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談智能決策支持系統及其在林業(yè)中的應用研究
論文關(guān)鍵詞:精確 專(zhuān)家系統 智能決策支持系統 可持續發(fā)展
論文摘要:在分析專(zhuān)家系統、智能決策支持系統的基礎上,探討智能決策支持系統在林業(yè)中的應用,提出了精確林業(yè)工程智能決策支持系統平臺設計框圖及其系統功能。
智能決策支持系統(Intelligent DecisionSupport System,IDSS)的概念最早由Bonczek等人于20世紀80年代提出[2]。IDSS是在決策支持系統(Decision Support System,DSS)的基礎上集成人工智能(Artificial Intelligence, AI)及專(zhuān)家系統(Expert System,ES)而形成的,其核心思想是將人工智能與其它相關(guān)科學(xué)技術(shù)相結合,使DSS具有人工智能,能夠更充分地應用人類(lèi)的知識。IDSS既充分發(fā)揮了專(zhuān)家系統以知識推理形式解決定性分析問(wèn)題的特點(diǎn),又發(fā)揮了決策支持系統以模型計算為核心解決定量分析問(wèn)題的特點(diǎn),充分做到了定性和定量分析的有機結合,使得解決問(wèn)題的能力和范圍得到一個(gè)大的發(fā)展。
1 決策支持系統及其在林業(yè)中的應用
DSS是在20世紀70年代初由美國M S ScottMorton首先提出[3],并在80年代迅速發(fā)展起來(lái)的新型計算科學(xué)。DSS是以科學(xué)、運籌學(xué)、控制論和行為科學(xué)為基礎,以技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)為手段,針對半結構化的決策問(wèn)題,支持決策活動(dòng)的具有智能作用的人機系統。該系統能夠為決策者提供決策所需的數據、信息和背景,幫助明確決策目標和進(jìn)行問(wèn)題的識別,建立或修改決策模型,提供各種備選方案,并且對各種方案進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)選,通過(guò)人機交互功能進(jìn)行分析、比較和判斷,為正確決策提供必要的支持。
DSS實(shí)質(zhì)上是在管理信息系統和運籌學(xué)的基礎上發(fā)展起來(lái)的,它把管理信息系統和模型輔助決策系統結合起來(lái),使得數值計算和數據處理融為一體,提高了輔助決策的能力。它的產(chǎn)生基于以下原因:(1)傳統的管理信息系統要靠人來(lái)實(shí)現模型間的聯(lián)合和協(xié)調,解決復雜的、多模型輔助決策效率低下,而決策支持系統是由計算機自動(dòng)組織和協(xié)調多模型的運行和數據庫中大量數據的存取和處理,達到更高層次的輔助決策能力;(2)解決半結構化和非結構化問(wèn)題的需要。
DSS由3個(gè)系統組成[3],即人機交互系統(對話(huà)部件)、模型庫系統(模型部件)和數據庫系統(數據部件)。
20世紀80年代以來(lái),決策支持系統廣泛應用于林業(yè),并在林業(yè)資源與監測、森林病蟲(chóng)草害防治等領(lǐng)域取得了豐碩的成果。中國林業(yè)科學(xué)研究院建立了基于Internet網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的林業(yè)資源數據庫[4],包含了森林資源狀況、林業(yè)情況、林業(yè)情況、林業(yè)工程建設情況、林業(yè)營(yíng)林情況和林業(yè)自然資源等數據。該系統運行采用了基于Internet的3層結構模式,即用戶(hù)/WEB服務(wù)器/數據庫服務(wù)器運行模式,可提供數據的網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)、管理和維護功能,為分析和決策提供支持。
W C Schou等人開(kāi)發(fā)了航空噴霧決策支持系統(Spray Safe Manager,SSM)[5]。我們知道除草劑被普遍用于森林雜草防除,但除草劑脫靶噴霧沉積和漂移是一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題,因此在清楚噴工具對環(huán)境的影響及作用效果、運用效率的前提下,可靠地進(jìn)行除草劑噴灑是必要的。SSM的特點(diǎn)就是將噴霧沉淀和漂移的預測與生物反應模型融合在一起。該系統包含了一系列除草劑/雜草和除草劑敏感植物霧滴反應模型及產(chǎn)量模型。第二代SSM(SSM2)將噴霧沉淀和信息系統(GIS)融合在一起,增加了斜坡沉積修正模型和飛行路線(xiàn)確定模型,從而可在真實(shí)的空間背景下區分噴霧區邊界和敏感區域。由于使用者能夠即時(shí)、直觀(guān)地“看到”噴霧區地圖上的圖像及數據,使得SSM2的模擬更加真實(shí)。
2 智能決策支持系統及其在中的應用
2.1 智能決策支持系統的信息結構
圖1為智能決策支持系統的信息結構[6],其中知識庫用來(lái)存放各種規則集、專(zhuān)家知識經(jīng)驗及其因果關(guān)系;數據庫存放基礎數據、決策信息和事實(shí)性知識;模型庫用來(lái)存放各種決策、預測及分析模型;多庫協(xié)同器從知識、數據、模型、方法等各個(gè)方面為決策服務(wù),協(xié)調各部分之間的關(guān)系,為決策提供多方面、多層次的支持和服務(wù)。
2.2 智能決策支持系統的研究進(jìn)展
隨著(zhù)Internet/Intranet技術(shù)的發(fā)展,傳統的智能決策支持系統面臨著(zhù)一些新的問(wèn)題:(1)分析、決策用的數據不再集中于一個(gè)節點(diǎn),而是分散到網(wǎng)絡(luò )上的不同節點(diǎn);(2)分布、決策模型和知識處理方法也從一臺機器上的集中處理,變成在網(wǎng)絡(luò )下的分布或分布加并行的處理方式。
進(jìn)入20世紀90年代以來(lái),人工智能(機器學(xué)習、模糊技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ))、專(zhuān)家系統、數據庫技術(shù)和Internet/Intranet技術(shù)的發(fā)展為IDSS提供了強大的技術(shù)支撐。20世紀80年代興起的Agent技術(shù)為智能決策支持系統奠定了技術(shù)基礎。Agent是一個(gè)能夠持續自主駐留、活動(dòng)于真實(shí)的或虛擬的復雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的問(wèn)題求解實(shí)體[7]。Agent具有相當程度的獨立性、自主性、協(xié)作性、適應性和性,并在一定程度上具有人的部分智力。將Agent技術(shù)融合到智能決策支持系統中所集成的基于A(yíng)gent的智能決策支持系統具有傳統IDSS所沒(méi)有的一些特性:(1)開(kāi)放性。即能夠與外界交互,系統資源不足時(shí)能夠向外界請求幫助,同時(shí)具有對外提供資源的功能;其二是系統部件的易于增減,保持系統完整而不含多余的計算過(guò)程。(2)IDSS是分布式的、基于網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的。(3)資源可重復使用。不但決策程序、決策方法可重復使用,而且系統資源(決策知識、決策經(jīng)驗、決策模型等)能被不同的決策程序多次調用。(4)集成群體的經(jīng)驗和智能。(5)突破靜態(tài)的程序化決策方式,實(shí)現人機智能結合。
目前多Agent技術(shù)已成為人工智能研究的熱點(diǎn)。多Agent系統(Multi-Agents System,MAS)是一個(gè)松散耦合的Agent網(wǎng)絡(luò ),這些Agent通過(guò)交互解決超過(guò)單個(gè)Agent的能力或知識的問(wèn)題。多Agent系統具有如下特征:每個(gè)Agent擁有解決問(wèn)題的不完全的信息或能力;沒(méi)有系統全局控制;數據和知識是分散的;處理是異步的;Agent是異質(zhì)的、分布的;系統是開(kāi)放的。
2.3 智能決策支持系統在中的應用
隨著(zhù)數據挖掘、人工智能、3S與DSS技術(shù)的發(fā)展,以及精確林業(yè)自身發(fā)展的需要,國內外開(kāi)始研究智能決策支持系統在林業(yè)中的應用,如防護林體系建設、森林防火、變量施肥等。
北京林業(yè)大學(xué)研制出區域生態(tài)型防護林體系建設模式智能決策支持系統[8]。該系統由4個(gè)子系統構成:數據及數據庫、圖形及圖形庫管理、模型及模型管理庫、專(zhuān)家系統,并以數據及圖形系統為基礎,以模型系統為分析手段,以專(zhuān)家系統為智能決策核心,各模塊相對獨立,以數據管理模塊為中介,組成有機整體�？蓪�(shí)現、預測、區域生態(tài)經(jīng)濟系統診斷、土地分類(lèi)及生態(tài)評價(jià)、林種的水平及立體配置、區域經(jīng)濟結構優(yōu)化等功能。
東北林業(yè)大學(xué)與黑龍江大興安嶺防火指揮中心課題組通過(guò)3個(gè)階段的研究,建立了基于WEB與3S技術(shù)的森林防火智能決策支持系統[9],實(shí)現了林火數據庫、林火預報、林火蔓延模型、撲火指揮決策等方面的智能化、網(wǎng)絡(luò )化管理。它包含了森林防火滅火系統中的地形圖繪制,防火機構、火災和各種代碼等數據庫的建立與維護,火點(diǎn)定位、火場(chǎng)蔓延、派兵撲火、清理看守火場(chǎng)和損失評估等模型的建立,與上下級單位的數據交換,在火災發(fā)生前可作出林火預報和預防;當林火發(fā)生時(shí),可模擬林火的蔓延,并提供火場(chǎng)定位、派兵、撲火、清理火場(chǎng)、看守火場(chǎng)等輔助決策方案,為指揮員作出正確決策提供參考;火災發(fā)生后可作出火災損失評估。
Raymond K Fink等人[10]利用機器學(xué)習方法分析空間土壤肥力、土壤性質(zhì)和產(chǎn)量數據,在可變量施肥系統中利用基于規則的決策支持工具(DSS4Ag)降低施肥量、增加產(chǎn)量。利用標準的GIS工具將農田進(jìn)行網(wǎng)格化,分成10×30 m的矩形方塊。根據歷史產(chǎn)量數據、歷史性質(zhì)數據(土壤物理性質(zhì)、土壤化學(xué)性質(zhì)、坡度、地貌等)進(jìn)行數據挖掘,采用CART回歸樹(shù)運算法則(Beriman等,1984)確定產(chǎn)量模型,根據當前性質(zhì)數據、產(chǎn)品價(jià)格等,按照經(jīng)濟效益最大的原則確定施肥量的大小(如果施肥費用大于增加產(chǎn)量的產(chǎn)值則不予施肥)。從測試結果看,采用DSS4Ag系統進(jìn)行變量施肥,產(chǎn)量增加不很明顯,但施肥總量明顯減少,降低了,且降低的成本超過(guò)了必要的土壤測試和變量施肥裝置的花費,整體經(jīng)濟效益得到提高。
3 精確林業(yè)智能決策支持系統的設計
3.1 精確林業(yè)的概念
精確林業(yè)是綜合利用地球空間信息技術(shù)、輔助決策技術(shù)、林業(yè)工程技術(shù)等現代高新科技,建立一體化、數字化、智能化的現代化林業(yè)生產(chǎn)模式和技術(shù)體系,最大限度地獲得森林的生態(tài)、經(jīng)濟和效益,實(shí)現森林可持續經(jīng)營(yíng)和區域可持續發(fā)展[10~12]。簡(jiǎn)言之,精確林業(yè)就是實(shí)現以最小資源投入、最小危害獲得最大林業(yè)效益。其中,地球空間信息技術(shù)主要有全球定位系統、信息系統、遙感、數據通訊;計算機輔助決策技術(shù)主要有管理信息系統、決策支持系統、專(zhuān)家系統、智能決策支持系統;林業(yè)工程技術(shù)主要有林業(yè)自動(dòng)化、森林病蟲(chóng)草害防治、森林土壤類(lèi)型分析、林地適應性評價(jià)、立地類(lèi)型與立地條件分析、林木育種、施肥、林木采伐,等等。精確林業(yè)的研究與發(fā)展有助于我國、資源與環(huán)境方面重大問(wèn)題的解決,有助于林業(yè)資源的高效利用和林業(yè)環(huán)境保護,是發(fā)展林業(yè)的重要途徑。
3.2 系統的總體設計框圖
建立GIS和ES集成的精確林業(yè)智能決策支持平臺,可為林業(yè)生產(chǎn)者、管理人員和科技人員提供網(wǎng)絡(luò )化、智能化、形象直觀(guān)的信息服務(wù)。根據歷史上病蟲(chóng)草害發(fā)生情況和森林保護專(zhuān)家在長(cháng)期研究與生產(chǎn)實(shí)踐中獲得的知識,進(jìn)行病蟲(chóng)草害統計趨勢模型和技術(shù)經(jīng)濟分析,建立農使用技術(shù)專(zhuān)家系統,并根據實(shí)時(shí)數據處理、噴霧目標特征和病蟲(chóng)草害防治目標閾值,建立智能決策支持系統,從而可針對不同林業(yè)生產(chǎn)情況及病蟲(chóng)草害發(fā)生類(lèi)型、程度等實(shí)際需要確定農藥投入的種類(lèi)、數量等,自動(dòng)執行變量投入決策,控制可變量噴頭實(shí)現特定區域的農藥精確定量噴霧,最大程度上杜絕非目標農藥沉積,減輕環(huán)境污染。同時(shí),病蟲(chóng)草害防治后的一系列數據可作為來(lái)年病蟲(chóng)草害預測和森林病蟲(chóng)草害防治戰略的儲備參考。
根據我們的研究和實(shí)踐,提出精確林業(yè)智能決策支持系統(PFIDSS)的總體設計框圖(圖2)。
3.3 系統的功能
(1)GIS數據倉庫包括3個(gè)基本功能:①數據獲取。負責從外部獲取數據,將數據分類(lèi),重新組合成面向全局的數據視圖,從而解決IDSS中數據存儲和數據格式不一致問(wèn)題;②數據存儲和。負責數據倉庫的內部維護和管理,包括數據的存儲組織、維護、分發(fā)等;③信息訪(fǎng)問(wèn)。它屬于數據倉庫的前端,面向不同種類(lèi)的最終用戶(hù),由系統的各種工具組成。數據倉庫的最終用戶(hù)在這里提供信息、分析數據集。
(2)數據挖掘系統。對數據倉庫中的數據進(jìn)行挖掘,通過(guò)大量的性數據分析,從中識別和提取隱含的、潛在的有用信息,通過(guò)多庫協(xié)同器,將其分發(fā)給數據庫管理系統、方法庫管理系統、模型庫管理系統、知識庫管理系統。挖掘的主要技術(shù)是空間要素和屬性信息關(guān)聯(lián)的空間數據挖掘,它的研究?jì)热莶粌H僅局限于對要素的空間位置和空間關(guān)系的研究,而且還包括對空間現象(季節更換、氣象條件)、空間因素(高山、谷地、平原)、空間組成(土壤、地貌、植被、水域)、空間活動(dòng)(水土流失、沙漠侵蝕)等的研究,力求從中揭示出相互影響的內在機制與規律、空間活動(dòng)(水土流失、沙漠侵蝕)等的研究,力求從中揭示出相互影響的內在機制與規律。
(3)聯(lián)機分析處理OLAP是分析各種歷史數據的最佳手段,其主要功能是:①提供數據的多維概念視圖,可以使用戶(hù)從多角度、多側面來(lái)考察數據倉庫中的數據,深入理解數據的信息和內涵;②快速響應用戶(hù)請求;③提供強大的、分析、報表處理功能,進(jìn)行趨勢預測。
(4)精確工程系統。執行智能決策系統產(chǎn)生的結果,如進(jìn)行變量施肥、變量噴霧。國內外智能決策支持系統的研究和應用多集中在商業(yè)和企業(yè)管理等領(lǐng)域,而在林業(yè)及生態(tài)系統管理等領(lǐng)域,研制和開(kāi)發(fā)應用較少。但有理由相信,隨著(zhù)技術(shù)、3S技術(shù)、信息技術(shù)、林業(yè)工程技術(shù)的發(fā)展以及林業(yè)現代化管理水平的提高,精確林業(yè)智能決策支持系統的研究和應用會(huì )不斷得到發(fā)展并走向成熟。
參考文獻
1 陳志騫.林業(yè)需要精確—對植樹(shù)不成林的思考.遼寧林業(yè)科技,2002,(1):26-28
2 Bonczek R H,et al.Foundations of Decision Support Systems.Academic Press New York,USA,1981
3 陳文偉.決策支持系統及其開(kāi)發(fā).北京:清華大學(xué)出版社,2000
4 張懷清,等.林業(yè)資源網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)決策支持系統研究.林業(yè)科學(xué)研究,2002,15(6):637~643
5 W C Schou,B Richardson,M E Teske,H W Thistle.Spray SafeManager 2-Integration of GIS With an Aerial HerbicideApplication Decision Support System. 2001 ASAE AnnualInternational Meeting, Sacramento, California, USA, July 30-August 1,2001
6 張榮梅.智能決策支持系統研究開(kāi)發(fā)及應用.北京:冶金工業(yè)出版社,2003
7 李楨,倪天倪.基于A(yíng)gent的智能決策支持系統模型的研究及應用.計算機工程,2002,28(5):120~122
8 王霓虹.基于WEB和3S技術(shù)的森林防火智能決策支持系統的研究.林業(yè)科學(xué),2002,38(5):114~119
9 陸守一,等.區域生態(tài)型防護林體系建設模式智能決策支持系統的研制開(kāi)發(fā).生態(tài)學(xué)報,1996,16(6):602~606
10 Raymond K Fink,Reed L Hoskinson,J Richard Hess.FromPrediction to Prescription: Intelligent Decision Support forVariable Rate Fertilization.2001 ASAE Annual InternationalMeeting, Sacramento, California, USA, July 30-August 1,2001
11 王長(cháng)耀,等.對地觀(guān)測技術(shù)與精細.北京:科學(xué)出版社,2001
12 聶玉藻,等.精確林業(yè)技術(shù)的設計與實(shí)踐.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,24(5):89~93
13 陳立平,等.精確農業(yè)智能決策支持平臺的設計與實(shí)現.農業(yè)工程學(xué)報,2002,18(3):145~148
14 馬常杰,等.基于GIS的IDSS模型研究.計算機與現代化,2003,90(2):34~37
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