探析基于模糊推理的水稻病害診斷應用

劉忠慧

摘 要：水稻是我國主要糧食作物之一，水稻病害的防治是水稻種植過程中的主要任務，關于水稻病害診斷主要還是依靠農業專家根據病害癥狀和癥狀部位進行人工診斷，這種診斷方式固然可靠，但需要大量的農業專家親臨農業生產第一線，但是由于植保專家的人數畢竟有限，而且工作任務比較繁忙，所以只能是在個別時間、地點才能實現，無法應用到生產實際當中去。

關鍵詞：病害診斷；專家系統；模糊綜合評價

中國是一個農業大國，水稻是我國主要農作物之一，水稻病害的自動診斷對農作物的產量提高有著現實的意義。水稻病害診斷的實質是一個故障診斷問題，但是與一般的設備故障診斷相比，由于水稻具有生命特征，其病害特征表現較一般設備復雜，難以用傳統的，確定性或統計性的方法對它進行直接綜合研究。在現階段認識水平上，利用計算機技術，結合多學科定性定量整體結合法是解決問題的可行方法。

一、水稻病害診斷的方法技術理論研究

1. 水稻病害診斷概述

水稻是中國的主要糧食作物，種植面積和產量均占中國糧食的首位。60%的中國人以吃大米為主。防治水稻病害對保障糧食增產，具有重要的意義。據有關資料記載，全國水稻病害有四五十種。常見的病害有稻瘟病、紋枯病、惡苗病、細菌性條斑病、白葉枯病、稻曲病和稻粒黑粉病等。

農民通過查閱水稻病害防治的書籍以及查看相關的病害圖譜，與實際發生的病害進行對照診斷。書籍上的知識和圖譜雖然科學可靠，但是農民對書籍所描述知識的理解常常出現偏差，而且由于篇幅有限書中的病害圖譜也只是一些典型的癥狀，并無法隨時進行更新，從而造成誤診及延誤治療時機的狀況。

2.農業專家系統概述和現狀分析

專家系統是人工智能應用研究最活躍和最廣泛的課題之一，主要目的是要使計算機在各個領域中起人類專家的作用。農業專家系統是專家系統在農業領域的應用。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。

目前，國內外專家學者提出了很多專家系統的研究模型。其中較為流行的有基于規則的專家系統、基于案例的專家系統、基于框架的專家系統、基于模糊邏輯的專家系統、基于D一S證據理論的專家系統、基于人工神經網絡的專家系統和基于遺傳算法的專家系統等。

3.水稻病害診斷系統推理模型的理論研究

在自然科學或社會科學研究中，存在著許多定義不很嚴格或者說具有模糊性的概念。這里所謂的模糊性，主要是指客觀事物的差異在中間過渡中的不分明性，如某一生態條件對某種害蟲、某種作物的存活或適應性可以評價為“有利、比較有利、不那么有利、不利”；災害性霜凍氣候對農業產量的影響程度為“較重、嚴重、很嚴重”，等等。這些通常是本來就屬于模糊的概念，為處理分析這些“模糊”概念的數據，便產生了模糊集合論。

層次分析法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于上世紀70年代初，為美國國防部研究“根據各個工業部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配”課題時，應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權重決策分析方法，它合理地將定性與定量的決策結合起來，按照思維、心理的規律把決策過程層次化、數量化，這種方法的特點是在對復雜的決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法，是對難于完全定量的復雜系統做出決策的模型和方法。

二、基于模糊推理的水稻病害診斷系統

1.水稻病害診斷專家知識的表示

據水稻病害診斷專家知識表示的分析，一級診斷涉及到的專家知識有水稻部位、水稻病害、每個部位出現的癥狀和癥狀相對于病害的權重，二級診斷以一級診斷的結果為知識，還包括部位的權重數據。這些專家知識要采取一定的形式表示和存儲，這樣才能被有效地存儲和檢索，在進行模糊推理時，才能被自動應用于運算。

2. 水稻病害診斷系統推理機

水稻病害一級診斷推理機的設計主要是兩部分：專家知識的類結構設計和推理機的類結構設計。專家知識的類結構設計主要是水稻部位、水稻病害、水稻病害癥狀、水稻病害癥狀權重的類結構設計。水稻病害二級診斷推理機的設計工作和一級診斷推理機的設計大致相似，仍為兩部分：專家知識的類結構設計和推理機的類結構設計。

三、水稻病害診斷系統的實現

基于推理模型的水稻病害診斷應用系統涉及專家系統、水稻病害等多方面的理論和知識，系統的開發也涉及到軟件開發方面的多種技術。系統用戶管理主要管理用戶基本資料和用戶權限。為了保證系統資源只能由具備響應權限的用戶來使用，本系統將用戶分為兩個級別，即普通用戶、管理員，只有管理員才可以對系統數據進行維護。用戶先選擇相應的發病部位，再根據系統的癥狀描述，選擇相應的癥狀。通過用戶的逐級篩選，系統給出診斷結果，并提供給用戶這種病害的防治方法，指出發病規律。

系統開發完成后在黑龍江農墾總局友誼、軍川、八五二、八五六農場進行了的示范推廣。通過在三個農場專家系統為期一年的跟蹤示范推廣，示范區的水稻病害因防治措施恰當合理，病害發生地塊的產量受到的影響明顯降低，不僅提升了稻米的品質而且提高了生產資料的利用率，減少了過度使用農藥對環境造成的污染。

四、結語

水稻是我國主要農作物之一，水稻的產量在國民經濟中占有舉足輕重的地位，水稻病害的自動診斷對農作物的產量提高有著現實的意義，也是是農業信息化的一個重要領域。論文針對水稻種植過程中病害的特點和病害診斷現狀，提出在水稻病害診斷中引入農業專家系統，應用模糊理論，建立水稻病害診斷系統的推理模型，并在深入分析的基礎上，給出詳細設計和實現。

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