奶牛疾病診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計說明

1、奶牛疾病診斷專家系統(tǒng)（人工智能期中作業(yè)） 學(xué)號：2007117019 班級：07級計科二班 姓名： 陳 青 奶牛疾病診斷專家系統(tǒng)1.前言 專家系統(tǒng)是一個只能的計算機(jī)程序，它利用專家知識和經(jīng)驗解決領(lǐng)域難題。在過去的幾十年發(fā)展中，專家系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，特別是疾病診斷領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的研究與應(yīng)用更是呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的景象，動物疾病診斷專家系統(tǒng)也位于其列。本文就奶牛疾病診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)，對系統(tǒng)中的表示方法，知識庫的監(jiān)理方法，推理機(jī)的設(shè)計和實現(xiàn)以及推理過程作了全面的闡述和討論。2.正文一、專家系統(tǒng)的任務(wù)與目標(biāo) 1.奶牛疾病診斷知識的獲取 2.奶牛疾病診斷專家系統(tǒng)推理機(jī)的研制 3.奶牛疾病診斷專家

2、系統(tǒng)原型機(jī)實現(xiàn)用戶界面知識庫事實庫規(guī)則庫 解釋機(jī)推理機(jī)其他數(shù)據(jù)庫動態(tài)數(shù)據(jù)據(jù)庫多媒體數(shù)據(jù)庫防治措施庫知識庫編輯器專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)二、專家系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)一般包括以下6個部分：知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋部分、人機(jī)接口和知識獲取機(jī)。 (1)用戶界面 用戶界面是用戶同系統(tǒng)交流的通信機(jī)制。通過用戶界面，用戶選擇系 統(tǒng)提供的事實（問題的答案），回答系統(tǒng)提問，完成奶牛疾病診斷；查看相關(guān)資料和信息，進(jìn)行有關(guān)知識咨詢；系統(tǒng)為用戶提供相關(guān)信息，進(jìn)行有關(guān)知識咨詢；系統(tǒng)為用戶提供相關(guān)信息。 (2)解釋機(jī) 基于規(guī)則的系統(tǒng)的一個最大特色就是具有解釋功能，可以向用戶解釋系統(tǒng)為什么采用了一條規(guī)則，得出結(jié)論

3、的依據(jù)是什么以及為什么向用戶提問一定的問題等。 (3)推理機(jī) 推理機(jī)是系統(tǒng)根據(jù)用戶提供的信息進(jìn)行推理，最終得出結(jié)論的模塊。 (4)其他數(shù)據(jù)庫 該庫由3個主要數(shù)據(jù)庫組成。 動態(tài)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)在運行期間產(chǎn)生的一個臨時數(shù)據(jù)庫，用于存儲用戶提供的事實、系統(tǒng)激活的規(guī)則、系統(tǒng)產(chǎn)生的中間解以及系統(tǒng)中斷的推理過程等。 多媒體數(shù)據(jù)庫是為適應(yīng)信息及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用而添加于專家系統(tǒng)中的輔助診斷信息庫，它提供了與奶牛疾病診斷和治療有關(guān)的圖片、聲音、影像和動畫等資料。 防治措施庫是存放防治措施和其他有關(guān)奶牛疾病相關(guān)的文字內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫。 (5)知識庫 該系統(tǒng)中采用了將事實庫作為知識庫的一部分的構(gòu)造方法，因為奶牛疾

4、病診斷知識的特殊性，把事實庫中的事實作為界面上位用戶提供的供選答案，因此，實時庫中的所有事實都會在規(guī)則庫中有完全匹配的規(guī)則，其實際作用相當(dāng)與規(guī)則的前件。規(guī)則庫是存放規(guī)則的所在。 (6)知識編輯器 該系統(tǒng)采用了基于數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)構(gòu)建模式，系統(tǒng)中的知識庫和所有數(shù)據(jù)庫都是完全獨立于系統(tǒng)的其他模塊之外，知識編輯器是一個實施知識庫的修改、刪除、增加、檢驗的模塊。1. 知識的獲取與知識庫的建立 (1)奶牛疾病診斷知識的結(jié)構(gòu) 對奶牛疾病診斷知識進(jìn)行分析，并且完成對知識結(jié)構(gòu)的劃分，設(shè)計推理策略和建立知識庫的前提條件。根據(jù)奶牛疾病診斷知識的特點，從3個方面對知識進(jìn)行了從層次結(jié)構(gòu)上的詳盡描述。 以疾病為對象的分析

5、利用面向?qū)ο蟮乃枷?，把對精兵的診斷知識進(jìn)行面向?qū)ο蟮谋硎尽＠纾杭膊?“炭疽”；表現(xiàn)型數(shù)量=3；表現(xiàn)型=最急性炭疽；急性炭疽；亞急性炭疽；表現(xiàn)性名稱=急性炭疽；一般信息=“急性炭疽一般信息”；發(fā)病年齡=“犢牛成牛均發(fā)”；發(fā)病季節(jié)=“夏秋季多發(fā)”；飼喂方式=“放牧”；放牧環(huán)境=“潮濕低洼地”；癥狀=“急性炭疽癥狀”體溫=“升高”；精神=“興奮不安、嚎叫或沉郁”；呼吸=“呼吸促迫”；可視粘膜變化=“發(fā)紺”；食欲=“減退或停止”；bitmap1=“尸體外觀.jpg”；bitmap2=“脾臟變化.jpg”；通過對疾病的這種面向?qū)ο蠓治?，為我們提供了奶牛疾病診斷中的診斷流程。首先進(jìn)行患病奶牛的一般信息和

6、癥狀的值的獲取，然后根據(jù)這些信息在知識庫中搜索符合條件的疾病或表現(xiàn)型。 以患病動物年齡為條件對知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分 不同年齡奶牛所患的疾病的類型以及疾病的表現(xiàn)不同。根據(jù)年齡的不同，對各年齡段的奶牛疾病的依據(jù)其發(fā)生頻率的不同進(jìn)行排序，可以解決在搜索工程中的沖突消解問題，系統(tǒng)首先對常發(fā)病進(jìn)行匹配，其次為次常發(fā)病，最后為罕見病。奶牛年齡的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：0-7日齡為新生犢牛：8-180日齡為一般犢牛；大于180日齡為成牛。 根據(jù)癥狀進(jìn)行分類 一般情況下動物疾病診斷的獲取信息有兩個方面，一是動物的一般信息；另一個是癥狀。通過對奶牛疾病的癥狀進(jìn)行全面考察和分析后，對所有癥狀進(jìn)行了分類，從而形成了層次關(guān)系。癥狀分

7、類結(jié)構(gòu)示意如圖：一級癥狀二級癥狀癥狀 拍黑色稀便，惡臭排血便，帶黏液和偽膜排水樣便排瓦灰色粥樣便排算盤珠樣干便排便停止排糞異常食欲異常排尿異常眼睛癥狀皮被異常運動異常成牛癥狀 (2)知識庫和數(shù)據(jù)庫的建立事實庫這里所說的事實庫包括了兩個方面的內(nèi)容：癥狀庫和結(jié)論庫（疾病）。由于我們?yōu)橛脩籼峁┻x擇事實，所以用戶的輸入是提供的事實庫的一部分內(nèi)容，把存貯著部分內(nèi)容的庫叫事實庫。 對于癥狀事實庫，根據(jù)上面對癥狀的分類，由兩個庫組成，一個是一級癥狀庫（癥狀組庫）；另一個是二級癥狀庫（規(guī)則的前提事實）。在進(jìn)行庫結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于兩個庫之間存在著一定的相互作用關(guān)系，所以用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，對每一個一級和二級癥狀

8、都驚醒統(tǒng)一的編號，用油一定意義的符號代替原始的文字，通過庫這件共同的標(biāo)識（id）來關(guān)聯(lián)庫內(nèi)容之間的關(guān)系。 結(jié)論庫主要存放系統(tǒng)中所有疾病的名稱，也就是系統(tǒng)的結(jié)論部分。在庫結(jié)構(gòu)設(shè)計中同樣采用了用一定的字符（id）代替疾病名的做法，因為根據(jù)前面提到的根據(jù)年齡和疾病性質(zhì)的分類，每一個疾病都有其唯一的id和分組情況，這樣就形成了它們在表示上既獨立又相互聯(lián)系的狀況。規(guī)則庫 規(guī)則庫中存儲的是用于疾病診斷的專家知識，這種知識以if<前提>then<結(jié)論>cf形式表示。在奶牛疾病診斷專家診治系統(tǒng)中，前提主要指癥狀，結(jié)論主要是疾病，cf是有前提所描述的癥狀時疾病發(fā)生的概率。在對知識庫的描述

9、中，提到的每個疾病的所有癥狀對應(yīng)的cf值之和為100。我們對奶牛疾病診斷中采用了兩種推理方式，一種是混合推理，即首先進(jìn)行正向推理，然后進(jìn)行反向推理；另一種是反向推理。針對兩種不同的推理方法建立了兩個不同的規(guī)則庫，第一個以一般癥狀為主，主要針對活著的患病奶牛的疾病診斷設(shè)計的；第二個以剖檢癥狀和病理變化為主，主要針對已經(jīng)死亡的奶牛，同時作為對第一種推理方法的重要補充。兩個規(guī)則庫的結(jié)構(gòu)完全一樣。 防治措施數(shù)據(jù)庫 防治措施是專家系統(tǒng)的重要組成部分，但是它又是獨立于推理過程的。如果將放置措施內(nèi)嵌于知識庫中，勢必會影響系統(tǒng)的執(zhí)行效率。該系統(tǒng)把防治措施作為獨立的一個庫岑在的設(shè)計方式，每一個疾?。ɑ虮憩F(xiàn)型）的

10、方式措施作為數(shù)據(jù)庫中的一條記錄存在，這樣，當(dāng)系統(tǒng)能夠診斷出一種疾病的時候，就可以通過查詢防止措施庫中以疾病名作為主鍵的一條記錄，從而通過界面顯示出疾病的防治措施。除了在防治措施庫中提供疾病的防治措施外，還將對疾病的概述、癥狀。診斷等相關(guān)知識作為系統(tǒng)的附屬內(nèi)容提供。通過這種方式，實現(xiàn)了一庫多用和一個系統(tǒng)多用的功能。圖片庫 圖片在診斷中有它不可替代的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)在：1)直觀、生動。2）界面友好。3)輔助學(xué)習(xí)，通過圖片，一方面可以是用戶明白圖片所顯示的癥狀或表現(xiàn)在其他媒介上是符合描述的，兩一方面也可以通過圖片的文字描述部分學(xué)習(xí)對疾病癥狀的理解和認(rèn)識，從而達(dá)到在實際的疾病診斷過程中用準(zhǔn)確的文字來描述

11、癥狀和人是動物所表現(xiàn)的癥狀是什么。多媒體材料庫多媒體技術(shù)是隨著信息技術(shù)的而發(fā)展而蓬勃發(fā)展的一些信息存貯、表示和應(yīng)用技術(shù)的總稱。在動物疾病診斷和防治過程中，可以通過一段錄像演示動物患病以后全方位的信息。通過系統(tǒng)中以多媒體形式演示的疾病診治過程可以使用戶學(xué)會正確恰當(dāng)?shù)募膊≈委熀皖A(yù)防技術(shù)。有了多媒體演示功能的專家系統(tǒng)在對專家知識的傳播上有著十分重要的作用。動態(tài)數(shù)據(jù)庫 動態(tài)數(shù)據(jù)庫在現(xiàn)代專家系統(tǒng)中起著“黑板”的作用。在系統(tǒng)的推理過程中，需要對已輸入的事實，對系統(tǒng)推斷和激活的規(guī)則有一個紀(jì)錄，通過這些紀(jì)錄，在規(guī)則匹配中決定規(guī)則的取舍和修剪不可能的搜索分支，其沖突消解和規(guī)則激活和匹配的作用，另外，還可以通過追

12、蹤動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的紀(jì)錄來向用戶結(jié)束系統(tǒng)做出判定的原因。該系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫是一個動態(tài)生成和刪除的庫，在每一次診斷的開始，喜用自動生成動態(tài)數(shù)據(jù)庫，在每一診斷結(jié)束，系統(tǒng)自動刪除動態(tài)數(shù)據(jù)庫。在疾病診斷的過程中，用戶的每一次輸入實際上也激活了一定的規(guī)則，規(guī)則的前件是用戶輸入的事實，規(guī)則的后件是系統(tǒng)激活的疾病，規(guī)則本身則是系統(tǒng)在推理過程中激活的規(guī)則。2. 推理機(jī)設(shè)計 奶牛疾病診斷專家系統(tǒng)的推理機(jī)的設(shè)計。上面提出有兩種推理方法，混合推理和反向推理。因此，在該系統(tǒng)中有兩套推理策略。 (1)混合推理 該系統(tǒng)中的混合推理方式。首先，專家通過對疾病診斷的一般信息的獲取和動物患病后所表現(xiàn)出的主要癥狀的觀察，形成一個假設(shè)

13、結(jié)論，然后通過進(jìn)一步的信息獲取來驗證他已經(jīng)形成的假設(shè)結(jié)論，采取這樣的而混合推理策略的決策還處于對奶牛疾病診斷本身特殊性的考慮，我們只能針對你奶牛所表現(xiàn)的癥狀或很少的實驗室化驗結(jié)果去診斷疾病，這樣在混合推理中所用到的事實基本上是活體奶牛所表現(xiàn)的癥狀，運用混合推理作為主要的推理策略可以滿足在動物存活的狀態(tài)上，癥狀表現(xiàn)是一個動態(tài)的變化過程和沒有剖檢癥狀和病理變化時對疾病診斷的要求。 (2)反向推理 該系統(tǒng)中采用反向推理為推理策略之一是出于以下考慮： 1）作為對正向推理的重要補充。把知識庫分開采用不同的推理策略，混合推理主要針對活體奶牛，反向推理主要針對死亡奶牛，所用到額專斷癥狀主要是剖檢癥狀和病理變

14、化。 2）驗證正想推理的結(jié)果。為確保專家系統(tǒng)診斷結(jié)果的正確性，通過兩套推理方法共同完成疾病診斷 3）輔助學(xué)習(xí)。有些用戶可能在長期的臨床實踐中已經(jīng)積累了一定的疾病診斷經(jīng)驗，他可以運用反向推理來決定自己得出的結(jié)論是否正確，反向推理可以滿足具有一定診斷疾病經(jīng)驗的而用戶在實踐中的需求。 (3)推理機(jī)的實現(xiàn) 1）混合推理 將規(guī)則庫中的active字段的值置為0 生成動態(tài)數(shù)據(jù)庫 提問用戶輸入信息 進(jìn)行規(guī)則匹配和cf值運算 生成假定結(jié)論集 驗證假設(shè)結(jié)論 (7)是否可以得出假設(shè)結(jié)論？是轉(zhuǎn)，否轉(zhuǎn) 結(jié)論 2）反向推理 將規(guī)則庫中的active字段的值置為0 生成動態(tài)數(shù)據(jù)庫 獲取事實目標(biāo) 驗證目標(biāo)事實庫 進(jìn)行目標(biāo)和

15、結(jié)論的匹配 匹配事實庫中的前提 (7)是否可以得出假設(shè)結(jié)論？是轉(zhuǎn)，否轉(zhuǎn) 結(jié)論 將以上兩種策略用圖示表示如下：假設(shè)結(jié)論用戶信息 用戶信息正向推理假設(shè)結(jié)論是反向推理結(jié)論？結(jié)論？ 否 是 否 結(jié)論結(jié)論 采用混合推理策略 采用反向推理策略3. 推理機(jī)制 (1)混合推理的推理機(jī)制 疾病表現(xiàn)的描述 疾病診斷 尋找假設(shè)結(jié)論 假設(shè)結(jié)論的驗證 結(jié)論的得出診斷失敗疾病描述 圖示如下：用戶輸入信息不足結(jié)論疾病診斷不能確診假設(shè)結(jié)論疑診結(jié)論無決定假設(shè)結(jié)論假設(shè)結(jié)論待診結(jié)論 接受以假設(shè)結(jié)論為目標(biāo)，掃描規(guī)則庫，提問規(guī)則庫中沒有被激活的規(guī)則的前提時候可以成為事實 或放 棄假 設(shè)結(jié)提問 論確診結(jié)論有事實輸入驗證假設(shè)結(jié)論驗證結(jié)論疑診結(jié)論待診結(jié)論 混合推理的推理機(jī)制 (2)反向推理的推理機(jī)制 確定假設(shè)結(jié)論