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熊范纶:我国首个农业智能专家系统开创者
发表时间 2017-03-09 09:01 来源 本站原创

  ——记我国农业专家系统与智能系统的开创者熊范纶

  引言

  改革开放以来,中国经济持续30多年快速发展,年均增速达到9%以上。伴随着经济的快速发展,我国农业发展也取得了翻天覆地的变化。农产量稳步增加,农村基础设施明显加强,生产条件大大改善,农村居民生活水平和质量实现了跨越式提高。农业和农村经济的快速发展,不仅解决了14亿中国人的吃饭问题,而且对世界农业也做出了积极贡献,取得的辉煌成就举世瞩目。

  然而这一切都离不开广大劳动人民的辛勤付出,也离不开那些农业科学家和为三农服务的科学家的默默奉献。他们中有为农业发展提供最新最精准的信息和最先进的技术,让农民“事半功倍”,实现更合理、更便捷、更高效、更科学的农业生产。熊范纶便是其中最为杰出的代表之一。

  熊范纶是我国农业专家系统与智能系统技术的开创者与奠基人,他将智能技术应用于农业,成为了信息技术应用于三农的一个成功范例。尤其是农业专家系统的开创和发展,是我国高科技盛开的一朵奇葩,来之不易。

  所谓的农业专家系统,就是把专家系统技术应用于农业领域的一项计算机人工智能技术。它是“国家863计划”高科技成果,根据农业生产的需要,有针对性的研究开发出一系列适合不同地区、不同作物的农业专家系统,为农技工作者和农民提供方便、先进、实用的农业生产技术咨询和决策服务。

  在那精彩纷呈、充满希望与梦想的绿色世界里,熊范纶扮演的是一名农业“护航者”的身份。春去秋来,化风润雨,他结合中国国情,和农业专家紧密合作,用手中掌握的科学利器,不断完善发展创新,走出了一条我国农业智能工程独具特色的发展道路。他用三十多年的创新、奋斗和坚守,奏响了一曲来自农业科技的精神之歌。

  赴美留学访问,从零起步

  国家级有突出贡献专家、有突出贡献留学回国人员、全国优秀科技工作者、国家科技进步奖和世界信息峰会奖获得者、首批享受国务院特殊津贴专家、首位华人获得的国际自动控制联合会IFAC会士(Fellow)......众多光环照耀着的熊范纶教授如今已是名满天下,但在农业信息学科领域做出卓越贡献的他,在最初大学毕业后开始做科研的16年里,并没有直接参与农业方面的研究,而是从事工业等领域的自动控制及计算机技术与应用。

  那是1963年,他从中国科技大学自动化系自动控制理论专业毕业,成为该校的第一届毕业生。被分配到中科院华东自动化研究所从事自动控制及计算机技术与应用,这一干就是16年。

  16年间,他在计算机技术方面做了大量研究,这为他以后在八十年代转做农业专家系统与智能系统的研究并铸就无数辉煌打下了坚实的基础。



个人生活-纵览群山小

  1981年,中科院合肥智能机械研究所选派熊范纶作为访问学者前往美国马里兰大学计算机系,学习人工智能、模式识别与图像处理。“当时作为我国改革开放后第一批出国留学的访问学者,感到很自豪,并有很强的责任心,希望抓紧这个难得的机会,发奋学习,报效祖国。人工智能在国际上是一门新兴学科,国内刚刚才听说,对我来说完全是零的起步。”

  刚到美国不久,熊范纶就遇上一次炸弹爆炸事故,身旁的同伴当场死亡,时任国务院副总理的方毅来电慰问,希望他回国休养。这让他第一次体会到“祖国”的真正含义,一股暖流,让他当场热泪直涌,并表示再困难也要坚持留下继续学习。

  在这种高度的恐怖和巨大的学习压力下,他以顽强的意志克服了重重困难,一心扑在学习上,一个接一个做了五六个课题,完成了数篇论文,并有论文在国际会议上发表,这是一项了不起的成绩,受到了多方赞扬。“留美生活对我回国后工作影响很大,除了学术基础,在科研方法、创新胆量、工作毅力、英语能力等方面,均得到跨台阶的提高。尤其是从出国时专业知识完全是零的起步,到能在国际会议发表论文,确实是胆量的突破,自信心阶跃性的提高。”熊范纶说。

  华丽转身:时光不能空耗报国即刻出发

  回国后,熊范纶报效祖国之心非常迫切,希望将国外学到的机器人研究方向赶快开展起来。但不久后,他却选择了研究农业专家系统,这似乎偶然,但确也是必然。

  说起偶然,还得从他在美国留学时说起。当时离回国还有几个月,一天,著名华裔教授钱怡祖打电话叫他赶快学习专家系统技术,说“对中国非常有用”。对急于报效祖国的他来说,这似乎是无声的命令在推动着他,让他迅速进入“紧张听课,收集资料”的学习状态。

  他将专家系统技术应用于农业,还有一个值得提及的偶然机遇。一次,见到安徽农科院的一位科技处长,有意无意地说了一句“你在美国学的技术,能不能用到我们农业上啊?”,就这么不经意的一句话,让他放在了心上,“唉!倒是可以考虑考虑啊!”

  那个时代,学理工科的对农业是不屑一顾的。考大学时一般成绩优秀的均是报考理工科,是不愿意报考医农类的,尤其农业;农业相对没有工业军事的技术先进,将来下农村太艰苦。因此毕业后一般忌讳接触农业的。

  当时中科院和国家正在北京开会,酝酿我国的高科技发展规划,讨论:美国正在搞“星球大战计划”,日本是“第五代计算机(智能计算机)”,我们中国怎么办?当时找了两个年轻人,他是其中的一个(另一位是后来联想电脑的创始人倪光南),多次参加了讨论,这就是后来著名的863计划。会上他向王大珩要求能将出国学到的技术应用到军事上。王老说:“你不要着急,快了!”也就是说他当时完全可以从事国防或工业的863计划高精尖的项目。

  但是,他那种报效祖国的强烈心情和珍惜宝贵时光的习性,使他等不及了。他在这期间又主动将精力投入了其他方面应用的调研,他不想空耗时光。20世纪80年代中期,我国曾经出现专家系统热,以医学专家系统为最。熊范纶看到了专家系统对农业发展的巨大作用和应用前景,这也造就了他选择农业的必然性。

  为了调研农业应用的可能性,他去了不少地方,例如育种、畜牧等。一个偶然机会,他结识了安徽省农科院的吴文荣,一个长年蹲在农村试验点从事科学施肥研究的土肥专家。当时熊范纶身边只有从美国带回的四五篇有关专家系统普适性的资料,对国际上农业应用研究一无所知。

  没有助手,没有课题支持,就他们两个人,两个完全不同的领域,进行沟通、交流与合作,极其困难。在最初的几个月里,他们都是空谈,不知从何处下手。后来摩擦火花的产生,是偶然发现的一篇关于砂浆黑土肥料试验的总结报告,其中的一个肥料效应方程,使熊范纶眼睛一亮,几乎叫了起来:“对呀,就从这里下手!”。

  就这样,选择了安徽农科院从事的国家六五科技攻关计划中,黄淮海平原砂浆黑土综合治理的研究成果,从小麦施肥这个农村十分关心的问题入手。

  他向所领导提出“计算机在农业上的应用”作为研究课题,当即就被否定。认为这样的研究内容,根本列不上作为中国科学院研究所的研究课题,国家课题更不可能,太普通太低档了。

  列不上研究所的课题就没有研究经费,没有专用实验室。但他并不以为然,一种强烈的责任感和浓烈的兴趣驱使着他,毅然带领助手潜心钻研,开始了方案设计与具体技术实施。

  皇天不负有心人。经过焚膏继晷、坚持不懈的努力,他根据中国国情,将人工智能的专家系统技术应用于中国国民经济最基础的领域——农业。1985年熊范纶的“砂姜黑土小麦施肥计算机专家咨询系统”成果鉴定会上,一位从事专家系统工作的蔡教授感慨地说:“把专家系统应用于农业,我们就没有想到,可熊先生不同,他不仅想到,而且坚持下来,搞得这么好”。

  恰恰就是当时被人们看不起,被认为不是正规的研究方向,后来经过他多年因势利导、锲而不舍的坚持,发展壮大成为了一个利国利民的学科方向和有利于三农的事业。而紧跟国外、红红火火并且起步早于它的医学专家系统,由于先天不足,后来就成为昙花一现,没有能够发展起来。真所谓:有礼不怕迟,好饭不怕晚,是花自然香。

  攻坚克难实践出真知

  熊范纶的“砂姜黑土小麦施肥计算机专家咨询系统”是我国第一个农业专家系统,他和团队人员在研制该系统的过程中,可谓煞费苦心,也经历了重重磨难。先是在人工智能语言方面,他选择采用Basic语言来建造专家系统。尽管这被认为是一种天方夜谭,他仍然带领团队闯出了一条“康庄大道”。

  接下来是研究专家系统的知识表示策略,这是人工智能的核心技术。当时国际上通行的是规则基表示方法,即把每个知识单元分解为一条条独立的规则。这常常适用于单纯逻辑型的知识,可是分析施肥的经验与知识,它是逻辑型与运算型知识的相互混合交叉。熊范纶团队经过反复试验,提出和采取了一个由推理性规则与运算性规则合成的规则组表示方法,得到了有效的解决。



合肥植物园

  在一次全国人工智能学术会议上,一些人对熊范纶的这种技术路线提出了非议,认为专家系统肯定要用人工智能语言例如Lisp、Prolog进行编程,否则怎么叫智能系统呢,用Basic这样低级的语言是不对的,行不通的。

  他根本不顾及这些,仍然坚持自己的研究方向。后来的事实证明:实践出真知。

  九十年代初期,国际上多次反思了开始采用的那些人工智能语言的局限性,认为可以应用普通的计算机语言,甚至提倡采用汇编语言,越简单越好,占用内存最少,速度最快。实际上现在的大量智能系统都是这样实施了,可熊范纶却在八十年代初中期就在顶风实现了,比国际上提早了十年左右。

  技术路线确定以后,与领域专家合作编制知识库,就成为了关键性的一步。如何整理专家的知识经验、编制知识库,是一项既细致又繁杂的工作,但熊范纶他们从来没有经历过,也没有任何人任何经验可以请教借鉴。加之他们对农业技术知识可以说一窍不通,这可是决定专家系统能否成功的关键。

  然而,凭着熊范纶第一个“吃螃蟹”的胆量和“蚂蚁啃骨头”的决心,硬是一点点、一步步去摸索,去试验。

  他思考问题既能跳跃,又十分细微。主要功能确定之后,就研究这位农业专家围绕科学施肥细微的思考分析路子,例如判定肥力需要考虑哪些土壤的物理与化学参数,如有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、PH值、容重、空隙度、耕层厚度、排灌条件等。

  但考虑到农村实际情况,农户参数不全怎么办?最好有主要的几个土壤参数,但这些参数常常又会不一样;甚至考虑到有些农民可能一点土壤参数都没有,这种情况怎么判定肥力?有时可以采用当地农村惯用的方法,即了解前三年的产量来确定;还需考虑施用农家肥;肥力等级不同,施用的氮、磷、钾肥也应该有所不同;不同肥力的基肥和追肥的施用量也应该不同;还要考虑播期、有机肥对化肥施用数量的修正,等等。

  正是熊范纶这种不厌其烦、追究到底的科研钻劲,沉着冷静、小心求证的工作态度,认真研究、大胆创新的科学精神,才有了对我国农业信息化发展影响深远的“砂姜黑土小麦施肥计算机专家咨询系统”的华丽问世。

  农业专家系统的开创者

  “砂姜黑土小麦施肥计算机专家咨询系统”诞生以后,紧接着是拿到农村去实地验证。验证结果精确度相当高,以肥估产每亩平均偏差3.26%,合理施肥估产平均偏差只有2.65%。在验证中发现了农村中存在着严重的不合理施肥现象。有的施氮量过大,少施甚至不施磷肥,造成小麦倒伏,不仅浪费了大量化肥,而且减产,最多的少收了二三百斤小麦。有的农户因为当时买不到化肥,施肥量不足,或者氮磷配比失调,结果产量很低。

  由此可见,该项成果对我国农民克服盲目施肥,节约化肥,提高产量,提高农民和基层农技人员的科学种田水平,具有很重要的意义。因此,受到了国内众多专家的一致好评。

  不久,安徽省科委组织了省级技术鉴定,评价为“国内首创”。本来提议写“国内外首创”或“国外未见报道”,由于信息闭塞,为慎重起见没有写。后来了解到,国际上1986年也出现了类似的肥料推荐专家系统,是美国农业部与棉花委员会合作建造的棉花管理专家系统,但比熊范纶团队晚了一年。

  1986年开始,这项成果受到各地的欢迎,辽宁、黑龙江、河南等地纷纷要求合作,并从小麦扩大到水稻、玉米,证明了它具有通用性。熊范纶亲身看到许多地方的实际效果,数次激动得掉下热泪,他感到,这不是一般的研究成果,根本就是一项利民利国的大事情啊,大大受到鼓舞,决心将这一事业进行到底。

  1988年“砂姜黑土小麦施肥计算机专家咨询系统”获得了国家科技进步二等奖,是当时我国人工智能界获得的最高奖励。

  熊范纶在农业专家系统的研究成果不但比美国和日本早一两年,而且他的研究工作也比美国和日本具有很多特色。



全国城乡统筹论坛特邀报告

  在实践中,他逐步认识到农业领域的特点和我国的国情。比起工业交通及军事等,农业很复杂,受许多因素制约,区域性很强,我国农村土地分散,耕作习惯不一,农民的现代农业技术知识欠缺,同时我国农业专家奇缺,难以长期深入农村,基层农技推广队伍专业配置不全,农业新技术推广障碍重重。为了通俗易懂,他把农业专家系统形象描述为“来自专家,又高于专家,代替专家长期蹲点在农村,陪伴在农民的身旁”。对于传播先进的农业科技知识,提高农民的科技文化素质,推进科技兴农,加快农业上台阶,比起西方国家更具有重要的意义。

  1987年国家七五科技攻关,熊范纶是“模式识别与人工智能”专家组成员,由他发起专列了起名为“农业专家系统”的专题,由他牵头,安排了施肥、植保、育种、园艺、蚕桑等若干专家系统课题,参加单位有中科院、中国农科院、华中工学院、浙江大学等近10个单位。从此“农业专家系统”在我国,就从陌生甚至不理解,后来成为非常流行的技术术语了。

  1990年国家七五科技攻关项目结题,由他主持的“施肥专家系统”,被国家表彰为国家七五科技攻关重大成果,成果鉴定意见为:“取得了十分重大的经济、社会和生态效益,显示了‘科技兴农’的威力,是将科学技术应用于国民经济特别是农业方面的一个典范,将对我国农业现代化具有深远的影响,是一个创举”。“该成果在施肥专家系统方面是国内外首创,并具有80年代后期国际先进水平。”

  后来,“施肥专家系统”在全国10多个省推广应用,1991年获得国家科技攻关重大成果奖;1996年获国家科技进步奖三等奖。

  与农业专家合作建造智能化平台

  农业专家系统的开发平台,是熊范纶在研究专家系统技术及其实际应用中提出,并加以自主创新产生的研究方向,取得重大突破性进展,做出了又一个突出贡献。

  那是1987年,在回合肥的火车上他突发灵感,想到全国虽然有二三千个县,每个县栽种的作物也有不同,但这些作物有许多的相似性,作物虽不同,但生长也有其类同的规律。如果搞一个像工具那样的东西,让许多人通过学习培训来让大家开发,那样农业专家系统就可以应用到全国各地的不同作物了。

  他经过研究发现,专家知识的获取,建立知识库,是建造一个系统的“瓶颈”,因此就从知识获取这个问题上入手。根据已经建造的几个作物的施肥专家系统获取专家的经验与知识的实际体会,发现有着普遍的规律。

  他想,如果能用一种引导启发的方法,将专家的具体知识经验,在不经意间能够抽取出来,那将会使系统的建造方便简化多了。经过艰苦努力和试验,一个称之为“智能引导的人工知识获取策略”应运而生,第一个面向施肥的知识获取工具,于1990年问世。

  智能化的综合引导启发机制,具有拟人化的知识获取环境,让农业专家感觉到:似乎是计算机人员(知识工程师)在向他一步步地提问,不费很大气力就将他的知识和思路,抽取出来了,提供了一个方便快捷获取领域知识和专家经验的工具平台。这种机制具有独创性,是他们与许多省份建造具体系统中,产生出来的创新。

  知识获取工具以及后来发展成为专家系统的开发平台,正是熊范纶团队长期以来和农业专家的有效合作,认真向他们学习,细致深入地获取知识及经验的结果。

  他带领团队将这种开发工具不断改进创新,从单机版发展为网络版,十多年里建造了一个面向农业的专家系统开发工具的系列,称作雄风品牌系列,共有十多个版本。这些产品具有系列化、标准化、构件化、傻瓜化、可视化,集成能力强,操作简便,易学易用。经过短期培训,即可让农业领域的专家和技术人员直接开发自己的各类农业专家系统,让他们成为建造智能专家系统的主人,给规模化推广应用开创了广阔天地。



与美籍华裔教授参观美国科学院

  随着智能技术与信息技术的不断发展,国际上神经网络、机器学习、知识发现等新技术以及网络技术的相继出现,他们与时俱进,又及时地集中力量致力于自动知识获取(即对知识自动进行获取)的研究,并在国内最早开展了面向农业的数据挖掘(即现在的大数据技术)和知识发现的研究。在国家自然科学基金委重点基金的支持下,与有关方面合作,提出了基于数据库与知识库的综合型知识发现KD(D&K)的一种理论模型;首创研制完成了基于数据库与知识库的通用性知识发现系统开发平台,提供了一个智能系统自动、半自动知识获取和知识库精化的良好工具;应用该工具成功开发了施肥、植保等知识发现系统。专家鉴定:“首次应用于农业专家系统的知识提炼和完善,具有显著的实用价值,是我国智能农业信息技术应用方面的重要成果。”

  2004年成果鉴定意见评价:“在系统的开发平台和推广应用方面居国际领先地位”。凭借该项研究成果,他于2007年获得安徽省科学技术奖一等奖,2008年获得国家科技进步奖二等奖。

  当谈及如何看待这些荣誉时,他说:“这些奖项和荣誉称号,是国家和国际对我锲而不舍、辛勤耕耘的肯定,和对学科发展所起作用的褒奖。个人的作用固然关键,但大量的成果来自于集体智慧与辛勤劳动:农业知识来自于各地的农业专家,没有他们的支持与合作,无保留奉献他们长期积累的经验、数据与知识,专家系统是建不成的;许多理论方法的提出与实现,系统的建造,是我众多博、硕士生们和助手们的劳动结晶;成果的广泛推广应用,依靠了广大农业部门和各级政府的支持和推动。”

  他就是这样一位为人低调的科学家,从他身上展现出一位科技工作者冰壶玉尺的精神风貌,尤其是他那执着为三农、一心为科学的精神状态,是值得每一位年轻科技工作者好好学习的。

  不慕荣华薄名利苦耕不辍谱新篇

  身为农业信息学科领域的学术带头人,熊范纶除了亲身参与课题研究外,他最早发起国内以及国际上这一学科领域的学术交流,进行了大量的工作,开创与推动了该领域的学科发展。

  同时身为中国科技大学高等研究院教授,自动化系与中科院智能所的“模式识别与人工智能”博士点带头人,计算机系的博士点带头人之一等,他多年来致力于为国家培养科技人才。他培养的博士生、硕士生,现在许多已成为大学的学院院长、系主任,研究所领导,他们在农业信息化的战线上发挥骨干作用,有些已在国外的技术岗位上发挥专长。

  近年来,物联网兴起,农业物联网非常热,熊范纶指出,物联网的瓶颈是传感器,农业物联网尤其突出,我国应该集中力量针对薄弱环节,大力发展农用传感器的研发。

  他非常关注食品安全的信息化问题。他很早就提出食品安全应该作为我国农业信息化的突破口。为此,他系统考察国内的实际状况,围绕信息链系统深入地了解相应的生产企业、监测机构、物流部门、销售市场、超市等,以及信息发布的现状,期望解决农产品信息溯源问题、产业化与实用化问题等,也希望为人们构建一个安全的餐桌环境。

  三十多年来,我国的农业信息化走过了难以忘怀不平凡的路程,他一直走在这个利国利民征途上的最前沿。在每一个技术台阶上,他总是捷足先登。工作实践需要什么,他就一头扎下去研究。攻坚克难,从未退缩,呕心沥血,无怨无悔。

  他是我国电脑农业、网络农业、信息农业、智能农业的领头羊,有院士及学者们这样评价熊范纶,“他是我国农业专家系统与智能系统的开创者、奠基人”,“农业信息化的学术带头人、首席科学家”,乃至“我们心中的院士”、“不是院士的院士”,是恰如其分的。

  如今,农业信息化与智能化已经成为我国发展现代农业的重要内容,正在中国辽阔大地上谱写了高新技术大兴现代农业的一幅幅绚丽篇章。可是,不要忘记这项事业的开拓者——熊范纶,他却处事低调,依然在埋头忙碌着。他对荣誉看得淡泊,名利面前泰然处之。在他的书房里,没有悬挂一张奖状,没有一幅领导人接见的照片,只有堆满了的书籍和技术资料。

  时光如白驹过隙,数十年的风云变幻,不变的是熊范纶对农业智能工程研究细致较真的工作作风和低调谦和的为人姿态。他用实际行动实现了人生奋斗目标,在祖国的沃土上谱写出华丽的智能农业辉煌篇章。