摘要：基于土壤肥料專家多年來在江漢平原地區(qū)開展的主要農(nóng)作物營養(yǎng)特性、土壤供肥能力以及肥料施用技術等研究成果，開發(fā)了江漢平原主要農(nóng)作物施肥推薦專家系統(tǒng)。系統(tǒng)主要以農(nóng)業(yè)專家提供的農(nóng)田土壤肥力評價標準與主要農(nóng)作物優(yōu)化施肥推薦標準為依據(jù)，采用Ｊａｖａ作為開發(fā)語言，將ＳＷＴ／ＪＦａｃｅ技術與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)技術集成為推薦咨詢系統(tǒng)，給每一塊農(nóng)田提供土壤肥力客觀評價，以及基于作物產(chǎn)量、質(zhì)量及環(huán)境安全的肥料建議施用方案，系統(tǒng)用戶操作方便。

關鍵詞：專家系統(tǒng)；優(yōu)化施肥；土壤肥力；江漢平原；主要農(nóng)作物；ＳＷＴ／ＪＦａｃｅ

中圖分類號：Ｓ１２６；Ｓ１４７．２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）17－3852-03

The Design and Realization of Major Crops Fertilization Expert Recommendation System in Jianghan Plain

ＬＩ Ｌｉａｎｇ１，２，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ２，ＦＡＮ Ｘｉａｎ－ｐｅｎｇ１，ＹＡＮＧ Ｌｉ１，ＤＩＮＧ Ｈｅｎｇ－ｈｕ３，ＷＵ Ｊｉａ－ｑｉｏｎｇ３

（１． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｈｕｂｅｉ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｗｕｈａｎ ４３００６４， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙａｎｇｌｉｎｇ ７１２１００， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ；

３． Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ， Ｑｉａｎｊｉａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｂｕｒｅａｕ， Ｑｉａｎｊｉａｎｇ ４３３１００， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｐｏｐｕｌａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍａｊｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｃｒｏｐｓ， ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｗｈｉｃｈ were studied ｂｙ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｅｘｐｅｒｔｓ ｆｏｒ ｍａｎｙ ｙｅａｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｊｉａｎｇｈａｎ Ｐｌａｉｎ． Ｔｈｅ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｏｆ ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｐｔｉｍａｌ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｊｏｒ ｃｒｏｐｓ． ＳＷＴ / ＪＦａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ａｄｖｉｓｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｊａｖａ ｌａｎｇｕａｇe． Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｓｏｉｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｋｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｄｅｃｉｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｃｒｏｐｓ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ， ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｐｓ， ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ａｎｄ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｊｉａｎｇｈａｎ Ｐｌａｉｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ； ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ； ｓｏｉｌ ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ； Ｊｉａｎｇｈａｎ ｐｌａｉｎ； ｍａｉｎ ｃｒｏｐｓ； ＳＷＴ／ＪＦａｃｅ．

農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是專家系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領域的應用，是人工智能的一個最為重要的應用領域。它是利用存儲在計算機內(nèi)的某一特定領域內(nèi)人類專家的知識來解決過去需要人類專家才能解決現(xiàn)實問題的計算機系統(tǒng)［１］。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)早于１９９６年在荷蘭舉行的國際計算機技術應用于農(nóng)業(yè)的學術會議上被提出，其中土壤施肥是專家系統(tǒng)應用的一個重要領域。有資料顯示，中國已經(jīng)成為世界上化肥施用量最大的國家之一，化肥利用率長期偏低，氮肥的單季利用率僅為３５％左右，導致環(huán)境承載的壓力越來越大。有研究表明，每年進入長江和黃河的氮素中分別有９２％和８８％來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，成為中國水體氮素污染的主要來源［２］。因此，針對不同農(nóng)戶，對土壤各主要養(yǎng)分含量進行測試分析，并根據(jù)測定結果決定施肥量與施肥方法有著重要意義。

江漢平原主要農(nóng)作物施肥推薦專家系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”）利用計算機技術，整合農(nóng)業(yè)專家在土壤肥料和作物營養(yǎng)上多年的研究結果，實現(xiàn)對作物施肥的智能化推薦，減少盲目施肥帶來的環(huán)境問題［３］；可以為更多的農(nóng)戶提供合理精準的施肥方案，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的智能化決策水平。

１ 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

１．１ 系統(tǒng)設計目標

專家系統(tǒng)是一個基于專門的知識領域來求解待定問題的計算機程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)由兩部分組成：一是稱為知識庫的知識集合，包括要處理問題的領域知識；二是稱為推理機的程序模塊，包含一般問題求解過程所用的推理方法。在施肥推薦過程中，知識庫主要為土壤養(yǎng)分分級標準、作物養(yǎng)分需求規(guī)律及農(nóng)戶田塊的土壤肥力信息等；推理機則是將專家施肥推薦流程系統(tǒng)化，將田塊的土壤肥力進行分等評級，將不同作物養(yǎng)分需求、肥料選擇用量進行模擬整合。系統(tǒng)最終將實現(xiàn)對知識庫與推理機的整合，將專家知識系統(tǒng)與計算機程序有效整合［４］。

１．２ 系統(tǒng)業(yè)務分析

系統(tǒng)是在湖北省農(nóng)業(yè)科學院植保土肥所近幾年來關于作物營養(yǎng)特性與施肥技術研究成果的基礎上開發(fā)的。根據(jù)農(nóng)業(yè)專家建立的江漢平原地區(qū)土壤養(yǎng)分分級指標，系統(tǒng)首先對農(nóng)戶田塊的養(yǎng)分測試結果進行分級和評價（分為土壤常規(guī)分析法和ＡＳＩ分析法），結合用戶選擇種植的作物和農(nóng)業(yè)專家提供的不同作物、不同土壤養(yǎng)分水平下的施肥方案，為農(nóng)戶給出科學合理的推薦施肥建議。

系統(tǒng)計算過程可分為３個步驟：①根據(jù)農(nóng)戶田塊的土壤養(yǎng)分分析結果對農(nóng)田進行分級和評價；②根據(jù)不同作物的養(yǎng)分吸收特性得出該作物的施肥推薦量及不同生育期的施肥用量及比例；③根據(jù)農(nóng)戶的施肥計劃，為農(nóng)戶提出優(yōu)化的作物不同生育時期各種肥料的施用量。

１．３ 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析

數(shù)據(jù)流程圖是結構化分析方法中使用的工具，它以圖形的方式描繪數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流動和處理過程，將現(xiàn)實中的業(yè)務邏輯轉換為系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流動［５］。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流為農(nóng)戶土壤養(yǎng)分信息及農(nóng)戶對作物和肥料品種的選擇，通過系統(tǒng)內(nèi)部的業(yè)務處理轉變?yōu)樽魑锏氖┓视昧坎⒁酝扑]單形式提供給農(nóng)戶，系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)流圖如圖１。

２ 系統(tǒng)詳細設計

２．１ 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)主要分為用戶和后臺管理兩個功能模塊，在后臺管理模塊中又劃分了專家知識庫管理、數(shù)據(jù)管理、農(nóng)戶管理、管理員設置等二級功能模塊。頂層功能模塊圖如圖２，后臺管理功能圖如圖３。

２．２ 系統(tǒng)流程設計

由于系統(tǒng)使用對象并非計算機相關領域人員，因此系統(tǒng)對用戶的操作進行流程化處理，用戶需按照系統(tǒng)流程要求進行操作，在操作過程中系統(tǒng)對用戶非法操作予以提示，從而保證系統(tǒng)的正常使用。系統(tǒng)施肥推薦流程圖如圖４。

３ 系統(tǒng)實現(xiàn)

３．１ 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Ｅｃｌｉｐｓｅ＋ＳＷＴＤｅｓｉｇｎｅｒ＋ＪＤＫ１．６，采用最成熟的跨平臺開發(fā)語言Ｊａｖａ作為系統(tǒng)開發(fā)語言［６］，以方便系統(tǒng)的快速開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Ａｃｃｅｓｓ數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以方便用戶安裝使用。

３．２ 技術選擇

系統(tǒng)采用典型的ＭＶＣ（Ｍｏｄｅｌ－Ｖｉｅｗ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）模式開發(fā)的Ｃ／Ｓ架構專家咨詢系統(tǒng)。系統(tǒng)界面采用ＳＷＴ／ＪＦａｃｅ工具包，ＳＷＴ／ＪＦａｃｅ為用戶界面工具箱，用于構建ＧＵＩ操作界面，實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交互［７］。后臺則采用ＪａｖａＢｅａｎ、Ｓｅｒｖｌｅｔ等技術處理用戶的操作請求，實現(xiàn)業(yè)務邏輯處理。在數(shù)據(jù)處理中，系統(tǒng)使用ＰＯＩ插件進行Ｅｘｃｅｌ導入導出操作，ＰＯＩ是Ａｐａｃｈｅ軟件基金會的開源代碼函數(shù)庫，利用其ＡＰＩ可實現(xiàn)對Ｅｘｃｅｌ格式文檔的讀寫操作［８］。

３．３ 系統(tǒng)效果

系統(tǒng)經(jīng)過測試，最終以圖５的形式提供推薦方案，用戶可以導出施肥方案進行保存打印處理，以方便用戶根據(jù)方案實施作物施肥。

４ 系統(tǒng)評價與測試

４．１ 系統(tǒng)測試

測試是系統(tǒng)開發(fā)中不可缺少的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)采用ＪＵｎｉｔ框架進行單元測試，同時對其可操作性、可控制性、簡單性、穩(wěn)定性、易理解性進行大量測試，在系統(tǒng)功能上采用黑盒測試思想，以滿足完成用戶功能需求為目標，將系統(tǒng)各項功能與預期結果進行對比分析［９］。

４．２ 系統(tǒng)評價

系統(tǒng)開發(fā)采用ＭＶＣ開發(fā)模式，對系統(tǒng)進行了分層設計，對顯示層、業(yè)務邏輯層、控制層進行分離，降低了系統(tǒng)各層之間的耦合度，提高了系統(tǒng)應用的可擴展性，為后期系統(tǒng)開發(fā)和維護奠定了基礎。

系統(tǒng)在開發(fā)過程中，參考相關系統(tǒng)在用戶使用以及界面效果等方面進行了改善。經(jīng)過測試和分析，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①系統(tǒng)具有廣泛的適用性，能夠?qū)π←?、水稻、棉花、油菜等作物進行施肥推薦，可更改后臺知識庫進行跨地區(qū)使用推廣；②系統(tǒng)增加必要的人機交互，從而保證專家系統(tǒng)施肥推薦的準確性；③系統(tǒng)具有很好的用戶體驗，減少了不必要的用戶操作，增加了一些人性化提示功能。

由于知識和時間等所限，系統(tǒng)尚存在一些不足之處，相對Ｂ／Ｓ架構系統(tǒng)部署安裝比較復雜，系統(tǒng)的健壯性還需要進一步改善，數(shù)據(jù)庫操作仍需優(yōu)化。對于系統(tǒng)應用，如果采用Ｂ／Ｓ＋Ｃ／Ｓ架構進行整合開發(fā)，對于系統(tǒng)的推廣應用有著極大的使用價值和商業(yè)價值。

參考文獻：

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［２］ 劉 渝．農(nóng)戶科學施肥影響因素的實證分析——以湖北江漢平原為例［Ｊ］．科技與管理， ２０１１，１３（２）：４８－４０．

［３］ 秦銀英，劉冬碧，陳 勇，等．湖北省蓮藕施肥推薦專家咨詢系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［Ｊ］．湖北農(nóng)業(yè)科學，２０１１，５０（９）：１８８０－１８８３．

［４］ 華少軍，王福林．施肥專家系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其分析［Ｊ］．東北農(nóng)業(yè)大學學報，２００８，３９（４）：１３９－１４４．

［５］ ＳＩＮＧＨ Ｓ Ｋ．數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：概念、設計及應用［Ｍ］．何玉潔，王曉波，車 蕾，等譯．北京：機械工業(yè)出版社，２００９．

［６］ ＬＩＡＮＧ Ｙ Ｄ． Ｊａｖａ語言程序設計基礎篇［Ｍ］． 第六版．萬 波，鄭海紅，譯．北京：機械工業(yè)出版社，２００８．

［７］ ＳＣＡＲＰＩＮＯ Ｍ， ＨＯＬＤＥＲ Ｓ，ＮＧ Ｓ，ｅｔ ａｌ． ＳＷＴ／ＪＦａｃｅ ｉｎ Ａｃｔｉｏｎ［Ｍ］． Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ： Ｍａｎｎｉｎｇ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏ．，２００４．

［８］ 張海波，董槐林．一種基于ＰＯＩ的Ｗｅｂ表格生成［Ｊ］．計算機技術與發(fā)展，２００８，１８（２）：２１－２３．

［９］ ＪＯＲＧＥＮＳＥＮ Ｐ Ｃ．軟件測試［Ｍ］．第二版．韓 柯，杜旭濤，譯．北京：機械工業(yè)出版社，２００３．