作物生產(chǎn)系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)

1、作物生產(chǎn)系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)董占山( 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南安陽，455112)摘要 : 本文在概述作物生產(chǎn)系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和組成的基礎(chǔ)上，提出現(xiàn)代作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的基本概念和理論基礎(chǔ)，指出它是計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)和自動化科學(xué)相互交叉的產(chǎn)物，它的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)論( 作物模擬模型，或稱為人工作物) 、控制論 ( 作物管理專家系統(tǒng)) 和優(yōu)化決策論( 作物管理優(yōu)化決策模型) ，其未來的發(fā)展方向是高度集成化、高度自動化等，鑒于此我們要綜合運(yùn)用作物模擬技術(shù)、知識工程技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（gis）、全球定位系統(tǒng)（ gps) 、遙感技術(shù)（rs ）等現(xiàn)代技術(shù)，建立集成的作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)（cropman

2、)。關(guān)鍵詞： 作物，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，專家系統(tǒng)，模擬模型crop production system and its management system dong zhanshan (cotton research institute, caas, anyang, henan, 455112) abstract first, the definition, properties, structure and components of crop production system have been explained in this paper. then, definition of crop

3、 production management system have also raised. it is indicated that essential principles of crop production management system (cropman) consist of crop simulation, crop management expert system and model of optimizing cultural measurements. the developing tendency of cropman is high automation and

4、integration. so we have to establish the integrated crop production management system by using the geographic information system (gis) and global positioning system (gps), remote sensing (rs), crop simulation and knowledge engineering. key words crop, management system, expert system, simulation mod

5、el 耕地、糧食、人口、環(huán)境是當(dāng)今世人所關(guān)注的幾大熱點(diǎn)。在耕地減少，人口驟增的發(fā)展中國家， 各種矛盾尤為突出。 解決問題的關(guān)鍵在于充分利用并維護(hù)有限的自然資源，發(fā)展作物生產(chǎn)，提高單位面積的產(chǎn)量，走可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的道路。要達(dá)到這些目標(biāo)， 必須用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)， 把作物生產(chǎn)過程看做一個系統(tǒng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)，深入研究作物生產(chǎn)過程中各種因素的相互作用規(guī)律，探求 “兩高一優(yōu)”的作物生產(chǎn)管理措施， 為國家的穩(wěn)定、 發(fā)展提供最基本的物質(zhì)保障人們賴以生存的糧食、油料等農(nóng)產(chǎn)品。1作物生產(chǎn)系統(tǒng)從人類種植各種谷物開始， 就有了作物生產(chǎn)。 在千百年的發(fā)展過程中， 人類一直是靠天吃飯， 即氣候的好壞決定了作物產(chǎn)量的高低、農(nóng)業(yè)

6、的豐歉。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐步取代了靠天吃飯的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)（作物）科學(xué)也逐步由經(jīng)驗(yàn)科學(xué)變成了精密科學(xué)。人們開始用系統(tǒng)論的基本思想來重新認(rèn)識作物生產(chǎn)，把作物的生產(chǎn)過程看作一種系統(tǒng)過程，它有系統(tǒng)的輸入， 經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部的功能結(jié)構(gòu)（作物有機(jī)體）加工處理，最后以農(nóng)產(chǎn)品的形式輸出到系統(tǒng)外。1.1 定義和特點(diǎn)作物生產(chǎn)系統(tǒng)就是以農(nóng)業(yè)生物、氣候、土壤、社會經(jīng)濟(jì)為物質(zhì)基礎(chǔ)，由人類采用多種生產(chǎn)管理措施來調(diào)控， 以作物有機(jī)體為生產(chǎn)主體， 以獲取作物機(jī)體的某一部分（產(chǎn)品）為目的，同時兼顧經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的人工和自然的復(fù)合系統(tǒng)。所以說作物生產(chǎn)系統(tǒng)是由作物、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)四

7、大要素所組成的， 作物生產(chǎn)的豐歉是這四大要素相互作用的結(jié)果。作物生產(chǎn)系統(tǒng)有以下幾大特點(diǎn)：1.1.1 作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)合系統(tǒng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)首先是一個自然生態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)生物與生物、 生物與環(huán)境、 環(huán)境與環(huán)境以物質(zhì)循環(huán)和能量交換建立起的純自然的部分，它是一個多層次、 多序列、多結(jié)構(gòu)的自然系統(tǒng)，且具有一定的生產(chǎn)能力。但是，作物生產(chǎn)系統(tǒng)又是一個人工系統(tǒng)，它不斷地受到人們采取的各種農(nóng)藝措施的影響，其發(fā)展的道路會偏離其自然生長的軌道， 沿著人類設(shè)計(jì)的軌道進(jìn)行， 所以說作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個人工和自然的復(fù)合系統(tǒng)。1.1.2 作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)作物生產(chǎn)過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)過程。它的復(fù)雜性既表現(xiàn)在地域

8、性、 季節(jié)性和生物性等方面， 又表現(xiàn)在人為性、 經(jīng)濟(jì)性和社會性方面； 它既要按照生物自身固有的生命活動規(guī)律進(jìn)行， 又要按照人類活動所必須遵循的社會規(guī)律進(jìn)行。作物生產(chǎn)活動是人類通過生態(tài)、 社會經(jīng)濟(jì)、技術(shù)管理等諸要素之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)自然過程和人為過程的統(tǒng)一。 系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的關(guān)系是復(fù)雜的非線性關(guān)系，所以作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。1.1.3 作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)， 作物自身的生長過程是一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特性和機(jī)理都還未完全搞清楚的“黑箱”，但它的輸入和輸出是透明的，是可以定量的。作物品種、氣候、土壤以及農(nóng)藝措施作為輸入，通過作物有機(jī)體，將這些輸入的物質(zhì)或

9、能量轉(zhuǎn)化為特定的有機(jī)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、糖、纖維素等，伴隨著作物的開花結(jié)果，生產(chǎn)出人類需要的那部分產(chǎn)品，形成系統(tǒng)的輸出， 作物生產(chǎn)過程的一個周期就完成了。 在這些過程中， 輸入系統(tǒng)的物質(zhì)和能量是可以通過某種手段加以精確地定量的，系統(tǒng)輸出的產(chǎn)品也是可以在質(zhì)和量兩方面定量的。1.2 結(jié)構(gòu)、組成和功能作物生產(chǎn)系統(tǒng)大體上可以劃分為自然生態(tài)部分和社會經(jīng)濟(jì)兩大部分，自然生態(tài)部分就是作物生態(tài)系統(tǒng)，包括氣候、土壤、作物及其產(chǎn)品；而社會經(jīng)濟(jì)部分是屬于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的范疇，包括人、農(nóng)藝措施、社會經(jīng)濟(jì)資源等。各部分之間的關(guān)系如圖1 所示。圖 1 作物生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖（圖中實(shí)線代表物質(zhì)流，虛線代表信息流）一個優(yōu)化的作物生產(chǎn)系統(tǒng)，

10、 其各個組成部分之間應(yīng)該協(xié)調(diào)平衡、相互促進(jìn)、 轉(zhuǎn)化率高，總體功能越來越好，可以為人類提供越來越豐富的農(nóng)產(chǎn)品?，F(xiàn)代作物生產(chǎn)， 實(shí)質(zhì)上就是用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和管理的新思想、新方法、新技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)提供的一系列新的生產(chǎn)力要素，如農(nóng)機(jī)具、化肥、農(nóng)藥、電力等，改造傳統(tǒng)的作物生產(chǎn)活動，使之合理、優(yōu)化利用資源，不斷提高土地生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)的“高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、低耗”的目標(biāo)。2作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)由于作物生產(chǎn)系統(tǒng)具有復(fù)合性、復(fù)雜性和開放性， 其管理就更加困難。 所以在進(jìn)行作物生產(chǎn)管理時， 首先要了解作物自身依外界環(huán)境( 天氣、土壤等 ) 的生長發(fā)育規(guī)律( 建立作物模擬模型 ) ；然后根據(jù)這種規(guī)律性， 人為地對系統(tǒng)的平衡

11、進(jìn)行調(diào)整( 建立作物管理專家系統(tǒng) ) ，以期達(dá)到作物高產(chǎn)、 穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效( 高經(jīng)濟(jì)效益、高社會效益和高生態(tài)效益)的目的 ( 建立作物管理優(yōu)化決策模型)。將這 3 部分有機(jī)結(jié)合，即形成作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的框架。下面分別闡述作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的基本概念和理論基礎(chǔ)。2.1 定義就目前的觀點(diǎn)來講， 作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)，把作物模擬模型、 作物管理專家系統(tǒng)、 作物管理優(yōu)化決策模型和其它輔助模型有機(jī)地結(jié)合，充分利用人類專家有關(guān)作物生產(chǎn)的已有知識，依賴作物生產(chǎn)中作物自身的生長信息反饋，對作物生產(chǎn)的日常管理和出現(xiàn)的具體問題，進(jìn)行實(shí)時實(shí)地的在線式管理決策，這是一種高度綜合的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。2.2 理論

12、基礎(chǔ)作物生產(chǎn)系統(tǒng)的主體 ( 作物) 的生長發(fā)育遵循其自然準(zhǔn)則， 即作物生態(tài)學(xué)原則， 研究它的基本理論是系統(tǒng)論； 作物生產(chǎn)系統(tǒng)的主要控制者( 人) 可以通過對系統(tǒng)施加一定的外力 ( 農(nóng)藝措施 )去影響系統(tǒng)的行為， 也就是說人可以在某種程度上控制作物的行為，這就是作物生產(chǎn)管理的基本依據(jù)，研究人如何去控制系統(tǒng)行為的基本理論是控制論； 但是，人對系統(tǒng)的控制不是盲目的，總是為得到一定的目的而進(jìn)行的，有時(往往在大多數(shù)情況下 ) 目標(biāo)是多種的而非單一的， 要使系統(tǒng)得到這多種的目標(biāo)，當(dāng)對系統(tǒng)施加影響時，要綜合考慮外力的正負(fù)效應(yīng)，對其進(jìn)行優(yōu)化，協(xié)調(diào)各種目標(biāo)， 這需要優(yōu)化決策論； 所以，作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)理

13、論是系統(tǒng)論、控制論和優(yōu)化理論。 在作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的研究中，始終貫穿著系統(tǒng)論的使用，作物模擬模型體現(xiàn)了系統(tǒng)論，作物管理專家系統(tǒng)體現(xiàn)了控制論，作物管理優(yōu)化決策模型體現(xiàn)了優(yōu)化決策論。 同時這些模型和系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)程序，因此計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本理論也是研究作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)所必不可少的。2.2.1 系統(tǒng)論作物模擬模型在作物生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部， 系統(tǒng)的主體 ( 作物)對系統(tǒng)的各個組成部分和影響系統(tǒng)的各種要素做出反應(yīng)， 通過用數(shù)學(xué)語言將這些反應(yīng)描述出來，并用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)作物一生的反應(yīng)軌跡，也就是用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)世界的中作物的自然生長。作物模擬模型是利用計(jì)算機(jī)程序模擬作物在自然環(huán)境條件下利用光能資源把水和二氧化碳結(jié)

14、合制造成有機(jī)物質(zhì)的過程(包括光合作用、呼吸作用、作物生長、干物質(zhì)的積累與分配等生理生化過程) 、作物組織和器官的建成和死亡的過程和作物產(chǎn)品的形成過程等， 同時還包括作物需要的礦質(zhì)元素在土壤中的分配、移動和被作物吸收的過程。 這些過程既決定于作物本身的特性，同時也受到外界環(huán)境條件的制約， 這些環(huán)境條件包括太陽輻射、溫度、水分和二氧化碳等氣候因子和土壤質(zhì)地、 土壤肥力等土壤因子， 還包括人類的活動等人文經(jīng)濟(jì)環(huán)境條件，其中對作物生產(chǎn)起作用最大的因素是氣候因子，只有有了光、熱、水、氣，作物才能進(jìn)行光合作用，然后才有物質(zhì)生產(chǎn)。研制一個比較完善的作物模擬模型是十分復(fù)雜的，需要多學(xué)科的科學(xué)研究人員經(jīng)過長期的

15、努力才能實(shí)現(xiàn)。作物模擬模型作為作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的核心組成部分，對作物生產(chǎn)管理決策系統(tǒng)的適用范圍有較大的決定性。2.2.2 控制論作物管理專家系統(tǒng)對作物生產(chǎn)系統(tǒng)的主體 ( 作物)來說，其生長發(fā)育過程是可以控制的， 人通過對系統(tǒng)施加不同的外力 (農(nóng)藝措施等 ) 可以控制系統(tǒng)主體 ( 作物) 沿不同的道路發(fā)展， 最后取得不同的結(jié)果。 從這個角度來說， 人對作物生產(chǎn)的控制是切實(shí)可行的，是有現(xiàn)實(shí)意義的， 也是必不可少的。 對系統(tǒng)施加什么外力 ( 措施) 可以使系統(tǒng)沿什么方向發(fā)展，這是作物生產(chǎn)中專家多年積累的經(jīng)驗(yàn)。這種專家的經(jīng)驗(yàn)含有的不確定因素很多，很難運(yùn)用數(shù)學(xué)方法表達(dá)出來， 目前處理這種經(jīng)驗(yàn)的主要手段是

16、知識工程學(xué)中的專家系統(tǒng)技術(shù)。把作物管理專家的知識和經(jīng)驗(yàn)規(guī)則化、具體化，用計(jì)算機(jī)程序表達(dá)出來， 形成特定的知識庫， 通過一種具有推理功能的智能計(jì)算機(jī)程序來操作管理，對作物生產(chǎn)的具體領(lǐng)域的問題提出解決方案， 輔助作物生產(chǎn)者實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)的管理，這就是作物管理專家系統(tǒng)。2.2.3 優(yōu)化決策論作物管理優(yōu)化決策模型從系統(tǒng)優(yōu)化的角度講， 無論什么決策都存在優(yōu)化的問題。 作物生產(chǎn)作為一個系統(tǒng)，其管理決策也是需要優(yōu)化的。 況且，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的是多目標(biāo)的，不僅僅是取得最高的產(chǎn)量， 還要求取得較高的經(jīng)濟(jì)、 社會和生態(tài)效益， 這樣多目標(biāo)的優(yōu)化決策成為必然。作物管理中的優(yōu)化決策就是綜合運(yùn)用各種優(yōu)化理論，根據(jù)一

17、地的自然資源和社會經(jīng)濟(jì)資源等的具體配置， 在充分考慮作物的產(chǎn)量和品質(zhì)的前提下，對作物生產(chǎn)過程的管理措施提出經(jīng)濟(jì)的、 生態(tài)的、社會的優(yōu)化決策， 使作物生產(chǎn)活動按最優(yōu)化的道路進(jìn)行。 它在作物生產(chǎn)中起著輔助決策的功能，幫助專家或?qū)I(yè)人員處理實(shí)際問題，以期達(dá)到最優(yōu)的作物產(chǎn)品和最佳的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，最后向用戶推薦優(yōu)化的決策方案，這就是作物管理優(yōu)化決策模型。3典型應(yīng)用實(shí)例國家“八五”計(jì)劃期間， 中國農(nóng)科院棉花所研制了一個黃淮海地區(qū)棉花生產(chǎn)管理系統(tǒng) cotmas，它就是運(yùn)用上述理論建立的一個作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)，它由棉花模擬模型 gossym、棉田管理專家系統(tǒng)cmes 、圖形用戶界面 gui和數(shù)據(jù)庫組成，可以對

18、棉花生產(chǎn)管理中的氮肥、 水和植物生長調(diào)節(jié)劑 (縮節(jié)安 ) 的管理提供輔助決策。系統(tǒng)的主要功能如下：3.1 灌溉日期和灌溉量的決策根據(jù)水分脅迫、灌水對最終產(chǎn)量的效應(yīng)和距成熟期的時間進(jìn)行決策。gossym預(yù)報(bào)由于缺水而引起的水分脅迫的時間，然后，根據(jù)棉花各時期的需水量初定灌溉基量， cmes 通過多次執(zhí)行 gossym作出減輕或消除水分脅迫的灌溉方案。3.2 施氮時間和用量的決策根據(jù)氮素脅迫、施肥對最終產(chǎn)量的效應(yīng)和對營養(yǎng)生長的作用來決策。gossym預(yù)報(bào)由于缺氮造成的氮素脅迫時間， 然后根據(jù)預(yù)計(jì)要達(dá)到的皮棉產(chǎn)量推算出作物的需氮量，再由 cmes 多次執(zhí)行 gossym制定出減輕或消除氮素脅迫的施氮

19、肥方案。3.3 植物生長調(diào)節(jié)劑決策植物生長調(diào)節(jié)劑能降低株高， 促進(jìn)光合產(chǎn)物向生殖部分分配， 緩解營養(yǎng)生長過快帶來的負(fù)效應(yīng)。 縮節(jié)安是當(dāng)前我國最流行的植物生長調(diào)節(jié)劑，其使用時間和用量依賴于棉花的生育狀況。 縮節(jié)安的使用時間一般分蕾期、初花期和花鈴期， 在正常年型下，蕾期每公頃噴施015 克，初花期每公頃噴施3060 克，花鈴期每公頃噴施 4560 克。gossym能模擬縮節(jié)安的實(shí)際使用效果，然后由cmes 對縮節(jié)安的使用日期和用量作出決策。3.4 估計(jì)皮棉產(chǎn)量利用 gossym模型， 可以對模擬棉田的棉花皮棉產(chǎn)量， 提前 1 個月左右進(jìn)行估產(chǎn)，但還不能對大面積的棉花產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。4發(fā)展趨勢隨著計(jì)

20、算機(jī)科學(xué)、自動化工業(yè)、航空航天技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人的不斷涌現(xiàn)，工業(yè)過程的部分或全部操作被智能機(jī)器人所代替，作物生產(chǎn)中的某些過程也開始使用機(jī)器人，最終的發(fā)展結(jié)果是越來越多的機(jī)器人代替人類在田間進(jìn)行作物管理的實(shí)際操作，這是作物生產(chǎn)管理的另一個層次的自動化，它是由硬件來支撐的，依賴于機(jī)械工業(yè)和電子工業(yè)的發(fā)展。作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展的概念是：以計(jì)算機(jī)軟件為基礎(chǔ)， 以智能機(jī)器人為硬件支持， 綜合作物生產(chǎn)過程的各種知識、信息于一體， 由計(jì)算機(jī)對作物生產(chǎn)的全過程的提供全面的綜合的決策，通過智能機(jī)器人在田間的操作， 實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)過程的全盤自動化的綜合的軟件和硬件的組合系統(tǒng)。作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是

21、高度智能化、高度綜合化、 高度自動化。 高度智能化是指作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)會越來越成熟，邏輯推理功能逐步增強(qiáng)，決策的準(zhǔn)確率提高， 同時增加自學(xué)習(xí)功能， 使系統(tǒng)在實(shí)例決策中積累知識。高度綜合化是指作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)不僅僅包括作物模擬模型、作物管理專家系統(tǒng)和作物管理優(yōu)化決策模型，它將和地理信息系統(tǒng)（gis）、全球定位系統(tǒng) (gps)、遙感技術(shù)(rs)等一系列的高新技術(shù)結(jié)合，形成集成的作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)(cropman)。高度自動化是指 cropman自身逐步具有控制田間作業(yè)機(jī)器的能力，實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)的自動化。最終， cropman將充當(dāng)作物生產(chǎn)自動化的主角。5結(jié)語作物生產(chǎn)管理系統(tǒng)是近年來剛剛興起的一門新