全 文 ：中国生态农业模式管理信息及决策支持系统的建立*
黄进勇 王兆骞* *
(浙江大学农业生态研究所, 杭州 310029)
摘要 根据全国生态农业试点县建设和典型生态农业模式研究的经验, 利用 Access 数据库技术建立了
全国首批生态农业县有关自然资源背景、农业生产水平、生态环境与工程技术等各种基础信息数据库和所
推广应用的生态农业模式信息数据库, 可快速方便地提供各生态农业县相关信息或知识的查询或编辑 .在
此基础上,采用了面向对象的推理方法建立了生态农业模式区域决策的知识库体系模型, 并利用 Visual
C+ + 语言初步开发出生态农业模式的区域决策支持系统,基本上实现了区域生态农业模式的决策推荐 .
关键词 生态农业模式 管理信息 决策支持系统 中国生态农业
文章编号 1001- 9332( 2003) 04- 0525- 05 中图分类号 S181 文献标识码 A
Establishment of Chinese ecoagricultural model management information and decision support system.
HUANG Jinyong , WANG Zhaoqian ( Agroecology Institute, Zhej iang Univer sity , H angzhou 310029, Chi
na) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2003, 14( 4) : 525~ 529.
According to the exper iences of ecoagricultural county construction and research on ecoagricultural model, Ac
cess technology was used to build the database system about natural resource, agricultural production, ecoenvi
ronment, ecoeng ineering and technology, and ecoag ricultural model information of each ecoagr icultur al coun
ty. T he relative information of 51 ecoagricultural counties could be offer ed in the system. On the basis of build
ing database system, objectoriented method was applied to design the knowledge base of ecoag ricultural model,
and visual C+ + w as used to exploit Chinese ecoagr icultur al model management information and decision support
system. The implement of ecoagricultural model decision w ith t he help of computer was developed primarily.
Key words Ecoagricultural model, Management information , Decision support system, Chinese ecoagricul
ture.
* 农业部生态环境科技推广基金资助项目.
* * 通讯联系人.
2000- 12- 25收稿, 2001- 03- 26接受.
1 引 言
生态农业建设实践表明, 其核心和基础是模式
建设.因此,根据不同地区的生态、经济条件, 利用各
种组合效应选择和组建较为适宜的生态农业模式并
对其进行优化, 是我国生态农业推广与建设水平提
高的重要任务[ 4] . 然而, 我国学术界对生态农业模
式的研究远远跟不上生产发展的需要, 一方面各地
农民在生产实践中大量创造的各种具体模式缺乏科
学研究的支撑, 另一方面在科学研究支撑下的,从决
策、设计到管理, 能有效地指导生态农业建设的手
段、特别是现代信息科技手段十分缺乏[ 1, 9] . 因此,
开展中国生态农业模式管理信息及决策支持系统研
究具有重要的理论意义和实用价值.
2 系统特点与功能设计
21 系统特点
211 具有模式及相关信息的管理与区域决策的双
重功能 该系统的整个构建体系包括两大模块, 即
生态农业模式管理信息模块和区域生态农业模式决
策模块. 所要实现的目的就是利用已有的生态农业
建设知识(包括各种规模或类型试点建设中的相关
数据、参数、模型、规划过程乃至经验与教训等)为基
础(知识对象) ,参考区域(界定在特定的模式建设区
域)供给农业生态经济条件对该区域生态农业模式
建设进行决策,并为管理部门和决策者提供县域农
业生态建设的组织、管理、建设及优化的参考依据.
系统适于不同生态经济类型区有关农业生态县建设
的数据采集、存储、管理、分析、处理、咨询、决策和应
用等全过程服务的生态农业模式管理决策系统.
212 直观、实用 采用可视化语言编程环境建立
用户界面,通过人机对话完成信息输入、修改、查询、
存储、决策参考等功能.在给予不同生态经济类型区
政府农业管理部门和领导以直观具体的专家咨询和
决策支持的同时, 还能对国家有关部委和课题领导
部门进行总结汇报, 对区域生态农业建设予以具体
指导.
应 用 生 态 学 报 2003 年 4 月 第 14 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr . 2003, 14( 4)!525~ 529
213 信息量大、内容丰富 总结和分析全国各地
不同生态经济类型区现有生态农业县模式建设的一
般规律,结合管理信息系统的内涵和要求,在系统设
计上建立了各种生态农业信息库,可以通过系统完
成以下信息查询: ∀ 生态农业县基础数据信息(包
括资源状况、农业生产条件和经济发展水平等) ; #
生态农业县农业生态环境信息(包括农业生态及环
境状况) ; ∃ 生态农业县农业生态建设工程技术信
息; %生态农业县分区及其推广模式信息; & 全国
典型生态农业模式信息等各种生态农业基础信息.
214 具有计算机辅助决策功能 由于生态农业模
式的选建随区域气候温湿梯度、流域地形梯度、城乡
经济梯度(特别使产业结构梯度)人口密度梯度和社
会发展水平的变化而呈现出规律性,因此通过选择
有关揭示这些模式组建规律的若干指标和搜集整理
模式的组建参数,建立适用的模式决策模型(包括模
式决策知识表达及决策算法等) ,通过人机交流或对
话,实现区域生态农业模式的辅助决策功能.
22 系统功能
该系统功能采用 Visual C+ + 计算机语言和 Ac
cess 7. 0 数据库技术设计. 根据研究目标并参考有
关文献[ 1~ 3, 5, 6, 9] , 该系统设计具有对话管理、信息
输入、信息输出、系统管理和区域模式决策等模块,
这些模块中又包含数据录入、修改、查询、报表等一
系列具体的功能.系统应用功能则是在系统目标、结
构、组成和基本功能设计的基础上完成的,主要具有
以下两项功能: ( 1)全国生态农业县生态农业模式建
设的有关资料、信息管理和评价功能.该功能主要依
附于有关全国生态农业县模式建设已有的资料, 其
来源主要有二, 一是我们在全国首批生态农业试点
县进行模式建设过程中搜集、整理和研究的资料数
据(包括与其它单位协作研究资料) ;二是目前已经
在各学术杂志上公开发表的全国范围内典型生态农
业模式建设的研究信息. 显然,就当前现有资料来说
并不完全, 一是全国范围内的生态农业建设正在进
行,各种颇具广阔前景的新模式正在或即将出现, 有
关信息还不完善;二是生态农业模式建设受自然和
社会经济因素的多重影响和制约, 特别是市场因素,
随着时间的延伸一个类型区典型生态农业模式有可
能改变和更新, 原有的模式信息就必需得到修正. 基
于上述原因,系统中有关某一类型区的典型模式建
设的信息就必需修改或重新输入,并存储固定在系
统中. 系统的这项功能在设计上应该考虑可随时进
行,由系统维护人员通过屏幕界面操作完成. 此外,
系统功能上还应该有利于进行典型生态农业县建设
模式的检索和查询等. 生态农业模式实施效果评价
是系统的重要内容之一, 我们根据以往研究成果和
有关文献筛选出 25个指标,利用相关指标分别对模
式实施的生态、社会和经济效益进行分析和评价.
( 2) 区域生态农业模式的计算机辅助决策. 根据生
态农业模式建设区域所属生态经济类型区确定主导
该地生态农业模式构建的背景信息, 通过一定的编
码转换,使之符合模式决策的计算机需求条件, 通过
人机交流,完成模式决策过程.这些背景信息主要包
括气候温湿状况、流域地形状况、经济产业结构、人
口密度状况和社会发展水平等方面.
3 系统的数据库及知识库结构
31 系统数据库结构
311 生态农业县基础数据信息 内容主要涉及包
括资源状况、农业生产条件和经济发展水平等在内
的生态农业县建设信息.共有 109个字段,包容了从
1990~ 1998年全国首批生态农业县建设项目启动
( 1993年启动)前到检查验收期( 1998年)共 9个年
头的各项指标数据信息.其中,资源数据信息包括土
地资源、水及气候资源等十几种指标;人口、交通及
经济发展水平信息主要包括人口、交通、经济、产业
结构等 20种指标;农业生产条件及生产水平信息主
要包括农机、肥料、农村用电等农业生产条件及农田
产出水平等 60种指标.各指标字段也都设定为数字
型,字段大小设置为长整型,格式为一般数字.
312 生态农业县农业生态环境信息 包括生态农
业县建设过程中各项生态环境指标值. 主要有统计
年份、生态农业县名、全县工业企业数、乡镇企业数、
各种污染指标及水土流失等生态环境方面约 50种
指标,各指标字段的属性分别采用下述设置:统计年
份为日期型;生态农业县名、污染企业名、大气环境
质量、地面水质量、饮用水质量、土壤质量等字段设
定为文本型,其余各字段均为数字型.
313 生态农业县农业生态建设工程技术信息 内
容主要为各生态农业县建设过程中所推广应用的农
业生态工程和技术信息.包括工程名称、实施年限及
效果等方面.其属性设置为: 统计年份、项目启动时
间、工程完工日期等设定为日期型; 生态农业县名、
编号、工程编号、工程技术名称、类型、技术或工程投
资来源等设定为文本型;其余设定为数字型.
314 生态农业县分区及其推广模式信息 主要提
供已有生态农业县建设过程中的分区情况及其推广
526 应 用 生 态 学 报 14卷
应用的主导生态农业模式.字段包括生态农业县名、
典型生态农业模式、模式推广应用区域等.各字段属
性设置均为文本型, 字段大小根据需要调整设置(其
中 ID字段为用于索引的自动编号索引字段, 可加
速字段搜索及排序速度, 将索引设定为∋有,无重复(
可禁止字段出现重复值. 以上各信息表均设定有该
字段) .
315 全国典型生态农业模式信息 采用Word文
本和图形显示相结合, 主要列述全国范围内研究较
为成熟且有大范围推广的典型生态农业模式信息.
文本显示内容包括模式的名称、结构、功能、效益表
现、推广应用区域等诸方面信息. 此外, 该信息还将
包括生态农业及其模式的一般概念和常识列述进
去.我们确定的主要代表性模式有:北方∋四位一体(
庭院生态农业模式、热带亚热带胶- 茶- 鸡生态农
业模式、基塘生态农业模式、种养加产业化生态农业
模式、山水田园路综合治理模式、林地立体复合模式
等.对其中较为典型且表现直观的模式辅以图形的
方式显示和介绍(设计中将图形显示部分列述在区
域模式决策结果模块部分, 在区域模式决策输出结
果界面只要选中其中任一模式后, 点击∋模式图片信
息及相关介绍(按钮即进入图形显示界面) .模式信
息库可以提供每一模式的原理、结构及功能等方面
的内容.
32 系统知识库
321 生态农业模式知识库模型 针对生态农业专
家知识范围广泛, 知识类型复杂, 既有定性的,又有
定量的,既有确定、结构化的,又有非确定性、非结构
化的.为此, 我们采用的是面向对象的知识表示方
法,该方法可以表示一大类知识[ 7, 8] .我们建立的生
态农业模式建设知识模型如图 1所示.
图中矩形框表示对象∋类(, 椭圆形表示∋对象(.
例如,由于稻桑鱼猪模式、胶茶鸡模式、鱼猪果沼模
式和庭院立体种养模式具有共同的∋底层类(:立体
种养型;而资源高效型模式类、生态环境治理型模式
类和产业结构优化型模式类都属于中国生态农业模
式,向上抽取形成∋顶层类(:生态农业模式.显然,这
种结构模型层次较为清晰,非常有利于推理机对知
识的运用和搜索.
生态农业模式建设知识库管理系统: 通过知识
库编辑模块可以输入、增加、删除和修改生态农业模
式建设的领域知识, 该系统可以实现知识的继承输
图 1 生态农业模式建设知识模型
Fig. 1 Knowledge model of ecoagricultural model const ruction.
EAM: Ecoagricultural model, RUM : Resource ut ilizing model, CT M: Croppinghusbandry t ridimensional model, RM FPM: Ricemulberryfishpig
model, RTCM : Rubbert eachicken model, FPFBM : Fishpigf ruitbiogas model, GCBM: Garden croppinghusban dry model, BLM : Biogaslinked
model, WCM: Water cultivat ing model, GCM: Greenhousecult ivat ing model, EEIM : Ecology & environment improving model , FTM : Forest
t ridimensional model, FFM: ∋ Fivethreetwo( f orestfruit model , MFMM : Mountain forest mult ilayer model, AFM: Agroforest ry model, T M : Ter
racing model, PIM : Paulownia intercropping model, AFWCM: Agroforest ry model for w atersoil conservation, CCM: Highyield cropland construc
t ion model, ISOM: In dust ry st ructure opt imizing model, AFFGM: Agrof orest ryf ruitgrazing model, GRFM: Graingrazing fish model, TEM :
Grain and economic crop ∋ two elements( model , IM : Croppinghusbandryprocessing industrialization model.
5274 期 黄进勇等:中国生态农业模式管理信息及决策支持系统的建立
入,即输入具体对象(模式)的属性值(应用条件范围
取值)时, 该对象(模式)就自动拥有所属类及其先辈
类的所有属性, 用户对该对象(模式)的每一个属性
都要赋值;通过知识库浏览模块,用户能以树型目录
的形式查看知识库的总体结构.
322 面向对象的推理方法 推理网络随着模式
(即对象)划分而被分解到各个知识对象中去, 推理
机的主要作用就是选择可用对象(模式)进行推理.
因此,推理机也被分散到各个对象(模式)类中.主推
机只选择对象(模式) ,由对象(模式)本身进行推理.
面向对象(模式)的推理系统包括: 分布式推理机、列
表组和用户界面.其中列表组包括一个类名列表, 一
个对象(模式)缓冲区列表,一个结论缓冲区列表.
面向对象推理机包括主推理机和类中推理控制
部分.主推理机控制类和实例的选择;类中推理控制
部分控制实例中属性的选择与匹配.在本推理机系
统中,首先对类的典型特征进行判别.若典型特征不
匹配,则目标对象(模式)不可能属于该类,且不可能
属于该类的子类.这样就实现了在搜索过程中的∋剪
枝(,加快了搜索速度. 考虑到农业的实际情况及专
家系统用户输入的方便性, 本主推理机采用了广度
优先的搜索策略.实例对象推理是在类的推理部分
(类推理机)控制下进行的.主推理机结束推理时, 实
例对象(模式)随之结束.
本系统在推理设计上采用不确定继承推理方
法. 所谓∋不确定推理(是指专家系统用不完整的,
或者不完全确定的知识和数据, 通过强度不一的判
别条件(判别方法) ,由不确定算法推出相对确定的
结论和目标.在不确定推理算法中, 用到如下概念:
A. 对象域的取值. 对象域的值分理论值和实际值.
理论值存在于知识库中, 实际值在推理中让用户根
据当前实际情况给出. B. 域的可信度( CF) . 表示域
的理论值和实际值接近的程度, 该可信度的取值在
0到 1之间, 不同类型的域的可信度由不同算法模
型求得.
如某一域( field)是布尔型, 则
CF ( f ield ) =
1域的实际值与理论值相等
0. 5用户对该域的取值无法确定
0域的实际值与理论值不符
如果某一域是枚举型,则
CF (f ield )
1域实际值在枚举类型所定义的枚举量中,
且实际值与理论值相符
1 -
| V s- V e |
n
域实际值在枚举类型所
确定的枚举量中, 但实际值与理论值不符
0域实际值不在枚举类型所定义的枚举量中
其中, V s、V e 分别是域的实际值、理论值在枚举量
中所处的位置坐标(有序值) , n 为该枚举类型所包
含的枚举量的个数.
如果某一域( field)是数值型, 则
CF(f ield )
1- | Vs - Ve | / Ve该域没有定义取值,且
| Vs - Ve | / Ve ) 1
1- | Vs - Ve | / Vmax - Vmin该域定义了取值
范围,且 | Vs - Ve | / Vmax - Vmin ) 1
0其它
其中, V s、V e 分别为该域的实际值、理论值, Vmax、
V min为该域的最大、最小值.
知识库中对象各域都有领域专家分配的权重因
子,这些权重是领域专家根据经验粗分配,再经软件
试验运行进一步调整得到的.域的权重代表该域的
可信度对目标对象可信度影响的大小. 权重因子
W i 定义为 W i ∗ { x | - 100 ) x ) 100} , 其中负权值
的设置是为了解决某一域为判定该域所属对象的必
要条件的问题.即若某一域的权值为负,且该域可信
度 CF i= 0,则立即判定当前目标对象可信度为 0.
设某一对象各域权重的绝对值组成的向量为( |
W 1|、| W 2|、+、| W i | ) , 则该对象的判定方法算子
为
OP ( x ) =
x ( | W 1| , | W 2| , +, | W i | )
( 1/ CFT 1, 1/ CFT 2, . . . , 1/ CFT i, ) . ( | W 1, | W 2| , +, | W i | )
其中, x 为 i 维向量, CFT i 分别为各域的理论值与
实际值相等时的可信度.为简化问题,在当前各域计
算公式下所有 CFT i= 1.
对象的目标值由各域的可信度和该域的判定方
法算字决定,即
CF ( object ) =
0 存在 W i < 0,且 CF i = 0
OP( x ) 其它
其中, x 为对象 ( object )各域的可信度组成的行向
量.基于面向对象的知识表示方法,子类继承父类的
全部属性, 则推理也必然具有继承性, 这主要指的
是: ( A)当用户对类的某一属性赋值时, 则以该类的
所有子类的该属性都被赋于同样的值; ( B) 当用户
对类的典型特征回答∋ 不能确定(时, 推理机将记录
此信息, 并将此信息作为最终对象目标值的一个衰
减因素.
具体方法是, 当典型特征的回答为∋是(时, 认为
目标对象可信度不衰减, 当回答为∋不是(时, 立即
∋剪掉(以当前类为根结点的子树;当用户回答∋不能
确定(时,从知识库读取该类的衰减因子 ni . 设( n1,
n 2, +, ni )为对某一类的∋祖先(及该类的典型特征
528 应 用 生 态 学 报 14卷
询问,回答∋不能确定(构成的集合.则该类的对象目
标值的衰减系数 t 为
t = min ( n1, n 2, +, ni )
对象的目标值修正值为:
V ( obj ect ) = t,CF ( obj ect )
4 系统界面及区域生态农业模式决策系统运行实例
根据通用系统推理机功能要求及用户需求分
析,我们主要设计了以下几个主要用户界面: 中国生
态农业管理信息及决策支持系统主界面; 生态农业
县及其模式信息管理子系统界面;生态农业模式建
设决策支持子系统界面; 知识库建立、编辑修改界面
及模式选建判别结果输出界面等.
在系统主界面下进入生态农业模式建设决策支
持子系统界面, 根据已经建立起来的∋生态农业模式
选建知识库(,点击∋系统决策(按钮后进入系统询问
体系, 分别回答区域进行生态农业模式建设的总体
实现目标、模式建设区域的自然条件、资源背景、生
态环境、市场与交通及经济发展水平等各种态势信
息,提交后系统根据用户所回答信息运用不确定的
推理算法进行决策,最终输出系统决策推荐的具有
不同可信度的数种具体生态农业模式供用户参考.
5 结 语
本文是将地域性较强的生态农业模式管理与决
策推向信息化的一种尝试, 其目的旨在推广我国数
十年进行生态农业建设过程中积累的丰富经验, 并
提高其工作效率和建设效益. 本文根据研究目标和
全国首批生态农业试点县建设和典型生态农业模式
研究与推广选建的经验, 系统地设计并初步建立了
中国生态农业模式管理信息及决策支持系统. 该系
统可以提供生态农业县基础信息、生态环境、生态工
程技术和模式推广应用及典型模式机理研究等方面
的信息或知识, 采用了面向对象的推理方法建立了
生态农业模式决策的知识库体系模型, 初步实现了
区域生态农业模式计算机辅助决策的设计目标.
需要指出的是, 系统在设计过程中首先必须解
决的问题就是如何进行模式的分类. 由于生态农业
模式地域千差万别, 进行适当的模式体系分类极为
困难.尽管该系统在设计上将全国各地区域生态农
业模式的建设目标作为模式分类的主要依据,但各
种模式目标性质的划分和界定仍然很难区分,给系
统最终的决策结果带来误差.此外,系统难以就全国
各地模式建设的各种具体的自然、生态、经济技术指
标进行有效的搜集和对每一典型模式的机理进行研
究,以及难以建立能够反映它们之间关系的数学模
型.因此, 要完善系统结构和内容, 进行更为准确的
区域生态农业模式决策尚需作大量科学研究.
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作者简介 黄进勇, 男, 1969 年生, 博士, 讲师. 主要从事农
业生态、区域农业可持续发展研究, 发表论文 10 余篇. E
mail: jinyhuang@ 263. net
5294 期 黄进勇等:中国生态农业模式管理信息及决策支持系统的建立