大田智能灌溉专家系统研究现状及发展趋势

贺国祥，刘 梦，孙兴华，刘乃迪

（河北北方学院，河北 张家口 075000）

大田智能灌溉专家系统是一个具有大量农田灌溉专门知识与经验的计算机系统，它将人工智能技术应用于农田灌溉领域，依据农业专家提供的专业知识、经验进行推理和判断，模拟农业专家就农田灌溉问题进行决策，是智慧农业信息技术的重要组成部分。

农业灌溉作为农作物栽培生产过程中的关键环节，对于增加粮食作物产量起着决定性的作用。但目前我国农村水资源短缺和农业粗放低效的利用方式共存，使得农村缺水问题十分严峻。

美国、加拿大等发达国家很早就将先进的电子信息技术和电脑自动化控制系统技术应用于节水和灌溉领域，其系统已趋于成熟。在这些发达国家，从最初的机械控制、液压自动控制，到后来的机电一体化控制，再发展到广泛应用的神经网络控制和模糊自动化控制，其控制的精度、稳定性和技术智能化的程度都越来越高，操作也越来越简单。

由于我国农作物的智能控制管理技术研究起步相对较晚，引入国外先进智能灌溉管理控制系统的成本又太大，且发达国家研制的控制管理系统不完全适用于我国现代农业生产中各地农作物生长的需要，因此研究开发一套适应我国国情的智能灌溉管理控制系统就显得尤为重要。

1 专家系统控制技术在智能灌溉中的应用

1.1 专家系统控制理论

专家系统控制技术是我国智能化控制发展中的重要组成部分。该应用系统根据国内农业智能灌溉技术专家提供的专业知识和丰富实践经验，将其转换成控制规则语言对灌溉系统进行控制，帮助众多灌溉专家系统重新设计农业灌溉应用程序，提高灌溉的科学性。专家管理机制的主要部分包括专业知识库、逻辑推理机、分析管理机制和专业知识提取管理系统，其核心组成是专家学者管理系统。该系统必须具备解决各类非结构化问题，尤其是解决界定不明确或启发式知识信息的能力，并通过各类逻辑推理实现所需要的控制目标。农业专家系统的基本功能结构如图1所示。

图1 农业专家系统基本结构

其中，知识库和推理机是农业专家系统的重要组成部分，是任何农业专家系统不可或缺的组成部分。知识库的好坏直接影响农业专家系统的质量和可靠性；推理机是农业专家系统的主要运行动力。知识获取机构是农业专家系统发展的瓶颈，它的主要任务是完成领域知识的获取和整合。解释机构必须向用户解释逻辑推理的结果和逻辑推理过程中产生的结果。

专家控制主要有如下特点：（1）专家控制利用的是专家的知识和经验，将知识和经验用规则语言进行表示，并通过推理和决策解决问题，不需要建立精确的数学模型；（2）专家控制具有透明性特征，可以说明本身的推导流程就能解答使用者提出的疑问，便于使用者掌握推导流程，进而提升对专家系统的信赖感；（3）利用专家系统可灵活控制工作的特点，可向系统持续地增加专业知识，并对既有专业知识不断修改创新。

1.2 专家系统在智能灌溉中的应用

农业专家系统主要是将现代农业技术与互联网和信息技术紧密结合起来，综合地分析各种与农业相关的知识、经验、数据和模型，计算得出最优解，指导智慧农业发展和生产的一套高科技系统。把现代化的农业专家系统更广泛地运用在农业灌溉中，就可以提高农业灌溉的自动化水平，使灌溉专家系统更进一步地具有检测、决策和预报的功能。

2009年，朱焕立等利用中国国家智慧农田灌溉专家系统，开发了一个新型农田灌溉问题的自动过程管理系统，具备信号的自动收集、自动监测、灌溉决策、预置修改等功能，工作人员可以根据农田气象条件、土壤墒情、作物长期生长及土壤环境变化等信息，做出农田灌溉问题预报解决方案的具体决策，并主动组织执行，为解决农田灌溉问题提供了一种新的解决思路[1]。

2014年，黄勇等为迅速完成对南通区域内所有水稻的自动节水智能灌溉，研发了一种新型稻田自动节水农田灌溉系统，该灌溉系统利用专家系统和先进稻田智能灌溉控制系统技术，实现水稻全生育期的自动智能灌溉。具有构造简易、投资较省、技术简单、经济效益明显及推广前景广阔等优点，可精确执行泵站智能管理、灌溉水源水质自动监控及利用稻田土壤水分专家系统进行控制灌溉等节水模式，大幅提高了泵站的劳动生产效率[2]。

2015年，根据小麦不同年龄和生育期不同情况下的灌溉方法和策略，王福平等研究设计了一种基于模糊自动化控制技术的节水灌溉方法和专家决策系统。该体系针对小麦在不同生长发育时段的生长因素差异及灌溉要求差异，设计了适应不同时间浇水要求的节水灌溉系统。该控制系统主要利用模煳控制技术原理，将土壤水分、气温、水热积等作为农业自动灌溉的重要指标，把农业灌溉经验用于计算机控制。经实验证实，该控制系统可以通过调节生态环境，实现及时合理的自动灌溉效果，从而确保了自动灌溉可满足小麦在其生长发育周期的每一阶段要求[3]。

2016年，余国雄等共同研发并设计了基于网络与农村物联网技术的荔枝园信息收集与智能灌溉专家决策系统。该系统利用地面信息收集终端模块，实时收集荔枝园区的土地含水率、空气湿度、光线强度、风力和降水等自然环境信号，经过无线传感网络将数据分析信息包发送至网关，而网关则经过普通无线组集网将经过处理的数据分析信息包传送到云网络服务器，专家管理系统依据所收集到的自然环境信息数据分析，整合专家学者信息库，设置了多种决策数学模型，可完成测算作物的需水量、预测浇水时机、灌溉最佳定量决策及根据灌溉制度决策等功能，将决策成果反映到管理终端模块并实现智能监控。系统的预报精度可以达到75%，表明整个系统预测的实时性相对较好，实现了对荔枝园的环境信息收集和智慧灌溉，可以指导从业者科学管理荔枝园[4]。

2017年，张婷等为有效改善目前传统智能农业专家系统只能依据单一的灌溉影响参数决策的问题，开发了一种基于农业物联网的自动智能农业灌溉预报专家决策管理系统。经过数据分析，建立了中国小麦灌溉技术与天气数据、土地状况之间的联系，并对传统专家系统认知基础中的模糊量加以定量化修正，形成了规范模式。同时，还运用彭曼公式和水平衡原理构建了中国小麦作物灌溉数学决策模式，使用者只需要在人机交互操作系统界面上按照提示，录入当期的温湿度、土地信息和天气数据等，就可以使用建模库中的数学模式完成即时决策，从而做到了综合考虑多种重要参数完成灌溉预报决策，大大提高了灌溉决策精确化程度，也进一步优化了农业节水浇灌的策略，有效节约农业灌溉水资源[5]。

2019年，杨伟志等针对中国山区柑橘传统浇灌方法所产生的费时耗力、工艺技术不科学及水资源使用率较低等问题，设计了基于物联网和人工智能技术的中国山区柑橘智慧浇灌专家系统。该控制系统可即时检测果园环境，并根据作物不同生长时段需水量和天然降水状况，将土壤湿度管理在最适宜范围内，具有稳定性好、能源自给、智能化程度高等优点[6]。

综上所述，节水灌溉工程的关键就是及时获取农作物生长和繁殖的信息，并按照各个生育期对灌溉水量的要求进行合理灌溉。专家系统控制技术汇集了我国农业水利管理领域众多专家的基础知识和实践经验，解决了各种复杂的水利灌溉工程问题，且该系统可以不间断地更新专业知识并提供服务，为农业灌溉的科学化和合理化建设发挥了重要作用。作物生长状态信息知识库则使系统可以根据作物在不同阶段的生长情况自动进行最优化的控制措施，提高农业灌溉的自动化程度。物联网技术是在现有移动网和互联网技术的基础上，对主要技术功能进行了延伸和拓宽，是一种同时具有实时信息收集和实时视觉感知、海量数据在线传输和实时智能化数据处理三大功能的信息网络。2009年，我国正式提出“感知中国”的概念，“现代农业物联网”已成为我国物联网产业发展中最重要的技术研究和推广应用发展方向之一。

2 专家系统控制技术的展望

2021年3月11日，全国人民代表大会表决通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，提出“完善农业科技创新体系，创新农技推广服务方式，建设智慧农业”。中国农村现代化发展工程也已到了加速转变发展方式的新时期，应当进一步依托科技进步实现创新驱动、内生成长，引领农村向绿色生态、高品质、民族特色和品质化蓬勃发展，提升农业产业化全球整体竞争力。由此可见，在未来的农业智能灌溉中，专家系统将具有越来越重要的地位。根据我国目前的农业水平、农业生产的实际情况以及农业专家系统的应用特点，其未来的发展趋势应该有以下几个方面。

2.1 注重农业各种科学技术的综合运用

针对当前国情，注重农业专家系统的充分应用和推广，逐步应用农业通信网络技术、“3S”信息技术、人工神经网络、农业数据库系统、信息网络、优化模拟、多媒体以及其他许多农业信息技术，是当前农产品病虫害人工智能专家系统热潮中的新发展趋势。

2.2 实现网络化、数据共享

作为信息技术的良好载体，网络技术的飞速发展为信息和专家系统的传播提供了良好的渠道。未来社会需要的是一个基于网络的专家系统，一个能够在网络上顺畅运行并成功共享资源的信息系统，才能真正具有社会生命力和使用价值。

2.3 注重农业专家系统的普及化

现阶段，我国直接参加农作物生产和田间管理工作的人大部分为农村人。随着农业社会的发展、微机的广泛应用、软件产品价值的下调、以及农户综合素质的提升，农户也将成为未来农业专家系统的重点使用者之一。

2.4 注重市场国际化

我国已经加入WTO，中国农产品专家体系的建立也不应该忽略国外市场的需求，因此发展既适合中国需求又适合国外需求的农产品专家体系也是很有必要的。农业专家系统在中国方兴未艾。作为农业决策的重要手段，相信在不久的未来，将涌现出越来越多的符合我国国情的国产智能灌溉专家系统。