小麦测土配方施肥专家系统知识库的构建

宇海萍

（山西农业大学信息科学与工程学院，山西太谷 030801）

小麦生长的基石是土壤，生长的“粮食”是肥料。合理施肥不仅能够有效地促进小麦植株生长，而且可以提高肥料的利用率、降低成本、增加效益。但在实际生产中，农民存在着盲目施肥或者凭经验施肥的现象。据统计，我国单位土地面积化肥的施用量已经达到美国的2倍之多，可是化肥的回报率却不到美国的1/3[1]。如何才能更好地发挥小麦生产的优势，提高小麦的产量，改善小麦的品质，尽快提高化肥的利用率，实现资源的高效利用，是当前摆在许多科学工作者面前的一个首要任务。而测土配方施肥是精准农业中一项重要的技术，是当前农业生产中科学施肥发展的方向，也是农业部重点推广的一项科技入户富民工程[2]。

针对山西分散的小麦施肥管理现状，小麦测土配方施肥专家系统以山西省太谷县各行政村为单元，以小麦测土配方施肥为研究对象，以领域专家的知识和经验为依托而构建。其目的是用于指导山西小麦生产实际，以增产丰收，提高经济效益，全面提高小麦生产的科学经营管理水平，加快农业现代化的建设步伐。

1 知识的获取与表示

知识库是以某种存储结构存储领域专家的知识，包括事实和可行的操作与规则等。为了建立知识库，首先要解决知识获取与知识表示的问题。

1.1 知识的获取

知识获取是指知识工程师如何从专家那里获得将要纳入知识库的知识。对于一个专家系统来说，其知识的来源是多方面的，如各种图书、期刊、报纸、专利、技术报告等，以及领域专家个人经验资料积累等。

本研究系统的主要知识来源：（1）查阅文献资料。查阅国内外有关小麦测土施肥的数篇历史文献，并进行归纳、整理，将有关知识抽取提炼出来形成了专家系统知识库中的规则。（2）总结专家经验。通过与小麦专家对话，收集整理专家在长期实践中积累的试验数据和科研成果作为知识库的基本材料。（3）进行田间试验。通过小麦对肥料反应的试验研究，将实践和认识渗透到整个知识库中，不断地对知识源进行补充、修改以便切合实际。

知识获取是专家系统构建中的一个“瓶颈”问题。专家不能很快地把领域问题的所有知识定义为一个完整的知识库，这就需要编程人员的积极参与，与领域专家通力合作。

在本研究系统中，首先定义一个子集，然后通过不断增加、修改、删除来扩充和完善知识库。具体实现方法是将专家系统的知识作为一个开放集来处理，并尽可能模块化地存储知识条目，这样便于知识库的扩充。同时，为了简化知识获取的过程，在与领域专家进行交流之前，要先根据不同的求解问题，设计不同的知识获取模板，这样有利于定性、定量地挖掘领域专家知识的内涵，缩短领域专家的概括过程，简化计算机的实现过程。

1.2 知识的表示

知识表示要解决如何使用计算机能够理解的形式来表示和存储知识的问题。目前使用较多的知识表示方法有：产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、面向对象表示法和混合表示法等。产生式表示法具有模块性、有效性、自然性、透明性等优点，可以很好地表示小麦测土配方施肥量控制规则中涉及到的知识，因此，本研究系统中的知识采用产生式表示方法。

产生式规则是一种借助条件语句IF—THEN表示知识的方法。一般表示形式为：P→Q或者IF（前提P） THEN（结论Q）

其中，P是产生式的前提，用于指出该产生式是否可用的条件；Q是一组结论或操作，用于指出当前提P所指示的条件被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。整个产生式的含义是：如果前提P被满足，则可推出结论Q或执行Q所规定的操作[3]。

2 知识库的构建

该系统的知识库主要是根据前人和小麦专家的试验结果建立的。本系统的知识库由静态知识库和动态知识库组成，静态知识库包括规则库和模型库，用于存贮整理好的农业专家经验和知识以及各种基本数据，如海拔、纬度、无霜期、气象条件等；动态知识库保存推理机计算出的中间值和过程参数，并将最终的结果通过推理机发送到人机界面[4]。

2.1 缺素诊断知识库中的部分规则库[5]

（1）IF土壤类型为草甸土AND土壤中的全氮含量小于临界值 THEN土壤缺氮；

（2）IF土壤类型为草甸土AND土壤中的全磷含量小于临界值 THEN土壤缺磷；

（3）IF土壤类型为草甸土AND土壤中的全钾含量小于临界值 THEN土壤缺钾；

（4）IF土壤类型为黑钙土AND土壤中的全氮含量小于临界值 THEN土壤缺氮；

（5）IF土壤类型为黑钙土AND土壤中的全磷含量小于临界值 THEN土壤缺磷；

（6）IF土壤类型为黑钙土AND土壤中的全钾含量小于临界值 THEN土壤缺钾；

（7）IF玉米叶片中的全锌含量小于临界值THEN玉米缺锌；

（8）同等地力其他农户3 a平均产量＝1.2×（同等地力其他农户前1 a产量＋同等地力其他农户前2 a产量＋同等地力其他农户前3 a产量）/3。

2.2 模型库

模型库存放的是与精准施肥有关的数学模型知识，如模型的使用方法、适用范围、系数、计算规则、变量含义等知识。该模型库以小麦养分平衡法数学模型为核心。

（1）基本原理。养分平衡法是目前国际上应用较广的一种估算施肥量的方法。其原理是：在施肥条件下农作物吸收的养分来自于土壤和肥料，农作物总需肥量与土壤供肥量之差即是实现计划产量的施肥量。

（2）土壤养分含量加权平均算法：

其中，Y为土壤养分含量，A为用户耕地总面积，Ai为第i个网格内该用户耕地的面积，Bi为第i个网格内的土壤养分含量。

（3）养分平衡法施肥模型。土壤施肥量＝（目标产量所需养分量－土壤养分供应量）/（肥料中有效养分含量×肥料当季利用率）＝（目标产量×单位产量的养分吸收量－土壤养分供应量）/（肥料中有效养分含量×肥料当季利用率）。

从土壤施肥量公式可看出，计算施肥量，必须有计划产量（目标产量）、单位产量的养分吸收量、土壤养分供应量、肥料中有效养分含量和肥料当季利用率5个参数[6]。

3 推理机制

推理就是按某种策略由已知判断推出另一判断的思维过程。推理的控制策略主要有正向推理、逆向推理以及混合推理。正向推理是以已知事实作为出发点的推理，逆向推理是以某个假设目标作为出发点的推理，既有正向又有逆向的推理称为混合推理。小麦测土配方施肥专家系统采用正向推理机制进行施肥决策时，首先用户需给出一些初始数据（如碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、前3 a的平均公顷产量，土壤养分供应量等），然后利用平衡施肥公式及参数表，根据施肥规则计算出原始施肥量，推出施肥方法。在此基础上，用户可以选择肥料类型，根据各种肥料的化学成分含量，计算相应的需肥量；用户也可以利用该系统，依据当季化肥价格和最优化理论推出最佳施肥量[7-9]。

4 结论

农业专家系统为农民提供了生产与管理决策服务，使用户可以随时获得专家指导，这已经成为农业知识与技术传播的有效途径[10]。知识库是整个专家系统的核心部分，它的构建主要在于知识的获取方式和表示方法。本文总结了3种知识获取途径，采用产生式规则表示法表达知识；知识库的构建主要介绍了规则库和模型库的构建，并采用正向推理策略进行推理，提高了推理效率。

［1］杜四清.基于WWW的平衡施肥WebGIS专家系统的设计与实现[D].天津：天津大学，2003．

［2］刘艳，安景文，华利民.浅议测土配方施肥现状与展望[J].杂粮作物，2007，27（6）：426-427．

［3］尹朝庆，尹皓.人工智能与专家系统[M].北京：中国水利水电出版社，2005：22，137-138.

［4］杨静，杨盘洪.面向Internet/Intranet的山西省农业专家系统研究[J].太原理工大学学报，2001，32（3）：230-233.

［5］赵东.测土施肥专家系统设计与实现[D].长春：长春理工大学，2008．

［6］魏国庆.测土配方肥料用量中的养分平衡法[J].农村实用科技信息，2007（9）：7-8．

［7］高春鸣，陈跃新.正向推理机系统研究[J].计算机工程与应用，2002（1）：78-80．

［8］武花萍.测土配方施肥的好处 [J].山西农业科学，2010，38（1）：112.

［9］刘淑君.北方潮土区冬小麦最佳测土配方施肥模式[J].天津农业科学，2011，17（4）：21-24.

［10］杨静，李生海，杨盘洪.小麦施肥决策知识库研究与实现[J].太原理工大学学报，2005，36（5）：517-518.