高校教師健康管理與評(píng)估專家系統(tǒng)的研究

李 麗，王大勇，張 蕾，魏 穎

(1.遼寧大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024；3.北華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013)

0 引言

專家系統(tǒng)是在20世紀(jì)60年代初期產(chǎn)生并發(fā)展起來的一門應(yīng)用科學(xué)[1]，它從誕生到現(xiàn)在一直有著活躍和廣泛的應(yīng)用，它能模擬專家的大腦思維活動(dòng)，運(yùn)用邏輯推理技術(shù)進(jìn)行推理和判斷，形成了一套求解專業(yè)領(lǐng)域問題計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng).近年來，專家系統(tǒng)的研究涉及了很多領(lǐng)域，特別是醫(yī)療[2-4]、故障診斷[5-6]、農(nóng)業(yè)管理[7-8]、財(cái)政管理[9]等領(lǐng)域成效顯著.目前，伴隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，專家系統(tǒng)的實(shí)用性增強(qiáng)，智能性也有了顯著提高，涉及的領(lǐng)域更加廣泛.

目前國外在公眾健康方面的研究比較廣泛和深入，從兒童健康、青少年健康到老年健康均有涉獵[10-12].國內(nèi)針對(duì)健康狀況評(píng)估的研究主要集中在對(duì)老年群體的研究，而針對(duì)中青年的研究則很少，由于外界壓力、不良的生活方式、超負(fù)荷的工作等因素造成很多疾病的年輕化.在高校知識(shí)分子群體中，這種狀況尤為突出[13-14].中青年教師不僅是學(xué)校的教學(xué)骨干，也是科學(xué)研究的中堅(jiān)力量，但往往忽視必要的休息和體育鍛煉，健康狀況不佳的情況比較嚴(yán)重，急需對(duì)高校教師的健康狀況進(jìn)行深入的研究和評(píng)估，并給出合理的建議，使他們能夠方便、快捷地了解到自身的健康狀況，降低疾病帶來的風(fēng)險(xiǎn).進(jìn)而控制一些疾病的發(fā)病率，延長發(fā)病時(shí)間，從而提高高校教師整體的健康狀況.

現(xiàn)階段，大多數(shù)高校健康體檢管理方式還處于被動(dòng)接受和傳遞狀態(tài)，通常存在以下不足：(1)學(xué)校醫(yī)院每年將體檢紙質(zhì)報(bào)告發(fā)放給基層單位，基層單位將體檢報(bào)告發(fā)放給個(gè)人，逐層傳遞的形式會(huì)延誤體檢結(jié)果的接收時(shí)間；(2)歷年的個(gè)人體檢數(shù)據(jù)不能進(jìn)行逐項(xiàng)比對(duì)，缺乏系統(tǒng)性管理和利用個(gè)人體檢數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對(duì)個(gè)人健康狀況不能有效評(píng)估；(3)缺少對(duì)學(xué)校體檢結(jié)果的綜合分析，不能提供整體和部分群體的健康評(píng)估數(shù)據(jù)，主觀分析會(huì)造成與實(shí)際情況的偏差.

本文旨在將高校教師的體檢結(jié)果、飲食習(xí)慣、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，利用專家系統(tǒng)的智能性、靈活性，對(duì)高校教師的健康狀況進(jìn)行管理和評(píng)估，并給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和干預(yù)，使高校教師可以通過系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果，認(rèn)清自身的健康狀況，適當(dāng)調(diào)整自己的生活方式，以此改善教師的整體健康狀況.

1 用CLIPS語言描述事實(shí)和規(guī)則

本文采用專家系統(tǒng)工具CLIPS對(duì)健康體檢和調(diào)查問卷進(jìn)行管理和評(píng)估，CLIPS是由美國國家航天局NASA的約翰遜空間中心的人工智能部開發(fā)的，是繼Prolog之后被廣泛使用的人工智能語言.CLIPS由于具有兼容性好、知識(shí)表達(dá)方式靈活、運(yùn)行效率高、集成性好、可免費(fèi)使用且可靠性高的特點(diǎn)，非常有利于專家系統(tǒng)的開發(fā).因其推理功能強(qiáng)大，可移植性強(qiáng)而得到廣泛使用.[15-16]

1.1 CLIPS的形式化定義

CLIPS采用產(chǎn)生式規(guī)則作為基本的知識(shí)表示方式.其核心由事實(shí)庫、規(guī)則庫、推理機(jī)三大部分組成.

事實(shí)由關(guān)系名(Relation name)、零個(gè)或多個(gè)槽(Slot)以及它們的相關(guān)值組成，用來表示已知的數(shù)據(jù)或信息.事實(shí)可以用自定義模板和自定義事實(shí)結(jié)構(gòu)來定義，格式為：

(deftemplate < relation name >

[ < optional-comment > ]

< slot-deffinition >*)，

(deffacts < deffact name >

[ < optional-comment> ]

< fact >*).

當(dāng)CLIPS系統(tǒng)啟動(dòng)推理時(shí)，會(huì)把所有用deffacts定義的事實(shí)自動(dòng)添加到事實(shí)庫中.

CLIPS中的規(guī)則用來表示系統(tǒng)推理的有關(guān)知識(shí).用defrule命令來定義，規(guī)則定義格式為：

(defrule < rule name >

[ < comment > ]

< patterns >

?

< action >).

其中patterns表示前提，action表示結(jié)論.

CLIPS推理機(jī)通過模式匹配、沖突消解、激活規(guī)則、動(dòng)作4個(gè)階段的重復(fù)循環(huán)，不斷掃描規(guī)則的模式，并把和事實(shí)匹配的規(guī)則激活，通過堆棧實(shí)現(xiàn)推理.

1.2 CLIPS在健康體檢和調(diào)查問卷專家系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.2.1 健康體檢部分

以健康體檢的血脂檢查為例，對(duì)CLIPS語言及推理規(guī)則在本系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹.血脂的正常范圍如表1所示.

表1 血脂相關(guān)知識(shí)

參照表1為血脂檢查及其包含的4項(xiàng)參數(shù)定義CLIPS事實(shí)xzjc：

CLIPS>(deftemplate xzjc

(slot TC

(type NUMBER))

(slot TG

(type NUMBER))

(slot HDL

(type NUMBER))

(slot LDL

(type NUMBER))).

定義血脂正常的規(guī)則xzzc：

CLIPS>(defrule xzzc

(xzjc(TC ?tc)(TG ?tg)(HDL ?hdl)(LDL ?ldl))

(test(and(≥ ?tc 2.28)

(≤ ?tc 5.60)

(≥ ?tg 0.51)

(≤ ?tg 2.30)

(≥ ?hdl 1.15)

(≤ ?hdl 1.60)

(≥ ?ldl 0.00)

(≤ ?ldl 4.11)))

?

(printout t “Ortholiposis” crlf)).

假設(shè)某個(gè)體的血脂檢查的各項(xiàng)值：TC為3 mmol/L，TG為2.1 mmol/L，HDL為1.3 mmol/L， LDL為3.33 mmol/L.

定義該實(shí)例，并命名為txzzc：

CLIPS>(deffacts txzzc

(xzjc(TC 3)(TG 2.1)(HDL 1.3)(LDL 3.33))).

用CLIPS對(duì)該實(shí)例進(jìn)行推理，實(shí)例添加及推理結(jié)果如圖1所示.

圖1 血脂正常實(shí)例添加及推理結(jié)果

在血脂測定報(bào)告單上，通常會(huì)顯示4項(xiàng)指標(biāo)：TC、TG、LDL-C、HDL-C.以上任何一個(gè)指標(biāo)超過了正常值，都屬于高血脂.根據(jù)該知識(shí)，建立規(guī)則如下：

CLIPS>(defrule Gaoxuezhi

(xzjc(TC ?tc)(TG ?tg)(HDL ?hdl)(LDL ?ldl))

(test(or(> ?tc 5.60)

(> ?tg 2.30)

(< ?hdl 1.15)

(> ?ldl 4.11)))

?

(printout t “ Hyperlipidemia” crlf)

(assert(is-Gaoxuezhi yes))).

通過檢測值確定為高血脂癥后，高血脂患者的飲食建議規(guī)則定義如下：

CLIPS>(defrule Gaoxzh_jianyi

(is-Gaoxuezhi yes)

?

(printout t “Dietary advice：” crlf

“Eat more vegetable，and less meat” crlf，

“Eat more freshwater fish，and less seafood” crlf，

“Eat more small animal，and less mass animal” crlf，

“Eat more steamed food，and less fried food” crlf)).

假設(shè)某個(gè)體的血脂檢查的各項(xiàng)值為：TC為9.3 mmol/L，TG為2.15 mmol/L，HDL為1.2 mmol/L，LDL為3.9 mmol/L.

定義該實(shí)例，并命名為tgaoxzh：

CLIPS>(deffacts tgaoxzh

(xzjc(TC 9.3)(TG 2.15)(HDL 1.2)(LDL 3.9))).

用CLIPS對(duì)該實(shí)例進(jìn)行推理，實(shí)例添加及推理結(jié)果如圖2所示.

圖2 高血脂實(shí)例添加及推理結(jié)果

根據(jù)表1中內(nèi)容還可以添加相關(guān)規(guī)則，分別為總膽固醇高、甘油三酯高、高密度脂蛋白膽固醇低、低密度脂蛋白膽固醇高的規(guī)則，以及相應(yīng)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)的治療、飲食、運(yùn)動(dòng)相關(guān)建議的規(guī)則等.例如TC低的規(guī)則：

CLIPS>(defrule TCdi

(xzjc(TC ?tc)(TG ?tg)(HDL ?hdl)(LDL ?ldl))

(test(< ?tc 2.28))

?

(printout t “Total cholesterol low” crlf)).

1.2.2 調(diào)查問卷部分

在調(diào)查問卷部分，本文以糖尿病為例，用CLIPS語言建立相應(yīng)的事實(shí)及規(guī)則.已知糖尿病的相關(guān)知識(shí)如表2所示.

表2 糖尿病相關(guān)知識(shí)

根據(jù)調(diào)查問題定義事實(shí)XTinvestigation如下：

CLIPS>(deftemplate XTinvestigation

(slot Niao

(type SYMBOL)

(allowed-symbols more normal less))

(slot Drink

(type SYMBOL)

(allowed-symbols more normal less))

(slot Appetite

(type SYMBOL)

(allowed-symbols more normal less))

(slot Marasmus

(type SYMBOL)

(allowed-symbols yes no))).

如果調(diào)查結(jié)果滿足多尿、多飲、多食、消瘦的特征，則懷疑患者血糖升高，建議抽血檢查血糖值.定義規(guī)則XT_needcheck如下：

CLIPS>(defrule XT_needcheck

(XTinvestigation(Niao more)

(Drink more)

(Appetite more)

(Marasmus yes))

?

(printout t “You need to check your blood sugar.” crlf)).

假設(shè)某個(gè)體經(jīng)填寫調(diào)查問卷得出其具有多尿、多飲、多食、消瘦特征(見圖3).則定義該實(shí)例txtnc如下：

CLIPS>(deffactstxtnc

(XTinvestigation(Niao more)(Drink more)(Appetite more)(Marasmus yes))).

圖3 疑似高血糖實(shí)例

測試血糖值的相關(guān)定義如下：

血糖值事實(shí)定義——XTvalue

CLIPS>(deftemplate XTvalue

(slot KF

(type NUMBER))

(slot Two Hours Later

(type NUMBER))).

高血糖判定規(guī)則定義——hyperglycaemia

CLIPS>(defrule Gaoxuetang

(XTvalue(KF ?kf)(Two Hours Later ?thl))

(test(and(≥ ?kf 6.1)

(≥ ?thl 10)))

?

(printout t “Hyperglycaemia，Please refer to expert advice” crlf)

(assert(is-hyperglycaemia yes))).

判定為高血糖后，要有相應(yīng)的治療方法，本系統(tǒng)主要在非藥物領(lǐng)域給出相應(yīng)建議.

血糖高?(心理治療：心理疏導(dǎo)、關(guān)懷、鼓勵(lì)、肯定)，

(運(yùn)動(dòng)：散步、慢跑、健身操、太極拳等)，

(藥物：遵醫(yī)囑)，

(飲食：飲食清淡、少量多餐、戒煙、限酒、控制總熱量、合理安排各種營養(yǎng)成分、食物的品種應(yīng)多樣化)，

(監(jiān)測：血糖、血壓、血脂、體重、糖化血紅蛋白、心臟、足部、眼底、腎臟功能).

根據(jù)上述對(duì)高血糖病癥的輔助治療描述，定義如下規(guī)則：

CLIPS>(defrule regimen

(is-hyperglycaemia yes)

?

(printout t “Psychotherapy：psychological counseling，solicitude，encouraging and recognizing” crlf)，

(printout t “Exercise：Take a walk，jogging，Aerobics，Taiji boxing，et.al.” crlf)，

(printout t “Medicine：follow the doctor’s advice” crlf).

(printout t “Diet：

light diet，

frequent small meals，

Quit smoking and alcohol restriction，

Total heat control，

Reasonable arrangements for various nutrients，

Variety of food should be varied” crlf).

(printout t “Monitor：

blood glucose，

blood pressure，

blood lipid，

body weight，

glycosylated hemoglobin，

heart，

foot，

fundus，

and kidney function” crlf)).

假設(shè)某個(gè)體的血糖檢查結(jié)果：空腹血糖值為9.1 mmol/L、服糖2 h后血糖值為15.3 mmol/L，定義該實(shí)例tgaoxuetang如下：

CLIPS>(deffacts tgaoxuetang

(XTvalue(KF 9.1)(Two Hours Later 15.3))).

利用規(guī)則推導(dǎo)的結(jié)果如圖4 所示.

圖4 高血糖實(shí)例的推導(dǎo)結(jié)果

2 基于CLIPS的專家系統(tǒng)

2.1 CLIPS與高級(jí)語言的結(jié)合

CLIPS專家系統(tǒng)開發(fā)工具已經(jīng)完整地實(shí)現(xiàn)了專家系統(tǒng)所需要的開發(fā)環(huán)境和功能，但是CLIPS的界面是命令行界面，不利于人機(jī)交互.為彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，通常利用可視化語言與CLIPS相結(jié)合.

本文選取的可視化語言為C++，其產(chǎn)生時(shí)間長，應(yīng)用范圍廣.C++和CLIPS是兩種互補(bǔ)性很強(qiáng)的開發(fā)工具.C++是功能性很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語言，擅長進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算和與外設(shè)交換數(shù)據(jù)以及圖形用戶界面的開發(fā)；CLIPS是基于DOS語言開發(fā)的工具，用戶界面采用命令行的形式，雖然界面友好度較差，但更擅長于邏輯推理.基于以上原因，本文的專家系統(tǒng)以VS作為整個(gè)系統(tǒng)的主要開發(fā)平臺(tái)，負(fù)責(zé)開發(fā)用戶界面、連接數(shù)據(jù)庫，以及各子系統(tǒng)的銜接和協(xié)調(diào)等工作.以CLIPS作為專家系統(tǒng)開發(fā)工具，用于開發(fā)知識(shí)庫系統(tǒng).

由于CLIPS是開源軟件，它提供了許多與外部程序連接的方法函數(shù)，利用這些函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)CLIPS與VS的接口和通訊，交互過程中C++程序可以通過調(diào)用CLIPS相應(yīng)的源代碼函數(shù)來實(shí)現(xiàn)CLIPS命令及函數(shù)功能.

將CLIPS程序嵌入到C++語言中的一般步驟如下：

(1) CLIPS加入工程.將CLIPS源代碼拷貝到用戶目錄中，打開VS的項(xiàng)目菜單項(xiàng)，建立一個(gè)新的工程，并將所有的CLIPS源文件添加到該項(xiàng)目中.

(2) 加入頭文件聲明.在要進(jìn)行操作的窗體中加入頭文件聲明，使編譯環(huán)境能夠識(shí)別CLIPS源程序，也方便編譯器在用戶系統(tǒng)中找到CLIPS源文件.聲明代碼如下：

extern “C”{

#include “CLIPSSrcclips.h”

}.

(3) 聲明自定義函數(shù).用戶自定義函數(shù)在被使用之前，如果想要被CLIPS正常訪問，必須先對(duì)CLIPS進(jìn)行聲明.

(4) 傳送參數(shù)到外部函數(shù).編寫自定義函數(shù)時(shí)，先要驗(yàn)證參數(shù)傳送是否成功，然后再獲取傳送過來的參數(shù).用戶編寫自定義函數(shù)時(shí)，應(yīng)該確定傳送參數(shù)的確切個(gè)數(shù)，驗(yàn)證CLIPS與外部函數(shù)的通訊是否成功.不可以直接使用編譯軟件中定義的變量和函數(shù)，但可以通過對(duì)象的方法調(diào)用.

(5) 啟動(dòng)CLIPS.在初始化CLIPS環(huán)境后，將規(guī)則庫與事實(shí)庫載入，再運(yùn)行CLIPS，并由CLIPS完成推理過程，直到得出結(jié)果.

2.2 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高校教師健康管理與評(píng)估專家系統(tǒng)對(duì)教師的相關(guān)數(shù)據(jù)和健康的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索、分析.依據(jù)這些數(shù)據(jù)和知識(shí)，專家系統(tǒng)部分對(duì)某一種或幾種常見病的發(fā)生率進(jìn)行推理，并給出合理的建議.該系統(tǒng)主要包括人機(jī)接口、知識(shí)獲取部件、推理機(jī)、知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫等幾大部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖5中每一部分的功能描述如下：

(1) 人機(jī)接口.該系統(tǒng)所采用的人機(jī)接口包括管理員和用戶部分兩大模塊，根據(jù)權(quán)限不同，所完成的功能也有所不同.

(2) 知識(shí)獲取部件.用于知識(shí)獲取，幫助領(lǐng)域?qū)＜医⑼暾?、系統(tǒng)的專家知識(shí)模型，為建立專家系統(tǒng)知識(shí)庫提供支持.

(3) 推理機(jī).推理機(jī)是專家系統(tǒng)的核心部件，主要用于模擬專家的思維模式，根據(jù)所提供的教師健康方面的初始數(shù)據(jù)和健康評(píng)估要求，運(yùn)用知識(shí)庫中的事實(shí)和規(guī)則，按照一定的推理方法和控制策略對(duì)問題進(jìn)行搜索和匹配，從而求解出問題的答案.

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(4) 知識(shí)庫.知識(shí)庫存儲(chǔ)的是領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)，是專家系統(tǒng)做出決策的依據(jù).該系統(tǒng)知識(shí)庫包含《國民體質(zhì)測定標(biāo)準(zhǔn)手冊(成人部分)》和《疾病累計(jì)評(píng)分表(CIR)》等標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判方式、常見病的體檢指標(biāo)、相關(guān)學(xué)術(shù)論述，特別是著作和教科書中關(guān)于高校教師常見病的專業(yè)知識(shí)[14-15].知識(shí)庫分別存儲(chǔ)呼吸、內(nèi)分泌、消化、泌尿生殖、骨骼、血液等子庫.

(5) 數(shù)據(jù)庫.數(shù)據(jù)庫是用來保存用戶提供的各種初始數(shù)據(jù)，是對(duì)問題的描述和推理過程中得到的各種中間數(shù)據(jù)和推理結(jié)果.本文采用關(guān)系模型構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，建立表并對(duì)表和字段加以設(shè)置.該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括基本信息數(shù)據(jù)、體檢數(shù)據(jù)和生活記錄數(shù)據(jù)等.采用SQL語言建立相關(guān)數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表由教師編號(hào)關(guān)聯(lián)在一起，以完成教師全部數(shù)據(jù)的描述.具體如下：

(ⅰ) 基本信息是指教師的自然信息包括教師的姓名、性別、民族、班級(jí)、出生年月、籍貫、血型、聯(lián)系方式等.相關(guān)數(shù)據(jù)表為教師基本信息表.

(ⅱ) 體檢數(shù)據(jù)中包含高校教師的體檢結(jié)果，即教師每年體檢結(jié)果中的相關(guān)信息，包括內(nèi)科、外科、五官科、心電圖、胸透等相關(guān)項(xiàng)目的檢查結(jié)果.相關(guān)數(shù)據(jù)表為化驗(yàn)檢查記錄表、X射線圖像參數(shù)表等.

(ⅲ) 生活記錄數(shù)據(jù)主要記錄調(diào)查問卷中了解到的相關(guān)信息，如吸煙、飲酒、睡眠時(shí)間及質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)等生活習(xí)慣，為健康管理中的行為干預(yù)提供指導(dǎo)依據(jù).此外，該部分?jǐn)?shù)據(jù)還計(jì)劃采用健康調(diào)查問卷的形式，作為教師健康狀況的一個(gè)有益補(bǔ)充，更為細(xì)致地了解教師的生活習(xí)慣，為健康指導(dǎo)提供參考.主要包括飲食習(xí)慣表、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣表、作息時(shí)間表等基本數(shù)據(jù)表.

本系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)采用C/S(Client/Server客戶機(jī)/服務(wù)器)結(jié)構(gòu).開發(fā)平臺(tái)采用Windows10；選用Visual Studio 2015作為客戶端開發(fā)軟件；SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫的管理系統(tǒng)；采用CLIPS 6.3作為專家系統(tǒng)工具.軟件界面的部分效果如圖6所示.

圖6 軟件界面的部分效果

3 結(jié)論

本文利用CLIPS工具描述健康體檢數(shù)據(jù)及問卷調(diào)查數(shù)據(jù)，并以此作為基礎(chǔ)構(gòu)建高校教師健康管理與評(píng)估專家系統(tǒng)，為高校教師健康管理與評(píng)估工作提供了有效的解決方法.該方法具有通用性，對(duì)于普遍的體檢管理和生活方式評(píng)估也有著良好的適用性.對(duì)于幫助人們?nèi)轿涣私庾约荷眢w的健康數(shù)據(jù)，認(rèn)清自己身體健康狀態(tài)，積極地規(guī)范自己的健康生活方式也有著很好的輔助作用.能夠?qū)€(gè)體或其所在群體的不良生活方式進(jìn)行干預(yù)和指導(dǎo)，幫助人們認(rèn)識(shí)健康問題，預(yù)知影響健康的危險(xiǎn)因素，從而達(dá)到降低健康風(fēng)險(xiǎn)，提高生活質(zhì)量的目的.