遠(yuǎn)程農(nóng)作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、本文論述了集成農(nóng)作物種植理論和實(shí)用技術(shù)、遠(yuǎn)程農(nóng)作物病蟲害診斷專家 系統(tǒng)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)。在比較國內(nèi)外農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)構(gòu)思的基礎(chǔ)上，論證了本系統(tǒng) 實(shí)施的方案，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，擴(kuò)大了農(nóng)作物病蟲 害診斷專家系統(tǒng)應(yīng)用的空間范圍。文中主要以病害診斷為例著重介紹了規(guī)則庫 的建立、推理機(jī)的設(shè)計(jì)。論文前半部分首先對農(nóng)作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)研究 的背景、課題的研究內(nèi)容、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究、專家系統(tǒng)概況作了 較全面的介紹和闡述，說明了本課題的研究目的和意義，接著對本課題專家系 統(tǒng)的核心部分一一知識表示和推理機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。論文后半部分是對于 專家系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)以及界面功能進(jìn)

2、行了詳細(xì)論述，并用其設(shè)計(jì) 專家系統(tǒng)開發(fā)平臺的框架模型。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng) 推理機(jī) 病蟲害AbstractThis paper discusses the structure and achievement of the theory of integrated crop planting, practical technology and the expert system of remote crop diseases and insect pests diagnosis. Contrast of the domestic and foreign agricultural expert s

3、ystem conception, it demonstrates the system of the implementation of the scheme that realizing the network of the expert system of remote crop diseases and insect pests diagnosis and enlarging the spatial dimension.It introduces the establishment of rule-base and the design of the inference engine

4、which takes disease screening as example.The preceding half part of thesis stresses the background and content of expert system of remote crop diseases and insect pests diagnosis, also states of research both at home and broad and general situation of expert system. Then introduce the main part that

5、 is the design of the inference engine.The last part of the thesis analyzes the overall design of expert system, base design and Interface and Function in order to apply to the model.Key words: Agricultural expert system,inference engine,diseases and pests目錄1、緒論中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，種植的農(nóng)作物種類很多，農(nóng)作物病蟲害的診斷對農(nóng)作物的產(chǎn)量提

6、高 有著現(xiàn)實(shí)意義1。農(nóng)作物病蟲害診斷的實(shí)質(zhì)是一個(gè)故障診斷問題，但是與一般的設(shè)備故障診斷相 比，由于農(nóng)作物具有生命特征，其病蟲害特征表現(xiàn)比一般設(shè)備復(fù)雜，難以用確定性、統(tǒng)計(jì)性或 傳統(tǒng)的方法對它進(jìn)行直接綜合研究。在現(xiàn)階段水平上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合多學(xué)科定性定量 整體結(jié)合法是解決問題的可行方法2。專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量的專業(yè)知識與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)， 它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推 理，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是 專家系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用3。農(nóng)作物病蟲害診斷是農(nóng)作物種植過程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，本課題 的研

7、究就是把農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的理論、技術(shù)和研究方法應(yīng)用到農(nóng)作物病蟲害的診斷中去，實(shí)現(xiàn)農(nóng) 作物病蟲害的自動診斷。本章主要論述課題的背景、目的及意義、重點(diǎn)與難點(diǎn)分析、主要研究 內(nèi)容。并說明論文的組織結(jié)構(gòu)。1.1課題的研究的背景和意義21世紀(jì)，信息和知識已成為經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的基本要素。信息技術(shù)的高速發(fā)展，與世界通 訊基礎(chǔ)設(shè)施的迅速完善，全面推動了技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、社會的發(fā)展，同時(shí)也引發(fā)了傳統(tǒng)的農(nóng) 業(yè)技術(shù)思想、觀念的變革和以知識為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)與農(nóng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革命，并為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè) 的改造、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高速可持續(xù)發(fā)展提供了良好機(jī)遇。農(nóng)業(yè)信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)和 標(biāo)志，是從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)邁向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)不可跳越的歷史

8、過程。隨著信息的迅猛發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化 將是克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)弱勢的有力武器，而農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)必將是其中最重要的推動力量。農(nóng)業(yè)專家 系統(tǒng)就是把人工智能的專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)；是模擬人類推理過程，集 合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識、農(nóng)業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、及數(shù)學(xué)模型等，采用適合的知識載體，為農(nóng)民提 供咨詢服務(wù)、科學(xué)種植、科學(xué)用藥等指導(dǎo)，不僅能保存、傳播各類農(nóng)業(yè)信息和知識，而且能綜 合各種單項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高層次的農(nóng)業(yè)技術(shù)集成。從1990年起，國家科技部等部門把“網(wǎng)絡(luò) 化實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)病蟲害遠(yuǎn)程診斷模型及交互式平臺關(guān)鍵技術(shù)的研究”列入了國家863計(jì)劃的重點(diǎn)課 題，給予了重點(diǎn)支持。在全國開展了針對農(nóng)業(yè)智能化農(nóng)業(yè)專

9、家系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)模擬模型及使用農(nóng)業(yè) 信息管理系統(tǒng)等方面的研究與推廣應(yīng)用工作。農(nóng)作物病蟲害種類較多，對其進(jìn)行分類和鑒定要求農(nóng)作物工作者必須具備牢固的農(nóng)作物保 護(hù)基礎(chǔ)知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，僅僅依據(jù)其危害癥狀和粗略的識別就進(jìn)行防治很難達(dá)到理想的 效果；如果對要對病蟲害進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定，則需要查詢大量的資料，但是大部分農(nóng)業(yè)技術(shù)人員無 法掌握如此多的病害資料，農(nóng)作物工作者人員有限，不能及時(shí)滿足農(nóng)民的需求，對農(nóng)作物病蟲 害作出正確診斷及防治措施。農(nóng)作物的種類多，有糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、工業(yè)原料作物等，農(nóng) 作物的產(chǎn)量在國民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位，研究農(nóng)作物病蟲害診斷系統(tǒng)，對農(nóng)作物的產(chǎn)量 提高有著非常重要的意義4。如

10、果有一套具有專家的知識和經(jīng)驗(yàn)的專家診斷系統(tǒng)，對農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行科學(xué)診斷，并給 予有效的防治措施，使每位農(nóng)民都能及時(shí)得到專家指導(dǎo)的信息，那么就可以解決農(nóng)作物生產(chǎn)中 病蟲害防治技術(shù)不到位的問題，使農(nóng)業(yè)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)得到推廣和應(yīng)用，農(nóng)作物生產(chǎn)水平將 會提高一大步，這正是本課題的研究目的，即應(yīng)用農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)原理和技術(shù)，研究農(nóng)作物病蟲 害的診斷，是農(nóng)業(yè)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)得到廣泛的應(yīng)用，這也是本課題的創(chuàng)新之處。1.2課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀農(nóng)作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)的研究起源于1965年等所開發(fā)的DENDRAL5 （一個(gè)推斷化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）。經(jīng)過接近50年的發(fā)展，專家系統(tǒng)技術(shù)由剛發(fā)展時(shí)不 成熟階段逐漸

11、走向成熟階段，也迅速拓展了它的應(yīng)用范圍，例化學(xué)工程、地質(zhì)勘探、醫(yī)療診 斷、金融決策、農(nóng)業(yè)以及軍事等領(lǐng)域。專家系統(tǒng)在農(nóng)作物病蟲害診斷方面，在70年代時(shí)，專家 系統(tǒng)的研究開始應(yīng)用于農(nóng)作物病蟲害的診斷，如1978年美國伊利諾斯大學(xué)開發(fā)的大豆病蟲害診 斷系統(tǒng)PLANT/ds以及1983年日本千葉大學(xué)研制的番茄病蟲害診斷專家系統(tǒng)MTCCS等。雖然研究了這么多的農(nóng)作物病蟲害診斷專家系統(tǒng)，但是真正實(shí)用的寥寥無幾。比如在1990 年到2001年的CAB數(shù)據(jù)庫中，以pest diagnosis為關(guān)鍵詞檢索，僅檢索到十幾篇。較為成熟產(chǎn) 品中最具有代表性的是澳大利亞昆上蘭大學(xué)、國際水稻研究以及浙江大學(xué)植保系（程家安

12、等） 聯(lián)合開發(fā)的用于水稻病蟲害綜合治理的病蟲害診斷系統(tǒng)（RiceIPM），這個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)容包括了病 蟲害的危害特點(diǎn)、信息、識別特征以及防止措施防范等。在國內(nèi)，1997-1999年，浙江大學(xué)植保系與澳大利亞昆士蘭大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的農(nóng)作物檢疫決策 系統(tǒng)6（QPM），該系統(tǒng)由知識庫、LucID子系統(tǒng)包括Player和Builder兩個(gè)子系統(tǒng)，它以檢查 表方式進(jìn)行分類、鑒定。QPM系統(tǒng)對每個(gè)檢疫對象的知識包括分類地位、圖文信息、侵染和傳 播途徑、傳播途徑、形態(tài)描述、為害性，生物學(xué)特性、檢驗(yàn)方法以及防止措施、地域分布圖 等。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用最早的是農(nóng)作物病蟲害診斷系統(tǒng)，也是最為活躍的領(lǐng)域，有著良好 的基礎(chǔ)

13、和發(fā)展前景。已經(jīng)在農(nóng)作物病蟲害綜合管理中發(fā)揮了重要的輔助決策作用有：蔣平安等 的新疆棉花病蟲害管理專家系統(tǒng)，莊鐵成等的大豆病蟲害診斷專家系統(tǒng)，于艷的黑龍江省水稻 病蟲害診斷專家系統(tǒng)，陳愷等的安徽水稻病蟲害診斷專家系統(tǒng)等。1.3課題的主要研究內(nèi)容本個(gè)系統(tǒng)的主要研究的內(nèi)容是用來解決專家系統(tǒng)中的農(nóng)作物病蟲害診斷系統(tǒng)的構(gòu)建以及關(guān) 鍵技術(shù)。對病蟲害的發(fā)病和癥狀特點(diǎn)進(jìn)行分析，應(yīng)用農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)理論和專家推理進(jìn)行農(nóng)作物 病蟲害診斷，主要從以下方面展開了研究：（1）通過咨詢專家以及有經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)民，收集和整理農(nóng)作物病蟲害的發(fā)病和癥狀特點(diǎn)，對這些 特征用規(guī)則庫表示，來推理診斷農(nóng)作物病蟲害，并對診斷出的結(jié)果推薦相應(yīng)的防

14、治措施。（2）結(jié)合農(nóng)作物生長的實(shí)際情況和病蟲害的發(fā)病和癥狀特點(diǎn)，總結(jié)出一種產(chǎn)生式和數(shù)據(jù)庫技 術(shù)相結(jié)合的基于數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生式知識表示方法。（3）研究將已經(jīng)收集到的有關(guān)農(nóng)作物病蟲害的信息以及推理機(jī)在開發(fā)平臺上設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。1.4論文的組織結(jié)構(gòu)本論文的組織結(jié)構(gòu)如下：第一章：研究課題的背景和意義，對課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，課題研究的主要內(nèi)容進(jìn)行概 第二章：對課題的核心機(jī)制進(jìn)行研究。第三章：講述了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析。第四章：講述了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，給出數(shù)據(jù)庫E-R圖。 第五章：講述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，對界面的功能進(jìn)行介紹。 第六章：結(jié)束語，總結(jié)全文以及對未來的期望。2、核心機(jī)制研究專家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用研究方面的一

15、個(gè)重要分支，專家系統(tǒng)的開發(fā)在70年代中期取得成 功，專家系統(tǒng)在80年代在全世界得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。就像費(fèi)根鮑姆（專家系統(tǒng)的先驅(qū)） 所說的：專家系統(tǒng)的力量是從它處理的知識中產(chǎn)生的，而不是從某種形式主義及其使用的參考 模式中產(chǎn)生的7。這正體現(xiàn)了一句名言：知識就是力量。計(jì)算機(jī)程序最能體現(xiàn)專家系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，它能夠用人類專家的水平完成某一專業(yè)領(lǐng)域中最困 難的任務(wù)。在分析設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師的任務(wù)就是使計(jì)算機(jī)盡可能模擬人類專家運(yùn)用他們 所知道的知識和經(jīng)驗(yàn)來解決實(shí)際問題的方法、技巧和步驟。2.1專家系統(tǒng)的特點(diǎn)專家系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）啟發(fā)性專家系統(tǒng)能運(yùn)用專家的知識與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，對問題進(jìn)行判斷和決策。

16、（2）透明性專家系統(tǒng)能夠解釋推理過程和回答用戶提出的問題，用戶無需了解推理過程，就能從專家 系統(tǒng)獲得問題的結(jié)論，提高對專家系統(tǒng)的信賴感。如一個(gè)農(nóng)作物病蟲害專家診斷某種農(nóng)作物患 有青蟲，而且必須使用某種殺蟲劑治療，就像一位農(nóng)業(yè)專家對農(nóng)民詳細(xì)解釋農(nóng)作物病情，并給 予建議防治措施一樣。專家系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)這些問題的解釋對用戶也是透明的。（3）靈活性專家系統(tǒng)能夠不斷地獲取新的知識，修改原有的知識。不斷更新。因?yàn)檫@一特點(diǎn)，使得專 家系統(tǒng)具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。2.2.專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇什么結(jié)構(gòu)最為合適，要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和所要做的任務(wù)來確定。選擇恰當(dāng)與否的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，與專家系統(tǒng)的適用性和效率緊密相連。專家系統(tǒng)

17、的基本結(jié)構(gòu)8包括知識庫、推理機(jī)、全局?jǐn)?shù) 據(jù)庫、人機(jī)接口、解釋器這五個(gè)部分（如圖2-1）。它們的功能如下：圖2-1專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）知識庫知識庫是用來存儲領(lǐng)域?qū)＜业闹R。要建立知識庫之前，要先從專家那里獲取知識和知識 用計(jì)算機(jī)能理解的形式表示。（2）推理機(jī)從知識庫中選擇匹配的規(guī)則，來對問題進(jìn)行推理、分析和求解。（3）全局?jǐn)?shù)據(jù)庫全局?jǐn)?shù)據(jù)庫（Global Database）用于存儲問題求解的信息，推理過程和求解結(jié)果的數(shù)據(jù)。（4）人機(jī)接口人機(jī)接口（Interface）是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行對話的界面。用戶通過人機(jī)接口輸入數(shù)據(jù)、提出問 題和得到推理結(jié)果及系統(tǒng)給出解釋。系統(tǒng)通過人機(jī)接口來規(guī)定用戶要回答系統(tǒng)提出

18、的問題。（5）解釋器解釋器用于對求解過程進(jìn)行解釋，做到讓用戶相信對問題的求解是正確的。2.3知識庫構(gòu)建知識庫的構(gòu)建是專家系統(tǒng)的核心問題之一，所謂“知識庫”包括兩個(gè)方面的問題，一是從 什么地方獲取知識，二是用什么方法來組織、表示知識。知識庫主要用來存儲專家的知識，知 識庫中的知識為推理機(jī)提供問題求解的知識。知識獲取知識獲取是一個(gè)與領(lǐng)域?qū)＜摇⒅R工程師以及專家系統(tǒng)自身都密切相關(guān)的復(fù)雜問題，由于 各方面的原因，至今仍然是一件相當(dāng)困難的工作，被公認(rèn)是專家系統(tǒng)建造中的一個(gè)“瓶頸”問 題9。知識獲取是指將從專家和資料中那里獲得的知識，按照合適的知識表示方法將它們存入知 識庫中。知識獲取的目的是為專家系統(tǒng)獲

19、取知識，建立健全、完善、有效的知識庫，做到可以 對知識庫進(jìn)行更行與修改，維護(hù)知識庫的完善。知識的獲取有兩類：被動式或主動式。被動式 知識獲取是工程師用知識編輯器，把收集到的知識整理好，以正確的形式交給知識處理系統(tǒng)。 由于專家掌握的知識和能存儲于計(jì)算機(jī)的知識形式之間存在很大的差異，所以工程師與專家要 多次交換意見、密碼配合才能做到使知識庫正確的表達(dá)專家知識。主動式知識獲取是知識處理 系統(tǒng)根據(jù)專家自己的知識和經(jīng)驗(yàn)，用歸納工具直接自動獲取或產(chǎn)生知識，再存入知識庫。這種 方法要求專家按照對話界面的要求輸入知識。知識獲取需要完成的工作如圖2-2所示：N 把知識有一卻表示 形式轉(zhuǎn)換為另一種 表示形:式?把

20、裝含于知眼源 領(lǐng)憤專家、書 本、相關(guān)論文及 系統(tǒng)的運(yùn)苻實(shí)建 等3中的知汝經(jīng) 過識別W理解N 把知識有一卻表示 形式轉(zhuǎn)換為另一種 表示形:式?把裝含于知眼源 領(lǐng)憤專家、書 本、相關(guān)論文及 系統(tǒng)的運(yùn)苻實(shí)建 等3中的知汝經(jīng) 過識別W理解 篩迭、歸納割由 取出未，以用于 建立知識庫。知識庫的建京是通 過附知識進(jìn)行抽 取;、轉(zhuǎn)換？輸決等 環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，任何 環(huán)節(jié)的失誤都可能 會茴成知蟲悟誤， 因此需要對知識庫 中知識進(jìn)行檢刪， 盡早發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò) 謖把用適當(dāng)?shù)闹R裹 示的知識經(jīng)過編 輯/編譯諼月拓識 庫的過程a知識藐取結(jié)束圖2-2知識獲取工作圖2.32知識表示合適的知識表示方法能夠使問題更容易解決，是一個(gè)專

21、家系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。到現(xiàn)在比較經(jīng) 常使用的知識表示方法有：框架表示法、一階謂詞邏輯表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、產(chǎn)生式表示 法、面向?qū)ο蟊硎痉?。農(nóng)作物病蟲害診斷系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中最常見的，每一種農(nóng)作物病蟲 害都有它特定的病狀，而且多種病蟲害有共同的一條病狀，所以病蟲害與病狀之間形成了一個(gè) 復(fù)雜的網(wǎng)狀關(guān)系。本系統(tǒng)中將農(nóng)作物病蟲害的所有癥狀都進(jìn)行細(xì)化分類和歸納總結(jié)，形成知識 庫，存放入數(shù)據(jù)庫的表中。將知識存儲在數(shù)據(jù)庫中有利于知識庫后期的維護(hù)，可以及時(shí)對規(guī)則 進(jìn)行增刪改查，使系統(tǒng)擁有完善、準(zhǔn)確的知識庫。知識存入數(shù)據(jù)庫的流程圖如2-3所示：圖2-3存儲知識流程圖結(jié)合農(nóng)作物病蟲害的癥狀特點(diǎn)，采用目前比較常使用

22、的產(chǎn)生式規(guī)則表示法。產(chǎn)生式規(guī)則表 示法通常用于表示具有因果關(guān)系的知識，它的基本形似是10：IF條件1，條件2，條件NTHEN表達(dá)式其中條件1，條件2,，條件N是產(chǎn)生式的前提條件，用于指出該產(chǎn)生式是否為可用 的條件； 表達(dá)式是產(chǎn)生式的后件，是一組結(jié)論獲操作。用于指出當(dāng)條件滿足時(shí)，可用得出的 結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。多個(gè)產(chǎn)生式在一起，可以互相利用，這個(gè)產(chǎn)生式的結(jié)論可以作為另一個(gè)產(chǎn)生式的條件使 用。產(chǎn)生式由規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫和推理機(jī)組成。將收集到的知識整理成一條條有前提條件和 結(jié)論的規(guī)則，存入綜合數(shù)據(jù)庫中，推理機(jī)對事實(shí)與結(jié)論進(jìn)行匹配推理。產(chǎn)生式表示法主要有以 下優(yōu)點(diǎn)11：自然性產(chǎn)生式表示法用“ifth

23、en”的形式表示知識，這是人們常用的一種表達(dá)事 物英國關(guān)系的知識表示形式，它可以直觀、自然、方便地進(jìn)行推理。這就是在人工智能系統(tǒng)中 常用產(chǎn)生式表示法來表示知識的原因。模塊性產(chǎn)生式是規(guī)則庫中最基本的部分，規(guī)則庫與推理機(jī)分開，而且每條規(guī)則都有一樣的表示形 式，這就方便用于增、刪、改、查，為規(guī)則庫模塊化處理帶來方便。有效性產(chǎn)生式可以把從專家那里收集到的知識用相同的知識表示方法有效地表示。清晰性本系統(tǒng)的產(chǎn)生式的規(guī)則中的事實(shí)與事實(shí)、事實(shí)與結(jié)論間都用逗號隔開，結(jié)論統(tǒng)一放在最后 面，這可以清晰的表示規(guī)則，還可以保證規(guī)則的正確性。規(guī)則示例例如，在農(nóng)作物病蟲害診斷系統(tǒng)中有這樣一些規(guī)則：If先部分葉黃化后萎蔫Th

24、en軟腐病If通光體無毛，葉表面蠟質(zhì)層，老熟幼蟲化成蛹Then美洲斑潛蠅If白色粉狀霉斑，葉片焦枯變脆Then白粉病If葉黃化萎蔫，根部軟化腐爛，外臭溢汁液Then軟腐病If病株矮化，葉脈現(xiàn)黃斑，提早干枯死亡Then黃化病If斑駁花葉或嚴(yán)重皺縮花葉，植株斑駁或矮化Then花葉病毒病If貯藏時(shí)呈水漬狀或灰色霉?fàn)钗?，逐漸爛腐Then胡蘿卜灰霉病If肉質(zhì)根縱向開裂Then胡蘿卜裂根If根頸部長出白色菌絲，灰白色至黃褐色小菌核Then胡蘿卜白絹病If根系產(chǎn)生褐斑，后期整個(gè)肉質(zhì)根腐爛，病株萎蔫Then胡蘿卜根腐這些規(guī)則then前面部分表示前提條件，then后面部分表示結(jié)論，當(dāng)前提條件都滿足時(shí)，才 可以推

25、出結(jié)論。規(guī)則中的每個(gè)事實(shí)用逗號隔開存入數(shù)據(jù)庫中，在推理前，先創(chuàng)建事實(shí)庫，從數(shù) 據(jù)庫獲取規(guī)則，并初始化原始規(guī)則。原始規(guī)則中前提和結(jié)論結(jié)合在一起，這就得初始化規(guī)則 庫，使每個(gè)用逗號隔開的事實(shí)用字符串?dāng)?shù)組的集合表示。這時(shí)就該對規(guī)則庫中事實(shí)進(jìn)行初始化 字典，去除重復(fù)值，并對輸入的事實(shí)進(jìn)行檢查，如果新輸入的事實(shí)在字典中有存在，則合法寫 入事實(shí)庫中，不存在則去除該事實(shí)。處理事實(shí)流程圖如下所示：( 根據(jù)原始規(guī)則將拓個(gè)事實(shí)用逗號隔開，朋抬( 根據(jù)原始規(guī)則將拓個(gè)事實(shí)用逗號隔開，朋抬化規(guī)則庇 將規(guī)則感里面的事實(shí)取.出重復(fù)值后存入字典口)削理事實(shí)命原始規(guī)貝峰、職則、字曲 )(從數(shù)據(jù)庫讀取耘則、*初始化原始規(guī)則 )J

26、基、扣人事實(shí)吉:圖2-4事實(shí)處理流程圖2.4推理機(jī)的設(shè)計(jì)推理機(jī)是專家系統(tǒng)的推理執(zhí)行部件，它也是專家系統(tǒng)的核心部件之一，推理機(jī)制的優(yōu)越程 度關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。推理機(jī)工作的原理是根據(jù)用戶輸入的事實(shí)，從數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)數(shù) 據(jù)源，按一定的推理方法和控制策略進(jìn)行推理，最后將結(jié)果返回用戶，推理機(jī)的工作原理如圖 2-5所示。圖中的動態(tài)數(shù)據(jù)庫是存儲用戶輸入的事實(shí)，讓推理機(jī)用輸入的事實(shí)和知識庫中的規(guī)則 條件進(jìn)行匹配，從而得出結(jié)論；規(guī)則庫是存儲從專家領(lǐng)域那里得出的知識，經(jīng)過整理的規(guī)則； 推理控制機(jī)是推理機(jī)的核心部分，主要職責(zé)是將動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)與規(guī)則庫中的規(guī)則進(jìn)行匹 配以得出結(jié)論。動態(tài)數(shù)據(jù)庫X里控寧機(jī)制-e

27、 規(guī)貝胰）（推*論）圖2-5推理機(jī)工作原理示意圖系統(tǒng)的推理機(jī)模型有正向推理、反向推理和雙向推理三種典型策略。正向推理是從已知的 事實(shí)開始，在知識庫中找到匹配的事實(shí)，構(gòu)成事實(shí)庫，再按照某種策略從事實(shí)庫中選取事實(shí)進(jìn) 行推理，并將新事實(shí)假如到事實(shí)庫中，作為下一步推理的已知事實(shí)，然后從知識庫中選出有效 的事實(shí)進(jìn)行推理，反復(fù)進(jìn)行這些過程，直至得到所要的知識。反向推理也叫目標(biāo)驅(qū)動，是本系 統(tǒng)采用的推理策略。反向推理的基本思想是：首先選定一個(gè)假設(shè)目標(biāo)，然后尋找支持該假設(shè)的 證據(jù)，若所需的證據(jù)都能找到，則說明原假設(shè)是成立的；若無論如何都找不到所需要的證據(jù)， 則說明原假設(shè)不成立，此時(shí)需要另外選定新的假設(shè)12反向

28、推理流程如下圖2-6所示。雙向推 理就是正、反向推理的混合使用。段設(shè)目標(biāo)猝Ji該目標(biāo)為證徇間用戶從事實(shí)岸中選出一條事實(shí)，并將段設(shè)目標(biāo)猝Ji該目標(biāo)為證徇間用戶從事實(shí)岸中選出一條事實(shí)，并將諉等實(shí)的運(yùn)用條件作為新的偏設(shè)目標(biāo)提出（在間識庫中錢出府有能導(dǎo)出該目標(biāo)韻事實(shí)，形成事實(shí)庠 ）嘵目凜立，成明遇出犒理圖2-6反向推理流程圖推理機(jī)的算法設(shè)計(jì)推理機(jī)制的主要部分就是推理方法13本系統(tǒng)所用的反向推理，反向推理是正向推理的逆 過程，本系統(tǒng)推理的基本實(shí)現(xiàn)是：首先假設(shè)結(jié)論為某一種病蟲害的結(jié)論為推理網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)頂 層節(jié)點(diǎn)，放入假設(shè)堆棧，然后從規(guī)則庫中找出其結(jié)論部分能與假設(shè)相匹配的所有規(guī)則，得出一 個(gè)可用事實(shí)庫，從可

29、用事實(shí)其中選取一條事實(shí)驗(yàn)證其前提部分。如果這條規(guī)則中的所有前提條 件都和用戶輸入的事實(shí)匹配，則這條事實(shí)推理成功，在界面上輸出結(jié)論；如果這條規(guī)則中的某 個(gè)前提條件和用戶輸入的事實(shí)不符，則該推理不成功，繼續(xù)執(zhí)行下一條推理。在本系統(tǒng)中的推 理過程如圖2-4、2-5所示，其中i為待推理事實(shí)中的字段序號，j為知識庫中的規(guī)則序號，I為 待推理事實(shí)中的記錄總數(shù)，J為規(guī)則庫中的規(guī)則總數(shù)。從知識陣中欺出第條規(guī)則的結(jié)論部分）圖2- 理過程圖個(gè)推理過程就像一個(gè)遞歸搜索過程，在知識庫中已經(jīng)有了較為嚴(yán)格規(guī)定的規(guī)則，所 以推理時(shí)只需查找到推理的事實(shí)與結(jié)論部分相符合的規(guī)則，就可以成功推理。3、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析3.1需求分析

30、需求分析是系統(tǒng)開發(fā)過程的第一步，需求分析的優(yōu)劣會影響到系統(tǒng)開發(fā)的效率，所以越詳 細(xì)的需求工作越好14需求分析一般包括了解本系統(tǒng)開發(fā)的背景，在信息收集的基礎(chǔ)上確定系 統(tǒng)開發(fā)的可行性，進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)查和分析，了解工作流程和用戶的功能需求，確定系統(tǒng)開發(fā)的總 體方案，明確目標(biāo)系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)和系統(tǒng)開發(fā)的總體思路及開發(fā)所需的時(shí)間等。農(nóng)作物病蟲害診斷系統(tǒng)重點(diǎn)是開發(fā)專門的應(yīng)用系統(tǒng)，提高辦公自動化程度；開發(fā)農(nóng)作物病 蟲害診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)病蟲害診斷電子化管理，促進(jìn)病蟲害信息收集整理的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和系 統(tǒng)化；構(gòu)建農(nóng)作物病蟲害診斷系統(tǒng)，滿足廣大農(nóng)民的需求，形成病蟲害診斷現(xiàn)代化信息系統(tǒng)。用戶需求分析本系統(tǒng)適用于各類人員，

31、如農(nóng)民、農(nóng)業(yè)專家等。不用的用戶對系統(tǒng)的需求有所不同。農(nóng)民本系統(tǒng)的直接受益方，農(nóng)民主要是種植農(nóng)作物，擁有豐富的種植經(jīng)驗(yàn)，但有些農(nóng)民十分缺 乏對于病蟲害的診斷和防治。因此他們需要有一個(gè)容易操作的人機(jī)界面系統(tǒng)來診斷農(nóng)作物病蟲 害，并得到相應(yīng)的防治信息。如用例圖所示：圖3-1農(nóng)民用例農(nóng)業(yè)專家本系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)知識大部分都來自農(nóng)業(yè)專家提供的，他們擁有豐富的農(nóng)作物病蟲害診斷經(jīng) 驗(yàn)，他們對系統(tǒng)的構(gòu)建起到監(jiān)督作用，因此他們需要構(gòu)建出來的系統(tǒng)是一個(gè)具有完善、準(zhǔn)確的 系統(tǒng)來診斷農(nóng)作物病蟲害。圖3-2農(nóng)業(yè)專家用例初步設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)能夠準(zhǔn)確診斷農(nóng)作物病蟲害及提供相應(yīng)防治方法的專家系統(tǒng)，使用 戶能夠及時(shí)的通過專

32、家系統(tǒng)的人機(jī)界面診斷農(nóng)作物病蟲害，并做治療處理。本系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、 完整的農(nóng)作物信息，管理員登錄到系統(tǒng)后臺，在可用的時(shí)間內(nèi)可以對農(nóng)作物信息進(jìn)行增刪改 查。以統(tǒng)一規(guī)劃、分布實(shí)施的思想為指導(dǎo)，遵循的設(shè)計(jì)原則有：系統(tǒng)性原則、信息集成原則、 信息通用原則、面向業(yè)務(wù)原則、開放性原則、安全性原則、可伸縮性原則、高可靠性原則、易 操作性原則、體系結(jié)構(gòu)延展性原則。3.2系統(tǒng)功能需求分析3.2.1系統(tǒng)功能層次模塊圖圖：3-4系統(tǒng)功能模塊圖系統(tǒng)功能需求分析本系統(tǒng)主要分為六大功能模塊：農(nóng)作物信息管理、病害信息管理、蟲害信息管理、病蟲害 診斷、在線留言、知識庫管理。農(nóng)作物信息管理：主要是完成農(nóng)作物基本信息的一些操作，包

33、括對農(nóng)作物信息的增加、修 改以及查詢功能。圖3-5農(nóng)作物信息管理需求圖病害信息管理：根據(jù)不同農(nóng)作物對應(yīng)的病害信息進(jìn)行添加、修改、刪除和查詢。圖3-6病害信息管理需求圖蟲害信息管理：與不同農(nóng)作物對應(yīng)的蟲體的形狀、為害特點(diǎn)進(jìn)行蟲害信息的添加、修改、 刪除和查詢。圖3-7蟲害信息管理需求圖病蟲害診斷：主要是通過輸入的事實(shí)，完成病蟲害的診斷。讀取用戶輸入的事實(shí)痛蟲害修斷診斷成山則返回病蟲害信忌頁面圖3-8病蟲害診斷需求圖（1） 在線留言：訪問者可以在線留言，管理者進(jìn)入后臺，可以恢復(fù)留言、 刪除留言。在線留言訪同者可以.在線留言管理者可以刪除留言在線留言訪同者可以.在線留言管理者可以刪除留言管理者可以回

34、復(fù)留言圖3-9在線留言需求圖知識庫管理：主要功能是對規(guī)則進(jìn)行增加、修改、刪除。圖3-10知識庫管理需求圖3.3系統(tǒng)性能需求分析3.3.1靈活性系統(tǒng)應(yīng)具有較靈活的更新操作，對操作后數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容進(jìn)行有選擇地添加、修改和刪除， 必要時(shí)對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的部分信息進(jìn)行初始化。3.3.1時(shí)間特性要求說明對于該系統(tǒng)的時(shí)間特性要求，如下：響應(yīng)時(shí)間：視網(wǎng)絡(luò)情況，等待時(shí)間不超過5秒；更新處理時(shí)間：不超過10秒；數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳送時(shí)間：不超過5秒。4、數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)是指在需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出各個(gè)表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括各個(gè)表保存 的信息、各個(gè)表的結(jié)構(gòu)以及各個(gè)表之間的關(guān)系15。4.1數(shù)據(jù)庫E-R圖圖4-1為數(shù)

35、據(jù)庫E-R圖，圖中給出了農(nóng)作物、農(nóng)作物病害、農(nóng)作物蟲害、規(guī)則等表的E-R 圖，也根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的需要，定義這些表所包含的信息。其中農(nóng)作物病害、農(nóng)作物蟲害、規(guī)則 表都有一個(gè)統(tǒng)一的外鍵“農(nóng)作物編號”。一種農(nóng)作物可以有多條規(guī)則，但是一條規(guī)則只能對應(yīng) 一種農(nóng)作物；一種農(nóng)作物會患多種病害，一種病害也可以對應(yīng)多種農(nóng)作物；一個(gè)農(nóng)作物會患有 多種蟲害，一種蟲害也可以在多種農(nóng)作物上生長。發(fā)病時(shí)w.發(fā)耕部位蟲至如我作物贏3小害*稱防治相施蟲5狀拼神圖名農(nóng)作物物舌l(xiāng).；i-dti取作物編i明治措施年善者稱山擊圖名房罟溫號為苻療點(diǎn)發(fā)病時(shí)w.發(fā)耕部位蟲至如我作物贏3小害*稱防治相施蟲5狀拼神圖名農(nóng)作物物舌l(xiāng).；i-dti

36、取作物編i明治措施年善者稱山擊圖名房罟溫號為苻療點(diǎn)農(nóng)柞物躺號農(nóng)丘物名稱農(nóng)作物端穿農(nóng)作物蟲害:農(nóng)作物疽-規(guī)則圖4-1數(shù)據(jù)庫E-R圖4.2數(shù)據(jù)表的詳細(xì)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式如下：農(nóng)作物信息表（農(nóng)作物編號、農(nóng)作物名稱、類別、描述、狀態(tài)、圖片名稱），主鍵：農(nóng)作 物編號；農(nóng)作物病害表（病害編號、病害名稱、農(nóng)作物編號、發(fā)病時(shí)期、發(fā)病部位、癥狀、發(fā)病原 因、防治措施、病害圖、狀態(tài)），主鍵：病害編號，外鍵：農(nóng)作物編號；留言表（編號、留言人名稱、留言時(shí)間、留言內(nèi)容、是否有回復(fù)、回復(fù)內(nèi)容）主鍵：編 號；鏈接表（編號、名稱、鏈接地址、logo圖標(biāo)），主鍵：編號；用戶信息表（編號、用戶名、密碼）主鍵：編號；農(nóng)作物

37、蟲害信息表（蟲害編號、蟲害名稱、農(nóng)作物編號、蟲體形狀、為害特點(diǎn)、生活習(xí) 性、防治措施、蟲害圖、狀態(tài)）主鍵：蟲害編號，外鍵：農(nóng)作物編號；病蟲害規(guī)則表（編號、農(nóng)作物編號、類別、規(guī)則、結(jié)論），主鍵：編號，外鍵：農(nóng)作物編 號。根據(jù)數(shù)據(jù)E-R圖和關(guān)系模式設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫表的詳細(xì)設(shè)計(jì)如下是 否主 鍵名稱字段 類型是 否為 空- 是 否唯一長 度默 認(rèn)值備注TrueCropIDvarcharTrueF alse20農(nóng)作物編號F alseCropNamevarcharF alseF alse20農(nóng)作物名稱F alseCategoryvarcharF alseF alse30類別F alseDescripti

38、onvarcharF alseF alse2000描述F alseStatevarcharF alseF alse50是否為可用F alseImagevarcharF alseF alse50圖片名稱表4-2 Disease （病害信息表）是 否主 鍵名稱字段 類型是 否為 空: 是 否唯一長 度默 認(rèn)值備注TrueDIDvarcharTrueF alse20病害編號F alseDiseaseNamevarcharF alseF alse20病害名F alseCropIDvarcharF alseF alse20農(nóng)作物編號F alseGetsickTimevarcharF alseF alse

39、50發(fā)病時(shí)期F alseGetsickPlacevarcharF alseF alse50發(fā)病部位F alseSymptomvarcharF alseF alse2000癥狀F alseGetsickReasonvarcharF alseF alse2000發(fā)病原因F alseCureMeasurevarcharF alseF alse2000防治措施F alseDiseaseimagevarcharF alseF alse50病害圖F alseStatevarcharF alseF alse10是否為可用表4-3 Lianjie （友情鏈接表）是 否主 鍵名稱字段 類型是 否為 空- 是 否

40、唯一長 度默 認(rèn)值備注TrueIDintTrueF alse1編號F alseMingchengvarcharF alseF alse50名稱F alseLianjievarcharF alseF alse100鏈接F alseLogovarcharF alseF alse50Logo 圖表4-4 Login （用戶表）是 否主鍵名稱字段類型是 否為 空是否唯一長度默 認(rèn)值備注TrueIDintTrueFalse1編號FalseUserNamevarcharalseFalse10用戶名FalseUserPasswordvarcharalseFalse10密碼表4-5 Pest （蟲害信息表）是

41、 否主 鍵名稱字段 類型是 否為 空: 是否唯一長 度默 認(rèn)值備注TruePIDvarcharTrueF alse20編號F alsePestNamevarcharF alseF alse50蟲害名F alseCropIDvarcharF alseF alse20農(nóng)作物編號F alseWormShapevarcharF alseF alse500蟲狀F alseInjuryCharactersvarcharF alseF alse2000為害特點(diǎn)F alseLifeHabitvarcharF alseF alse500生活習(xí)性F alseCureMeasurevarcharF alseF al

42、se2000防治措施F alsePestImagevarcharF alseF alse50蟲害圖名F alseStatevarcharF alseF alse10是否可用表4-6 Rules （規(guī)則表）是 否主 鍵名稱字段 類型是 否為 空- 是 否唯一長 度默 認(rèn)值備注TrueRIDintTrueF alse1編號F alseCropIDvarcharF alseF alse20農(nóng)作物編號F alseClassvarcharF alseF alse10類型F alseRulesvarcharF alseF alse2000規(guī)則F alseResultvarcharF alseF alse5

43、0結(jié)論表4-7 gestbook （留言本表）是 否主 鍵名稱字段 類型是 否為 空- 是 否唯一長 度默 認(rèn)值備注TrueIDintTrueF alse1編號F alseusernamevarcharF alseF alse50留言人名稱F alsePostTimevarcharF alseF alse50留言時(shí)間F alsemessagevarcharF alseF alse2000留言內(nèi)容F alseisrepliedvarcharF alseF alse50有無回復(fù)F alsereplyvarcharF alseF alse2000回復(fù)內(nèi)容4.3數(shù)據(jù)庫表關(guān)系圖本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表Crops是

44、關(guān)于農(nóng)作物的基本信息，Disease是病害信息表，Pest是蟲害信息 表，Rules是規(guī)則表，病害表、蟲害表、規(guī)則表的外鍵都是農(nóng)作物信息表的編號（CropID）。此 外還有用戶表（Login）、留言板表（gestbook）、友情鏈接表（Lianjie），它們都是獨(dú)立的，沒 有跟其他表有主外鍵關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)庫表的關(guān)系圖如下：+FK_Rules_CropsEuL4 =+FK_Dl g 已 as e_Crop sTKJrflps (vftr-sh&r)C!ml nffiTh：幃K BIB: varchsir GO)Dise4.5eJf- t： virchor (20)PK Cr opID: Mir ch

45、ar (201 GetzickTirit： vath.sr Oj 5ttsi ckTlace vm char 150) SynptDm： rarcb.ir IOOD) ckKeaEuii varchar CZOCO)CurM gn* 由：virchior 堂OBJ) Di兀*應(yīng)嘰吐足: r-sr char ljD.1 St 4.14: ETchttr (10 郊0+FK_Ch- opZD (vsi- chirj十FKJest_Cr ops (varchar)4PK_Pest lvarzLiar !Kfl*4FX_Cr opTD (tut cJiar)+IX_il e_Cr ops yarcho

46、r J+土初1“如)FLD: v ar ch ar (20)Ptsttfaiie： vardi&r (50)CropIB. virchar(20)Vrrukaiic： rar zlvsr (500.1Inj nryniMrict biteuirck-ar 如IDO)Lif eKabit： vorcliar C500)Cijt 渤 A-asurA: uiTck-atr 整ODQ)Pts tlnacE: vfti-char (50)St A.tfl varah&r(L0)flcrluwio.- FEcoLunr*PE MU Lnt - tFK CropIU： yor-zhELf (30) Class: vat char (105 Kul