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动物疾病专家诊断系统的研究进展


动物疾病专家诊断系统的研究进展
郑家三 1,刘云 2,王红斌 2
(1 黑龙江八一农垦大学动物科技学院 163319 大庆 2 东北农业大学动物医学院 150030 哈尔滨 )

在计算机技术日新月异的今天, 以信息技术为代表的高新技术正在迅速的渗透、 融合到 包括农业在内的各个领域。而在传统的兽医领域,人们开始开发动物疾病专家系统,对各种

畜禽的疾病进行诊断、 治疗。 专家系统是目前人工智能研究中最活跃、 最有成效的领域之一。 专家系统是一种具有领域内大量知识和经验的程序系统, 应用人工智能技术, 模拟人类专家 求解领域专家才能求解的复杂问题。本文就专家系统及其在动物医学领域中的应用做一简 述。

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专家系统概述

专家系统,也称为基于知识的系统,是一种智能的计算机程序,这种程序使用知识和推 理过程,求解那些需要领域专家才能求解的高难度问题,其能力来自它所拥有的专家知识, 知识的表示和推理的方法则提供了应用的机理。 这种基于知识的系统设计方法是以数据库和 推理机为中心而展开的,也就是说知识+推理=系统。简而言之,专家系统是一种模拟人类 专家解决领域问题的计算机程序。

1.1 专家系统的结构
一个完整的专家系统一般都包括知识库、 推理机、 知识获取模块和解释接口等组成部分。 (1)知识库 知识库是专家系统的核心之一, 其主要功能是搜集人类的知识, 将之系统地表达或者模 块化,使计算机可以进行推理、解决问题。知识库中存储的知识主要有两种类型:一类是相 关领域中所谓公开性知识,包括领域中的定义、事实和理论在内,这些知识通常收入的相关 学术著作和教科书中; 另一类是领域专家的所谓个人知识, 他们是领域专家在长期业务实践 中所获得的一类实践经验。知识库与传统数据库在信息的组织、并入、执行等步骤与方法均 有所不同,概括来说,知识库所包含的是可做决策的“知识”,而传统数据库的内容则是未 经处理过的“资料”,必须经过检索、解释等过程才能被实际应用。由于专家系统是运用知 识来模拟专家做出推理、 判断, 因此知识库中知识的质量及数量是决定专家系统中系统性能 与求解能力的关键性因素。 (2)推理机 推理机是一组程序,用来控制、协调整个系统,是专家系统的核心部分。它的功能是根 据系统设定的推理策略从知识库中选取相关的知识, 对用户提供的证据进行推理, 直到得出 相应的结论为止。因为专家系统是模拟人类专家进行工作的,所以设计推理机时,应使其推 理过程和专家的思维过程相一致。 推理机的效率和智能水平决定专家系统的智能水平, 常用 的推理方法有正向推理、逆向推理和正反向混合推理。 (3)知识获取模块 知识获取模块是专家系统中能将某专业领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验 性知识转化为计算机可以利用的形式并送入知识库的功能模块。 同时也负责知识库中知识的 修改、删除和更新,并对知识库的完整性和一致性进行维护。 知识获取为装入、修改和扩充知识库的知识提供手段,获取过程可以看作是专业知识由 知识源转移到知识库的过程。 知识获取过程可分为 4 个阶段: ①识别领域知识的基本结构与 特点,寻找适当的知识表示方法,这是知识获取过程中最困难的第一步;②确定适当的知识 库存储结构;③抽取领域知识转化成计算机可以识别的代码;④调试、精炼数据库。也就是

说,知识获取策略是由知识的表示模式和知识库的存储结构决定的。 (4)解释接口 具有解释功能是专家系统区别于其他计算机程序的标志, 专家系统的解释接口负责对推 理做出必要的解释。任何时候用户可以询问系统为什么做此判断,系统会做出解释。这样用 户可了解推理过程,为用户向系统学习和维护系统提供方便。

1.2 1.2 专家系统的基本特征
专家系统一般具有如下一些基本特征: (1)具有专家水平的专门知识 专家系统开发的最终目的是解决只有人类专家才能解决的问题, 所以专家系统必须具备 专家级的知识,知识越丰富,质量越高,解决问题的能力就越强。 通常,专家系统中的知识可分为三个层次:数据级、知识库级和控制级。数据级知识 是指具体问题所提供的初始事实以及问题求解过程中所产生的中间结论、 最终结论等。 例如 患畜的症状、化验结果以及由专家系统推出的病因、治疗方案等,这一类知识通常存放在数 据库中; 知识库级知识是指专家的知识, 例如动物医学领域的诊断知识, 兽医从业人员诊断、 治疗疾病的经验等, 这一类知识是构成专家系统的基础; 控制级知识是关于如何运用前两种 知识的知识,如搜索策略等,控制级知识是用于控制系统的运行过程及推理的,它直接关系 到系统的“智能”程度。 (2)能进行有效的推理 专家系统的根本任务是求解领域专家才能解决的问题。问题的求解过程是一个思维过 程,也就是推理过程,这就要求专家系统必须具有相应的推理机构,能根据用户提供的已知 事实,通过运用掌握的知识,进行有效的推理,以实现对问题的求解。专家系统的推理机制 需要根据问题领域的特点分别进行设计,以保证问题求解的有效性。 (3)具有灵活性 在专家系统中, 其体系结构通常采用知识库与推理机相分离的构造原则, 它们彼此独立 又相互联系。 这样的结构优点在于可以在系统运行时根据具体问题的不同要求, 分别选取合 适的知识构成不同的求解序列, 实现对问题的求解, 又能在对一方进行修改时不致影响到另 一方。特别是对于知识库,在系统不断完善的过程中,可能要经常对数据库进行增、删、改 等操作,由于与推理机分离,所以不会因为知识库的变化而修改推理机的程序。 (4)具有实用性 专家系统是根据领域问题的实际需求开发的,因此,它具有坚实的应用背景。另外, 专家系统具有大量高质量的专家知识, 能够解决用户所提出的问题, 所以它容易被人们接受、 应用。 目前, 专家系统已经被广泛的应用于多种领域, 并取得了巨大的经济效益及社会效益。 (5)具有一定的复杂性和难度 专家系统拥有知识,并且能够运用知识进行推理,以模拟人类专家求解问题的思维过 程。由于人类知识是丰富多彩的,人们的思维方式也是各种各样的,因此要建立一个实用的 专家系统,具有相当的复杂性和难度。 近 20 年来,专家系统获得了迅速的发展,应用的领域也越来越广,解决实际问题的能 力也越来越强,这是专家系统的优良性能以及对国民经济所起的重大作用所决定的。

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我国动物疾病诊断专家系统的研究进展 我国动物疾病诊断专家系统的研究进展

国内专家系统在动物医学领域的研究、应用和发展相对来说规模较小、水平较低,应用 范围也有限。这主要与我国的计算机普及、应用水平不高、相当一部分兽医领域专家和兽医 从业人员对计算机缺乏认识、 计算机专业人员与兽医人员缺乏交流等原因有关。 但是近年来,

随着我国经济的发展、计算机的普及,通过从事计算机研究的专家和兽医人员的共同努力, 专家系统在兽医领域得到广泛的重视和应用。 我国在 20 世纪 70 年代开始开发动物医学领域专家系统。20 世纪 80 年代,开始将人工 智能引入动物专家诊治系统。1984 年,于船在计算机应用于辅助中兽医辨证施治与针灸治 疗选取穴位等方面进行了研究, 属国内中兽医领域首次尝试应用电子计算机对家畜疾病进行 诊治(于船等,1984) ;1985 年,张泉鑫等应用电子计算机模拟中兽医对牛的前胃疾病的鉴 别诊断; 1986 年刘燕和蒋兆春用计算机模拟了奶牛不孕症的辨证施治 (刘燕等, 1986) 1989 ; 年,陆钢应用电子计算机模拟中兽医对马属动物胃肠卡他的辨证施治;1992 年,许剑琴等 设计了鸡常见群发病计算机诊断专家系统,对 121 份病例进行了验证性诊断,基本符合占 82.6%,从理论上将电子计算机及专家系统在中兽医领域的应用方法做了研究;1995 年,陆 昌华等开发鸡常见疾病计算机临床诊断专家系统,可对鸡新城疫、马立克、法氏囊、支气管 炎、喉支气管炎、败血霉形体病等主要鸡传染病、营养代谢病和寄生虫病进行诊断,对 30 种常见疾病诊断完全符合率达到 80%以上;1998 年公安部南京警犬基地吴德华等研制的 “犬病专家诊断系统”,先后对临床病历进行验证,准确率为 87.5%。表明该系统有较高的 诊断准确性,达到了临床专家诊断犬病的水平,完全可以用于犬病临床的辅助诊断;1999 年北京佑格科技发展有限公司研究开发了新一代智能型兽医临床诊断软件(禽病、猪病、犬 病、羊病、牛病诊断专家系统) ;2001 年汪明磊等研制“基于神经网络的鸡病诊断专家系 统”, 将人工神经网络和基于案例的推理技术与兽医诊断结合在一起, 充分发挥了神经网络 强大的非线性映射功能和基于案例的推理技术所具有的简单高效的自学习功能, 从一定程度 上提高了动物医学专家系统的实用性, 通过对近 100 个临床病例的验证诊断, 采用神经网络 诊断的结果平均完全准确率为 53.2%,未诊出率 12.8%,其余 34%也可将可能疾病的范围 缩小至包括实际疾病在内的 2~3 种,表明该系统已经达到辅助诊断兽医临床常见鸡病的要 求(汪明磊,2001) ;在水产养殖和疾病防治方面,2002 年张小栓等主要针对鱼病知识的特 点,给出了有关鱼病、症状与病因相互关系 3 个定义,利用定义,采用逻辑型产生式规则建 立了主要鱼病的知识库, 在总结和归纳专家诊断鱼病经验的基础上, 建立了鱼病诊断推理框 架,并给出了推理中的核心算法,认为逻辑型产生式规则减少了规则的数量,提高了鱼病诊 断专家系统推理的速度和准确性(张小栓,2002) ;刘孟强等 2002 年研制“犬病诊断的计算 机模拟研究系统”,随后进行了一年多的试用,试用情况基本令人满意,诊断的结果正确率 达到 96%,但是,由于兽药发展较快,且不断有病种变异,需要更新数据库知识(刘孟强, 2002) ;张立平等 2003 年研制“鸡病诊断多媒体专家系统”,利用计算机技术,把文字、图 像、声像等多媒体综合起来,进行加工处理,研制了一套高效的基于模糊推理机制和推理结 果的鸡病诊断专家系统, 用户使用该系统时, 可以即时获得病鸡的有关脏器病理解剖图谱和 症状表现图片等信息。王靖飞、刘东明对奶牛疾病诊断与治疗专家系统的知识获取、知识表 示、知识库建设、推理机设计与实现、界面设计等进行了全面的阐述,已经完成了奶牛疾病 诊断专家系统和治疗专家系统的单机版及网络版的开发(王靖飞,2002;刘东明,2004;肖 建华,2006) 。

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我国动物疾病诊断专家系统研究中存在的问题

我国目前的动物医学诊疗专家系统尚处于起步阶段, 虽然已经研制成功了一些系统, 但 是由于知识处理技术的不断成熟和开发人员对领域知识的不断深入, 现有疾病诊断专家系统 在应用中显得单薄和不够完善, 其可靠性也日益受到用户的质疑。 而且也没有广泛的应用于 生产实践中,究其原因,作者认为主要存在以下问题: (1)知识获取方法单一,效率较低。知识获取就是为专家系统建立起健全、完善、有 效的知识库以满足系统求解问题时的需要, 由于缺乏完备、 详尽的知识库和完善的控制程序,

导致诊断的效率和准确率较低; (2)一些专家系统的推理策略比较简单,或采用正向推理,或采用反向推理,推理过 程单一,不符合动物医学领域专家诊断疾病的思维过程,用户输入症状后,系统即刻给出结 论,没有一个以启发式的方法来寻找诊断疾病的其他的重要信息的过程。因此,建立符合实 际应用的动物疾病诊断专家系统, 其推理策略必须以领域专家的推理思维为基础, 要适合基 层的实际情况和用户对系统的要求; (3)性能不高,分析目前大多数动物疾病专家系统可以发现,由于知识库的内容固定 不变,不能及时更新,因此它们解决的问题往往与实际生产有一定差距,不能满足兽医临床 需要,而对知识库的更新需要专业的软件开发人员和大量的时间和精力,从而造成系统的实 际性能偏低,实用性不是很高。另外,许多专家系统功能单一、适用对象狭窄,甚至有些专 家系统只能向用户提供一些基本的或者常识性的解释和判断, 无法详尽、 准确的进行疾病的 诊断及治疗。

参考文献
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