有害生物控制工程研究和探討
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摘 要：在比較多種版本“工程”定義的基礎上，本研究提出了關于“工程”、“工程本質”的認識。進而，筆者提出并簡要介紹了有害生物控制工程命名的由來以及有害生物控制工程技術的組成，并且針對有害生物控制工程的發展前景做了簡潔博弈分析。
關鍵詞：有害生物;控制;工程
中圖分類號：S181 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.05.015
Research and Discussion of Pest Control Engineering
GUO Jianjun
?。↖nstitute 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
對于有害生物治理，自IPM概念在1972年由美國聯邦政府機構環境質量委員會正式提出幾十年來，作為有害生物防治策略，在世界上得到了廣泛應用[1]。而針對IPM策略的應用發展與不足，在國際范圍內，陸續又有學者或機構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]、植物醫學[3]、植物健康、可持續控制（1995年第13屆國際植物保護大會）等。但是，整體上而言，對于有害生物的控制，防治思想仍然在防治技術的“綜合”以及近些年發展集中出現的“技術集成”[4-9]水平上;對于“技術集成”，也仍是防治思想“綜合”的體現。
探討有害生物治理可分2個方面，一是專注于有害生物的防治技術;二是運用哲學、工程學原理、方法，探討在現有科學技術水平條件下，如何科學、有機的集成配置各種有害生物防治技術以控制有害生物災害的發生。對于基于“IPM”思想的防治技術的“綜合”運用，尤其近些年病蟲害防治治理發展集中出現的“技術集成”的實踐發展說明病蟲害防治治理工作已經處于新階段、新水平，顯示出工程思想的萌芽。
對于第二個方面，屬于空白領域。曾世邁等[10]系統著述的《植保系統工程導論》對于有害生物治理工程化可作為有益的借鑒。也有其他領域的學者沈珠江[11]試圖提出新的“農業工程（化）”概念，但囿于專業限制和當時的科技水平，然而其思想對于進行有害生物控制卻具有一些啟發意義。
同時，一些熱點問題，如農藥抗性、轉基因技術應用爭議和生物安全、食品安全與農業環境保護、生態文明等，以及中共中央十九大報告針對當前時代提出的：“堅持節約資源和保護環境的基本國策......形成綠色發展方式和生活方式......”的社會及政治背景的這樣一些指向、要求作用;更主要的是由于綜合科技水平的提高和信息技術、智能算法的進展，使其具備單純從技術角度看待有害生物治理到從工程學角度這樣的視野處理有害生物治理的可能性。
經歷年研究探索，借鑒其他學者關于病蟲害治理的思想，對于“如何科學、有機的集成應用各種有害生物防治技術以控制有害生物災害的發生”這個問題，本研究提出了解決途徑，并建構了有害生物控制工程的基本框架與核心工程技術，對有害生物控制工程的基本概念與核心工程技術做了簡要闡述。
1 對有害生物治理觀念的思辨
對于有害生物災害的發生上，曾士邁等[11]院士認為：農作物病害流行大多是人為造成的;而從有害生物控制工程學水平而言，將曾先生的“認為”與其他更廣范圍的有害生物災害的發生相比較結合，得出大多數的有害生物災害都是人為造成的。其原因在于人們從事農業生產，功利性目的占主導地位。人類的這種功利性期望決定了一個農業生態系統的發生、發展、穩定不僅要符合自然規律（生物、生態規律），同時也要接受來自于人的硬性干預，例如農業生態系統結構與功能的變化、人工品種的馴化和進化、抑制系統中與人的目的相抵觸的元素、農業市場的波動等。但是，人的干預期望與農業生態系統兩者的發生、發展的曲線并非是平行相符的，主觀愿望與農業生態系統的生物、生態規律有諸多矛盾之處，這些矛盾即為有害生物災害發生的動因，例如農藥抗性產生后果、食品安全等。
以往，在有害生物控制工作中，慣常的思維方式是“某某防治對象的綜合治理”或者說“某某防治對象的技術集成體系”，本質上仍是垂直化、線性的解決問題的方式，這種思維方式體現于植物保護類教科書以及相關農業技術類書籍的編寫及農業標準的制定和農業病蟲害、雜草的治理實踐中。當然，這種思維方式的意識只是停留于應采取多樣化方式治理防治對象的認識上，而如何科學、有機地集成這些方式以治理防治對象卻沒有深入研究，這是目前有害生物治理的現狀。然而，從植物保護工作的實踐中，關注人工生態系統的形成與自發展、穩定、多種防治對象間的關聯以及這種人工生態系統存在的生境，考慮如何科學、嚴謹、有機地集成應用多種控制技術（工程化）以控制有害生物的發生，并符合農業生產的經濟目的、產量目的、安全目的等多種目標（實行工程化）應是實施有害生物控制工作的重要方面之一。這一想法是由松散的、技術的有害生物IPM防御策略到科學、嚴謹、有機的運用工程學水平而工程化控制有害生物。 以系統觀點，從頂層視角俯瞰看待有害生物控制工作，以系統控制有害生物的多個目標（經濟目標、食品安全目標等）為著眼處，當然這些目標是有其相互關聯性的，構建有害生物控制工程架構，以科學、嚴謹的態度，平等分析、對待、選擇、應用有害生物控制技術，比如化學農藥使用安全、沸沸揚揚的轉基因技術等，用嚴謹的科學依據代替世俗輿論化、政治化、色彩化的認識，以獲得當時科學技術環境水平下有害生物控制目標的客觀滿意方案。系統觀點雖然不是新鮮之物，但卻是工程學的基本觀點之一，是基礎，因而構建有害生物控制工程，仍然要使用這一基本范疇。
經分析、探索，界定有害生物控制工程的出發點為：從人與“有害生物”的“博弈”根本關系入手，從工程學視角，運用工程學原理與方法，考慮人—環境-保護對象-有害生物的關系，遵循生態系統的基本規律，以人工生態系統構建為基礎，激發系統及生命體內在生命潛能，增強系統及生命體對有害生物侵襲的防御力，維持保護對象系統穩定性，從時間、空間上集成、優化配置不同種類、不同水平的有害生物控制技術，從而將有害生物危害控制在符合生產者、經營者、消費者多目標的可接受范圍之內。
2 有害生物控制工程
2.1 工程學以及有害生物控制工程概說
建設有害生物控制工程，需借鑒具有普遍指導意義上的工程哲學、工程學理論。但是，對于工程哲學、工程學，雖然有多領域的專家、學者做了大量的探索、研究，例如哲學、水利科學、冶金科學、環境科學等領域，但是迄今為止，我國工程哲學初具雛形到現在十幾年，一些問題沒有達成普遍共識，中國工程院[12]2017年官方出版物《工程方法論前沿》將一些學者的觀點、研究匯編成冊，這其中包括了對工程、工程哲學的觀點;而具有普遍意義上的工程學學科理論也還沒有形成;在這些領域中，卓有建樹、積極活躍的學者有李伯聰、殷瑞鈺、汪應洛、何繼善等。同時，對于“工程”的定義也是多有不同表述，既有機構、組織的官方出版物，又有各領域專家學者的論述。例如：美國國家工程院定義：“工程一直以很多方式被定義。它常常被視為‘科學應用’......工程的另一種定義是‘在限制下設計’......” ; 我國學者李伯聰[13]開創工程哲學，其在著作《工程哲學引論》中將工程定義為：人類改造物質自然界的完整的全部的實踐活動和過程的總合;徐匡迪[14]在為殷瑞鈺、汪應洛、李伯聰所著《工程哲學》所提序言中認為：工程是人類的一項創造性的實踐活動，是人類為了改善自身生存、生活條件，并根據當時對自然規律的認識，而進行的一項物化勞動的過程;徐匡迪對“工程”的定義被殷瑞鈺、汪應洛、李伯聰所著《工程方法論》[15]、《工程哲學》[16]所采納;殷瑞鈺在《工程方法論前沿》中將“工程”闡述為：工程是人類有目的、有計劃、有組織地運用知識（技術知識、科學知識工程知識、產業知識社會-經濟知識等）和各種工具與設備（各種手工工具、動力設備、工藝裝備管控設備等）有效的配置各類資源（自然資源、經濟資源、社會資源、知識資源等），通過優化選擇和動態的、有效的集成，構建并運行一個“人工實在”的物質性實踐過程[17];而水利學家沈珠江[18]認為：工程是人類有目的、有組織地改造世界的活動，繼而，修改為：工程是以促進人類發展為目的的有組織地改造世界的活動[11]。 這些對于“工程”的不同定義體現了學者們在不同角度對于“工程”的認識很豐富。
在借鑒前人研究成果的基礎上，經歸納、比較、提煉、探索，定義“工程”的概念為：在自然科學領域，工程，即構建符合人類目的的集成體。而這個集成體既可以是結構上的集成，即實物，例如建筑工程;也可以是技術、知識等非實物形式的。工程既然是集成體，那么，各部分之間是松散、毫無章法的堆疊在一起，還是遵循某種規則有機結合在一起呢？研究發現在自然科學領域，最優化技術（含博弈優化技術）應是一切工程的應有之義，因為這代表著工程諸要素可以定量化的、科學、有機的結合在一起，不是松散、無章法的、簡單的堆積。因此，應用最優化技術（含博弈優化技術）對工程諸要素進行有機配置以符合人類目的，是工程的本質特征。
一個具體工程在其形成過程中，雖各專業領域有其所獨有的一些原理、規律、方法，但歸納、抽提一下，有如下幾方面共性的內容：（1）目標與功能;（2）過程與程序;（3）設計與集成;（4）構建與環境和諧。在整個工程過程中，重點是在設計階段，圍繞具體工程欲解決的問題和應具備的功能，應用數學最優化技術（含博弈優化技術）對工程諸要素進行最優化配置或滿意化配置以符合人類目的，諸要素既可以是理化指標，也可以是技術;如果是技術的話，那將是對技術的最優化或滿意化集成配置。對于設計的把握不能機械地限定認為只是在整個工程過程中的某一設計階段。
關于工程學、工程哲學的更多內容，另文闡述。
有害生物控制長期難以工程化的主要原因，一是受限于當時的綜合科學技術水平，如工程學、智能算法等的發展，這是主要因素;一是由于認識上的問題，如生態系統變量眾多、作用關系復雜、不好定量、不好表述等，這是主觀上的因素。對于認識上的問題，實際上是要明確和抓住有害生物控制工程要解決的主要問題，而建設有害生物控制工程，除借鑒工程科學的共性部分指導以外，也有其本身的特點。
定名為有害生物控制工程的原因是：“有害生物控制”，是考慮到人與有害生物的博弈關系、人的功利性目的，人類只需要將有害生物控制在可容忍水平以下，超出此范圍則無需干涉;“工程”則指其通過工程化途徑，運用工程學的共性理論、方法以實現有害生物控制的目的。
有害生物控制實現在工程科學層次上的建立具有廣泛、深遠的意義。在科研上，有益于科研人員從整體上優化、把握有害生物控制對象的治理或對保護對象的防護，發現對于追求目標而言的系統防治上的薄弱環節，進而對探索方向具有一定的指導意義，當然這不是機械的、僵化的;在生產上，則有利于指導生產者科學、合理集成有害生物治理措施進行有害生物防控，獲取更大經濟利益或其他利益;在食品安全上，則可基于有害生物控制工程進行普通意義上的安全食品咨詢與認證;而在有害生物治理的農業標準規范的結構制定以及更新上也有重要影響。 本研究不采用“模塊化”方式敘述有害生物控制工程構成子系統，而簡要介紹研究的有害生物控制工程技術。文后列入對有害生物控制工程技術研究具有借鑒作用的文獻[19-37]。
2.2 有害生物控制工程技術
人與有害生物之間的關系本質上是博弈關系，人利用各種各樣的防治措施控制有害生物實質上就是博弈策略的使用。有害生物控制工程技術就是依據多個或一個有害生物的博弈策略，有機配置有害生物防治措施以達到目標最優化或滿意的期望，并可以將這一過程數量化的衡量。有害生物控制工程技術是有害生物控制得以工程化的基石與核心。下面簡要介紹有害生物控制工程技術的構成。
2.2.1 有害生物動力方程的確定 對于有害生物的發展趨勢，可選用生物學基本模型物種方程模型或應用智能算法對有害生物的發展過程建模，當然，適合的其他有害生物動力學模型也可以，以確定適當的有害生物發展進程治理時間節點。在受保護對象的生長歷期中，為了抑制有害生物的發生，使之控制在一定水平，需多次采取治理措施，治理時間節點也是多個的。
對于應用智能算法對有害生物的發生、發展過程建模問題，筆者認為：人工生態系統是復雜系統，復雜性是復雜系統的特征，智能（仿真）算法的出現和發展，如：遺傳算法、魚群算法、蟻群算法、神經網絡算法等，為解決復雜性問題提供了全新的視野，例如有害生物擴展動力學模型的建立;而利用線性科學方法不能圓滿解決的問題，利用智能（仿真）算法[38]也許才是解決復雜性問題的根本途徑，也就是“師法自然”。
同時，對于“人工智能”的范疇，此“人工智能”非彼“人工智能”。現在，計算機科學中的“人工智能”與“智能算法”中的“智能”涵義不等同，其現行的概念限于“神經網絡”，主指模仿“人”的智能，而研究發現在有害生物控制工程領域中中提及的“人工智能”的范疇應更為寬泛，只要是“人工”模仿的生命體的有規則的行為，包括高級生命體與低級生命體，均可以稱為“人工智能”，例如低級生命體的低等智能在群體行為上表現出高度的有規則的規律性，比如魚群的覓食、追尾、聚群行為等，都有其模仿價值之處。
2.2.2 有害生物治理措施整理歸類 對防治對象的現行所有治理措施進行分類歸納，有的分類甚至需打破傳統分類，清晰列清每一種治理措施的作用方式、作用時間、優缺點、治理效果數據（源數據、演化數據）、對有害生物發展到防治點的遲滯時間等必要數據。
同時，需注意有害生物治理的地域性，例如因農藥使用習慣的不同使得有害生物對農藥的抗藥性存在地區差異等。
2.2.3 目標方程與約束條件確定 針對有害生物防治需滿足的多目標的要求，例如食品安全、環境污染、產量、經濟等，確定防治有害生物的目標方程，如以最小損失，包括保護對象收益損失和成本，作為目標，取得最小目標方程。同時，確定目標方程的約束條件，如各項治理措施的使用限制（包括其他目標對各項治理措施的使用限制）等。
2.2.4 目標方程最優化計算編程求解 利用編程語言或mathmatic等計算軟件，取得相應解，這個解是近似解。上面簡要介紹了有害生物控制工程技術的構成。通過有害生物控制工程技術，生產者、經營者可以獲得控制有害生物的符合人的多種目標的治理措施的優化組合、順序、時間、使用數量等近似或滿意方案。這也是隨時間進程的動態規劃。但是，通過最優化所取得的近似方案卻可以因地區、市場因素、人力成本等因素變化而不同，具有差異性。還有，通過有害生物控制工程所取得的近似方案，可得知有些種類有害生物治理有優化的理想方案，而有些仍然以化學農藥的治理措施為主;對于尚未有理想治理優化方案的，“綠色生產方式”的目標雖美好，但目前技術水平可能還達不到，也就免于社會上浮躁聲音的影響，實事求是。
上述是針對單一的有害生物提出的有害生物控制工程技術的構成，而如果在保護對象上存在一個以上有害生物，那么需考慮它們之間有無耦聯，再制定相應的治理策略，進而再應用上述技術。
實例部分另文敘述。
有害生物控制工程技術為有害生物控制得以工程化提供了基石，也使得人對使用各種治理技術控制有害生物的認識更理性，依據更充足，例如避免盲目推崇“生物防治”、排除化學農藥的使用。有害生物控制工程化不意味著什么“農業工程師”的出現，它只是說明對有害生物的控制實質上進入了工程科學領域 ?？紤]到農業的實際情況，有害生物控制工程化的使用有賴于統一的有害生物控制工程平臺的提供，而有害生物控制工程平臺不同于以往的病蟲害專家診斷系統，但又可以部分借鑒于病蟲害專家診斷系統。同時，有害生物控制工程平臺又可以和其他系統整合，例如栽培系統、地理系統、病蟲監測系統等，以至于最終可形成智能社會背景下為農業生產者提供服務的統一、集成的農業服務平臺，既可以為政府管理部門，包括政策指導，又可以為廣大的農業生產者提供服務，產生社會效益等。
有害生物控制工程化的產生、要解決的問題不是針對“來，找個具體的田間地塊，設計一下怎么進行病蟲害控制”這樣的“通俗”認識要解決的問題;它是從更高的角度、視野、結合國情考慮來如何在現有科學技術水平條件下，科學、有機地集成應用各種有害生物防治技術以控制有害生物災害的發生，并且盡力符合、平衡人對農業生產環境、農產品、食品安全、經濟利益等多種目標的追求。需要指出的是：有害生物控制工程的應用不會阻礙有害生物治理新技術的出現與發展。
3 有害生物控制工程發展前景的博弈分析
隨著有害生物控制工程及其平臺的建立、宣傳、應用，農業生產者群體對于采取何種方式控制有害生物會伴隨時間而發生演化，而這種農業生產者群體的演化完全可以借鑒生物種群進化的博弈模型[39-43]，也就是典型的“鷹-鴿”模型。對于控制有害生物，農業生產者群體可分為兩種類型，一種是非市場競爭型，對應于“鷹-鴿”模型中的對稱博弈類型;另一種是市場競爭型，對應于“鷹-鴿”模型中的非對稱博弈類型。農業生產者控制有害生物可以采取的策略分為兩種，也就是利用有害生物控制工程平臺輔助控制有害生物與不利用有害生物控制工程平臺輔助控制有害生物，最后一種策略就是一些傳統策略;這2種策略的收益可設定。在這里，對于這兩種類型的博弈分析（復制動態方程與相位圖）就不具體列出了，其結論則是利用有害生物控制工程平臺輔助控制有害生物是農業生產者治理病蟲害等工作演化的穩定策略。 參考文獻：
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