水培番茄黄瓜营养液管理专家系统的构建图文精.docx

1、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T r ansactions of the CSA E V ol. 20 N o. 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

2、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 :S 317 文献标识码 :A 文章编号

3、 :1002-6819(2004 05-0254-04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:songchalicau. edu. cn0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

4、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 ,

5、 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 (Platform for Agricultural Intellig ence -systemDevelopment ”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

6、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 :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 ; 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

7、养液管理和决策。本专家系统具有以下特点 :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 ; 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 ; 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 ; 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、

8、 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

9、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 Str ucture o f the exper t system图 2专家系 统的知识库结构F ig. 2 St ructure o f kno w ledge database of t he ex pert sy stem的不同而异 , 整理成规则为 :如果 and and and 则 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

10、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、

11、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

12、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

13、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

14、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F ig . 3 Funct ions of t he ex pert sy stem2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 :查阅书籍、 期刊等文献资料。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

15、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 and and and then 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

16、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 Pa rtitio n o f

17、nut rient so lutionm anag ement-decisio n m odule图 5营养液 pH 值决策的结果Fig. 5 D ecision-making r esults of pHvalue o f nut rient so lution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

18、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

19、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。参考文献 1刘士 哲 . 现代实 用无土栽培技术 M . 北京 :中 国农业出 版 社 , 2001, 19-21.2刘兴 发 , 樊桂云 . 蔬菜无土栽 培现状及 前景 J. 土 壤肥料 , 2002, (6 :24-25.3周桂 红 , 郑 磊 , 黄丽华 , 等 . 农业 专家系统 生成工 具的 设 计与实现 J.农业工程学报 , 1999, 15(3 :53-59.4王蕾 , 傅泽田 , 李道亮 . 网络化河蟹养殖专 家系

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22、. 重庆大学学 报 (自 然科学 版 , 2000, 23 (4 .Nutrient solution management expert system for hydroponicculture of tomato and cucumberWang Yao 1, Song Weitang 1 , Qiao Xiaojun 2(1. College of A gr onomy and T echnology , China A g ricultural Univ ersity , Beij ing 100094, China ;2. Beij ing Resear ch Center f or

23、 I nf or mation T echnology in A griculture , B eij ing 100089, China Abstract :An expert system for nutrient solution management o f hy droponic culture of tom ato and cucumber w as developed. T he desig n o bject, the basic structure and functio ns of the system w ere described. T he co mposition

24、of know ledge database w as introduced in detail. The system can accomplish model-based reasoning. The m odels quantitated dy nam ic absorption regulatio n of nitro gen (N , phosphor us (P , potassium (K and calcium (Ca for tomato and cucumber at different dev elo pm ent and grow th stages , as w el

25、l as different environment . Decision sup-por ting for co ncentratio ns o f principal ionic species , pH value , EC v alue , tem peratur e and co ncentratio n of dis-solved ox ygen in nutr ient solution can be r ealized, especially under adv erse circumstances (e. g. above 32 and belo w 5 of air tem perature, under 3000lx o f sunshine, etc. . Based on an expert sy stem framew ork, nutr ient so lution m anagement exper t sy stem for other vegetable crops can be developed.Key words :expert sy stem; tomato; cucumber; m anag em ent and decision; nutrient solutio n257第 5期 王尧等 :水培番茄、 黄瓜营养液管理专家系统的构建