談智能決策支持系統(tǒng)及其在林業(yè)中的應用研究

1、談智能決策支持系統(tǒng)及其在林業(yè)中的應用研究                               作者：孫松平鄭加強周宏平 論文關鍵詞:精確林業(yè)  專家系統(tǒng)  智能決策支持系統(tǒng)  可持續(xù)發(fā)展 論文摘要:在分析專家系統(tǒng)、智能決策支持系統(tǒng)的基礎上,探討智能決策支持系統(tǒng)在林業(yè)中的應

2、用,提出了精確林工程智能決策支持系統(tǒng)平臺設計框圖及其系統(tǒng)功能。 智能決策支持系統(tǒng)(Intelligent DecisionSupport System,IDSS)的概念最早由Bonczek等人于20世紀80年代提出2。IDSS是在決策支持系統(tǒng)(Decision Support System,DSS)的基礎上集成人工智能(Artificial Intelligence, AI)及專家系統(tǒng)(Expert System,ES)而形成的,其核心思想是將人工智能與其它相關科學技術相結合,使DSS具有人工智能,能夠更充分地應用人類的知識。IDSS既充分發(fā)揮了專家系統(tǒng)以知識推理形式解決定性分析問題的特點,又

3、發(fā)揮了決策支持系統(tǒng)以模型計算為核心解決定量分析問題的特點,充分做到了定性和定量分析的有機結合,使得解決問題的能力和范圍得到一個大的發(fā)展。 1 決策支持系統(tǒng)及其在林業(yè)中的應用 DSS是在20世紀70年代初由美國M S ScottMorton首先提出3,并在80年代迅速發(fā)展起來的新型計算科學。DSS是管理科學、運籌學、控制論和行為科學為基礎,計算機技術、仿真技術和信息技術為手段,針對半結構化的決策問題,支持決策活動的具有智能作用的人機系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠為決策者提供決策所需的數(shù)據(jù)、信息和背景材料,幫助明確決策目標和進行問題的識別,建立或修改決策模型,提供各種備選方案,并且對各種方案進行評價和優(yōu)選,通過

4、人機交互功能進行分析、比較和判斷,為正確決策提供必要的支持。 DSS實質上是在管理信息系統(tǒng)和運籌學的基礎上發(fā)展起來的,它把管理信息系統(tǒng)和模型輔助決策系統(tǒng)結合起來,使得數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理融為一體,提高了輔助決策的能力。它的產(chǎn)生基于以下原因:(1)傳統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)要靠人來實現(xiàn)模型間的聯(lián)合和協(xié)調(diào),解決復雜的、多模型輔助決策效率低下,而決策支持系統(tǒng)是由計算機自動組織和協(xié)調(diào)多模型的運行和數(shù)據(jù)庫中大量數(shù)據(jù)的存取和處理,達到更高層次的輔助決策能力;(2)解決半結構化和非結構化問題的需要。 DSS由3個系統(tǒng)組成3,即人機交互系統(tǒng)(對話部件)、模型庫系統(tǒng)(模型部件)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(數(shù)據(jù)部件)。 20世紀80年代

5、以來,決策支持系統(tǒng)廣泛應用于林業(yè),并在林業(yè)資源與環(huán)境監(jiān)測、森林病蟲草害防治等領域取得了豐碩的成果。中國林業(yè)科學研究院建立了基于Internet網(wǎng)絡環(huán)境的林業(yè)資源數(shù)據(jù)庫4,包含了森林資源狀況、林社會情況、林經(jīng)濟情況、林業(yè)工程建設情況、林業(yè)營林情況和林業(yè)自然資源等歷史數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)運行采用了基于Internet的3層結構模式,即用戶/WEB服務器/數(shù)據(jù)庫服務器運行模式,可提供數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡查詢、管理和維護功能,為分析和決策提供支持。 W C Schou等人開發(fā)了航空噴霧決策支持系統(tǒng)(Spray Safe Manager,SSM)5。我們知道除草劑被普遍用于森林雜草防除,但除草劑脫靶噴霧沉積和漂移是一個重

6、要的環(huán)境問題,因此在清楚噴藥工具對環(huán)境的影響及作用效果、運用效率的前提下,可靠地進行除草劑噴灑是必要的。SSM的特點就是將噴霧沉淀和漂移的預測與生物反應模型融合在一起。該系統(tǒng)包含了一系列除草劑/雜草和除草劑敏感植物霧滴反應模型及產(chǎn)量模型。第二代SSM(SSM2)將噴霧沉淀和地理信息系統(tǒng)(GIS)融合在一起,增加了斜坡沉積修正模型和飛行路線確定模型,從而可在真實的空間背景下區(qū)分噴霧區(qū)邊界和敏感區(qū)域。由于使用者能夠即時、直觀地“看到”噴霧區(qū)地圖上的圖像及數(shù)據(jù),使得SSM2的模擬更加真實。 2 智能決策支持系統(tǒng)及其在林業(yè)中的應用 2.1 智能決策支持系統(tǒng)的信息結構 圖1為智能決策支持系統(tǒng)的信息結構6

7、,其中知識庫用來存放各種規(guī)則集、專家知識經(jīng)驗及其因果關系;數(shù)據(jù)庫存放基礎數(shù)據(jù)、決策信息和事實性知識;模型庫用來存放各種決策、預測及分析模型;多庫協(xié)同器從知識、數(shù)據(jù)、模型、方法等各個方面為決策服務,協(xié)調(diào)各部分之間的關系,為管理決策提供多方面、多層次的支持和服務。 2.2 智能決策支持系統(tǒng)的研究進展 隨著Internet/Intranet技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的智能決策支持系統(tǒng)面臨著一些新的問題:(1)分析、決策用的數(shù)據(jù)不再集中于一個物理節(jié)點,而是分散到網(wǎng)絡上的不同節(jié)點;(2)分布、決策模型和知識處理方法也從一臺機器上的集中處理,變成在網(wǎng)絡環(huán)境下的分布或分布加并行的處理方式。 進入20世紀90年代以來,

8、人工智能(機器學習、模糊技術、人工神經(jīng)網(wǎng)絡)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫技術和Internet/Intranet技術的發(fā)展為IDSS提供了強大的技術支撐。20世紀80年代興起的Agent技術為智能決策支持系統(tǒng)奠定了技術基礎。Agent是一個能夠持續(xù)自主駐留、活動于真實的或虛擬的復雜動態(tài)環(huán)境中的問題求解實體7。Agent具有相當程度的獨立性、自主性、協(xié)作性、適應性和社會性,并在一定程度上具有人的部分智力。將Agent技術融合到智能決策支持系統(tǒng)中所集成的基于Agent的智能決策支持系統(tǒng)具有傳統(tǒng)IDSS所沒有的一些特性:(1)開放性。即能夠與外界交互,系統(tǒng)資源不足時能夠向外界請求幫助,同時具有對外提供資源的功

9、能;其二是系統(tǒng)部件的易于增減,保持系統(tǒng)完整而不含多余的計算過程。(2)IDSS是分布式的、基于網(wǎng)絡環(huán)境的。(3)資源可重復使用。不但決策程序、決策方法可重復使用,而且系統(tǒng)資源(決策知識、決策經(jīng)驗、決策模型等)能被不同的決策程序多次調(diào)用。(4)集成群體的經(jīng)驗和智能。(5)突破靜態(tài)的程序化決策方式,實現(xiàn)人機智能結合。 目前多Agent技術已成為人工智能研究的熱點。多Agent系統(tǒng)(Multi-Agents System,MAS)是一個松散耦合的Agent網(wǎng)絡,這些Agent通過交互解決超過單個Agent的能力或知識的問題。多Agent系統(tǒng)具有如下特征:每個Agent擁有解決問題的不完全的信息或能力

10、;沒有系統(tǒng)全局控制;數(shù)據(jù)和知識是分散的;處理是異步的;Agent是異質的、分布的;系統(tǒng)是開放的。 2.3 智能決策支持系統(tǒng)在林業(yè)中的應用 隨著數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、3S與DSS技術的發(fā)展,以及精確林業(yè)自身發(fā)展的需要,國內(nèi)外開始研究智能決策支持系統(tǒng)在林業(yè)中的應用,如防護林體系建設、森林防火、變量施肥等。 北京林業(yè)大學研制出區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟型防護林體系建設模式智能決策支持系統(tǒng)8。該系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)構成:數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫管理、圖形及圖形庫管理、模型及模型管理庫、專家系統(tǒng),并以數(shù)據(jù)及圖形系統(tǒng)為基礎,以模型系統(tǒng)為分析手段,以專家系統(tǒng)為智能決策核心,各模塊相對獨立,以數(shù)據(jù)管理模塊為中介,組成有機整體?？蓪崿F(xiàn)統(tǒng)計、預

11、測、區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)診斷、土地分類及生態(tài)評價、林種的水平及立體配置、區(qū)域經(jīng)濟結構優(yōu)化等功能。 東北林業(yè)大學與黑龍江大興安嶺防火指揮中心課題組通過3個階段的研究,建立了基于WEB與3S技術的森林防火智能決策支持系統(tǒng)9,實現(xiàn)了林火數(shù)據(jù)庫、林火預防預報、林火蔓延模型、撲火指揮決策等方面的智能化、網(wǎng)絡化管理。它包含了森林防火滅火系統(tǒng)中的地形圖繪制,防火機構、歷史火災和各種代碼等數(shù)據(jù)庫的建立與維護,火點定位、火場蔓延、派兵撲火、清理看守火場和損失評估等模型的建立,與上下級單位的數(shù)據(jù)交換,在火災發(fā)生前可作出林火預報和預防;當林火發(fā)生時,可模擬林火的蔓延,并提供火場定位、派兵、撲火、清理火場、看守火場等輔助

12、決策方案,為指揮員作出正確決策提供參考;火災發(fā)生后可作出火災損失評估。 Raymond K Fink等人10利用機器學習方法分析空間土壤肥力、土壤物理性質和產(chǎn)量數(shù)據(jù),在可變量施肥系統(tǒng)中利用基于規(guī)則的決策支持工具(DSS4Ag)降低施肥量、增加產(chǎn)量。利用標準的GIS工具將農(nóng)田進行網(wǎng)格化,分成10×30 m的矩形方塊。根據(jù)歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)、歷史性質數(shù)據(jù)(土壤物理性質、土壤化學性質、坡度、地貌等)進行數(shù)據(jù)挖掘,采用CART回歸樹運算法則(Beriman等,1984)確定產(chǎn)量模型,根據(jù)當前性質數(shù)據(jù)、產(chǎn)品市場價格等,按照經(jīng)濟效益最大的原則確定施肥量的大小(如果施肥費用大于增加產(chǎn)量的產(chǎn)值則不予施肥)

13、。從測試結果看,采用DSS4Ag系統(tǒng)進行變量施肥,產(chǎn)量增加不很明顯,但施肥總量明顯減少,降低了成本,且降低的成本超過了必要的土壤測試和變量施肥裝置的花費,整體經(jīng)濟效益得到提高。 3 精確林業(yè)智能決策支持系統(tǒng)的設計 3.1 精確林業(yè)的概念 精確林業(yè)是綜合利用地球空間信息技術、計算機輔助決策技術、林業(yè)工程技術等現(xiàn)代高新科技,建立一體化、數(shù)字化、智能化的現(xiàn)代化林業(yè)生產(chǎn)模式和技術體系,最大限度地獲得森林的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益,實現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展1012。簡言之,精確林業(yè)就是實現(xiàn)以最小資源投入、最小環(huán)境危害獲得最大林業(yè)效益。其中,地球空間信息技術主要有全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感、數(shù)

14、據(jù)通訊;計算機輔助決策技術主要有管理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、智能決策支持系統(tǒng);林業(yè)工程技術主要有林機械自動化、森林病蟲草害防治、森林土壤類型分析、林地適應性評價、立地類型與立地條件分析、林木育種、施肥、林木采伐,等等。精確林業(yè)的研究與發(fā)展有助于我人口、資源與環(huán)境方面重大問題的解決,有助于林業(yè)資源的高效利用和林業(yè)環(huán)境保護,是發(fā)展林業(yè)的重要途徑。 3.2 系統(tǒng)的總體設計框圖 建立GIS和ES集成的精確林業(yè)智能決策支持平臺,可為林業(yè)生產(chǎn)者、管理人員和科技人員提供網(wǎng)絡化、智能化、形象直觀的信息服務。根據(jù)歷史上病蟲草害發(fā)生情況和森林保護專家在長期研究與生產(chǎn)實踐中獲得的知識,進行病蟲草害統(tǒng)計趨勢

15、模型和技術經(jīng)濟分析,建立農(nóng)藥使用技術專家系統(tǒng),并根據(jù)實時數(shù)據(jù)處理、噴霧目標特征和病蟲草害防治目標閾值,建立智能決策支持系統(tǒng),從而可針對不同林業(yè)生產(chǎn)情況及病蟲草害發(fā)生類型、程度等實際需要確定農(nóng)藥投入的種類、數(shù)量等,指導自動執(zhí)行變量投入決策,控制可變量噴頭實現(xiàn)特定區(qū)域的農(nóng)藥精確定量噴霧,最大程度上杜絕非目標農(nóng)藥沉積,減輕環(huán)境污染。同時,病蟲草害防治后的一系列數(shù)據(jù)可作為來年病蟲草害預測和森林病蟲草害防治戰(zhàn)略的儲備參考。     根據(jù)我們的研究和實踐,提出精確林業(yè)智能決策支持系統(tǒng)(PFIDSS)的總體設計框圖(圖2)。 3.3 系統(tǒng)的功能 (1)GIS數(shù)據(jù)倉庫包括3個基本功能:數(shù)據(jù)獲取。負責從外部獲取數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)分類,重新組合成面向全局的數(shù)據(jù)視圖,從而解決IDSS中數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)格式不一致問題;數(shù)據(jù)存儲和管理。負責數(shù)據(jù)倉庫的內(nèi)部維護和管理,包括數(shù)據(jù)的存儲組織、維護、分發(fā)等;信息訪問。它屬于數(shù)據(jù)倉庫的前端,面向不同種類的最終用戶,由系統(tǒng)的各種工具組成。數(shù)據(jù)倉庫的最終用戶在這里提供信息、分析數(shù)據(jù)集。 (2)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)進行挖掘,通過大量的歷史性數(shù)據(jù)分析,從中識別和提取隱含