西瓜栽培专家系统中病虫害诊断知识组织与知识库构建策略

赵泽英　王　海　彭志良　李裕荣

摘要基于知识工程方法，阐述了西瓜栽培专家系统中病虫害诊断与防治知识组织与知识库构建策略。知识获取立足本地化、特色化，知识描述引入对象的概念对西瓜病虫害进行描述，知识库框架设计中建立分为侵染性病害、非侵染性病害、营养失调症、虫害诊断与防治决策的病虫害分辨决策模型。

关键词西瓜；病虫害；诊断；专家系统

中图分类号TPl82，S4

西瓜汁多味甘、质细性凉、食之爽口，是深受广大消费者青睐的夏令消暑解渴之佳品。发展西瓜生产已经成为贵州农民致富奔小康的重要途径之一，常年全省西瓜种植面积1．6万hm²，产量30万t以上。但贵州属中亚热带湿润气候，山地丘陵多，春夏温暖不炎热，阴雨过多，空气湿度大，西瓜病虫害严重。生产上由于误诊或防治措施不当，造成减产或果实品质下降的现象时有发生，其主要原因在于许多瓜农缺少科学有效的病虫害诊断与防治技术，针对这种情况，作者采用知识工程的方法，利用国家农业信息化工程技术研究中心的农业专家系统开发平台PAID，在开发贵州省西瓜栽培专家系统的过程中，逐步形成了一套农作物病虫害诊断专家系统知识表示与知识库构建策略。

1知识获取

在知识获取上，面向贵州西瓜栽培管理全过程，立足本地化、特色化原则和无公害标准化生产规范，搜集整理了基于当地专家的经验和西瓜栽培各个学科领域的多位专家科研成果、知识、经验和数据，包括从育苗到收获全生育期的土壤管理、营养诊断与无公害施肥、病虫害诊断与无公害防治等内容。

通常采用当面交谈与填表的方式进行。为保证专家思维的独立性，首先，为专家提供一个病例，不让专家直接看到该病例，这样可以防止专家不经过详细地推理和询问有关信息而直接给出结论。在这个过程中专家会询问一系列与病虫害诊断有关的问题，由知识工程师根据病虫害对症状进行描述，在交流过程中，知识工程师详细记录他同专家进行交流的所有问题和回答结果。通过这个过程研究专家在解决问题中的思维过程和运用的术语。需要从领域专家得到的信息包括：专家在进行诊断过程中使用的知识，这些知识在层次上的区别，专家应用这些知识得出假设和结论的思维过程及得出结论的可靠性等。通过这些问题的逐一回答，就可以获取病虫害诊断专家知识，选择适合病虫害诊断知识特点的知识表示方法，组织结构清晰的知识库框架和对所使用知识的可靠程度的判断。

由于作物病虫害诊断与人体或动物的疾病诊断在主体特性上有着巨大差别一一作物病虫害症状全部靠农民自己的观察得到，一般不具有任何专业知识背景，所以病虫害诊断专家系统与其他专家系统相比，更注重对症状空间的有效提问，其数据模糊特性也更加明显。因此，在专家的选择上不光是学术水平较高的专家，更侧重于在基层对生产进行直接指导的农技人员，这样所获取的知识才更接近于生产实际，有关的术语才更能为各种植农户所理解和认同。有时通过直接与农户进行交流，获取他们对于病虫与异常诊断中的有关术语和他们在咨询时的逻辑与理解能力。

在获取知识形成系统后，又采用了下列方法对知识进行验证：

文档评审请领域专家对知识规则文档进行审阅，提出修改意见。

彩色照片测试用彩色照片模拟现实病虫害发生状况，用系统进行诊断。

实地测试在大田实际情况下，使用专家系统进行诊断，测试其运行情况。

2病虫害知识描述

作者认为病虫害诊断专家知识在专家的知识体系中是以对象的形式存在的，每一种病虫与异常的发生是一种承载着各种信息和方法的对象。从这个基点出发，就可以对病虫与异常诊断知识的结构进行进一步研究。以每一种病害(虫害、或异常)作为对象，它可能有一个或一个以上的表现型，而每个表现型又由环境信息和症状组成，环境信息和症状又有其各自的特征和值。因此，将病虫害和与病虫害诊断有关的信息和症状建成一个关系树，所有病虫害都可以以此树为标准，对信息和症状进行分类、整理，形成同一的结构。结构层次如图1所示。

2．1病虫害

对应于一种病虫害，如病毒病、枯萎病、蔓枯病、大肚果、黄守瓜等。它是一个集合，集合的全集就是专家系统中将要诊断的所有病虫害和异常，每一种病虫与异常是该集合的一个实例元素。系统中共收集了63种病虫害，其中侵染性病害20种，虫害12种，生理性病害22种，营养失调8种。

2．2表现型

根据时间或部位特征，将病虫害划分为不同的表现型。随着植株的生长和感病时间的延长，西瓜所表现出的症状有明显的特征，从而可以把病虫害分为不同的表现型，如疫病可以分为幼苗期、茎叶生长期、结瓜期等时期发生。同一种病害通常也会在不同部位和不同器官表现不同，这样可以根据发病部位的不同对病害的表现型进行分类，如疫病可以分为幼苗、叶、蔓、根茎、果实。但并不是所有的病虫都有多个表现型，如潜叶蝇的的表现型只在叶片，另外无其他表现型。所以，一种病害一般有一个或一个以上的表现型，在诊断知识的组织过程中，必须对这些表现型加以区分、分别对待进行归纳，才能得出正确的诊断结果。

2．3环境信息

环境信息是指除西瓜上表现出的症状以外，那些与诊断有关的环境、气候、生产管理措施等因素。病虫害诊断所参照的依据不仅仅是在西瓜植株上所表现出的症状，有时候环境信息是诊断的必要条件，如蚜虫或病毒病的大发生必需具备气候干旱的条件，疫病发生需高温高湿。

2．4症状

症状是诊断的主要依据。一般西瓜发生病害会在不同的部位表现出明显的症状，但症状的性质、数量和表现不同。症状在每一个表现型只有唯一的一个，如疫病在果实形成暗绿色水渍状近圆形斑，长有较薄一层白色霉状物。每个症状一般有自己独有的一个或数个特征。

2．5特征

对于环境信息而言，特征主要指西瓜的生育时期、种植方式、气候条件等；对于症状来说，其特征主要指病斑、有无霉层、虫体形态等等。每种病虫害的表现型一般具有确定的特征数目，但有些特征是多种病虫害共有的，如植株萎蔫可能是枯萎病、疫病、根腐病、根结线虫等引起。在特异的病虫害表现型中，特征具有自己唯一的取值，如在叶片表皮下造成不规则的线状隧道只有潜叶蝇，另外无其他病虫引起这种症状。

2．6值

值是整个知识树结构的末梢结点，是用户要为系统提供的信息。如被害部位＝果实、气候条件＝天气干旱、叶面病斑＝水渍状病斑等。值通常也可以被多种病虫害或表现型所共有。另外，值的表示方式可以是文字、图片、声音以及动画等。

3知识库框架设计

3．1病虫害分辨决策

病虫害诊断与防治知识库框架包括病虫害分辨

决策、侵染性病害、非侵染性病害、虫害的诊断与防治。根据侵染性病害、非侵染性病害和虫害发生规律，制定出病虫害分辨决策检索表(表1)。

3．2侵染性病害诊断与防治决策

根据侵染性病害的发病部位、症状特点(病征和病状)、发病规律等诊断出病害种类，并提供给用户不同部位，不同时期的彩色病害照片以察看确认。综合防治方法包括利用抗病品种、农业防治、化学防治、生物防治、物理防治等。

3．3非侵染性病害诊断与防治决策

非侵染性病害只有病状而没有病征，多由水分供应失调、温度过高或过低、田间管理不当、空气中有毒气体的存在、农药使用不当、养分不足或不均衡等原因造成。所以要根据以上情况和发病部位、病状特点等进行诊断。如裂果症是由于瓜瓤发育旺盛阶段久旱遇雨，或灌水量忽多忽少，或瓜的发育前期肥水不足，后期肥水供应过多等造成。

3．4虫害诊断与防治决策

根据虫害的危害特点、形态特征、发生规律等诊断出虫害种类，并提供给用户不同发育时期的害虫形态特征彩色照片以察看确认。综合防治方法包括利用抗虫品种、农业防治、化学防治、生物防治、物理防治等。对于有些害虫，如金龟子、天牛等，形态特征明显，采用形态诊断较好；对于有些害虫，如潜叶蝇，其虫体不明显，则根据其危害特点来诊断。

4知识规则组织

借鉴Common KADS方法，结合植物保护学，建立知识规则文档并进行规范化说明，以侵染性病害诊断与防治决策为例，非侵染性病害、虫害诊断与防治决策与其类似。

4．1田间症状

田间症状是指用户在田间实地观察所得到的病害发生情况。由于用户文化水平及语言上的差异，易造成同样的症状，不同用户的描述可能不同。为此，本模型采用了一套标准的描述语言，只需用户把自己观察的情况与系统描述语言相对应，按照系统的语言选择数据。

4．2发病部位

采用的病害分类方法是按照西瓜受害部位、生育期并结合症状划分，系统中将侵染性病害划分为“果实”、“苗床或田间的幼苗期”、“全株萎蔫、枯死，根和茎基部受到危害”、“上部茎蔓、叶柄及果梗被危害”、“叶片”、“幼瓜和花”、“整株植株畸变、异型”、“枝条顶部干枯、嫩叶皱褶、脱落”等。用户在录人事实时，可以根据自己的观察角度，选择某一条进入。

4．3具体症状描述

对各种病害的发病部位和各发病时期症状表现等进行详细描述。同一种病害可能在不同的部位发病，如疫病可在叶片、茎蔓、果实上发病，病程一般分为初期、中期、后期或类似的若干时期，各时期症状表现也不尽一致。通常，具体症状描述分为3～5步，通过具体症状的描述，可使用户对照田间实际症状，逐步诊断。如白粉病：主要危害叶片，初期在叶面产生近圆形、小粉斑，后成为连片白色霉斑，后期粉斑变成灰色，生有黑色小点，高温干旱与高湿高温条件交替出现是发生流行的条件。

4．4症状确认

用户在输入完数据后，保存决策，系统会自动给出结论和备注文档。为了验证结论的准确性，用户可先打开备注文档进行“确认”。文档前一部分为病害的症状特点、病原和发生规律，并有相应图片供参考，用户可将自己观察到的情况与之相对照，确认无误后，可查看后一部分的防治方法；如认为有误，可重新回到数据录入部分，换一条途径继续诊断。

5小结

各地生态条件不同，适宜栽培的西瓜品种也不同，即使相同，其管理措施也因地而异，因此农业专家系统只有与当地农业技术专家和地方产业实践紧密结合，充分调查基层生产需求，按照需求进行系统分析、设计、开发，才能开发出真正实用的专家系统软件，提高产业的经济效益和综合社会效益，为农民增收，为农村经济发展贡献力量。本研究在知识获取中侧重于在基层对生产进行直接指导的农技人员，有时直接从农户处获取就是为了更接近于当地生产实际，与当地的社会文化水平相接近。

本文的知识组织与知识框架设计中，引入对象的概念，建立病虫害分辨决策，先分辨病害或虫害，后诊断具体病害或虫害；将病害诊断分为侵染性病害诊断、非侵染性病害诊断、营养失调症诊断三部分；将田间症状进行归纳建立标准的描述语言等的设计不仅对贵州西瓜适用，对于其他作物也具有重要的参考价值。

系统如果能加入病虫害的预测预报，在防治方法中加入经济评价，并能根据用户经济状况，提供最优化防治方案，将更有利于用户使用。如能与GPS、GIS结合则更有利于基层对生产进行直接指导。