賀國祥，劉 夢，孫興華，劉乃迪

（河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000）

大田智能灌溉專家系統(tǒng)是一個具有大量農(nóng)田灌溉專門知識與經(jīng)驗的計算機(jī)系統(tǒng)，它將人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田灌溉領(lǐng)域，依據(jù)農(nóng)業(yè)專家提供的專業(yè)知識、經(jīng)驗進(jìn)行推理和判斷，模擬農(nóng)業(yè)專家就農(nóng)田灌溉問題進(jìn)行決策，是智慧農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要組成部分。

農(nóng)業(yè)灌溉作為農(nóng)作物栽培生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于增加糧食作物產(chǎn)量起著決定性的作用。但目前我國農(nóng)村水資源短缺和農(nóng)業(yè)粗放低效的利用方式共存，使得農(nóng)村缺水問題十分嚴(yán)峻。

美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家很早就將先進(jìn)的電子信息技術(shù)和電腦自動化控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于節(jié)水和灌溉領(lǐng)域，其系統(tǒng)已趨于成熟。在這些發(fā)達(dá)國家，從最初的機(jī)械控制、液壓自動控制，到后來的機(jī)電一體化控制，再發(fā)展到廣泛應(yīng)用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊自動化控制，其控制的精度、穩(wěn)定性和技術(shù)智能化的程度都越來越高，操作也越來越簡單。

由于我國農(nóng)作物的智能控制管理技術(shù)研究起步相對較晚，引入國外先進(jìn)智能灌溉管理控制系統(tǒng)的成本又太大，且發(fā)達(dá)國家研制的控制管理系統(tǒng)不完全適用于我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各地農(nóng)作物生長的需要，因此研究開發(fā)一套適應(yīng)我國國情的智能灌溉管理控制系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 專家系統(tǒng)控制技術(shù)在智能灌溉中的應(yīng)用

1.1 專家系統(tǒng)控制理論

專家系統(tǒng)控制技術(shù)是我國智能化控制發(fā)展中的重要組成部分。該應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)國內(nèi)農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù)專家提供的專業(yè)知識和豐富實踐經(jīng)驗，將其轉(zhuǎn)換成控制規(guī)則語言對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行控制，幫助眾多灌溉專家系統(tǒng)重新設(shè)計農(nóng)業(yè)灌溉應(yīng)用程序，提高灌溉的科學(xué)性。專家管理機(jī)制的主要部分包括專業(yè)知識庫、邏輯推理機(jī)、分析管理機(jī)制和專業(yè)知識提取管理系統(tǒng)，其核心組成是專家學(xué)者管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)必須具備解決各類非結(jié)構(gòu)化問題，尤其是解決界定不明確或啟發(fā)式知識信息的能力，并通過各類邏輯推理實現(xiàn)所需要的控制目標(biāo)。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的基本功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

其中，知識庫和推理機(jī)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的重要組成部分，是任何農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)不可或缺的組成部分。知識庫的好壞直接影響農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性；推理機(jī)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的主要運行動力。知識獲取機(jī)構(gòu)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，它的主要任務(wù)是完成領(lǐng)域知識的獲取和整合。解釋機(jī)構(gòu)必須向用戶解釋邏輯推理的結(jié)果和邏輯推理過程中產(chǎn)生的結(jié)果。

專家控制主要有如下特點：（1）專家控制利用的是專家的知識和經(jīng)驗，將知識和經(jīng)驗用規(guī)則語言進(jìn)行表示，并通過推理和決策解決問題，不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型；（2）專家控制具有透明性特征，可以說明本身的推導(dǎo)流程就能解答使用者提出的疑問，便于使用者掌握推導(dǎo)流程，進(jìn)而提升對專家系統(tǒng)的信賴感；（3）利用專家系統(tǒng)可靈活控制工作的特點，可向系統(tǒng)持續(xù)地增加專業(yè)知識，并對既有專業(yè)知識不斷修改創(chuàng)新。

1.2 專家系統(tǒng)在智能灌溉中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)主要是將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)緊密結(jié)合起來，綜合地分析各種與農(nóng)業(yè)相關(guān)的知識、經(jīng)驗、數(shù)據(jù)和模型，計算得出最優(yōu)解，指導(dǎo)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)的一套高科技系統(tǒng)。把現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)更廣泛地運用在農(nóng)業(yè)灌溉中，就可以提高農(nóng)業(yè)灌溉的自動化水平，使灌溉專家系統(tǒng)更進(jìn)一步地具有檢測、決策和預(yù)報的功能。

2009年，朱煥立等利用中國國家智慧農(nóng)田灌溉專家系統(tǒng)，開發(fā)了一個新型農(nóng)田灌溉問題的自動過程管理系統(tǒng)，具備信號的自動收集、自動監(jiān)測、灌溉決策、預(yù)置修改等功能，工作人員可以根據(jù)農(nóng)田氣象條件、土壤墑情、作物長期生長及土壤環(huán)境變化等信息，做出農(nóng)田灌溉問題預(yù)報解決方案的具體決策，并主動組織執(zhí)行，為解決農(nóng)田灌溉問題提供了一種新的解決思路[1]。

2014年，黃勇等為迅速完成對南通區(qū)域內(nèi)所有水稻的自動節(jié)水智能灌溉，研發(fā)了一種新型稻田自動節(jié)水農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，該灌溉系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)和先進(jìn)稻田智能灌溉控制系統(tǒng)技術(shù)，實現(xiàn)水稻全生育期的自動智能灌溉。具有構(gòu)造簡易、投資較省、技術(shù)簡單、經(jīng)濟(jì)效益明顯及推廣前景廣闊等優(yōu)點，可精確執(zhí)行泵站智能管理、灌溉水源水質(zhì)自動監(jiān)控及利用稻田土壤水分專家系統(tǒng)進(jìn)行控制灌溉等節(jié)水模式，大幅提高了泵站的勞動生產(chǎn)效率[2]。

2015年，根據(jù)小麥不同年齡和生育期不同情況下的灌溉方法和策略，王福平等研究設(shè)計了一種基于模糊自動化控制技術(shù)的節(jié)水灌溉方法和專家決策系統(tǒng)。該體系針對小麥在不同生長發(fā)育時段的生長因素差異及灌溉要求差異，設(shè)計了適應(yīng)不同時間澆水要求的節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要利用模煳控制技術(shù)原理，將土壤水分、氣溫、水熱積等作為農(nóng)業(yè)自動灌溉的重要指標(biāo)，把農(nóng)業(yè)灌溉經(jīng)驗用于計算機(jī)控制。經(jīng)實驗證實，該控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)及時合理的自動灌溉效果，從而確保了自動灌溉可滿足小麥在其生長發(fā)育周期的每一階段要求[3]。

2016年，余國雄等共同研發(fā)并設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)村物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的荔枝園信息收集與智能灌溉專家決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用地面信息收集終端模塊，實時收集荔枝園區(qū)的土地含水率、空氣濕度、光線強度、風(fēng)力和降水等自然環(huán)境信號，經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)分析信息包發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，而網(wǎng)關(guān)則經(jīng)過普通無線組集網(wǎng)將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)分析信息包傳送到云網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，專家管理系統(tǒng)依據(jù)所收集到的自然環(huán)境信息數(shù)據(jù)分析，整合專家學(xué)者信息庫，設(shè)置了多種決策數(shù)學(xué)模型，可完成測算作物的需水量、預(yù)測澆水時機(jī)、灌溉最佳定量決策及根據(jù)灌溉制度決策等功能，將決策成果反映到管理終端模塊并實現(xiàn)智能監(jiān)控。系統(tǒng)的預(yù)報精度可以達(dá)到75%，表明整個系統(tǒng)預(yù)測的實時性相對較好，實現(xiàn)了對荔枝園的環(huán)境信息收集和智慧灌溉，可以指導(dǎo)從業(yè)者科學(xué)管理荔枝園[4]。

2017年，張婷等為有效改善目前傳統(tǒng)智能農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)只能依據(jù)單一的灌溉影響參數(shù)決策的問題，開發(fā)了一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的自動智能農(nóng)業(yè)灌溉預(yù)報專家決策管理系統(tǒng)。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，建立了中國小麥灌溉技術(shù)與天氣數(shù)據(jù)、土地狀況之間的聯(lián)系，并對傳統(tǒng)專家系統(tǒng)認(rèn)知基礎(chǔ)中的模糊量加以定量化修正，形成了規(guī)范模式。同時，還運用彭曼公式和水平衡原理構(gòu)建了中國小麥作物灌溉數(shù)學(xué)決策模式，使用者只需要在人機(jī)交互操作系統(tǒng)界面上按照提示，錄入當(dāng)期的溫濕度、土地信息和天氣數(shù)據(jù)等，就可以使用建模庫中的數(shù)學(xué)模式完成即時決策，從而做到了綜合考慮多種重要參數(shù)完成灌溉預(yù)報決策，大大提高了灌溉決策精確化程度，也進(jìn)一步優(yōu)化了農(nóng)業(yè)節(jié)水澆灌的策略，有效節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉水資源[5]。

2019年，楊偉志等針對中國山區(qū)柑橘傳統(tǒng)澆灌方法所產(chǎn)生的費時耗力、工藝技術(shù)不科學(xué)及水資源使用率較低等問題，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的中國山區(qū)柑橘智慧澆灌專家系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可即時檢測果園環(huán)境，并根據(jù)作物不同生長時段需水量和天然降水狀況，將土壤濕度管理在最適宜范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定性好、能源自給、智能化程度高等優(yōu)點[6]。

綜上所述，節(jié)水灌溉工程的關(guān)鍵就是及時獲取農(nóng)作物生長和繁殖的信息，并按照各個生育期對灌溉水量的要求進(jìn)行合理灌溉。專家系統(tǒng)控制技術(shù)匯集了我國農(nóng)業(yè)水利管理領(lǐng)域眾多專家的基礎(chǔ)知識和實踐經(jīng)驗，解決了各種復(fù)雜的水利灌溉工程問題，且該系統(tǒng)可以不間斷地更新專業(yè)知識并提供服務(wù)，為農(nóng)業(yè)灌溉的科學(xué)化和合理化建設(shè)發(fā)揮了重要作用。作物生長狀態(tài)信息知識庫則使系統(tǒng)可以根據(jù)作物在不同階段的生長情況自動進(jìn)行最優(yōu)化的控制措施，提高農(nóng)業(yè)灌溉的自動化程度。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在現(xiàn)有移動網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對主要技術(shù)功能進(jìn)行了延伸和拓寬，是一種同時具有實時信息收集和實時視覺感知、海量數(shù)據(jù)在線傳輸和實時智能化數(shù)據(jù)處理三大功能的信息網(wǎng)絡(luò)。2009年，我國正式提出“感知中國”的概念，“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”已成為我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中最重要的技術(shù)研究和推廣應(yīng)用發(fā)展方向之一。

2 專家系統(tǒng)控制技術(shù)的展望

2021年3月11日，全國人民代表大會表決通過了《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，提出“完善農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系，創(chuàng)新農(nóng)技推廣服務(wù)方式，建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)”。中國農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展工程也已到了加速轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的新時期，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步依托科技進(jìn)步實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動、內(nèi)生成長，引領(lǐng)農(nóng)村向綠色生態(tài)、高品質(zhì)、民族特色和品質(zhì)化蓬勃發(fā)展，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化全球整體競爭力。由此可見，在未來的農(nóng)業(yè)智能灌溉中，專家系統(tǒng)將具有越來越重要的地位。根據(jù)我國目前的農(nóng)業(yè)水平、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際情況以及農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用特點，其未來的發(fā)展趨勢應(yīng)該有以下幾個方面。

2.1 注重農(nóng)業(yè)各種科學(xué)技術(shù)的綜合運用

針對當(dāng)前國情，注重農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的充分應(yīng)用和推廣，逐步應(yīng)用農(nóng)業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、“3S”信息技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化模擬、多媒體以及其他許多農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，是當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品病蟲害人工智能專家系統(tǒng)熱潮中的新發(fā)展趨勢。

2.2 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)共享

作為信息技術(shù)的良好載體，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展為信息和專家系統(tǒng)的傳播提供了良好的渠道。未來社會需要的是一個基于網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)，一個能夠在網(wǎng)絡(luò)上順暢運行并成功共享資源的信息系統(tǒng)，才能真正具有社會生命力和使用價值。

2.3 注重農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的普及化

現(xiàn)階段，我國直接參加農(nóng)作物生產(chǎn)和田間管理工作的人大部分為農(nóng)村人。隨著農(nóng)業(yè)社會的發(fā)展、微機(jī)的廣泛應(yīng)用、軟件產(chǎn)品價值的下調(diào)、以及農(nóng)戶綜合素質(zhì)的提升，農(nóng)戶也將成為未來農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的重點使用者之一。

2.4 注重市場國際化

我國已經(jīng)加入WTO，中國農(nóng)產(chǎn)品專家體系的建立也不應(yīng)該忽略國外市場的需求，因此發(fā)展既適合中國需求又適合國外需求的農(nóng)產(chǎn)品專家體系也是很有必要的。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在中國方興未艾。作為農(nóng)業(yè)決策的重要手段，相信在不久的未來，將涌現(xiàn)出越來越多的符合我國國情的國產(chǎn)智能灌溉專家系統(tǒng)。