基于融合證據(jù)理論的畜禽疾病診斷模型

胡繼寬，黃 煜，周榮瓊

（1.西南大學(xué)榮昌校區(qū)信息管理系，重慶 榮昌402460；2.西南大學(xué)榮昌校區(qū)動(dòng)物醫(yī)學(xué)系，重慶 榮昌402460）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的許多科研機(jī)構(gòu)在對(duì)畜禽疾病診斷領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)上，借助于計(jì)算機(jī)智能技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)了一些診斷專家系統(tǒng)，利用這些專家系統(tǒng)模仿人類專家對(duì)畜禽疾病進(jìn)行綜合防治和管理，從而使專家的經(jīng)驗(yàn)在形式上得到了推廣應(yīng)用，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

但是在專家系統(tǒng)的應(yīng)用推廣中，暴露出更多的問(wèn)題［1］：（1）專家知識(shí)欠準(zhǔn)確。不同的領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)同一個(gè)問(wèn)題的知識(shí)描述的準(zhǔn)確性和一致性欠統(tǒng)一。（2）推理機(jī)推理引擎欠佳，診斷流程和診斷算法決定了推理的準(zhǔn)確性，選用合適的推理算法，成為畜禽疾病診斷專家系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前，畜禽疾病專家系統(tǒng)的診斷主要是基于模型的診斷，對(duì)診斷推理模型的研究主要有邏輯判斷、概率與統(tǒng)計(jì)模型、模糊推理［2］、可信度方法［3］、粗集理論［4］、貝葉 斯 網(wǎng) 絡(luò)［5］、神 經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)［6］和 信任函數(shù)［7］等。邏輯判斷主要采用因果推理，是溯因診斷的基本方法，易于簡(jiǎn)單疾病診斷，概率與統(tǒng)計(jì)方法根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，依靠已有的數(shù)據(jù)，精確度不高，其他幾種方法具有好的推理能力和自學(xué)能力，能夠適應(yīng)復(fù)雜疾病的診斷，但誤診率還是較高。證據(jù)理論憑其能夠很好地表示“不確定性”、“未知”等信息，利用其組合規(guī)則，適用于多專家、多癥狀、復(fù)雜疾病和并發(fā)疾病的診斷，適宜于實(shí)際疾病的診斷。本文結(jié)合畜禽疾病診斷的領(lǐng)域特點(diǎn)，提出一種基于融合證據(jù)理論的畜禽疾病診斷推理模型，并利用C＃編程實(shí)現(xiàn)了該推理模型，通過(guò)試驗(yàn)評(píng)測(cè)，驗(yàn)證了其有效性。

1 證據(jù)理論及證據(jù)融合法則

證據(jù)理論首先由 Dempster［7］提出，并由Shafer［8］進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的一種不確定推理理論，簡(jiǎn)稱D－S理論。證據(jù)理論給定一個(gè)有限、互斥、窮舉的假設(shè)空間Θ，稱為識(shí)別框架（Frame of Discernment），該框架所有子集構(gòu)成的集合記為2Θ，每個(gè)子集用An表示。它定義了概率分配函數(shù)（MASS）、信任函數(shù)Bel（A）和似然函數(shù)Pl（A），m（A）是 MASS條件下的概率分配函數(shù)，表示對(duì)A的精確信任，Bel（A）表示對(duì)A的信任程度，Pl（A）表示不否定A的信任度，是對(duì)A似乎可能成立的不確定性度量。當(dāng)有兩個(gè)或多子集情況出現(xiàn)時(shí)，滿足融合法則：

2 基于證據(jù)理論的畜禽疾病診斷系統(tǒng)模型

2.1 基于證據(jù)理論的疾病診斷系統(tǒng)模型 畜禽疾病診斷是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由于不能像人一樣確定許多病情征兆，導(dǎo)致診斷錯(cuò)誤的概率較高。

在畜禽疾病診斷過(guò)程中，對(duì)于不能確定的疾病和并發(fā)疾病的診斷是根據(jù)所觀察的癥兆來(lái)進(jìn)行判斷的，依據(jù)融合證據(jù)理論，融合多種癥兆或多個(gè)專家意見(jiàn)進(jìn)行診斷，將能夠有效減少誤診率。本文根據(jù)融合證據(jù)理論，提出一種融合多征兆的疾病診斷模型，系統(tǒng)模型如圖1所示。將不同的癥兆特征輸入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)證據(jù)理論引擎進(jìn)行融合分析，給出疾病判斷的綜合信度，最后通過(guò)診斷決策給出診斷結(jié)果。

圖1 基于融合證據(jù)理論的動(dòng)物疾病診斷系統(tǒng)模型

2.2 基于證據(jù)理論的畜禽疾病診斷推理分析 設(shè)Θ是同一種動(dòng)物所有不同疾病集合，A是Θ的子集，表示其中一種疾病或多種疾病組合，現(xiàn)用M（i）表示第i條癥狀，m（i，j）表示癥狀Mi對(duì)疾病集合A的基本概率指派函數(shù)，Bel（A）表示判斷疾病A的信任度，Pl（A）表示疾病A似乎可能成立的不確定性度量。根據(jù)證據(jù)融合法則，其診斷推理過(guò)程步驟如下［9］：

（1）根據(jù)動(dòng)物疾病的集合，選取和建立相應(yīng)識(shí)別框架Θ，其中各疾病類型是獨(dú)立的。（2）首先收集患病動(dòng)物的疾病征兆，包括臨床表現(xiàn)和解剖情況。（3）根據(jù)疾病征兆分別指派信度函數(shù)m（i，j），即給出征兆所對(duì)應(yīng)的是某種或某些疾病組合的最大概率值。（4）利用證據(jù)組合法則，根據(jù)不同疾病集合的MASS函數(shù)值計(jì)算不同的Bel（A）和Pl（A）。從而獲得信度空間（Bel（A），Pl（A）），即得到疾病 A 的可信度范圍。Pl（A）－Bel（A）表示對(duì)疾病子集A的未知程度。當(dāng)Pl（A）＝Bel（A）時(shí)，表示對(duì)疾病子集A的完全確定。

2.3 疾病診斷決策 對(duì)最終疾病診斷的決策，采用基于規(guī)則的方法，采用的基本原則包括：（1）判定的疾病類型應(yīng)具有最大的信度函數(shù)分配值。（2）判定的疾病類型和其他疾病類型的信度函數(shù)分配值之差要大于某個(gè)門(mén)限。（3）不確定信度函數(shù)值必須小于某個(gè)門(mén)限。

在該模型中，其推理規(guī)則可表示為：If E Then A，CF。

其中，E為支持疾病H的征兆支持，CF為類概率函數(shù)，A為Θ的子集。

3 原型實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)分析

本文利用C＃編程實(shí)現(xiàn)該診斷推理引擎，通過(guò)仿真試驗(yàn)表明，該模型能夠有效解決畜禽疾病的診斷。下面通過(guò)程序仿真進(jìn)行分析。

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)畜禽疾病的特征分析，建立了一個(gè)癥狀對(duì)應(yīng)疾病集合的函數(shù)表，對(duì)假設(shè)用戶選擇了3條癥狀，根據(jù)基本概率指派MASS函數(shù)所確定的可信度和癥狀分配情況如表1所示。

按照D－S算法首先取出數(shù)據(jù)，進(jìn)行分組融合計(jì)算，在證據(jù)融合法則中分別對(duì)證據(jù)體進(jìn)行求交運(yùn)算，并逐步求得證據(jù)體的基本可信度分配，如圖2所示，M1 M3病應(yīng)該是d1、d2和d3集合，是一種不易診斷的復(fù)合型疾病。

表1 癥狀基本概率指派函數(shù)

圖2 基于融合證據(jù)理論的診斷結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

基于融合證據(jù)理論的畜禽疾病診斷推理模型，利用證據(jù)融合法則，既能實(shí)現(xiàn)確定性疾病的診斷，又能處理復(fù)雜疾病和并發(fā)疾病的診斷，同時(shí)能保證疾病診斷的準(zhǔn)確性，通過(guò)對(duì)155例實(shí)際病例進(jìn)行仿真診斷，其準(zhǔn)確率達(dá)到96.129%，所以，融合證據(jù)理論更符合實(shí)際畜禽疾病的診斷，作為畜禽疾病診斷專家系統(tǒng)的推理引擎，必將增強(qiáng)智能診斷系統(tǒng)功能。

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［6］陳強(qiáng)，吳平，鄭麗敏.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水牛疾病診斷系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（3）：1485－1488.

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［9］胡繼寬，黃煜，周榮瓊.基于融合證據(jù)理論的動(dòng)物疾病診斷模型的研究與實(shí)踐［J］.西南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，33（06）：161－164.