基于智能算法模型的农药安全性评价软件架构

黄河清

(福建广播电视大学 漳州分校，福建 漳州 363000)



基于智能算法模型的农药安全性评价软件架构

黄河清

(福建广播电视大学 漳州分校，福建 漳州 363000)

[摘要]农药对生态与环境的副作用使得建立并完善农药风险性评价的需求已迫在眉睫，以设计农药安全性评价软件为目标，研究传统农药和新型环保农药的安全性评价方法，对农药安全在登记、数据、标准、准则等管理上和在建模、架构、方案、方法等技术上的关键问题和解决办法进行研究。首先将农药信息化登记制度与农药基础智能数据库的建设接轨，规定增加农药生态风险评价的标准数据，建立统一的产品标准和评价准则；然后，使用数学建模方法和机器学习算法建立评价模型和评价体系，设计基于计算机智能方法的农药管理和评价软件的架构和方案，构建信息化智能化的农药评价管理平台。 中华人民共和国农业部农药登记资料要求对新农药登记田间试验、产品资料等等[16]，农药在使用过程中还很多相关数据需要在农药登记资料数据库中做好记录。应该明确规定所需提交的有关风险评价方面的具体数据和内容，建立严格的认证评审制度，对于生产者提供的农药各方面的科学资料的性质和试验结果，进行严格认证，并入库建档，杜绝花钱买资料的行为，建立强有效的责任制和处罚赔偿制度。发现问题时，有完整的信息资料可以查阅，可明确地按职责追究相关部门的责任。

[关键词]农药；靶向农药；安全评价；评价模型；软件架构

虽然农药的出现和使用在农作物增收方面起到了立竿见影的作用,但是大量使用有毒的化学农药,已经严重地破坏着生态与环境。上个世纪早期人们对农药的盲目乐观已经被惶惶担忧所替代, 农药的安全性问题已经进入公众关注的热点。病毒、害虫、杂草等使农业生产损失最高达七成，正确使用农药能够减少四成的损失；我国人口众多而耕地缺少，利用农药来保障食粮供应是目前农业生产重要的措施；但是农药残留、污染、扩散等难以控制，安全方面事故频发，安全隐患更是令人担心[1-2]。因此，为了人们的健康安全以及可持续的产业发展环境, 建立并应用严格科学的农药风险性评价机制已为燃眉之急。

本研究围绕农药安全性评估技术及其应用，结合不断成熟的RNAi技术，辅助害虫防治和杀虫剂靶标筛选的研究，以计算机软件和智能分析管理技术为工具和方法，利用通信技术、网络技术、数据库技术、智能分析技术等等，把农药、RNAi技术、生态技术集成；通过对农药使用风险危害的评估，制定出能控制危害的应用规定，为绿色农业筛选出最适合使用的农药类型及用量[1-6]。并将农药安全使用技术直接指导农业的具体生产过程，自动提示和监控农药施用时间、药量等等，从而提高农产品质量安全水平，直接产生社会效益。

1存在问题及分析

我国在农药及其风险评价、新品开发及其信息化等方面相继开展了一些工作,也取得了一些研究成果，出台了一系列的评价标准和管理制度，也开发了一些相关软件，如：农业部农药检定所的“农药信息系统”、“农药三证审批管理软件”，还有各种应用系统，诸如宏达开发的“化肥农药进销存管理系统” 等等。但在农药登记、数据收集、标准准则制定等以及在建模、架构、方案、方法上还存在急待研究的诸如下列的具体问题：

1.1　农药登记制度中，对于与农药生态风险评价相关的内容还没有具体的标准数据和定量描述

农药登记中对残留情况的数据信息的记录要求应该是很必须和准确的，因为农药不能降解的部分对农产品安全以及环境的影响是非常深远的，在欧美等一些发达地区,农药的生态数据、风险评价数据是登记内容中非常重要的信息。但到目前为止, 在我国的农药登记资料要求中还没有系统的生态风险评价的要求，相关数据库中也没有这方面的信息，因而无法对农药在生态方面的风险进行有效监控。风险评价的不确定问题的定量性描述是处理的关键，当前不确定性分析的研究不多，尤其是定量的分析，因为评价过程中的一些机理尚属未知或过于复杂。

1.2　农药管理制度中，农药生态风险评价的准则还没有统一的标准，也缺乏有效的预测计算模型

为了确保农药管理在业界的权力及威严，制定科学统一的安全标准非常重要。目前我国在农药登记申请及评价时应用到的专门科学技术是有限的，而且缺乏检验产品质量和展示新药功能的实验室，还通常缺乏数学、系统学、计算机技术等跨学科的技术环境。模型方法虽然在一般环境生态风险中有很多研究，但针对农药风险评价的很少，农药生态风险评价是综合性的应用，它需要应用计算机前沿技术建立科学的评价模型与技术体系，出台统一的评价准则，运用有效的模拟模型进行风险评价预测计算。

1.3　农药产品规范中，还没有出台成熟统一的评价药品的量化准则

目前我国农药是一个产品一个标准，标准又分为企业标准(Q)、行业标准(HG)和国家标准(GB)三类，企业标准使用HNP准产证，行业标准和国家标准使用 XK许可证。农药监管中准产规定是: 一种农药产品申请一个证书,但是农药许可制度是: 一个生产者一本证书,然后附上农药品种，由于没有统一的规定带来了监督困难及管理效率低下[11-15]。

1.4　在农药研发的技术与设备上，需要与科学前沿更密切结合，开展新型杀虫剂的研发

我国农药在新品研发的方法技术及设备的先进性等方面尚欠缺。因为农药的生产和管理技术含量高、设备先进，目前我国还缺乏国际认证的良好的实验室规范，存在实验室设备条件不配套、基础信息数据库和进出口信息数据库不健全、农产品的农药残留数据库、农药生态风险数据库不健全等问题。在进行不污染环境的安全环保农药的研发方面进展还不够快，靶标的筛选是新农药研发的重要环节，RNAi是靶标筛选的有效工具， RNAi能对候选杀虫剂化合物进行鉴定，并能辅助鉴定农药的生化模式及有关基因。应该构建生物体的全基因组RNAi文库，高通量筛选靶标基因，为农药修饰和新型农药建立共享兼容的智能数据库集群。

2计算机前沿技术解决农药安全性评价的关键问题

2.1　在农药信息化登记管理中，进行具体的农药残留、农药毒性、农药用量、膳食结构等信息子系统和基础数据库的建设

农药数据库建设是一项基础工程，数据是农药信息管理体系的核心对象；除了一般的数据统计分析方法和报表之外，目前智能数据库、云计算、移动网络为数据的采集、存储、传输、共享提供了强大的技术手段,人工生命方法为自动化的复杂预测分析也提供了可行方法[2-6]。

在农药信息数据库中增加生态风险评价方面的数据，健全农药登记数据库和有关风险评价信息的内容,使用智能数据库，为农药的科学使用以及健康风险评估提供数据支持。如图表1所示是农药登记智能数据库的字段实例，应用中可以根据需要动态建立不同需求的字段并登记入库。

2.2　农药管理制度中，统一产品标准，建立统一的农药风险评价准则，采用信息化的管理工具

对于农药产品的标准，如只规定了统一的检测方法而含量以标示值为准的先进标准，使用这种方法则一个组分只需要一个标准，从而将标准数量尽量减少，但由于复配制剂国标太少，组分有行标、国标的，其复配制剂也应该制定相应的国标或直接规定引用其对应的国标，才能做到简化标准和便于许可证管理。对于目前的一个产品一个证的准产制度，以及一个企业一个许可证的制度，实际操作时并不方便管理，如果用一个剂型一个证的方式，同样的剂型新登记了品种，可直接使用已有的准产(许可)证而无需重复申请办理。这样，在农药信息平台中通过所保存的各种参数数值，可以很方便快捷地统一查询，实现标准管理。

农药的风险评价涉及农药的基础研究与产品开发，还有药品的生产及使用，一直包括农药扩散残留的长期生态效应和环境作用，并且涉及到原药、制剂及其使用方式等方方面面。对于复杂的流程管理，可以用计算机的工作流管理技术来实现。风险评估内容包括卫生毒理学和环境毒理学风险评估两种类型,前者有药物对动物的毒性,如过敏性、三致性和迟发性神经毒性等，后者包括农药对环境的作用以及杀虫剂对益虫的毒害等副作用等等[8]。对于多参数的复杂的风险评价，可以用前沿的计算机智能分析与处理技术工具，综合利用毒理学、化学、数学、系统学等等, 建立科学的评价模型与技术体系，为出台统一的风险评价指南与准则以及相配套的分析与处理软件平台，做好前期需求准备。

2.3　构建较为完善的农药安全性评价模型和体系，研究相关智能处理的关键算法，为安全性评价与管理体系的开发奠定理论和技术的基础

应在研究单位和企业重点开展农药风险评价的方法模型、实现算法和流程程序的研究。例如运用迁移转化模型进行变化分析，应用统计软件工具来统计基础数据，采用如层次分析评价、模糊数学、灰色评价等数学方法，智能学习算法、神经网络预测方法、机器学习算法等，建立各个不同层次的风险评价预测模型，并建立信息化平台实现自动化智能化的风险评价。

下面应用灰色评价模型[8]，对指标进行无量纲化，并确定权重，可计算得出农药风险综合指数，步骤如下：

Step 1：对待评估药品，定下风险测评指标序列；

据实验与测得的记录数值资料集，定义存贮矩阵的数组：A’[i,j]。其中，i=1,2, …,n 为不同生命周期，j=1,2, …,m 为评估指标个数；该数组用来表示和存储评估各指标；

Step 2：对待评估药品，选取最优指标集，并对变量序列进行无量纲化；

设 A0’(m)对应第 m 个指标，并存贮其最优取值，在对农药进行风险预测时选取的最优值为：对应此类指标下，风险指数的数值最高；

然后无量纲化该变量序列：各变量序列形成如下数组：A[i,j]，其中：i=0,2, …,n，j=1,2, …,m ；

采用均值化法：

Step 3：求出被测评农药系列指标与最优系列指标之间对应位置的元素的绝对差值：

|A0(j)- Ai(j) |

Step 5：分别求解第 i 个被测评对象的对应最优指标的关联系数，公式为：

ξi(k)

式中ρ∈(0,1),一般取ρ=0.5。

Step 6：求关联度：

Step 7：确定权重，由于各指标的重要程度不同，通过对关联度归一化处理，赋予各指标以不同的权重，计算权重因子：

Step 8：最后得到了：第 i阶段农药风险综合评价的数值结果：

3根据农药安全性评测的各项要求，搭建安全农药评测计算机软件系统及架构

搭建农药安全评价MIS平台，软件以农药安全性评价需求、模型和方法为支撑，把每次养殖和种植作为一个项目进行统一管理，并对项目的整个生命周期中农药的安全使用进行控制。在项目开始前，软件会根据已知数据分析得出生产的预期产量和产值；项目实施过程中，系统会根据项目的正常程序或用户临时输入的异常情况，在需要使用农药时给出预告和提醒(如：药品类型、用药量、间隔时间)，同时也会对农药的使用情况进行监控和安全性评价，动态提醒用户订货的时间、药量，并给出注意事项；项目结束后，系统会收集此次项目的实际效果、收益情况和风险评价，让用户填写反馈资料，并通过项目建立新的评价知识库。总之，系统能克服传统农药使用盲目的缺点，让农药使用在严格控制的情况下进行，科学高效安全使用各种农药资源。系统关系如图 1所示。农户或农场开展养殖或种植等，相关的数据资料可从数据库获取，农药资料的原始数据也存于数据库中。

农药安全评价管理系统的设计基于典型的三层架构，如图2：第一层，数据存储层也称数据库层，用于存储相关农药信息的各种数据。数据用云计算实现提交和管理，云存储具有非常强大的数据功能[4]。第二层，业务逻辑层(Business Logic Layer)，该层进行所需的访问、实体、规则及业务接口的定义，数据访问用于链接、插入、读取、更新相关农药登记和管理的数据资料库，系统框架为Hibernate，将对数据库的访问抽象封装成数据访问对象DAO；第三层，表示层(Presentation Layer)，包括页面外观和规划，例如，该层可以采用JSP+Struts技术，由Struts的Action调用商业逻辑，并将结果反馈给JSP页面[9-11]。

目前已有的农药相关的计算机管理系统数量上不少，并且,在实际应用中发挥了很大作用，但普遍存在规模还不够、兼容性较差。因此，已经推广和应用中的系统应该继续使用，新系统最好采用系统集成、模块组装技术，重用已有的软件模块，并开发新的组件和更强大的功能。操作界面应该采用新旧两种操作模式以满足老用户的需要和新技术的推广，完成所谓的无缝联结。应用平台应该增加基于3G、4G手机的操作环境，构建移动网络组件。

4展望

农药的风险评估、安全性评价是当前农药研究的热点问题之一，各类生态学评价概念和指标体系本质是雷同的，但由于农药的风险评价具有人类主观性和期望值，这种主观预期决定了评价标准的相对性，同一农药，处于不同的区域，面对不同的人类期望，评价结果会有所不同。

以计算机为核心的科学技术前沿成果为农药安全评价目标的实现提供了智能数据库、智能算法分析模型、信息管理软件等多种技术方法，数字基因表达谱、RNA干扰还有各类生态学评价的进展也为我国农药安全评价在药品管理、新品开发、环境安全等方面提供了研究方法和思路借鉴，构建适应社会发展需要的先进的农药安全评价模型，建设统一的农药信息化平台是我国农业信息化的重要系统工程。

总之，只有当农药的安全性在生产和使用过程能得到有效控制时，它才有可持续推广和应用的价值和前景。对农药的评价问题，在不同国度、不同地区、不同人群都有不一样的评价阈值及标准。所以我国应结合本土实际情况，决定重点研发和使用哪些类型的农药，并构建信息化平台实现对农药进行有效的安全性评价与管理。

[参考文献]

[1]汪浩,赖多,徐汉虹.RNA干扰在害虫防治和杀虫剂靶标筛选中的应用前景[J].世界农药,2012,(3):16-22.

[2]邹瑞苍.对建设农业生态文明的若干思考[J].农村工作通讯,2009,(6):22～25.

[3]Heqing Huang.Efficient All-to-All Broadcast Algorithm in Torus Networks[C].ICIS 2010:2010 IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems,Vol.3 of 3, PROCEEDINGS, 2010: 911-916.

[4]蔡恩兴,郭建辉,陈丽萍.乐果在香蕉、土壤中的残留动态及安全性评价[J].中国农学通报,2014,30(13):157～160.

[5]HQ HUANG. Time Window Constraint Resource Allocation by Artificial Life Methods[C]. WMSCI 2008:12TH World Multi-Conference On systematics, Cybernetics And Informatics, Vol. IV, Proceedings, 2008: 63-68.

[6]黄河清,衣杨,王真.融合近邻交互的改进的粒子群优化[J].漳州师范学院学报 2009，22(1):16～21.

[7]赵于丁.5种稻田常用杀虫剂对斑马鱼的毒性及亚致死效应[D].福州：福建农林大学,2007.

[8]邓聚龙. 灰色系统理论教程[M]. 武汉:华中理工大学出版,1990.

[9]郑娜莎. 基于灰色评价的旅游环境承载力研究——以青岛城市旅游环境系统为例:[D]. 山东:中国海洋大学,2010.

[10]颜磊,许学工.区域生态风险评价研究进展[J].地域研究与开发,2010,29(1) :113～117.

[11]马萧.脆弱性矿区生态风险评价[D]. 北京:中国地质大学,2011.

[12]李谢辉,王磊,李景宜. 基于GIS的渭河下游河流沿线区域生态风险评价[J].生态学报,2009,29(10):5523～5534.

[13]陈翠翠,梁锦陶,韩玉兰,等.太原市敦化污灌区重金属污染的潜在生态风险评价及垂直分布特征[J].中国农学通报,2010,26(10):314～318.

[14]孙洪波,杨桂山,苏伟忠,等.沿江地区土地利用生态风险评价——以长江三角洲南京地区为例[J].生态学报,2010,30(20):5616～5625.

[15]王秋莲,刘春光,关玉春,等天津近岸海域表层沉积物中重金属的生态风险评价[J].南开大学学报,2010,43(4):61～66.

[16]中华人民共和国农业部农药登记资料要求[Z]. 农药,2001,40(7):1-7.

[责任编辑：D]

Intelligent Algorithm Model of Pesticide Safety Evaluation Software Architecture

HUANG He-qing

(ZhangZhou RTV University，Zhangzhou 363000,China)

Abstract:Establishing and perfecting pesticide risk assessment is an urgent demand. This paper aims at designing of pesticide safety evaluation software，studying safety evaluation method on pesticide and green pesticide, And the subjects about the pesticide safety in registration, data, standard on the management and the modeling, architecture, scheme, method and the other key technology and solutions are also studied. First combine pesticide information registration system with the construction of basic intelligent pesticide database, increase the ecological risk assessment of pesticide standards dataset, establish a unified product standards and evaluation criteria. Then, using mathematical modeling methods, and machine learning algorithms to establish evaluation model and evaluation system, design the architecture and plan of pesticide management and evaluation software based on computer intelligent method, to build intelligent evaluation of pesticide management information platform.

Key words:Pesticide; Targeted pesticide； Safety evaluation; Evaluation model; Risk prediction; Computer intelligent; Machine learning; Software architecture; management information system

[中图分类号]TP319：TQ450.2+1

[文献标识码]A

[文章编号]1671-5330(2015)02-0023-05

[作者简介]黄河清(1965-)，女，副教授，博士，主要从事生物信息学、有害生物控制、智能算法、人工生命、软件工程研究。

[基金项目]漳州市科技计划项目(Z2010002)

[收稿日期]2015-03-03