海帶病害診斷防治專家系統(tǒng)研究

摘 要： 海帶病害診斷和防治是保障海帶健康養(yǎng)殖的關(guān)鍵。為了提高海帶養(yǎng)殖用戶的病害診斷和防治水平，對(duì)海帶病害診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行了研究。研究了知識(shí)獲取，以學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的文獻(xiàn)為主，同時(shí)輔以專家調(diào)研，收集整理31 種海帶病害；選擇產(chǎn)生式規(guī)則描述知識(shí)，并構(gòu)造了規(guī)則庫；采用正向推理進(jìn)行病害診斷。該系統(tǒng)采用JSP+Sevlet+JavaBean 實(shí)現(xiàn)，可以滿足海帶養(yǎng)殖用戶對(duì)病害診斷防治的需求，并指出了未來研究方向和內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：海帶；病害；診斷；專家系統(tǒng)；水產(chǎn)品養(yǎng)殖

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）04-0046-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.008

0 引言

海帶（Laminaria japonica），別名昆布、江白菜，屬褐藻門、褐藻綱、海帶目、海帶科、海帶屬，主要分布在北太平洋與大西洋沿海地區(qū)，是我國海水養(yǎng)殖業(yè)中一種重要的經(jīng)濟(jì)海藻，養(yǎng)殖面積大、產(chǎn)量高、用途廣，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益[1-3]。2021 年，我國養(yǎng)殖海帶47 369 hm2，產(chǎn)量1 742 378 t，福建省、山東省和遼寧省是主要產(chǎn)地，約占總產(chǎn)量的98.66%、總養(yǎng)殖面積的97.62%[4]。研究人員對(duì)海帶的生態(tài)學(xué)和人工養(yǎng)殖做了大量研究，但對(duì)其病害的研究相對(duì)較少[5]。而海帶的養(yǎng)殖生產(chǎn)，每年都會(huì)有不同程度的病害發(fā)生，輕則減產(chǎn)，重則幾乎絕產(chǎn)，致使養(yǎng)殖生產(chǎn)豐歉不穩(wěn)[6]。因此，海帶病害的診斷和防治對(duì)海帶養(yǎng)殖業(yè)有著重要意義。為了應(yīng)對(duì)病害，提高海帶養(yǎng)殖戶的病害診斷和防治水平，在實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)收集整理病害的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計(jì)了海帶病害診斷專家系統(tǒng)。

1 知識(shí)庫構(gòu)造

1.1 知識(shí)獲取

知識(shí)獲取是指將所需要的知識(shí)從某些知識(shí)源中提煉出來，其中，知識(shí)源包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、領(lǐng)域?qū)＜摇⑽谋疚墨I(xiàn)等[7]。知識(shí)獲取的方法可分為人工、半自動(dòng)和自動(dòng)[8-9]。海帶病害知識(shí)的獲取主要是通過人工方式，對(duì)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的專業(yè)論文等文獻(xiàn)進(jìn)行收集整理，同時(shí)輔以海帶養(yǎng)殖專家的交流咨詢，最終獲取海帶病害信息[6，10-42]。

在不同的生長發(fā)育階段，海帶除個(gè)體大小有較大差別外，在外部形態(tài)和生理特征上也有明顯差異。根據(jù)這些差異，將人工筏養(yǎng)一年生海帶分為幼齡期、凹凸期、薄嫩期（脆嫩期）、厚成期、成熟期和衰老期[43]。而在海帶養(yǎng)殖過程中一般分為苗種培育和養(yǎng)成兩個(gè)時(shí)期[44-46]。目前，對(duì)于海帶病害的分類一般是按照養(yǎng)殖過程劃分，因此，本研究采用養(yǎng)殖階段進(jìn)行海帶病害的分類[6，10-12]。

文獻(xiàn)中關(guān)于海帶病害的名稱并不統(tǒng)一，相關(guān)的癥狀也需要仔細(xì)對(duì)比鑒別，判斷是否是同一種病害。如海帶配子體死亡綜合癥，有配子體原生質(zhì)體收縮死亡、幼孢子體畸形生長病害和海帶幼體畸形病，這3 種不同名稱的海帶病害通過仔細(xì)對(duì)比其癥狀信息，確定是同一種海帶病害[5，11，13，15]。通過對(duì)收集到的51 篇文獻(xiàn)中的海帶病害信息進(jìn)行對(duì)比鑒別，最終確定海帶病害信息31 種，其中苗種培育期病害11 種，養(yǎng)成期病害20 種，如表1 所示[5，6，10-57]。

由于海帶病害的名稱并不統(tǒng)一，因此采用病害編碼對(duì)病害進(jìn)行唯一性標(biāo)注，病害編碼采用3 位編碼，苗種培育期病害以M 開頭，養(yǎng)成期病害以Y 開頭，最后兩位數(shù)字編碼表示整理病害的相對(duì)順序。如對(duì)于每一種病害信息，按照病害編碼、病害名稱、養(yǎng)殖階段、病因分析及預(yù)防防治措施等進(jìn)行分類整理，其中病害名稱包括病害的全部名稱。海帶配子體死亡綜合癥的信息如表2 所示[5，11，13，15]。

1.2 知識(shí)表示

知識(shí)表示是將關(guān)于世界的事實(shí)、關(guān)系、過程等編碼成為一種合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并與解釋過程結(jié)合起來，在程序中以適當(dāng)方式使用將使得程序產(chǎn)生智能行為。知識(shí)表示主要是選擇合適的形式表示知識(shí)，即尋找知識(shí)與表示之間的映射，以便于有效解決問題[58]。目前使用較多的知識(shí)表示方法主要有謂詞邏輯表示法、產(chǎn)生式規(guī)則表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、面向?qū)ο蟊硎痉盎诒倔w的知識(shí)表示法等[59]。

謂詞邏輯表示法效率較低，不能高效地描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜的知識(shí)。產(chǎn)生式規(guī)則表示法相對(duì)較為容易被領(lǐng)域?qū)＜依斫猓瑫r(shí)具有準(zhǔn)確靈活的優(yōu)點(diǎn)，可以充分表示大多數(shù)與領(lǐng)域相關(guān)的推理規(guī)則和行為方法，但比較難于實(shí)現(xiàn)規(guī)則間的一致性和完整性檢查。框架表示法在表示過程性知識(shí)時(shí)不能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，并且結(jié)構(gòu)化表示相對(duì)復(fù)雜，知識(shí)庫維護(hù)的代價(jià)較高。面向?qū)ο蟊硎痉ㄖ兄R(shí)對(duì)象化過程復(fù)雜[60]。語義網(wǎng)絡(luò)表示法對(duì)知識(shí)表示的非嚴(yán)格性，這使得有可能存在二義性，而且存在知識(shí)處理的復(fù)雜性[61]。基于本體的知識(shí)表示法在知識(shí)表示方面有較大的潛力，關(guān)于本體構(gòu)建方法的研究非常豐富，但是基于這些成果所建立的本體構(gòu)建方法都是以領(lǐng)域?qū)＜覟楹诵牡模_發(fā)的工具都具有一定的復(fù)雜性[59，62]。

綜合考慮不同知識(shí)表示方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合海帶病害防治診斷專家系統(tǒng)的實(shí)際情況，決定采用以產(chǎn)生式規(guī)則表示法進(jìn)行知識(shí)表示。產(chǎn)生式規(guī)則表示法不但簡單靈活，而且在農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛[63-67]。

1.3 規(guī)則庫構(gòu)建

產(chǎn)生式規(guī)則表示法的知識(shí)表示由前項(xiàng)和后項(xiàng)兩部分組成。前項(xiàng)表示應(yīng)滿足的前提條件，后項(xiàng)表示當(dāng)前提條件為真時(shí)，應(yīng)采取的行為或所得的結(jié)論。表示形式為

IF E1 and E2 or E3……and Ei THEN H（CF） （1）

式中 Ei ——前提，i=1，2，…，n

H——結(jié)論，當(dāng)條件組為真時(shí)則結(jié)論為真，結(jié)論的可信度為CF[68]

綜合海帶配子體死亡綜合癥4 篇文獻(xiàn)的病癥描述得到的信息為[5，11，13，15]

IF （E1and （（E2 and E3 and E4 and E5 and E6） or E7））and （E8 and （（E9 and E10） or E11））and （E12 and （E13 or E14 or （E15 and E16）））and （E17and E18 and E19）THEN M01（2）

式中 E1——配子體階段

E2——雌雄配子體生長遲緩

E3——細(xì)胞壁略厚，顏色微黑或者發(fā)灰

E4——色素體界限不清，呈灰黃色

E5——原生質(zhì)體收縮，出現(xiàn)質(zhì)壁分離

E6——原生質(zhì)體收縮到細(xì)胞中央，形成幾個(gè)透明的或黑色的小球，最后分解，剩下細(xì)胞壁空殼而死亡

E7——細(xì)胞壁爆裂，原生質(zhì)溢流至細(xì)胞壁之外

E8——卵和卵囊形成階段

E9——卵自突出部分收縮或整個(gè)卵收縮而不能排出

E10——卵在卵囊中收縮成幾個(gè)小球而死亡

E11——卵能排出，但不能正常附著在卵囊基部而流失，最后僅殘存一些空卵囊

E12——幼孢子體階段

E13——受精卵在延長過程中出現(xiàn)生長緩慢，細(xì)胞分裂時(shí)間延長，原生質(zhì)體收縮或膨大

E14——幼孢子體不能正常細(xì)胞分裂

E15——幼孢子體細(xì)胞分裂分裂后，細(xì)胞排列不整齊，局部膨大或縮小，形成畸形孢子體

E16——畸形抱子體不能恢復(fù)到正常形態(tài)而逐漸死亡

E17——育苗系統(tǒng)中分離出了好氧（或兼性）的腐生菌和厭氧的硫酸鹽還原菌

E18——種海帶養(yǎng)殖區(qū)分離出了好氧（或兼性）的腐生菌和厭氧的硫酸鹽還原菌

E19——育苗室分離出了好氧（或兼性）的腐生菌和厭氧的硫酸鹽還原菌

M01——海帶配子體死亡綜合癥病害編碼

海帶配子體死亡綜合癥的癥狀主要在配子體階段、卵和卵囊形成階段和幼孢子體階段，還有輔助癥狀，規(guī)則中的每一個(gè)階段用括號(hào)加以區(qū)分。

根據(jù)海帶的生活史，海帶配子體死亡綜合癥的發(fā)病階段處于不同的生長時(shí)期，病害癥狀一般不是同時(shí)出現(xiàn)的，將3 個(gè)階段劃分為病害早期、病害中期和病害晚期[69-70]。因此修改產(chǎn)生式規(guī)則的表示形式為

IF E1 and E2 or E3……and Ei THEN H（S ）（CF） （3）

式中 S——可選參數(shù)，表示病害階段，早期為Z，中期為N，晚期為L

可信度CF=1.00，表示確診，即病害癥狀完全匹配，CFlt;1.00，表示不確定。

用戶發(fā)現(xiàn)海帶出現(xiàn)病害時(shí)，有可能是病害的中期或者晚期，對(duì)于前面的病害癥狀，不一定有記錄，因此符合不同病害階段的癥狀，也應(yīng)該確診。同時(shí)，病害癥狀信息可能只是當(dāng)前的，對(duì)于之前及之后的病害癥狀不一定有記錄，因此產(chǎn)生式規(guī)則表示法要加以考慮，并制定相應(yīng)的可信度。由此構(gòu)造海帶配子體死亡綜合癥的產(chǎn)生式規(guī)則328 條，形成的規(guī)則庫如表3 所示。

2 推理機(jī)及病害診斷

基于規(guī)則推理是指以規(guī)則的形式表示獲取的知識(shí)，通過對(duì)規(guī)則知識(shí)的匹配和推斷獲得 問題的求解方案，包括正向推理、反向推理和正反向混合推理或者雙向推理3 種推理方式[71-72]。正向推理是從已知事實(shí)出發(fā)，與規(guī)則庫中的規(guī)則進(jìn)行匹配從而執(zhí)行規(guī)則，進(jìn)而求得結(jié)論，反之即為反向推理，從兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行推理為雙向推理[72]。正向推理的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀，相對(duì)來說比較容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是無明確的目標(biāo)，開銷大。反向推理目標(biāo)明確，但實(shí)現(xiàn)起來比較困難[73]。根據(jù)推理方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇正向推理作為推理機(jī)的推理方式。

采用正向推理，對(duì)用戶選擇的癥狀進(jìn)行規(guī)則匹配，獲得結(jié)論。推導(dǎo)出來的病害結(jié)論最理想的是可信度CF=1.00 的結(jié)論，即完全匹配病害癥狀的情況，此時(shí)是病害癥狀完全發(fā)生且用戶完整記錄相關(guān)的病害信息。這種情況是比較少見的，更多的情況是病害癥狀是不完備的，從而導(dǎo)致推導(dǎo)出來的病害結(jié)論不唯一。采取的策略是按照可信度CF 從大到小排序，若病害結(jié)論多于5 個(gè)，按照每頁5 個(gè)分頁顯示。為了讓用戶更清楚，在病害結(jié)論后面顯示其概率（可信度CF），同時(shí)把病害的完整信息加以顯示，包括癥狀、病因分析及預(yù)防措施等。對(duì)于病害癥狀的選擇，為了讓用戶的選擇更準(zhǔn)確，把同一種病害的癥狀放在一起。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

海帶病害防治診斷專家系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理子系統(tǒng)和用戶子系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)管理子系統(tǒng)提供系統(tǒng)管理的功能，包含系統(tǒng)登錄、密碼管理、病害信息維護(hù)、規(guī)則庫維護(hù)和系統(tǒng)退出等模塊。用戶子系統(tǒng)為海帶養(yǎng)殖用戶提供病害信息查詢與瀏覽、海帶病害診斷等功能。系統(tǒng)采用JSP+Sevlet+JavaBean 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫為MySQL。用戶診斷界面如圖1 和圖2 所示。

4 結(jié)束語

海帶病害防治診斷專家系統(tǒng)能夠滿足海帶養(yǎng)殖用戶的病害防治需求。隨著智能手機(jī)的普及和5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，下一步的工作重點(diǎn)是開發(fā)手機(jī)版的海帶病害防治診斷專家系統(tǒng)，讓用戶可以隨時(shí)隨地進(jìn)行海帶病害防治。還要關(guān)注海帶病害的信息，對(duì)新出現(xiàn)的病害要加以研究并及時(shí)更新病害信息，使之更好地為用戶提供病害防治服務(wù)。

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