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1、沈阳农业大学学报，2 0 0 6-0 6,3 7(3);3 9 5-3 9 8J o u r n a l o f S h e n y a n g A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,2 0 0 6-0 6,3 7(3):3 9 5-3 9 8日光温室番茄生产管理智能专家决策系统的研制 贺超兴，张培新，张志斌(中国 农业科学院 蔬莱 花卉研究所，北京1 0 0 0 8 1)摘要:日 光温室番茄栽培是实现番茄全季节高产栽培的主要形式。为了实现对日 光温室番茄生产的 智能化管理，并对生产和销售提供决策支持指导。基于W i n d o w s 平台
2、采用V C 6.0 为设计语言及编程方法，选择M i c r o s o f t a c c e s s 构建日 光温室温湿度周年通用环境数据库，开发了日 光温室番茄生产管理专家决策系统。根据对番茄生理发育时间的计算确定，结合不同月份温室的环境参数条件拟合了 番茄主要生长发育期及果实成熟期，实现了 根据番茄采收期观测确定播期和根据播期预测产期，还可借助日 光温室周年环境温湿度数据预测预防病害发生，为温室番茄生产的 精确化、智能化管理打下基础，通过将专家研究资料与计算机的 结合为温室番茄全季节高产高效栽培技术的推广打下了基础。关键词:日 光温室;番茄;环境数据库;专家决策系统中图分类号:S 6
3、4 1.2;S 6 2 5.2文献标识码:A文章编号:1 0 0 0-1 7 0 0(2 0 0 6)0 3-0 3 9 5-0 4S t u d y o n I n t e l i g e n t E x p e r t D e c i s i o n S y s t e m f o r T o m a t o P r o d u c t i o nMa n a g e m e n t i n C h i n e s e S o l a r G r e e n h o u s eH E C h a o-x i n g Z H A N G P e i-x i n Z H A N G Z h i
4、-b i n (I n s t it u t e of V e g e t a b l e s a n d F l o w e r s,C h i n e s e A c a d e m y o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s,B e ij i n g 1 0 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:T o m a t o p l a n t s w e r e o n e o f m o s t i m p o r ta n t c ro p s c u l t i v a t e d i n C h i n e
5、 s e s o l a r g r e e n h o u s e.I n o r d e r t o p r e c i s e ly m a n a g e-m e n t a n d p r o v i d e a d v i s e d e c i s i o n f o r t o m a t o p r o d u c t i o n.A t o m a t o p r o d u c t i o n i n t e l i g e n t e x p e r t d e c i s i o n s y s t e m s o f t w a r e w a s d e-s i
6、g n e d w h i c h a d o p t s V C 6.0 a n d W i n d o w s p r o g r a m m i n g m e a s u r e l a n g u a g e o f p r o c e s s.M i c ro s o f t a c c e s s d a t a b a s e w e r e u s e d t os t o r e e n v i r o n m e n t p a r a m e t e r s u c h a s a i r t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i
7、t y,b y u s e o f P D T(p h y s i l o g i c a l d e v e l o p m e n t d a t e)a n d e n v i r o n-m e n t a l d a t a b a s e,t h e h a r v e s t d a t a a n d y i e l d o f t o m a t o f r u i t s c a n b e d e d u c e d a n d f o r e c a s t e d i n t h e e x p e r t s y s t e m,s o t h e s y s t
8、e mw i l l h a v e g o o d f o r e g r o u n d f o r e x t e n d i n g t o m a t o l o n g s e a s o n h i g h y ie l d c u l t iv a t i o n t e c h n i q u e i n g r e e n h o u s e.T h e s y s t e m a l s o c a nb e u s e d t o p r e v e n t d i s e a s e a n d p e s t a c c o r d i n g t o t h e
9、p a r a m e t e r o f e n v i ro n m e n t i n g r e e n h o u s e.K e y w o r d s:s o l a r g r e e n h o u s e;t o m a t o;e n v i r o n m e n t a l d a t a b a s e;e x p e r t d e c i s i o n s y s t e m 温室蔬菜生产的智能化控制，已 成为工厂化农业的 核心技术之一1l。我国 是设施蔬菜生产大国，建立我国日 光温室智能专家决策系统信息化平台，可为设施蔬菜生产者提供信息和技术支持，促进我国
10、设施蔬菜生产技术水平的提高2 1。番茄是最主要的设施蔬菜之一，设施番茄生产在设施蔬菜生产中占 有举足轻重的地位。然而温室番茄生产是一个非常复杂的过程，受光、温、水、气、肥等多种环境因素影响，难于精确量化31，国内外栽培方式又有很大的不同，将番茄栽培知识、番茄生长发育规律与环境管理决策相结合以实现我国日 光温室番茄生产的智能精确量化管理，对于日 光温室番茄高效生产具有重要实际意义。1 材料与方法 以中杂9 号番茄为试验材料，番茄采用土壤栽培和有机土壤栽培槽方式进行，番茄生长试验按照温室番茄越冬长季节栽培技术规程4 1和越夏全季节栽培规程5 1在中国农业科学院蔬菜花卉研究所日 光温室进行试验。日光
11、温室东西长8 0 m，南北长7 m，栽培畦6 m，脊高3.5 m，冬季(1 1 月1 5日 至3 月1 5日)暖气加温，夏季采用棚膜喷白或外部遮阳网降温。温室2 0 0 12 0 0 5 年采用多种环境自动监测采集仪器测定环境数据包括以色列P h y t o m o n i t o r S P-3、英国E L E、以 色 列G a l i l e o-L P S 2 0 0 0 多 年连 续实时 监测，每l 0 m i n 采集1 组数据，主 要测定温室光强、气温、湿度、叶温等，作物生长参数如叶片数、开花期、花穗数及坐果数等通过定期人工调查测定。通过收稿日期:2 0 0 6-0 3-2 0基金
12、项目作者简介国家“8 6 3”计划(2 0 0 2 A A 2 4 3 0 3 1);国家自 然科学 基金项目 资助(6 0 0 7 3 0 0 7)贺超兴(1 9 6 5-)，男，中国 农业科学院副 研究员，博士，从事设施蔬菜 有机栽培技术和信息农业 技术 研究。.3 9 6-沈阳农业大学学报第 3 7卷对4 年中番茄生长期的环境数据的统计分析，去除无作物期的数据和记录误差，将每天数据统计得出该日的平均温湿度值，按照1-3 6 5 d 排列于A c c e s s 中 构建出 所用日 光温室的 周年通用温湿度环境数据库，2 0 0 5 年生长发育期的预测及专家系统的生长预测均以环境通用数据库
13、中的数据进行预测分析，以实际环境温湿度值进行修正验证。2 结果与分析2.1专家决策系统模块构成 系统主要包括6 个模块，各模块之间的关系如图1 所示。温室通用环境数据库模块和生长管理模块是本系 统的 主 要部分，是系 统的 主 体，指导番茄生产的肥水管理、田间操作、病虫害防治等任务。其中田间档案模块完成栽培生产过程中实际操作历史纪录的存档和对预测功能模块的验证，预测功能模块借助温室通用环境数据库的数据可协助制订番茄生产销售计划行预测推理和对温室病害预测预防、产量产期进 图1番茄生产智能专家决策系统设计图F i g u r e l F r a me c h a r t o f t o ma t
14、o i n t e ll i g e n t e x p e r t d e c i s i o n s y s t e m温室环境通用数据库模块还可对有测控条件的温室完成环境数据的实时数据采集和预测修正。技术咨询模块包括番茄栽培管理知识、番茄生长发育特性、病虫害知识及其病虫害诊断模块及图片和多媒体V C D录象部分。借助图片及文字说明对栽培管理、病虫防治及环境监控模块等知识体系进行解释，帮助用户实时快速地学习温室番茄栽培管理知识及掌握具体操作技术等，指导解决番茄高产栽培中遇到的各种常见生产技术问题。帮助手册模块是对整个软件的使用帮助以及番茄种植中常用资料的 集合，有助于使用者尽快掌握软件使用
15、方法，解决系统使用中出现的疑难问题。2.2 系统界面介绍 系统的主界面包括温室环境数据库及参数导人模块、生长管理模块，技术咨询模块，帮助模块(图2)。各个功能模块又具有各自 的界面及相关知识库、数据库等，可用于温室番茄长季节生产管理及技术咨询等。圈2温室番茄生产智能管理专家决策系统界面图 F i g u r e 2 I n t e r f a c e f r a m e c h a r t o f e x p e r t d e l i s i o n s y s t e m o n t o m a t o2.3 温室番茄生产管理智能专家决策系统软件设计 本系统的操作平台选用了目 前应用面最广
16、，使用最方便的微软公司W i n d o w s 图形界面操作系统。开发语言采用V C-6.0 及W i n d o w s 编程技术，与温室环境测控系统相接从而实现对番茄生长期间的温室环境数据进行实时采集、记录、动态显示，在对果实生理发育时间值计算的基础上，利用温室环境通用数据库的已有的参数根据番茄各生育期生理发育时间实现对温室番茄生长发育期的预测。利用温室通用数据库的温湿度值还可对第3 期贺超兴等:日 光温室番茄生产管理智能专家决策系 统的研制.3 9 7-特定时期番茄可能发生的病害进行预测，并通过报警和提供预防措施在病害高发期防止病害发生，因此本系统具有技术咨询及预报预测等功能。由于在较
17、大的温度范围内 发育速率与温度呈非线性关系，因此积温法预测发育期存在较大误差(61，故此本系统将温度对番茄发育速率影响效应的大小用相对热效应(R T E)来衡量，其取值范围为0-1。番茄的 发育速率与R T E 值呈正线性相关，当R T E 为1 时，发育速率达到最大值。生理发育时间(P D T)是指在 最 适的 温度 条件下，番 茄完 成某一生育阶 段(如 从播种到 成熟)所需的 时 间。生理发育时间P D T 是由品种特性决定，它反应了作物潜在的发育速率。经过实验观测计算出中杂9 号番茄到达各生育阶段所需要的生理发育时间见表1，可见中 杂9 号番茄的发芽期、苗期、开花座果期和结果期所持续的
18、时间为6,2 9,8 和4 6个生理发育日。程序流程以番茄的生长发育期为主线，通过生理发育时间P D T 和温室环境通用数据库对番茄生长及产量产期进行预测。表1中杂，号番茄从播种至各生育期始所4的生理发育时间(P D T)T a b l e 1 P D T o f z h o n g z a 9 t o m a t o i n d i f f e r e n t d e v e l o p m e n t s t a g e f r o m s o w i n g播种S o w i n g苗期S e e d l i n g开花坐果期F l o w e r i n g 结果期F r u i t
19、s t a g e采收 期H a r v e s t生理发育时间P D T/d注:播种期:5 0%幼芽出土;苗期:幼芽出土至第1 片真叶出现;开花座果期:幼芽出土至第1 朵花开放;结果期:幼芽出土至第1 个果实坐果，且果实直 径2 c m左右;采收 期:幼芽出 土至 第1 个果实 达到 采收 标准。N o t e:S o w i n g s t a g e:5 0%s p r o u t;S e e d l i n g s t a g e:f r o m s p r o u t t o f i r s t l e a f a p p e a l;F l o w e r i n g s t a
20、g e:f r o m s p r o u t t o fl o w e r i n g;F r u i ts t a g e:f r o m s p r o u t t o f r u i t f o r m o f d i a m e t e r u p t o 2 c m;H a r v e s t s t a g e:f r o m s p r o u t t o f r u i t m a t u r e.2.3.1生长管理模块程序设计 生长管理模块包括:生长期判断模块、生长管理对策模块、病害预测预防模块、产量产期预测模块、软件帮助模块。判断出生长管理阶段后，可根据生长发育阶段要求提
21、出在水肥管理、植株调整、病虫害防治、环境调控等方面的技术对策。同时还可对病虫害、环境等可能出现的异常情况进行预测判断。考虑到方便用户操作，系统界面尽量简单，以 功能窗口 为主。生长管理模块包括:生育期判断与有效积温计算部分:根据温室内番茄植株或果实发育过程所需的生理发育时间结合温室温湿度环境周年通用数据库值来计算出特定时期番茄生长发育至某一发育阶段所需的日 期，从而进行生长期预测。本系统首次建立的温室周年环境数据库可通过对番茄发育期的 计算来预测确定采收计划或播期等;温室栽培管理田间档案模块:根据温室番茄栽培模式按照温室番茄栽培技术规程制定出的肥水量化管理指标可建立对番茄生产进行标准化管理的技
22、术模板，实际生产管理中可借助模板参考生长发育状况、品种和温光条件采取的相应的施肥、灌水、采收、打药等各种操作措施，将操作管理的时间、次数及用量，通过实时管理记录可为未来管理者提供实时对策查询;病虫害诊断与防治模块:通过对温室周年温、湿度环境参数变化规律的分析，结合番茄主要病虫害的发病规律与病害发病条件，可对温室番茄病虫害的可能发生率进行预测预警并提供防治指导。若田间已 发生病虫害，还可借助病虫害诊断模块输人病虫害特征，通过图片分析确定病虫害种类和适宜的防治方法，指导生产者及时采取有效预防措施，减少打药次数和施药量，提高防病效率和保证蔬菜产品的安全;异常情况处理模块:通过对温室环境数据的实时采集
23、监测，当 环境温湿度等因 子明 显超出 正常值范围时，可发出 报警信号供生产者及时采取措施确保番茄的正常生长;使用帮助:对各模块功能及使用方法对用户提供详尽的解释说明。2.3.2 技术咨询模块程序设计技术咨询模块涵盖了温室番茄栽培的基本知识及有关绿色食品及有机食品的国家标准，包括:番茄基本知识:包括番茄基本生物学特性，番茄生长发育对环境的要求、番茄的生长发育期等知识;番茄生产基础知识:包括施肥技术和农药使用技术，每吨番茄需肥量、番茄采收及分级包装标准、温室蔬菜常用设施材料器具;温室番茄育苗技术:温室番茄栽培的主要选择品种、种子消毒处理技术，浸种催芽方法，育苗基质及育苗土配制方法，播种后苗期的温
24、光管理条件，地热线加温技术等;温室番茄周年茬口 安排和 相应栽培技术:包括栽培模式、整地方法、栽培基质配制方法、供水系统，施肥灌水的量化指标及采收 标准等;绿色食品及有机食品 标准:绿色食品、绿色食品 农药、肥料使用准则和番茄安全卫生指标，有机食品标准等;多媒体视听教程:采收V C D录象形式具体讲述了番茄土壤栽培、有机土壤栽培和有机生态无土栽培生产技术包括定植密度(行株距)及地膜滴灌系统安装;整枝方法及吊 秧放秧技术、黄瓜疏花疏果疏叶技术、番茄常见病害的识别及防治方法、温室增施C O:设备及施用时期、方法等实用技术，指导生产者掌握尽快技术，实现高产;病虫害知识:病害知识包括病害名称，病症、发
25、病条件及防治方法的文字描述及图片示例说明;虫害知识.3 9 8.沈阳农业大学学报第3 7卷包括温室常见虫害名称，主要危害、害虫生活习性及防治方法的文字描述及图片示例说明;病害诊断则可根据黄瓜发病部位及发病症状提出 病害发 生的 种类及防治方法;此外系统还可根据新发病虫害种类提供添加功能及病害诊断库添加等功能。2.3.3 温室番茄生产智能管理专家决策系 统的预刚功能 根据系统各模块的数据和知识，本专家系统还可实现的功能为:借助于日 光温室周年通用温度数据库和生理发育日 期数据，本软件可根据番茄采收上市期的要求预测安排播种育苗期、根据播期预测确定番茄适宜的定植期、开花期及初采期;根据温室周年通用温
26、湿度数据库等参数可对番茄主要病害进行预测，指导病害早期预防;根据番茄每穗座果数与平均单果重的调查结果输人预测亩产量，并可结合产期价格估算产值与生产效益;根据番茄生长发育期的营养需求，确定日 光温室不同茬口 番茄的水肥与C O:管理对策、病虫害的防治对策及进行生态系统健康评估等。3 结论与讨论 温室番茄生产管理智能专家决策系统是在多年采集日 光温室番茄生长大量数据基础上建立起来的网，本研究根据基于生理发育时间和温室环境数据库的 番茄生长发育曲 线完善了 专家系统，对番茄生长发育期和果穗的 产期预 测取得了 成功，实际 采收 期与预测期基本相同，因 环境变化相差仅1-2 d。根据对番茄单株穗平均结
27、果数的 调查，依据果穗产量由 番茄平均结果数、平均单果重及栽培密度决定，专家系统程序可以 对不同 果穗、采期的产量进行预测从而指导销售。其中栽培密度可由温室番茄的植株行距由程序软件计算出，单果重可根据采收时的 平均值计算出，并可随栽培季节进行参数修正，通过生产应用，番茄实际采收量与预测值的 误差在1 0%左右，应用效果良 好。温室番茄生产管理智能专家决策系统软件还可根据日 光温室的温湿度值结合番茄常见病害的 发生条件及虫害发生规律对温室病害虫的 发生进行预测预报。一般来说，冬季日 光温室低温高湿有利于番茄灰霉病菌产抱,1 5 产抱量最大，病菌的分生抱子萌发湿度在8 0%以 上，I d 中高湿(
28、相对湿度8 5%以上)时间在8 h 以 上，灰霉病菌才能够连续侵染。低湿(8 0%以下)或高湿的时间短(6 h 以 下)病害的发生受到抑制181。随着高温时间延长病菌致病力呈下降趋势，高温3 0 持续6 h 以上时就可限制病害发展。在2 03 0 高温情况下，l d 中高湿(相对湿度9 1%以 上)时间 在8 h 以 上或棚膜有雾滴晚疫病菌能够连续侵染。1 5 以下低温、低湿(8 0%以 下)或高湿的时间短(6 h 以下)病害的发生受到抑制t81。秋冬季日 光温室高温高湿下叶霉病及晚疫病则较易发生。因此在秋冬季日 光温室低温高湿条件下、晚疫病、灰霉病的 发生率较大，因此秋冬季以防灰霉病、晚 疫
29、病为防治重点。根据温室内环境周年变化规律和温室过去及未来环境特点，结合有关害虫生长繁殖的环境需求条件，初步建立了 温室病害虫种群发生模拟系统，从而对病虫害发生具有预测功能，可以指导温室管理者及时采取措施破坏发病条件或使用相应杀菌药剂进行预防。通过对温室温湿度环境数据的 应用，可以 早期预防主 要病害的发生，从而大大减少了 施药次数和施药量，保证了 番茄的 无公害生产。本专家系统实现了 对温室番茄生产管理的智能决策，为温室番茄全季节高产稳产提供了 信息化的技术平台，对指导温室番茄生产有重要意义。参考文献:1 汪 悬华.工厂 化农业的 发展与 工 程科技创新.见 科技 部 农社司 编:发 展中的中
30、国 工厂化 农业 M .北京:北京出 版 社，2 0 0 0.3-1 0.2 l 贺 超兴，张 志 斌，王 怀松.华北型连 栋温 室番 茄周 年长 季节栽 培技术 研究与光 温环 境对番茄产量的 影响 A .中 国园 艺学 会第九 届 学术年 会论文集 C .北京:中 国 科学技术出 版 社，2 0 0 1.1 9 3-1 9 7.3 l日 本农山 渔 村文 化 协会.蔬 菜生 物生 理学 基础 M .北京 农业大学 译.北京:农业出 版社，1 9 8 5.1 2 4-1 2 8.4 贺 超 兴.温 室 番 茄 周 年 长 季 节 规 范 化 高 产 高 效 栽 培 技 术 A .工 厂 化
31、高 效 农 业 示 范 工 程 北 京 分 项 课 题 组.前 进中 的 北 京 工 厂 化农业 C .北京:中国 科学 技术出 版 社，,2 0 0 1.1 1 0-1 3 2.5 张志斌，贺超兴.设施番茄越夏长季节规范化栽培技术J l.中国 蔬菜，2 0 0 4,(1):4 7-4 9 6 殷 新佑.水稻发 育温 度 效应的 非线性 模型 及其 应用 J l.作物学报，1 9 9 4,2 0(6):6 9 2-7 0 0.7 l 李 建军，沈 佐 锐，贺 超 兴，等.日 光 温 室 番 茄长 季 节 生 产 专 家 系 统的 研 制 J l.农业 工 程 学 报，2 0 0 3,1 9(3):2 6 7-2 6 8.8 l 吕 佩坷，李明 远，吴 拒文，等.中国 蔬菜病虫原色图 谱 M .北京:农业出 版社，1 9 9 2.5 1-5 4.【责任编辑 开 国