王冀川 司春景 楊正華 王秋林 韓秀峰 高 山

(1 塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾843300)

(2 塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300)

(3 塔里木大學(xué)圖書館，新疆阿拉爾843300)

1 立項背景與系統(tǒng)構(gòu)建原理

1.1 立項背景

作物生產(chǎn)管理模型研究始于上世紀六十年代中期，由以荷蘭開展的作物生長機理性模型和以美國開展的作物管理應(yīng)用性決策模型為當今作物模型研究的典型代表[1]。目前作物模型已由單元機理性和功能性研究發(fā)展到多元性綜合機理和應(yīng)用研究，也開發(fā)了眾多的作物模型系統(tǒng)，實現(xiàn)了功能的咨詢、決策、預(yù)測以及信息控制等組合功能，向技術(shù)應(yīng)用性極大發(fā)展[2]。在干旱綠洲區(qū)的特定環(huán)境下作物生長具有特殊性，引進的作物管理系統(tǒng)難免具有功能不全、決策或預(yù)測不當和應(yīng)用針對性不強等缺點，開發(fā)適于本地區(qū)的作物生產(chǎn)管理模型系統(tǒng)是實現(xiàn)干旱區(qū)生產(chǎn)智能化的關(guān)鍵。

棉花規(guī)?；咝С弋a(chǎn)生產(chǎn)技術(shù)是新疆“十一五”重點推廣的生產(chǎn)技術(shù)[3]，新疆得天獨厚的自然資源非常利于棉花集中連片高效生產(chǎn)，但由于品種更新快，對品種的氣候、土壤條件及棉花栽培技術(shù)的反應(yīng)差異不清楚，造成品種區(qū)域間產(chǎn)量差異較大，增產(chǎn)增效不明顯，致使目前雜交棉種植規(guī)模小、地域分散、種植技術(shù)的科技含量不高等，為此，開展超高產(chǎn)棉花高效生產(chǎn)性能的機理的研究，完善新疆干旱區(qū)棉花優(yōu)化高產(chǎn)栽培管理技術(shù)體系，構(gòu)建高效生產(chǎn)的棉花管理決策支持系統(tǒng)，是保證新疆干旱區(qū)棉作實現(xiàn)智能化、自動化、信息化高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建原理

本研究在對實際應(yīng)用需求分析的基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)分析原理，設(shè)計出系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)概念模型，再通過對干旱區(qū)棉花研究成果及大量相關(guān)知識的總結(jié)、分析和提煉，運用數(shù)學(xué)建模技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計分析技術(shù)，構(gòu)建棉花管理模型庫，對通過檢驗的模型映射到具體的軟硬件環(huán)境中，采用程序設(shè)計語言建立可執(zhí)行的原型系統(tǒng)，運用實例檢驗原型系統(tǒng)的準確性、可靠性和穩(wěn)定性，通過檢驗分析系統(tǒng)的反饋信息，對模型中的參數(shù)進行修正和調(diào)整，最終構(gòu)建一個具有時空動態(tài)規(guī)律的棉花種植管理決策支持系統(tǒng)，為推進干旱區(qū)棉花管理的信息化和數(shù)字化打下基礎(chǔ)。

1.3 系統(tǒng)程序開發(fā)技術(shù)

1.3.1 系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)采用Microsoft Visual Basic 6.0的標準EXE工程來進行開發(fā)，采用Microsoft Access 2003構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用基于組件的開發(fā)(CBD)技術(shù)和基于測試用例驅(qū)動(TDD)的軟件工程開發(fā)方法，綜合實現(xiàn)了該系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)庫管理采用完整編程引擎接口，通過ODBC和DDE與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換，可以方便地訪問數(shù)據(jù)庫，可進行數(shù)據(jù)查詢和結(jié)果打印。系統(tǒng)設(shè)計了安全注冊方式，采用單機版形式發(fā)行。

1.3.2 系統(tǒng)運行環(huán)境

硬件:CPU 1.5GHZ以上/顯示器256色以上，分辨率至少為800×600;軟件:Windows 2000/2003/XP/win7操作系統(tǒng)和Microsoft Access。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于模型的“棉花種植管理決策支持系統(tǒng)(MDSSCM)”在構(gòu)建過程中，采用集成技術(shù)，將棉花生長模型、栽培管理動態(tài)模型和管理專家知識庫系統(tǒng)等按照一定的原理進行有機地結(jié)合，形成一個由數(shù)據(jù)庫、知識模型庫、生長模型庫、知識庫和人機接口等部分組成的完整系統(tǒng)(圖1)。

圖1 基于模型的“棉花種植管理決策支持系統(tǒng)”的結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 數(shù)據(jù)庫

作為模型運行的支撐資料和決策信息提取的庫源，數(shù)據(jù)庫主要包括棉花生長季節(jié)的地區(qū)氣象資料、反映土壤性質(zhì)的土壤數(shù)據(jù)庫、反映養(yǎng)分含量及價格的肥料信息數(shù)據(jù)庫、反映遺傳特性參數(shù)的品種數(shù)據(jù)庫以及生長觀測數(shù)據(jù)和栽培措施信息登記庫(觀測時間、肥水施用量、群體長勢等)等。

2.1.2 知識模型庫

根據(jù)設(shè)定的概念模型分類，將知識模型庫分為播前栽培方案設(shè)計、產(chǎn)中生育指標預(yù)測和生長診斷與決策3個部分。其中播前栽培方案設(shè)計包括種植適應(yīng)性決策、產(chǎn)量目標設(shè)計、適宜品種篩選、播種期確定、密度和播量確定、肥料運籌、水分管理、化調(diào)方案等子模型;產(chǎn)中生育指標預(yù)測包括生育進程預(yù)測、干物質(zhì)積累動態(tài)、葉面積指數(shù)動態(tài)、地上部植株養(yǎng)分動態(tài)和株高動態(tài)等子模型。生長診斷與決策模型庫包括基于適宜動態(tài)生育指標判斷的肥、水、調(diào)等措施子模型。

2.1.3 知識庫

對棉花種植管理中某些定性的、目前無法用模型定量表達的技術(shù)性知識，被存放在知識庫中，用來為用戶提供生產(chǎn)管理的知識咨詢。這些知識主要包括棉花的生育特性、栽培的播前準備技術(shù)(種子處理、整地、基肥施用方法、水分管理、病蟲害預(yù)防和雜草防治)、育苗技術(shù)(基質(zhì)配置和消毒、育苗期管理)、田間管理技術(shù)(播種技術(shù)、中耕、施肥、灌溉、病蟲害防治、生長調(diào)控等)、采收技術(shù)與要求以及栽培模式、品質(zhì)性狀等方面的知識。

2.1.4 人機接口

系統(tǒng)以Windows為操作界面，通過菜單、工具欄、圖標、圖形和表格等方式與用戶進行交互，期間的操作只需要通過簡單的鼠標點擊或快捷鍵點擊即可完成。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

2.2.1 數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)針對不同級別的用戶授予不同的權(quán)限，用戶可以在自己的權(quán)限范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)和信息進行瀏覽、查詢、修改、增加及刪除等操作。管理員用戶負責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立與維護，并可以查詢環(huán)境數(shù)據(jù)的計算結(jié)果。

2.2.2 種植適應(yīng)性決策

針對棉花生育對光溫條件的特殊要求，系統(tǒng)根據(jù)決策點特定的生態(tài)氣候條件，決定該地區(qū)的種植可能性，可用于確定棉花適應(yīng)種植區(qū)域，并計算得到該地區(qū)的生產(chǎn)潛力(地區(qū)生產(chǎn)潛力、生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)潛力和用戶可實現(xiàn)的生產(chǎn)潛力)。根據(jù)棉花生育對氣象條件的要求計算出地區(qū)棉花種植的播期方案(包括育苗移栽方案)，為用戶安排生產(chǎn)提供參考。

2.2.3 播前方案設(shè)計

通過動態(tài)模型的運算，系統(tǒng)比較并判斷決策點在常年氣象條件下，根據(jù)土壤、品種等資料以及用戶生產(chǎn)管理水平所決定的產(chǎn)量與品質(zhì)是否與用戶要求相符合，如果符合，則產(chǎn)生一套相應(yīng)的栽培技術(shù)方案。

2.2.3.1 產(chǎn)量目標設(shè)計:根據(jù)用戶所選品種、播期、生產(chǎn)潛力、肥水及管理水平、前3年平均產(chǎn)量等指標，系統(tǒng)計算得到地區(qū)(塊)的可實現(xiàn)的經(jīng)濟產(chǎn)量。

2.2.3.2 品種選擇:根據(jù)用戶對品種性狀的要求、產(chǎn)量目標以及地區(qū)氣候條件，采用多目標決策方法，定量計算棉花品種生長與生態(tài)特征值與環(huán)境因子和生產(chǎn)需求之間的符合度，并換算成品種綜合置信度，通過對不同品種置信度比較，挑選出適宜品種(置信度排名前6位的品種推薦給用戶)。

2.2.3.3 種植密度設(shè)計:根據(jù)“以產(chǎn)定鈴，以鈴定節(jié)，以節(jié)定株”的原理和果節(jié)結(jié)鈴“圓錐體”特性，根據(jù)肥水管理水平對種植密度的影響，通過引入品種分枝性、長勢和株型等參數(shù)，動態(tài)量化不同產(chǎn)量水平下群體果節(jié)數(shù)與單株果節(jié)數(shù)之間的關(guān)系，以用戶前期環(huán)境數(shù)據(jù)的輸入和平均行距的設(shè)定為變量因子，運行模型計算得到基于目標產(chǎn)量、土壤肥料、氣候條件和肥水管理水平的具體地塊的種植密度、株距、播量等。

2.2.3.4 育苗移栽方案設(shè)計:根據(jù)用戶提供的移栽期、氣候、葉齡、移栽存活率等信息系統(tǒng)計算出育苗播期、移栽葉齡、移栽期、育苗面積和苗床密度等，為溫棚育苗提供參考。

2.2.3.5 水分管理方案設(shè)計:通過量化棉花產(chǎn)量與需水量之間關(guān)系，計算出特定產(chǎn)量目標下棉田需水量，再采用Priestly－Taylor模型計算田間蒸散量、有效降雨量和地下水有效利用量，根據(jù)土壤水分平衡原理和棉花的需水規(guī)律，動態(tài)計算棉田的灌溉定額和各生育時期的水分分配定額(系統(tǒng)可制訂溝灌、滴灌的灌溉制度)。

2.2.3.6 肥料運籌方案設(shè)計:在量化棉花產(chǎn)量目標與所需氮、磷、鉀養(yǎng)分總量關(guān)系的基礎(chǔ)上，計算出棉花一生需肥總量，再根據(jù)土壤理化特性及速效養(yǎng)分含量計算土壤氮、磷、鉀當季供應(yīng)量，根據(jù)養(yǎng)分平衡原理和棉花養(yǎng)分需求規(guī)律，計算出棉田氮、磷、鉀的施用總量、有機氮與無機氮的配比以及無機氮基肥與追肥的適宜比例等。

2.2.3.7 縮節(jié)胺化調(diào)方案:根據(jù)品種對縮節(jié)胺調(diào)控的敏感度，按照不同生育期對縮節(jié)胺調(diào)控的效果，計算棉花各時期使用縮節(jié)胺調(diào)控的具體參考用量，為實際化控提供參考。

2.2.4 生育動態(tài)指標預(yù)測

系統(tǒng)通過運行棉花生育動態(tài)指標模型，以圖表的方式為用戶設(shè)計出適宜的生長診斷指標，供用戶參考。

2.2.4.1 生育進程:根據(jù)棉花各階段發(fā)育所積累的生理發(fā)育效應(yīng)恒定的原理，通過定量光照和溫度對棉花生理發(fā)育效應(yīng)的影響，建立以生理發(fā)育時間為尺度的適宜動態(tài)生育時期預(yù)測模型，并引入品種基本發(fā)育因子，來校正各品種的生育時期。模型通過地區(qū)氣象因子、播期等參數(shù)的輸入計算得到棉花發(fā)育進程，確定各生育時期(包括直播和育苗移栽)，為實際預(yù)測提供參考。

2.2.4.2 葉面積指數(shù)動態(tài)指標:運用Monsi－Saeki公式，計算盛花后期至初鈴期棉田適宜最大葉面積指數(shù)(根據(jù)高產(chǎn)棉花冠層發(fā)育特征，此階段葉面積指數(shù)為最高[4])，通過對高產(chǎn)群體葉面積指數(shù)的歸一化動態(tài)轉(zhuǎn)化，建立以生理發(fā)育時間為預(yù)報變量的棉花適宜葉面積指數(shù)動態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上計算得到該地區(qū)(塊)高產(chǎn)田和基于實際播期、品種的葉面積動態(tài)。

2.2.4.3 群體干物質(zhì)積累與群體產(chǎn)量動態(tài)指標:根據(jù)棉花生長的“S”曲線特性，模擬干物質(zhì)積累動態(tài)，并量化棉花各器官干物質(zhì)分配關(guān)系，建立基于分配指數(shù)的各器官干物質(zhì)分配和產(chǎn)量預(yù)測動態(tài)模型，引入采收指數(shù)限定品種參量;在此基礎(chǔ)上計算得到特性品種、播期、產(chǎn)量的群體干物質(zhì)積累動態(tài)，包括根干重、莖干重、葉干重、鈴干重、群體籽棉產(chǎn)量和總干重等。

2.2.4.4 群體養(yǎng)分積累與含量濃度動態(tài)指標:量化群體氮、磷、鉀需求總量與養(yǎng)分積累間的動態(tài)關(guān)系，以及群體干物質(zhì)積累與養(yǎng)分濃度變化間的關(guān)系，建立以生理發(fā)育時間為預(yù)測尺度的棉花適宜地上部植株養(yǎng)分指標動態(tài)知識模型，包括群體氮、磷、鉀積累和株體氮、磷、鉀濃度，為用戶提供特定產(chǎn)量、品種下的養(yǎng)分動態(tài)指標。

2.2.4.5 株高增長動態(tài)指標:棉花的株高變化是通過定量描述基于生理發(fā)育時間的實時株高與經(jīng)過品種植物學(xué)參數(shù)校正而模擬的最終株高之間關(guān)系得到的。用戶輸入品種、播期，即可得到特性地區(qū)(塊)特定產(chǎn)量下的群體株高增長指標。系統(tǒng)用圖形表達出來。

2.2.5 因苗調(diào)控

用戶輸入田間實際苗期指標，系統(tǒng)運行模型得到適宜指標動態(tài)(“專家曲線”)，并與田間實時苗情進行比較，當差異達到10%以上時被認為存在明顯偏差，系統(tǒng)調(diào)用模型，計算出相應(yīng)的管理和調(diào)控措施推薦給用戶，同時修訂生長動態(tài)指標。

2.2.5.1 錄入生長觀察數(shù)據(jù)和肥水措施:運行前需要用戶輸入實時生長的觀測數(shù)據(jù)和已實施的調(diào)控措施量，用于計算因苗預(yù)測和調(diào)控。

2.2.5.2 因苗預(yù)測和調(diào)控:通過用戶對環(huán)境數(shù)據(jù)的設(shè)置，以及用戶在實際生產(chǎn)中對田間苗情的實時觀察和已經(jīng)采取的栽培措施，系統(tǒng)計算出高產(chǎn)條件下的理論和實際觀測校正的葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累、植株氮濃度、植株磷濃度、植株鉀濃度和株高的動態(tài)生長曲線，共用戶實時查詢;系統(tǒng)通過對實際生長曲線與理論曲線比較，計算出偏離“專家曲線”的差值，進而計算針對實際苗情的田間采取措施量(肥、水、調(diào))，供用戶參考。

2.2.5.3 株高調(diào)控:根據(jù)縮節(jié)胺調(diào)控的棉花生物學(xué)效果以及實測棉花株高狀況，通過標準株高與實測株高相比較，系統(tǒng)可計算出棉田需要實施縮節(jié)胺的數(shù)量，供實際調(diào)控查考。

2.2.5.4 產(chǎn)量形成:根據(jù)品種特性、地區(qū)光熱資源、土壤性狀與肥料基礎(chǔ)、產(chǎn)量水平以及管理水平等，系統(tǒng)可以計算出品種在實際播期、管理條件下的產(chǎn)量性狀(果節(jié)結(jié)鈴率、果節(jié)數(shù)、果臺數(shù)和株高)與產(chǎn)量構(gòu)成(收獲株數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、單鈴重、籽棉產(chǎn)量)，通過實際產(chǎn)量形成指標的調(diào)查比較，可分析實際產(chǎn)量形成過程中的差異，找尋產(chǎn)量差異的基本原因，為今后生產(chǎn)管理提供指導(dǎo)。

2.2.6 工具模塊

采用數(shù)學(xué)運算方式計算方案設(shè)計下棉花生產(chǎn)使用肥料的優(yōu)化組合和種植效益，通過靜態(tài)、非結(jié)構(gòu)化的棉花生產(chǎn)知識以閱覽、查詢方式進行表達，為用戶提供理論基礎(chǔ)知識和技術(shù)的培訓(xùn)。

2.2.6.1 優(yōu)化施肥計算器:系統(tǒng)根據(jù)肥料運籌方案設(shè)計計算得到的特定產(chǎn)量、品種的施肥量和肥料信息數(shù)據(jù)庫中養(yǎng)分含量、價格等信息，通過規(guī)劃求解，計算得到肥料施用具體數(shù)值，供用戶參考。

2.2.6.2 效益分析:系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的各種種植費用、商品單價和實際產(chǎn)量，計算求得預(yù)測利潤是實際利潤，供用戶參考。

2.2.6.3 專家知識課堂:對收集整理的大量棉花品種、生育特性、生產(chǎn)管理技術(shù)及病蟲害防治措施等的相關(guān)知識以電子書格式來表達，通過文字、圖片的形式，直觀地顯示給用戶，用于知識學(xué)習(xí)和輔助決策。文本瀏覽包括品種簡介、棉花的植物學(xué)和生物學(xué)特性等;專家知識咨詢包括播前準備、育苗技術(shù)、各期的肥水管理、調(diào)控技術(shù)、病蟲害防治技術(shù)、生產(chǎn)知識問答和各類栽培規(guī)程等。

3 系統(tǒng)運行與檢驗

3.1 系統(tǒng)運行

注冊用戶首先完善決策區(qū)氣候、土壤、品種、肥料等基本信息(在現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中添加、修改、刪除和編輯)。進入主程序界面后進行用戶參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)即進入運行狀態(tài)，用戶點擊任務(wù)欄中的各項任務(wù)進行咨詢、決策、預(yù)測等功能實現(xiàn)。該系統(tǒng)在農(nóng)三師51團進行了試用，具有較好的決策效果，獲得有關(guān)專家及領(lǐng)導(dǎo)認可和好評，具有推廣應(yīng)用前景。

圖2 基于模型的“棉花種植管理決策支持系統(tǒng)”(MDSSCM)主界面

圖3 MDSSCM肥料運籌方案界面

圖4 MDSSCM因苗預(yù)測界面

圖5 MDSSCM專家知識課堂界面

3.2 系統(tǒng)功能檢驗

系統(tǒng)利用阿拉爾、巴楚、焉耆、拜城和石河子5個不同緯度地區(qū)的氣象資料、土壤庫、推廣品種及常年生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)，對這些地區(qū)設(shè)計出正常年份下棉花生產(chǎn)管理決策方案，并與當?shù)夭捎玫拿藁ㄔ耘嗄Ｊ竭M行比較，發(fā)現(xiàn)兩者基本上是一致的，表明系統(tǒng)決策具有較好的實用性和準確性。本文列舉了系統(tǒng)設(shè)計的一整套適合阿拉爾地區(qū)塔里木大學(xué)10團試驗地常年棉花生產(chǎn)管理決策方案(表2－9)，供實際生產(chǎn)參考。

表1 種植適應(yīng)性與播期方案

表2 播前栽培方案設(shè)計

表3 水分管理(m3/hm2)

表4 化調(diào)方案(DPC施用量，g/hm2)

表5 肥料運籌方案(純養(yǎng)分量，kg/hm2)

表6 適宜生育時期動態(tài)(月－日)

表7 適宜生育指標動態(tài)

表8 產(chǎn)量性狀

4 結(jié)論與討論

運用系統(tǒng)學(xué)原理和數(shù)學(xué)建模技術(shù)，參考其他作物管理模型構(gòu)建方法[5－7]，在解析棉花生育及管理指標與環(huán)境因子及生產(chǎn)水平之間的基礎(chǔ)性關(guān)系并進行定量化算法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了棉花種植管理動態(tài)模型，結(jié)合專家系統(tǒng)的知識規(guī)則表述方法，充分利用軟構(gòu)件的特點，在Microsoft Visual Basic 6.0平臺上構(gòu)建了基于模型的棉花種植管理決策支持系統(tǒng)(MDSSCM)，并獲得國家計算機軟件著作權(quán)登記(登記號:2012SR025914)。

相比于已有的作物管理決策系統(tǒng)[8－11]，MDSSCM具有以下幾個顯著特點:(1)綜合性:系統(tǒng)集預(yù)測、決策、咨詢、附加功能于一身，功能全面;系統(tǒng)模型注重解釋生態(tài)環(huán)境和農(nóng)藝措施與作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的內(nèi)在機制，具有一定的理論研究功能。另外，系統(tǒng)適于各級用戶使用(生產(chǎn)規(guī)劃管理部門、實際生產(chǎn)種植部門、生產(chǎn)技術(shù)人員或種植戶，以及科研或技術(shù)服務(wù)人員);(2)使用方便快捷:模型的使用代替了大量的專家經(jīng)驗、基本知識規(guī)則和冗繁的知識表達，用戶只需提供氣候、品種、土壤等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即可進行快速決策;(3)普適性與實用性:系統(tǒng)中動態(tài)指標的確定與措施制定的依據(jù)是以專家知識和高產(chǎn)種植經(jīng)驗為基礎(chǔ)的，模型算法是以作物特性與生長環(huán)境間機理關(guān)系建立的，因而兼顧了棉花生產(chǎn)的內(nèi)在原理與實際管理的響應(yīng)，使系統(tǒng)既具有較強的實用性，又有一定的普適性，在一定程度上適用于不同地點、土壤和生產(chǎn)條件下的棉花生產(chǎn)管理決策。

本系統(tǒng)雖然已利用不同地點的氣候、品種、土壤等資料進行了驗證，但仍需在今后的運用中結(jié)合不同生態(tài)點的具體情況進一步檢驗和評價，使之能更好地服務(wù)于干旱區(qū)棉花生產(chǎn)管理決策。

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