西瓜栽培專家系統(tǒng)中病蟲(chóng)害診斷知識(shí)組織與知識(shí)庫(kù)構(gòu)建策略

趙澤英　王　?！∨碇玖肌±钤s

摘要基于知識(shí)工程方法，闡述了西瓜栽培專家系統(tǒng)中病蟲(chóng)害診斷與防治知識(shí)組織與知識(shí)庫(kù)構(gòu)建策略。知識(shí)獲取立足本地化、特色化，知識(shí)描述引入對(duì)象的概念對(duì)西瓜病蟲(chóng)害進(jìn)行描述，知識(shí)庫(kù)框架設(shè)計(jì)中建立分為侵染性病害、非侵染性病害、營(yíng)養(yǎng)失調(diào)癥、蟲(chóng)害診斷與防治決策的病蟲(chóng)害分辨決策模型。

關(guān)鍵詞西瓜；病蟲(chóng)害；診斷；專家系統(tǒng)

中圖分類號(hào)TPl82，S4

西瓜汁多味甘、質(zhì)細(xì)性涼、食之爽口，是深受廣大消費(fèi)者青睞的夏令消暑解渴之佳品。發(fā)展西瓜生產(chǎn)已經(jīng)成為貴州農(nóng)民致富奔小康的重要途徑之一，常年全省西瓜種植面積1．6萬(wàn)hm²，產(chǎn)量30萬(wàn)t以上。但貴州屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候，山地丘陵多，春夏溫暖不炎熱，陰雨過(guò)多，空氣濕度大，西瓜病蟲(chóng)害嚴(yán)重。生產(chǎn)上由于誤診或防治措施不當(dāng)，造成減產(chǎn)或果實(shí)品質(zhì)下降的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，其主要原因在于許多瓜農(nóng)缺少科學(xué)有效的病蟲(chóng)害診斷與防治技術(shù)，針對(duì)這種情況，作者采用知識(shí)工程的方法，利用國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)PAID，在開(kāi)發(fā)貴州省西瓜栽培專家系統(tǒng)的過(guò)程中，逐步形成了一套農(nóng)作物病蟲(chóng)害診斷專家系統(tǒng)知識(shí)表示與知識(shí)庫(kù)構(gòu)建策略。

1知識(shí)獲取

在知識(shí)獲取上，面向貴州西瓜栽培管理全過(guò)程，立足本地化、特色化原則和無(wú)公害標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)規(guī)范，搜集整理了基于當(dāng)?shù)貙＜业慕?jīng)驗(yàn)和西瓜栽培各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的多位專家科研成果、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，包括從育苗到收獲全生育期的土壤管理、營(yíng)養(yǎng)診斷與無(wú)公害施肥、病蟲(chóng)害診斷與無(wú)公害防治等內(nèi)容。

通常采用當(dāng)面交談與填表的方式進(jìn)行。為保證專家思維的獨(dú)立性，首先，為專家提供一個(gè)病例，不讓專家直接看到該病例，這樣可以防止專家不經(jīng)過(guò)詳細(xì)地推理和詢問(wèn)有關(guān)信息而直接給出結(jié)論。在這個(gè)過(guò)程中專家會(huì)詢問(wèn)一系列與病蟲(chóng)害診斷有關(guān)的問(wèn)題，由知識(shí)工程師根據(jù)病蟲(chóng)害對(duì)癥狀進(jìn)行描述，在交流過(guò)程中，知識(shí)工程師詳細(xì)記錄他同專家進(jìn)行交流的所有問(wèn)題和回答結(jié)果。通過(guò)這個(gè)過(guò)程研究專家在解決問(wèn)題中的思維過(guò)程和運(yùn)用的術(shù)語(yǔ)。需要從領(lǐng)域?qū)＜业玫降男畔ǎ簩＜以谶M(jìn)行診斷過(guò)程中使用的知識(shí)，這些知識(shí)在層次上的區(qū)別，專家應(yīng)用這些知識(shí)得出假設(shè)和結(jié)論的思維過(guò)程及得出結(jié)論的可靠性等。通過(guò)這些問(wèn)題的逐一回答，就可以獲取病蟲(chóng)害診斷專家知識(shí)，選擇適合病蟲(chóng)害診斷知識(shí)特點(diǎn)的知識(shí)表示方法，組織結(jié)構(gòu)清晰的知識(shí)庫(kù)框架和對(duì)所使用知識(shí)的可靠程度的判斷。

由于作物病蟲(chóng)害診斷與人體或動(dòng)物的疾病診斷在主體特性上有著巨大差別一一作物病蟲(chóng)害癥狀全部靠農(nóng)民自己的觀察得到，一般不具有任何專業(yè)知識(shí)背景，所以病蟲(chóng)害診斷專家系統(tǒng)與其他專家系統(tǒng)相比，更注重對(duì)癥狀空間的有效提問(wèn)，其數(shù)據(jù)模糊特性也更加明顯。因此，在專家的選擇上不光是學(xué)術(shù)水平較高的專家，更側(cè)重于在基層對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行直接指導(dǎo)的農(nóng)技人員，這樣所獲取的知識(shí)才更接近于生產(chǎn)實(shí)際，有關(guān)的術(shù)語(yǔ)才更能為各種植農(nóng)戶所理解和認(rèn)同。有時(shí)通過(guò)直接與農(nóng)戶進(jìn)行交流，獲取他們對(duì)于病蟲(chóng)與異常診斷中的有關(guān)術(shù)語(yǔ)和他們?cè)谧稍儠r(shí)的邏輯與理解能力。

在獲取知識(shí)形成系統(tǒng)后，又采用了下列方法對(duì)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證：

文檔評(píng)審請(qǐng)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)知識(shí)規(guī)則文檔進(jìn)行審閱，提出修改意見(jiàn)。

彩色照片測(cè)試用彩色照片模擬現(xiàn)實(shí)病蟲(chóng)害發(fā)生狀況，用系統(tǒng)進(jìn)行診斷。

實(shí)地測(cè)試在大田實(shí)際情況下，使用專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷，測(cè)試其運(yùn)行情況。

2病蟲(chóng)害知識(shí)描述

作者認(rèn)為病蟲(chóng)害診斷專家知識(shí)在專家的知識(shí)體系中是以對(duì)象的形式存在的，每一種病蟲(chóng)與異常的發(fā)生是一種承載著各種信息和方法的對(duì)象。從這個(gè)基點(diǎn)出發(fā)，就可以對(duì)病蟲(chóng)與異常診斷知識(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。以每一種病害(蟲(chóng)害、或異常)作為對(duì)象，它可能有一個(gè)或一個(gè)以上的表現(xiàn)型，而每個(gè)表現(xiàn)型又由環(huán)境信息和癥狀組成，環(huán)境信息和癥狀又有其各自的特征和值。因此，將病蟲(chóng)害和與病蟲(chóng)害診斷有關(guān)的信息和癥狀建成一個(gè)關(guān)系樹(shù)，所有病蟲(chóng)害都可以以此樹(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)信息和癥狀進(jìn)行分類、整理，形成同一的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

2．1病蟲(chóng)害

對(duì)應(yīng)于一種病蟲(chóng)害，如病毒病、枯萎病、蔓枯病、大肚果、黃守瓜等。它是一個(gè)集合，集合的全集就是專家系統(tǒng)中將要診斷的所有病蟲(chóng)害和異常，每一種病蟲(chóng)與異常是該集合的一個(gè)實(shí)例元素。系統(tǒng)中共收集了63種病蟲(chóng)害，其中侵染性病害20種，蟲(chóng)害12種，生理性病害22種，營(yíng)養(yǎng)失調(diào)8種。

2．2表現(xiàn)型

根據(jù)時(shí)間或部位特征，將病蟲(chóng)害劃分為不同的表現(xiàn)型。隨著植株的生長(zhǎng)和感病時(shí)間的延長(zhǎng)，西瓜所表現(xiàn)出的癥狀有明顯的特征，從而可以把病蟲(chóng)害分為不同的表現(xiàn)型，如疫病可以分為幼苗期、莖葉生長(zhǎng)期、結(jié)瓜期等時(shí)期發(fā)生。同一種病害通常也會(huì)在不同部位和不同器官表現(xiàn)不同，這樣可以根據(jù)發(fā)病部位的不同對(duì)病害的表現(xiàn)型進(jìn)行分類，如疫病可以分為幼苗、葉、蔓、根莖、果實(shí)。但并不是所有的病蟲(chóng)都有多個(gè)表現(xiàn)型，如潛葉蠅的的表現(xiàn)型只在葉片，另外無(wú)其他表現(xiàn)型。所以，一種病害一般有一個(gè)或一個(gè)以上的表現(xiàn)型，在診斷知識(shí)的組織過(guò)程中，必須對(duì)這些表現(xiàn)型加以區(qū)分、分別對(duì)待進(jìn)行歸納，才能得出正確的診斷結(jié)果。

2．3環(huán)境信息

環(huán)境信息是指除西瓜上表現(xiàn)出的癥狀以外，那些與診斷有關(guān)的環(huán)境、氣候、生產(chǎn)管理措施等因素。病蟲(chóng)害診斷所參照的依據(jù)不僅僅是在西瓜植株上所表現(xiàn)出的癥狀，有時(shí)候環(huán)境信息是診斷的必要條件，如蚜蟲(chóng)或病毒病的大發(fā)生必需具備氣候干旱的條件，疫病發(fā)生需高溫高濕。

2．4癥狀

癥狀是診斷的主要依據(jù)。一般西瓜發(fā)生病害會(huì)在不同的部位表現(xiàn)出明顯的癥狀，但癥狀的性質(zhì)、數(shù)量和表現(xiàn)不同。癥狀在每一個(gè)表現(xiàn)型只有唯一的一個(gè)，如疫病在果實(shí)形成暗綠色水漬狀近圓形斑，長(zhǎng)有較薄一層白色霉?fàn)钗?。每個(gè)癥狀一般有自己獨(dú)有的一個(gè)或數(shù)個(gè)特征。

2．5特征

對(duì)于環(huán)境信息而言，特征主要指西瓜的生育時(shí)期、種植方式、氣候條件等；對(duì)于癥狀來(lái)說(shuō)，其特征主要指病斑、有無(wú)霉層、蟲(chóng)體形態(tài)等等。每種病蟲(chóng)害的表現(xiàn)型一般具有確定的特征數(shù)目，但有些特征是多種病蟲(chóng)害共有的，如植株萎蔫可能是枯萎病、疫病、根腐病、根結(jié)線蟲(chóng)等引起。在特異的病蟲(chóng)害表現(xiàn)型中，特征具有自己唯一的取值，如在葉片表皮下造成不規(guī)則的線狀隧道只有潛葉蠅，另外無(wú)其他病蟲(chóng)引起這種癥狀。

2．6值

值是整個(gè)知識(shí)樹(shù)結(jié)構(gòu)的末梢結(jié)點(diǎn)，是用戶要為系統(tǒng)提供的信息。如被害部位＝果實(shí)、氣候條件＝天氣干旱、葉面病斑＝水漬狀病斑等。值通常也可以被多種病蟲(chóng)害或表現(xiàn)型所共有。另外，值的表示方式可以是文字、圖片、聲音以及動(dòng)畫等。

3知識(shí)庫(kù)框架設(shè)計(jì)

3．1病蟲(chóng)害分辨決策

病蟲(chóng)害診斷與防治知識(shí)庫(kù)框架包括病蟲(chóng)害分辨

決策、侵染性病害、非侵染性病害、蟲(chóng)害的診斷與防治。根據(jù)侵染性病害、非侵染性病害和蟲(chóng)害發(fā)生規(guī)律，制定出病蟲(chóng)害分辨決策檢索表(表1)。

3．2侵染性病害診斷與防治決策

根據(jù)侵染性病害的發(fā)病部位、癥狀特點(diǎn)(病征和病狀)、發(fā)病規(guī)律等診斷出病害種類，并提供給用戶不同部位，不同時(shí)期的彩色病害照片以察看確認(rèn)。綜合防治方法包括利用抗病品種、農(nóng)業(yè)防治、化學(xué)防治、生物防治、物理防治等。

3．3非侵染性病害診斷與防治決策

非侵染性病害只有病狀而沒(méi)有病征，多由水分供應(yīng)失調(diào)、溫度過(guò)高或過(guò)低、田間管理不當(dāng)、空氣中有毒氣體的存在、農(nóng)藥使用不當(dāng)、養(yǎng)分不足或不均衡等原因造成。所以要根據(jù)以上情況和發(fā)病部位、病狀特點(diǎn)等進(jìn)行診斷。如裂果癥是由于瓜瓤發(fā)育旺盛階段久旱遇雨，或灌水量忽多忽少，或瓜的發(fā)育前期肥水不足，后期肥水供應(yīng)過(guò)多等造成。

3．4蟲(chóng)害診斷與防治決策

根據(jù)蟲(chóng)害的危害特點(diǎn)、形態(tài)特征、發(fā)生規(guī)律等診斷出蟲(chóng)害種類，并提供給用戶不同發(fā)育時(shí)期的害蟲(chóng)形態(tài)特征彩色照片以察看確認(rèn)。綜合防治方法包括利用抗蟲(chóng)品種、農(nóng)業(yè)防治、化學(xué)防治、生物防治、物理防治等。對(duì)于有些害蟲(chóng)，如金龜子、天牛等，形態(tài)特征明顯，采用形態(tài)診斷較好；對(duì)于有些害蟲(chóng)，如潛葉蠅，其蟲(chóng)體不明顯，則根據(jù)其危害特點(diǎn)來(lái)診斷。

4知識(shí)規(guī)則組織

借鑒Common KADS方法，結(jié)合植物保護(hù)學(xué)，建立知識(shí)規(guī)則文檔并進(jìn)行規(guī)范化說(shuō)明，以侵染性病害診斷與防治決策為例，非侵染性病害、蟲(chóng)害診斷與防治決策與其類似。

4．1田間癥狀

田間癥狀是指用戶在田間實(shí)地觀察所得到的病害發(fā)生情況。由于用戶文化水平及語(yǔ)言上的差異，易造成同樣的癥狀，不同用戶的描述可能不同。為此，本模型采用了一套標(biāo)準(zhǔn)的描述語(yǔ)言，只需用戶把自己觀察的情況與系統(tǒng)描述語(yǔ)言相對(duì)應(yīng)，按照系統(tǒng)的語(yǔ)言選擇數(shù)據(jù)。

4．2發(fā)病部位

采用的病害分類方法是按照西瓜受害部位、生育期并結(jié)合癥狀劃分，系統(tǒng)中將侵染性病害劃分為“果實(shí)”、“苗床或田間的幼苗期”、“全株萎蔫、枯死，根和莖基部受到危害”、“上部莖蔓、葉柄及果梗被危害”、“葉片”、“幼瓜和花”、“整株植株畸變、異型”、“枝條頂部干枯、嫩葉皺褶、脫落”等。用戶在錄人事實(shí)時(shí)，可以根據(jù)自己的觀察角度，選擇某一條進(jìn)入。

4．3具體癥狀描述

對(duì)各種病害的發(fā)病部位和各發(fā)病時(shí)期癥狀表現(xiàn)等進(jìn)行詳細(xì)描述。同一種病害可能在不同的部位發(fā)病，如疫病可在葉片、莖蔓、果實(shí)上發(fā)病，病程一般分為初期、中期、后期或類似的若干時(shí)期，各時(shí)期癥狀表現(xiàn)也不盡一致。通常，具體癥狀描述分為3～5步，通過(guò)具體癥狀的描述，可使用戶對(duì)照田間實(shí)際癥狀，逐步診斷。如白粉病：主要危害葉片，初期在葉面產(chǎn)生近圓形、小粉斑，后成為連片白色霉斑，后期粉斑變成灰色，生有黑色小點(diǎn)，高溫干旱與高濕高溫條件交替出現(xiàn)是發(fā)生流行的條件。

4．4癥狀確認(rèn)

用戶在輸入完數(shù)據(jù)后，保存決策，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出結(jié)論和備注文檔。為了驗(yàn)證結(jié)論的準(zhǔn)確性，用戶可先打開(kāi)備注文檔進(jìn)行“確認(rèn)”。文檔前一部分為病害的癥狀特點(diǎn)、病原和發(fā)生規(guī)律，并有相應(yīng)圖片供參考，用戶可將自己觀察到的情況與之相對(duì)照，確認(rèn)無(wú)誤后，可查看后一部分的防治方法；如認(rèn)為有誤，可重新回到數(shù)據(jù)錄入部分，換一條途徑繼續(xù)診斷。

5小結(jié)

各地生態(tài)條件不同，適宜栽培的西瓜品種也不同，即使相同，其管理措施也因地而異，因此農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)只有與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)專家和地方產(chǎn)業(yè)實(shí)踐緊密結(jié)合，充分調(diào)查基層生產(chǎn)需求，按照需求進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，才能開(kāi)發(fā)出真正實(shí)用的專家系統(tǒng)軟件，提高產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和綜合社會(huì)效益，為農(nóng)民增收，為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。本研究在知識(shí)獲取中側(cè)重于在基層對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行直接指導(dǎo)的農(nóng)技人員，有時(shí)直接從農(nóng)戶處獲取就是為了更接近于當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際，與當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)文化水平相接近。

本文的知識(shí)組織與知識(shí)框架設(shè)計(jì)中，引入對(duì)象的概念，建立病蟲(chóng)害分辨決策，先分辨病害或蟲(chóng)害，后診斷具體病害或蟲(chóng)害；將病害診斷分為侵染性病害診斷、非侵染性病害診斷、營(yíng)養(yǎng)失調(diào)癥診斷三部分；將田間癥狀進(jìn)行歸納建立標(biāo)準(zhǔn)的描述語(yǔ)言等的設(shè)計(jì)不僅對(duì)貴州西瓜適用，對(duì)于其他作物也具有重要的參考價(jià)值。

系統(tǒng)如果能加入病蟲(chóng)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，在防治方法中加入經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，并能根據(jù)用戶經(jīng)濟(jì)狀況，提供最優(yōu)化防治方案，將更有利于用戶使用。如能與GPS、GIS結(jié)合則更有利于基層對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行直接指導(dǎo)。