基于TRIZ理论的小麦育种专家系统模型构建

金松林,郑颖,姜小苓,张自阳,刘明久,茹振钢,王斌

（河南科技学院,河南新乡453003）

基于TRIZ理论的小麦育种专家系统模型构建

金松林,郑颖,姜小苓,张自阳,刘明久,茹振钢,王斌

（河南科技学院,河南新乡453003）

基于TRIZ理论构建了小麦育种专家系统模型,旨在利用该系统为小麦育种科研人员在短时间内提供创新育种的思路、技术及方法,解决目前常规小麦育种过程中所面临的效率低下、创新力不够的问题,克服常规育种方法中的不足.

TRIZ理论；小麦育种；专家系统

农业是我国立国之本,因此农业的发展问题一直作为我国的战略安全问题.如何提高农业生产效率,最终使我国由农业大国发展为农业强国是每一个农业工作者必须思考的问题.“十三五”期间我国计划实施“互联网+”现代农业,利用现代技术发展现代农业是提高农业生产效率的必由之路.

TRIZ理论在最近几年才被引入我国,该原理不仅可以指导科学创新且可以使创新过程具体化. TRIZ理论被引入我国后,在机械、电子、化工、食品、航空、船运、建筑及经济领域得到普遍的应用,取得了明显的经济和社会效益.

随着TRIZ理论的推广普及,农业领域中的水稻育种[1]、食用菌病虫害防治[2]、植物组织培养技术[3]等应用TRIZ理论获得了一些全新的指导思想和解决方案.但是,在各种小麦育种方法中,从未见TRIZ理论应用于该领域.就育种方法而言,21世纪前半叶,常规育种是小麦育种采用的主流方法,但是该方法组织形式落后,存在各种各样的问题,这些问题严重地制约着小麦育种工作[4].

本文结合TRIZ理论的解题流程、问题求解模式及最新研究成果,构建基于TRIZ理论的小麦育种专家系统模型,为小麦育种提供科学、高效、可供借鉴的育种思路,从而缩短小麦育种时间,提高育种效率.

1TRIZ理论的基本概念及核心思想

1.1 TRIZ理论的基本概念

TRIZ理论由根里奇·阿奇舒勒带领自己的研发团队通过对几百万份创新案例和发明专利进行分析总结,最终创建出TRIZ理论（Theory of Inventive Problem Solving）,其含义为发明问题解决理论[5].

1.2 TRIZ理论的核心思想

TRIZ理论主要包括3个方面：第一,绝大多数的技术发明,使用的方法和原理是重复的,即使在解决不同行业中的问题时,所采用的方法和原理也是相同的；第二,在任何发明创造的过程中,所用的技术和方法的发展都不是随机的,而是按照某种客观规律进化而来的；第三,任何技术和方法都是想用最少的资源获取最大的收益.

2TRIZ理论创新问题解决流程及求解模式

TRIZ理论的研究团队总结了应用于实践的多种方法,结合国内外TRIZ研究机构对TRIZ理论的丰富、完善和发展,TRIZ理论创新问题解决流程如图1所示.

图1 TRIZ理论创新问题解决流程Fig.1 The process of innovative problems solving based on TRIZ

TRIZ理论的创新方法有自己的独特的优势[6-7].它为科研人员提供了可操作性比较强的科学方法,帮助科研人员快速、高效、准确地找到问题的核心,并将其转化成问题模型,进而对问题进行系统分析,在此基础上确定影响问题解决的核心问题或根本矛盾,然后选择运用TRIZ理论数据库中提供的原理、方法和原则等按照程序有步骤地解决问题,其问题解决模式如图2所示.

图2 TRIZ理论问题解决模式Fig.2 The model of problems solving based on TRIZ

3 小麦常规育种技术

小麦常规育种,即通过杂交育种的方法,把分属于不同品种包括野生种的一些有利基因聚合到一个品系中,培育出高产、优质、多抗的农作物新品种,该育种方法为提高我国小麦产量做出了卓越的贡献.

2015年我国小麦每公顷产量比2014年增加141.6 kg,产量提高了2.9%,其中小麦常规育种技术的进步为增产发挥了重要的作用.毋庸置疑,常规育种在农业发展过程中的贡献是巨大的,但是,随着生产力的发展和育种目标的提高,要求育种工作者快出品种,出好品种,常规育种技术就显得力不从心了.主要原因是因为小麦常规育种技术有其自身的缺点：一是育种周期长,从杂交组合选配到育出品种审定需要7～10 a的时间；二是效率低,育种单位每年要配制几百至几千个杂交组合,配制的杂交组合中仅有1%左右的杂交组合有希望通过审定；三是预见性差,早期的育种选择大多建立在目测的基础上,但由于种种因素的影响,很难预测杂交后代的表现,因此优良的基因型被发现的概率不高.

小麦育种专家系统可以在育种科研人员进行田间试验之前,利用小麦育种积累的大量数据建立比较真实的育种思路及育种方法,利用计算机对育种过程进行模拟,选择出最佳的育种策略,从而大大减少育种时间,提高育种效率,为育种工作者提出可供参考的育种方案.

4 基于TRIZ理论的小麦育种模型的构建

4.1 一般专家系统结构

专家系统是一个利用现代信息技术,模拟人类专家解决某领域内复杂问题的智能问答系统.专家系统一般包含4个主要部分：知识库、推理机、知识获取、解释器[8],其结构如图3所示.

图3 专家系统结构Fig.3 The structure of the expert system

4.1.1 人机交互界面用户可以通过人机交互界面向系统提出问题,系统对问题进行分析、推理,将问题解决方案通过该界面返回给用户.

4.1.2 推理机推理机采取某种控制机制和匹配策略,根据当前数据库中存储的内容,针对用户提出的问题,根据数据中的知识进行反复分析、推理,从而给出用户提出问题的解决方案.

4.1.3 解释器解释器的主要功能是将输入到专家系统的信息进行转化翻译,按照一定的规则,解释成系统能够识别的形式.

4.1.4 知识库知识库是为系统中推理机提供服务的,主要用于存储某领域的知识和经验,其中包括领域内的知识原理、成功案例等.

4.1.5 知识获取知识获取模块设计的好坏直接影响专家系统中知识库的质量,是整个系统设计的关键.该模块通过不同的方式从不同的专家处获取知识,可以扩充和修改原知识库中的内容,也可以实现知识库的自动学习.

4.2 基于TRIZ理论的小麦育种专家系统模型

将TRIZ理论应用于小麦育种领域构建小麦育种专家系统,该系统可为小麦育种科研人员在短时间内提供创新育种的思路、技术及方法,解决目前常规小麦育种过程中面临的效率低下、创新力不够的问题.

该系统主要由小麦育种知识库、主要功能模块、知识获取、推理机、解释器等模块组成,其结构如图4所示.

图4 基于TRIZ理论的小麦育种专家系统Fig.4 The wheat breeding expert system based on TRIZ

小麦育种科研人员可以通过该专家系统实现小麦品种育种解决方案、育种思路等小麦相关育种知识的获取,同时小麦科研人员也可以利用自己的育种经验及成功的育种实践案例对小麦育种知识库进行添加,不断丰富和完善知识库.

4.2.1 知识库

（1）小麦育种知识原理数据库

小麦育种知识库主要包括三部分内容：一是育种理论,主要包括各种育种的理论知识；二是育种实验技术,包括各小麦品种育种时的实验参数；三是小麦遗传信息,主要包小麦品种进化过程中积累的海量遗传信息.

（2）小麦品种知识库

对现有小麦品种的数据（主要包括小麦生理育种数据库、生化育种数据库、分子育种数据、育种常用实验技术数据）进行归纳总结,将TRIZ理论与小麦育种知识相结合,形成具有一定规则的知识体系并将其储存在小麦品种知识库中,为小麦育种专家系统指导小麦育种创新提供思路.

（3）小麦育繁推成功案例库

将现阶段不同生态区审定的小麦品种大面积推广应用的实施办法总计形成数据库,例如,对河南科技学院百农系列小麦品种、周口农科院周麦系列小麦品种、新乡市农科院新麦系列小麦品种、河南农科院郑麦系列小麦品种等育繁推一体化实施机制进行总结,提炼升华,得到可行的育繁推一体化可操作方法.

（4）小麦专家育种思路库

小麦育种科研人员掌握大量育种知识和丰富的育种经验与育种思路,并且具有解决小麦育种过程中性状冲突的技术方法,可以把小麦育种过程中遇到的问题归纳起来,分为不同的问题类型,方便为不同的育种要求提供不同的育种思路.

4.2.2 主要功能模块

（1）人机交互模块

本模块主要为小麦育种科研人员提供一个友好的提问界面,用户通过该界面能方便地使用小麦育种专家系统.

（2）专家预警模块

本模块主要针对专家系统模拟出的新品种培育方案,从品种进化、社会效益、生态效益角度,预测小麦品种在未来的推广应用过程中所出现的问题.

（3）专家推理模块

本模块主要根据小麦育种科研人员提出的育种要求,推理机通过对科研人员的描述来提取关键信息,与知识库中的知识及案例进行匹配对比,得到比较有效的解决方案.利用该模块实现的关键是对所培育的品种要有一个详细的描述,最好能把培育的品种性状等指标数量化.

（4）专家问答模块

该模块主要实现小麦育种科研人员与在线专家实时交流沟通,共同讨论在育种过程中遇到的问题,还可以通过留言的方式向专家提问.

（5）TRIZ工具模块

首先把小麦育种中需要解决的问题,提炼升华转化为TRIZ问题,然后利用TRIZ理论工具,获得该TRIZ问题的通用解决方案,最后小麦育种人员将通用解决方案转化为小麦育种领域的创新解决方案.

通过与TRIZ理论结合,将知识库中的育种知识经验作为TRIZ理论指导创新育种的基本的规则.由于不同的专家对于育种知识、经验、思路的描述不同,需要TRIZ工程师与育种专家紧密结合,用比较准确的方法来获取知识、经验和思路,然后以规范的规则通过编辑存储到计算机中去.随后通过不断的小麦育种实践逐步修正和完善小麦育种专家系统,为今后小麦育种科研人员提供更好的创新育种思路.

5 小麦育种专家系统展望

TRIZ的创新思维揭示了事物的发展规律,基于TRIZ理论的小麦育种专家系统可以避免常规育种方法中所做的大量室内和田间试验,不仅节省大量的人力、物力及财力,还可以在不同的育种策略中进行分析比较,提高育种工作者的育种效率.然而,小麦育种学是实践性较强的学科,小麦育种方法与育种思路的优化等研究要来源于育种实践.在小麦育种研究过程中,小麦育种专家系统必须与育种实践紧密结合,不断发现、解决系统中存在的问题,逐步补充丰富育种数据库,让小麦专家专家系统推荐出最优的小麦育种策略供小麦育种科研人员使用,其相关效果也才能接受实践的检验.

[1]闵军,罗郝荣,段永红,等.运用TRIZ创新方法选育抗逆型优质稻品种[J].湖南农业科学,2012（15）：3-5.

[2]赵鹤,王延锋,董雪梅,等.基于TRIZ理论食用菌病虫害化学防治方法初探[J].中国食用菌,2013,32（5）：65-66.

[3]韩彦良,曲芬霞.TRIZ理论在植物组织培养技术中的应用研究[J].安徽农业科学,2011,39（28）：17188,17234.

[4]何中虎,夏先春,陈新民,等.中国小麦育种进展与展望[J].作物学报,2011,37（2）：202-215.

[5]张玉静.基于TRIZ的产品创新设计研究及软件开发[D].济南：山东大学,2009：41-44.

[6]周永清,臧铁钢,吴欣.TRIZ应用研究综述及展望[J].江苏科技信息,2015（14）：66-69.

[7]武青艳,陈瑞三,罗玲玲.TRIZ理论的优势特点及其局限性[J].辽宁教育行政学院学报,2013（4）：17-21.

[8]敖志刚.人工智能及专家系统[M].北京：机械工业出版社,2010.

（责任编辑：卢奇）

Constructing of wheat breeding expert system based on TRIZ

JIN Songlin,ZHENG Ying,JIANG Xiaoling,ZHANG Ziyang,LIU Mingjiu,RU Zhengang,WANG Bin
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A system model for wheat breeding expert was constructed based on theory of inventive problem solving in this paper.This model was used to provide some ideas,technique and methods of innovative breeding,for wheat breeding researchers in short time period.Besides,it can overcome the shortcomings in the process of conventional wheat breeding,for example,inefficiency and low level of innovative ability.

TRIZ；wheat breeding；expert system

TP182

A

1008-7516（2016）04-0051-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.011

2016-03-24

科技部创新方法研究专项（2013IM030700）；科技部创新方法工作专项项目（2015IM010400）；河南科技学院青年教师资助计划（201010714004）

金松林（1983―）,男,河南周口人,硕士,助教.主要从事农业信息化研究与应用.

王斌（1977―）,男,甘肃兰州人,硕士,讲师.主要从事TRIZ理论的研究与应用.