基于Web的植物病虫害专家系统的设计与应用

摘 要：本系统以实现植物病虫害的诊断、查询及指导防治为目的，将常见植物病虫害的知识与防治技术高度集成。逻辑上分表示层、业务逻辑层（包括推理机、知识获取、在线诊断等业务逻辑）和数据层（包括知识库、数据库和用户信息），功能包括用户浏览、查询果树和蔬菜病虫害信息、对病虫害进行诊断识别及指导防治。

关键词：植物病虫害； 专家系统 ；Web

中图分类号：S436 ;TP182 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.03.022

Design and Application of Expert System of Plant Disease and Pests Based on Web

LIU Ren1，LIU Jie1，HUANG Jian-min2，LIAN Jian-bo1，CHENG Dong-mei1，ZHENG Jin-bi2

(1.Zhongkai University of Agriculture and Engineering , Guangzhou ,Guangdong 510225,China；2.Rural Information Center of Guangdong Province, Guangzhou ,Guangdong 510500,China )

Ａｂｓｔｒａｃｔ: This expert system highly integrated the knowledge and prevention techniques of common plant diseased, focus on the diagnosis and decision-making for prevention, while diagnosis, enquiries, guiding prevention as purpose. This system was logically divided the presentation layer, business logic layer (including the inference engine, knowledge acquisition, on-line diagnostics) and data layer (including knowledge base, database and user information). Functions included users browse, query information on fruit and vegetable pests and diseases, identification and diagnosis of diseases and insect pests prevention and control guidance.

Key words: plant pest; expert system; Web

自20世纪80年代以来，农业信息技术逐渐应用于农业的各个领域[1]，作为农业信息技术之一的农业专家系统应用较为广泛。农业专家系统是基于农业专家知识和模仿农业专家进行推理决策的计算机程序系统[2]。早在1978年，美国伊利诺斯大学开发了大豆病虫害诊断专家系统[3-4]，到了20世纪80年代中后期，农业专家系统从单一的病虫害诊断转向多种作物病虫害专家系统或生产管理信息系统。近年来，农业专家系统发展迅速，逐步将数学模型、模糊技术运用到在专家系统中去。农业专家系统拥有多方面多层次的农业专家知识，能够集成多项农业高新技术，甚至可以做出单个农业专家难以完成的科学决策。农业专家系统的研究与利用可以解决我国农业生产和研究中的技术咨询落后问题，植物保护是农业专家系统技术应用较早、较活跃的专业领域。在我国，农作物病虫害的监测预警信息系统[5-6]，各种农作物的病、虫、草的诊治系统[7-11]，已有研究报道，在现实的农作物病虫害综合治理中发挥重要的辅助决策作用。

目前在国内，植物病虫害的诊断、识别及其防治技术主要是通过农业技术人员传授知识的方式，其缺点是知识分散、有限、不系统，难以为农户所掌握，造成在病虫害防治上用药不当或滥用农药。农药的残留对环境产生污染并危害人类健康，由此引起的食品安全问题倍受人们关注。为了辅助农业技术人员指导农户进行科学的种植、掌握病虫害的防治技术并及时地获取各项相关的农业信息，需要设计研发一套植物病虫害专家系统软件，通过互联网为农民提供防治技术指导和远程咨询服务。

1 系统设计

植物病虫害专家系统是一个具有智能特点的计算机程序，汇集植物病虫害领域知识、模型和专家经验，采用知识表示技术和推理策略，以Internet网络为载体，为农业生产者提供病虫害诊断和咨询服务。

从逻辑上，本系统采用三层次应用体系结构：表示层（即用户界面）、业务逻辑层（包括推理机、知识获取、在线诊断等业务逻辑）和数据层（包括知识库、数据库和用户信息）。 系统逻辑结构如图1所示。

系统用户包括一般用户（农户等）、专家和系统管理员三大类。“一般用户”可以进行非修改性的系统操作；“专家用户”进行在线问答；“系统管理员”进行系统维护和将“知识”录入系统。

系统采用流行的SSH（Struts+Spring+Hibernate）架构组合进行物理设计。表现层使用Struts2.0作为基本框架；数据层使用了Hibernate数据库访问框架并使用JSC框架封装了数据库查询条件的解释；使用Spring容器来管理系统的对象和对不同层次之间的调用进行封装；系统用户登录的权限验证使用了Spring的拦截器[2]，该拦截器将会拦截所有系统的URL请求并判断该请求是否有权限访问该页面。为了提高查询效率和数据组织， 系统使用了Lucene全文搜索引擎，物理结构图见图2。

2 方法和步骤

2.1 知识库和数据库设计

专家系统的核心与难点之一是知识的分解和表示，即如何合理构建知识库和基础数据库问题。以病害为例， 专家系统的数据层主要包括：病害信息表、病原信息表、寄主基本信息表，这些表在专家系统中被作为基础数据库； 病害与关键词映射表、病原与关键词映射表、症状基本信息表，这些表以及表与表之间建立的关联构成知识库。

考虑到系统用户的多样性（包括专家、科技人员和一般农户）， 对症状的表述可能会有很大差异。因此，系统操作界面提供标准的下拉列表（症状、寄主、部位等）供用户选择， 避免了手工输入时因语言的多样性（不规范性）所造成的推理错误。根据这一基本设计思路，植保专家首先应从原始信息中提取症状基本信息，然后作为知识条目录入到系统中。

表间的关联关系见图3。

2.2 推理机设计

由于植保领域知识并不复杂，推理机可以采用常见的IF-THEN产生式规则编程实现。其中，可能有多个前项部分，以AND运算连接；在前项不充分的情况下，后项可能不唯一，会出现多个推理结果。

本系统推理机的逻辑关系如下：寄主--> 部位 --> 症状或危害状描述 --> 推理出诊断结果列表。

2.3 系统基本功能

本系统包括病虫害浏览、查询、诊断、知识管理、专家在线和后台管理等六大功能。

2.3.1 病虫害浏览 该功能以寄主为操作起点提供对病虫害、病原等的逐步查询。操作路径为选择寄主-->显示该寄主下病虫害列表-->选定病、虫害，病原等进行基本信息查阅。

进入病害或虫害信息页面（图4）可浏览某种病害或虫害的基本信息，包括：病害名称、病原菌、病害症状描述及症状图片、传播途径和发病条件、防治方法等或害虫名称、害虫形态特征、为害特点、生活史及主要习性、防治措施等。

2.3.2 病虫害查询 该功能根据用户输入的关键词，对虫害名称、病害名名称、病原名称进行匹配查询。按虫害名称或病害名称查询：将显示具体某一病害或虫害相关信息；按病原名称查询：将显示该病原引起的所有病害列表。这些信息以链接形式提供用户点击查询浏览。

2.3.3 病虫害诊断 该功能提供病虫害诊断为用户提供自助式的病虫害诊断功能。考虑到农业用户信息技能方面的差异，以及对问题描述上的客观差异性，本系统为用户提供菜单式的操作服务，即：选择寄主-->选择受害部位-->选择特定的病害或虫害的症状条目-->由系统提供最后的诊断结果（图5）。

2.3.4知识管理 知识管理包括基础数据库管理和知识库管理两大部分。 基础数据库保存植物病、虫害基本信息，包括：文字、图片、视频等；知识库的基本信息首先由植保专家离线整理， 然后登陆系统录入。知识库的一些特殊信息（数据的关联关系）通过系统界面在数据录入时进行简单的菜单式设定完成。

2.3.5 专家在线 专家在线提供给用户针对系统未能提供的信息进行离线问答的功能，即用户将疑难问题上传到系统中，由系统指定的专家诊断后进行答复。

2.3.6后台管理 系统管理后台包括基本信息、植物信息管理、专家提问（在线诊断）和系统管理四大功能。 其中， 基本信息和植物信息管理的基本部分实现对专家系统事实库的数据管理；虫害管理中的“果树关联”和病害管理的编辑界面可以实现系统的知识获取。

以图6所示的病害管理页面为例，该页面中的信息被执行保存操作时，将分别进行事实数据保存和知识数据保存。其中，名称、学名、部位、病害描述等被作为事实数据保存在t_disease表中；症状描述被保存在t_key表中；病害名称—病原—寄主—症状等诊断知识被分别保存在tr_diseasesource2key和tr_disease2key表，以及多表之间的关系中。

3 小 结

本系统是利用Web技术设计开发的植保专家系统，含盖了水果、蔬菜、粮食等作物，其信息包含病虫害的症状（虫害状）、病原（虫态）、发生规律、防治措施等植保知识。本系统可以通过互联网为用户提供农作物病虫害的专家系统浏览、查询、诊断功能，为农民获取农业技术及信息提供了植保知识平台，有利于农业信息技术的普及和农业科学技术的推广应用。但本系统仅收集了南方主要粮食、水果、蔬菜等作物的常见病虫害，要建立一个完整的、全面的植保专家系统，还需增补其它农作物如花卉、烟草等，进一步完善其内容。本系统的构建具有良好的推广应用前景，为农业领域信息技术的综合应用提供实际经验。

参考文献：

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[3] 王衍安，李明，王丽辉，等.果树病虫害诊治与防治专家系统知识库的构建[J].山东农业大学学报，2005，36（3）：475-480.

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[12] 李刚.轻量级Java EE企业应用实践： Struts 2＋Spring 3＋Hibernate整合开发[M].北京：电子工业出版社，2008：156-710.

收稿日期：2012-02-17；修订日期：2012-04-17

基金项目：广东省科技计划项目（2007B040801043）

作者简介：刘任（1955-），女，广东雷州人，高级实验师，主要从事植物病理及农业信息研究。

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