海參病害防治診斷專家系統(tǒng)的研究

張啟宇+劉峰+陳英義+呂冬偉+李永芹+李興佐

摘要：傳統(tǒng)的病害診斷專家系統(tǒng)重視病害診斷，忽視病害主動預(yù)防，無法解決其病害預(yù)防問題，針對這一問題，研究了海參病害防治診斷專家系統(tǒng)，提出了病害信息推薦模型和病害診斷模型。其中，病害信息推薦模型根據(jù)病害的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)病害信息的主動推送，從而有效預(yù)防病害。病害診斷模型采用產(chǎn)生式規(guī)則描述知識，采用正向推理診斷病害。該系統(tǒng)取得了較好的效果，可以滿足養(yǎng)殖用戶的需求，并對其他病害診斷專家系統(tǒng)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：海參；刺參；病害；信息推薦；診斷；專家系統(tǒng)

中圖分類號： S947.9；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0226-03

收稿日期：2016-04-20

基金項(xiàng)目：山東省科技發(fā)展計(jì)劃（編號：2013GNC11312）。

作者簡介：張啟宇（1978—），男，山東威海人，碩士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)方面的研究。E-mail：rcraingo@163.com。

通信作者：李興佐，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)文化與發(fā)展方面的研究。E-mail：lixingzuo@126.com。 海參綱是棘皮動物中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大的綱，為重要的海洋無脊椎動物[1]。海參種類較多，全世界約有900多種，約40種海參可供食用；我國約有140種海參，約20種海參可供食用[2]。北起渤海灣和遼東半島，南到南沙群島均有海參出產(chǎn)[1]，尤以黃海、渤海產(chǎn)的刺參最為名貴，其營養(yǎng)價(jià)值居海八珍之首，有“海參之王”的美稱[3]。此外，南方有梅花參、糙參（明玉參）、花刺參、玉足參和白石參等品種[4-6]。山東、遼寧2省大力發(fā)展刺參養(yǎng)殖業(yè)，短短幾年間使其一躍成為我國北方沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要新興產(chǎn)業(yè)之一，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[7]。隨著國內(nèi)刺參養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展、養(yǎng)殖面積的迅速擴(kuò)張以及集約化養(yǎng)殖方式下的不規(guī)范運(yùn)作，養(yǎng)殖過程中相繼出現(xiàn)了一系列病害問題，給刺參養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[8]。因此，研究和設(shè)計(jì)海參病害防治診斷專家系統(tǒng)對我國海參養(yǎng)殖業(yè)有著重要的意義。由于海參種類較多，海參病害防治診斷專家系統(tǒng)以刺參為切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)刺參的病害防治診斷，之后再延伸到梅花參、糙參、花刺參、玉足參和白石參等其他品種。本研究根據(jù)病害防治預(yù)防為主的思想，研究了專家系統(tǒng)在海參病害防治的應(yīng)用。根據(jù)海參病害信息的特點(diǎn)，構(gòu)建病害信息推薦模型，主動向用戶推送病害防治信息，實(shí)行個(gè)性化信息服務(wù)；采用產(chǎn)生式規(guī)則描述知識，采用正向推理規(guī)則設(shè)計(jì)了海參病害防治診斷專家系統(tǒng)。

1 病害信息推薦模型

目前的病害診斷專家系統(tǒng)[9-14]重視病害的診斷，忽視病害的主動預(yù)防。為了解決這一問題，本研究設(shè)計(jì)了病害信息推薦模型即個(gè)性化服務(wù)推薦模型來實(shí)現(xiàn)疾病信息的主動推送，幫助用戶有效地防治疾病。

1.1 用戶興趣的獲取

個(gè)性化服務(wù)推薦模型建立的第一步是建立用戶興趣模型，建立用戶興趣模型首先要獲取用戶興趣即個(gè)性化信息[15]。用戶的個(gè)性化信息包括顯式信息和隱式信息[16]。在海參病害防治診斷專家系統(tǒng)中，顯式信息是各種疾病的發(fā)生及流行時(shí)間，隱式信息是用戶注冊時(shí)提交的育苗時(shí)間范圍、用戶瀏覽病害信息、用戶診斷病害信息。

1.2 用戶興趣模型的表示和實(shí)現(xiàn)

刺參的個(gè)體發(fā)育分受精卵、囊胚期、原腸期、小耳狀幼體、中耳狀幼體、大耳狀幼體、樽形幼體、五觸手幼體、稚參、幼參、成品參或商品參等階段[17]，這種劃分的階段比較多，而且受精卵、囊胚期的時(shí)間比較短[18]不利于病害信息的分類和推送。因此，從用戶的角度，按照養(yǎng)殖周期劃分比較合理，可以分為育苗期、保苗期和養(yǎng)成期，育苗期又分為浮游期和附著期。刺參的育苗時(shí)間、繁殖季節(jié)隨水溫的高低略有早晚[19]，因此，不同地區(qū)不同用戶的育苗時(shí)間是存在差異的。一般3—7月之間可以育苗，育苗時(shí)間的長短與溫度有關(guān)，溫度高則時(shí)間少，一般是1個(gè)月至3個(gè)半月的時(shí)間。由于不同的養(yǎng)殖區(qū)域的差異，刺參發(fā)育的不同階段的時(shí)間數(shù)據(jù)也存在差異[17-19]，尤其是北參南移，浙江[20-21]、福建[22-23]等地區(qū)也可以養(yǎng)殖海參，造成保苗期和養(yǎng)成期的時(shí)間差異較大。一般來說，保苗期為5個(gè)月至1年，養(yǎng)成期為1.5～2.0年。育苗期在特定的時(shí)間內(nèi)保苗期和養(yǎng)成期的病害比較類似[24]，時(shí)間有規(guī)律性，以此設(shè)計(jì)病害信息的推薦模型。

通過文獻(xiàn)[25-37]收集整理刺參的23種病害信息，包括12種育苗期病害、11種保苗期和養(yǎng)成期的病害。由于病害名稱不唯一，如腐皮綜合癥[38]被養(yǎng)殖戶稱為化皮病、爛皮病、潰爛病等，因此采用病害編碼對病害進(jìn)行唯一性標(biāo)注。病害編碼采用3位編碼，育苗期病害以Y開頭，保苗期、養(yǎng)成期病害以B開頭，最后2位數(shù)字編碼表示整理病害的相對順序。對每種病害按照病害編碼、病害名稱、養(yǎng)殖時(shí)期、流行月份、詳細(xì)信息5類進(jìn)行整理，其中，詳細(xì)信息包括病原、癥狀、流行信息、診斷和防治方法等。腐皮綜合癥的信息如表1所示。

根據(jù)系統(tǒng)的情況，推薦的信息分為4個(gè)部分：育苗期病害信息、保苗期和養(yǎng)成期病害信息、本月流行病害、下個(gè)月流行病害。前2項(xiàng)采用積分的方式推薦，后2項(xiàng)根據(jù)病害流行時(shí)

間推薦。為了在用戶首次使用系統(tǒng)能夠更好地進(jìn)行信息推送，對育苗期和保苗期、養(yǎng)成期的疾病各選取5種嚴(yán)重流行的病害，將其積分設(shè)置為5，其他病害信息的積分設(shè)置為0。育苗期選取的病害為爛邊病、爛胃病、化板病、橈足類危害、盾纖毛蟲病。保苗期、養(yǎng)成期選取的病害為腐皮綜合癥、細(xì)菌性潰爛病、扁形動物病、霉菌病、后口蟲病。用戶瀏覽病害信息，其積分加1；用戶診斷疾病，其積分加3。

推薦的病害信息作為系統(tǒng)登錄的第1個(gè)頁面顯示，也可以在每周或者每月的固定時(shí)間以電子郵件、短信、彩信的方式發(fā)送給用戶。

1.3 病害信息推薦算法

輸入：用戶注冊信息、全部病害信息；輸出：推薦集。endprint

過程：（1）根據(jù)用戶注冊信息，獲取用戶育苗時(shí)間范圍；（2）判斷用戶是否在育苗期，若不在，推薦集第1部分為空，轉(zhuǎn)（4）；（3）選取育苗期病害信息積分最高的5種病害作為推薦集第1部分；（4）選取保苗養(yǎng)成期病害信息積分最高的5種病害作為推薦集第2部分；（5）獲取當(dāng)前月份；（6）選取當(dāng)前月份流行的病害作為推薦集第3部分；（7）選取下個(gè)月份流行的病害作為推薦集第4部分；（8）綜合生成的4個(gè)部分的推薦集，形成最終推薦集。

病害信息推送算法的流程如圖1所示。

2 病害診斷模型

病害診斷模型由知識庫、規(guī)則庫和推理機(jī)構(gòu)成。知識庫就是整理的23種刺參病害信息。

2.1 規(guī)則庫的構(gòu)建

產(chǎn)生式規(guī)則既可以表示確定的知識單元，又可以表示不確定的知識；既有利于表示啟發(fā)式知識，又可方便地表示過程性知識；既可表示領(lǐng)域知識，又可表示元知識[39]。因此，選擇產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行知識表示。產(chǎn)生式規(guī)則常用于表示具有因果關(guān)系的知識，它的基本形式是IF X THEN Y，其中，X代表前提或原因；Y代表結(jié)論或現(xiàn)象；它表示當(dāng)有前提X的時(shí)候，就一定有結(jié)論Y出現(xiàn)[40]。根據(jù)刺參爛邊病[37]的癥狀得到的規(guī)則如下：IF R1、R2、R3、R4、R5 THEN Y01，其中，R1代表耳狀幼體體表邊緣突起處組織增生；R2代表耳狀幼體體表邊緣顏色加深變黑；R3代表耳狀幼體邊緣變得模糊不清；R4代表耳狀幼體邊緣逐步潰爛；R5代表整個(gè)幼體解體消失；Y01代表爛邊病的病害編碼。

為了解決模糊知識的處理，還可以在計(jì)算規(guī)則中引入可信度因子r[41]。對于確定的診斷癥狀，可信度因子r用0.99表示，否則根據(jù)確定或重要程度用小于0.99的數(shù)值表示。例如，刺參爛邊病的規(guī)則為IF R1∧R2∧R3∧R4∧R5 THEN爛邊病，r=0.99。爛邊病的上述癥狀是非常完整的，并且這些癥狀并不出現(xiàn)在其他病害中。為了能夠診斷不同發(fā)病時(shí)期的爛邊病，添加的規(guī)則如表2所示。為了方便描述，把可信度因子r為099的規(guī)則稱為精確規(guī)則，把其他規(guī)則稱為模糊規(guī)則。為了規(guī)范用戶的輸入，從刺參病害中選取典型癥狀以復(fù)選框的方式供用戶選擇。

2.2 推理機(jī)

一般來說，推理機(jī)的推理方式分為正向推理、反向推理和正反向混合推理3種[42]。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇正向推理作為推理機(jī)的推理方式。通過正向推理，對用戶輸入的癥狀進(jìn)行規(guī)則匹配，使用寬度優(yōu)先策略，盡可能多地獲得可能的病害結(jié)論[43]。按照病害結(jié)論的可信度因子從高到低進(jìn)行排序，找出≥0.8的病害并輸出，若不存在，找出介于0.6和0.8之間的疑似病害輸出供用戶參考，否則根據(jù)用戶的輸入，無法診斷出病害，此時(shí)輸出<0.6的病害供用戶參考是否進(jìn)行新的診斷或者求助養(yǎng)殖專家。借鑒甘茂華的二次診斷的思想[44]，對無法診斷病害和用戶的輸入可以完全匹配多個(gè)精確規(guī)則的情況進(jìn)行提示并診斷。若用戶的輸入無法診斷病害，提示用戶是否需要修改輸入進(jìn)行診斷；若用戶修改，則返回癥狀輸入界面，由用戶進(jìn)行添加或者減少上一次輸入的癥狀，再進(jìn)行診斷；若用戶的輸入可以完全匹配多個(gè)精確規(guī)則，則把這幾個(gè)精確規(guī)則設(shè)計(jì)的其他癥狀全部顯示出來，讓用戶確定是否進(jìn)行進(jìn)一步的輸入，若輸入，則進(jìn)行新的診斷，否則維持原診斷。如當(dāng)用戶只選擇病參體表病灶處有大量生物病原體這一癥狀，扁形動物病、霉菌病和腐皮綜合癥的精確規(guī)則都能夠匹配，則這3種病害的精確規(guī)則的余下的癥狀生成選項(xiàng)讓用戶進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)，根據(jù)用戶第2次選擇來確定具體是什么病害。推理診斷流程如圖2所示。

3 結(jié)束語

海參疾病防治診斷專家系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)病害防治信息的主動推送，以及刺參疾病的診斷，下一步的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖技術(shù)等信息的推送以及擴(kuò)展海參的品種，實(shí)現(xiàn)梅花參、糙參等的疾病診斷，同時(shí)根據(jù)用戶使用情況的反饋，對信息推薦模型和病害診斷模型進(jìn)行修正，使之更好地為用戶服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡 炎. 海參：八珍之首[N]. 發(fā)展導(dǎo)報(bào)，2004-03-02.

[2]中國科學(xué)院中國動物志編輯委員會，廖玉麟.中國動物志棘皮動物門海參綱[M]. 北京：科學(xué)出版社，1997.

[3]許雪柏. 干海參的鑒別與食用[J]. 山東食品科技，2003（12）：22.

[4]肖樹旭，顧功超. 刺參室內(nèi)集約化養(yǎng)殖探討[J]. 海洋漁業(yè)，1982，4（4）：172-173.

[5]梁廣耀. 廣西沿海三種海參資源的初步調(diào)查[J]. 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，1987，18（4）：54-56.

[6]李興福. 高檔海味系列之二海參[J]. 食品與生活，2010（5）：51.

[7]王印庚，榮小軍. 我國刺參養(yǎng)殖存在的主要問題與疾病綜合防治技術(shù)要點(diǎn)[J]. 齊魯漁業(yè)，2004，21（10）：29-31.

[8]張春云，王印庚，榮小軍，等. 國內(nèi)外海參自然資源、養(yǎng)殖狀況及存在問題[J]. 海洋水產(chǎn)研究，2004，25（3）：89-97.

[9]秦宏宇，李建新，高 翔，等. 基于模糊規(guī)則提升理論的馬病輔助診斷專家系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（5）：194-199.

[10]韓 宏，李偉衛(wèi)，王玉紅，等. 奶山羊疾病防治專家系統(tǒng)研究[J]. 家畜生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，36（4）：65-68，73.

[11]葉 嬋，鄧長輝，曹向南，等. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的對蝦病害防治專家系統(tǒng)[J]. 大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（3）：319-323.

[12]翟志南，王洪斌，秦宏宇，等. 馬消化系統(tǒng)疾病輔助診療專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國獸醫(yī)雜志，2014，50（9）：100-102.

[13]李 凡，韓勝菊，王鈾鈾，等. 支持向量機(jī)在貝類疾病診斷中的應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2013，30（3）：319-322.endprint

[14]陳步英，董會國，王黨利. 蔬菜病蟲害診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（8）：171-174.

[15]張啟宇，郭承坤，宋 瑤，等. 基于內(nèi)容過濾的個(gè)性化農(nóng)業(yè)信息推薦模型研究[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54（16）：4052-4056.

[16]楊 艷，邱艷麗. 新的基于日志分析的用戶個(gè)性化模型[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索，2012，6（4）：333-342.

[17]廖玉麟. 我國的海參[J]. 生物學(xué)通報(bào)，2001，36（9）：1-3.

[18]山東海洋學(xué)院海洋生物系.刺參的生殖和發(fā)育[J]. 水產(chǎn)科技情報(bào)，1977（增刊4）：10-16.

[19]張鳳瀛，吳寶鈴. 我國的刺參[J]. 生物學(xué)通報(bào)，1955，4（6）：28-31.

[20]張春丹，姜李雁，蘇秀榕，等. 南北養(yǎng)殖仿刺參營養(yǎng)成分的比較[J]. 水產(chǎn)科學(xué)，2013，32（1）：41-45.

[21]孫建璋，莊定根，陳蘭濤，等. 刺參南移養(yǎng)殖技術(shù)研究[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，25（2）：148-153.

[22]肖樹旭，顧功超. 刺參南移與人工育苗試驗(yàn)[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào)，1981，5（2）：147-154.

[23]江國強(qiáng). 刺參（Stichopus japonicus Selenka）南移養(yǎng)殖技術(shù)探討[J]. 現(xiàn)代漁業(yè)信息，2008，23（9）：24-25.

[24]楊秀生，葉海斌，刁 菁，等. 刺參常見病害初診速查檢索表[J]. 科學(xué)養(yǎng)魚，2011（12）：50.

[25]張春云，陳國福，徐 仲，等. 海參疾病學(xué)研究進(jìn)展[J]. 水產(chǎn)科學(xué)，2011，30（10）：644-648.

[26]辜金容. 海參的養(yǎng)殖管理與疾病防治[J]. 北京水產(chǎn)，2007（3）：27-30.

[27]房英春，張 慧，陳 曦. 海參養(yǎng)殖常見病害的診治[J]. 中國水產(chǎn)，2008（1）：70-71.

[28]李 爽，楊爾欣，程德金，等. 刺參疾病防治全攻略[J]. 北京水產(chǎn)，2008（2）：28-30.

[29]牛 博，杜承宙. 海參健康養(yǎng)殖及病害防治（二）[J]. 科學(xué)養(yǎng)魚，2012（2）：92.

[30]牛 博，杜承宙. 海參健康養(yǎng)殖及病害防治（三）[J]. 科學(xué)養(yǎng)魚，2012（3）：92.

[31]牛 博，杜承宙. 海參健康養(yǎng)殖及病害防治（七）[J]. 科學(xué)養(yǎng)魚，2012（7）：92.

[32]袁宗勤，倪成男，王興仿，等. 海參育苗期常見病害及綜合預(yù)防措施[J]. 科學(xué)養(yǎng)魚，2014（2）：88.

[33]徐廣遠(yuǎn)，鄶 明，張恩鵬. 海參常見病的誘發(fā)因素及防治方法[J]. 中國水產(chǎn)，2010（3）：61-62.

[34]陳 蕾，韓 義. 刺參育苗中常見病害的防治[J]. 河北漁業(yè)，2009（2）：37-38.

[35]劉錫胤，劉 蓬，陳 偉. 刺參苗室內(nèi)越冬期病害綜合防治技術(shù)[J]. 科學(xué)養(yǎng)魚，2006（2）：50-51.

[36]王立超，孫德華. 刺參的病害與防治[J]. 齊魯漁業(yè)，2004，21（9）：25.

[37]王印庚，榮小軍，張春云，等. 養(yǎng)殖海參主要疾病及防治技術(shù)[J]. 海洋科學(xué)，2005，29（3）：1-7.

[38]王印庚，榮小軍，張春云，等. 養(yǎng)殖刺參暴發(fā)性疾病——“腐皮綜合癥”的初步研究與防治[J]. 齊魯漁業(yè)，2004，21（5）：44-47.

[39]翟東升，黃 焱. 半導(dǎo)體制造業(yè)預(yù)警系統(tǒng)的知識表示研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2006（4）：93-97.

[40]索紅軍. 專家系統(tǒng)中產(chǎn)生式規(guī)則研究與分析[J]. 渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（6）：63-65.

[41]年志剛，梁 式，麻芳蘭，等. 知識表示方法研究與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，24（5）：234-236，286.

[42]白振興. 專家系統(tǒng)中推理機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，1995（4）：1-4.

[43]吳禮平，曾紀(jì)輝，沈文正，等. 基于云技術(shù)的犬病診斷專家系統(tǒng)的研究[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，21（18）：129-131.

[44]甘茂華. 一種具有二次診斷的生殖疾病診斷專家系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2012，34（5）：184-189.王麗艷，薛河儒，王洪南. 高光譜數(shù)據(jù)降維對馬鈴薯分類的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（18）：229-232.endprint