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有害生物控制工程研究和探讨

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  摘    要:在比较多种版本“工程”定义的基础上,本研究提出了关于“工程”、“工程本质”的认识。进而,笔者提出并简要介绍了有害生物控制工程命名的由来以及有害生物控制工程技术的组成,并且针对有害生物控制工程的发展前景做了简洁博弈分析。
  关键词:有害生物;控制;工程
  中图分类号:S181         文献标识码:A           DOI 编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2019.05.015
  Research and Discussion of Pest Control Engineering
  GUO Jianjun
  (Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)
  Abstract:  On the basis of comparing different vision of "engineering" definition, this paper has put forward the reorganization about  "engineering", and revealed the essence of "engineering". Further more, this paper has made a explain of naming "pest control engineering". It briefly gave an introduction of "pest control engineering" technology's component, including dynamic formula, control measure classing, goal equation, limit conditions, objective optimization calculate, and so on. Last, this paper briefly made a analysis of game on pest control engineering's develop prospect.
  Key words: pest; control; engineering
  对于有害生物治理,自IPM概念在1972年由美国联邦政府机构环境质量委员会正式提出几十年来,作为有害生物防治策略,在世界上得到了广泛应用[1]。而针对IPM策略的应用发展与不足,在国际范围内,陆续又有学者或机构提出了新的概念以及一些已提出概念又被重新提出,例如EPM[2]、植物医学[3]、植物健康、可持续控制(1995年第13届国际植物保护大会)等。但是,整体上而言,对于有害生物的控制,防治思想仍然在防治技术的“综合”以及近些年发展集中出现的“技术集成”[4-9]水平上;对于“技术集成”,也仍是防治思想“综合”的体现。
  探讨有害生物治理可分2个方面,一是专注于有害生物的防治技术;二是运用哲学、工程学原理、方法,探讨在现有科学技术水平条件下,如何科学、有机的集成配置各种有害生物防治技术以控制有害生物灾害的发生。对于基于“IPM”思想的防治技术的“综合”运用,尤其近些年病虫害防治治理发展集中出现的“技术集成”的实践发展说明病虫害防治治理工作已经处于新阶段、新水平,显示出工程思想的萌芽。
  对于第二个方面,属于空白领域。曾世迈等[10]系统著述的《植保系统工程导论》对于有害生物治理工程化可作为有益的借鉴。也有其他领域的学者沈珠江[11]试图提出新的“农业工程(化)”概念,但囿于专业限制和当时的科技水平,然而其思想对于进行有害生物控制却具有一些启发意义。
  同时,一些热点问题,如农药抗性、转基因技术应用争议和生物安全、食品安全与农业环境保护、生态文明等,以及中共中央十九大报告针对当前时代提出的:“坚持节约资源和保护环境的基本国策......形成绿色发展方式和生活方式......”的社会及政治背景的这样一些指向、要求作用;更主要的是由于综合科技水平的提高和信息技术、智能算法的进展,使其具备单纯从技术角度看待有害生物治理到从工程学角度这样的视野处理有害生物治理的可能性。
  经历年研究探索,借鉴其他学者关于病虫害治理的思想,对于“如何科学、有机的集成应用各种有害生物防治技术以控制有害生物灾害的发生”这个问题,本研究提出了解决途径,并建构了有害生物控制工程的基本框架与核心工程技术,对有害生物控制工程的基本概念与核心工程技术做了简要阐述。
  1 对有害生物治理观念的思辨
  对于有害生物灾害的发生上,曾士迈等[11]院士认为:农作物病害流行大多是人为造成的;而从有害生物控制工程学水平而言,将曾先生的“认为”与其他更广范围的有害生物灾害的发生相比较结合,得出大多数的有害生物灾害都是人为造成的。其原因在于人们从事农业生产,功利性目的占主导地位。人类的这种功利性期望决定了一个农业生态系统的发生、发展、稳定不仅要符合自然规律(生物、生态规律),同时也要接受来自于人的硬性干预,例如农业生态系统结构与功能的变化、人工品种的驯化和进化、抑制系统中与人的目的相抵触的元素、农业市场的波动等。但是,人的干预期望与农业生态系统两者的发生、发展的曲线并非是平行相符的,主观愿望与农业生态系统的生物、生态规律有诸多矛盾之处,这些矛盾即为有害生物灾害发生的动因,例如农药抗性产生后果、食品安全等。
  以往,在有害生物控制工作中,惯常的思维方式是“某某防治对象的综合治理”或者说“某某防治对象的技术集成体系”,本质上仍是垂直化、线性的解决问题的方式,这种思维方式体现于植物保护类教科书以及相关农业技术类书籍的编写及农业标准的制定和農业病虫害、杂草的治理实践中。当然,这种思维方式的意识只是停留于应采取多样化方式治理防治对象的认识上,而如何科学、有机地集成这些方式以治理防治对象却没有深入研究,这是目前有害生物治理的现状。然而,从植物保护工作的实践中,关注人工生态系统的形成与自发展、稳定、多种防治对象间的关联以及这种人工生态系统存在的生境,考虑如何科学、严谨、有机地集成应用多种控制技术(工程化)以控制有害生物的发生,并符合农业生产的经济目的、产量目的、安全目的等多种目标(实行工程化)应是实施有害生物控制工作的重要方面之一。这一想法是由松散的、技术的有害生物IPM防御策略到科学、严谨、有机的运用工程学水平而工程化控制有害生物。   以系统观点,从顶层视角俯瞰看待有害生物控制工作,以系统控制有害生物的多个目标(经济目标、食品安全目标等)为着眼处,当然这些目标是有其相互关联性的,构建有害生物控制工程架构,以科学、严谨的态度,平等分析、对待、选择、应用有害生物控制技术,比如化学农药使用安全、沸沸扬扬的转基因技术等,用严谨的科学依据代替世俗舆论化、政治化、色彩化的认识,以获得当时科学技术环境水平下有害生物控制目标的客观满意方案。系统观点虽然不是新鲜之物,但却是工程学的基本观点之一,是基础,因而构建有害生物控制工程,仍然要使用这一基本范畴。
  经分析、探索,界定有害生物控制工程的出发点为:从人与“有害生物”的“博弈”根本关系入手,从工程学视角,运用工程学原理与方法,考虑人—环境-保护对象-有害生物的关系,遵循生态系统的基本规律,以人工生态系统构建为基础,激发系统及生命体内在生命潜能,增强系统及生命体对有害生物侵袭的防御力,维持保护对象系统稳定性,从时间、空间上集成、优化配置不同种类、不同水平的有害生物控制技术,从而将有害生物危害控制在符合生产者、经营者、消费者多目标的可接受范围之内。
  2 有害生物控制工程
  2.1 工程学以及有害生物控制工程概说
  建设有害生物控制工程,需借鉴具有普遍指导意义上的工程哲学、工程学理论。但是,对于工程哲学、工程学,虽然有多领域的专家、学者做了大量的探索、研究,例如哲学、水利科学、冶金科学、环境科学等领域,但是迄今为止,我国工程哲学初具雏形到現在十几年,一些问题没有达成普遍共识,中国工程院[12]2017年官方出版物《工程方法论前沿》将一些学者的观点、研究汇编成册,这其中包括了对工程、工程哲学的观点;而具有普遍意义上的工程学学科理论也还没有形成;在这些领域中,卓有建树、积极活跃的学者有李伯聪、殷瑞钰、汪应洛、何继善等。同时,对于“工程”的定义也是多有不同表述,既有机构、组织的官方出版物,又有各领域专家学者的论述。例如:美国国家工程院定义:“工程一直以很多方式被定义。它常常被视为‘科学应用’......工程的另一种定义是‘在限制下设计’......” ; 我国学者李伯聪[13]开创工程哲学,其在著作《工程哲学引论》中将工程定义为:人类改造物质自然界的完整的全部的实践活动和过程的总合;徐匡迪[14]在为殷瑞钰、汪应洛、李伯聪所著《工程哲学》所提序言中认为:工程是人类的一项创造性的实践活动,是人类为了改善自身生存、生活条件,并根据当时对自然规律的认识,而进行的一项物化劳动的过程;徐匡迪对“工程”的定义被殷瑞钰、汪应洛、李伯聪所著《工程方法论》[15]、《工程哲学》[16]所采纳;殷瑞钰在《工程方法论前沿》中将“工程”阐述为:工程是人类有目的、有计划、有组织地运用知识(技术知识、科学知识工程知识、产业知识社会-经济知识等)和各种工具与设备(各种手工工具、动力设备、工艺装备管控设备等)有效的配置各类资源(自然资源、经济资源、社会资源、知识资源等),通过优化选择和动态的、有效的集成,构建并运行一个“人工实在”的物质性实践过程[17];而水利学家沈珠江[18]认为:工程是人类有目的、有组织地改造世界的活动,继而,修改为:工程是以促进人类发展为目的的有组织地改造世界的活动[11]。 这些对于“工程”的不同定义体现了学者们在不同角度对于“工程”的认识很丰富。
  在借鉴前人研究成果的基础上,经归纳、比较、提炼、探索,定义“工程”的概念为:在自然科学领域,工程,即构建符合人类目的的集成体。而这个集成体既可以是结构上的集成,即实物,例如建筑工程;也可以是技术、知识等非实物形式的。工程既然是集成体,那么,各部分之间是松散、毫无章法的堆叠在一起,还是遵循某种规则有机结合在一起呢?研究发现在自然科学领域,最优化技术(含博弈优化技术)应是一切工程的应有之义,因为这代表着工程诸要素可以定量化的、科学、有机的结合在一起,不是松散、无章法的、简单的堆积。因此,应用最优化技术(含博弈优化技术)对工程诸要素进行有机配置以符合人类目的,是工程的本质特征。
  一个具体工程在其形成过程中,虽各专业领域有其所独有的一些原理、规律、方法,但归纳、抽提一下,有如下几方面共性的内容:(1)目标与功能;(2)过程与程序;(3)设计与集成;(4)构建与环境和谐。在整个工程过程中,重点是在设计阶段,围绕具体工程欲解决的问题和应具备的功能,应用数学最优化技术(含博弈优化技术)对工程诸要素进行最优化配置或满意化配置以符合人类目的,诸要素既可以是理化指标,也可以是技术;如果是技术的话,那将是对技术的最优化或满意化集成配置。对于设计的把握不能机械地限定认为只是在整个工程过程中的某一设计阶段。
  关于工程学、工程哲学的更多内容,另文阐述。
  有害生物控制长期难以工程化的主要原因,一是受限于当时的综合科学技术水平,如工程学、智能算法等的发展,这是主要因素;一是由于认识上的问题,如生态系统变量众多、作用关系复杂、不好定量、不好表述等,这是主观上的因素。对于认识上的问题,实际上是要明确和抓住有害生物控制工程要解决的主要问题,而建设有害生物控制工程,除借鉴工程科学的共性部分指导以外,也有其本身的特点。
  定名为有害生物控制工程的原因是:“有害生物控制”,是考虑到人与有害生物的博弈关系、人的功利性目的,人类只需要将有害生物控制在可容忍水平以下,超出此范围则无需干涉;“工程”则指其通过工程化途径,运用工程学的共性理论、方法以实现有害生物控制的目的。
  有害生物控制实现在工程科学层次上的建立具有广泛、深远的意义。在科研上,有益于科研人员从整体上优化、把握有害生物控制对象的治理或对保护对象的防护,发现对于追求目标而言的系统防治上的薄弱环节,进而对探索方向具有一定的指导意义,当然这不是机械的、僵化的;在生产上,则有利于指导生产者科学、合理集成有害生物治理措施进行有害生物防控,获取更大经济利益或其他利益;在食品安全上,则可基于有害生物控制工程进行普通意义上的安全食品咨询与认证;而在有害生物治理的农业标准规范的结构制定以及更新上也有重要影响。   本研究不采用“模块化”方式叙述有害生物控制工程构成子系统,而简要介绍研究的有害生物控制工程技术。文后列入对有害生物控制工程技术研究具有借鉴作用的文献[19-37]。
  2.2 有害生物控制工程技术
  人与有害生物之间的关系本质上是博弈关系,人利用各种各样的防治措施控制有害生物实质上就是博弈策略的使用。有害生物控制工程技术就是依据多个或一个有害生物的博弈策略,有机配置有害生物防治措施以达到目标最优化或满意的期望,并可以将这一过程数量化的衡量。有害生物控制工程技术是有害生物控制得以工程化的基石与核心。下面简要介绍有害生物控制工程技术的构成。
  2.2.1 有害生物动力方程的确定 对于有害生物的发展趋势,可选用生物学基本模型物种方程模型或应用智能算法对有害生物的发展过程建模,当然,适合的其他有害生物动力学模型也可以,以确定适当的有害生物发展进程治理时间节点。在受保护对象的生长历期中,为了抑制有害生物的发生,使之控制在一定水平,需多次采取治理措施,治理时间节点也是多个的。
  对于应用智能算法对有害生物的发生、发展过程建模问题,笔者认为:人工生态系统是复杂系统,复杂性是复杂系统的特征,智能(仿真)算法的出现和发展,如:遗传算法、鱼群算法、蚁群算法、神经网络算法等,为解决复杂性问题提供了全新的视野,例如有害生物扩展动力学模型的建立;而利用线性科学方法不能圆满解决的问题,利用智能(仿真)算法[38]也许才是解决复杂性问题的根本途径,也就是“师法自然”。
  同时,对于“人工智能”的范畴,此“人工智能”非彼“人工智能”。現在,计算机科学中的“人工智能”与“智能算法”中的“智能”涵义不等同,其现行的概念限于“神经网络”,主指模仿“人”的智能,而研究发现在有害生物控制工程领域中中提及的“人工智能”的范畴应更为宽泛,只要是“人工”模仿的生命体的有规则的行为,包括高级生命体与低级生命体,均可以称为“人工智能”,例如低级生命体的低等智能在群体行为上表现出高度的有规则的规律性,比如鱼群的觅食、追尾、聚群行为等,都有其模仿价值之处。
  2.2.2 有害生物治理措施整理归类 对防治对象的现行所有治理措施进行分类归纳,有的分类甚至需打破传统分类,清晰列清每一种治理措施的作用方式、作用时间、优缺点、治理效果数据(源数据、演化数据)、对有害生物发展到防治点的迟滞时间等必要数据。
  同时,需注意有害生物治理的地域性,例如因农药使用习惯的不同使得有害生物对农药的抗药性存在地区差异等。
  2.2.3 目标方程与约束条件确定 针对有害生物防治需满足的多目标的要求,例如食品安全、环境污染、产量、经济等,确定防治有害生物的目标方程,如以最小损失,包括保护对象收益损失和成本,作为目标,取得最小目标方程。同时,确定目标方程的约束条件,如各项治理措施的使用限制(包括其他目标对各项治理措施的使用限制)等。
  2.2.4 目标方程最优化计算编程求解 利用编程语言或mathmatic等计算软件,取得相应解,这个解是近似解。上面简要介绍了有害生物控制工程技术的构成。通过有害生物控制工程技术,生产者、经营者可以获得控制有害生物的符合人的多种目标的治理措施的优化组合、顺序、时间、使用数量等近似或满意方案。这也是随时间进程的动态规划。但是,通过最优化所取得的近似方案却可以因地区、市场因素、人力成本等因素变化而不同,具有差异性。还有,通过有害生物控制工程所取得的近似方案,可得知有些种类有害生物治理有优化的理想方案,而有些仍然以化学农药的治理措施为主;对于尚未有理想治理优化方案的,“绿色生产方式”的目标虽美好,但目前技术水平可能还达不到,也就免于社会上浮躁声音的影响,实事求是。
  上述是针对单一的有害生物提出的有害生物控制工程技术的构成,而如果在保护对象上存在一个以上有害生物,那么需考虑它们之间有无耦联,再制定相应的治理策略,进而再应用上述技术。
  实例部分另文叙述。
  有害生物控制工程技术为有害生物控制得以工程化提供了基石,也使得人对使用各种治理技术控制有害生物的认识更理性,依据更充足,例如避免盲目推崇“生物防治”、排除化学农药的使用。有害生物控制工程化不意味着什么“农业工程师”的出现,它只是说明对有害生物的控制实质上进入了工程科学领域 。考虑到农业的实际情况,有害生物控制工程化的使用有赖于统一的有害生物控制工程平台的提供,而有害生物控制工程平台不同于以往的病虫害专家诊断系统,但又可以部分借鉴于病虫害专家诊断系统。同时,有害生物控制工程平台又可以和其他系统整合,例如栽培系统、地理系统、病虫监测系统等,以至于最终可形成智能社会背景下为农业生产者提供服务的统一、集成的农业服务平台,既可以为政府管理部门,包括政策指导,又可以为广大的农业生产者提供服务,产生社会效益等。
  有害生物控制工程化的产生、要解决的问题不是针对“来,找个具体的田间地块,设计一下怎么进行病虫害控制”这样的“通俗”认识要解决的问题;它是从更高的角度、视野、结合国情考虑来如何在现有科学技术水平条件下,科学、有机地集成应用各种有害生物防治技术以控制有害生物灾害的发生,并且尽力符合、平衡人对农业生产环境、农产品、食品安全、经济利益等多种目标的追求。需要指出的是:有害生物控制工程的应用不会阻碍有害生物治理新技术的出现与发展。
  3 有害生物控制工程发展前景的博弈分析
  随着有害生物控制工程及其平台的建立、宣传、应用,农业生产者群体对于采取何种方式控制有害生物会伴随时间而发生演化,而这种农业生产者群体的演化完全可以借鉴生物种群进化的博弈模型[39-43],也就是典型的“鹰-鸽”模型。对于控制有害生物,农业生产者群体可分为两种类型,一种是非市场竞争型,对应于“鹰-鸽”模型中的对称博弈类型;另一种是市场竞争型,对应于“鹰-鸽”模型中的非对称博弈类型。农业生产者控制有害生物可以采取的策略分为两种,也就是利用有害生物控制工程平台辅助控制有害生物与不利用有害生物控制工程平台辅助控制有害生物,最后一种策略就是一些传统策略;这2种策略的收益可设定。在这里,对于这两种类型的博弈分析(复制动态方程与相位图)就不具体列出了,其结论则是利用有害生物控制工程平台辅助控制有害生物是农业生产者治理病虫害等工作演化的稳定策略。   参考文献:
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