草坪建植管理智能决策系统的建构

2014-12-21王凤萍柳小妮王红霞潘冬荣

草原与草坪 2014年1期

王凤萍，柳小妮，李毅，王红霞，潘冬荣

（1.甘肃农业大学草业学院／草业生态系统教育部重点实验室／甘肃省草业工程实验室／中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070；2.兰州职业技术学院，甘肃兰州 730070）

草坪可以绿化、美化城市环境，有护坡固岸、防风固沙、涵养水土和净化空气等作用，种植草坪不仅能为人们提供一个愉悦、干净、舒适的工作和生活环境［1，2］，而且可获得相应的生态环境和社会经济效益［3－5］。

美国的草坪业已经成为其十大支柱产业之一［6］，我国草坪业起步晚，但发展速度快。草坪业的迅速发展，促使新的草坪草品种不断问世，建植管理技术也不断更新。但与草坪相关的大量的科学资料和研究成果过于分散，加大了草坪工作者在草坪信息查询过程中的工作量和复杂性［7］，给实际工作带来不便。因此，在计算机技术不断发展和普及的现代社会，利用计算机技术集成草坪研究成果，实现信息共享已成为当前的形势需要。近年来，在计算机草坪管理系统建设方面，取得了不少成果［2，8－13］。这些系统在草坪管理、杂草鉴别、草坪草种和草坪病虫害等方面拥有的信息量较大，查询简捷方便，但数据时效性差，有的系统基于PC版，不利于推广。

本研究拟设计一个具有智能决策和浏览查询功能的草坪建植管理的智能决策系统，该系统可根据初始条件，在知识库寻找相关知识，经过推理机运算推理，将不同用途草坪建植管理方案的全过程展现给用户，为使用者提供比较准确的查询结果和标准化的草坪建植管理方法。

1 系统结构

智能决策支持系统（Intelligent Decision Support System，简称IDSS）是在传统决策支持系统的基础上发展起来的一种基于知识、智能化的决策支持系统。核心思想是将人工智能（AI，Artificial Intelligence）和DSS（决策支持系统）相结合，使DSS能够更充分地应用人类专家的知识，通过逻辑推理来帮助解决复杂的决策问题［14］。草坪管理智能决策系统也是由模型库、数据库、知识库、推理机及人机交互界面等部分组成（图1）。用户可通过人机交互界面对知识库中的知识、模型数据及数据库中的数据进行查询。推理机通过匹配知识库中的知识、数据库中的数据、模型模拟的输出结果进行推理，最后由输出系统输出结果。

1.1 知识库

草坪建植管理智能决策系统的核心是知识库，其建设需长期而连续的资料积累和信息收集，只有存贮了足够信息的系统才能有其真正的作用和意义［15］。因此，在建设系统知识库前，首先要收集、整理相关的数据和资料，并按照系统的结构与功能，统一数据格式。

图1 草坪建植管理智能决策系统结构Fig.1 The structure of turf establishment and management intelligence decision system

按照系统目的，该系统知识库主要包括有关草坪的各种基础知识和信息，如草坪草种、草坪建植、草坪管理、草坪机械、观赏植物以及草坪评价等方面的相关基础知识（图2）。

图2 知识库结构图Fig.2 Structure of knowledge base

1.1.1 草坪草种收集了禾本科8个属（翦股颖属、狗牙根属、黑麦草属、早熟禾属、羊茅属、碱茅属、结缕草属、菭草属）和豆科1个属（三叶草属）共计46种300多个草坪草品种的相关信息，包括草坪草品种的中文名、英文名、科名属种学名，以及分布、形态特征、生态习性、栽培要点和园林用途等文字、图片信息。

1.1.2 草坪建植草坪建植主要包括坪床制备和建植两个步骤：

坪床制备草坪质量主要取决于其坪床结构及其建造质量，制备草坪坪床要遵循一定的原则［16］。不同用途的草坪其坪床制备不同，坪床结构类型多样，在建造坪床之前应综合考虑场址状况、当地的气候条件、坪床的质量水平、使用强度、资金等因素等。

坪床制备知识库主要包括场地清理、土壤改良、排灌系统的安装3个方面的具体步骤。不同地域、不同用途草坪的坪床制备要点也不同。

草坪建植草坪建植方法多种多样，但一种好的方法会给生产者带来丰厚的经济效益［17］。不同的建植方法各有其优缺点，如铺草坪卷，成坪速度快，但整齐度差，成本高。该部分知识库囊括了营养繁殖和种子直播的具体步骤和注意事项。

1.1.3 草坪管理草坪建成后的关键是养护管理，不实施科学管理，草坪质地就会过早地变坏、退化、杂草丛生［18］。该系统收集了不同用途草坪的幼坪养护和成坪养护知识，主要包括浇水、施肥、修剪、杂草防除、病虫害防治以及草坪复壮更新等的具体措施和要点。

1.1.4 草坪机械根据草坪的建植管理情况，草坪机械分为三大块，分别是坪床准备机械、草坪建植机械和草坪养护管理机械。系统包括坪床制备机械（除根机、开沟埋管机、推土机、平整滚压器、旋耕机、铧式犁、圆盘耙、挖掘机、平整机等）、草坪建植机械（播种机械、喷播机械、草皮移植机械、起草坪机等）和养护管理机械（割灌机、吹风机、梳草切根机、中耕机、剪草机、杂草修剪机、施肥机、打孔机、滚压机、打药机械、修边机械、清洁机械、喷灌设备等），共300多种不同型号的草坪机械的相关知识。

1.1.5 观赏植物观赏植物也是草坪不可缺少的一部分。如高尔夫球场的设计是草坪、树木、花卉等要素的完美组合。系统主要收集了草本花卉、灌木、乔木、藤本等200多个常用观赏植物的文本资料（形态特征、栽培要点、习性与应用等）和图片等信息，可供查询和检索。

1.1.6 草坪有害生物由于我国地域辽阔，气候条件复杂，在不同气候带地区，草坪病害都对草坪草造成了不同程度的危害。该系统收集30多种草坪常见病害，包括其名称、症状、病原、寄主范围、发生规律、防治方法以及相应的图片等，资料齐全。

草坪虫害也是草坪有害生物的一部分，系统收集了93种虫害，包括虫害名称、俗名、拉丁名、虫害类别、特征、寄主、危害部位、危害症状、生活史、天敌、发生条件和防治措施等，资料详细。草坪植物的虫害相对于病害危害比较轻，但是害虫取食草坪草，污染草地、传播疾病，严重影响草坪质量。

草坪杂草与草坪草争夺光、水分、肥料，滋生病虫害，严重影响草坪观赏价值。该系统收集了75种杂草，主要包括杂草名称、俗名、科名、属名、种中文名、种英文名、种学名、杂草类别、识别要点、发证条件、防治措施、危害分布等基础资料。

1.2 数据库

1.2.1 草坪质量评价数据库草坪质量评价数据库包括草坪外观质量（草坪颜色、草坪密度、草坪均一度、草坪质地、草坪高度、草坪盖度），草坪生态质量（草坪组成成分、草坪草分枝类型、草坪草抗逆性、草坪绿期、草坪植物生物量），草坪使用质量（草坪弹性、草坪滚动摩擦性能、草坪滑动摩擦性能），草坪基况质量（土壤养分、土壤质地、土壤水分、土壤酸碱度）4个方面的测定方法及评价标准。

1.2.2 草坪草品种数据库该数据库以品种名称为索引字段，采集并整合现有的草坪草品种数据，建立草坪草品种信息数据库（按照国际通用的数据库分类法的源数据库），实现准确定位、快速查询的功能。本库共涉及300余种草坪草品种，其数据内容包括品种名称、品种特性、生态适应性、分布、栽培要点等（表1）。

表1 草坪草品种信息数据库Table1 Information of turfgrass cultivars database

1.2.3 气象信息数据库气象数据为中国区域内2 300多个气象站点1961～2004年的气象属性数据，包括站点名称、年均降水量＞0℃的年积温、经度、纬度和海拔高度等。

1.3 模型库

模型是对现实的事物、现象、过程或系统的抽象描述。系统对某些问题的推理、判断，常需要以“规则＋模型”的方式来求解［19］。该系统主要依据草地综合顺序分类模型，按照热量级划分的5个人工草地热量带［21］对草坪建植区域进行划分。

草坪气候生态区根据年均温、最冷月（1月）和最热月（7月）平均气温、年均降水量、最冷月（1月）和最热月（7月）的平均相对湿度，共6项指标划分草坪气候带。指标繁多，不易获取，而且指标重叠，导致部分地区同时属于多个气候带，影响系统检索。而草地综合顺序分类法主要以年均降水量和＞0℃年积温为划分标准，划分结果范围明晰，易于使用。

2 系统功能

系统兼有智能决策和浏览查询功能，智能决策功能综合运用推理、解释等机制帮助用户设计建植管理方案，解答建植技术问题以及养护管理方法。设有普通查询、专业咨询、专家解疑以及信息管理维护等功能模块，并设有信息输出打印功能（图3）。

2.1 查询模块

图3 系统功能Fig.3 Function of system

查询功能模块主要设有常见草坪观赏植物、草坪机械、草坪有害生物、草坪质量评价、常见草坪草等选项。使用者可按照需要查询的问题，输入或者选择下拉菜单内容进行查询，系统将显示查询结果，并提供一些草坪信息相关研究进展、相关文献、相关网站等，方便用户进行草坪信息交流与资料查询。

2.2 专业咨询模块

专业咨询模块是智能决策系统的核心部分（图4）。当使用者在界面输入草坪建植地点名称或选择相应的建植气候区域，并选择草坪类型（如高尔夫球场草坪）后，系统会通过推理机综合进行推理、判断，最终展示从坪床制备、草坪草品种选择、建植细节一直到养护管理等全过程，为用户提供一个详细全面的草坪建植养护方案。

以兰州建植足球场为例，在查询窗体输入“兰州”或选择“温带”，并在草坪类型一栏选择“足球场”，系统经过推理，展示出适合兰州建植足球场的草坪品种，足球场坪床的制备过程，足球场的建植方法以及足球场的养护管理。用户可进一步根据所需详细资料查看足球场建植管理方案内容。

（1）草坪坪床制备不同类型草坪坪床的制备过程，主要包括场地的清除、土壤改良、平整、排灌系统的安装等。

（2）草坪草种根据不同建植区域和不同类型草坪筛选适合该地区的草种。

（3）草坪建植方法提供最终的播种或者铺植技术，如种子播种，包括品种配比、播种量、播种时间等具体操作方法。

（4）养护管理包括不同类型草坪的成坪养护和幼坪养护技术。主要有灌溉、施肥、修剪、病虫害杂草防治、复壮更新等管理措施。

图4 草坪建植养护方案Fig.4 Flow chart of the system

2.3 信息维护与输出

系统拟采用Delphi 6.0和SQL语言编程，按照软件工程的设计方法，充分考虑了易维护、易操作和可扩充性等要求，利用面向对象的开发方式。使用者可根据所需，选择部分或者全部查询结果，通过打印功能输出信息。同样，草坪建植管理过程也可详细显示具体方法和步骤，并打印输出。

在使用过程中，必然要对系统进行定期维护和数据更新，主要是针对数据库、模型库和知识库等的编辑修改、添加、更新、备份数据等，不仅保证数据的时效性，而且当电脑安全遭到破坏时，应有补救的措施，将系统损失降低到最低程度。

3 小结

草坪建植管理智能决策系统兼有智能决策和浏览查询功能，不具备专业知识背景的使用者，也能方便的查询到相关信息和知识，推广应用前景广泛。

同时，草坪建植管理智能决策系统的建立，可完成从草坪草品种的选择到草坪建植、养护管理等全过程的一个智能化的查询和指导功能，将模型的功能与专家系统的逻辑推理相结合，增加了指导草坪建植管理的科学性，并同计算机技术相结合，可使原来仅局限于小范围和专业人员应用的系统，呈现在广大普通用户面前，具有广阔的推广应用前景和价值。

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