下面小编整理了一些《农业专家系统论文(精选5篇)》，供大家阅读，更多内容可以运用本站顶部的搜索功能。摘要:浅析了专家系统的概念、发展阶段以及基本结构,概述了国内外专家系统在植物保护领域的研究水平和应用现状,阐述了结合天津市设施农业发展情况开展病虫害预测预报专家系统研究应用的必要性,并对该技术成果的应用前景做出展望。
农业害虫专家系统信息化平台的构建
摘要：在总结农业害虫知识和专家经验的基础上，提出了建立基于网络的农业害虫专家系统设计思路。该平台主体为农业害虫诊断数据库和农业害虫防治措施数据库，系统设计了农业害虫识别、查询、防治和用药指导等较为完整功能体系，可以实现农业害虫的网络诊断和查询功能，可以提供科学防治措施和综合治理农业害虫的专家决策体系。
关键词农业害虫;专家系统;数据库;生物信息学
目前，我国农业正处于传统农业向现代化农业转型的重要时期[1-2]。农业要实现现代化，必须大力发展信息技术这一管理和传播手段。专家系统(Expert System，简称ES)是通过调用知识库和推理机来解决必需有一定领域专家才能解决的问题的信息化系统，而完成这个过程需要的知识库和推理机，可以看作是该领域专家的知识模型[3]。我国专家系统的研究开始于20世纪80年代，1985年10月建成的砂姜黑土小麦专家施肥咨询系统开创了农业专家系统在我国应用的先河。目前专家系统已应用于我国农业的诸多领域，特别是在农业田间管理[4]、动植物病虫害诊断[5-9]、地震预测、气象预报等方面开发的专家系统，取得了明显的经济效益和社会效益[10]。
我国幅员辽阔，受地理位置和气候环境等多种因素的影响，各地农业害虫发生的频率和范围及种类各不相同，每年农业害虫的发生都给农业造成了巨大损失。因此，农业害虫的防治与管理就显得尤为重要。但由于农业害虫种类较多，大部分农业技术人员难以掌握如此多的病虫害资料，不能及时对农业害虫做出及时正确诊断及防治措施，仅仅依据其危害症状和粗略的识别就进行防治很难达到理想的效果。因此，急需建立一套具有服务范围广、诊断准确、防治措施有效且反应快速的网络化专家系统平台。笔者在总结前人经验的基础上，提出了农业害虫专家系统信息化平台的构建思路，为更好地进行农业害虫防治提供参考，也为农业信息化的发展做出贡献。
1平台设计思路
农业害虫专家系统信息化平台主体应该包括农业害虫诊断数据库和农业害虫的防治措施数据库。主要建设步骤包括元数据获取、标本数字化表达、开发害虫诊断系统、录入数据形成农业害虫诊断数据库;获取防治措施、防治措施数字化、录入数据形成农业害虫防治措施数据库。
2平台建设步骤
2.1构建农业害虫诊断数据库
2.1.1农业害虫诊断数据库元数据获取。 在平台中应录入以下元数据。
(1)害虫调查。调查农业产区主要害虫及相应天敌种类，采集农业害虫及天敌标本进行分类鉴定;整理相关调查数据并数字化以备录入农业害虫专家系统网络平台，形成农业害虫信息数据库。
(2)害虫诊断。首先由昆虫分类专家完成种类鉴定工作，完成后对标本进行图像记录，拍摄害虫整体及主要鉴别特征图片，编制物种检索表，将标本进行数字化处理，为农业害虫专家系统网络平台中害虫诊断中多媒体图像查询、检索表式查询等多种查询方式提供相关资料和检索依据，并实现正反双向检索。
2.1.2农业害虫诊断数据库标本的数字化表达。
对害虫种类进行鉴定后，确保物种鉴定和数据来源准确、信息完整齐备，信息录入规范、标准;对采集到的标本进行数字图像采集(尤其是鉴别特征数字图像的采集);进行数字化表达字段包括害虫名称，引发病症的生物物种名称，害虫种类所在纲、目、科、属、种，害虫的鉴别特征，对农业的危害部位、危害时期，形成危害的害虫发育期，害虫生态图片等;并编制病害虫分类信息检索表及图像鉴定体系，以备录入形成农业害虫诊断数据库，供害虫诊断使用。农业害虫诊断数据库拟数字化表达的内容字段见图1。
2.1.3主要农业害虫的诊断系统的工作模式。
对“农业害虫数据库”的主要字段进行检索，实现害虫的诊断。为保证诊断效果，要实现单一与多条件2种检索模式，并要形成由现象到病症和由病症到现象的双向诊断模式。主要诊断途径设计见图2。
2.2农业害虫防治措施数据库构建
2.2.1防治措施获取。
防治措施的获取主要通过以下途径：①知识积累。对国内外发表的相关害虫防治文献进行归纳、整理和总结，将有关知识抽提并精练，形成规范化的系统知识。②专家经验。通过对相关害虫防治专家及各级害虫防治技术人员咨询，将专家在长期的实践中积累的经验和解决特定问题的推理路线整合，总结一套合理的防治措施。③田间试验。对常见易发害虫的防治技术进行田间试验，进行多种防治方法防治效果及产生经济、社会效益进行对比，优选出害虫防治的较佳措施，针对不同发育时期的不同害虫提出及时有效的防治措施。
2.2.2防治措施数字化。
将获取后的防治措施按如下条目进行整理归纳，录入农业害虫专家系统网络平台，形成农业害虫防治措施数据库，通过“害虫名称”字段与农业害虫数据库进行数据对接，实现诊断—防治一体化服务体系。
2.3两数据库联动形成专家系统平台
将农业害虫诊断数据库和农业害虫的防治措施数据库通过诊断模式联动，形成信息、诊断、防治于一体的农业害虫专家系统信息化平台。其主要工作模式见图3。
3结语
农业害虫诊断的目的无疑是快速、科学、准确地给出诊断结果。传统农业害虫诊断的设计思路大多是首先让用户选择害虫所属的目、科、属，这种设计思路从本质上就是本末倒置的;而另一种设计思路是根据害虫的形态特征，如通过害虫的触角形状、体色、翅型、翅色、足型等特征来诊断害虫[11-12]。笔者认为，设计害虫专家系统时采用后一种思路，采用多种害虫诊断方式，结合农民的认知方式，设计出害虫诊断系统的框架结构、知识库构成和推理机，操作方便简单，更有利于基层人员的使用，也有效地提高了害虫诊断的准确性。建立一套具有专家级知识和经验的网络害虫专家防治系统，对农业害虫进行科学诊断，并实施有效的防治措施，方便农民及从事农业害虫防治的技术人员能准确、快速地推理、诊断农业害虫及查找自己所需要的信息，使农民能及时得到专家的指导信息，解决农业生产中害虫防治技术不到位
的问题，使农业专家的知识和经验得到有效地推广和应用，农业生产水平将会提高一大步，产生巨大的经济效益。
参考文献
[1]
武文，赵长保.农业现代化与现代农业：《农业现代化问题研究综述》之一[EB/OL].[2016-04-01].http：//www.rcre.org.cn/ztyj/rcre-al-4.htm.
[2] 于洪飞，戴俊英.世界持续农业的进展对中国农业发展的影响[J].农业现代化研究，1995，16(1)：15-18.
[3] DODD J，ROSENDAHL S.The BEG expert system：A multimedia identification system for arbuscular fungi[J].Mycorrhiza，1996，6(4)：275-278.
[4] 彭莹琼，王映龙，唐建军，等.B /S模式的水稻病虫害诊断专家系统研究[J].江西农业大学学报，2008，30(6)：31-35.
[5] 梁锦秀，周涛，赵营，等.宁夏主要作物病虫害诊断专家系统的设计与推理规则决策[J].现代农业科技，2009(18)：155-156.
[6] 甄彤，鲍圣洁，吴建军.储粮害虫防治专家系统的研究[J].华北水利水电学院学报，2009，30(3)：47-50.
[7] 余德亿，唐清，林坚贞，等.8种农林作物害虫及其天敌资源数据库开发[J].福建农业学报，2010，25(5)：636-640.
[8] 潘锦山，潘东明.基于3G WCDMA的琯溪蜜柚移动专家系统的研究[J].中国农学通报，2010，26(19)：413-416.
[9] 邱荣洲，赵健，池美香，等.枇杷害虫辅助诊断专家系统[J].热带农业工程，2011，35(2)：31-35.
[10] 李小燕，雷永辉，张建华.专家系统及其在害虫治理中的应用[J].石河子大学学报(自然科学版)，2003，7(3)：255-257.
[11] 李成赞，吴保国.面向林农的森林害虫诊断专家系统的研建[J].农业网络信息，2009(4)：13-16.
[12] 邹帆，邹若郢，鲁瑞正.农业自然灾害的统计分析及灾害损失评估体系的构建[J].广东农业科学，2011，38( 5)：9-12.
作者：赵路欢 张玉波
摘要：针对中国农业专家系统研究中存在的问题，在消化和吸收国内外先进研究成果的基础上,结合现有的科研工作,对软件自动测试技术进行了一些研究和探索, 并开发了一套农业专家系统自动测试工具。软件测试工具提供数据库测试、知识库测试、案例自动生成与维护、健壮性测试; 可针对目前在农业专家系统开发中所广 泛使用的面向对象编程技术、软构件技术所开发的一系列功能模块(主要是.EXE和.DLL文件)进行自动化的测试。
关键词：专家系统;自动测试;程序集合
文献标识码：A
0引言
我国农业专家系统的研究始于20世纪80年代初期。随后，许多科研院所开展了各种农业专家系统的研究、开发及推广应用活动。现在已形成5个农业专家系统开发平台，智能应用示范区扩大到23个，各地开发的本地化农业专家系统近200个。目前专家系统的研究正在向广度和深度推进。农业专家系统软件的质量则成为开发者与使用者共同关注的焦点问题。
在农业专家系统软件开发过程中存在不少问题：开发手段、开发方式多种多样，导致软件复杂度急剧上升;开发人员、开发部门的软件开发技术水平参差不齐;测试手段、测试方法严重滞后。进行手动对农业专家系统软件进行测试将极大的降低软件测试的效率，而且测试的质量也难以保证。采用自动测试成为一种必然。
为了更好地测试农业专家系统软件，进一步提高农业专家系统软件测试床的测试效率，本文研制开发了一个软件自
动测试工具，用来衡量农业专家系统软件的质量优劣。
1农业专家系统软件自动化测试
我们主要从软件设计和程序编码的角度对农业专家系统软件进行系统分析，从而确立自动测试的目标，提出相应的自动测试策略，建立农业专家系统软件自动测试的框架。
1.1关于程序集合
农业专家系统软件的开发手段与开发方式多种多样，数据库技术、网络技术、智能模拟技术等都融入了农业专家系统的开发过程中。同时，VC、VB、C#和Java等一大批开发语言正逐渐成为农业专家系统软件开发的主流编程语言。在开发农业专家系统软件的过程中，农业专家系统的通用性、可移植性越来越受到人们的关注;面向对象技术，软构件技术正逐渐成为提高软件开发效率的重要开发手段。
由于农业专家系统软件的复杂程度越来越高，为了缩短开发时间，提高开发效率，软件开发人员经常以模块化的方式进行程序的编码。
采用功能模块这种编程方式进行程序设计与开发，主要是因为程序编码的工作量巨大，必须由多个软件开发人员根据软件设计规范分头实施，这种将一个大的应用程序划分为几个小模块的构建方式，有利于软件开发小组内部成员的分工与合作。
这些功能模块从软件编程的角度看，又可以分为两类:一类直接嵌套在农业专家系统软件中;另一类具有独立性，即:经过软件的代码编写，并对它们进行软件的编译之后，以*.exe或*.dll为后缀的文件形式存在，一般被称为程序集合。
本文主要针对程序集合进行自动测试。下面主要讲述程序集合的特点，以及其在农业专家系统中的应用情况。
图1简单表达了程序调用过程。在程序编码过程中，这种编程方式是大量存在的。在系统运行过程中，用户的输入数据或系统事件产生的输入数据，通过程序集合中提供的接口传入，在程序集合中进行相关的处理，并输出结果。
从农业专家系统软件编程的角度看，这种程序集合的编程方式被广泛地运用在推理机、知识库、模型库的开发过程中，而推理机、知识库、模型库是农业专家系统软件不可或缺的组成部分，发挥着重要的作用。
从推理机、知识库、模型库运行机理进行分析，可以看出:农业专家系统软件一般都包含有推理机、知识库、模型库，它们包含了大量的农业领域的相关知识;并且通过软件编程技术手段，把农业相关领域的知识按照一种合理的表示方法将它们移植到计算机中。当使用者需要使用这些知识处理问题时，一般以发送信息的形式调用相应的功能模块进行运算，并得到一个对应的运算结果。如图2所示。
可以看出,返回结果的正确与否，将直接关系后面继续运行的应用程序的成败，进而导致整个农业专家系统软件运行的成败。返回结果是由推理机、知识库、模型库中相应的数据和算法的逻辑运算实现的。因此，必须对推理机、知识库、模型库进行大量的测试，即:通过发送信息，观察返回结果来发现它们存在的数据和算法的逻辑运算错误。
从软件编程的角度对推理机、知识库、模型库进行分析，可以发现:推理机、知识库、模型库中都包含有大量的处理实际功能的程序集合，大多数的程序集合的开发都遵循面向对象的软件编程技术规范。即:每一个程序集合都包含一个或多个类，每一个类中又包含多个方法，而且具体功能的实现又主要通过这些方法的调用运行去完成。程序集合中信息与数据的交互通过接口(在程序编码中表示为公共属性的方法函数)进行传递。
例一:
上例简单的展示了程序集合内部实际的程序编码方式。可以看出:一个具体功能的实现，主要通过方法的调用来完成，每一个方法的内部由大量的程序代码组成，通过程序代码的运行完成一个具体功能的运算操作过程。其入口是方法，方法以接口的形式与外界进行联系，这些接口由一个或多个不同类型的参数变量组成，提供给用户向其发送信息，从而进行相关的运算;出口是方法的返回值，用来向调用者返回结果。因此，在这样的层次中，程序集合所包含的类中所有的方法都是需要进行测试的对象单元，即:通过对方法的测试，查找其编程中产生的逻辑算法是否存在错误。
综上所述，为了保证整个农业专家系统软件的安全性、健壮性和可用性，就必须对程序集合进行足量的测试，以保证软件的质量。
1.2程序集合自动测试
农业专家系统软件中程序集合的编程特点决定了测试这种类型软件的难度大，工作量大，需要测试的对象多，测试工作复杂繁重。而对程序集合这种软件系统进行自动测试将有助于达到其提高测试质量，增进测试效率的要求。因为:
1) 自动测试具有一致性和可重复性;
2) 自动测试可以执行一些手工测试困难或者不可能做的测试;
3) 自动测试可以发挥计算机的巨大优势。
软件的自动测试就是要做到在最大限度的减少软件测试人员的负担下，提高测试的效率，提高测试的质量。
1. 3自动测试策略
对程序集合的自动化测试，概括的讲就是根据程序集合接口的特点，向其输入相应的测试数据，并自动运行，对其运行完毕后的返回值进行比较、分析，以发现程序集合中的问题，发现错误、缺陷，便于进行修改。
农业专家系统软件的自动化测试，其最终是要通过建立自动化的测试工具来实现。在研制、开发自动化测试工具的过程中，一定要针对测试的内容，对测试框架进行细致、周密的考虑，使尽可能多的测试过程通过自动测试工具来完成，尽量减少手工测试的步骤、过程，即:实现自动化测试的最大化。
1) 自动获取被测试对象信息
通过对农业专家系统软件的分析，可以发现:农业专家系统软件中包含多个程序集合，每个程序集合中又包含有大量的需要被测试的方法，每一个被测试的方法又由一到多个变量组成数据输入接口;因此，自动测试工具如果能自动捕获这些“关键”测试信息，并以此为依据产生测试案例，将会提高软件的测试效率。这是本论文所要解决的一个关键技术问题。
2) 自动生成测试案例
根据捕获的被测试对象的信息，根据软件测试人员的测试需求，自动产生完整、精确的测试案例。测试案例自动存储在测试工具的案例库中，为被测试程序经过修改后的重新测试提供了大量的数据资料。
3) 自动创建测试脚本
如果为每一个被测试对象、每一个测试案例都编程一个测试脚本，这将大大降低测试的效率，也违背了自动化测试的初衷。因此，根据被测试对象的特点，自动生成测试脚本，而无需软件开发人员手工编程，将会提高软件的测试效率。这是本论文所要解决的另一个关键技术问题。
自动创建的测试脚本应包括以下主要功能:自动连接被测程序集合、根据已经捕获的被测试对象信息自动产生驱动程序编码、自动启动被测试程序集合、在测试过程中，跟踪、监视被测试程序的运行，收集产生的错误信息和实际的返回值。
4) 自动测试策略流程
实现自动测试策略的流程如下：
• 自动获取被测程序集合中的信息;
• 自动产生测试案例;
• 自动生成测试脚本;
• 以测试脚本驱动被测程序集合，进行测试，并进行结果的自动比较与分析。
(1) 被测程序集合提交给自动测试工具之后，自动测试工具具有自动获取被测对象的功能，即:自动测试工具可以自动搜索被测程序集合中所有的方法，并把搜索到的方法的方法名，方法中包含的变量名，变量类型清晰的显示出来，便于下一步的操作和运行;
(2) 测试人员选择一个方法作为被测试对象之后，自动测试工具可针对所选择的对象特点，自动产生测试人员所需要的测试案例;
(3) 之后，自动测试工具根据产生的测试案例，自动创建测试脚本并自动执行测试脚本，对被测对象进行自动化测试;
(4) 在自动测试过程中，测试脚本一方面把测试数据传入被测方法中(通过接口调用的方式);另一方面，测试脚本时刻监视被测程序集合的运行，并把测试结果输出，显示测试结果，便于查找缺陷;
(5) 自动测试工具可自动存储使用过的测试案例、测试脚本;当进行回归测试时，可直接使用这些以前已经使用、生成的部件，从而提高了测试的效率。
由于需求、规格和代码的不断改变，增加、删除或修改代码都需要测试，代码的改变和进化通常是持续的，有时开发者并不了解发生的所有改变，因此，只有进行测试才能确认代码的改变是否有效，新的或者修改的功能只有通过测试验征后，才能集成到系统中，从而确保这些改变不会导致系统崩溃。例如:对公有类接口和组件接口进行测试，以确保修改后的编码不影响接口协议。
当被测成员不太多时，进行手工测试，手工编码测试脚本还比较容易，但对于有许多类和成员组成的程序集合，手工编码所有的测试脚本将会耗费大量时间，而且，为了精确编码测试脚本，需要研究被测程序集合的每个方法。
测试工具的测试过程不需要人工干预，而是连续执行，并能把揭示的缺陷及时通知测试人员。这对于自动测试过程是非常有用的，而且使回归测试也更易于管理。一方面，测试工具基于存储数据完成单元验证测试;另一方面，基于预定方案，可以重新运行产生的测试脚本，实现回归测试，从而判断修改后的应用程序能否满足需求。
2系统运行实例
2.1新的测试
“新的测试”主要完成以下功能:
(1) 自动获取被测试对象信息(包括:被测试的程序文件名、类名、方法名、变量名);
(2) 确定每一个变量的取值范围;
(3) 确定需要生成的测试案例的数值;
(4) 确定测试期望值的范围。
2.2测试案例显示
本界面显示“即将”生成的测试案例所包含的内容。软件测试人员可以修改、添加、删除测试数据，从而使测试案例满足测试的需要(如图4所示)。
2.3结果显示
自动测试完毕后，自动测试工具把测试的结果显示出来，便于测试人员进行分析、处理。
3结语
针对农业专家系统软件的特点，提出针对采用面向对象技术开发的程序集合进行测试的测试方法与解决对策;并以自动获取测试对象信息、自动生成测试脚本为本论文的研究重点，在C#.Net开发环境下实现了软件自动测试工具的开发。
通过大量的实际程序测试的实践证明，按照本文提出的软件测试方法使得对农业专家系统软件的软件测试工作由盲
目变为有序，测试目的性强，测试效率高，有效地缩短了软件项目的开发周期。
另外，在实际测试工作中，不应该只“单一”的采用手工测试或自动测试，而应该将它们有机结合起来，取长补短，充分发挥各自的特点。
作者：尹来武
摘要:浅析了专家系统的概念、发展阶段以及基本结构,概述了国内外专家系统在植物保护领域的研究水平和应用现状,阐述了结合天津市设施农业发展情况开展病虫害预测预报专家系统研究应用的必要性,并对该技术成果的应用前景做出展望。
关键词:设施农业;病虫害;计算机;预测预报
Analysis on the Application of Expert System for Diseases and Insect Pests Forecasting in Facility Agriculture in Tianjin
MA Xiang-you, SONG Zhi-wen, WANG Jian-chun, LV Xiong-jie
(Information Institure,Tianjin Academy of Agricultural Sciences,Tianjin 300192,China)
Key words: installation agriculture;disease;computer;forecasting and prediction
设施农业是一种先进的高技术含量的生产方式,能够给与农作物相对稳定的生长环境,进行优质高效生产。但是长期封闭的生产环境条件也为蔬菜病虫害的发生提供了适宜条件,病虫害种类增多,为害加重,影响农业生产的高效益。农业信息技术特别是植物保护专家系统经过多年的研究发展,已经为设施农业病虫害的预测预报提高准确度提供了可能。随着天津设施农业的深入发展,及早研究并推广应用数字化病虫预测预报技术,对于保证天津农业的高效优质和可持续发展具有非常重要的意义。
1专家系统概述
1.1专家系统概念
专家系统是一个智能计算机程序系统,能够利用人工智能技术和计算机技术处理大量来自某研究领域专家的知识和经验,根据提供的各种条件,通过模拟人类解决问题的方法,进行判断和推理,达到与专家同等的解决问题的能力,它能解释决策的过程和步骤,并有自主学习的功能,能自动增长所需的知识。简而言之,专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。目前,专家系统(Expert system)是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。
1.2专家系统发展阶段
专家系统已经历了3个阶段,正向第四阶段发展。第一代专家系统专业化程度高、对专门问题的求解能力强。但在体系结构方面不够完整、可移植性差。第二代专家系统属单学科专业型、应用型系统,其体系结构和移植性方面有较大改善,而且在系统的知识获取技术、不确定推理技术、增强专家系统的知识表示和通用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综合型系统,采用多种人工智能语言,综合采用各种知识表示方法和多种推理机制及控制策略,并开始运用开发工具和环境来研制性能更强的综合系统。第四代专家系统开始采用大型多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、人工神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实现更加强大的功能。
1.3专家系统基本结构
专家系统与传统的计算机程序系统体系结构完全不同,它由知识库、推理机、解释机制和人机接口等几个相关部分所组成。
知识库(Knowledge base)是存储专业领域知识的部分,是结构化、易操作、易利用、有组织的知识集群,其存放知识的方式由它的知识表示策略决定。知识库包含所有用“如果:〈前提〉,于是:〈结果〉”形式表达的知识规则。
推理机(Inference engine)是专家系统中实现基于知识推理的部件,是专家系统中实现推理和控制功能,进行求解问题不可缺少的重要组成部分。
专家系统中知识库、推理机、解释机制和人机接口等相关组成部分各司其职,在求解问题的过程中构成一个完整的流程,根据用户提供的前提条件给出最终的决策结论。
2专家系统在植物保护领域的应用现状
作物病虫害预测长期以来由于数据处理能力的限制,采用的大多是经验型分析和较为简单的数理统计方法, 其结果误差也是显而易见的。20世纪70—80年代以后,随着科学技术的快速发展,各种最新成果开始在植保领域发挥越来越大的作用。如周期分析、时间序列分析、光谱分析等用于病虫害预测,用数学模型来显示、描述病虫发生流行规律。
植保领域中应用专家系统始于20世纪70年代末期的美国,随后在世界各地得到较大发展,美国、日本、澳大利亚、法国、德国、荷兰、意大利等都花了大量的人力和财力从事信息技术在农业生产病虫害预测的应用研究。从美国伊利诺斯大学开发大豆病虫害诊断系统PLANT/ds以及用于向棉花种植者推荐棉田管理和病虫害防治措施较为成功的一个农业专家系统Comax/gos—sym,日本千叶大学研制的番茄病虫害诊断专家系统MTCC,瑞士开发出谷物病害预测预报系统EPRPRE,到德国病虫害预测预报计算机决策系统PRO-PLANT,在农业生产病虫害的预测预报和诊断防治方面,研究应用农业专家系统取得了良好的实际效果。
20世纪80年代以后,随着信息技术的不断进步以及在植物保护研究领域的不断深入,中国也已开始计算机预报研究,经过近年来各地科技人员的努力,探索出多种利用计算机技术进行不同层面测报和诊断的理论和方法,建立了一些软件和系统。例如,浙江省农科院植物保护研究所、计算技术研究所等单位于1984年到1986年采用计算机进行稻瘟病和麦类赤霉病预测预报这项技术,对浙江17个县29.3万hm2晚稻稻瘟病和12万hm2麦类赤霉病的发生情况进行了预测预报,准确率分别达80%和75%。中国气象局新技术推广项目小麦条锈病日传染率预报模型以及其他项目水稻稻瘟病和螟虫危害预报模型等已在小范围内应用。罗菊花的基于GIS的农作物病虫害预警系统,使用国产SuperMap IS.NET的GIS软件作为开发平台,以C++语言作为编程语言,建立农作物病虫害预警系统,用甘肃省庆阳地区西峰区2002年的小麦条锈病相关数据,来展示该预警系统中病害预测功能的实现过程,并获得了与实际报道相吻合的预警结果。随后,贾启勇的基于Web GIS的病虫害预测预报预警平台系统,孟志军的农作物病虫害防治管理信息系统,温亮宝基于网络的森林病虫害诊断咨询专家系统,杜雅刚的基于模糊技术的大豆病虫害诊断专家系统,惠学英等的农作物病虫害诊断专家系统,高灵旺的农作物病虫测报信息管理与预测系统都取得了一系列不错的成果;另外,“北京市蔬菜病虫害远程诊治专家系统”是一个针对北京地区蔬菜常见病虫害进行远程辅助诊治和信息查询、管理的网络型专家系统,ES能够为各类用户提供有关蔬菜病虫害诊治的远程服务,令人关注;国家863计划中的智能农业专家系统平台在全国18个省市示范区的推广应用,涉及水稻、小麦、棉花、大豆、水果、蔬菜等大多数农作物,大多包含各类作物植物保护的病虫害诊断和防治方面的内容,在实际应用中产生很大的经济效益。
综观上述各种作物病虫害预测和防治方面的信息系统,大多都是针对露地蔬菜或者大田作物病虫害而研制,涉及设施农业病虫害方面的基于计算机技术的预测预报尚未见报导,这一领域的研究尚急需引起相关单位和科研工作者的密切关注。
3天津市设施农业应用病虫害预测预报专家系统的必要性
设施农业是借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新型农业生产方式,是一种高产、高效、优质和技术密集型的农业。2007年8月7日,天津市委市政府下发了《关于推进城乡一体化发展战略,进一步加快社会主义新农村建设的实施意见》,提出到2010年天津市设施农业面积发展到6.67万hm2的战略目标,并出台了一系列补贴政策,设施农业在天津进入了快速发展期。
无容置疑,设施农业采用比较先进、系统的人工设施.改进农作物生长环境,进行优质高效生产,是一种高投入、高产出、知识与技术密集的集约型产业。但是,同样不容忽视的是,设施农业的发展也为蔬菜病虫害的发生提供了有利条件。有害生物周年存活,病害的发生和流行相对频繁,并成为露地蔬菜和大田作物的外来侵染源,导致病虫害种类增多,为害加重。病虫为害已成为制约设施农业可持续发展的重要因子。
设施农业生产大多属于反季节栽培,病虫害的发生受环境条件等因素影响较大,每个品种病虫害发生的特点、危害程度及防治方法又不尽相同,因此,菜农对复杂多变的病虫害难以做到合理、有效的防治。在蔬菜作物病虫害防治过程中,如果防治不及时、防治措施不当,会导致产量损失和生态环境污染严重,因此,在生产中采取先进的技术手段进行病虫害的预警和诊断,帮助菜农对生产中出现的病虫害尽早做出正确有效预警,防范于未然,对发生的病虫害做出科学准确度的诊断和防治,成为农业科研工作者面临的重要而紧迫的研究课题。
目前急需通过综合运用人工智能技术、多媒体技术、网络技术等现代高科技手段,结合天津市设施农业小气候特点和蔬菜作物优势布局特点,充分收集相关病虫害资料,研制适合功能丰富、使用便捷的蔬菜病虫害预警与诊断数字平台统,为天津市农业生产中的病虫害防治提供科学合理决策依据,为天津市生产出高产优质农产品提供进一步技术支撑。
4设施农业病虫害预测预报技术在天津的应用前景
目前,天津设施农业所占比重逐年增加,津郊已初步形成了一批设施农业产业聚集区,如蓟县津蓟高速(蓟县段)两侧设施蔬菜生产聚集区;武清北部河西务、下伍旗、大良、河北屯设施蔬菜生产聚集区;静海沿运河两侧设施蔬菜生产聚集区;宁河蓟运河东岳龙、丰台、板桥、苗庄四镇设施蔬菜生产聚集区等。一些聚集区打破区县界域,如西青辛口镇和静海北部独流、台头、良王庄等乡镇的设施聚集区连成一片。但是从另一个角度讲,设施农业的规模越大,发生病虫害造成巨大损失的危险也越大。因此,通过现代高新技术,针对设施农业生产的具体特点,研制应用病虫害预测预报数字化平台,不断地收集各种作物的生产信息,结合历年的气象数据,建立与之相对应的预测预报模型,科学准确地对病虫害的发生走向做出判断,从而有效地防止大规模的发生流行,降低对农业生产危害和影响的作用显而易见,对促进天津农业持续、稳定和协调发展具有重要意义。
参考文献:
[1] 高灵旺,王春荣,司兆胜,等.黑龙江省农作物病虫测报信息管理与预测系统的开发[J].中国植保导刊,2010(2):7-11.
[2] 刘明辉,沈佐锐,高灵旺,等.基于WebGIS的农业病虫害预测预报专家系统[J].农业机械学报,2009(7):180-186.
[3] 罗菊花,黄文江,韦朝领,等.基于GIS的农作物病虫害预警系统的初步建立[J].农业工程学报,2008,24(12):127-131.
[4] 杜雅刚,禄琳,王艳艳.基于模糊技术的大豆病虫害诊断专家系统[J].计算机工程与设计,2007,28(9):41-42.
[5] 温亮宝,吴保国.基于规则推理的林木病害诊断专家系统[J].农业网络信息,2006 (8):19-20,32.
[6] 牛贞福,杨信廷,寿森炎,等.黄瓜病虫害诊断专家系统知识组织的研究与设计[J].农业系统科学与综合研究,2004(1):33-36.
[7] 张春雨,刘孟军,周桂,等.红枣病虫害诊断咨询专家系统[J].河北农业大学学报,2003(3):97-101.
[8] 刘根深,刘康德.热带作物病虫害诊断专家系统的开发研究[J].热带作物学报,2002(1):72-78.
[9] 惠学英,张蜜娥,张艳宁,等.农作物病虫害诊断专家系统初步研究[J].陕西农业科学,2001(11):6-8.
[10] 李道亮.智能系统:基础、方法及其在农业中的应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
[11] 蔡自兴.人工智能及其应用(第三版)[M].北京:清华大学出版社,2003.
作者：马享优,宋治文,王建春,吕雄杰
摘要：【目的】動态评价广西农业生态经济系统运行效率和可持续发展状况，为广西农业可持续发展提供对策建议。【方法】运用能值分析理论和方法，从能值投入、能值产出、系统评价三大方面建立33个指标，深入研究2000—2019年广西农业生态经济系统能值投入、产出情况和运行状况，并对农业绿色GDP进行核算;同时将广西的研究结果与全国平均水平、贵州、云南进行比较。【结果】2000—2019年广西农业生态经济系统总投入能值和总产出能值分别增加9.54%和44.61%，辅助能值投入不足制约了农业资源开发利用效率。农业处于自然资源高度依赖型和劳动密集型的传统发展阶段，特色优势产业不突出。尽管系统处于可持续发展状态，但不够稳定，尤其是2015年以来，可持续性指数下降38.85%，表明系统仍面临较大的环境压力。人均能值用量和能值密度偏低制约了农民生活水平和农业经济发展。农业绿色GDP占比较低，且从2000年的60.13%逐渐下降至2019年的47.73%。广西农业生态经济系统的可持续性指数高于全国平均水平和贵州，但低于云南;农业绿色GDP占比高于全国，但低于贵州和云南。【建议】提升农业劳动力素质、增加农业机械和科技投入，发展生态循环农业;优化能值投入结构，提升农业资源开发利用效率，维持农业生态经济系统可持续发展状态;充分利用森林和海洋资源，打造特色休闲农业、森林生态旅游和海洋农牧场，实现农业生态产品价值。
关键词： 农业生态经济系统;能值分析;农业绿色GDP;广西
Dynamic evaluation of agricultural eco-economic
system in Guangxi
ZHANG Yun-lan
(School of Economics and Trade， Guangxi University of Finance and Economics， Nanning 530003， China)
Key words： agricultural eco-economic system; emergy analysis; agricultural green GDP; Guangxi
Foundation item： Youth Project of National Social Science Foundation (17CJY008); Youth Project of Guangxi Na-tural Science Foundation (2018JJB180033); Humanities and Social Sciences Program for Thousands of Young and Mi-ddle-aged Backbone Teachers in Guangxi Universities(2021QGRW058); Guangxi University of Finance and Econo mics Social Security Key Construction Discipline Research Project(SBX20180009)
0 引言
【研究意义】农业生态经济系统是农业生产过程中自然环境系统和社会经济系统有机结合的复合系统，是人类赖以生存和发展的重要系统(周淑梅和王倩，2017)。广西是传统农业大省，处于国家“两屏三带”生态安全战略格局的南方丘陵山地带，喀斯特地貌分布广泛，生态环境脆弱、农业资源不足、人地矛盾突出、石漠化问题严重，农业生态经济系统面临较大压力(罗海平等，2020)。因此，深入研究广西农业生态经济系统运行状况，对促进广西乡村振兴及保障我国西南、华南地区生态安全具有重要意义。【前人研究进展】能值分析是动态评价农业生态经济系统的有效方法。20世纪80年代末，为弥补生态经济系统能量分析中不同种类能量之间不能直接比较和加总的不足，美国著名生态学家Odum(1988)提出了能值分析理论和方法，即将系统中的能量流和物质流通过太阳能值转换率统一转换为能值后进行量化研究。1992年，蓝盛芳等(1995)将能值分析理论和方法引入我国，并对农业的能值分析进行论述。之后，国内学者纷纷开展不同区域、不同尺度的农业生态经济系统能值分析，对系统运行的认识逐渐清晰。陈东景和徐中民(2002)计算了张掖地区农业生态经济系统能值投入和产出量。付晓等(2005)通过辽西半干旱区农业生态经济系统的能值分析发现对自然资源的过度利用和对可更新有机能的不充分利用是制约农业发展的主要原因。谢雨萍等(2007)计算出广西恭城县“生态农业+旅游”系统的能值产出率和能值收益率分别是传统生态农业系统的4.74倍和1.94倍。胡小东等(2010)研究了2005年我国西部12个省份的农业生态系统的能值投入、产出情况和运行状态，发现广西和四川等地区环境负载较高，发展潜力不足。陈绍晴等(2012)指出广西恭城县沼气农业复合生态系统的环境负载率低、可持续性强。董晓佳等(2015)发现农业资源利用效率低下导致定西市农业可持续发展能力不足，该状态在河北也存在(周淑梅和王倩，2017)。郑二伟等(2020)、焦士兴等(2021)基于省域生态经济系统能值分析发现，河南省农业发展过度依赖工业辅助能，系统产出效益不高且逐渐偏离可持续发展。【本研究切入点】目前已有研究中，针对广西农业生态经济系统整体的能值分析，尤其是长时间序列的动态评价鲜见报道。【拟解决的关键问题】利用能值分析理论和方法核算2000—2019年广西農业生态经济系统能值投入与产出情况，构建综合指标体系，动态评价系统运行效率和可持续发展状况，并提出优化策略，为广西农业可持续发展提供决策依据。
1 数据来源与研究方法
1. 1 研究区概况
广西地处中国南疆，西南与越南接壤，地理坐标为东经104°28′～112°04′、北纬20°54′～26°23′，属亚热带季风气候，年平均气温17.60～23.80 ℃，年平均降雨量723.90～2983.80 mm。行政区域土地面积23.76万km2，在全国31个省(区、市)中排名第九。山多地少是广西土地资源的主要特点，根据第三次全国国土调查数据，广西耕地面积330.76万ha，人均耕地面积仅0.07 ha。2020年，广西全区生产总值(GDP)22156.69亿元，比2019年增长3.70%，其中第一产业增加值增长5.00%;第一产业增加值占GDP的比例为16.00%。农村居民人均可支配收入14815.00元，比2019年实际增长4.60%。2020年广西常住人口5012.68万人，其中乡村人口2295.58万人，占比45.80%。2019年广西甘蔗、蚕茧、茶叶、水果、肉类、蜂蜜和水产品的产量居全国前十。
1. 2 数据来源
本研究以2000—2019年为研究时段，对广西开展基于能值分析理论和方法的农业生态经济系统动态评价，并将评价结果与云南、贵州和全国平均水平进行比较。数据主要来源于FAO统计数据库、EPS数据库和《中国统计年鉴(2001—2020)》《中国农村统计年鉴(2001—2020)》《广西统计年鉴(2001—2020)》《贵州统计年鉴(2001—2020)》《云南统计年鉴(2001—2020)》《广西国民经济和社会发展统计公报(2000—2020)》《广西水资源公报(2000—2019)》。能值计算方法和太阳能值转换率主要参考Odum(1988)、蓝盛芳等(2002)的研究成果。
1. 3 能值分析方法
1. 3. 1 能值计算 能值计算步骤(蓝盛芳等，1995)：(1)搜集农业生态经济系统投入的能量流、物质流数据和产出的物质流数据;(2)通过能量折算系数将不同种类物质和能量转化为以焦耳(J)为单位的能量，不能转化为能量的物质则折算为以克(g)为单位的物质质量;(3)通过能值转换率将能量和物质质量转化为统一量纲(sej)的太阳能值。
1. 3. 2 能值指标体系构建 参考已有文献(朱韵臻和朱玉林，2015;郑二伟等，2020;焦士兴等，2021)，并结合广西实际，构建包括投入指标、产出指标和评价指标的能值指标体系，具体如表1所示。
2 广西农业生态经济系统能值核算与评价
2. 1 广西农业生态经济系统能值投入动态分析
2. 1. 1 能值投入明细 为避免重复计算，广西农业生态经济系统能值投入中，将太阳辐射能、风能、雨水势能和雨水化学能4种能值中最大的一项与地球循环能相加，作为可更新环境资源能值;2019年雨水化学能和地球循环能的能值占比分别为65.85%和34.15%。不可更新工业辅助能值中数量排前5的项目是生产用电、磷肥、氮肥、复合肥和钾肥，2019年占比分别为34.17%、24.63%、15.78%、12.43%和6.95%。可更新有机能值中各项目的数量排序为劳动力>畜力>有机肥>种子，2019年数值占比分别为46.46%、22.43%、20.10%和11.01%，表明系统是以劳动密集型为主的传统农业生产模式。
2. 1. 2 能值投入结构及变化趋势 2000—2019年广西农业生态经济系统能值投入结构及变化趋势如图1和图2所示，总投入能值先波动增加，至2015年后开始减少，但总体增加9.54%。环境资源总投入能值和总投入能值的变化趋势一致，总体增加12.82%，占总投入能值比例在55.00%以上，其中，可更新环境资源能值投入量先波动增加再减少，总体增加3.73%;不可更新环境资源能值投入量增长较快，增加22.98%。从结构上看，除2000和2019年外，可更新环境资源能值一直占主导地位，投入率大于30.00%;其次是不可更新环境资源能值，除2002年为24.64%外，其投入率均在25.00%以上，表明系统运转主要依靠内部自身的自然环境资源，且受气候影响较大。
辅助总投入能值变化趋势较平缓，总体上增加5.27%。其中，不可更新工业辅助能值投入增长最快，增加85.41%，主要原因是复合肥和生产用电大幅增加，分别增加123.71%和327.26%;复合肥占不可更新工业辅助能值的比例从2000年的10.30%增至2019年的12.43%，与此同时，生产用电的占比从14.83%增至34.17%。20年间可更新有机能值减少29.58%，其中畜力和有机肥减少较多，分别为56.54%和20.56%。值得注意的是，自2012年开始劳动力投入减少，但其占可更新有机能值的比例却呈增加态势，一方面是因为工业化、城镇化发展促进了劳动力转移，另一方面是由于畜力投入在2006年出现大幅度减少，导致可更新有机能值出现同步减少。从投入率来看，不可更新工业辅助能值和可更新有机能值的投入比例变化幅度较大，前者从2000年的13.17%提升至2019年的22.29%，表明系统对外界投入的依赖不断增强，现代农业模式逐渐产生，但需要防止化肥和农药过度使用对生态环境造成破坏;后者从2000年的30.28%下降至2019年的19.47%，且在2003年后投入比例均小于不可更新环境资源能值。
2. 2 广西农业生态经济系统能值产出动态分析
2. 2. 1 能值产出明细 广西农业生态经济系统能值产出中，甘蔗、谷物、蔬菜(含菌类)和油料占种植业能值产出比例较高，2019年占比依次为59.22%、24.42%、8.56%和5.67%;林业能值产出中占比前6位的是木材、油茶籽、水果、油桐籽、八角和板栗，分别为49.41%、17.99%、16.36%、5.83%、4.24%和3.69%;畜牧业能值产出中猪肉占比最高，达72.20%以上，其次是禽肉、蚕茧、牛肉和禽蛋，2019年占比分别为17.65%、7.09%、4.36%和3.57%。
2. 2. 2 能值产出结构及变化趋势 2000—2019年广西农业生态经济系统能值產出变化趋势如图3所示，系统总产出能值增加44.61%，其中2000—2018年增加58.02%，2018—2019年减少8.48%，其变化趋势和畜牧业能值产出变化趋势较为一致，因为畜牧业能值产出占系统总产出能值的比例为51.86%～62.70%。研究期内畜牧业能值产出增加19.62%，其中除猪肉能值产出减少外，其他项目的能值产出均有不同程度的增加，体现了人民生活水平有所提高。东桑西移政策引导下，畜牧业能值产出中蚕茧增加最快，增加11.82倍，其次是奶类，增加4.18倍。
系统总产出能值中排第二的是渔业(能值产出只包括水产品一项)，其占系统总产出能值的比例在16.30%～21.01%，2000—2019年渔业能值产出增加42.65%。种植业能值产出占系统总产出能值的比例在13.45%～17.41%，研究期内种植业能值产出增加59.32%，这是种植业中各项目增减后共同作用的结果，其中增加最多的是甘蔗，增加154.97%，减少最多的是烟叶，减少58.23%。广西林业资源丰富，森林覆盖率居全国第三。林业能值产出占系统总产出能值的比例不断增加，从2000年4.25%增加至2019年的13.97%，研究期内林业能值产出增加3.76倍，其中木材能值增加11.95倍。
2. 3 广西农业生态经济系统评价指标动态分析
2. 3. 1 能值自给率、能值购买率和能值投资率 能值自给率是反映系统自给自足能力的指标，其值越大说明系统自给自足能力越强。由图4可知，2000—2019年期间广西农业生态经济系统能值自给率较为稳定，最低是2000年的56.55%，最高是2008年的64.76%，平均值61.20%，高于全国平均水平和贵州(表2)，说明系统对农业环境资源依赖程度较高。能值购买率是反映经济投入对农业生产贡献和区域经济发展水平的指标。2000—2019年能值购买率变动较为平缓，变动趋势与能值自给率相反，平均值38.80%，低于全国平均水平和贵州，说明系统经济投入较低，导致环境资源不能得到有效利用，农村经济发展较为落后。能值投资率的值越大，说明对系统的开发利用程度越高，区域经济发展水平也越高。2000—2019年系统能值投资率在50.00%～80.00%波动，且总体呈下降趋势，变化趋势与能值购买率较为一致，由2000年的76.85%下降至2017年的58.57%，之后逐渐上升，2019年达71.70%，平均值63.63%，低于全国平均水平和贵州，说明系统生产过程中主要依赖环境资源，购买能值投入不足，资源利用效率和农业生产水平较低。值得注意的是，2017年以来广西大力推动现代特色农业高质量发展，农业生产资料投入增加，系统的能值投资率逐渐提升。
2. 3. 2 能值产出率和能值收益率 能值产出率和能值收益率是衡量系统生产效率的指标。2000—2019年广西农业生态经济系统能值产出率和能值收益率均大于1.00，且不断上涨(图5)，说明系统生产效率不断提高，一直处于能值盈余状态，且随着能值投入结构和数量的变化，能值盈余不断增加(图6)。20年间能值产出率增加32.02%，且2018年开始达2.00以上;2018年之前能值收益率持续增长，增加52.44%，由于2019年系统总产出能值减少，导致这一年能值收益率减少9.88%，20年间总体上仅增加37.38%;能值产出率和能值收益率的平均值分别为1.73和4.47，均高于全国平均水平，说明广西农业生产效率高于全国平均水平。
2. 3. 3 环境负载率和可持续性指数 环境负载率越大说明农业生产过程中系统所承受的环境压力越大。2000—2019年广西农业生态经济系统环境负载率上下浮動，均大于1.00，变化趋势不明显(图7)，2019年比2000年增加7.99%，平均值1.99，小于全国平均水平和贵州，但大于云南，说明广西增加农业生产投入的空间较大。需要注意的是，广西处于西南喀斯特地区，生态环境极其脆弱，必须兼顾农业生产和生态环境保护，在增加可更新有机能投入和提高资源利用效率的同时适当减少不可更新能值投入，并逐步提高系统生态承载力。可持续性指数是衡量系统可持续发展状态的指标。20年间广西农业生态经济系统可持续性指数在1.49～2.81波动，表明系统具有一定活力但不够稳定，尤其是2015年之后，可持续性指数下降38.85%。从平均值来看，广西农业生态经济系统可持续性指数的平均值为2.29，高于全国平均水平和贵州，但低于云南。
2. 3. 4 生产优势度和稳定性指数 生产优势度是衡量系统各产业间能值生产均衡性的指标，其值越大说明系统内产业间越不均衡，某一个产业占主导。2000—2019年广西农业生态经济系统生产优势度较低且波动下降(图8)，下降22.94%，平均值0.41，略低于全国平均水平，也低于云南和贵州，说明系统各产业间能值产出相对均衡，产业发展优势不突出，自身资源优势利用不足。稳定性指数是衡量系统能值生产稳定性的指标，其值越大说明系统结构越稳定，系统的反馈和自我调节能力越强。2000—2019年广西农业生态经济系统稳定性指数缓慢增长，总体上增加19.68%，平均值1.10，高于全国平均水平，说明系统结构较为稳定且反馈和调节机制增强。比较稳定性指数和生产优势度变化趋势可看出，二者存在近乎相反的变化。
2. 3. 5 人均能值用量、能值密度和能值货币比率 人均能值用量是衡量人民生活水平的指标。2000—2019年广西农业生态经济系统人均能值用量波动上涨(表3)，增加24.26%，平均值6.66E+15 sej/人，低于全国平均水平和云南，说明广西农业生态经济系统人均享受的能值有所提高，但由于能值投入水平较低，导致人均能值用量低，从而制约了农民生活水平。能值密度是衡量经济发展等级的指标。20年间广西农业生态经济系统能值密度下降10.00%，平均值4.75E+11 sej/m2，高于全国平均水平，低于云南和贵州，说明广西农业生态经济系统开发程度和能值利用强度不高，农业经济发展水平较低。能值货币比率是衡量自然资源对经济贡献大小的指标，其值越大说明单位货币能换取的能值越多。20年间广西农业生态经济系统能值货币比率呈快速下降趋势，减少82.58%，平均值7.93E+11 sej/元，小于全国平均水平、云南和贵州，说明广西自然资源对农业经济发展的贡献逐渐减小，需进一步挖掘资源优势，提高资源利用效率，促进农业经济发展。
2. 3. 6 农业绿色GDP 2000—2019年广西农业生态经济系统中农业绿色GDP变化趋势如图9所示。20年间广西农业GDP快速增加5.29倍，其中，不可更新环境资源能值—货币价值增加6.06倍，占比从26.70%增至29.98%;不可更新工业辅助能值—货币价值增加9.65倍，且其占比增长快速，从13.17%增至22.29%;而农业绿色GDP仅增加4.00倍，农业绿色GDP占比从2000年的60.13%下降至2019年的47.73%，平均值56.00%，低于云南和贵州。由此可见，农业绿色GDP占比降低的主要原因是不可更新工业辅助能投入量快速增加，大量资源消耗的同时加剧了环境污染和破坏，次要原因是水土流失加剧导致不可更新环境资源能值投入增加。农业绿色GDP占比减少说明农业经济发展中资源环境付出的比例加大，不利于农业可持续发展的负面效应增强。
2. 4 广西农业生态经济系统主要能值评价指标与全国平均水平、贵州、云南的比较
以2019年为例，将广西农业生态经济系统主要能值评价指标与全国平均水平、贵州、云南进行比较，广西环境负载率高于贵州和云南，可持续性指数介于贵州和云南之间，生产优势度低于全国平均水平、贵州和云南，而系统稳定性指数则最高(表2)。广西人均能值用量低于全国平均水平和云南，能值密度低于贵州和云南。广西能值货币比率较低，低于全国平均水平、贵州和云南，农业绿色GDP占比也低于贵州和云南。因此，总体看来，近期广西农业生态经济系统优于全国平均水平，但由于不可更新工业辅助能值投入不足，资源利用效率不高，和同处于西南喀斯特地区的贵州、云南相比，还有一定差距，尤其是和云南的差距较大。
3 讨论
本研究结果表明，2000—2019年广西农业生态经济系统可更新环境资源能值投入均超过50%，而2016年安徽农业生态经济系统仅15%(马世昌和吴晓磊，2019)，农业生产过于依赖自然环境资源，农业经济发展模式为资源高消耗型，但环境资源能值对农业经济的贡献率逐渐减弱;辅助总投入能值逐渐增加，资源开发程度有所提高，但能值密度和人均能值用量仍处于较低水平，制约着农村经济发展水平和农民生活水平;化肥和劳动力在辅助总投入能值中分别排第一和第二，农业处于劳动密集型的传统发展阶段，且化肥的大量使用加大了生态环境压力，该问题在郑二伟等(2020)对河南的研究中也存在。尽管广西农业生产效率较高，农业生态经济系统处于可持续发展状态，但不够稳定，这与甘肃定西(董晓佳等，2015)、河南(焦士兴等，2021)情况一致。农业绿色GDP占比逐渐减少，农业经济发展的生态环境代价不断加剧。另外，广西农业特色优势资源开发和利用不充分，产业发展优势不够突出。本研究结果与胡小东等(2010)关于2005年广西农业生态经济系统的研究结果较为一致，但长时间序列研究能更直观展现系统动态变化情况。
4 建议
4. 1 优化能值投入结构，提升资源开发利用效率
广西农业生态经济系统能值投入结构不够合理，大部分为环境资源能值投入，辅助能值投入不足，且辅助总投入能值中主要是劳动力和化肥投入，机械和农膜的投入占比不足1.00%，资源开发利用效率较低。因此，在充分利用太阳能和雨水能的同时，要优化辅助能值投入。首先，优化农业劳动力投入，打造生产型、经营型和服务型的新型职业农民队伍。积极转移农业剩余劳动力的同时，加大对农业生产者和经营管理者的培训，重点培养农民企业家、农民致富带头人，提高农业从业者文化素质、生产技术水平、经营管理能力和生态保护意识。其次，采用测土配方施肥，控制化肥使用量，注重有机肥和化肥的合理搭配，推广秸秆还田，提升人畜粪尿利用率，大力发展生态循环农业。第三，在加大辅助能值投入的同时，提高农业机械化水平、推广设施农业，引进新品种和新技术，不断提升农业资源開发利用效率，走技术集约型道路。
4. 2 提升环境承载力，维持农业可持续发展状态
广西是典型的喀斯特地区，自身生态环境脆弱，加之人口高度聚集和过度垦伐，人地矛盾突出，石漠化问题严重。尽管广西农业生态经济系统处于可持续状态，但系统不够稳定，尤其是2015年以来，可持续性指数大幅下降。另外，广西农业绿色GDP占比低于贵州和云南，且不断下降，到2019年占比不足50.00%。因此，要将农业生产、农民生计和生态环境保护相结合。一方面，统筹开展山水林田湖草生态保护和修复工程，大力实施水土流失防治、石漠化治理、矿山修复、农田质量提升等重点项目，改善农业生态环境。另一方面，总结经验、因地制宜，积极调整农业产业结构。推广农林牧复合的保护性发展模式，应用中科院专家团队在环江毛南族自治县的研究成果，通过种草养牛和种桑养蚕等模式走生态保护和特色发展道路，达到增加农民收入和保持水土、固碳的综合效果，促进农业可持续发展。
4. 3 依托生态产品价值，大力发展现代特色农业
森林和海洋是广西两大特色优势资源，但传统农业的资源利用效率不高，不足以实现其生态产品价值，导致农业经济效益低。因此，要依托生态产品价值，积极探索价值实现路径，充分利用特色资源优势，采用互联网+农业的模式，通过一二三产业融合，推动现代特色农业高质量发展。首先，充分利用优美的自然山水风光，发展特色休闲农业。其次，充分利用林业资源优势，发展林下经济和森林生态旅游。最后，充分利用海洋和红树林资源大力发展海洋农牧场。值得注意的是，基于丰富的山林资源，广西畜牧业占比较高，但优势不突出，作为现代特色农业发展的主要产业，应积极培育新型经营主体，采取“公司+合作社+家庭农场”的模式，开展适度规模化经营，进行畜牧产品精深加工，延长农业产业链，提高农业附加值。
本文系农业生态经济系统安全评价与预警研究之二。
参考文献：
陈东景，徐中民. 2002. 干旱区农业生态经济系统的能值分析——以黑河流域中游张掖地区为例[J]. 冰川冻土，24(4)：374-379. [Chen D J，Xu Z M. 2002. Emergy amalysis of agricultural eco-economic system in arid region of northwest China—A case study of Zhangye prefecture in Heihe River[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，24(4)：374-379.] doi：10.3969/j.issn.1000-0240.2002.04. 005.
陈绍晴，陈彬，宋丹. 2012. 沼气农业复合生态系统能值分析[J]. 中国人口·资源与环境，22(4)：80-89. [Chen S Q，Chen B，Song D. 2012. Emergy analysis of biogas agricultural complex ecosystem[J]. China Population，Resour-ces and Environment，22(4)：80-89.] doi：10.3969/j.issn. 1002-2104.2012.04.015.
董晓佳，张仁陟，张军，蔡立群. 2015. 定西市农业生态经济系统能值分析[J]. 甘肃农业大学学报，50(5)：106-113. [Dong X J，Zhang R Z，Zhang J，Cai L Q. 2015. Study on emergy analysis of Dingxi agriculture eco-economic systems[J]. Journal of Gansu Agricultural University，50(5)：106-113.] doi：10.3969/j.issn.1003-4315.2015.05.018.
付晓，吴钢，尚文艳，刘阳，王宏昌，付海威. 2005. 辽宁省朝阳市农业生态经济系统能值分析[J]. 生态学杂志，24(8)：902-906. [Fu X，Wu G，Shang W Y，Liu Y，Wang H C，Fu H W. 2005. Emergy analysis of agricultural eco-economic system in Chaoyang City，Liaoning Province[J]. Chinese Journal of Ecology，24(8)：902-906.] doi：10. 13292/j.1000-4890.2005.0065.
胡小东，王龙昌，薛兰兰，邹聪明，张云兰. 2010. 基于能值分析方法的中国西部地区农业生态系统可持续发展研究[J]. 西南大学学报(自然科学版)，32(2)：7-12. [Hu X D，Wang L C，Xue L L，Zou C M，Zhang Y L. 2010. Study on sustainable development of agro-ecosystem in China’s western region based on EMA and GIS[J]. Journal of Southwest University(Natural Science Edition)，32(2)：7-12.] doi：10.13718/j.cnki.xdzk.2010.02.014.
焦士兴，崔思静，王安周，刘洪妍，刘亚奇，尹义星，赵荣钦. 2021. 基于能值理论的河南省农业生态系统评价[J]. 地域研究与开发，40(2)：135-139. [Jiao S X，Cui S J，Wang A Z，Liu H Y，Liu Y Q，Yin Y X，Zhao R Q. 2021. Evaluation of agro-ecosystem in Henan Province based on emergy theory[J]. Areal Research and Development，40(2)：135-139.] doi：10.3969/j.issn.1003-2363.2021.02. 024.
蓝盛芳，陈飞鹏，刘新茂. 1995. 农业生态经济系统的能值分析[J]. 生态科学，(2)：172. [Lan S F，Chen F P，Liu X M. 1995. Energy analysis of agricultural eco-economic system[J]. Ecological Science，(2)：172.]
蓝盛芳，钦佩，陆宏芳. 2002. 生态经济系统能值分析[M]. 北京：化学工业出版社.[Lan S F，Qin P，Lu H F. 2002. Energy analysis of eco-economic system[M]. Beijing：Chemical Industry Press.]
罗海平，潘柳欣，宋焱，王新悦. 2020. 基于生态系统服务价值的中国粮食主产区农业—生态协调性实证测算与预警[J]. 江苏农业学报，36(3)：760-768. [Luo H P，Pan L X，Song Y，Wang X Y. 2020. Measurement and warning of agro-ecological coordination in China’s major grain-producing areas based on ecosystem service value[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences，36(3)：760-768.] doi：10.3969/j.issn.1000-4440.2020.03.031.
马世昌，吴晓磊. 2019. 安徽省农业生态经济系统能值分析[J]. 中国农业资源与区划，40(12)：101-107. [Ma S C，Wu X L. 2019. Energy analysis of agricultural eco-economic system in Anhui Province[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning，40(12)：101-107.] doi：10.7621/cjarrp.1005-9121.20191213.
谢雨萍，魏美才，周永博，邓祝仁. 2007. 广西恭城月柿生态农业旅游能值分析[J]. 生态学报，27(3)：1056-1064. [Xie Y P，Wei M C，Zhou Y B，Deng Z R. 2007. Energy analysis of economic system in ecological agricultural tourism of Gongcheng，Guangxi[J]. Acta Ecologica Sinica，27(3)：1056-1064.] doi：10.3321/j.issn：1000-0933.2007.03.028.
郑二伟，周海生，吕翠美，凌敏华，顾长宽，李洋. 2020. 考虑面源污染的河南省农业生态系统能值评价[J].农业资源与环境学报，37(5)：689-694. [Zheng E W，Zhou H S，Lü C M，Ling M H，Gu C K，Li Y. 2020. Emergy evaluation of agricultural ecosystems in Henan Province considering non-point source pollution[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment，37(5)：689-694.] doi：10.13254/j.jare.2019.0547.
周淑梅，王倩. 2017. 河北省农业生态经济系统能值分析[J]. 现代农业科技，(10)：267-268. [Zhou S M，Wang Q. 2017. Emergy analysis of agricultural eco-economic system in Hebei Province[J]. Modern Agricultural Science and Technology，(10)：267-268.]
朱韵臻，朱玉林. 2015. 基于能值的湖南省农业绿色GDP的演变与趋势分析[J]. 中南林业科技大学学报(社会科学版)，9(6)：51-59. [Zhu Y Z，Zhu Y L. 2015. Analyses on the evolution and trend of agricultural green GDP in Hunan Province based on energy[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology(Social Sciences)，9(6)：51-59.] doi：10.14067/j.cnki.1673-9272.2015.06.009.
Odum H T. 1988. Self-organization，transformity，and information[J]. Science，242(4882)：1132-1139. doi：10.1126/scien-ce.242.4882.1132.
收稿日期：2021-09-17
基金项目：国家社会科学基金青年项目(17CJY008);广西自然科学基金青年项目(2018JJB180033);广西高等学校千名中青年骨干教师培育计划人文社会科学类项目(2021QGRW058);广西财经学院社会保障学重点建设学科研究项目(SBX20180009)
第一作者：张云兰(1984-)，https：//orcid.org/0000-0002-3227-5565，副教授，主要從事农业生态经济研究工作，E-mail：1002021558@ qq.com
作者：张云兰
摘要：随着电子科技和机械自动化技术的快速发展，设施农业也随之快速进步。高科技技术在农业发展过程中的作用越来越显著，该文介绍了在农业发展过程中利用物联网技术实现农业专家系统的技术，对农业专家系统的各个组件进行了简单的介绍。
关键词：物联网;农业专家系统;传感器;采集器;软件
1 概述
农业专家系统是利用计算机及相关电子装置和各种通信技术来调控植物生长环境和改变生长条件的新型农业管理实验和生产的方式， 改变了传统农业受自然环境的制约，实现了常规农业生产技术的变革式发展，提高了农业生产的生产效率和产量。要实现高质量的农业专家系统，实现传统农业向科技化、统一化方向的发展，利用现代先进的科技技术，实现高端信息技术在农业生产领域方面的应用对我国这个农业生产大国来说是十分重要的。基于物联网技术的农业专家系统的设计和实现是在农业生产领域中改善我国农业生产手段、提高农业生产效率和生产水平的有益尝试。
2 技术实施的前提
植物的生长离不开一定的生长环境。光照时间的长短能够影响植物的生长，土壤的各种条件也能够影响植物的生长，环境温度的变化也能够影响植物的生长，影响植物生长的因素非常多，而在我们的设计中，我们主要通过对植物的环境温度和湿度、土壤干燥度、CO2、光照度和土壤养分等各个影响植物生长的成分进行监控和控制。
在实际生产过程中，我们将物联网技术节点布设于目标区域，利用网络节点实时采集目标区域中环境的温度、光照、湿度、气体浓度等相关环境信息，把实时采集到的环境信息在计算机上汇集，为下一步的精确调控提供了数据支撑。把采集到的实时数据和数据资源库中的原始信息进行对比分析，让生产者能够根据比对结果有效地通过计算机合理化控制目标区域的相关生产环境，进行科学化高技术的农业生产，从而使得耕地资源能够得到合理高效的利用，使农业生产真正实现现代化精准管理，进一步高效管理和利用耕地资源，提升现代农田管理水平和农业生产效能。
3 技术实施方案
基于物联网的农业专家系统使用目标区域布设的无线传感器节点把目标区域中光照强度，空气温度，土壤温度，空气湿度，土壤湿度，二氧化碳浓度等植物生长所需的环境信息进行实时采集，利用ZigBee短程无线通讯技术把各种传感器采集到数据进行传输，把传输的数据汇集到计算机上，可以通过无线网关与互联网相连，可以利用各种设备实时控制目标区域的生长环境信息，专家系统中的软件可以根据环境参数来判断植物生长状况并改变各种生长条件。
3.1 传感器单元
1) 气体温湿度传感器：采用瑞士Sensirion公司推出的 SHTxx单片数字温湿度传感器，利用领先世界的CMOSens?数字传感技术和微加工专利技术， 确保产品具有非常高的可靠性和出色的长期稳定性。它通过两个测湿元件在单芯片中的无缝结合和两线数字接口与单片机的直接相连，使得研发时间大大缩短、简化了外围电路，降低了开发费用。这款传感器的还具有体积小、响应灵敏、能耗低、强抗干扰能力、兼有露点测量，性价比高等优点。通过它，我们实时获取到目标区域中的环境温度和湿度数据信息。
2) 土壤水分温度传感器：采用上海搜博实业生产的系列传感器，该系列传感器采用先进的FDR原理和"时域反射原理"，杆式设计，可埋设于土壤内或直插在地面上，与数据采集器配合使用，敏感于土壤的各种理化性状、地形的差异作用、气候变化和人为的土壤管理措施对土壤水分状况造成的不同影响，可定点监测或移动测量土壤水分及温度。仪器适用于测量任何类型土壤的体积含水量和温度，测量精确，性能稳定可靠，可以直接与各种软件或计算机直接连接使用。
3) 光照传感器：采用武汉中科的NHZD10系列，这款产品采用进口专用光照度传感核心，铝合金壳体结构设计合理，体型小巧，使用寿命长，密封性好， 测量精度高，稳定性好，传输距离长，抗外界干扰能力强，外观质量佳，安装方便，非常方便于温室、现代农业等场所的光线强度测量使用。
3.2数据采集单元
3.2.1无线传感器采集器
通过采集温室的温度湿度和光照度等环境信息，把这些信息无线传输到管理系统进行控制，采集器集集数据采集和传输于一体，安装简便，成本低，主要包含以下电路：信号输入通道电路、电源电路、复位电路、A/D 转换电路、USB 接口电路、JTAG 接口和ISP 电路、晶振电路、小键盘电路、液晶显示电路和RS232 电平转换电路等。首先由分布在目标区域内无限传感器网络的测量节点获取数据信息，再有基站节点和监控终端通过无线传感器网络互联实现无线通信，最终能够实现远程控制模式。
3.2.2多通道无线数据采集器
实现了无线实时多通道数据采集，可以采集多种模拟信号和数字信号，克服了传统数据采集上对空间、数量、人物力成本等的局限。 具有实现多种信号的采集、多种供电模式、ZigBee协议、对等网络，数据安全采集，防水，防晒，防雷击设计等优点。
3.3互联互通单元
ZigBee技术：是一种新型的介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它实现了低复杂度、低数据率、低功耗、低成本、短距离的双向通信技术。主要应用在现代农业技术、生态环境控制等数据传输速率要求不高的跨区域且不方便布线的场合的数据传输。在农业专家系统中的网关硬件平台上的ZigBee适配器与目标端设备之间建立的短距离无线通信连接，它本质上用无线连接代替了有线连接，实现了原来的串行连接技术。我们可以在任何操作系统下利用移植过来的的ZigBee工具包，实现农业专家系统中的网关硬件平台上的无线适配器与目标端设备之间的配对与连接，然后利用对设备文件操作的方式完成对无线通信的串行连接的操作，从而实现本地或异地对目标端设备的通信和控制。
3.4智能管理与决策系统软件
管理软件是整个农业专家系统中数据处理的灵魂，它负责整理数据采集器传输过来的各种信息并对其进行控制处理，同时结合智能算法和专家系统给出的指令对目标区域内的现场设备进行自动控制，可以通过各种接口实现与控制系统软件的信息发送和接收，可以通过控制系统软件实现现场设备的自动控制。系统管理软件的设计包括用户接口和系统管理接口。通过控制系统管理软件可以远程向无线传感器网络发送各种指令，并通过奇获取目标端设备的各种信息和具体数据。
系统控制管理软件部分包括用户控制接口的设计、显示和处理采集过来的数据、设计GPRS控制模块。GPRS是远程通信技术的核心，是联系远端ZigBee适配器和控制管理软件的网络线路，它的实现解决了ZigBee技术通信距离短的缺陷。用户控制接口设计实现了用户软件控制ZigBee适配器设备的关键技术，同时把采集来的数据信息储存到后台数据库里。显示接口则把存储在后台数据库中的数据可以以多种方式显现。用户通过显现出来的数据，能够对目标区域中植物生长环境的温湿度、光照、土壤温湿度和气体进行实时监测控制、把各种数据与后台数据库中存储的合理数据进行比对显示、保存和处理等，同时用户可以根据监测到的各种信息对目标区域内的植物生长环境进行控制，让植物的生长环境更符合植物自身的生长特性。
系统控制管理软件设计实现了数据显示多种界面、采集数据的存储和打印、采集数据的查询与统计以及和合理数据的对比、用户管理等功能。实现了开源数据库存储技术，数据报表的输出和打印、历史数据曲线打印及导出Excel文档。实现了查询方式多样化，通过时间查询可以查询对应时间内的数据记录，同时统计出时间段内的各种数据平均值，当监测的数值达到给出的既定值时，就以颜色改变或声音提醒等多种方式警告用户，让用户对其进行相应的控制;专家系统也可以根据不同的对象设置管理员、监测员等不同的权限，让其对采集到的数据具有不同的操作权限和控制权限。
4 结束语
对于农业生产领域来说，农业专家系统的应用摆脱了传统农业生产对自然环境和传统经验生产方式的依赖，让农业生产实现了规模化化、精细化和科学化生产，使用户能够依据高科技技术对农业生产做出合理化实时指导，大大提高农业生产的科技水平。而本文介绍物联网技术在现代农业技术领域的开发与应用，围绕物联网的技术层面分别介绍了各种传感器的选择使用，无线网络传输的连接设计和以及终端的控制管理软件的设计概要，改变了传统方式的信息采集模式，实现了农业生产的科学化、智能化管理。物联网技术在农业领域的尝试为现代农业的技术发展标示了一个可持续发展的方向，将对我国农业技术的发展具有巨大的促进意义。
参考文献：
[1] 林元乖，王龙，吴蒋.zigBee无线传感器网络在精准农业中的应用[J].琼州学院学报，2009，16(5)：32-34.
[2] 瑞士Sensirion公司推出了SHTxx片数字温湿度集成传感器确保产品具有长期稳定性[EB/OL].http：//www.iot-online.com/chuanganqi/tech/2011/1228/15340.html.
[3] RS485总线型土壤温度及水分传感器说明书[DB/OL].http：//www.sonbest.com/cn.
[4] 光照度传感器[DB/OL]. http：//www.nengh.com/producs/nhzd10.html.
[5] 肜丽，徐大伟.物联网在豫南地区智能农业中的应用研究[J].信阳农业高等专科学校学报，2012(6)，22(2)：124-125.
[6] 戴起伟，凡燕，曹静，等.设施农业种植下物联网技术的应用及发展趋势[J].科技广场，2012(1).
[7] 彭彬.基于无线传感器网络的温室数据采集器[OL].中国科技论文在线.
作者：赵小丽 荀珂
推荐阅读：
农业专家系统论文提纲11-15
农业专家系统问题探讨论文04-26
农业专家系统问题探讨论文提纲11-15
农业专家系统研究论文（精选3篇）04-17
农业专家系统物联网技术论文（共3篇）04-30
专家系统论文提纲11-15
电网事故处理专家系统12-17
中医诊疗专家系统论文提纲11-15
专家系统论文（共5篇）03-21
模式识别专家系统（推荐9篇）08-30
