二叉推理機制在病蟲害輔助診斷技術上的應用

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

（1.太原市星火技術發展中心，山西太原030009；2.中國農業大學農學與生物技術學院，北京100193；3.山西省農業科學院植物保護研究所，山西太原030032）

隨著信息技術的日益成熟和不斷發展，高速計算機網絡技術日趨成熟，在良好的軟硬件環境、速率高達100 M/1 000 M的網絡被普及、技術部門與用戶間密切合作的今天，遠程咨詢系統已被運用于各個領域[1]。在農業方面，由于對農業產業化的需求，遠程咨詢已成為一些發達國家農業生產中不可或缺的一個關鍵組成。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，國家高新技術發展計劃對農業方面的大力投入更是使信息技術推廣于農業生產的多個方面。可以預見，隨著我國農業的發展，遠程咨詢技術將向多樣化、通用化、專業化方面發展，基于網絡技術的遠程信息咨詢必將發揮出更大的作用。

本研究根據昆蟲分類學中以二叉式分類為主的特點，實現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[2]。該系統是基于當前主流的TCP/IP網絡技術，在Internet上結合PHP動態網頁與MYSQL等數據庫管理系統來構建的。該平臺可以集文字、圖像等多媒體信息于一體，為農業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的設計

該系統根據病蟲害分類學中以二叉式分類為主的特點[3]，實現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網絡技術（也采用了二叉式推理方式對病蟲害進行分類鑒定），在Internet上結合PHP動態網頁與MYSQL等數據庫管理系統來構建的。該系統主要包括多媒體知識庫（規則庫）、推理機、系統界面等幾個部分，可以集文字、圖像、聲音等多媒體信息于一體[4]，為農業病蟲害的診斷與識別提供一個有效的輔助工具。該系統的基本結構及人機交互對話機制如圖1所示。

1.1 專家系統知識庫（規則庫）的設計

檢索表是分類分析的工具，它廣泛應用于各分類單元的鑒定。在一般分類學研究中，都是由專家根據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，如果與計算機數據結構來對照的話，應該說這種檢索表的結構就是一種二叉樹結構。對于專家系統而言，如何有效地進行專家知識的組織，也就是專家系統知識庫的構建，對專家系統的功能有很大的影響。具體到本平臺系統，如何將所涉及到的分類鑒定檢索表以數據庫形式表示成知識庫成為本研究所要解決的主要問題。專家系統知識庫以網絡數據庫管理系統進行構建。另外，該數據庫結構（表1）還提供了多級分類單元結構的支持，即在組織知識庫時，可將其根據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 昆蟲分類系統知識庫的結構示例

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，如果把這種結構表示成二叉樹的形式，那么其數據結構如圖2所示。本系統知識庫中“對應的下一級特征序號”值如果為“-1”，則表示已到達二叉樹某一分枝的終止結點。

1.2 平臺推理機制的研究

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

1.3 用戶功能模塊的的設計

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

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結，執行分類鑒定功能。系統知識庫維護界面則是為系統維護人員（或信息服務提供單位）進行網絡系統知識庫的維護提供便利。該平臺遵循Internet標準，使用戶能夠用網絡瀏覽器直接進行訪問并進行分類鑒定（圖4）。

1.4 平臺系統的合成

通過調試和檢驗系統運行的硬、軟件環境是否安裝正確，檢查各個知識庫（規則庫）資料錄入是否正確，校驗推理機的性能等，以保證系統各模塊的良好運行。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，將該系統打包，給用戶提供完整的應用方案。最后進行系統綜合功能的測試，在本系統的測試過程中，重點測試本系統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 結論

根據上述設計原理的描述，本系統主要是根據有害生物分類鑒定信息建立相關的有害生物種/類信息及分類特征信息數據庫，通過將有害生物種/類和分類識別特征信息進行關聯形成有害生物種類鑒定專家知識庫；在此基礎上，通過提供用戶接口，使用戶能夠通過選擇等方式與系統進行交互，所選取的特征經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，該系統除具有典型的專家系統結構（在結構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解釋模塊等部分功能，有很強的靈活性和開放性。

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