為例，用水量占到中國農(nóng)業(yè)用水量的60%[1，2]，有效利用率低，水資源浪費十分嚴(yán)重。盡管采取了嚴(yán)格的耕地保護(hù)措施，但大量農(nóng)業(yè)灌溉水源被城市生活和工業(yè)占用，耕地資源減少的勢頭難以逆轉(zhuǎn)，水資源短缺的壓力進(jìn)一步增大。按照黨中央提出的“穩(wěn)糧增收、提質(zhì)增效、創(chuàng)新驅(qū)動”[3]，努力在提高糧食生產(chǎn)能力上挖掘新潛力，在優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)上開辟新途徑，在轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式上尋求新突破，在促進(jìn)農(nóng)民增收上獲得新成效，除了調(diào)整現(xiàn)有農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)外，從技術(shù)環(huán)節(jié)上開展節(jié)水節(jié)肥設(shè)備研究迫在眉睫[4]。

為了解決以上問題，設(shè)計研發(fā)了“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)，該知識庫系統(tǒng)是“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)?！八室惑w化”自動控制系統(tǒng)整合了計算機技術(shù)、電子信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和施肥技術(shù)，依托于專家知識庫系統(tǒng)，提供施肥灌溉建議量，實現(xiàn)自動化地灌溉施肥，全面提升農(nóng)田水肥利用效率，不僅科學(xué)、節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能、節(jié)省人力，而且還可大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時減輕了施肥對環(huán)境的污染[5，6]。該系統(tǒng)共有3個子系統(tǒng)。

1）農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由環(huán)境土壤溫度采集器、環(huán)境土壤水分采集器組成，為專家知識庫提供農(nóng)作物實時種植環(huán)境數(shù)據(jù)。

2）專家知識庫子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)采用農(nóng)藝與信息技術(shù)技術(shù)，結(jié)合實際種植過程中的經(jīng)驗，針對農(nóng)作物在不同季節(jié)、不同生長階段的根水肥吸收規(guī)律建立而成，并結(jié)合農(nóng)作物種植農(nóng)藝關(guān)鍵技術(shù)在生育期內(nèi)對水肥的不同需求以及對實時種植環(huán)境的數(shù)據(jù)采集分析，制定符合該區(qū)域農(nóng)作物的“水肥一體化”灌溉自動控制方案[6]，并為用戶提供專家信息檢索平臺，用戶可以使用該系統(tǒng)查詢農(nóng)作物種植相關(guān)的信息。

3）農(nóng)作物水肥自動操作子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)采用計算機、通訊、自動化、微電子技術(shù)，開發(fā)了“水肥一體化”自動運行系統(tǒng)。根據(jù)專家知識給與的建議，進(jìn)行肥料、營養(yǎng)液的配比，以及灌溉量、灌溉時間的設(shè)定。

本研究主要對專家知識庫子系統(tǒng)進(jìn)行研究，對其核心層的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能實現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

專家知識庫系統(tǒng)使用微軟的NET開發(fā)框架（C語言）和甲骨文公司的Oracle 10g數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)訪問服務(wù)（DataAccess）來實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)操作、使用主系統(tǒng)核心庫中的成員管理服務(wù)（Membership）來實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶管理、使用角色管理服務(wù)（Roles）來實現(xiàn)統(tǒng)一的角色管理，使用統(tǒng)一配置服務(wù)（Configuration）來實現(xiàn)統(tǒng)一的配置管理。

該專家知識庫系統(tǒng)采用類似SOA方式進(jìn)行設(shè)計，并結(jié)合實際功能和實時環(huán)境，共設(shè)計了3層結(jié)構(gòu)，用戶顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)庫層。該專家知識庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

業(yè)務(wù)邏輯層是該系統(tǒng)核心功能的表現(xiàn)層，將用戶界面層傳遞的操作指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳎瑫r結(jié)合實時環(huán)境的分析，實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)處理，最終將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫。同時其以Web Service的形式向用戶界面推送結(jié)合數(shù)據(jù)庫知識和實時采集數(shù)據(jù)共同得出來的操作參考數(shù)據(jù)，傳輸過程中將數(shù)據(jù)實體序列化為XML格式，最終簡潔的顯示到用戶界面。

系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫包含了農(nóng)作物的不同種類、不同季節(jié)、不同生長階段內(nèi)所需的水肥耦合規(guī)律的所有參考資料，保證了專家系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)庫分為農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)庫、農(nóng)作物水肥耦合參考值數(shù)據(jù)庫和農(nóng)作物水肥耦合操作值數(shù)據(jù)庫三部分。

該系統(tǒng)的3個部分相互獨立又相互聯(lián)系，并且是相互影響，是一個不可分的整體。知識庫系統(tǒng)中每條知識都是一塊獨立的程序，在獲取數(shù)據(jù)時，又是有層次性的，按著知識的傳輸方向，有序進(jìn)行檢索、傳遞、存儲、反饋。

2 系統(tǒng)功能的設(shè)計

2.1 用戶顯示層

用戶顯示層是為用戶提供應(yīng)用服務(wù)的操作界面，有助于用戶理解和高效的使用農(nóng)作物精準(zhǔn)水肥專家系統(tǒng)。該層包括品種選擇、作物信息、環(huán)境信息、施肥配比、灌溉量值、施肥灌溉預(yù)測分析、效益分析、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、時間地點顯示和打印等功能。用戶顯示層界面主要功能如圖2。

用戶顯示層可以使用戶便捷輸入不同種植環(huán)境下的作物信息，可以直觀瀏覽不同種植環(huán)境下的作物信息，可以直接輸入所要觀察的農(nóng)作物名稱或編號，來查詢所要觀察的種植作物在不同種植環(huán)境下的信息，使農(nóng)作物信息直觀地表現(xiàn)出來。根據(jù)用戶輸入的信息已經(jīng)采集設(shè)備采集的信息，系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)庫所保存的信息以及實時情況給出適宜該農(nóng)作物現(xiàn)階段生長的肥料配比和灌溉時間，并直觀顯示到用戶顯示頁面，便于用戶直接進(jìn)行有效的操作。

2.2 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層位于用戶顯示層和數(shù)據(jù)庫層之間，為實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯提供了一個明確的層次，在該層次封裝了與系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的應(yīng)用模型，并把用戶表示層和數(shù)據(jù)庫代碼分開。該層次提供用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)服務(wù)之間的聯(lián)系，主要功能是執(zhí)行應(yīng)用策略和封裝應(yīng)用模式，并將封裝的模式呈現(xiàn)給用戶應(yīng)用程序；主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出以及數(shù)據(jù)接口，通過程序文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫層和用戶顯示層連接。主要提供知識檢索服務(wù)、知識管理服務(wù)和專家決策服務(wù)3個服務(wù)。

2.2.1 知識檢索服務(wù) 在用戶顯示頁面，用戶通過錄入作物名稱、生育階段并結(jié)合由環(huán)境監(jiān)測設(shè)備所采集來的各項數(shù)據(jù)，傳入到業(yè)務(wù)邏輯層，進(jìn)而進(jìn)行相對應(yīng)的知識檢索。檢索服務(wù)將用戶輸入的檢索數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為檢索表達(dá)式，在內(nèi)部將該檢索表達(dá)式轉(zhuǎn)換為對數(shù)據(jù)庫的查詢。使用檢索表達(dá)式可以實現(xiàn)讓用戶無需學(xué)習(xí)復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫查詢語言而實現(xiàn)高效、簡單地查詢。檢索表達(dá)式方式為作物名稱|地塊編號|生育階段。這些檢索表達(dá)式所包含的信息最終會輸入到數(shù)據(jù)庫中的農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)庫。知識查詢頁面設(shè)計如圖3所示。

2.2.2 知識管理服務(wù) 知識庫內(nèi)容需要維護(hù)人員定期更新和維護(hù)，系統(tǒng)提供了一套完整的知識維護(hù)接口，工作人員可以維護(hù)知識、知識目錄以及各類數(shù)據(jù)。其中主要維護(hù)的是農(nóng)作物水肥耦合參考值數(shù)據(jù)庫，需要人員定時的補充新知識，更新舊知識，保持知識的準(zhǔn)確性和全面性。該服務(wù)的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該服務(wù)功能可以使系統(tǒng)自動從農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)庫、農(nóng)作物水肥耦合操作值數(shù)據(jù)庫提取最新、最實用的信息，存儲到農(nóng)作物水肥耦合參考值數(shù)據(jù)庫，并更新之前的信息，使農(nóng)作物水肥耦合參考值始終保持在最符合農(nóng)作物實際生長的數(shù)值上。

2.2.3 專家決策服務(wù) 該服務(wù)是用戶在顯示頁面進(jìn)行作物名稱、地塊信息、生長階段等條件的輸入，從農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)庫中找到對應(yīng)的農(nóng)作物，再根據(jù)設(shè)備采集到溫濕度、pH、EC值等數(shù)據(jù)，在農(nóng)作物水肥耦合參考值數(shù)據(jù)庫中選取水肥灌溉量的參考值，最后再將參考值存儲到農(nóng)作物水肥耦合操作值數(shù)據(jù)庫中，傳輸?shù)剿室惑w化自動控制系統(tǒng)的操作子系統(tǒng)中，進(jìn)行自動施肥灌溉。

2.3 數(shù)據(jù)庫層

數(shù)據(jù)庫層是三層模式中最底層，用來定義、維護(hù)、訪問和更新數(shù)據(jù)并管理和滿足應(yīng)用服務(wù)對數(shù)據(jù)的請求。該層包括數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫文件以及調(diào)用這些庫的程序文件，可以為業(yè)務(wù)邏輯層體統(tǒng)基本處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層主要設(shè)計功能如圖5所示。

數(shù)據(jù)庫層主要包括農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)庫、農(nóng)作物水肥耦合參考值數(shù)據(jù)庫和農(nóng)作物水肥耦合操作值數(shù)據(jù)庫三部分。三者之間相互獨立又相互影響，彼此的數(shù)據(jù)信息相互傳輸、相互更新，使數(shù)據(jù)庫信息始終保持最新、最全、最實用。

3 知識庫系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

基于信息檢索理論和系統(tǒng)設(shè)計，最終完成了“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)專家知識庫子系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程，頁面如圖6、圖7所示。

4 小結(jié)

“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)專家知識庫子系統(tǒng)通過將信息技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化和自動化控制，為實現(xiàn)農(nóng)作物“水肥一體化”灌溉自動控制生產(chǎn)管理功能提供有利的信息支持。根據(jù)專家知識庫提供的農(nóng)作物水肥需求規(guī)律進(jìn)行施肥與灌溉，“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)的操作子系統(tǒng)進(jìn)而對農(nóng)田水分和養(yǎng)分進(jìn)行綜合調(diào)控和一體化管理，具有肥隨水走，利于作物吸收的特點，通過以水促肥、以肥調(diào)水，實現(xiàn)水肥耦合，全面提升農(nóng)田水肥利用效率，不僅節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)能、節(jié)省人力，而且還可大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時減輕了施肥對環(huán)境的污染。專家?guī)煜到y(tǒng)為“水肥一體化”自動控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供了有利的知識依據(jù)，是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

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