玉米缺素诊断专家系统的设计与实现

玉米缺素诊断专家系统的设计与实现摘要：本文简单介绍了专家系统的定义和组成，详细阐述了玉 米缺素诊断专家系统的知识获取、知识库的建立、推理机的实现、 系统的功能，展示了系统的主要功能界面。实践证明，该系统能够 实现图文并茂的交互方式，农业生产的智能化管理。关键词：玉米；缺素；专家系统；知识库；推理机中图分类号：sl26文献标识码：a1 引言专家系统是人工智能的一个重要分支，利用领域专家的知识来 解决该领域的问题，模拟人类的思维方式进行推理和判断的过程， 成功有效的解决了复杂的问题。20 世纪 70 年代末期，在农业领域 已经开始应用专家系统技术，研究和开发出很多成功且实用的农业 专家系统和工具，如种植、病虫害、施肥等方面，广泛地应用于农 业生产和管理中。目前关于玉米缺少营养元素的问题，专家系统技 术提供了一个很好的解决途径，然而，在国内将专家系统技术应用 于玉米缺素诊断的研究很少，因此设计和实现玉米缺素诊断专家系 统具有很大的应用价值和经济效益，也具有一定的前瞻性和创新 性，对未来的农业领域的研究具有一定的参考价值。2 专家系统的简介专家系统是利用大量的领域知识和宝贵经验进行推理和演绎， 快速的给出推理结论，同时系统本身具有启发式的推理能力和自动 学习能力，可以形象的表达为“专家系统=知识+推理”。也可以理 解为，一方面知识工程师通过知识获取，将问题的相关数据、信息 和知识，应用各种知识表示方法进行表示，这样有利于计算机的存 储和识别，转化为计算机语言，建立知识库；另一方面用户通过人 机交互接口，输入问题的数据、信息和指令，推理机运用知识库中 的数据进行推理和判断，控制整个系统的运行，最终给出问题的结 论3。专家系统的构成，包括知识库、推理机、解释界面、知识获取、 人机接口等，如图 1 所示：图 1 专家系统的组成知识库存储大量的领域知识；综合数据库是专家系统的临时数 据库，用于存储输入的指令，中间计算结果等数据；推理机是专家 系统的控制中心，负责问题的求解；解释界面向用户解释系统得出 结论的依据；知识获取是对知识库的扩充和完善，增强专家系统的 求解能力；人机接口是用户、专家与系统进行交互的界面，同时也 是接收用户的输入信息，反馈给用户的结论的输出端。其中知识库 和推理机是专家系统的核心，二者缺一不可。3 玉米缺素诊断专家系统的设计与实现31知识获取专家系统的首要环节就是知识获取，通过各种知识源获取数据、 信息、资料、成果等，经过加工处理，如编排、索引、标记，用各 种知识表示方法，对收集的数据进行统一表示，转化计算机所能识 别的计算机语言，存储在知识库中。如图2 所示：图2 知识获取的实现步骤 同样玉米缺素诊断专家系统的知识获取也是按照此步骤，其中 知识源的获取关系到专家系统推理结论的准确性、可靠性、价值性，（1）咨询相关领域专家，（2）对相关的文献、书籍、成果等进行 整理、总结、分析，获取一切相关的数据和资料。32知识库的建立采用基于关系型数据库软件来建立知识库，根据系统需求分析， 设计出玉米缺素诊断专家系统的知识库数据结构，知识库中的基础 库用来存储各种症状的信息，同时对症状进行唯一编号；规则库用 来存储专家系统的各种知识规则，规则编号字段是用来表示条件 （症状）的，结论字段表示诊断的结果。主要有病虫害知识库、施 肥方案知识库、缺素诊断知识库，它们都达到数据库设计的第三范 式的设计标准。基础库，包括肥料信息表和地质信息表，其中肥料 表结构（名称，类别，含氮量，含钾量，含硼量，含磷量，含硫量 含锰量，含铁量，含锌量，有机质含量，利用率，价格）；病虫害 知识库，包括病害和虫害信息表，病害表结构（编号，名称，症状 预防方法，示例图片），虫害表结构（编号，名称，症状，预防方 法，示例图片）；玉米缺素诊断知识库，对应规则表，其表结构（编 号，前提条件，诊断结果，预防措施，示例图片）。33推理机的实现根据玉米缺素的具体症状表现，总结出规律性和主要性的因素， 体现在症状表现的部位、叶子颜色、叶形的变化等方面，结合知识 库采用二维表的结构，设计专家系统的核心功能推理机。采用有向 无环图推理方法实现专家系统的推理机功能，基本原理是通过若干 节点和节点之间的边构成推理图，其中节点分为中节点、中间节点、 目标节点，叶节点表示初始的数据，中间节点是叶节点向目标节点 推理过程中的过程节点，表示中间结果或数据，目标节点表示最终 推理结论，连接节点之间的边表示因果关系。在缺素诊断推理过程中，从初始事实开始，逐一取出事实，判 断是不是最后一条事实，如果是则在知识库中找到与之匹配的规 则，给出系统的诊断结果和预防措施；如果不是继续取出下一条事 实，直到最后一条事实为止。在软件的开发中采用向用户提问的方式，选择具体的事实，之 后点击“下一步”，直到推理出最终结论为止。34系统的功能通过上述知识库的建立和推理机的实现，总结和归纳出玉米缺 素诊断专家系统的功能有系统管理、基础信息、病虫害防治、施肥 管理、专家诊断，如图3 所示：图3 系统功能模块图341系统管理模块，包括用户管理和系统升级；342基础信息，负责肥料信息和地质信息等的数据的管理；343病虫防治，玉米病虫害信息的管理；344施肥管理，包括经济施肥和平衡施肥两部分；345专家诊断，系统的核心功能，主要有知识规则、缺素 推理、症状推理。3 5系统的运行实例在系统菜单下的缺素推理菜单，体现了玉米缺少的营养元素的 诊断功能，原理是根据用户对系统提出问题的逐一回答，最终系统 给出诊断结论。如图4 所示：在系统菜单下的症状推理菜单，体现了玉米症状诊断的功能， 原理是根据用户选择缺少的营养元素，系统给出玉米植株表现的具 体症状的描述，同时用户应该采取的预防措施有哪些，以及示例图 片，达到了更加直观和清晰的效果。如图5 所示：图4缺素推理界 面图5 症状推理界面4 结束语专家系统是未来智能化农业专家系统的发展趋势之一，有着非 常广阔的应用前景，为农业现代化生产和管理开辟了一条新路，也 希望有抛砖引玉的作用。该系统的设计与实现，利用提高玉米的生 产和管理，及时解决玉米生长过程中由于缺少营养元素出现的问 题，具有直观、易于理解、操作简单的特征。同时也存在需要改进 的地方，例如，如何将网络技术引入玉米缺素诊断专家系统，提高 系统的信息量，以适应农业生产的实际需要。参考文献1刘明辉，沈佐锐，高灵旺等.基于 webgis 的农业病虫害预测 预报专家系统j.农业机械学报，2009, 40 (07)： 180-186.2 杨丽娟，李贵琴，桂明珠.玉米缺素症状的研究j.玉米科 学， 2000， 8(02)：75-79.3 吉奥克(美)等著.专家系统-原理与编程m.印鉴等译.北 京：机械工业出版社， 2006.4 姚玉霞，王越，赵月玲等. 玉米精准施肥专家系统在玉米生 产中的应用j.农业网络信息，2007 (09)： 24-27.5 曹宏鑫，董玉红等. 作物模拟技术在小麦栽培中应用的研究 j. 中国农业科学， 2003， 36(03)： 342-348.作者简介：陈晓玲(1984-)，硕士，实习研究员，从事信息化 建设，计算机应用工作。