二叉推理機制在病蟲害輔助診斷技術(shù)上的應(yīng)用

喬 建 ，沈佐銳 ，李 穎 ，劉 偉 ，邢 鯤 ，王 鑫 ，楊慧勇 ，牛國飛

（1.太原市星火技術(shù)發(fā)展中心，山西太原030009；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京100193；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所，山西太原030032）

隨著信息技術(shù)的日益成熟和不斷發(fā)展，高速計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟，在良好的軟硬件環(huán)境、速率高達100 M/1 000 M的網(wǎng)絡(luò)被普及、技術(shù)部門與用戶間密切合作的今天，遠程咨詢系統(tǒng)已被運用于各個領(lǐng)域[1]。在農(nóng)業(yè)方面，由于對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的需求，遠程咨詢已成為一些發(fā)達國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一個關(guān)鍵組成。我國在這方面也做了有益的嘗試，并取得了一定的成就，特別是近年來，國家高新技術(shù)發(fā)展計劃對農(nóng)業(yè)方面的大力投入更是使信息技術(shù)推廣于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多個方面。可以預(yù)見，隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，遠程咨詢技術(shù)將向多樣化、通用化、專業(yè)化方面發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠程信息咨詢必將發(fā)揮出更大的作用。

本研究根據(jù)昆蟲分類學(xué)中以二叉式分類為主的特點，實現(xiàn)了基于二叉分類推理的昆蟲分類輔助鑒定，建立病蟲害輔助診斷系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)是基于當前主流的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在Internet上結(jié)合PHP動態(tài)網(wǎng)頁與MYSQL等數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來構(gòu)建的。該平臺可以集文字、圖像等多媒體信息于一體，為農(nóng)業(yè)病蟲害的診斷與識別提供一個有效的輔助工具。

1 病蟲害遠程輔助診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計

該系統(tǒng)根據(jù)病蟲害分類學(xué)中以二叉式分類為主的特點[3]，實現(xiàn)了基于二叉分類推理的病蟲害分類輔助鑒定，是基于當前主流的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（也采用了二叉式推理方式對病蟲害進行分類鑒定），在Internet上結(jié)合PHP動態(tài)網(wǎng)頁與MYSQL等數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來構(gòu)建的。該系統(tǒng)主要包括多媒體知識庫（規(guī)則庫）、推理機、系統(tǒng)界面等幾個部分，可以集文字、圖像、聲音等多媒體信息于一體[4]，為農(nóng)業(yè)病蟲害的診斷與識別提供一個有效的輔助工具。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及人機交互對話機制如圖1所示。

1.1 專家系統(tǒng)知識庫（規(guī)則庫）的設(shè)計

檢索表是分類分析的工具，它廣泛應(yīng)用于各分類單元的鑒定。在一般分類學(xué)研究中，都是由專家根據(jù)所需鑒定類群的特點編制成分類鑒定檢索表，在分類鑒定過程中，根據(jù)所獲取樣本的特點，對照檢索表進行查詢鑒定。目前最通用的檢索表形式是兩項式檢索表，如果與計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來對照的話，應(yīng)該說這種檢索表的結(jié)構(gòu)就是一種二叉樹結(jié)構(gòu)。對于專家系統(tǒng)而言，如何有效地進行專家知識的組織，也就是專家系統(tǒng)知識庫的構(gòu)建，對專家系統(tǒng)的功能有很大的影響。具體到本平臺系統(tǒng)，如何將所涉及到的分類鑒定檢索表以數(shù)據(jù)庫形式表示成知識庫成為本研究所要解決的主要問題。專家系統(tǒng)知識庫以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行構(gòu)建。另外，該數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)（表1）還提供了多級分類單元結(jié)構(gòu)的支持，即在組織知識庫時，可將其根據(jù)對象組織成不同級別的分類單元，識別過程可逐級進行，使得系統(tǒng)知識庫的組織更加條理化，避免因知識庫過于龐大而引起的維護不便等問題。

表1 昆蟲分類系統(tǒng)知識庫的結(jié)構(gòu)示例

該知識庫中不但包含了病蟲害分類檢索表中描述的文字特征[5]，同時還包含傳統(tǒng)分類檢索表中所不具備的各種多媒體信息，如昆蟲特征圖片、聲音、視頻等，如果把這種結(jié)構(gòu)表示成二叉樹的形式，那么其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)知識庫中“對應(yīng)的下一級特征序號”值如果為“-1”，則表示已到達二叉樹某一分枝的終止結(jié)點。

1.2 平臺推理機制的研究

推理機制是專家系統(tǒng)的一個重要部分，主要實現(xiàn)由已知的信息來查找與之相匹配的客體。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計，推理機的實現(xiàn)實際上就是完成對上述二叉樹結(jié)構(gòu)分枝結(jié)點的搜索過程[6]。在本研究中，推理機工作機制的流程為：根據(jù)用戶給出的信號→調(diào)出病蟲害分類鑒定的知識庫（規(guī)則庫）→從專家知識庫中提取相應(yīng)的條件（推理規(guī)則）顯示到用戶界面上→由用戶進行判斷→移動知識庫（規(guī)則庫）數(shù)據(jù)指針到對應(yīng)的下一級位置（圖3）。該過程將反復(fù)進行，直到滿足某一條件時（對應(yīng)的下一級特征序號為-1），推理過程結(jié)束。給出輔助診斷結(jié)論，并提供相關(guān)信息（如所鑒定對象的生物學(xué)特性、危害特征和防治方法等）。

1.3 用戶功能模塊的的設(shè)計

該系統(tǒng)的用戶界面主要包括兩部分，一部分是系統(tǒng)主界面，也就是用戶輔助鑒定界面，另一部分就是系統(tǒng)知識庫維護界面[7]。用戶輔助鑒定界面主要包括特征描述顯示區(qū)、特征圖片顯示區(qū)、提示信息顯示區(qū)、功能鍵區(qū)及其他相關(guān)功能區(qū)域。

以上對象需進行合理化布局，以形成用戶友好的圖形用戶界面。其中，功能按鈕與推理機等相聯(lián)結(jié)，執(zhí)行分類鑒定功能。系統(tǒng)知識庫維護界面則是為系統(tǒng)維護人員（或信息服務(wù)提供單位）進行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)知識庫的維護提供便利。該平臺遵循Internet標準，使用戶能夠用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器直接進行訪問并進行分類鑒定（圖4）。

1.4 平臺系統(tǒng)的合成

通過調(diào)試和檢驗系統(tǒng)運行的硬、軟件環(huán)境是否安裝正確，檢查各個知識庫（規(guī)則庫）資料錄入是否正確，校驗推理機的性能等，以保證系統(tǒng)各模塊的良好運行。然后將上述各個模塊進行有效的組合，其中要解決的問題主要就是將推理機、知識庫（規(guī)則庫）和用戶界面鏈接在一起，使之融合成一個整體，有效地進行工作[8]。并編寫用戶手冊，將該系統(tǒng)打包，給用戶提供完整的應(yīng)用方案。最后進行系統(tǒng)綜合功能的測試，在本系統(tǒng)的測試過程中，重點測試本系統(tǒng)中推理機與知識庫之間的接口，以及各部分與主界面間的連接。

2 結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計原理的描述，本系統(tǒng)主要是根據(jù)有害生物分類鑒定信息建立相關(guān)的有害生物種/類信息及分類特征信息數(shù)據(jù)庫，通過將有害生物種/類和分類識別特征信息進行關(guān)聯(lián)形成有害生物種類鑒定專家知識庫；在此基礎(chǔ)上，通過提供用戶接口，使用戶能夠通過選擇等方式與系統(tǒng)進行交互，所選取的特征經(jīng)推理機與有害生物種類特征進行匹配，最終確定可能的有害生物種/類。

因此，從總體上來看，該系統(tǒng)除具有典型的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（在結(jié)構(gòu)上大體將其分為有害生物種類鑒定專家知識庫和用戶界面模塊等）外，同時具有知識庫管理模塊和推理機及專家系統(tǒng)解釋模塊等部分功能，有很強的靈活性和開放性。

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