作物灰色育種電腦決策系統的研制與應用

郭瑞林　王占中　劉亞飛　王景順

摘要：介紹了作物灰色育種電腦決策系統的理論基礎、開發環境與流程、主要模塊與功能，演示了其實例。在此基礎上，討論了該系統的優點與不足，指出了其廣闊的應用前景。

關鍵詞：作物；灰色育種；電腦決策系統；研制；應用

中圖分類號：S11* 7文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114(2009)02-0458-04

上世紀80年代以來，隨著計算機技術的發展，國內外開始進行作物育種專家系統的開發研究。F.J.Muehlbauer等(1981)首先對“單粒傳”和集團選擇方法進行了計算機模擬：Mokinion.J.M(1985)將育種專家系統列為農業專家系統開發的潛在領域：中國農業科學院作物所(01990)以著名小麥遺傳育種學家莊巧生院士、王恒立研究員和著名玉米遺傳育種學家李競雄院士等多年的育種經驗為基礎，分別研制了“冬小麥新品種選育專家系統”和“玉米雜交種選育專家系統”；孫其信、張愛民等(1991)依據小麥產量育種的系統方法、親本選配的最小二乘法、組合表現指數法和預測強優勢組合的標準差距離分組法等方法原理建立了小麥育種親本選配計算機評判系統：遼寧省農業科學院(1993)以北方水稻良種選育工作為背景研制了“水稻新品種選育專家系統”。上述專家系統均在一定程度上促進了作物育種工作的開展，但有一定局限性。馬洪文等(2002)和郭瑞林等(2003)以《作物灰色育種學》一書為藍本，分別研制了以Visual Basic 6.0和PowerBuilder 6.0為基礎的作物灰色育種電腦決策系統。這兩個系統彌補了上述專家系統的某些不足，但前者不包含繼承性，不支持多線程技術，不能跨平臺運行(只能在Widows操作系統運行)，后者則與Widows XP和Vista操作系統不兼容。為此，2007年我們開展了基于Java的作物灰色育種電腦決策系統的研制，并取得重要進展，從而為作物育種下作者提供了一個便捷有效的工具和手段。

作物灰色育種學系灰色系統理論與作物育種理論相結合而產生的一門新興學科。它的誕生標志著傳統作物育種向現代化、信息化、定量化育種邁進，使作物育種水平由定性經驗階段上升到定量或定性與定量相結合階段。在作物育種過程中采用這種理論與方法，不僅能綜合考慮多種因素，為現代作物育種的多目標化提供準確有效的決策方法，克服傳統育種受主觀判斷和人腦綜合思維能力的局限，而且可實現作物育種的高度智能化，即使育種新手，也能達到育種專家那樣的決策水平。因此，以作物灰色育種學作為理論基礎，研究和開發作物灰色育種電腦決策系統，對于促進作物育種事業的發-展具有重要意義。

1作物灰色育種電腦決策系統的開發環境與流程

1．1開發環境

作物灰色育種電腦決策系統采用MVC模式，以美國Sun公司開發的JAVA 2為技術支撐，以JBuider 2006為集成開發環境，以Microsoft Access2000為后臺數據庫，JBuilder 2006是一款強大的Jav。企業級開發平臺，集成了幾乎所有的Java技術，涵蓋了軟件開發生命周期的各個過程，可以在J2EE的框架下開發各種各級應用程序。不僅可以跨平臺，適應各種各樣的操作系統，做到“一次編程，到處運行”，而且可以面向對象編程，設計的軟件結構清晰，層次分明。易于維護，可擴展性和可重用性得到增強，同時也提供了4種對各種數據庫管理系統訪問的統一接口，可以使系統方便地連接到所有現行的數據庫管理系統上，諸如大型數據庫如Ora-ele、Sybase、Microsoft SQL Server、IBMDB2、In-formix等，個人數據庫如Access、Foxpro、Paradox等均能通過相應的驅動進行訪問。更為可貴的是以Java開發的軟件易于實現網絡化。由此可見，作物灰色育種電腦決策系統的開發環境十分優越。

1．2開發流程

基于Java的作物灰色育種電腦決策系統以《作物灰色育種學》一書為藍本，結合郭瑞林近年來的成果進行二次創新和開發。其開發流程如下：作物灰色育種系統分析→作物灰色育種系統設計→建立作物灰色育種應用對象→生成作物灰色育種用戶對象、函數和結構→建立作物灰色育種窗口和菜單→創建作物灰色育種數據窗口對象→編寫作物灰色育種事件(包括數學模型程序)→調試應用→測試系統→生成作物灰色育種可執行文件。

2作物灰色育種電腦決策系統的主要模塊與功能

作物育種從育種目標的制定、親本觀察、雜交組合配制、單株選擇、品系鑒定、品種區域試驗、品種布局到品種利用等一系列活動，實質上是一系列的決策過程。在這些過程中，要運用多種決策模塊，這些模塊是作物灰色育種電腦決策系統的核心。模塊包括：育種目標灰關系分析模塊、親本灰色分類模塊、雜交組合灰色評判模塊、單株灰色選擇模塊、品種灰色多維綜合評估模塊、品種灰色布局模塊、品種灰色相似性栽培模塊、病蟲害灰色預測模塊。上述模塊就像鏈條上的一個個環節，順序形成一個整體，缺一不可。任何一個環節的脫節，都將使作物育種無法進行。

2．1育種目標灰關系分析模塊與功能

本模塊采用灰關聯分析原理與方法，分析各主要性狀對產量或品質的影響，判別主要性狀與次要性狀，明確各性狀之間的數量關系，并對性狀間進行量化、序化，從而為確定客觀合理的育種目標提供依據。

2．2親本灰色分類模塊與功能

本模塊采用親本灰色分類原理與方法，定量地確定各親本之間的親疏關系(遺傳差異)，并按這種關系從本質屬性上將親本進行分類，用于指導雜交組合的配制。

2．3雜交組合灰色評判模塊與功能

本模塊采用雜交組合灰色評判原理與方法，對雜種F雜交組合進行綜合評估，從而確定重點組合，使育種工作者在雜種早代就做到胸中有數，把精力盡早集中到有希望的組合上。

2．4單株灰色選擇模塊與功能

本模塊采用單株灰色選擇原理與方法，依據灰選性狀定權系數，對育種分離世代個體或單株進行選擇，從而決定取舍。通常將單株分為3個等級，一級單株為重點單株，在以后世代中加以重點觀察、選擇：二級單株為一般單株，保留種植，并繼續觀察、選擇：三級單株則加以淘汰。

2．5品種灰色多維綜合評估模塊與功能

本模塊采用品種灰色多維綜合評估原理與方法，從多個目標性狀對品系鑒定、品種比較試驗或生產示范試驗的參試品種進行綜合評價，為品種審定推廣提供科學依據，與通常品種比較試驗統計分析方法相比，其優越之處就在于可以同時考慮多個性狀，因而對品種的評價更加客觀、合理。

2．6品種灰色布局模塊與功能

本模塊采用品種灰色布局原理與方法，對品種

多點聯合區域試驗結果進行分析，提出不同生態類型區最適宜種植的品種，做到種盡其用，以取得最好的經濟效益和社會效益，其突出優點是能夠克服通常分析結果導致在全省統一推廣平均產量居前幾位的品種的局限，不僅重視廣適性品種的充分利用，而且重視特定適應性品種的增產潛能的發揮。

2．7品種灰色相似性栽培模塊與功能

本模塊采用品種灰色相似性栽培原理與方法，通過待推廣品種與大面積推廣品種之間在栽培學特性上的灰色相似度來確定相似性品種，進而實現良種與良法的配套。與通常栽培試驗方法相比，這種方法的不同之處就在于它可以省去繁瑣復雜的栽培試驗，僅根據某新品種與大面積推廣品種栽培學特性的相似性程度即可推斷該品種的栽培類型，繼而采用相應的栽培技術和措施與之匹配，在新品種推廣的當年，直接實現良種與良法的配套，從而有效地解決了生產上良種與良法相脫節的矛盾，使品種的產量和優質潛力得到充分發揮。

2．8病蟲害灰色預測模塊與功能

本模塊采用GM(1，1)模型或模型群，對作物病蟲害行為進行災變或季節災變預測，為農業生產提供病蟲害預防策略。模塊包括病蟲害災變預測和病蟲害季節災變預測兩種類型。前者指的是作物病蟲害行為特征量超出某個閾值的異常值在何時再出現的預測：后者則指的是作物病蟲害行為特征異常值的出現，是在一年中某個特定時區的預測。

3作物灰色育種電腦決策系統的應用示例

以安陽工學院生物與食品工程學院2008年小麥F₂單株選擇為例，說明作物灰色育種電腦決策系統在作物育種中的應用。

首先，在Windows桌面上用鼠標雙擊作物灰色育種電腦決策系統圖標，進入系統。在數據管理菜單內點擊數據庫連接。接著，點擊“單株灰色選擇”菜單，選擇已輸入的F₂田間人選單株表“F208”，點擊“確定”按鈕，出現[請選灰選性狀]界面(圖1)。選擇參與評判的灰選性狀，單擊“操作”、“下一步”，進入[請輸入灰選等級1的參數]界面(圖2)，輸入各性狀相應值并提交，出現“灰選等級1各性狀白化函數”圖示(圖3)。單擊“下一步”，進入[請選擇確定各性狀權值的方式]界面(圖4)，在“專家確定”、“灰度計算確定”、“離差計算確定”、“信息熵計算確定”和“判斷矩陣確定”5種方式中根據情況任選其一，奉例選用“判斷矩陣確定”，輸入相應值后，單擊“完成權值確定”、“下一步”，分別出現[請輸入灰選等級2的參數]和[請輸入灰選等級3的參數]界面，分別輸入相應值后并提交，然后點擊“系數矩陣展示”，即可得到各單株等級評定結果(圖5)。

結果表明，在F₂田間選取的2031個單株中，635株為一等單株，占31.3％：1204株為二等單株，占59.3％；192株為三等單株，占9.5％。其中，一等單株可視具體情況在下年適當擴大種植規模，重點觀察、選擇；二等單株保留種植，繼續選擇；三等單株淘汰，整個過程5min內即可完成，比通常育種工作者根據經驗權衡決定取舍要快100多倍，大大節省了時間，同時也提高了選擇效果。

4小結與討論

長期以來，作物新品種選育一直處于定性經驗階段，這也正是為什么從事育種工作的研究人員數以千計，而只有少數育種家才能獲得成功的原因之一。勿庸置疑，育種經驗包括育種藝術和技巧，是育種家多年心血和智慧的結晶，更是育種界寶貴的精神財富。然而，這些經驗的獲取，決非一年半載之功。其中，既包含有育種家艱辛的意志磨練，還包含有育種家曠日持久的深厚積累。惟其如此，某些比較棘手的育種難題，育種家能夠做到官止神行，妙手回春，而其他育種工作者尤其是育種新手卻望塵莫及。更何況育種經驗具有較強的針對性和時效性，隨著育種目標的變化而有所不同。比如用高產育種的經驗來指導優質育種顯然難敷應用。這就更增加了育種經驗的難以掌控性和神秘性，成為困惑育種工作者的難題之一?；贘ava的作物灰色育種電腦決策系統的研制成功，為破解這一難題帶來了希望，其有如下幾個特點。

1)提高決策水平和工作水平。由于灰色數學模型的引入，實現了傳統經驗育種向定量化育種的跨越，即使育種新手也能通過該系統得到育種專家那樣的決策水平，同時工作效率也得到成倍提高。

2)可以跨平臺運行。如前所述，該系統是以JBuilder 2006作為開發環境的，可以做到“一次編程，到處運行”。與此之前的育種專家系統相比，它具有良好的跨平臺運行能力，不僅支持Window操作系統，而且支持Linux和Solaris等操作系統，表現出很強的適應性。

3)功能齊全，界面友好，易學易用。系統可實現作物育種過程各個關鍵環節的決策功能，同時可視性極強，便捷易學。

4)具有極高的魯棒性和安全性。該系統全部采用MVC模式，以Java技術為支撐，可方便地擴展為網絡版。作為網絡語言，該系統必須提供足夠的安全保障，并且要防止病毒的侵襲。在運行育種應用程序時，要嚴格檢查其訪問數據的權限，比如不允許網絡上的應用程序修改本地的數據，下載到用戶計算機中的字節代碼在其被執行前要經過一個核實工具，一旦字節代碼被核實，便由Java解釋器來執行，該解釋器通過阻止對內存的直接訪問來進一步提高系統的安全性。同時Java極高的魯棒性也增強了其安全性。

5)支持多線程技術。多線程使育種應用程序可以同時進行不同的操作，處理不同的事件或任務，互不干涉，不會由于某一任務處于等待狀態而影響了其它任務的執行，這樣就可以容易地實現網絡上的實時交互操作，同時也非常有利于軟件的開發，即使是更新類庫也不必重新編譯使用這一類庫的應用程序。

上述特點決定了作物灰色育種電腦決策系統具有廣闊的應用前景。相信隨著時間的推移，將會成為育種工作不可或缺的有效工具。當然，該系統也有不足之處，譬如表格創建、數據輸入和數據修改等不如Excel方便快捷，雖然可以通過在Excel上完成數據輸入，然后從系統內Aceees dbl.mdb中導人來實現數據鏈接，但畢竟有所不便，因此尚待今后進一步研究與改進。

(責任編輯王曉芳)