基于模糊綜合評價的健康評估系統開發＊

田少杰，洪 躍，李 陽

（上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

基于模糊綜合評價的健康評估系統開發＊

田少杰，洪 躍，李 陽

（上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

闡述了健康評估系統的基本原理；介紹了模糊集合中隸屬度與隸屬函數的概念，提出了模糊綜合評價的原理和方法。利用MATLAB構建評價矩陣和算法程序，應用VB.net設計友好的用戶使用界面，采用Access建立知識庫和專家建議等信息，并通過混合編程技術實現健康評估系統的開發。最后，將這套健康評估系統應用于甲亢疾病評估實例中。

健康評估系統；模糊綜合評價；混合編程；甲亢

1 引言

隨著人們生活水平的提高，人們對健康養生越來越重視。人們除了健康體檢以外，還需要經常對自己的健康狀況做些評估，由此出現了不少健康評估系統，如風濕病診斷系統［1］、口腔疾病診斷系統［2］等，但這些系統在用戶使用和推廣方面并未看到有太多研究。基于此，本文闡述了健康評估系統的基本原理；介紹了隸屬度和隸屬函數的概念，提出了模糊綜合評價的原理和建立步驟。在此基礎上，提出了健康評估的方法，開發了一套健康評估系統。該系統采用模糊綜合評價方法，應用MATLAB構建評價矩陣和算法程序；運用混合編程技術實現健康評估系統的開發。該系統用戶操作方便，且可通過改變不同的評價內容和機制來實現新的評估系統開發，從而使其功能拓展到其他疾病的評估與預診斷中。最后，以甲亢疾病評估為例介紹該健康評估系統的應用。

本文的主要創新點在于該系統采用模糊綜合評價評估健康的方法簡單易行，便于掌握與開發應用；應用混合編程技術進行開發可以獲得友好的用戶界面；通過構造權重矩陣A可以實現多疾病同時預診斷；根據不同的評價內容和機制開發新的評估系統實現推廣拓展。

2 健康評估系統的基本原理

基本功能：該系統可根據用戶輸入的問題描述來進行模糊綜合評價，給出初步評估結果和專家建議，并通過VB.net設計的用戶界面顯示出來。

原理實現：為了實現這些功能，我們采用了模糊綜合評價、混合編程等技術；利用了MATLAB、VB.net以及Access數據庫等軟件來實現這些技術。其中，我們應用VB.net來設計友好的用戶界面，利用MATLAB來構建評價矩陣和算法程序，采用Access來建立知識庫和專家建議等信息；最后利用接口技術，通過VB.net將 MATLAB和Access數據庫連接起來實現混合編程。其原理實現框圖如圖1所示。

系統結構：包括可構建評價矩陣和算法程序的MATLAB軟件，可提供友好用戶界面的VB.net軟件以及可建立知識庫和專家建議等信息的Access數據庫軟件。實現步驟如下：（1)采用 MATLAB構建評價矩陣和算法程序；（2)編譯 MATLAB設計的程序生成COM組件；（3)運用Access建立知識庫和專家建議等信息；（4)根據系統的功能采用VB.net設計友好的用戶使用界面；（5)應用接口技術實現VB.net對COM組件和Access數據庫的調用；（6)打包生成健康評估系統的執行軟件。

Figure 1 Diagram of principle realization圖1 原理實現框圖

3 模糊綜合評價體系

3.1 隸屬度和隸屬函數

模糊集合以隸屬函數作為橋梁，其打破了普通集合在隸屬度上只能取0或1的限制，將二值邏輯｛0 ，1｝推廣到可取 ［0，1］上任意無窮多個值的連續邏輯，將不確定性在形式上轉化為確定性，即將模糊性加以量化，可以說，隸屬函數和隸屬度是模糊集合論的基石，也是模糊決策方法的理論支柱。在這里，隸屬函數和隸屬度的定義如下［3］：

設給定論域U，U 到 ［0，1］上的任一映射為μA：

其中，A稱為模糊子集，U上的全部模糊子集構成的集合稱為模糊冪集，記為F （U)；μA叫做A 的隸屬函數，μA（u)稱為u對A的隸屬度。

3.2 確定隸屬函數的常用方法［4］

（1)模糊統計法：在大量的模糊統計實驗的基礎上，找出元素對集合隸屬關系的統計規律，包括兩相模糊統計法、多相模糊統計法和三分法等。

（2)德爾菲法：根據專家的實際經驗給出的模糊信息處理算式來確定隸屬函數。

（3)二元對比排序法：對多個事物進行兩兩對比來確定某個特征下的排序，從而確定這些事物對該特征的隸屬函數的大體形狀，可分為對比平均分、相對比較法、優先對比法等。

（4)指派法：根據問題的性質，套用某些現成形式的模糊分布，然后根據測量數據確定分布中所含的參數。常用的模糊分布包括：矩形分布、梯形分布、K次拋物線形分布、正態分布等，每種分布都包括偏小型、中間型和偏大型三種模糊函數。如本文實例中選擇的二次拋物線形分布，其偏小型模糊函數如下：

其中，對于指定的參數a和b，S u；a，（ b)是u的單調遞增連續函數。

3.3 模糊綜合評價的基本原理

模糊綜合評價［3］是在考慮多種因素的影響下，運用模糊數學工具對事物做出綜合評價，并對評價結果進行排序擇優。設評語集合（即代表分類、等級等的集合)為U ＝ ｛μ1，μ2，…，μm｝共m種等級，因素集合為V ＝ ｛v1，v2，…，vn｝共n種因素。以主觀賦權為例，這里存在著兩類模糊集合：一類是因素集V中各元素在人們心中的重要程度的量，表現為因素集上的模糊子集A＝ （a1，a2，…，an)，其反映了人們心中對這些因素的權重，也可認為是因素V的權重矩陣；另一類是U×V上的模糊關系，表現為n×m的模糊矩陣R，設第i個因素的單因素評價向量為Ri＝ ｛ri1，ri2，…，rim｝，它可以看作是U上的一個模糊子集，其中rik表示第i個因素的評價對于第k個等級的隸屬度，n個因素的總的評價矩陣為：

這兩類模糊集都是人們價值觀念或結構偏好的反映。最后，在A、R確定之后，即可進行模糊綜合評價的矩陣運算，根據文獻［5］我們采用矩陣相乘算法：B＝A＊R，其中A為權重矩陣，R為因素評價矩陣，B為總評價結果。

3.4 模糊綜合評價的基本步驟

步驟1確定評價對象集、評語集和因素集；

步驟2建立總評價因素的權重矩陣A；

步驟3對各因素進行模糊評價，獲得模糊綜合評價矩陣R；

步驟4應用矩陣相乘算法得到綜合評價結果B。

4 系統實施

4.1 采用MATLAB構建模糊綜合評價體系

首先構建評價對象集O、評語集合U以及因素集合V；然后根據單個因素對評價對象集的影響度來確定權重矩陣A；再根據各個因素對評語集合中元素的隸屬度來確定因素評價矩陣R；最后結合上述的評價對象集、評語集、因素集、權重分配矩陣以及因素評價矩陣來構建模糊綜合評價體系，并通過MATLAB編程實現。

4.2 編譯MATLAB編寫的程序

在混合編程中，普通的Windows應用軟件開發工具與MATLAB連接的方式有動態數據交換DDE（Dynamic Data Exchange)、ActiveX、動態鏈接庫DLL（Dynamic Link Library)以及COM組件共四種［6］。在這里，選用可脫離MATLAB環境并可在Windows軟件環境下被直接調用的COM組件方式［7］。其具體流程如下：

（1)編寫好MATLAB函數程序并命名保存。

（2)通過MATLAB的“mbuild–setup命令”設置編譯環境。

（3)編譯環境設置好后在工作區輸入“deploytool命令”，在Name屬性中輸入工程名字，在Target中選擇Generic COM Component，然后選擇OK。如圖2所示。

Figure 2 Build a new project圖2 新建工程

（4)建立工程后在Classes中選擇Add class進行類的添加，輸入名稱與工程名一樣，然后選擇Add file添加MATLAB的函數程序文件；然后在Package界面中選擇Add MCR（脫離 MATLAB環境運行的條件)；最后選擇build按鈕來生成COM組件。如圖3所示。

Figure 3 Add class and produce project圖3 添加類以及生成工程

4.3 VB.net界面設計

根據健康評估系統的功能用VB.net進行用戶界面的設計，該界面包括因素集的輸入、評估結果的輸出以及專家建議的提示等模塊。在本文中，甲亢疾病評估系統的界面如圖4所示。

Figure 4 Interface of hyperthyroidism assessment system圖4 甲亢疾病評估系統界面

4.4 VB.net調用COM組件

MATLAB生成了COM組件后即可由VB.net調用了，首先，在Visual Studio 2008中創建一個VB.net程序，然后按照以下步驟進行編程：

（1)引用組件。在“項目”菜單中打開“添加引用”對話框，找到distrib子目錄下的組件文件jk＿1＿0.dll，單擊“確定”按鈕，重復上面的過程，添加對MWARRAY組件的引用。

（2)設計子程序界面。根據需要，設計相應的程序界面。

（3)編寫程序代碼。引用COM組件后，就可像使用本地函數一樣使用MATLAB中的函數了。

4.5 VB.net調用Access數據庫

VB.net中數據庫應用的核心是ADO.NET，它為應用程序訪問、查詢、更新、管理數據庫提供了必須的類庫。在調用之前，首先要建立一個Access數據庫并命名，然后新建一個數據表，在“設計視圖”中進行表單設計：包括字段名稱、數據類型和主鍵的設定。建立完成后將文件保存為mdb格式。調用過程中，首先在VB.net工程中通過“添加項”調用建立好的mdb數據庫文件；然后在程序中用OLEDB的方法引入相應命名空間：“Imports System.Data.OleDb”，并采用 ADO.NET技術實現數據庫執行查詢、更新等操作；最后可將數據顯示在用戶界面上。

5 應用實例

5.1 甲亢疾病評估的理論基礎

甲狀腺功能亢進（簡稱“甲亢”)是指甲狀腺激素分泌過多或因甲狀腺激素在血循環中水平增高等原因造成機體中神經、消化、循環等系統的興奮性增高以及代謝亢進為主的疾病。根據中醫的辯證標準，可分為五種癥型，其中氣虛和陰虛兩種癥型最常見，因此下面將以這兩種癥型的癥狀來展開研究。在這兩種癥型的癥狀中，頸項粗大、手部顫抖、心慌心悸、心煩失眠、形體消瘦、煩躁易怒、怕熱多汗七個癥狀是兩種癥型所表現的主要癥狀［8］。

5.2 甲亢模糊綜合評價體系的應用

以甲亢中的氣虛和陰虛兩種癥型的風險評估為例：

第1步 確定評價對象集、評語集和因素集。在這里，評價對象集為O＝｛甲亢氣虛癥，甲亢陰虛癥｝；評語集為U＝ ｛正常，不正常 ｝；引起這兩種癥型的主要因素涉及頸項粗大、手部顫抖、心慌心悸、心煩失眠、形體消瘦、煩躁易怒和怕熱多汗七個癥候，因此因素集 為V ＝ ｛v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7｝，其集合中的元素分別代表以上七個癥候。

第2步 建立這七個因素的權重分配矩陣A。根據文獻［8］中數據統計的參考，得出權重分配矩陣如下：

其中，矩陣第一行表示因素對甲亢氣虛癥的權重，第二行表示因素對甲亢陰虛癥的權重。

第3步 對七個因素進行模糊評價，獲得因素評價矩陣。首先，在風險評估過程中，根據癥候因素的嚴重等級來設定｛正常，較正常，較嚴重，嚴重，很嚴重｝五個選項供用戶選擇。因為在評語集U＝｛正常，不正常｝中，要么正常要么不正常，因此可以以“不正常”作為元素的隸屬度。在隸屬函數的設定上，考慮到嚴重等級并不是按照線性等差關系來排列，因此選用偏小型二次拋物線形分布，可較清晰地表示隸屬于“不正常”的數值，其表達式為：

根據癥狀因素的嚴重等級，取a＝1，b＝5，對于正常、較正常、較嚴重、嚴重、很嚴重，u的取值范圍分別為（0，1)、（1，2)、（2，3)、（3，4)、（4，5)。為了更合理地進行表示，在隸屬函數計算中采用積分求和取平均值的方式，經過計算，正常的隸屬度為0、較正常的隸屬度為11/48、較嚴重的隸屬度為29/48、嚴重的隸屬度為41/48、很嚴重的隸屬度為47/48。

建立了隸屬函數后，我們可假定某一位用戶對頸項粗大、手部顫抖、心慌心悸、心煩失眠、形體消瘦、煩躁易怒和怕熱多汗七個癥候的嚴重情況分別選擇了較嚴重、較正常、很嚴重、嚴重、較正常、較嚴重、嚴重，則相應V的因素評價矩陣就為：

第4步 根據式（4)和式（6)應用矩陣相乘算法得到綜合評價結果：

從該評價結果中可以看出，該用戶患甲亢氣虛癥和甲亢陰虛癥的權重都較大，相比患甲亢陰虛癥的權重為66%，患甲亢氣虛癥的權重更大，達到了68%。因此，在專家系統評價中建議其去醫院進一步進行T3、T4和TSH等值的診查［9］。

5.3 系統整合運行結果

整合運行后的結果如圖4所示。在圖中，用戶根據自己的情況對七個癥狀的嚴重度進行了選擇，然后經過健康評估，給出評價結果，并根據結果提出專家建議。

6 結束語

本文在構建模糊綜合評價體系過程中認識到增加樣本數據量可建立更客觀的權重分配矩陣A和因素評價矩陣R；因為權重分配矩陣A的構建是確定的，因素評價矩陣R是不確定的，因此，改變權重分配矩陣A比改變因素評價矩陣R對評價結果更具敏感性。另外，與其他評估系統相比，該系統具有以下特點：利用模糊綜合評價的方法提高了健康評估的可行性；運用混合編程技術進行開發可更方便用戶的使用；系統設計過程中，通過構造權重分配矩陣A可以實現多疾病同時預診斷；根據不同的評價內容和評價機制能很方便地實現新的健康評估系統開發，從而推廣到其他疾病的評估與預診斷，如高血壓評估等。

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Developing a health assessment system based on the fuzzy comprehensive evaluation

TIAN Shao-jie，HONG Yue，LI Yang
（School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

The basic principle of a health assessment system is expounded，the concept of membership and membership functions in the fuzzy set is introduced，and the principle and method of the fuzzy comprehensive evaluation system is proposed.MATLAB is used to construct evaluation matrix and algorithm programs，VB.net is used to design the friendly user interface，and Access is used to build knowledge base and expert advices.Besides，mixed programming technique is adopted to develop a health assessment system.Finally，the health assessment system is applied in hyperthyroidism risk assessment case.

health assessment system；fuzzy comprehensive evaluation；mixed programming；hyperthyroidism

TP311.1

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.04.019

2012-08-10；

2013-01-24

上海市科委科技創新行動計劃項目（13111102900)

通訊地址：200072上海市延長路149號17信箱上海大學機電工程與自動化學院 洪躍

Address：School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Mail Box 17，149Yanchang Rd，Shanghai 200072，P.R.China

1007-130X（2014)04-0685-05

田少杰（1987-)，男，浙江杭州人，碩士生，研究方向為人工智能。E-mail：Aleck0071＠163.com

TIAN Shao-jie，born in 1987，MS candidate，his research interest includes artificial intelligence.

洪躍（1958-)，男，上海人，博士 ，副教授，研 究 方 向 為 人 工 智 能。E-mail：hongyue＠staff.shu.edu.cn

HONG Yue，born in 1958，PhD，associate professor，his research interest includes artificial intelligence.