基于移動互聯平臺的馬鈴薯生產管理專家系統設計與實現

張永恒， 張 峰，2， 吳敏寧， 劉紅霞

（1.榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000；2.西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710065）

專家系統是一個智能計算機程序系統，其內部含有大量的某個領域專家水平的知識與經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領域問題[1]。也就是說，專家系統是一個具有大量的專門知識與經驗的程序系統，它應用人工智能技術和計算機技術，根據某領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復雜問題，簡言之，專家系統是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統。

農業專家系統是把專家系統知識應用于農業領域的一項計算機技術，是一項運用人工智能技術來匯集總結農業領域里的知識技術、以及通過試驗得到的各種數據資料和數學模型等，用計算機語言編制的能指導農業生產的計算機智能軟件。

農業專家系統可應用于農業的各個領域，如作物栽培、植物保護、配方施肥、農業經濟效益分析、市場銷售管理等[2]。例如，病蟲草害防治專家系統是針對作物不同時期出現的各種癥狀和不同環境條件，診斷可能出現的病蟲草災害，并提出有效的防治方法。栽培管理專家系統是在各個作物的不同生育期，根據不同的生態條件，進行科學的農事安排，其中包括栽培、施肥、灌水、植物保護等[3]。栽培部分包括品種選擇、種子準備、整地、播種、田間管理與收獲，優化它們之間及其與產量之間的關系[4]；施肥部分主要是優化肥料與產量的關系；水分管理部分主要是合理灌排，優化水分與產量的關系；植保部分主要是病蟲草害的預測和控制。

農業專家系統來自專家經驗，它們代替為數極少的專家群體，走向地頭，進入農家，在各地具體地指導農民科學種田，培訓農業技術人員，把先進適用的農業技術直接交給廣大農民，這是科技普及的一項重大突破[5]。

本文將計算機技術與農學有機結合、將專家系統與計算機網絡技術相結合，開發建設面向榆林市基層技術人員和廣大農戶服務的馬鈴薯生產管理農業專家系統；為馬鈴薯生產提供全過程的決策和指導，并利用互聯網等現代信息渠道，加快馬鈴薯科技成果的轉化，加快馬鈴薯生產技術的推廣應用；幫助基層農業技術人員和農業經營者進行科學管理決策，并快捷、方便地提供專家水平的技術指導，用信息技術推動榆林馬鈴薯生產優質化、標準化、規模化和產業化的發展。

1 系統主要功能模塊分析

1.1 系統總體結構

統中由推理決策模塊，從選地、播種、灌溉、田間管理、收獲和貯藏等各個階段都給出了專家決策，便于對用戶進行馬鈴薯種植的專家性指導和幫助。本信息管理系統由以下四大子系統組成。

1）基礎數據管理平臺：主要實現馬鈴薯生產管理專家系統提供了馬鈴薯從種到收、到貯藏的各種信息支持，以移動互聯的形式提供馬鈴薯生長發育的特點以及農業生產中常見的問題，包括生長發育、環境效應、退化脫毒、栽培技術、收獲貯藏、加工利用等，另外把推理決策作為一個模塊集成到了系統之中，它具有繼承性、集成性、復制性、便捷性等特點。用戶可以通過移動終端或計算機訪問系統平臺。

2）移動互聯管理平臺：包括栽培與管理知識、咨詢服務、播前準備、品種信息等功能。系統平臺以服務農業、農村、農民為目標，針對榆林市農業地域廣、區域性強、生產個體分散的特點，建立以信息技術為支撐的農業推廣體系，引導農民依靠農業科技發展經濟。

3）系統管理平臺：對系統的安全、用戶、知識庫和模型等進行管理。

4）生產管理咨詢系統：包括播期、播量、品種、施肥、田間管理等決策。具體內容如圖1所示。

圖1 功能組成圖Fig.1 Functional components

1.2 系統總體架構設計

系統采用模塊化設計，利用國際上流行的“客戶層/服務層/數據層”三層網絡結構模型，建立在Java EE技術架構基礎之上。采用安卓平臺技術，組合多層次的統一的類庫集合，以后臺數據庫為核心，通過前臺瀏覽器管理和運行。Web瀏覽器為表現層，主要提供專家系統人機交互界面中信息的表示和數據的收集，包括多媒體信息，表單（面向系統）以及決策結果（面向用戶）的提交等[6]。Web服務器為應用層（或功能層），提供專家系統中與應用邏輯有關的各種服務構件，也是系統運行的樞紐部分。它響應用戶發來的請求，執行某種業務任務，并對響應的數據進行處理和對數據源層的訪問與操作，用戶不需要直接與數據庫打交道。數據源層提供和管理大量的數據。前兩層實現頁面結構和元素的定義，而把該頁面的大量元素值即數據存放在數據庫，數據的復雜處理放在中間層。從而站點結構維護和數據更新成為兩個相對獨立的過程。這種結構的最大好處就是把應用程序和計算邏輯全部移植到服務器端，客戶端只保留界面統一的瀏覽器，便于維護和減輕網絡負擔。

在邏輯上系統由3部分組成，即3G用戶端移動系統、后臺管理平臺系統和知識庫系統；從硬件組成上講，3G移動系統也由3部分組成，即監控中心、通訊網絡和用戶終端。用戶使用場景如如圖2所示。

圖2 系統架構示意圖Fig.2 System architecture diagram

2 系統總體架構的設計與實現

2.1 用戶訪問合法性控制

系統訪問控制層采用Seam的Action作為用戶訪問控制器，Seam的Action實現非常簡單，通過繼承Seam的Action基類重載execute方法，并在該方法里調用業務邏輯組件的業務方法。通過上述分析，在本系統中可以發現所有的Action有個共同之處是都需要調用業務邏輯組件。而在分析服務層時，業務邏輯組件統一封裝成了工廠類ManagerFactory，所以定義一個基類BaseAction，讓所有的Action都從基類派生。BaseAction基類代碼如下所示。

在本系統中，大多模塊需要驗證用戶是否登錄系統，所以為所有登錄驗證的Action設計一個安全控制基類SecureValidBaseAction， 在 SecureValidBaseAction類 中 的execute方法中，首先檢查用戶是否己登錄，如果沒有登錄，則將用戶導向登錄頁面，否則執行todoExecute邏輯。todoExecute方法是在SecureValidBaseAction定義的抽象方法，該方法與一般的Action類的execute方法類似，有相同的參數。SecureValidBaseAction的實現類不在執行execute方法，而是實現todoExecute方法。

2.2 系統平臺設計

系統實現架構主要由客戶端 （包括蘋果平臺，Android平臺，Blackberry黑莓平臺等），服務器端主要由App Web服務，App連接服務，PUSH連接服務等組成，外部依賴系統主要由第三方移動應用服務中間件組成，系統平臺結構如圖3所示。

圖3 系統平臺結構圖Fig.3 System structure of the platform process diagrams

2.3 業務實現邏輯架構

用戶可以通過移動終端了解馬鈴著各種生長特性，如播前準備，品種介紹，病蟲害診斷與防治等。系統業務客戶端實現邏輯架構如圖4所示。

2.4 系統的功能模塊

為了使用系統平中具有可擴展的功能，設計了系統基礎數據管理平臺，該平臺主要實現組織機構信息、人員信息、功能模塊信息、用戶管理、角色管理、用戶角色權限設置 、日志管理，系統主界面功能區域主要劃分為3個區，分別為導航區、功能設定區和結果顯示區。其登錄模塊如圖5所示。

當用戶通過登錄界面輸入用戶名，密碼后，單擊“登錄”按鈕，如用戶名，密碼無誤后則可進入系統窗口。可以進入移動平臺主界面進行各功能模塊的操作，如馬鈴著各種生長特性，如播前準備，品種介紹，病蟲害診斷與防治等。系統主界面布局如圖6所示。

圖4 移動終端功能結構Fig.4 Mobile terminal functional structure

為了滿足不同用戶的需求，能處理更多的知識信息，本系統運行在Internet，用戶只要通過瀏覽器就可以獲得所需信息。由于本系統面對的主要用戶為農戶和鄉村農技人員，因此不適宜用過多的專業術語來表述，操作也不宜過于復雜。設計系統界面時盡量采用所見即所得的方式，將描述和操作簡化。該平臺主要實現組織機構信息、人員信息、功能模塊信息、用戶管理、角色管理、用戶角色權限設置 、日志管理，系統主界面功能區域主要劃分為3個區，分別為導航區、功能設定區和結果顯示區。瀏覽器端界面布局如圖7所示。

圖5 系統登錄界面布局Fig.5 System login screen layout

圖6 系統主界面布局Fig.6 The main interface layout

3 結 論

本文所設計的基于移動互聯平臺的馬鈴薯生產管理專家系統應用移動互聯技術為基層技術人員和廣大農戶服務的馬鈴薯生產管理農業專家系統，為馬鈴薯生產提供全過程的決策和指導。采用移動互聯技術、人工智能和專家系統技術、多媒體技術、網絡應用和系統集成技術，將馬鈴薯專家多年積累的經驗、技術和方法以及大量的馬鈴薯作物普遍性知識，建立核心知識數據庫。支持馬鈴薯全生命周期的規范化管理和種植運作管理，具有較強的可移值性，能方便地集成其他多媒體輔助系統。該系統用移動互聯技術擴大用戶了解信息渠道，加快馬鈴薯科技成果的轉化，加快馬鈴薯生產技術的推廣應用。

圖7 系統總體布局Fig.7 The overall layout of the system

[1]Warneke B，LastM，Liebowitz B，etal.Smartdust:communicating with a cubic-millimeter Computer[J].IEEE Computer Magazine，2001，34（1）:44-51.

[2]Zhang C.Research on the daily gas load forecasting method based on support vector machine[J].Journal of Computers，2011，6（12）：2662-2667.

[3]Jae-Jin Koh，Soon-Duir Kwon，Byong-Uk Kim，et al.Implementation of an interactive electronic technical manual based on web-multimedia technology[C]//The 4th Korea-Russia International Symposium on Volume 2，2007：21-24.

[4]CHENG Hong-bing.Identity based encryption and biometric authentication scheme for secure data access in cloud computing[J].Chinese Journal of Electronics，2012，21（2）254-259.

[5]Zhang X J.System Integration in Business Information Systems:Framework，Implementation and Case Study[C]//2008 International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing （WiCOM 2008），2009：4681094.

[6]Wang X K，F LImproved adaptive median filtering[J].Computer Engineering and Application，2010，46（3）：175-176.