水培番茄黄瓜营养液管理专家系统的构建图文精.docx

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水培番茄黄瓜营养液管理专家系统的构建图文精

第20卷第5期2004年9月农业工程学报

TransactionsoftheCSAEVol.20　No.5Sept.　2004

水培番茄、黄瓜营养液管理专家系统的构建

王　尧1,宋卫堂1※,乔晓军2

（1.中国农业大学农学与生物技术学院,北京100083;　2.北京市农业信息技术研究中心,北京100089

摘　要:

针对无土栽培的技术核心——营养液管理,构建了水培番茄、黄瓜的营养液管理专家系统,以促进无土栽培技术在中国大面积的推广和应用。

该文详细介绍了该专家系统的设计目标、结构和功能设计的过程以及知识库的构成;构建了番茄、黄瓜在不同生育期对氮、磷、钾、钙等大量元素的吸收模型,组成动态模型库;优化了番茄、黄瓜在逆境（高温、低温、寡照

等生长条件下对营养液的管理。

在大量搜集水培知识和营养液管理数据的基础上,基本实现了对水培番茄、黄瓜不同生育期的营养液浓度（EC,酸碱度（pH,氮（N、磷（P、钾（K、钙（Ca等营养元素浓度,以及营养液温度、溶解氧浓度的管理和决策。

关键词:

专家系统;番茄;黄瓜;管理和决策;营养液

中图分类号:

S317　　　　文献标识码:

A　　　　文章编号:

1002-6819（200405-0254-04

收稿日期:

2003-12-30　修订日期:

2004-04-27

基金项目:

国家“863”项目:

可控环境农业数据采集与自动控制系统研究（2001AA247021资助

作者简介:

王　尧,北京　中国农业大学农学与生物技术学院,100094

通讯作者:

宋卫堂,博士,副教授,北京市海淀区圆明园西路2号　中国农业大学西校区农业工程研究室,100094。

Email:

songchali@cau.edu.cn

0　引　言

近年来,农业专家系统的应用受到了越来越广泛的重视[3,4]。

它能够运用知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题,在保存、传播各类农业信息和农业知识、综合各单项农业技术、实现高层次的农业技术集成,缓解农业技术人员短缺等方面有着重要的作用[5,6]。

而目前我国的蔬菜专家系统大多集中在土壤栽培蔬菜的品种选择、育苗、定植、施肥、灌溉、病虫害诊断

等栽培管理方面[7-11]

。

针对无土栽培营养液管理的专家系统还不多,尚缺乏能够决策、调节营养液的总浓度（EC、酸碱度（pH和其中各主要营养元素浓度的专家系统。

营养液的管理是无土栽培技术的核心。

因此,以实现产品高产量、兼顾营养品质为目标,利用由北京市农业信息技术研究中心与国防科技大学联合开发的“PAID（PlatformforAgriculturalIntelligence-system

Development”

农业专家系统开发平台[7],进行了基于模型的蔬菜无土栽培营养液管理专家系统的研究和构

建。

以番茄、黄瓜这两种普遍种植的蔬菜作物为对象来开发、构建,其他蔬菜作物的营养液管理专家系统只需在此基础上进行修改、补充、完善。

1　系统设计

1.1　系统目标

营养液管理专家系统的总体目标,是归纳综合水培营养液管理的知识,运用专家系统开发工具建立可对水

培番茄、黄瓜营养液进行全面管理的专家系统,在广大

农民及农业技术人员中普及和推广水培营养液管理知识,弥补无土栽培技术人员缺乏的现状,在无土栽培生产实践中起到辅助决策的作用。

系统具体的设计目标是:

¹使系统能够根据作物自身种类、品种、生育阶段等的不同,以及外部温度、光照等综合环境条件的改变,对营养液的浓度、酸碱度、氮、磷、钾、钙、溶解氧、营养液温度等进行综合管理和决策;º突出逆境条件下（高温、低温、寡照等营养液管理应采取的措施;»建立番茄、黄瓜在不同生育阶段,以及不同外界气候环境条件下的需肥规律模型,融入专家系统,进行基于模型的营养液管理和决策。

本专家系统具有以下特点:

¹具有栽培对象的可扩充性,其基本结构也适合其它蔬菜品种专家系统的构建;º具有知识库的可扩充性;»基于蔬菜作物（番茄、黄瓜生长发育的动态模型;¼根据综合环境条件（光照、温度、湿度等的改变,特别是在逆境条件下（高温、低温、寡照等动态地调整和管理营养液;½对营养液的EC、pH、N、P、K、Ca、溶解氧、液温等综合而并非仅EC、pH管理和决策,1.2　结构设计

系统结构（图1由知识库、规则库、数据库、模型库、动态库、推理机、知识获取机构、解释机构、人机接口等组成。

知识库　知识库存放番茄、黄瓜水培所需要的领域知识（图2,主要包括:

营养液配方中各元素浓度的计算,以及营养液的管理等知识;番茄、黄瓜的生育规律、需肥规律等知识;番茄、黄瓜水培的品种选择、茬口安排、种植密度、育苗移栽、植株调整、病虫害防治、营养液配方选择等栽培管理技术;温度、光照、湿度等温室综合环境控制知识;正常及逆境条件下营养液的EC值、pH值、氮、磷、钾、钙等营养元素浓度,以及营养液温度、溶解氧含量等如何调节的营养液优化知识。

规则库　有规律的知识被整理成规则的形式存放于规则库中。

如营养液的浓度（EC值,通常因作物种类、无土栽培的方式、气候条件、作物所处的生育阶段等

图1　专家系统结构

Fig.1　Structureoftheexpert

system

图2　专家系统的知识库结构

Fig.2　Structureofknowledgedatabaseoftheexpertsystem

的不同而异,整理成规则为:

如果<作物种类>and<栽培方式>and<气候条件>and<生育阶段>则<结论>

数据库　数据库中存放各种数据。

根据本专家系统的特点及决策需要,设计了3个数据库:

温室综合环境数据库,主要包括温室的温度、光照、湿度等环境参数;水源水质数据库,用于存放不同地区不同水源的物理化学水质指标;蔬菜作物数据库,存放蔬菜种类、品种、各个生育阶段的形态指标等。

模型库　模型是对客观世界中现实事物的概括与

抽象,是用一定的形式对事物本质及属性的描述。

模型库将众多的模型按一定的结构形式组织起来,通过模型

库对各模型进行有效的管理和使用。

本专家系统采用回归的方法,建立两种模型,一是番茄、黄瓜的发育模型,主要是根据积温预测发育阶段;二是营养液浓度与发育阶段以及温度、光照等环境因子的关系模型,以实现根据番茄、黄瓜不同的生长发育阶段,以及不同的环境条件,尤其是逆境生长条件（高温、低温、寡照等,进行较佳的EC、pH、N、P、K、Ca浓度、液温、溶解氧浓度等的管理。

动态库　即上下库或综合数据库,用于存放系统运行过程中所需要的原始数据和产生的所有信息,包括用户提供的信息、推理的中间结果、推理过程的记录等。

推理机　推理机根据动态库的当前状态,利用知识库的知识进行推理。

推理机与知识库相对独立,即推理机的性能和构造与知识的表示方式和组织形式有关,但与知识的内容无关,当知识库中的内容发生变动时,无需改动推理机。

知识获取机构　知识获取机构就是一个知识库编辑程序,负责建立、修改与扩充知识库,并对知识库的一致性、完整性等进行维护。

解释机构　解释机构将推理过程可视化,实现系统的透明性。

人机接口　人机接口即是用户和计算机进行对话的界面,它在信息的内部形式和用户可接受的形式之间进行转换。

1.3　功能设计

系统主要由4个功能模块组成（图3:

系统介绍模块、系统查询模块、系统决策模块和知识获取维护模块。

系统介绍模块　向用户介绍系统开发的基本情况、系统的基本结构与功能、操作使用方法等。

系统查询模块　向用户提供与水培营养液管理的有关信息,主要包括:

蔬菜品种的选择、茬口安排、种植密度、育苗移栽技术、营养液配方、植株调整技术、病虫害防治等栽培管理技术。

系统管理决策模块　是本专家系统的核心,主要包括三个具有管理、决策功能的模块,分别为:

水源与肥料管理、番茄栽培营养液管理和黄瓜栽培营养液管理。

按照具体的决策目标分为:

营养液浓度（EC值决策,营养液酸碱度（pH值决策,N、P、K、Ca等大量营养元素浓度决策,营养液温度决策,营养液溶解氧浓度决策等。

各模块分别根据作物种类、品种、发育阶段的不同,以及水培方式、水源水质、气候条件、温室综合环境等的不同制定具体的管理方式,尤其是逆境条件下应采取的措施。

知识获取维护模块　该模块的主要功能是建立、扩充和删改营养液管理专家系统的知识和规则,并对知识规则的一致性和完整性进行检测。

255

　第5期王　尧等:

水培番茄、黄瓜营养液管理专家系统的构建

图3　专家系统功能

Fig.3　Functionsoftheexpertsystem

2　知识获取与知识表示

2.1　知识获取

知识的获取主要通过3种方式:

¹查阅书籍、期刊等文献资料。

º与专家交流。

通过与专家交流获取知识的方式有3种:

面谈;模拟,包括静态模拟和动态模拟;口语记录分析。

主要采用前两种方式,面谈和模拟。

其中面谈法采用专题面谈,即事先拟好问题,请专家回答。

模拟法即提出某一实例请专家谈求解过程,或在专家处理某真实问题时观察记录其实际求解步骤。

»试验。

2.2　知识表示

知识表示是一项独立的内容,研究如何将人类的知识编译为计算机程序。

PAID专家系统开发平台采用了“模糊产生式规则+模型”的知识表示方法,实现了模糊知识和确定知识、知识和模型的有机结合,使之更加接近于农业领域知识的本质和特点,更好地应用于生产实际。

规则的表示形式为:

if<前提条件1>and<前提条件2>and…and<前提条件n>

then<结论>

并为每一个前提条件设定权重,为规则设定可信度,为结论的触发设定阈值,所有前提条件权重之和为1。

前提条件可以是给定值,也可以是根据模型得到的结果。

这样就解决了产生式规则只能求解简单问题的困难。

不足之处是编写规则时比较繁琐,需要把每一种情况都考虑在内,尚无自学习功能。

3　系统的初步实现

系统实现的最基本要素是知识和数据。

通过向专家咨询及查阅书籍、期刊、网上搜索等多种途径,积累了大量的水培知识和营养液管理数据,并根据PAID平台的结构和功能,将所收集的知识和数据进行了整理。

例如:

本专家系统的核心部分——营养液管理决策模块的具体实现过程是:

首先将本模块分为8个子模块（如图4,分别为:

营养液浓度决策、酸碱度决策、氮元素浓度决策、

磷元素

图4　营养液管理决策模块的划分

Fig.4　Partitionofnutrientsolution

management-decisionm

odule

图5　营养液pH值决策的结果

Fig.5　Decision-makingresultsofpH

valueofnutrientsolution

农业工程学报2004年　

浓度决策、钾元素浓度决策、钙元素浓度决策、营养液温度决策、营养液溶解氧浓度决策。

然后为每个决策模块建立与之相对应的事实表和决策规则,例如:

营养液pH值决策子模块,根据所需用户营养液pH值决策提供的事实（作物种类、栽培方式、气候条件、生育阶段等建立相应的营养液pH值决策事实表,并建立营养液pH值决策规则。

用户使用时只需输入相应的事实数据就可得到决策结果（图5。

4　结　语

水培番茄、黄瓜营养液管理专家系统,涵盖了营养液管理的各个方面,包括正常及逆境生长条件下,番茄、黄瓜各个生育阶段,营养液的水源选择,配方选择,配制方法,营养液总浓度,营养液中主要营养元素浓度及营养液的酸碱度、温度、溶解氧浓度等的管理、调控决策。

目前,已经形成了基本框架,包括系统的结构设计、功能设计、知识库设计等,并在PAID开发平台上进行了初步实现。

本专家系统目前只是初步构建,还需要进一步的完善和扩充,重点是收集组建模型的数据,建立和完善模型库;同时仍需要大量的生产和试验数据进行不断的补充、完善,也有待在生产实际中进一步加以验证和完善。

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Nutrientsolutionmanagementexpertsystemforhydroponic

cultureoftomatoandcucumber

WangYao1,SongWeitang1※,QiaoXiaojun2

（1.CollegeofAgronomyandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100094,China;

2.BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100089,China

Abstract:

Anexpertsystemfornutrientsolutionmanagementofhydroponiccultureoftomatoandcucumberwasdeveloped.Thedesignobject,thebasicstructureandfunctionsofthesystemweredescribed.Thecompositionofknowledgedatabasewasintroducedindetail.Thesystemcanaccomplishmodel-basedreasoning.Themodelsquantitateddynamicabsorptionregulationofnitrogen（N,phosphorus（P,potassium（Kandcalcium（Cafortomatoandcucumberatdifferentdevelopmentandgrowthstages,aswellasdifferentenvironment.Decisionsup-portingforconcentrationsofprincipalionicspecies,pHvalue,ECvalue,temperatureandconcentrationofdis-solvedoxygeninnutrientsolutioncanberealized,especiallyunderadversecircumstances（e.g.above32℃andbelow5℃ofairtemperature,under3000lxofsunshine,etc..Basedonanexpertsystemframework,nutrientsolutionmanagementexpertsystemforothervegetablecropscanbedeveloped.

Keywords:

expertsystem;tomato;cucumber;managementanddecision;nutrientsolution

257　第5期王　尧等:

水培番茄、黄瓜营养液管理专家系统的构建