金松林,鄭穎,姜小苓,張自陽,劉明久,茹振鋼,王斌

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)模型構(gòu)建

金松林,鄭穎,姜小苓,張自陽,劉明久,茹振鋼,王斌

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于TRIZ理論構(gòu)建了小麥育種專家系統(tǒng)模型,旨在利用該系統(tǒng)為小麥育種科研人員在短時(shí)間內(nèi)提供創(chuàng)新育種的思路、技術(shù)及方法,解決目前常規(guī)小麥育種過程中所面臨的效率低下、創(chuàng)新力不夠的問題,克服常規(guī)育種方法中的不足.

TRIZ理論；小麥育種；專家系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)是我國立國之本,因此農(nóng)業(yè)的發(fā)展問題一直作為我國的戰(zhàn)略安全問題.如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,最終使我國由農(nóng)業(yè)大國發(fā)展為農(nóng)業(yè)強(qiáng)國是每一個(gè)農(nóng)業(yè)工作者必須思考的問題.“十三五”期間我國計(jì)劃實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè),利用現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的必由之路.

TRIZ理論在最近幾年才被引入我國,該原理不僅可以指導(dǎo)科學(xué)創(chuàng)新且可以使創(chuàng)新過程具體化. TRIZ理論被引入我國后,在機(jī)械、電子、化工、食品、航空、船運(yùn)、建筑及經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益.

隨著TRIZ理論的推廣普及,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的水稻育種[1]、食用菌病蟲害防治[2]、植物組織培養(yǎng)技術(shù)[3]等應(yīng)用TRIZ理論獲得了一些全新的指導(dǎo)思想和解決方案.但是,在各種小麥育種方法中,從未見TRIZ理論應(yīng)用于該領(lǐng)域.就育種方法而言,21世紀(jì)前半葉,常規(guī)育種是小麥育種采用的主流方法,但是該方法組織形式落后,存在各種各樣的問題,這些問題嚴(yán)重地制約著小麥育種工作[4].

本文結(jié)合TRIZ理論的解題流程、問題求解模式及最新研究成果,構(gòu)建基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)模型,為小麥育種提供科學(xué)、高效、可供借鑒的育種思路,從而縮短小麥育種時(shí)間,提高育種效率.

1TRIZ理論的基本概念及核心思想

1.1 TRIZ理論的基本概念

TRIZ理論由根里奇·阿奇舒勒帶領(lǐng)自己的研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過對幾百萬份創(chuàng)新案例和發(fā)明專利進(jìn)行分析總結(jié),最終創(chuàng)建出TRIZ理論（Theory of Inventive Problem Solving）,其含義為發(fā)明問題解決理論[5].

1.2 TRIZ理論的核心思想

TRIZ理論主要包括3個(gè)方面：第一,絕大多數(shù)的技術(shù)發(fā)明,使用的方法和原理是重復(fù)的,即使在解決不同行業(yè)中的問題時(shí),所采用的方法和原理也是相同的；第二,在任何發(fā)明創(chuàng)造的過程中,所用的技術(shù)和方法的發(fā)展都不是隨機(jī)的,而是按照某種客觀規(guī)律進(jìn)化而來的；第三,任何技術(shù)和方法都是想用最少的資源獲取最大的收益.

2TRIZ理論創(chuàng)新問題解決流程及求解模式

TRIZ理論的研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)了應(yīng)用于實(shí)踐的多種方法,結(jié)合國內(nèi)外TRIZ研究機(jī)構(gòu)對TRIZ理論的豐富、完善和發(fā)展,TRIZ理論創(chuàng)新問題解決流程如圖1所示.

圖1 TRIZ理論創(chuàng)新問題解決流程Fig.1 The process of innovative problems solving based on TRIZ

TRIZ理論的創(chuàng)新方法有自己的獨(dú)特的優(yōu)勢[6-7].它為科研人員提供了可操作性比較強(qiáng)的科學(xué)方法,幫助科研人員快速、高效、準(zhǔn)確地找到問題的核心,并將其轉(zhuǎn)化成問題模型,進(jìn)而對問題進(jìn)行系統(tǒng)分析,在此基礎(chǔ)上確定影響問題解決的核心問題或根本矛盾,然后選擇運(yùn)用TRIZ理論數(shù)據(jù)庫中提供的原理、方法和原則等按照程序有步驟地解決問題,其問題解決模式如圖2所示.

圖2 TRIZ理論問題解決模式Fig.2 The model of problems solving based on TRIZ

3 小麥常規(guī)育種技術(shù)

小麥常規(guī)育種,即通過雜交育種的方法,把分屬于不同品種包括野生種的一些有利基因聚合到一個(gè)品系中,培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的農(nóng)作物新品種,該育種方法為提高我國小麥產(chǎn)量做出了卓越的貢獻(xiàn).

2015年我國小麥每公頃產(chǎn)量比2014年增加141.6 kg,產(chǎn)量提高了2.9%,其中小麥常規(guī)育種技術(shù)的進(jìn)步為增產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用.毋庸置疑,常規(guī)育種在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的貢獻(xiàn)是巨大的,但是,隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和育種目標(biāo)的提高,要求育種工作者快出品種,出好品種,常規(guī)育種技術(shù)就顯得力不從心了.主要原因是因?yàn)樾←湷Ｒ?guī)育種技術(shù)有其自身的缺點(diǎn)：一是育種周期長,從雜交組合選配到育出品種審定需要7～10 a的時(shí)間；二是效率低,育種單位每年要配制幾百至幾千個(gè)雜交組合,配制的雜交組合中僅有1%左右的雜交組合有希望通過審定；三是預(yù)見性差,早期的育種選擇大多建立在目測的基礎(chǔ)上,但由于種種因素的影響,很難預(yù)測雜交后代的表現(xiàn),因此優(yōu)良的基因型被發(fā)現(xiàn)的概率不高.

小麥育種專家系統(tǒng)可以在育種科研人員進(jìn)行田間試驗(yàn)之前,利用小麥育種積累的大量數(shù)據(jù)建立比較真實(shí)的育種思路及育種方法,利用計(jì)算機(jī)對育種過程進(jìn)行模擬,選擇出最佳的育種策略,從而大大減少育種時(shí)間,提高育種效率,為育種工作者提出可供參考的育種方案.

4 基于TRIZ理論的小麥育種模型的構(gòu)建

4.1 一般專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)是一個(gè)利用現(xiàn)代信息技術(shù),模擬人類專家解決某領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜問題的智能問答系統(tǒng).專家系統(tǒng)一般包含4個(gè)主要部分：知識庫、推理機(jī)、知識獲取、解釋器[8],其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the expert system

4.1.1 人機(jī)交互界面用戶可以通過人機(jī)交互界面向系統(tǒng)提出問題,系統(tǒng)對問題進(jìn)行分析、推理,將問題解決方案通過該界面返回給用戶.

4.1.2 推理機(jī)推理機(jī)采取某種控制機(jī)制和匹配策略,根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中存儲的內(nèi)容,針對用戶提出的問題,根據(jù)數(shù)據(jù)中的知識進(jìn)行反復(fù)分析、推理,從而給出用戶提出問題的解決方案.

4.1.3 解釋器解釋器的主要功能是將輸入到專家系統(tǒng)的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化翻譯,按照一定的規(guī)則,解釋成系統(tǒng)能夠識別的形式.

4.1.4 知識庫知識庫是為系統(tǒng)中推理機(jī)提供服務(wù)的,主要用于存儲某領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗(yàn),其中包括領(lǐng)域內(nèi)的知識原理、成功案例等.

4.1.5 知識獲取知識獲取模塊設(shè)計(jì)的好壞直接影響專家系統(tǒng)中知識庫的質(zhì)量,是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.該模塊通過不同的方式從不同的專家處獲取知識,可以擴(kuò)充和修改原知識庫中的內(nèi)容,也可以實(shí)現(xiàn)知識庫的自動學(xué)習(xí).

4.2 基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)模型

將TRIZ理論應(yīng)用于小麥育種領(lǐng)域構(gòu)建小麥育種專家系統(tǒng),該系統(tǒng)可為小麥育種科研人員在短時(shí)間內(nèi)提供創(chuàng)新育種的思路、技術(shù)及方法,解決目前常規(guī)小麥育種過程中面臨的效率低下、創(chuàng)新力不夠的問題.

該系統(tǒng)主要由小麥育種知識庫、主要功能模塊、知識獲取、推理機(jī)、解釋器等模塊組成,其結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)Fig.4 The wheat breeding expert system based on TRIZ

小麥育種科研人員可以通過該專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小麥品種育種解決方案、育種思路等小麥相關(guān)育種知識的獲取,同時(shí)小麥科研人員也可以利用自己的育種經(jīng)驗(yàn)及成功的育種實(shí)踐案例對小麥育種知識庫進(jìn)行添加,不斷豐富和完善知識庫.

4.2.1 知識庫

（1）小麥育種知識原理數(shù)據(jù)庫

小麥育種知識庫主要包括三部分內(nèi)容：一是育種理論,主要包括各種育種的理論知識；二是育種實(shí)驗(yàn)技術(shù),包括各小麥品種育種時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；三是小麥遺傳信息,主要包小麥品種進(jìn)化過程中積累的海量遺傳信息.

（2）小麥品種知識庫

對現(xiàn)有小麥品種的數(shù)據(jù)（主要包括小麥生理育種數(shù)據(jù)庫、生化育種數(shù)據(jù)庫、分子育種數(shù)據(jù)、育種常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)據(jù)）進(jìn)行歸納總結(jié),將TRIZ理論與小麥育種知識相結(jié)合,形成具有一定規(guī)則的知識體系并將其儲存在小麥品種知識庫中,為小麥育種專家系統(tǒng)指導(dǎo)小麥育種創(chuàng)新提供思路.

（3）小麥育繁推成功案例庫

將現(xiàn)階段不同生態(tài)區(qū)審定的小麥品種大面積推廣應(yīng)用的實(shí)施辦法總計(jì)形成數(shù)據(jù)庫,例如,對河南科技學(xué)院百農(nóng)系列小麥品種、周口農(nóng)科院周麥系列小麥品種、新鄉(xiāng)市農(nóng)科院新麥系列小麥品種、河南農(nóng)科院鄭麥系列小麥品種等育繁推一體化實(shí)施機(jī)制進(jìn)行總結(jié),提煉升華,得到可行的育繁推一體化可操作方法.

（4）小麥專家育種思路庫

小麥育種科研人員掌握大量育種知識和豐富的育種經(jīng)驗(yàn)與育種思路,并且具有解決小麥育種過程中性狀沖突的技術(shù)方法,可以把小麥育種過程中遇到的問題歸納起來,分為不同的問題類型,方便為不同的育種要求提供不同的育種思路.

4.2.2 主要功能模塊

（1）人機(jī)交互模塊

本模塊主要為小麥育種科研人員提供一個(gè)友好的提問界面,用戶通過該界面能方便地使用小麥育種專家系統(tǒng).

（2）專家預(yù)警模塊

本模塊主要針對專家系統(tǒng)模擬出的新品種培育方案,從品種進(jìn)化、社會效益、生態(tài)效益角度,預(yù)測小麥品種在未來的推廣應(yīng)用過程中所出現(xiàn)的問題.

（3）專家推理模塊

本模塊主要根據(jù)小麥育種科研人員提出的育種要求,推理機(jī)通過對科研人員的描述來提取關(guān)鍵信息,與知識庫中的知識及案例進(jìn)行匹配對比,得到比較有效的解決方案.利用該模塊實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是對所培育的品種要有一個(gè)詳細(xì)的描述,最好能把培育的品種性狀等指標(biāo)數(shù)量化.

（4）專家問答模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)小麥育種科研人員與在線專家實(shí)時(shí)交流溝通,共同討論在育種過程中遇到的問題,還可以通過留言的方式向?qū)＜姨釂?

（5）TRIZ工具模塊

首先把小麥育種中需要解決的問題,提煉升華轉(zhuǎn)化為TRIZ問題,然后利用TRIZ理論工具,獲得該TRIZ問題的通用解決方案,最后小麥育種人員將通用解決方案轉(zhuǎn)化為小麥育種領(lǐng)域的創(chuàng)新解決方案.

通過與TRIZ理論結(jié)合,將知識庫中的育種知識經(jīng)驗(yàn)作為TRIZ理論指導(dǎo)創(chuàng)新育種的基本的規(guī)則.由于不同的專家對于育種知識、經(jīng)驗(yàn)、思路的描述不同,需要TRIZ工程師與育種專家緊密結(jié)合,用比較準(zhǔn)確的方法來獲取知識、經(jīng)驗(yàn)和思路,然后以規(guī)范的規(guī)則通過編輯存儲到計(jì)算機(jī)中去.隨后通過不斷的小麥育種實(shí)踐逐步修正和完善小麥育種專家系統(tǒng),為今后小麥育種科研人員提供更好的創(chuàng)新育種思路.

5 小麥育種專家系統(tǒng)展望

TRIZ的創(chuàng)新思維揭示了事物的發(fā)展規(guī)律,基于TRIZ理論的小麥育種專家系統(tǒng)可以避免常規(guī)育種方法中所做的大量室內(nèi)和田間試驗(yàn),不僅節(jié)省大量的人力、物力及財(cái)力,還可以在不同的育種策略中進(jìn)行分析比較,提高育種工作者的育種效率.然而,小麥育種學(xué)是實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科,小麥育種方法與育種思路的優(yōu)化等研究要來源于育種實(shí)踐.在小麥育種研究過程中,小麥育種專家系統(tǒng)必須與育種實(shí)踐緊密結(jié)合,不斷發(fā)現(xiàn)、解決系統(tǒng)中存在的問題,逐步補(bǔ)充豐富育種數(shù)據(jù)庫,讓小麥專家專家系統(tǒng)推薦出最優(yōu)的小麥育種策略供小麥育種科研人員使用,其相關(guān)效果也才能接受實(shí)踐的檢驗(yàn).

[1]閔軍,羅郝榮,段永紅,等.運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新方法選育抗逆型優(yōu)質(zhì)稻品種[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2012（15）：3-5.

[2]趙鶴,王延鋒,董雪梅,等.基于TRIZ理論食用菌病蟲害化學(xué)防治方法初探[J].中國食用菌,2013,32（5）：65-66.

[3]韓彥良,曲芬霞.TRIZ理論在植物組織培養(yǎng)技術(shù)中的應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39（28）：17188,17234.

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[6]周永清,臧鐵鋼,吳欣.TRIZ應(yīng)用研究綜述及展望[J].江蘇科技信息,2015（14）：66-69.

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[8]敖志剛.人工智能及專家系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Constructing of wheat breeding expert system based on TRIZ

JIN Songlin,ZHENG Ying,JIANG Xiaoling,ZHANG Ziyang,LIU Mingjiu,RU Zhengang,WANG Bin
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A system model for wheat breeding expert was constructed based on theory of inventive problem solving in this paper.This model was used to provide some ideas,technique and methods of innovative breeding,for wheat breeding researchers in short time period.Besides,it can overcome the shortcomings in the process of conventional wheat breeding,for example,inefficiency and low level of innovative ability.

TRIZ；wheat breeding；expert system

TP182

A

1008-7516（2016）04-0051-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.011

2016-03-24

科技部創(chuàng)新方法研究專項(xiàng)（2013IM030700）；科技部創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)項(xiàng)目（2015IM010400）；河南科技學(xué)院青年教師資助計(jì)劃（201010714004）

金松林（1983―）,男,河南周口人,碩士,助教.主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究與應(yīng)用.

王斌（1977―）,男,甘肅蘭州人,碩士,講師.主要從事TRIZ理論的研究與應(yīng)用.