刘学文系统工程

我国农业中系统工程学的应用 摘要：在农业发展规划方面应用系统工程方法, 受到许多行政领导部门的重视, 许多科研单位参加了以县为对象的经济发展规划工作, 不仅为当前的生产提供了参考意见, 而且积累了经验, 培训了队伍, 成绩也是很大的。

关键字：系统工程学 农业 发展 应用

1. 系统工程学在农业应用的简要历史

系统工程学是实现系统最优化的科学。1957年前后正式定名，1960年左右形成体系。是一门高度综合性的管理工程技术，涉及应用数学（如最优化方法、概率论、网络理论等）、基础理论（如信息论、控制论、可靠性理论等）、系统技术（如系统模拟、通信系统等）以及经济学、管理学、社会学、心理学等各种学科。系统工程的主要任务是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的基础思想、理论、策略、方法等从横的方面联系起来，应用现代数学和电子计算机等工具，以达到最优化设计，最优控制和最优管理的目标。

第二次世界大战以后。为适应社会化大生产和复杂的科学技术体系的需要．逐步把自然科学与社会科学中的某些理论和策略、方法联系起来．应用现代数学和电子计算机等工具．解决复杂系统的组织、管理相控制问题，以达到最优设计、最优控制和最优管理的目标。系统工程是一门高度综合性的管理工程技术，涉及自然科学棚社会科学的多门学科。70年代以来，系统工程已广泛地应用于交通运输、通讯、企业生产经营等部门，在体育领域亦有应用价值和广阔的前景。

系统工程当然会被应用到农业上。美国有一批曾在二次世界大战中服役的学者, 战后把战时应用的方法转为民用, 系统工程应用于农业是其中的一个方面。由于农场规模的扩大和产品的专业化, 物料(例如饲料) 运送设备的重要性越来越大, 这样就需要把整个农场活动作为一个系统, 把种植业和畜牧业的生产工艺与生产设备统一起来加以考虑。从五十年代后期开始, 在这方面进行研究的增多, 有人把这一时期叫做“系统觉醒的时代”。美国农业工程师学会在六十年代, 专门召开过农业系统工程的学术会议。农业经济学家则很重视系统工程应用于农业发展的规划工作。除在美国国内一些地区的发展上进行应用以外, 美国的一些学者还为别的国家进行过应用系统工程的规划工作。其它国家也很重视系统工程。在奥地利维也纳的国际系统分析应用研究所由美、苏、奥、保、加、捷、芬、法、匈、西德、东德、意、日、荷、波、英、瑞典等17个国家的科学院或相当的科学团体的科学家组成, 是一个非官方性质的研究机构, 由各国分担经费, 宗旨是组织全世界的科学家在一起应用系统工程技术来研究共同关心的重大问题, 例如能源问题, 环境问题, 粮食问题等。对粮食问题的研究是建立各国和世界的粮食模型, 找出影响各国及国际政策的建议, 目的是运用近二三十年来农业科技的成果, 以建成一个没有饥饿的世界。现在已经完成了三十个国家的模型, 其中包括我国的模型。在农业方面的应用, 在六十年代初期有了一些试探, 即用在拖拉机的选型上, 但因文化大革命未能继续下去。文化革命以后的几年, 在钱学森同志的提倡、推动下, 农业系统工程和其它方面的系统工程一样, 进展的很快。一些地方的同志结合实际生产的需要, 在系统工程方法应用于农业方面取得了十分

可喜的成果。如浙江省在小麦赤霉病的预测预报上, 湖南省在水稻生产规范化工作上都取得了成功, 创造了可观的经济效益。其他如在蚕类育种、作物品种遗传、公害生态研究和预报和农机合理配备等方面也都做了许多工作, 取得了初步成果。在农业发展规划方面应用系统工程方法, 受到许多行政领导部门的重视, 许多科研单位参加了以县为对象的经济发展规划工作, 不仅为当前的生产提供了参考意见, 而且积累了经验, 培训了队伍, 成绩也是很大的

2. 系统工程学在农业的具体应用

2.1在农业发展规划方面的应用

农业发展规划，实际上就是农业自然资源（土地、水、气候、作物、能源等）和社会资源（劳力. 资金、技术等）的分配问题，这正是应用线性规划的典型问题，线性规划的作用正在于以尽可能最优的方式在各项竞争着的活动之间，分配有限的资源。

2.1.1资源分配

对农业发展规划来说，土地在农、林、牧之间的分配，以及在不同作物（如小麦、玉米、棉花、大豆、花生„„) 之间的分配，是最基本的问题。土地的总数是有限的（如果无限，就不存在分配问题）。农、林、牧以及农业的各种作物都可以在这些土地上生长，因此它们是竞争着的活动。但是农、林、牧和各种作物对灌溉水量，对劳畜力等资源也有要求：有的要求灌溉水量多， 有的少；有的用工多，有的少；而灌溉水的总量和劳畜力的总量也是有限的（如果无限. 也就不存在分配问题）。农、林、牧和多种不同作物在这块土地上生长，在一定的灌溉水和劳畜力的投所取得的产量或经济效益是不同的，而在单位面积上的数据已有积累，能够作为参考。除此以外，还可以列出一系列其他要求，作为限制或制约条件，如要求粮食的总产量不能少于多少. 以保证达到粮食自给。要求农林牧有一定的比例, 以保证一定的生态平衡等等。在上述条件下，要求达到土地利用的总效益为最大，这就是一个农业发展规划中的资源分配问题。包括土地、水、劳畜力等资源的分配，如何取得最大的效益。如果再把肥料、机械、投资等都包括进去，就更接近于实际，只是更为复杂，但总的思路是一样的。

2.1.2种植业结构、种植业结构和产业结构的调整

从资源分配的问题，就已经看到用系统工程可以计算出不同农业部门或不同作物比例。只要有了正确的数学模型和电子计算机. 在情况变化了的条件下，随时输入变化了的数据就可取得相应结果。如改善了灌溉条件，增加了可用水源，就可以立即得到各种作物可以扩大到多少亩的数据，因此系统工程对于调整种植业结构、农业结构和产业结构是特别有力的工具。

农业的两个转化，使农业的产前、产中、产后联成一体，问题远比过去只抓产中环节为复杂。在各地农村产业结构调整中，农村工业、商业和其他服务业也都需要加以考虑。系统工程在这样的问题中应用，前途异常广阔，除此之外，恐怕还没有别的办法。目前我们在这方面的经验还不多，应当根据当前农业发展的要求，多作努力。

2.1.3国家的宏观农业规划

国际系统分析应用研究所为了研究世界的粮食与农业问题，已经为30个国家制定了粮食与农业模型，和全世界的粮食与农业模型，目的是为了对影响各国和国际的农业政策提出建议。我国有关部门也制定了“中国种植业

发展结构模型”。这是一个含有8702个变量，3287个约束方程的大型线性规划模型，通过调整不同地区、不同作物间的种植比例和结构，达到进一步提高产量，满足发展要求，改善生态环境，提高资源利用效率和经济效益。

宏观的农业规划可以为制订农业的发展战略和政策提供多种可供比方案，并在计算机上进行验证。对于可能变化的因素，如灾害的发生、国际市场的变化、技术措施的改进等对农业发展的影响，也可做出评价，这些都是传统的规划方法难于作到的。

2.1.4滚动计划

应用数学模型和电子计算机为农业发展规划服务还有一个很大的优点，就是制定滚动计划。也就是根据年度的实际进展情况，调整输入数据，修订来年的计划，使之更符合实际，从而更好地发挥计划的指导作用。利用传统的手工计算方法等因素. 以致使中、长期规划或年度计划很不可靠，不能起到指导作用。

2.2在农业生产上的应用

虽然系统工程在规划工作中有其特殊作用，它在农业生产上的应用也是非常重要的。尤其因为农业的环境复杂，气候、土壤、生物等因素变化频繁，要对生产措施作出决策，系统工程和计算机已逐步成为必不可少的手段。目前在生产上应用得较多的是：

2.2.1灌溉水的分紀和管理

在一个灌溉区内不同的作物占有不同的面积，各有不同的需水量和需水时期，供应的水源受到限制，不能同时灌溉所有的土地。因此，是一个灌溉水的分配问题，如何制订灌溉计划，才能使整个灌区系统的收益最大。灌溉又受到降雨的影响，使问题更加复杂。

2.2.2作物的病虫害防治

农业病虫害的发生与发展与其环境条件有密切关系。如病害常与气象因素、作物品种、施肥水平等等有关。昆虫的生长或死亡常与环境中空气的温度、湿度、气流速度. 雨量等有关，因此可以用系统工程的方法，对病虫害的发生和发展进行预测预报，从而有利于及时采取防治措施。

2.2.3饲料配方

不同牲畜（包括家禽）需要不同的营养（干物质、代谢能. 增重能、粗蛋白、钙、磷以及多种微量元素等），不同的饲料（玉米、麸皮、豆饼、青贮玉米、青干草等) 可以提供不同的营养成分，饲料品种的供应有时受到限制，各种饲料的市场价格也常在变动，因此根据当时可以取得的飼料，计算出一种既可满足营养需要、又是成本最低的配方，就是很重要的工作。

2.2.4农场管理

系统工程既然是“管理的科学”，可以用于大型企业的管理。根据作物的布局，作业的季节性需要，及时安排最适合的机组进行农田作业, 是保证农业生产正常进行的必要条件，但机组的数量是有限的, 且应当力求减少，以降低投资和成本。机组作业的日程表以及灌溉的日程表、防治病虫害的日程表等等，就构成了指挥农场生产的依据。

2.3在农业科研上的应用

有些科学家认为有了系统工程和计算机，把整个科学研究（包括各个方面）的面貌都改变了。这是因为系统工程和计算机是前所未有的计算、控制和实验手段，能够如实反映事物的本质，特别是能够反映事物之间的互相联

系和影响。有了这种手段和方法之后，过去所习用的孤立的、单项的研究方法当然就行不通了。在事物发生发展的内部规律方面，系统模拟应用的范围十分广阔。仅举几个主要方面的例子：

2.3.1关于作物生长的研究

作物与其生长的环境是一个系统。对作物生长的研究，主要研究各种作物生长过程与环境因素的关系。一个作物的数学模型，由作物的各种生长特性（如植株的生长情况、重量变化、光合作用等）与影响其生长的多种环境因素函数关系式组成。初期的模型大多用多元回归技术处理田间作物的试验数据，但由于变数太多，相关影响又很复杂，这种方法遇到了困难，后来演变为根据物理、化学原理的生长理论来进行研究，将干物质的聚积或碳水化合物的生长作为作物光合作用、呼吸、蒸腾、固氮、水分和氮的吸收等的函数；并用数学方程来描述作物内部的物质流、能量流及其平衡等等。

2.3.2病虫害群体动力学及其管理的研究

昆虫、草、病害是作物生态系统的重要灾害。生物学家和数学家提供了对昆虫群体进行模拟方法。如美国在棉铃虫的防冶方面研究了BWSLM模型。它是一个模拟受到作物因素、气象因素和害虫密度影响的棉铃象虫群体的动态模型。在模型中考虑了随时间变化的昆虫每一生长阶段（卵、幼虫、蛹、成虫）的时间长度和昆虫的捕食、寄生、衰老、死亡的情况，田间验证证明模拟是有效的。

2.3.3作物干燥过程的研究

谷物干燥是一个同时进行着热量和物质转移和平衡的过程，一般用空气作为干燥介质。谷物、土豆、甜菜等作物的周围环境不变时，一般是以不变干燥率进行干燥的，此时水分流失以不变的速率进行。某些农产品随后有一个干燥率下降的阶段，这时的干燥速率不仅要参考外部条件，还要参考作物内部的水分转移处理。用系统模拟方法制订的预测干燥速率模型，经实验证明是成功的，因而可以应用于各种干燥器的设计，太阳能加热空气干燥作物的技术，以及用确定谷物的安全贮存时间等等。

前面概略地介绍了系统工程在农业上的应用，从而可以看到系统工程是一个极为重要的方法，掌握此方法，对我国农业实现两个转化，具有十分重要的意义。

参考文献

【1】农村. 农业. 农民(B版) ， 2009年05期

【2】国外社会科学，1985年05期

【3】陶鼎来. 运用系统工程方法开发利用农业资源. 农民日报，1986年10月9日.

【4】陶鼎来，徐锡纯. 农业工程区划的理论与实践. 农业工程学报，1985 年（1）19-28