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      二叉推理機制在病蟲害輔助診斷技術(shù)上的應(yīng)用

      2010-07-19 07:56:40沈佐銳楊慧勇牛國飛
      山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010年7期
      關(guān)鍵詞:推理機知識庫檢索

      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??梢灶A(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。

      [1]李銳,李生才.生物農(nóng)藥及其發(fā)展對策[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(7):74-76.

      [2]徐國良,靳愛榮,杜紀壯,等.太行山區(qū)蘋果園昆蟲群落及其動態(tài)變化研究[J].華北農(nóng)學(xué)報,2006,21(增刊):156-159.

      [3]高靈旺,沈佐銳,劉志琦,等.基于二叉分類推理的昆蟲分類輔助鑒定多媒體專家系統(tǒng)通用平臺TaxoKeys的設(shè)計與實現(xiàn)[J].昆蟲學(xué)報,2003,46(5):644-648.

      [4]沈佐銳,趙汗青,于新文.數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在昆蟲分類學(xué)上的應(yīng)用研究.Ⅲ.在科階元上的應(yīng)用研究[J].昆蟲學(xué)報,2003,46(3):339-344.

      [5]張夏芳,馬曉光,高靈旺,等.中國媒介生物標本信息咨詢服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)研制 [J].中國媒介生物學(xué)及控制雜志,2009,20(1):77-79.

      [6]黃春國,王鑫.不同耕作模式對小麥生長動態(tài)和產(chǎn)量的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(3):47-49.

      [7]高靈旺,沈佐銳,李志紅.計算機軟件技術(shù)的發(fā)展與植保應(yīng)用軟件開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2000,16(2):32-35.

      [8]王慶雷,沈佐銳,高靈旺,等,林果病蟲害防治技術(shù)專家系統(tǒng)的建立與應(yīng)用[J].世界農(nóng)業(yè),2003(7):47-48.

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