第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end

第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end教學內(nèi)容第一節(jié)

專家系統(tǒng)技術概述

第二節(jié)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)概述第三節(jié)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)實例分析第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end第一節(jié)

專家系統(tǒng)技術概述一、人工智能與專家系統(tǒng)

(一)人工智能的概念與發(fā)展1、人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是指研究人類智能活動的規(guī)律，利用計算機構造一個人工系統(tǒng)來模擬人類思考問題，使計算機具有人類智能行為以實現(xiàn)人類腦力勞動自動化的技術。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end2、人工智能發(fā)展第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end第一階段：50年代人工智能的興起和冷落到了20世紀50年代，人工智能已躁動于人類科技社會的母胎，即將分娩。1956年夏季，年輕的美國學者麥卡錫(J.McCarthy)在美國的達特茅斯(Dartmouth)大學舉辦了一次長達2個月的研討會，認真熱烈地討論用機器模擬人類智能的問題。會上，首次使用了人工智能這一術語。這是人類歷史上第一次人工智能研討會，標志著人工智能學科的誕生，具有十分重要的歷史意義。這些從事數(shù)學、心理學、信息論、計算機和神經(jīng)學研究的年輕學者，絕大多數(shù)都成為著名的人工智能專家，40年來為人工智能的發(fā)展作出重要貢獻。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end

1960年麥卡錫（J.McCarthy）成功地研制了著名的LISP表處理語言，成為人工智能的里程碑。機器翻譯譯出了荒謬的結(jié)論。如從英語→俄語→英語的翻譯中，有一句話：“心有余而力不足”，結(jié)果變成了“酒是好的而肉變質(zhì)了”。60年代初，人工智能的創(chuàng)始人Simon(西蒙)等就樂觀的預言：①十年內(nèi)數(shù)字計算機將是世界象棋冠軍。②十年內(nèi)計算機將證明一個未發(fā)現(xiàn)的重要的數(shù)學定理。③十年內(nèi)數(shù)字計算機將譜寫具有相當美學價值的而為批評家所認可的樂曲。④十年內(nèi)大多數(shù)心理學家理論將采取計算機的形式。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end第二階段：60年代末到70年代，專家系統(tǒng)的出現(xiàn)，使人工智能研究出現(xiàn)了新高潮1）1968年斯坦福大學被譽為"專家系統(tǒng)和知識工程之父"的費根鮑姆(Feigenbaum)所領導的研究小組研究成功第一個專家系統(tǒng)DENDRAL，用于質(zhì)譜儀分析有機化合物的分子結(jié)構。該系統(tǒng)具有非常豐富的化學知識,是根據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)幫助化學家推斷分子結(jié)構,被廣泛地應用于世界各地的大學及工業(yè)界的化學實驗室。2）1972年～1976年，費根鮑姆小組又開發(fā)成功MYCIN醫(yī)療專家系統(tǒng)，用于抗生素藥物治療。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end

4）卡內(nèi)基梅隆大學研制了語音理解系統(tǒng)Hearsay-II系統(tǒng)，他完成了從輸入的聲音信號轉(zhuǎn)換成字，組成單詞，合成句子，形成數(shù)據(jù)庫查詢語句，再到情報庫中去查詢資料。該系統(tǒng)是采用了“黑板結(jié)構”這種新形式的專家系統(tǒng)。5）1969年，成立了國際人工智能聯(lián)合會（InternationalJointConferencesonArtificialIntelligence——IJCAI）。這一階段的特點是重視了知識，開始了專家系統(tǒng)的研究，是人工智能走向?qū)嵱没５诙罗r(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end第三階段：80年代，隨著第五代計算機的研制，人工智能得到很大發(fā)展日本1982年開始了“第五代計算機的研制計劃”即“知識信息處理計算機系統(tǒng)KIPS”它的目的是使邏輯推理象數(shù)值運算那樣快。日本的十年計劃在政府的支持下大力開展，形成了一股熱潮。十年后第五代計算機還沒有生產(chǎn)出來，只取得了部分成果。該計劃的失敗對人工智能是一個挫折。第四階段：80年代末，神經(jīng)網(wǎng)絡飛速發(fā)展1988年后，神經(jīng)網(wǎng)絡迅速發(fā)展起來。1987年美國召開了第一次神經(jīng)網(wǎng)絡國際會議，宣布新學課誕生。1988日本成為神經(jīng)計算機元年，提出研制第六代計算機計劃。神經(jīng)網(wǎng)絡成為一個獨立的學科發(fā)展起來。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end3、人工智能研究進展較大的三個應用分支機器人、專家系統(tǒng)和自然語言理解。1）機器人能再現(xiàn)人的感覺、操作和行動，從事復雜作業(yè)，可在一些有害、危險和繁重、疲勞性勞動場合來代替人去完成作業(yè)，如焊接、搬運、裝配、水下與地下作業(yè)等。2）專家系統(tǒng)具有專業(yè)知識并能通過推理和判斷來解決問題，可代替人類專家進行疾病診斷、數(shù)學公式推導、化學結(jié)構分析等方面的復雜工作。3）自然語言理解方面主要是研制各類自然語言處理系統(tǒng)，利用計算機來分析人的自然語言表達，幫助進行翻譯和實現(xiàn)人機自然語言對話。雖然，目前實現(xiàn)計算機模擬人的高級思維，如理解、靈感、頓悟等方面還十分困難，甚至不可能，但人工智能仍然是世界各國高新技術發(fā)展的重點領域之一。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end（二）專家系統(tǒng)的概念1、專家系統(tǒng)概念（ExpertSystem，ES）簡單地講就是具有與人類專家同等解決問題能力的智能程序系統(tǒng)。具體地講，專家系統(tǒng)是指在特定的領域內(nèi)，根據(jù)某一專家或?qū)＜胰后w提供的知識、經(jīng)驗及方法進行推理和判斷，模擬人類專家做決定的過程，來解決那些需要人類專家決定的復雜問題，提出專家水平的解決方法或決策方案的計算機程序系統(tǒng)。

第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end2、專家系統(tǒng)與專家區(qū)別專家系統(tǒng)來自于專家，但又高于專家，是專家技能和知識的集成和綜合。人類專家的數(shù)量稀少、專家知識保留的非永久性、專家的判斷分析能力易受情緒和環(huán)境的影響、獲得專家知識的時間較長、成本較高等問題，使得人類專家知識的廣泛利用受到限制。而專家系統(tǒng)中的人工專門知識的保留具有永久性、易于復制和轉(zhuǎn)換、解決問題的能力不受環(huán)境影響和價格相對便宜，可以在很大程度上代替領域?qū)＜业淖饔?，在醫(yī)療診斷、機械制造、企業(yè)管理、經(jīng)濟分析、環(huán)境控制、水文及地質(zhì)調(diào)查、軍事指揮、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個領域已有廣泛應用，發(fā)揮著解釋、預測、診斷、設計、計劃、監(jiān)控、調(diào)試、修理、教學和控制等方面的作用。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end（三）專家系統(tǒng)的類型專家系統(tǒng)按應用領域的性質(zhì)可分為：1.診斷專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)(expertsystemfordiagnosis)是根據(jù)癥狀的觀察與分析，推斷故障(癥結(jié))所在，并給出排除故障的方案的系統(tǒng)，它占據(jù)現(xiàn)存專家系統(tǒng)的很大比例。它包括了醫(yī)學、電子、機械、社會、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟等方面的各種診斷系統(tǒng)和排錯系統(tǒng)。例如，MYCIN，CASNET，PUFF和ACE等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end2.預測專家系統(tǒng)預測專家系統(tǒng)(expertsystemforprediction)是根據(jù)觀察到的現(xiàn)狀，預測未來的系統(tǒng)。例如，天氣、水文、人口、地質(zhì)、經(jīng)濟、軍事乃至政治等方面的預測系統(tǒng)。預測是根據(jù)知識進行外推的過程，強烈地依賴于歷史資料的統(tǒng)計以及工作經(jīng)驗的積累。例如，TYT系統(tǒng)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end3.解釋專家系統(tǒng)解釋專家系統(tǒng)(expertsystemforinterpretation)是根據(jù)表面或外觀觀察情況進行分析，解釋深一層的結(jié)構或內(nèi)部可能情況等的系統(tǒng)。例如，地質(zhì)結(jié)構、化學結(jié)構、圖像、信號等解釋和各種語言的理解等系統(tǒng)。較著名的有Dendral，Prospector和Hearsay—Ⅱ等。4.設計專家系統(tǒng)設計專家系統(tǒng)(expertsystemfordesign)能根據(jù)設計要求，求出滿足問題求解方式的目標配置，包括各種智能CAD系統(tǒng)程序自動生成，如電路設計、土木建筑工程設計、計算機結(jié)構設計、機械產(chǎn)品設計、生產(chǎn)工藝設計等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end5.規(guī)劃專家系統(tǒng)規(guī)劃專家系統(tǒng)(expertsystemforplanning)是能尋找某個能達到給定目標的動作序列或步驟的輔助系統(tǒng)。如機器人規(guī)劃、交通運輸調(diào)度、工程項目論證、通信及軍事計劃的制定、運輸或財政方案的制定和配置選擇等等。6.監(jiān)視專家系統(tǒng)監(jiān)視專家系統(tǒng)(expertsystemformonitoring)能對系統(tǒng)、對象或過程的行為進行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應當具有的行為進行比較，以發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出警報。如核電站的安全監(jiān)視、防空監(jiān)視、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)視與預報等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end7.控制專家系統(tǒng)控制專家系統(tǒng)(expertsystemforcontrol)能自適應地管理一個受控對象或客體的全面行為，使之滿足預期要求。如空中交通管制、商業(yè)管理、自主機器人控制、生產(chǎn)過程控制等。8.咨詢專家系統(tǒng)咨詢專家系統(tǒng)（expertsystemforconsultation）又稱決策支持系統(tǒng)，能給各種決策人員或部門提供數(shù)據(jù)(或信息)、方法和方案選優(yōu)等不同層次的決策支持和咨詢服務。它包括各種領域的智能決策支持系統(tǒng)、各種咨詢系統(tǒng)、輔助調(diào)度系統(tǒng)等。目前這類系統(tǒng)較成功的有：ManagementAdvisor，Expertax，CapitalExpertSystems等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end9.教學專家系統(tǒng)教學專家系統(tǒng)(expertsystemforinstruction)根據(jù)學生的特點、弱點和基礎知識，以最適當?shù)慕贪负徒虒W方法對學生進行教學和輔導，不但能對領域知識進行傳授，而且能對學生提問，指出學生回答中的錯誤，并進行解釋，分析錯誤的原因，以及指導糾正錯誤等等。此外，它還能根據(jù)學生們回答的水平，來評分10.調(diào)試與修理專家系統(tǒng)調(diào)試與修理專家系統(tǒng)（expertsystemfordebuggingandrepair）能對失靈的對象（系統(tǒng)或過程）給出處理意見和方法，同時對發(fā)生故障的對象進行處理，使其恢復正常。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end（四）專家系統(tǒng)的基本特征(1)具有專家水平的專門知識；(2)具有符號處理的能力；(3)具有一般的問題的求解能力；(4)具有一定的復雜度和難度；(5)具有解釋功能；(6)具有獲取知識的能力；(7)只具有很窄的特定領域?qū)ｉT知識，其任務有針對性；(8)專家系統(tǒng)一般都把程序的控制和推理機構與知識(存在知識庫的知識)分開，使兩者相對獨立，因此具有較好的可擴充性與可維護性。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end（五）專家系統(tǒng)的發(fā)展專家咨詢系統(tǒng)（ExpertConsultingSystem）；自然語言理解（NaturalLanguageUnderstanding）和機器翻譯（MachineTranslation）；數(shù)據(jù)庫的智能檢索（IntelligentRetrievalfromDatabase）；定理證明（TheoremProving）；博奕游戲和決策（GamePlayingandDecisionMaking）（博奕論：一種為在競爭的情況下分析決定最適宜自己一方的策略而制定決策所采用的數(shù)學方法，用于政治、經(jīng)濟和軍事計劃）；機器人學（Robotics）；自動程序設計（AutomaticProgramming）；感知問題（PerceptionProblems）：視覺、聽覺、嗅覺、觸覺；組合和調(diào)度問題（CombinationandScheduling）；分布式人工智能（DistributedArtificialIntelligence,DAI）和多Agent系統(tǒng)（Multi-AgentSystem）；模式識別（PatternRecognition）；人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ArtificialNeuralNetwork），等等第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end二、專家系統(tǒng)基本原理專家系統(tǒng)內(nèi)部包含兩個主要部分：知識庫和推理機，知識庫（knowledgebase）包含推理機（Inferenceengine）所使用而得出結(jié)論的知識。

用戶知識庫推理機事實專門知識（一）基本原理第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end專家系統(tǒng)結(jié)構中，知識庫和推理機構是其核心部分，知識庫就象人的大腦存儲著指定的全部知識，推理機、人機接口、解釋機構、數(shù)據(jù)庫等部分組合成為一個結(jié)構框架，就象人的身體，人們稱之為“外殼”（Shell）。這種外殼只要配上包含有特定領域某方面知識的知識庫，就可組成一個可以運行的專家系統(tǒng)。從專家系統(tǒng)的結(jié)構角度看，所謂專家系統(tǒng)就是知識工程師通過知識獲取手段，將領域?qū)＜医鉀Q特定問題的知識采用某種知識表示技術編輯生成或自動生成某種特定表示形式，存放在知識庫中，然后用戶通過人機交互接口輸入信息、數(shù)據(jù)和命令，并借助于數(shù)據(jù)庫等，運用推理機構控制知識庫和整個系統(tǒng)工作，得到問題的求解結(jié)果。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end（二）建立專家系統(tǒng)原則專家系統(tǒng)技術研究的對象是專家，因此它必須滿足如下原則：（1）所建立的系統(tǒng)必須實用，能象專家那樣真正解決實際問題，有具體的實際應用目標；（2）所建造的系統(tǒng)要在解決問題時具有專家水平的本領，能模仿甚至超過專家；（3）它不是通用的百科全書，而是面向某個特定問題，在特定知識范圍和特定思維方式下運行；（4）專家系統(tǒng)的用戶一般是該特定領域內(nèi)水平不高、能力較差、希望從該系統(tǒng)得到幫助的人們，要求系統(tǒng)要有透明度和信任感。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、專家系統(tǒng)基本結(jié)構專家系統(tǒng)是一個計算機軟件系統(tǒng)，由知識庫、推理機構、人機交互接口和其它有關部分組成。專家系統(tǒng)最常見的系統(tǒng)結(jié)構。數(shù)據(jù)庫推理機構知識庫解釋機構人機交互接口用戶專家第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end1．知識庫是專家系統(tǒng)的核心，是用于存放領域知識的部分，在系統(tǒng)中獨立于其它部分，這是專家系統(tǒng)結(jié)構的一個重要特征。這里所說的知識包括數(shù)據(jù)、公式、方法、經(jīng)驗、信息和模型。知識知識庫存放知識的方式是由知識表示策略決定的，不同的知識表示策略需有相應的推理機制。2．推理機構是控制整個專家系統(tǒng)進行工作、求解問題的機構，又稱為推理機、控制機構或問題求解器。它的控制方式叫推理機制或推理策略。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end3．解釋機構專用于向用戶解釋“為什么”、“怎樣”之類的發(fā)問。其功能強弱反映了專家系統(tǒng)的透明度和信任程度。4．人機交互接口又叫用戶界面，即用戶與專家系統(tǒng)進行聯(lián)系的部分，一般用來進行數(shù)據(jù)、信息或命令的輸入，結(jié)果的輸出和信息的顯示等。與用戶交往的媒介可以是文字、聲音、圖象、圖形、動畫、音像等。用戶界面的友好方便，畫面的圖文并茂、形象生動是專家系統(tǒng)性能好的重要標志。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end5．數(shù)據(jù)庫存放著系統(tǒng)的有關數(shù)據(jù)，包括用戶輸入數(shù)據(jù)、中間推理結(jié)果及最終結(jié)果等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end四、知識表示技術知識是專家系統(tǒng)的核心，將人的知識轉(zhuǎn)換為知識庫能夠表達和操作運用的知識。知識表示技術則是專家系統(tǒng)的核心技術。已提出的知識表示技術方法有上百種，常見的有：第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end四、知識表示技術1．產(chǎn)生式規(guī)則法如果用“天下雨”、“打傘”這些信息表示某種基本事實，則把它們用“如果－則”因果關系連接起來就是“如果天下雨，則需打傘”，就是一個代表常識性意義的知識，稱為具有因果關系的規(guī)則型知識或啟發(fā)性知識，這種知識表示方法叫產(chǎn)生式規(guī)則法。它的表示格式為：如果條件集合成立，則結(jié)論成立。以字符形式可表示為：IF｛A｝，THENB｛A｝表示若干條件因素的集合，B表示結(jié)論因素。條件因素集合中，常用“∧”表示因素之間“與”的關系，用“∨”表示“或”的關系，例如：IFA1∧A2∧A3∧A4，THENB表示當A1至A4均為真時，則B為真；IFA1∨A2∨A3∨A4，THENB表示A1至A4中只需有一為真，則B為真；IF（A1∧A2）∨（A3∧A4），THENB表示當A1、A2均為真，或A3、A4均為真時，B為真。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end四、知識表示技術2．“框架”表示法有些知識屬于敘述性、描述性知識，不具有因果關系，則不能用“如果－則”規(guī)則型方法表示，因此提出了“框架”型表示技術，其基本思想是：將一個實物、一個事件或一個概念用一個框架的格式來表示，每個框架有一個框架名，有一組描述這個實物、事件或概念的各方面內(nèi)容的“槽”，每個槽有若干“側(cè)面”組成。也就是說，對于一個問題，采用的是步步深入、逐步細化的描述方法。比如：病蟲害知識的表示

生育期->發(fā)生部位->所發(fā)生部位的癥狀->確診病

第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end

3．語義網(wǎng)絡法語義網(wǎng)絡也是較早提出的基于網(wǎng)絡結(jié)構的知識表示技術。其基本思想是用圖解的形式來組織知識，網(wǎng)絡由節(jié)點和具有語義的弧鏈組成，節(jié)點用來表示物體、概念和事件等，弧鏈表示它們之間的關系，語義網(wǎng)絡表示方法可以把事物的結(jié)構、屬性及因果關系通過節(jié)點與弧鏈形式明顯而簡要表達出來，自然直觀，易于理解，也符合人在處理這類問題的思維習慣。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end四、知識表示技術4．規(guī)則組法對于表達如診斷、分類以及包含大量運算性知識的領域，可采用具有層次結(jié)構描述的規(guī)則組形式加以表達，一個規(guī)則組是求解一個子問題的所有知識的集合，本身具有獨立性和封閉性，由規(guī)則架和規(guī)則體組成。規(guī)則架是參加系統(tǒng)推理的骨架，是一個多前提多結(jié)論且結(jié)論之間也可存在因果關系的規(guī)則形式，只反映結(jié)論與前提之間因素的邏輯確定關系。規(guī)則體反映因素之間求解或定值方法的具體知識，包含運算公式和一組規(guī)則。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end四、知識表示技術5．綜合知識體法綜合知識體由描述框架、規(guī)則組和黑板結(jié)構三部分組成，統(tǒng)一調(diào)度，有機配合，不同的知識在不同部分加以處理。一個綜合的知識體是一個獨立的基本知識單元，它本身具有相當強的功能，將邏輯型、過程型、運算型、描述型知識以及聲音、圖象、圖形集成于一體，表示方法層次清楚，符合人的思維方式，簡明易懂，便于用戶學習，便于增加其它知識表示形式。對于象作物栽培、畜禽養(yǎng)殖等領域的知識通常多為建議性、描述性的知識，且通常與邏輯性、過程性和運算性知識交織在一起運用，則宜采用綜合知識體的知識表示方法。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end五、推理策略推理機構是專家系統(tǒng)的控制中心，依靠推理機這種控制程序去運行知識庫和其它機構，解決用戶提出的問題。目前比較成熟和通用的控制策略主要采用推理策略（或推理機制），即根據(jù)因果關系進行一步步分析、推斷。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end正向推理反向推理雙向混合推理不確定推理第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end反向推理的思路是一種稱作“假設—測試”的策略。先假定是某一個目標，然后去測試，尋找以此目標為結(jié)論的規(guī)則集，然后逐個檢查規(guī)則集中每個規(guī)則的各個條件項與用戶輸入的事實是否相匹配。1．反向推理第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end與反向推理相反，正向推理是事實或數(shù)據(jù)驅(qū)動，從推理網(wǎng)絡圖的葉節(jié)點，即詢問因素——用戶提供的事實、數(shù)據(jù)開始，自下向上進行推理，逐一將用戶提供的信息與各個規(guī)則的條件進行匹配，最后求得當前問題的解答。2．正向推理第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end即正向推理與反向推理配合進行，運用這兩種推理各自的優(yōu)點。反向推理中目標的選擇是順序進行，比較費時?？梢韵韧ㄟ^某些已知數(shù)據(jù)或事實的驅(qū)動去選擇合適的目標，然后再反向推理，這樣減少了反向推理選擇目標的盲目性，又減少了單純應用正向推理漫無目標的盲目性。3．混合推理第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end4．不確定推理在上述介紹的規(guī)則中條件和結(jié)論本身所表示的知識均是確定性知識，即不是“是”，就是“否”，以及條件與結(jié)論之間的關系也是肯定的。而實際生活中，許多事實、概念并非絕對肯定能夠精確描述的，有許多中間過渡類型，規(guī)則本身也有肯定程度的不同。為了表達這種不確定性，常采用概率論、證據(jù)理論、可信度方法、模糊理論等數(shù)學方法來進行不精確計算。此外，專家系統(tǒng)推理方法還有非單調(diào)推理、定性推理、常識推理、基于案例推理等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end六、知識獲取在專家系統(tǒng)知識庫建造中，領域?qū)＜易陨砘蛑R工程師與領域?qū)＜夜餐砜偨Y(jié)領域的知識、經(jīng)驗、模型及研究成果，按所建專家系統(tǒng)規(guī)定的知識表示形式，整理成為一個個知識單元，放入知識庫，這種過程稱之為知識獲取。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end六、知識獲取知識獲取、知識表示與知識運用是建造專家系統(tǒng)的三大關鍵技術。知識表示是解決知識的存在形式問題，知識運用是解決知識的操作運行問題，而知識獲取則是解決知識的來源問題。知識獲取是研究如何從知識源去獲得本專家系統(tǒng)解決某特定問題需要的各種知識。這里所說的知識源可以是專家、技術人員，也可以是書本、資料、試驗數(shù)據(jù)與事例等。知識獲取是建造專家系統(tǒng)十分重要而又相當困難的環(huán)節(jié)，是關系到專家系統(tǒng)成敗的關鍵。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end1．知識獲取的困難在建造知識庫時，知識工程師需要和領域?qū)＜液献鳙@取領域知識。由于知識工程師對領域知識十分生疏，而領域?qū)＜矣謱＜蚁到y(tǒng)技術缺乏了解，知識獲取過程通常十分艱苦，成為建造專家系統(tǒng)的“瓶頸”問題。在專家系統(tǒng)建成后，仍然需要對知識進行修改和完善。所以，知識獲取是貫穿于專家系統(tǒng)的設計、維護的全過程。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end2．知識獲取方式（1）人工獲取方式，即知識工程師參與，與領域?qū)＜医徽?、討論，從書本資料去整理、總結(jié)。人工整理好后，再建造知識庫。知識工程師也可以是領域?qū)＜液图夹g人員。這是目前通常采用的方式。（2）半自動獲取方式，計算機通過一種智能編輯器工具同專家打交道，按照人機交互要求去整理知識，編排知識庫。（3）自動獲取方式，計算機直接從專家、書本以至實例、數(shù)據(jù)中獲取專家系統(tǒng)需要的知識，并在獲取過程中不斷改善知識的性能，也即自身具有學習本領。自動知識獲取是獲取領域知識的最高級手段，實現(xiàn)難度很大，但目前國際上利用機器學習、機器發(fā)現(xiàn)技術從數(shù)據(jù)或?qū)嵗凶詣荧@取知識的研究十分活躍。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end七、專家系統(tǒng)開發(fā)工具知識庫只是專家系統(tǒng)的“大腦”，它需要與推理機構、人機交互接口等“外殼”組成專家系統(tǒng)。這些外殼若初學者自己編程建造則比較困難，也沒有必要。實際上這些外殼對同類型專家系統(tǒng)來說具有通用性。專家系統(tǒng)開發(fā)工具就是這樣一種具有通用性的“外殼”，它還包含了知識庫調(diào)試進行語法檢查和一致性檢驗等所需的管理機構，是用來簡化構造專家系統(tǒng)工作的程序系統(tǒng)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end七、專家系統(tǒng)開發(fā)工具編輯型開發(fā)工具智能型開發(fā)工具自動知識獲取工具第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end1．編輯型開發(fā)工具這類工具供專家系統(tǒng)建造者將領域?qū)＜业闹R按規(guī)定的知識庫描述語言格式編輯成知識庫，并將獲取的知識進行檢驗，生成所需的專家系統(tǒng)。該類工具由專家系統(tǒng)外殼和知識庫生成與管理子系統(tǒng)2部分組成。專家系統(tǒng)外殼包括推理機構、人機交互接口、解釋模塊、綜合數(shù)據(jù)庫等，它們具有通用性，當聯(lián)入特定的知識庫，即構成所需建造的專家系統(tǒng)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end2．智能型開發(fā)工具雖然編輯型開發(fā)工具使用方便，領域技術人員經(jīng)過短期培訓就可學會使用，但仍需熟悉如何將知識經(jīng)驗按照知識描述語言規(guī)定的格式進行編輯。為了讓用戶不必了解人工智能、專家系統(tǒng)的術語和原理，完全按照該領域的思維方式與術語去引導領域?qū)＜液图夹g人員整理知識經(jīng)驗，這稱之為智能引導型專家系統(tǒng)開發(fā)工具。這種工具比編輯型工具功能強大，但實現(xiàn)的難度也大。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end第二節(jié)

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)概述

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是基于農(nóng)業(yè)專家知識和模仿農(nóng)業(yè)專家進行推理決策的計算機程序系統(tǒng)。這類系統(tǒng)能對需要解決的農(nóng)業(yè)問題進行解答、解釋或判斷，提出決策建議，使計算機在農(nóng)業(yè)活動中起到類似人類農(nóng)業(yè)專家的作用第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end一、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究的必要性從農(nóng)業(yè)科學技術發(fā)展本身看，農(nóng)業(yè)是一個多學科、多技術交叉的復雜領域，但由于多種因素的限制，分散的、單項的、局部的研究成果和技術經(jīng)驗比較多，而農(nóng)業(yè)領域知識的整體性、系統(tǒng)性、綜合性以及可操作性和應變性不夠強。專家系統(tǒng)通過對專家群體知識的整理、歸納和多學科知識的綜合集成，形成快速的計算能力和較強的推理能力，增強了農(nóng)業(yè)領域知識的系統(tǒng)性和實用性，對深化農(nóng)業(yè)科學研究，提高農(nóng)業(yè)專家自身的技術水平，都有重大促進作用。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end一、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究的必要性我國農(nóng)民科技素質(zhì)較低，需要大量專家系統(tǒng)指導生產(chǎn)實踐歐美發(fā)達國家農(nóng)業(yè)實行規(guī)?；?、機械化、專業(yè)化與技術集約化生產(chǎn)經(jīng)營方式不同，我國農(nóng)戶生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模小而分散，農(nóng)業(yè)科技素質(zhì)差，習慣于傳統(tǒng)粗放的生產(chǎn)方式，雖然急切希望農(nóng)業(yè)專家能到千家萬戶，言傳身教現(xiàn)場傳播最新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識和技術，但由于我國農(nóng)業(yè)專家十分奇缺，極難長期深入農(nóng)村。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)來自于專家，又高于專家，可以代替為數(shù)極少的專家群體，成為成千上萬個“電腦專家”，走向田間地頭，進入農(nóng)戶家，具體指導農(nóng)民的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營，培訓農(nóng)業(yè)技術人員，幫助各級干部管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。隨著計算機和通信網(wǎng)絡的日益普及，這種愿望逐漸成為可能。這是一項投資少，見效快、實用性強的農(nóng)業(yè)信息技術。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的作用在當前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動中，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的作用主要表現(xiàn)在：（1）匯集高水平的農(nóng)業(yè)知識，克服農(nóng)村地區(qū)交通信息不便的障礙，實地指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，緩解農(nóng)技人員不足以及水平參差不齊的矛盾。（2）匯集當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)知識，搶救、固化農(nóng)學專家和種田能手的寶貴經(jīng)驗，使其逐漸積累豐富，構成本地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術數(shù)據(jù)庫集和農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)庫集。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end（二）農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的作用（3）推廣演示軟件采用多媒體技術既有文字，又有聲音、圖象，內(nèi)容詳盡，針對性、操作性強，易于被農(nóng)民理解、接受，并付之以實踐。（4）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時效性很強，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隨時解答農(nóng)民生產(chǎn)中遇到的問題，大大減少了解決問題的時滯。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end二、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展概況

國際上在20世紀60年代中后期首例專家系統(tǒng)——化合物分子結(jié)構推斷計算機程序誕生，70年代末期將專家系統(tǒng)技術應用于農(nóng)業(yè)領域，以美國的研究開始最早，當時開發(fā)的專家系統(tǒng)主要是面向農(nóng)作物的病蟲害診斷，如伊利諾斯大學開發(fā)的大豆病蟲害診斷專家系統(tǒng)PLANT/ds（1978）和玉米螟蟲蟲害預測專家系統(tǒng)PLANT/cd（1982），此外還有日本千葉大學的西紅柿病蟲害診斷專家系統(tǒng)MICCS（1983）。20世紀80年代中期，隨著專家系統(tǒng)技術的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究有了相當大的進展，在數(shù)量和水平上均有了較大的起色，已從單一的病蟲害診斷轉(zhuǎn)向生產(chǎn)管理、經(jīng)濟分析決策、生態(tài)環(huán)境評價等方面。尤其以美國、日本、中國和歐洲最為突出。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end二、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展概況

(一)國外1、美國美國農(nóng)業(yè)部和全國棉花委員會于1986年開發(fā)研制成功著名的棉花生產(chǎn)管理專家系統(tǒng)GOSSYM/COMAX，它是一個基于棉花生長模型GOSSYM的專家系統(tǒng)COMAX，利用GOSSYM為COMAX提供決策依據(jù)，利用COMAX分析和解釋GOSSYM的模擬結(jié)果，功能十分強大，應用十分廣泛，成為農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)的典例。此外，加里福尼亞大學戴維斯分校研制開發(fā)的CALEX系統(tǒng)也非常成功，包括CALEX/COTTON、CALEX/PEACHES、CALEX/RICE等已廣泛的應用于棉花、桃樹和水稻生產(chǎn)管理。目前，CALEX已演化成為專用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的專家系統(tǒng)開發(fā)工具軟件。同時，美國農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)多利用商用的開發(fā)工具如LEVELES、VP-EXPERT、INSIGHT等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end二、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展概況

2、日本日本政府對農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究重視較早，1986年就出版了《人工智能與農(nóng)業(yè)：精農(nóng)技術與尖端技術的融合》的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，此后研發(fā)了若干農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，如東京大學的西紅柿栽培管理專家咨詢系統(tǒng)和培養(yǎng)液管理專家系統(tǒng)；千葉大學研發(fā)的作物病害診斷專家系統(tǒng)、花卉栽培管理支持系統(tǒng)和庭院景觀評價系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)研究中心研發(fā)的耕作方式計劃支持系統(tǒng)、大豆栽培作業(yè)規(guī)劃管理系統(tǒng)、拖拉機選用決策支持系統(tǒng)、聯(lián)合收割機故障診斷系統(tǒng)等。近年來又將專家系統(tǒng)應用于蔬菜溫室、牛奶生產(chǎn)等設施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理中，取得了良好效果。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end二、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展概況

(一)國內(nèi)1、80年代初期我國農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究開始于20世紀80年代初期，1985年中國科學院合肥智能機械研究所和安徽農(nóng)科院合作研制成功的“砂姜黑土小麥施肥專家系統(tǒng)”，在淮北平原得到較大規(guī)模應用，開拓了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在我國的發(fā)展。通過“七五”、“八五”科技攻關，我國又研制了一批農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，如中科院合肥智能所研制的13種作物23個施肥專家系統(tǒng)、中科院水保所的“黃土旱塬小麥生產(chǎn)綜合管理專家系統(tǒng)”、中國農(nóng)科院作物所的“品種選育專家系統(tǒng)”、植保所的“粘蟲測報專家系統(tǒng)”、土肥所的“施肥專家系統(tǒng)”、華中農(nóng)業(yè)大學的“園藝專家系統(tǒng)”、浙江大學和中國農(nóng)科院蠶桑所合作研制的“蠶育種專家系統(tǒng)”等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end二、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展概況

90年代以來，我國不少研究單位將基于案例推理技術、面向?qū)ο蠹夹g、神經(jīng)網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、多媒體技術、地理信息系統(tǒng)技術、作物生長模擬技術和計算機網(wǎng)絡技術等綜合集成應用于農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究，提高了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的技術水平。如浙江大學的飼料配方專家系統(tǒng)、河北農(nóng)業(yè)大學的土壩事故診斷專家系統(tǒng)、中科院沈陽計算研究所的水稻育種專家系統(tǒng)、江蘇農(nóng)科院的水稻栽培計算機模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)RCSODS（1994）、中國農(nóng)科院棉花所研制的基于GOSSYM模型的黃淮海地區(qū)棉花生產(chǎn)管理系統(tǒng)COTMAS（1996）、中科院合肥智能所研制的施肥推薦專家系統(tǒng)和雄風系列農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)工具、北京市農(nóng)林科學院作物所的小麥綜合管理專家系統(tǒng)ESWCM和玉米綜合管理專家系統(tǒng)（1998）等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（一）按功能和結(jié)構特征劃分（1）啟發(fā)式專家系統(tǒng)（HeuristicExpertSystem）這類系統(tǒng)以某些領域?qū)＜业慕?jīng)驗知識為基礎，按照傳統(tǒng)方式建立專家系統(tǒng)，適用于那些目標明確、內(nèi)容較窄的應用價值較高的領域，但系統(tǒng)知識獲取的工作量很大。如美國的大豆病蟲害管理系統(tǒng)SOYBUG、柴毅等開發(fā)的基于作物生長特征的作物栽培專家系統(tǒng)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（2）實時控制專家系統(tǒng)(Real－timeControlExpertSystem)它利用來自傳感器監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)，運用專家處理問題的經(jīng)驗，依據(jù)狀態(tài)條件的變化去自動調(diào)整或控制某些參數(shù)或裝置。此類系統(tǒng)多用于溫室的自動調(diào)節(jié)與控制，如美國的MISTING系統(tǒng)、孫忠富等研制的溫室番茄計算機環(huán)境管理系統(tǒng)屬于實時控制專家系統(tǒng)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（3）基于模型的專家系統(tǒng)(Model－basedExpertSystem)這類系統(tǒng)把模型與知識庫相結(jié)合，利用專家系統(tǒng)為模型提供參數(shù)和對模型結(jié)果進行解釋，以便用戶更好的使用模型。此類系統(tǒng)把定性和定量分析、符號處理和數(shù)據(jù)處理有效地結(jié)合，功能十分強大，應用前景廣闊，是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)發(fā)展地重要方向。如GOSSYM/COMAX、曹衛(wèi)星等研制的基于生長模型的小麥管理專家系統(tǒng)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（4）專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(ExpertDatabase)目前已經(jīng)建立了許多功能強、結(jié)構好地數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，但庫容量和復雜性已成為數(shù)據(jù)庫使用的障礙。將專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，可改善數(shù)據(jù)庫的可檢索性和對數(shù)據(jù)庫信息的解釋能力，從而使決策者方便地從大型數(shù)據(jù)庫中獲取有用地信息。如美國的良種選擇專家系統(tǒng)CUE。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（5）專家系統(tǒng)開發(fā)工具(Problem－specificShell)這是一種輔助專家系統(tǒng)開發(fā)的軟件工具，主要用來幫助研究人員建立知識庫和進行結(jié)構設計。如SELECT、CALEX、LEVELS、VP-Expert以及國內(nèi)熊范綸等研制的雄風專家系統(tǒng)開發(fā)工具、蔣文科等研制的通用農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)生成工具AEST等。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end（二）按涉及農(nóng)業(yè)學科學科領域劃分（1）作物栽培專家系統(tǒng)。此類系統(tǒng)根據(jù)特定地區(qū)氣候、土壤特點和作物栽培經(jīng)驗，為當?shù)赜脩籼峁┯嘘P大田作物、園藝作物的品種選擇、土壤耕作、灌水施肥、病蟲草害防治、產(chǎn)量估算等田間栽培管理綜合措施的技術指導。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（2）農(nóng)田施肥專家系統(tǒng)。也叫肥料推薦專家系統(tǒng)，主要針對特定地區(qū)土壤理化性質(zhì)，評估肥力水平，根據(jù)作物、氣候、土壤、栽培管理及肥料特點，推薦肥料運籌與施肥方法，計算施肥效益等。（3）植物保護專家系統(tǒng)。根據(jù)特定地區(qū)農(nóng)作物病、蟲、草害發(fā)生規(guī)律，為用戶提供有關作物的病、蟲、草害診斷、預測預報和防治方法。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（4）設施農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。主要針對果蔬的溫室栽培和冷庫儲藏開發(fā)的實時控制專家系統(tǒng)，以達到對設施農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動監(jiān)測與控制。（5）新品種選育專家系統(tǒng)。包括動、植物的親本選配、后代選擇和品種評價，提高農(nóng)業(yè)生物育種的效率。（6）畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖專家系統(tǒng)。提供各種家畜、家禽、水產(chǎn)品的科學養(yǎng)殖技術，包括場所建設、品種選擇、飼料配合、科學飼養(yǎng)、病蟲防治等方面。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end三、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的類型（7）水利灌溉專家系統(tǒng)。提供灌溉水源預報、灌溉需水量預報、作物灌溉制度擬定、灌區(qū)用水計劃管理、灌溉設施的自動化控制等。（8）其它學科領域的專家系統(tǒng)，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、農(nóng)機具優(yōu)化設計與選擇、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟分析、農(nóng)產(chǎn)品評價、水土保持等方面。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end第三節(jié)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)實例分析第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end二、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)研究的發(fā)展方向?qū)＜蚁到y(tǒng)和模型的結(jié)合專家系統(tǒng)和模型的結(jié)合，可以靈活地處理結(jié)構化和半結(jié)構化乃至無結(jié)構問題。結(jié)構化和半結(jié)構化的問題可以通過模型系統(tǒng)進行精確的計算，而結(jié)構性不強的描述性的知識則可通過專家系統(tǒng)的符號推理來實現(xiàn)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理end專家系統(tǒng)和3S技術相結(jié)合專家系統(tǒng)和3S技術相結(jié)合，可以擴展知識獲取、表達、運算能力。以“3S”(GPS，GIS，RS)技術為核心是未來農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。全球定位系統(tǒng)GPS能精確地確定地物的空間位置，可以提供基礎數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)GIS可以對地理實體實現(xiàn)定位、定性和定量的描述，為專家系統(tǒng)提供必需的基礎數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的分析和可視化。遙感技術RS也可以為專家系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。第二章農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理endES和PA精確農(nóng)業(yè)是將遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計算機技