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南京农业大学学报　 1997 ,20 ( 3) : 20～25
　　
Jou rnal of N anji ng A gricult u ral U ni versity

Ξ
耕作制度专家系统初探
陈长青1 　柯建国1 　柳建国1 　卢忠良2 　黄晓红2 　　 2
王华
( 1 南京农业大学农学系 , 南京 210095 ; 2
江西省临川市农业局)

摘要　将人工智能、
知识库和数据库有机结合 ,建立耕作制度专家系统 ( FSES) ,实现了耕作制度的计算机
辅助设计。FSES 引入数据库关联技术 ,结合传统的产生式规则法和框架法等人工智能技术 , 建立了以关
系型知识库为主的农业生态系统知识库体系。采用似然推理法 ,用 FSES 对江西临川市耕作制度气候适应
性进行了实例分析。
关键词　耕作制度 ; 专家系统 ; 优化
中图分类号　S344

A FARMING SYSTEM EXPERT SYSTEM

Chen Changqing1 , Ke Jianguo 1 , Liu Jianguo 1 , L u Zhongliang2 ,
Huang Xiaohong2 and Wang Hua2
( 1 Dept of Agronomy , Nanjing Agric U niv , Nanjing 210095 ;
2
Linchuan Agricult ure Bureau of Jiangxi Province)

ABSTRACT 　 expert system on farming system ( FSES) was developed by integrating t he knowledge base ,
An
inference engine , mat hematical model and database. The FSES adopted relation database system and interrelated
knowledge presentation technology in combination wit h production rule and frame system. An uncompleted fuzzy
reasoning was applied in FSES. An application example of climate evaluation in a farming system was provided.
Key words 　farming system ; expert system ; optimization

目前研究耕作制度主要采取定性与定量相结合、模拟模型与专家系统相结合 [ 1～4 ] 的方
法。如何利用人工智能原理与方法 ,借助计算机技术 ,设计出与一个生产单位的自然资源和
社会经济条件相匹配的耕作制度是耕作学界亟待解决的问题。前人对此进行过探索 [ 5 ,6 ] 。
随着一些农村经济发达地区种植业规模经营的扩大 ,需要建立相应的省工、
高效 ,能提高土
地利用率与生产力的耕作制度。作者采用专家系统的形式对耕作制度进行优化设计 ,开发
出耕作制度专家系统 ,为不同地区农业主管部门及生产单位提供便利的决策工具。

1　系统结构

系统运行于 PC 机 ,中文 WINDOWS 311 或 311 以上版本操作系统。

Ξ 国家自然科学基金资助项目 (39370132)
收稿日期 :1997203212 zycnzj.com/http://www.zycnzj.com/
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net


动态数据库
Dynam ic database
规则库
知识评价库 Rule base
Know ledge
evaluation base
推理机专家咨询
接口程序 Inference engine Expert consult
Interface p rogram
专家方案
数据库 Expert p lans
Database

知识库
Know ledge 方案评价
base Plan evaluation

模型库
Model base 最优方案
Op ti ization p lan
m

人机交互
M an m achine interactive system

图 1 耕作制度专家系统结构
Fig 1
. The structure of farm ing system expert system

2　耕作制度优化体系

对耕作制度进行优化 ,需要一套全面系统的客观评价现行耕作制度优劣的体系。作者
提出了一套适合计算机分析评价耕作制度优劣的综合评价体系 ,包括 5 个项目 ,33 个指标。
五大项目是气候适应性、土壤适应性、社会需要性、
经济可行性和生态健全性。用加权求和
法 ,计算出耕作制度适应性指数 ,根据指数值选出较优的耕作制度。计算公式如下 :

0 　　　　( Π Ki = 0 , i = 1 , 2 , …, n )
EI = n n

　　
　　　 ∑ W i Ki ( Π Ki ≠0 , ∑W i = 1 , i = 1 , 2 , …, n ) 　
un 　　
i i

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22 南京农业大学学报 20 卷

互不相同。每一条记录中的元素也可以形成一个关系名 ,如作物 1 ( 作物名 ,属性 1 ,属性 2 ,
……属性 n ) 是种植制度关系中作物 1 这一元素的一个关系。而这一关系中的元素又可以
形成一定的关系 ,最终形成的是具有层次性的关系数据模型。
系统采用 FOXPRO FOR WINDOWS 实现知识的计算机内部表示 ,以 DB F 文件形式存
放数据 ( 知识) ,关系名与属性用字段表示。知识的采集运用数据库管理系统实现 ,本系统的
知识有以下几个方面 :
以耕作制度作物品种组成作为第一级关系数据库 ,作物的生育进程关系数据库、
作物各
生态类型气候适应关系数据库、
作物各生态类型土壤适应关系数据库、
作物各生态类型社会
经济和生态适应关系数据库构成了第二级关系数据库。第一级关系与第二级关系是以作物
为联结带 ,第一级关系模式为 : FARM IN G( 耕作制度名 ,作物 1 ,作物 2 ,作物 3) ,第二级关系
模式为 CROP ( 作物名 ,属性 1 ,属性 2 , ……属性 n ) 。

4　数据库与模型库

数据库中存放中国南方 218 个地区的气候和土壤资料。气候资料包括热量、
降水和日
照 ,它们作为 3 个独立的数据库以 DB F 文件形式存放。土壤数据包括土壤的物理性状和化
学性状 ,作为 2 个独立的数据库也以 DB F 文件存放。用数据库语言编写程序 ( FOXPRO
FOR WINDOWS) 完成对数据库的操作和访问。数据处理采用抽取法 , 抽取的数据为决策
过程中模型所用 ,抽取后的数据形成一新的数据库。
模型库包括决策分析所用的全部计算模型 ,本系统运用模糊数据原理结合系统的实际
应用总结出 7 种数学模型。每个模型为一个可执行文件 ,系统调用模型将执行文件装入内
存。模型用 C 语言编写。

5　规则库与推理机设计

规则库包括推理过程中所需的规则和事实。规则的书写采用产生式规则表示法 ,如 : IF
该地区土壤 p H 小于 515 , THEN 大麦不能在该地区种植。规则用 PROLO G 语言编写。
推理过程中采用一定的计算公式 ,使之得到符合规则各个前提子命题的真值。规则前
提中的各子条件的重要性不同 ,如土壤物理性状有质地、
耕层厚度、
孔隙度、
容重 ,排水、
供水
条件 ,显然质地要比其他几个条件重要。因此在加权模糊逻辑中给每个前提子条件加一个
n
权 W i > 0 , 满足 ∑W i = 1 ,在本专家系统中要求每个子条件全为真值 ,且前提的权值超过一
i=1

规定 λ值 ,方可推出结论。用 PROLO G 语言结构描述为 :
solved ( A , T ) :2fact ( A , T )
solved ( [ ( B 1 , W 1 ) , ( B 2 , W 2 ) , …, ( B m , W m ) ] , T ) :2
　 every B 1
for
　　　 {solved ( B i , W i ) }
compute ( [ T 1 , W 1 ) , ( T 2 , W 2 ) , …, ( T m , W m ) ] , T ) .
compute ( [ T 1 , W 1 , ( T 2 , W 2 ) , …, ( T m , W m ) ] , T ) :2


3期陈长青等 : 耕作制度专家系统初探 23

n

T = ∑W
i =1
i T i , T 1 > λ , T 2 > λ , …, T m > λ .
1 2 m

　　 2 为推理过程的数据流程示意图。
图

耕作制度的作物品种及种植方式
Crop cultivar and farm ing pattern of farm ing system

气候资料作物品种类型各生育期所需
Cli ate data
m 活动积温
A ctive temperature accum ulation
for crop grow th stages of
different cultivars

耕作制度作物生育期起止日期
The beginning and the end day
of crop grow th duration in
farm ing system

该耕作制度各作物生育期气候数值
The cli ate data of crop grow th stages
m
in farm ing system

作物生态类型气候适应性隶属度
耕作制度各作物各生育期函数及拐点
气候适应性指数 The cli ate adap tability function
m
The cli ate index of crop
m and change point of crop ecotype
grow th stage in farm ing
system
作物气候适应性
指标权重
W eigh value of crop 耕作制度区域适应性的各气候评价
cli ate adap tability
m 项目综合适应性指数推理分析
index The integrated cli ate evaluation
m Inference
adap tability index for regional analysis
adap tability in farm ing system

图 2 耕作制度专家系统推理过程示意图 (
部分 )
Fig 2
. The inference p rocess of farm ing system expert system (part)

6　系统应用实例分析

用 FSES 评价江西省临川市耕作制度气候适应性 ,以分析系统的可靠性与准确性。对
江西临川 10 种主要种植制度的气候适应性进行分析 ,选择适合该地区的最优耕作制度 ,结
果见表 1 。
从表 1 可以看出 : 紫云英 —早稻 —晚稻 ( 晚熟) 的气候适应性最佳 ,麦 — —稻稻的气候适
应性最差。在油 — —
稻稻中 ,油菜 ( 中熟) —早稻 ( 中熟) —晚稻 ( 晚熟) 种植方式适应性较好 ,
冬季作物以紫云英为最佳 ,油菜次之 ,小麦不适应。此外 ,早稻较春播玉米好 ,晚稻较夏播玉
米好。



24 南京农业大学学报 20 卷

　　根据以上结论 ,临川市水田种植方式应以绿肥 — 双季稻、油菜 —双季稻为主 , 油菜 —玉
米—晚稻、
紫云英 —玉米 —晚稻为辅 ,不种或少种小麦 ,这与当地实际情况基本一致。

表1　不同复种方式的气候适应性指数
Table 1 　The climate adaptability index of different multiple cropping systems

种植制度温　度降水量日照时数综合指数
Farming system Temperature Precipitation Sunshine time Integrated index

紫云英 ( 中) —早稻 ( 中) —晚稻 ( 晚)
Chinese milkvetch ( middle) —early rice 0. 903 5 0. 786 5 0. 694 5 0. 817 0
( middle) —late rice (late)

紫云英 ( 中) —玉米 ( 中) —晚稻 ( 晚)
Chinese milkvetch ( middle) —corn 0. 889 0 0. 652 6 0. 686 5 0. 764 5
( middle) —late rice (late)

紫云英 ( 中) —早稻 ( 中) —玉米 ( 中)
Chinese milkvetch ( middle) —early rice 0. 864 8 0. 751 3 0. 684 9 0. 785 3
( middle) —corn ( middle)

油菜 ( 早) —早稻 ( 早) —晚稻 ( 中)
Rape ( early) —early rice ( early) —late 0. 983 2 0. 692 5 0. 669 6 0. 777 1
rice ( middle)

油菜 ( 早) —早稻 ( 中) —晚稻 ( 中)
Rape ( early) —early rice ( middle) —late 0. 892 7 0. 694 0 0. 672 7 0. 777 2
rice ( middle)

油菜 ( 早) —早稻 ( 早) —晚稻 ( 晚)
Rape ( early) —early rice ( early) —late 0. 886 0 0. 693 3 0. 663 7 0. 771 9
rice (late)

油菜 ( 早) —早稻 ( 中) —晚稻 ( 晚)
Rape ( early) —early rice ( middle) —late 0. 895 8 0. 699 3 0. 675 9 0. 780 8
rice (late)

油菜 ( 早) —玉米 ( 中) —晚稻 ( 晚)
Rape ( early) —corn ( middle) —late 0. 881 3 0. 590 7 0. 667 9 0. 737 6
rice (late)

油菜 ( 早) —早稻 ( 中) —玉米 ( 中)
Rape ( early) —early rice ( middle) — 0. 857 5 0. 689 4 0. 666 4 0. 758 5
corn ( middle)

小麦 ( 早) —早稻 ( 中) —晚稻 ( 晚)
Wheat ( early) —early rice ( middle) —late 0. 831 7 0. 000 0 0. 738 4 0. 000 0
rice (late)



3期陈长青等 : 耕作制度专家系统初探 25

7　　
讨论

FSES 与前人的 ESFS 比较 ,后者涉及的应用范围较大 , 包含内容较多 , 不易操作 ; 而前
者在耕作制度的适应性评价与优化决策上较 ESFS 具体、
实用 ,且 FSES 运用数据库来表示
知识 , 有利于知识的增加、
修改和编辑。FSES 与单个作物专家系统比较 , 前者着重地区作
物全年高产 ,而后者只着重一季作物的生育特性和高产目标。FSES 与沈阳生态研究所的
多熟种植农业生态模式专家系统比较 ,后者将数据库、知识库和地理信息系统融为一体 ,具
有一定的图形处理功能 ; 而前者将数据库、知识库与模型库融为一体 ,更易于处理农业的非
结构化问题。建立多方面、多任务的专家系统是今后耕作制度专家系统发展的必然趋势。

参　　　
考文献

1　成升魁 1 中国北方麦田多熟种植系统阈值与潜力及其理论研究 : [ 博士学位论文 ] 1 北京 : 北京农业大
学 . 1990
2　吕富保 1 区域农业资源优化配置的 SDL P 方法 1 生态农业研究 ,1996 ,12 ( 4) :57～60
3 　Warkentin M E. A knowledge2based expert system for planing and design of agroforestry systems. Agro2
forestry Systems , 1991 ,11 ( 1) :71～83
4　翟玉顺 1 中国中亚热带低丘红壤低丘农业资源的系统分析与耕作制度的优化设计 : [ 博士学位论文 ] 1
南京 : 南京农业大学 11992
5　梁文举 ,闻大中 ,沈善敏 1 下辽河平原多熟种植农业生态模式专家系统设计 1 Ⅰ 系统设计思想 1 应用
1
生态学报 11996 ,7 ( 3) :321～325
6　王宏广 1 农业资源管理及耕作制度优化专家系统结构构思与设计 1 见 : 中国耕作制度研究会青年学
组 ,南京农业大学耕作学教研室编著 1 全国耕作学青年学术研讨会论文集 1 南京 : 南京大学出版社 ,
199219～14

( 责任编辑　赵红艳)


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