科技人生

见毛树春主编:中国棉花可持续发展研究.北京：中国农业出版社.1998. p.181-199（总 pp.245). 董占山 （中国农科院棉花所，河南安阳，455112） 计算机农业应用是农业高新技术的重要领域之一。棉花模拟模型和生产管理系统是这个领域内的典型代表。棉花模拟模型是利用计算机程序模拟棉花在自然环境条件下利用光能资源把水和二氧化碳结合制造成有机物质的过程(包括光合作用、呼吸作用、生长发育、干物质的积累与分配等生理生化过程)、组织与器官的建成和死亡的过程和产品（籽棉）的形成过程等，同时还包括棉花需要的矿质元素在土壤中的分配、移动和被棉花吸收的过程。棉花生产管理系统是指运用计算机，把棉花模拟模型、棉花管理专家系统、棉花管理优化决策模型和其它辅助模型有机地结合，充分利用人类专家有关棉花生产的已有知识，依赖棉花生产中棉花自身的生长信息反馈，对棉花生产的日常管理和出现的具体问题，进行实时实地的在线式管理决策，是一种高度综合的计算机程序系统。 一、国内外研究应用概况 (一)棉花模拟模型 对棉花生长发育进行模拟模型的研究始于60年代末的美国。Stapleton(1970)首先建立了第一代棉花生长发育模拟模型，Stapleton等(1973)将其发展成为COTTON模型。可帮助棉农选择和管理机械、动力和劳力。Duncan(1971,1972)等建立了SIMCOT模型，用气象资料和土壤特性资料作为输入，模拟“标准”单株生长发育与产量。Hesketh(1972)和Baker(1972)等估测碳水化合物生产和碳水化合物胁迫对蕾铃脱落和形态发生的影响，Jones等(1974)增添了氮素估计过程，从而建成了第二代棉花模拟模型SIMCOT Ⅱ(McKinion，1975)，可用于模拟水分充分满足条件下光合作用、呼吸作用和器官建成，也可用于模拟生理胁迫效应，但关于土壤因素对棉株生长发育的影响考虑得较粗。1975年以后，Baker和Lambert等使用人工控制条件下的土壤-植物-大气SPAR(Soil-Plant-Atmospere-Research)系统，进一步研究了温度和水分胁迫以及氮素胁迫影响棉花生长发育和器官建成方面的内容，并建立了棉花根际土壤系统模拟模型RHIZOS，于1983年创立了第三代棉花模拟模型GOSSYM(Gossypium Simulation Model)。该模型是一个以土壤物理、土壤养分和水分等为初始条件，以气象要素太阳辐射、日最高和最低温度为驱动变量，以主要农艺措施为控制变量的系统动力学模型。1984年以来，Baker和McKinion等在原有模型基础上，进一步改进了棉株生长发育和干物质分配部分的内容，完善了棉株形态建成的功能，同时，又陆续研制了几种主要的除草剂、杀虫剂、植物生长调节剂等化学药品对棉花影响的子程序，使GOSSYM日臻完善。10多年来，GOSSYM模型在美国棉花带使用，不断得到验证、修改、完善，使它具有了较好的适应性和应用性。 此外，美国Jones等(1979)建立了COTCROP模型，详细地考虑了棉花各个部位之间的关系及环境因子和害虫对棉花生长发育的影响；Jackson等(1988)年建立了COTTAM模型，可用于模拟棉花的形态发生和产量形成。荷兰Mutsaers(1982)建立了KUTUN模型，对棉花生长发育过程和形态发生进行了模拟。澳大利亚Hearn等(1985)年建立了一个简单的棉花生长发育模拟模型，供SIRATAC系统使用，目前该模型已发展完善为OZCOT模型。 我国棉花计算机模拟模型的研究始于80年代末。1988年吴国伟等从营养供求状况来控制蕾铃脱落，利用以生理时间为变量的Logistic方程来模拟棉花生长发育过程并棉铃虫危害蕾铃对产量的影响。郭向东等(1991)通过修改和重新估测SIRATAC系统增加了棉花生长发育模型的参数，得到了一个适用于我国的简单棉花动态模拟模型。刘文等(1992)以每日的太阳辐射为驱动变量，以温度和水分为影响因子，建立了棉花生长发育、形态发生及产量形成的动态模拟模型。李秉柏等(1991)建立了逐日的棉花发育和叶龄模型。中国农科院棉花研究所潘学标等(1992)建立了一个以太阳辐射为驱动变量的棉花生长发育模拟模型CGSM；董占山等(1992)利用荷兰MACROS中的L1D模型对棉花的潜在产量也进行了研究。国家“八五”计划期间，在多年田间试验研究的基础上，根据中国棉花生产的实际情况，建成了一个适合中国国情的基于棉花生理生态理论的棉花生长发育模拟模型COTGROW。但是，这些模型大多至今仍未在生产上试用，对它们的实用性还有待验证。 棉花模拟模型是建立在棉花生态生理的研究的基础上的，在棉花生态生理领域的研究有了突破性进展之后，模型的机理性才能进一步提高，适应性才能增强。近30年来，随着棉花生态生理研究手段的改善，棉花生长发育过程的各种生理机制逐步被搞清，棉花模拟模型也由原先的经验模型逐步发展完善为现在的具有强大机理性的模型，适用范围得以扩展。 研制一个比较完善的棉花模拟模型是十分复杂的，需要多学科的科学研究人员经过长期的努力才能实现。棉花模拟模型作为棉花生产管理系统的核心组成部分，对棉花生产管理决策系统的适用范围有较大的决定性。 (二)棉花生产管理系统 近10年来，棉花生产管理的计算机自动化决策日益增多，在生产管理上，已经涉及棉花生产的各个方面，如棉花的害虫管理(pest management)、灌溉方案的制订(irrigation scheduling)、农事活动(cultural practice)、经济和资金计划(economic and financial planning)、作物生长状况诊断(diagnosis of crop disorder)、营养管理(nutrient management)等。 在美国比较成熟的棉花生产管理系统有3个，德克萨斯农业及机械大学的COTFLEX，加利福尼亚州立笱У?#060;/FONT>CALEX/Cotton，美国农业部农业研究署(USDA-ARS)的GOSSYM-COMAX。CALEX/Cotton可为加利福尼亚棉花生产提供缩节胺、害虫管理、收获期等的决策; GOSSYM-COMAX是基于棉花生长发育模拟模型GOSSYM的一个农场级棉花生产管理系统，GOSSYM提供关于棉花生长发育等生理学方面的信息，COMAX则制订出关于施肥、灌溉和植物生长调节剂等方面的决策方案。 目前，美国有4个专家系统用于棉花害虫管理，除上面提到的COTFLEX和CALEX/Cotton外，还有CIC-EM(Bowden,1990)和rbWHIMS。CIC-EM是一个基于分类规则的专家系统，主要在密西西比州使用，可以完成13个棉花害虫的管理。rbWHIMS是由USDA-ARS的CSRU(Crop Simulation Research Unit)设计的，包括700多条规则，可以完成9组至少15种害虫的管理，下一步，rbWHIMS将集成到GOSSYM-COMAX中。 70年代，澳大利亚由于棉铃虫危害严重，Hearn等研制了适用于澳大利亚的棉花害虫管理系统SIRATAC，在澳大利亚推广应用，为本国的棉花生产做出了贡献。90年代以来由澳大利亚CSIRO研制的棉花害虫管理系统EntomoLOGIC已经发展的比较完善。另外，法国也研制了棉花害虫控制百科全书式软件工具COTTON DOC(an encyclopaedic software tool for cotton pest control)，它已具备了初级多媒体功能。 自80年代始，我国棉花生产管理决策支持系统方面也取得了长足发展。国家“七五”计划期间，由农业部下达了有关农作物生产管理专家系统的研制课题，中国农科院棉花研究所和北京农业大学分别独立完成了一个棉花的生产管理决策系统。国家“八五”至“九五”计划期间，中国农科院棉花所董占山等继续对系统进行完善，现已发展成为一个比较完善的适合我国棉花生产应用的棉花生产管理系统(COTMAN)。 (三)典型系统分析 GOSSYM-COMAX是国际上公认的最优秀的作物生产管理系统之一，而COTMAN是我国第一个组合了GOSSYM模型的棉花生产管理系统。 1 GOSSYM-COMAX的结构与功能 GOSSYM-COMAX系统是由GOSSYM、专家系统、GUI和其它多个分析工具组成的，它可以对棉花的灌溉、施氮和化学生长调节剂的使用及作物收获期提供决策。 (1)棉花模拟模型GOSSYM GOSSYM模型本质上是一个表达植物根际土壤中水分和氮素与植株体内碳和氮的物质平衡的模型，包括了水分平衡、氮素平衡、碳平衡、光合产物的形成与分配、植株的形态建成等子模型，模型的基本结构见图1。 气候子模型(CLYMAT)将全部气象资料读入，并调用日期换算子模型(DATES)计算模拟所要用到的儒略日数，调用土壤温度子模型(TMPSOL)计算各层土壤的温度。 土壤子模型(SOIL)计算向植株提供的氮素、土壤水势和根系存贮氮和糖的能力。根区土壤在横向分成20个等份，在纵向上分成40个等份，形成一个20×40的矩阵，即800个小室，每个小室大约为5×5厘米。模型逐日计算各室的水分、硝态氮和铵态氮以及根的生物量，用来计算根的生长量和水分吸收量。其中的二级子模型，施肥子模型(FRTLIZ)用来分配铵态氮、硝态氮和尿素于土壤剖面中，重力水移动子模型(GRAFLO)用来完成在重力作用下的雨水和灌溉水在土壤剖面中的移动过程，蒸腾子模型(ET)估计土壤表面的蒸发速率和作物的蒸腾速率，吸引子模型(UPTAKE)计算根区水分、氮素的吸收，毛管水移动子模型(CAPFLO)估计毛管水的流动状况，硝化子模型(NITRIF)计算土壤中微生物作用下的铵态氮向硝态氮的转变情况。 化学药剂子模型(CHEM)估计化学物质对植物生理过程的作用，目前这些化学物质包括植物生长调节剂PIX和PREP、脱叶剂DEF、DROPP、GRAMOXONE、FOLEX和HARVADE。 光合呼吸子模型(PNET)逐日计算植株的总光合产物、呼吸消耗和净光合产物。 [...]

面向21世纪的信息技术与农业.中国农业科技出版社. 1998. 91-95 The Implementation of Cotton Management System (COTMAN)* 中国农科院棉花所 董占山 新疆农科院经作所 文如镜 田立文 Cotton Research Institute, CAAS Dong Zhanshan Cash Crop Research Institute, XAAS Wen Rujing Tian Liwen 在国家“九五”科技攻关计划资助下，中国农科院棉花所和新疆农科院经作所联合进行研究，已经建立了棉花生产管理系统COTMAN原型，现将系统主要功能、设计思想和实现方法分述如下。 系统的主要功能 1．静态决策：在棉花播种之前，根据一个地区的农业资源条件，对如何选用棉花品种、最佳播期、底肥施用量等作出决策。 2．动态决策：在棉花出苗之后，系统可以根据棉花的长势长相，向用户推荐各个时期棉花的生产管理措施，供生产技术人员和生产管理者选择使用。 3．生长发育模拟：将棉田的有关信息正确地输入到计算机中，并将各项生产管理措施输入系统，那么该系统可以调用棉花生长发育模拟模型GOSSYM，模拟各个时期的棉花生长发育状况，为科学研究人员和生产技术人员提供必要的科学数据。 系统的设计与实现 该系统是以作物生产管理系统的理论为指导，综合运用计算机科学技术，将农业科学研究的结果用数学语言和计算机语言表达出来，以棉花模拟模型和棉花生产管理专家系统的形式表现为计算机程序，可以在当前最流行的WINDOWS 95操作系统下，以全中文的界面向广大农业科技人员和棉农提供生产管理决策。 棉花生产是一个受天地人综合影响的人工和自然相复合的复杂巨系统，系统的目标就是在维护生态环境不退化的前提下获得尽可能多的优质棉纤维。为了实现这一目标，棉花生产专家会依据不同地区的自然资源条件、农业生态条件和社会经济条件的配置情况，在作物生态学原理指导下，根据自己的生产实践经验，提出棉花品种的布局、播种、施肥、灌溉等一系列生产管理措施。 在上述决策过程中，一地的自然资源条件、农业生态条件和社会经济条件在短期内是基本不变的，我们将其定为静态知识，以知识库的形式实现。作物生态学原理和专家个人的生产实践经验则是可变的或不确定的，将以推理机的形式实现。 下面分知识库的设计与实现、静态决策推理机的设计与实现、动态决策推理机的设计与实现、棉花模拟模型的设计与实现等几部分进行详细介绍。 知识库的设计与实现 在棉花生产管理系统COTMAN中，为了实现专家的推理决策，将决策地点的自然资源条件、农业生态条件和社会经济条件归类整理，分别存放到不同的知识子库中，以方便管理、更新和检索等。目前暂将知识库分为3个子库：地理知识库、品种知识库、气候知识库。地理知识库用来存放决策地点的地理知识信息，具体内容见表1所示。品种知识库用来存放各优良品种的知识信息，具体内容表2见所示。气候知识库用来存放决策地的各种气候知识信息，具体内容见表3所示。 表1 地理知识库结构 名称 代号 类型 植棉地点名 SITENAME C 纬度 LATITUDE N 经度 LONGITUDE N 海拔高度 ELEVATION [...]

生态农业研究. 科学出版社. 1998, 6(1):64-68 [PDF] 董占山 (中国农业科学院棉花研究所，河南安阳，455112) 摘要 本文在概述作物生产系统的概念、特点、结构和组成的基础上，提出现代作物生产管理系统的基本概念和理论基础，指出它是计算机科学、农业科学和自动化科学相互交叉的产物，它的理论基础是系统论(作物模拟模型，或称为人工作物)、控制论(作物管理专家系统)和优化决策论(作物管理优化决策模型)，其未来的发展方向是高度集成化、高度自动化等，鉴于此我们要综合运用作物模拟技术、知识工程技术、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS)、遥感技术（RS）等现代技术，建立集成的作物生产管理系统（CROPMAN)。 关键词：作物，生产管理系统，专家系统，模拟模型 耕地、粮食、人口、环境是当今世人所关注的几大热点。在耕地减少，人口骤增的发展中国家，各种矛盾尤为突出。解决问题的关键在于充分利用并维护有限的自然资源，发展作物生产，提高单位面积的产量，走可持续发展农业的道路。要达到这些目标，必须用系统论的观点，把作物生产过程看做一个系统──作物生产系统，深入研究作物生产过程中各种因素的相互作用规律，探求“两高一优”的作物生产管理措施，为国家的稳定、发展提供最基本的物质保障──人们赖以生存的粮食、油料等农产品。 1 作物生产系统 从人类种植各种谷物开始，就有了作物生产。在千百年的发展过程中，人类一直是靠天吃饭，即气候的好坏决定了作物产量的高低、农业的丰歉。随着科学技术的发展，现代农业逐步取代了靠天吃饭的传统农业，农业（作物）科学也逐步由经验科学变成了精密科学。人们开始用系统论的基本思想来重新认识作物生产，把作物的生产过程看作一种系统过程，它有系统的输入，经过系统内部的功能结构（作物有机体）加工处理，最后以农产品的形式输出到系统外。 1.1 定义和特点 作物生产系统就是以农业生物、气候、土壤、社会经济为物质基础，由人类采用多种生产管理措施来调控，以作物有机体为生产主体，以获取作物机体的某一部分（产品）为目的，同时兼顾经济效益、社会效益和生态效益，有利于农业可持续发展的人工和自然的复合系统。所以说作物生产系统是由作物、环境、技术、经济四大要素所组成的，作物生产的丰歉是这四大要素相互作用的结果。作物生产系统有以下几大特点： 1.1.1 作物生产系统是一个复合系统 作物生产系统首先是一个自然生态系统，在系统内生物与生物、生物与环境、环境与环境以物质循环和能量交换建立起的纯自然的部分，它是一个多层次、多序列、多结构的自然系统，且具有一定的生产能力。但是，作物生产系统又是一个人工系统，它不断地受到人们采取的各种农艺措施的影响，其发展的道路会偏离其自然生长的轨道，沿着人类设计的轨道进行，所以说作物生产系统是一个人工和自然的复合系统。 1.1.2 作物生产系统是一个复杂巨系统 作物生产过程是一个复杂的系统过程。它的复杂性既表现在地域性、季节性和生物性等方面，又表现在人为性、经济性和社会性方面；它既要按照生物自身固有的生命活动规律进行，又要按照人类活动所必须遵循的社会规律进行。作物生产活动是人类通过生态、社会经济、技术管理等诸要素之间的相互作用来实现自然过程和人为过程的统一。系统内部各要素之间的关系是复杂的非线性关系，所以作物生产系统是一个复杂的非线性系统。 1.1.3 作物生产系统是一个开放系统 作物生产系统是一个开放系统，作物自身的生长过程是一个内部结构、特性和机理都还未完全搞清楚的“黑箱”，但它的输入和输出是透明的，是可以定量的。作物品种、气候、土壤以及农艺措施作为输入，通过作物有机体，将这些输入的物质或能量转化为特定的有机物质，如蛋白质、糖、纤维素等，伴随着作物的开花结果，生产出人类需要的那部分产品，形成系统的输出，作物生产过程的一个周期就完成了。在这些过程中，输入系统的物质和能量是可以通过某种手段加以精确地定量的，系统输出的产品也是可以在质和量两方面定量的。 1.2 结构、组成和功能 作物生产系统大体上可以划分为自然生态部分和社会经济两大部分，自然生态部分就是作物生态系统，包括气候、土壤、作物及其产品；而社会经济部分是属于农业经济的范畴，包括人、农艺措施、社会经济资源等。各部分之间的关系如图1所示。 图1 作物生产系统示意图 （图中实线代表物质流，虚线代表信息流） 一个优化的作物生产系统，其各个组成部分之间应该协调平衡、相互促进、转化率高，总体功能越来越好，可以为人类提供越来越丰富的农产品。 现代作物生产，实质上就是用现代科学技术和管理的新思想、新方法、新技术和现代工业提供的一系列新的生产力要素，如农机具、化肥、农药、电力等，改造传统的作物生产活动，使之合理、优化利用资源，不断提高土地生产率，实现作物生产的“高产、稳产、低耗”的目标。 2 作物生产管理系统 由于作物生产系统具有复合性、复杂性和开放性，其管理就更加困难。所以在进行作物生产管理时，首先要了解作物自身依外界环境(天气、土壤等)的生长发育规律(建立作物模拟模型)；然后根据这种规律性，人为地对系统的平衡进行调整(建立作物管理专家系统)，以期达到作物高产、稳产、优质、高效(高经济效益、高社会效益和高生态效益)的目的(建立作物管理优化决策模型)。将这3部分有机结合，即形成作物生产管理系统的框架。下面分别阐述作物生产管理系统的基本概念和理论基础。 2.1 定义 就目前的观点来讲，作物生产管理系统是指运用计算机，把作物模拟模型、作物管理专家系统、作物管理优化决策模型和其它辅助模型有机地结合，充分利用人类专家有关作物生产的已有知识，依赖作物生产中作物自身的生长信息反馈，对作物生产的日常管理和出现的具体问题，进行实时实地的在线式管理决策，这是一种高度综合的计算机程序系统。 2.2 理论基础 作物生产系统的主体(作物)的生长发育遵循其自然准则，即作物生态学原则，研究它的基本理论是系统论；作物生产系统的主要控制者(人)可以通过对系统施加一定的外力(农艺措施)去影响系统的行为，也就是说人可以在某种程度上控制作物的行为，这就是作物生产管理的基本依据，研究人如何去控制系统行为的基本理论是控制论；但是，人对系统的控制不是盲目的，总是为得到一定的目的而进行的，有时(往往在大多数情况下)目标是多种的而非单一的，要使系统得到这多种的目标，当对系统施加影响时，要综合考虑外力的正负效应，对其进行优化，协调各种目标，这需要优化决策论；所以，作物生产管理系统的基础理论是系统论、控制论和优化理论。在作物生产管理系统的研究中，始终贯穿着系统论的使用，作物模拟模型体现了系统论，作物管理专家系统体现了控制论，作物管理优化决策模型体现了优化决策论。同时这些模型和系统都是计算机程序，因此计算机科学的基本理论也是研究作物生产管理系统所必不可少的。 2.2.1 系统论—作物模拟模型 在作物生产系统内部，系统的主体(作物)对系统的各个组成部分和影响系统的各种要素做出反应，通过用数学语言将这些反应描述出来，并用计算机程序实现作物一生的反应轨迹，也就是用计算机模拟真实世界的中作物的自然生长。 作物模拟模型是利用计算机程序模拟作物在自然环境条件下利用光能资源把水和二氧化碳结合制造成有机物质的过程(包括光合作用、呼吸作用、作物生长、干物质的积累与分配等生理生化过程)、作物组织和器官的建成和死亡的过程和作物产品的形成过程等，同时还包括作物需要的矿质元素在土壤中的分配、移动和被作物吸收的过程。这些过程既决定于作物本身的特性，同时也受到外界环境条件的制约，这些环境条件包括太阳辐射、温度、水分和二氧化碳等气候因子和土壤质地、土壤肥力等土壤因子，还包括人类的活动等人文经济环境条件，其中对作物生产起作用最大的因素是气候因子，只有有了光、热、水、气，作物才能进行光合作用，然后才有物质生产。 研制一个比较完善的作物模拟模型是十分复杂的，需要多学科的科学研究人员经过长期的努力才能实现。作物模拟模型作为作物生产管理系统的核心组成部分，对作物生产管理决策系统的适用范围有较大的决定性。 2.2.2 控制论—作物管理专家系统 对作物生产系统的主体(作物)来说，其生长发育过程是可以控制的，人通过对系统施加不同的外力(农艺措施等)可以控制系统主体(作物)沿不同的道路发展，最后取得不同的结果。从这个角度来说，人对作物生产的控制是切实可行的，是有现实意义的，也是必不可少的。对系统施加什么外力(措施)可以使系统沿什么方向发展，这是作物生产中专家多年积累的经验。这种专家的经验含有的不确定因素很多，很难运用数学方法表达出来，目前处理这种经验的主要手段是知识工程学中的专家系统技术。 把作物管理专家的知识和经验规则化、具体化，用计算机程序表达出来，形成特定的知识库，通过一种具有推理功能的智能计算机程序来操作管理，对作物生产的具体领域的问题提出解决方案，辅助作物生产者实现作物生产的各个环节的管理，这就是作物管理专家系统。 2.2.3 优化决策论—作物管理优化决策模型 从系统优化的角度讲，无论什么决策都存在优化的问题。作物生产作为一个系统，其管理决策也是需要优化的。况且，农业生产的目的是多目标的，不仅仅是取得最高的产量，还要求取得较高的经济、社会和生态效益，这样多目标的优化决策成为必然。 [...]