作物灰色育种电脑决策系统的研制与应用

郭瑞林　王占中　刘亚飞　王景顺

摘要：介绍了作物灰色育种电脑决策系统的理论基础、开发环境与流程、主要模块与功能，演示了其实例。在此基础上，讨论了该系统的优点与不足，指出了其广阔的应用前景。

关键词：作物；灰色育种；电脑决策系统；研制；应用

中图分类号：S11* 7文献标识码：A 文章编号：0439-8114(2009)02-0458-04

上世纪80年代以来，随着计算机技术的发展，国内外开始进行作物育种专家系统的开发研究。F.J.Muehlbauer等(1981)首先对“单粒传”和集团选择方法进行了计算机模拟：Mokinion.J.M(1985)将育种专家系统列为农业专家系统开发的潜在领域：中国农业科学院作物所(01990)以著名小麦遗传育种学家庄巧生院士、王恒立研究员和著名玉米遗传育种学家李竞雄院士等多年的育种经验为基础，分别研制了“冬小麦新品种选育专家系统”和“玉米杂交种选育专家系统”；孙其信、张爱民等(1991)依据小麦产量育种的系统方法、亲本选配的最小二乘法、组合表现指数法和预测强优势组合的标准差距离分组法等方法原理建立了小麦育种亲本选配计算机评判系统：辽宁省农业科学院(1993)以北方水稻良种选育工作为背景研制了“水稻新品种选育专家系统”。上述专家系统均在一定程度上促进了作物育种工作的开展，但有一定局限性。马洪文等(2002)和郭瑞林等(2003)以《作物灰色育种学》一书为蓝本，分别研制了以Visual Basic 6.0和PowerBuilder 6.0为基础的作物灰色育种电脑决策系统。这两个系统弥补了上述专家系统的某些不足，但前者不包含继承性，不支持多线程技术，不能跨平台运行(只能在Widows操作系统运行)，后者则与Widows XP和Vista操作系统不兼容。为此，2007年我们开展了基于Java的作物灰色育种电脑决策系统的研制，并取得重要进展，从而为作物育种下作者提供了一个便捷有效的工具和手段。

作物灰色育种学系灰色系统理论与作物育种理论相结合而产生的一门新兴学科。它的诞生标志着传统作物育种向现代化、信息化、定量化育种迈进，使作物育种水平由定性经验阶段上升到定量或定性与定量相结合阶段。在作物育种过程中采用这种理论与方法，不仅能综合考虑多种因素，为现代作物育种的多目标化提供准确有效的决策方法，克服传统育种受主观判断和人脑综合思维能力的局限，而且可实现作物育种的高度智能化，即使育种新手，也能达到育种专家那样的决策水平。因此，以作物灰色育种学作为理论基础，研究和开发作物灰色育种电脑决策系统，对于促进作物育种事业的发-展具有重要意义。

1作物灰色育种电脑决策系统的开发环境与流程

1．1开发环境

作物灰色育种电脑决策系统采用MVC模式，以美国Sun公司开发的JAVA 2为技术支撑，以JBuider 2006为集成开发环境，以Microsoft Access2000为后台数据库，JBuilder 2006是一款强大的Jav。企业级开发平台，集成了几乎所有的Java技术，涵盖了软件开发生命周期的各个过程，可以在J2EE的框架下开发各种各级应用程序。不仅可以跨平台，适应各种各样的操作系统，做到“一次编程，到处运行”，而且可以面向对象编程，设计的软件结构清晰，层次分明。易于维护，可扩展性和可重用性得到增强，同时也提供了4种对各种数据库管理系统访问的统一接口，可以使系统方便地连接到所有现行的数据库管理系统上，诸如大型数据库如Ora-ele、Sybase、Microsoft SQL Server、IBMDB2、In-formix等，个人数据库如Access、Foxpro、Paradox等均能通过相应的驱动进行访问。更为可贵的是以Java开发的软件易于实现网络化。由此可见，作物灰色育种电脑决策系统的开发环境十分优越。

1．2开发流程

基于Java的作物灰色育种电脑决策系统以《作物灰色育种学》一书为蓝本，结合郭瑞林近年来的成果进行二次创新和开发。其开发流程如下：作物灰色育种系统分析→作物灰色育种系统设计→建立作物灰色育种应用对象→生成作物灰色育种用户对象、函数和结构→建立作物灰色育种窗口和菜单→创建作物灰色育种数据窗口对象→编写作物灰色育种事件(包括数学模型程序)→调试应用→测试系统→生成作物灰色育种可执行文件。

2作物灰色育种电脑决策系统的主要模块与功能

作物育种从育种目标的制定、亲本观察、杂交组合配制、单株选择、品系鉴定、品种区域试验、品种布局到品种利用等一系列活动，实质上是一系列的决策过程。在这些过程中，要运用多种决策模块，这些模块是作物灰色育种电脑决策系统的核心。模块包括：育种目标灰关系分析模块、亲本灰色分类模块、杂交组合灰色评判模块、单株灰色选择模块、品种灰色多维综合评估模块、品种灰色布局模块、品种灰色相似性栽培模块、病虫害灰色预测模块。上述模块就像链条上的一个个环节，顺序形成一个整体，缺一不可。任何一个环节的脱节，都将使作物育种无法进行。

2．1育种目标灰关系分析模块与功能

本模块采用灰关联分析原理与方法，分析各主要性状对产量或品质的影响，判别主要性状与次要性状，明确各性状之间的数量关系，并对性状间进行量化、序化，从而为确定客观合理的育种目标提供依据。

2．2亲本灰色分类模块与功能

本模块采用亲本灰色分类原理与方法，定量地确定各亲本之间的亲疏关系(遗传差异)，并按这种关系从本质属性上将亲本进行分类，用于指导杂交组合的配制。

2．3杂交组合灰色评判模块与功能

本模块采用杂交组合灰色评判原理与方法，对杂种F杂交组合进行综合评估，从而确定重点组合，使育种工作者在杂种早代就做到胸中有数，把精力尽早集中到有希望的组合上。

2．4单株灰色选择模块与功能

本模块采用单株灰色选择原理与方法，依据灰选性状定权系数，对育种分离世代个体或单株进行选择，从而决定取舍。通常将单株分为3个等级，一级单株为重点单株，在以后世代中加以重点观察、选择：二级单株为一般单株，保留种植，并继续观察、选择：三级单株则加以淘汰。

2．5品种灰色多维综合评估模块与功能

本模块采用品种灰色多维综合评估原理与方法，从多个目标性状对品系鉴定、品种比较试验或生产示范试验的参试品种进行综合评价，为品种审定推广提供科学依据，与通常品种比较试验统计分析方法相比，其优越之处就在于可以同时考虑多个性状，因而对品种的评价更加客观、合理。

2．6品种灰色布局模块与功能

本模块采用品种灰色布局原理与方法，对品种

多点联合区域试验结果进行分析，提出不同生态类型区最适宜种植的品种，做到种尽其用，以取得最好的经济效益和社会效益，其突出优点是能够克服通常分析结果导致在全省统一推广平均产量居前几位的品种的局限，不仅重视广适性品种的充分利用，而且重视特定适应性品种的增产潜能的发挥。

2．7品种灰色相似性栽培模块与功能

本模块采用品种灰色相似性栽培原理与方法，通过待推广品种与大面积推广品种之间在栽培学特性上的灰色相似度来确定相似性品种，进而实现良种与良法的配套。与通常栽培试验方法相比，这种方法的不同之处就在于它可以省去繁琐复杂的栽培试验，仅根据某新品种与大面积推广品种栽培学特性的相似性程度即可推断该品种的栽培类型，继而采用相应的栽培技术和措施与之匹配，在新品种推广的当年，直接实现良种与良法的配套，从而有效地解决了生产上良种与良法相脱节的矛盾，使品种的产量和优质潜力得到充分发挥。

2．8病虫害灰色预测模块与功能

本模块采用GM(1，1)模型或模型群，对作物病虫害行为进行灾变或季节灾变预测，为农业生产提供病虫害预防策略。模块包括病虫害灾变预测和病虫害季节灾变预测两种类型。前者指的是作物病虫害行为特征量超出某个阈值的异常值在何时再出现的预测：后者则指的是作物病虫害行为特征异常值的出现，是在一年中某个特定时区的预测。

3作物灰色育种电脑决策系统的应用示例

以安阳工学院生物与食品工程学院2008年小麦F₂单株选择为例，说明作物灰色育种电脑决策系统在作物育种中的应用。

首先，在Windows桌面上用鼠标双击作物灰色育种电脑决策系统图标，进入系统。在数据管理菜单内点击数据库连接。接着，点击“单株灰色选择”菜单，选择已输入的F₂田间人选单株表“F208”，点击“确定”按钮，出现[请选灰选性状]界面(图1)。选择参与评判的灰选性状，单击“操作”、“下一步”，进入[请输入灰选等级1的参数]界面(图2)，输入各性状相应值并提交，出现“灰选等级1各性状白化函数”图示(图3)。单击“下一步”，进入[请选择确定各性状权值的方式]界面(图4)，在“专家确定”、“灰度计算确定”、“离差计算确定”、“信息熵计算确定”和“判断矩阵确定”5种方式中根据情况任选其一，奉例选用“判断矩阵确定”，输入相应值后，单击“完成权值确定”、“下一步”，分别出现[请输入灰选等级2的参数]和[请输入灰选等级3的参数]界面，分别输入相应值后并提交，然后点击“系数矩阵展示”，即可得到各单株等级评定结果(图5)。

结果表明，在F₂田间选取的2031个单株中，635株为一等单株，占31.3％：1204株为二等单株，占59.3％；192株为三等单株，占9.5％。其中，一等单株可视具体情况在下年适当扩大种植规模，重点观察、选择；二等单株保留种植，继续选择；三等单株淘汰，整个过程5min内即可完成，比通常育种工作者根据经验权衡决定取舍要快100多倍，大大节省了时间，同时也提高了选择效果。

4小结与讨论

长期以来，作物新品种选育一直处于定性经验阶段，这也正是为什么从事育种工作的研究人员数以千计，而只有少数育种家才能获得成功的原因之一。勿庸置疑，育种经验包括育种艺术和技巧，是育种家多年心血和智慧的结晶，更是育种界宝贵的精神财富。然而，这些经验的获取，决非一年半载之功。其中，既包含有育种家艰辛的意志磨练，还包含有育种家旷日持久的深厚积累。惟其如此，某些比较棘手的育种难题，育种家能够做到官止神行，妙手回春，而其他育种工作者尤其是育种新手却望尘莫及。更何况育种经验具有较强的针对性和时效性，随着育种目标的变化而有所不同。比如用高产育种的经验来指导优质育种显然难敷应用。这就更增加了育种经验的难以掌控性和神秘性，成为困惑育种工作者的难题之一。基于Java的作物灰色育种电脑决策系统的研制成功，为破解这一难题带来了希望，其有如下几个特点。

1)提高决策水平和工作水平。由于灰色数学模型的引入，实现了传统经验育种向定量化育种的跨越，即使育种新手也能通过该系统得到育种专家那样的决策水平，同时工作效率也得到成倍提高。

2)可以跨平台运行。如前所述，该系统是以JBuilder 2006作为开发环境的，可以做到“一次编程，到处运行”。与此之前的育种专家系统相比，它具有良好的跨平台运行能力，不仅支持Window操作系统，而且支持Linux和Solaris等操作系统，表现出很强的适应性。

3)功能齐全，界面友好，易学易用。系统可实现作物育种过程各个关键环节的决策功能，同时可视性极强，便捷易学。

4)具有极高的鲁棒性和安全性。该系统全部采用MVC模式，以Java技术为支撑，可方便地扩展为网络版。作为网络语言，该系统必须提供足够的安全保障，并且要防止病毒的侵袭。在运行育种应用程序时，要严格检查其访问数据的权限，比如不允许网络上的应用程序修改本地的数据，下载到用户计算机中的字节代码在其被执行前要经过一个核实工具，一旦字节代码被核实，便由Java解释器来执行，该解释器通过阻止对内存的直接访问来进一步提高系统的安全性。同时Java极高的鲁棒性也增强了其安全性。

5)支持多线程技术。多线程使育种应用程序可以同时进行不同的操作，处理不同的事件或任务，互不干涉，不会由于某一任务处于等待状态而影响了其它任务的执行，这样就可以容易地实现网络上的实时交互操作，同时也非常有利于软件的开发，即使是更新类库也不必重新编译使用这一类库的应用程序。

上述特点决定了作物灰色育种电脑决策系统具有广阔的应用前景。相信随着时间的推移，将会成为育种工作不可或缺的有效工具。当然，该系统也有不足之处，譬如表格创建、数据输入和数据修改等不如Excel方便快捷，虽然可以通过在Excel上完成数据输入，然后从系统内Aceees dbl.mdb中导人来实现数据链接，但毕竟有所不便，因此尚待今后进一步研究与改进。

(责任编辑王晓芳)