大田智能灌溉專家系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

賀國(guó)祥，劉 夢(mèng)，孫興華，劉乃迪

（河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000）

大田智能灌溉專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量農(nóng)田灌溉專門(mén)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它將人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田灌溉領(lǐng)域，依據(jù)農(nóng)業(yè)專家提供的專業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬農(nóng)業(yè)專家就農(nóng)田灌溉問(wèn)題進(jìn)行決策，是智慧農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要組成部分。

農(nóng)業(yè)灌溉作為農(nóng)作物栽培生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于增加糧食作物產(chǎn)量起著決定性的作用。但目前我國(guó)農(nóng)村水資源短缺和農(nóng)業(yè)粗放低效的利用方式共存，使得農(nóng)村缺水問(wèn)題十分嚴(yán)峻。

美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就將先進(jìn)的電子信息技術(shù)和電腦自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于節(jié)水和灌溉領(lǐng)域，其系統(tǒng)已趨于成熟。在這些發(fā)達(dá)國(guó)家，從最初的機(jī)械控制、液壓自動(dòng)控制，到后來(lái)的機(jī)電一體化控制，再發(fā)展到廣泛應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊自動(dòng)化控制，其控制的精度、穩(wěn)定性和技術(shù)智能化的程度都越來(lái)越高，操作也越來(lái)越簡(jiǎn)單。

由于我國(guó)農(nóng)作物的智能控制管理技術(shù)研究起步相對(duì)較晚，引入國(guó)外先進(jìn)智能灌溉管理控制系統(tǒng)的成本又太大，且發(fā)達(dá)國(guó)家研制的控制管理系統(tǒng)不完全適用于我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各地農(nóng)作物生長(zhǎng)的需要，因此研究開(kāi)發(fā)一套適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的智能灌溉管理控制系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 專家系統(tǒng)控制技術(shù)在智能灌溉中的應(yīng)用

1.1 專家系統(tǒng)控制理論

專家系統(tǒng)控制技術(shù)是我國(guó)智能化控制發(fā)展中的重要組成部分。該應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù)專家提供的專業(yè)知識(shí)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將其轉(zhuǎn)換成控制規(guī)則語(yǔ)言對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行控制，幫助眾多灌溉專家系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)灌溉應(yīng)用程序，提高灌溉的科學(xué)性。專家管理機(jī)制的主要部分包括專業(yè)知識(shí)庫(kù)、邏輯推理機(jī)、分析管理機(jī)制和專業(yè)知識(shí)提取管理系統(tǒng)，其核心組成是專家學(xué)者管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)必須具備解決各類非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題，尤其是解決界定不明確或啟發(fā)式知識(shí)信息的能力，并通過(guò)各類邏輯推理實(shí)現(xiàn)所需要的控制目標(biāo)。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的基本功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

其中，知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的重要組成部分，是任何農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)不可或缺的組成部分。知識(shí)庫(kù)的好壞直接影響農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性；推理機(jī)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的主要運(yùn)行動(dòng)力。知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，它的主要任務(wù)是完成領(lǐng)域知識(shí)的獲取和整合。解釋機(jī)構(gòu)必須向用戶解釋邏輯推理的結(jié)果和邏輯推理過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)果。

專家控制主要有如下特點(diǎn)：（1）專家控制利用的是專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，將知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)用規(guī)則語(yǔ)言進(jìn)行表示，并通過(guò)推理和決策解決問(wèn)題，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型；（2）專家控制具有透明性特征，可以說(shuō)明本身的推導(dǎo)流程就能解答使用者提出的疑問(wèn)，便于使用者掌握推導(dǎo)流程，進(jìn)而提升對(duì)專家系統(tǒng)的信賴感；（3）利用專家系統(tǒng)可靈活控制工作的特點(diǎn)，可向系統(tǒng)持續(xù)地增加專業(yè)知識(shí)，并對(duì)既有專業(yè)知識(shí)不斷修改創(chuàng)新。

1.2 專家系統(tǒng)在智能灌溉中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)主要是將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，綜合地分析各種與農(nóng)業(yè)相關(guān)的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和模型，計(jì)算得出最優(yōu)解，指導(dǎo)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)的一套高科技系統(tǒng)。把現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)更廣泛地運(yùn)用在農(nóng)業(yè)灌溉中，就可以提高農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化水平，使灌溉專家系統(tǒng)更進(jìn)一步地具有檢測(cè)、決策和預(yù)報(bào)的功能。

2009年，朱煥立等利用中國(guó)國(guó)家智慧農(nóng)田灌溉專家系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型農(nóng)田灌溉問(wèn)題的自動(dòng)過(guò)程管理系統(tǒng)，具備信號(hào)的自動(dòng)收集、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、灌溉決策、預(yù)置修改等功能，工作人員可以根據(jù)農(nóng)田氣象條件、土壤墑情、作物長(zhǎng)期生長(zhǎng)及土壤環(huán)境變化等信息，做出農(nóng)田灌溉問(wèn)題預(yù)報(bào)解決方案的具體決策，并主動(dòng)組織執(zhí)行，為解決農(nóng)田灌溉問(wèn)題提供了一種新的解決思路[1]。

2014年，黃勇等為迅速完成對(duì)南通區(qū)域內(nèi)所有水稻的自動(dòng)節(jié)水智能灌溉，研發(fā)了一種新型稻田自動(dòng)節(jié)水農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，該灌溉系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)和先進(jìn)稻田智能灌溉控制系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水稻全生育期的自動(dòng)智能灌溉。具有構(gòu)造簡(jiǎn)易、投資較省、技術(shù)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益明顯及推廣前景廣闊等優(yōu)點(diǎn)，可精確執(zhí)行泵站智能管理、灌溉水源水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控及利用稻田土壤水分專家系統(tǒng)進(jìn)行控制灌溉等節(jié)水模式，大幅提高了泵站的勞動(dòng)生產(chǎn)效率[2]。

2015年，根據(jù)小麥不同年齡和生育期不同情況下的灌溉方法和策略，王福平等研究設(shè)計(jì)了一種基于模糊自動(dòng)化控制技術(shù)的節(jié)水灌溉方法和專家決策系統(tǒng)。該體系針對(duì)小麥在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)段的生長(zhǎng)因素差異及灌溉要求差異，設(shè)計(jì)了適應(yīng)不同時(shí)間澆水要求的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要利用模煳控制技術(shù)原理，將土壤水分、氣溫、水熱積等作為農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉的重要指標(biāo)，把農(nóng)業(yè)灌溉經(jīng)驗(yàn)用于計(jì)算機(jī)控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該控制系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)及時(shí)合理的自動(dòng)灌溉效果，從而確保了自動(dòng)灌溉可滿足小麥在其生長(zhǎng)發(fā)育周期的每一階段要求[3]。

2016年，余國(guó)雄等共同研發(fā)并設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的荔枝園信息收集與智能灌溉專家決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用地面信息收集終端模塊，實(shí)時(shí)收集荔枝園區(qū)的土地含水率、空氣濕度、光線強(qiáng)度、風(fēng)力和降水等自然環(huán)境信號(hào)，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分析信息包發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，而網(wǎng)關(guān)則經(jīng)過(guò)普通無(wú)線組集網(wǎng)將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)分析信息包傳送到云網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，專家管理系統(tǒng)依據(jù)所收集到的自然環(huán)境信息數(shù)據(jù)分析，整合專家學(xué)者信息庫(kù)，設(shè)置了多種決策數(shù)學(xué)模型，可完成測(cè)算作物的需水量、預(yù)測(cè)澆水時(shí)機(jī)、灌溉最佳定量決策及根據(jù)灌溉制度決策等功能，將決策成果反映到管理終端模塊并實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控。系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度可以達(dá)到75%，表明整個(gè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)性相對(duì)較好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)荔枝園的環(huán)境信息收集和智慧灌溉，可以指導(dǎo)從業(yè)者科學(xué)管理荔枝園[4]。

2017年，張婷等為有效改善目前傳統(tǒng)智能農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)只能依據(jù)單一的灌溉影響參數(shù)決策的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)智能農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)報(bào)專家決策管理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，建立了中國(guó)小麥灌溉技術(shù)與天氣數(shù)據(jù)、土地狀況之間的聯(lián)系，并對(duì)傳統(tǒng)專家系統(tǒng)認(rèn)知基礎(chǔ)中的模糊量加以定量化修正，形成了規(guī)范模式。同時(shí)，還運(yùn)用彭曼公式和水平衡原理構(gòu)建了中國(guó)小麥作物灌溉數(shù)學(xué)決策模式，使用者只需要在人機(jī)交互操作系統(tǒng)界面上按照提示，錄入當(dāng)期的溫濕度、土地信息和天氣數(shù)據(jù)等，就可以使用建模庫(kù)中的數(shù)學(xué)模式完成即時(shí)決策，從而做到了綜合考慮多種重要參數(shù)完成灌溉預(yù)報(bào)決策，大大提高了灌溉決策精確化程度，也進(jìn)一步優(yōu)化了農(nóng)業(yè)節(jié)水澆灌的策略，有效節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉水資源[5]。

2019年，楊偉志等針對(duì)中國(guó)山區(qū)柑橘傳統(tǒng)澆灌方法所產(chǎn)生的費(fèi)時(shí)耗力、工藝技術(shù)不科學(xué)及水資源使用率較低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的中國(guó)山區(qū)柑橘智慧澆灌專家系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可即時(shí)檢測(cè)果園環(huán)境，并根據(jù)作物不同生長(zhǎng)時(shí)段需水量和天然降水狀況，將土壤濕度管理在最適宜范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定性好、能源自給、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

綜上所述，節(jié)水灌溉工程的關(guān)鍵就是及時(shí)獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)和繁殖的信息，并按照各個(gè)生育期對(duì)灌溉水量的要求進(jìn)行合理灌溉。專家系統(tǒng)控制技術(shù)匯集了我國(guó)農(nóng)業(yè)水利管理領(lǐng)域眾多專家的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，解決了各種復(fù)雜的水利灌溉工程問(wèn)題，且該系統(tǒng)可以不間斷地更新專業(yè)知識(shí)并提供服務(wù)，為農(nóng)業(yè)灌溉的科學(xué)化和合理化建設(shè)發(fā)揮了重要作用。作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息知識(shí)庫(kù)則使系統(tǒng)可以根據(jù)作物在不同階段的生長(zhǎng)情況自動(dòng)進(jìn)行最優(yōu)化的控制措施，提高農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化程度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)主要技術(shù)功能進(jìn)行了延伸和拓寬，是一種同時(shí)具有實(shí)時(shí)信息收集和實(shí)時(shí)視覺(jué)感知、海量數(shù)據(jù)在線傳輸和實(shí)時(shí)智能化數(shù)據(jù)處理三大功能的信息網(wǎng)絡(luò)。2009年，我國(guó)正式提出“感知中國(guó)”的概念，“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”已成為我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中最重要的技術(shù)研究和推廣應(yīng)用發(fā)展方向之一。

2 專家系統(tǒng)控制技術(shù)的展望

2021年3月11日，全國(guó)人民代表大會(huì)表決通過(guò)了《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，提出“完善農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系，創(chuàng)新農(nóng)技推廣服務(wù)方式，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)”。中國(guó)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展工程也已到了加速轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的新時(shí)期，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步依托科技進(jìn)步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、內(nèi)生成長(zhǎng)，引領(lǐng)農(nóng)村向綠色生態(tài)、高品質(zhì)、民族特色和品質(zhì)化蓬勃發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化全球整體競(jìng)爭(zhēng)力。由此可見(jiàn)，在未來(lái)的農(nóng)業(yè)智能灌溉中，專家系統(tǒng)將具有越來(lái)越重要的地位。根據(jù)我國(guó)目前的農(nóng)業(yè)水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況以及農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該有以下幾個(gè)方面。

2.1 注重農(nóng)業(yè)各種科學(xué)技術(shù)的綜合運(yùn)用

針對(duì)當(dāng)前國(guó)情，注重農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的充分應(yīng)用和推廣，逐步應(yīng)用農(nóng)業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、“3S”信息技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化模擬、多媒體以及其他許多農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，是當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品病蟲(chóng)害人工智能專家系統(tǒng)熱潮中的新發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)共享

作為信息技術(shù)的良好載體，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展為信息和專家系統(tǒng)的傳播提供了良好的渠道。未來(lái)社會(huì)需要的是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)，一個(gè)能夠在網(wǎng)絡(luò)上順暢運(yùn)行并成功共享資源的信息系統(tǒng)，才能真正具有社會(huì)生命力和使用價(jià)值。

2.3 注重農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的普及化

現(xiàn)階段，我國(guó)直接參加農(nóng)作物生產(chǎn)和田間管理工作的人大部分為農(nóng)村人。隨著農(nóng)業(yè)社會(huì)的發(fā)展、微機(jī)的廣泛應(yīng)用、軟件產(chǎn)品價(jià)值的下調(diào)、以及農(nóng)戶綜合素質(zhì)的提升，農(nóng)戶也將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的重點(diǎn)使用者之一。

2.4 注重市場(chǎng)國(guó)際化

我國(guó)已經(jīng)加入WTO，中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品專家體系的建立也不應(yīng)該忽略國(guó)外市場(chǎng)的需求，因此發(fā)展既適合中國(guó)需求又適合國(guó)外需求的農(nóng)產(chǎn)品專家體系也是很有必要的。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在中國(guó)方興未艾。作為農(nóng)業(yè)決策的重要手段，相信在不久的未來(lái)，將涌現(xiàn)出越來(lái)越多的符合我國(guó)國(guó)情的國(guó)產(chǎn)智能灌溉專家系統(tǒng)。