【毕业学位论文】（Word原稿）中国畜禽寄生虫分类鉴定专家系统初步研究预防兽医学硕士论文

密级 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 中国畜禽寄生虫分类鉴定专家系统 初步 研究 I 要 我国畜禽寄生虫种类繁多、鉴定困难，据 中国家畜家禽寄生虫名录 记载，仅寄生于普通畜禽的寄生虫达 2169 种，隶属于 8 门、 12 纲、 32 目、 126 科、 424 属 。探寻简便 、快速、准确的鉴定方法，是生物分类学家不断追求的目标。本文将 计算 机技术与传统生物学技术相结合， 以003 和 平台 ， 以 中国家畜家禽寄生虫名录 、 中国畜禽寄生虫 形态分类 图谱 和国内重要的寄生虫学专著为基本素材， 采用模块化的软件开发方法，分别开发了知识库、综合数据库、推理机、用户接口和知识获取及虫种资料数据库等模块，初步建立了中国畜禽寄生虫分类鉴定专家系统。 该 系统共有分类规则等知识 4443 条 、 中国重要畜禽寄生虫文字及图片记录 3495 个， 可对 中 国畜禽寄生虫所属的 8 门、 12 纲、 32 目、 126 科、 389 属进行 分类鉴定 。 该 系统 还 收录了中国家畜家禽寄生虫名录 和 中国畜禽寄生虫 形态分类 图谱2 部专著的全部内容， 提供了精确查询、模糊查询及地图查询等多种检索功能 ，能检索所列寄生虫的种名、 寄生 宿主与寄生部位、分布地区，以及 724 种寄生虫的形态描述等信息 。 该系统的开发，是专家系统在中国寄生虫分类鉴定中 的 首次应用 ， 其采用的知识获取、知识表示方式，及自行设计的知识分类、推理规则、推理机制、用户接口等内容 ， 可为进一步研究专家系统在中国寄生虫分类鉴定中的应用提供参考，也为分类鉴定人员提供了一 种 全新的实用工具 。该系统 不仅 可以帮助 具 有初步畜禽寄生虫相关知识的用户进行具有专业水平的分类鉴定工作，也可作为专业人员的辅助工具，提高分类鉴定效率，保证鉴定的准确性，对我国畜禽寄生虫研究和寄生虫病防治具有重要的参考价值 。 关键词 ：专家系统；寄生虫；分类鉴定 by 003 as 443 of 495 of of It of 12 32 126 89 of on A a on of be to of on to of in of by be to of in be a It of to do be an to 录 第一章 引言 1 研究目的和意义 1 我国畜禽寄生虫和寄生虫病状况 1 畜禽寄生虫分类技术 2 计算机技术在分类鉴定中的应用 3 专家系统概述 6 专家系统的定义 6 专家系统的发展历史及现状 6 专家系统的特点 7 专家系统的优点 7 专家系统的结构 8 专家系统开发工具 9 农业专家系统简介 10 农业专家系统的概念 11 国内外农业专家系统的应用及发展 11 专家系统在我国畜禽寄生虫分类研究中的应用前景 11 第二章 系统的开发 13 系统的开发环境 13 硬件环境 13 软件环境 13 系统开发相关技术 14 数据库管理技术 14 数据库规范化设计 15 面向对象技术 16 据对象访问技术 16 V 数据库的安全性 16 系统的开发目标和内容 16 系统的整体结构设计 17 分类鉴定模块结构设计 17 虫种资料检索模块结构设计 18 知识库的建立 18 知识的获取 19 知识的分类 20 知识的表示 21 推理机的设计与实现 26 推理 流程的设计 26 推理机的实现 27 综合数据库的建立 28 虫种资料数据 库的建立 28 虫种数据库的资料来源 29 虫种数据库的结构设计 29 虫种数据库的建立 31 查询功能的实现 31 主控模块的设计与实现 31 统界面 的 开发 32 主窗口界面 32 向导推理界面 32 快速鉴定界面 33 资料检索界面 33 详情查看 界面 33 地图查询界面 33 帮助 界面 34 第三章 系统运行 35 系统的运行环境 35 系统的安装 35 系统的运行和使用 35 分类鉴定向导 35 快速鉴定 46 资料检索 46 系统的维护 52 查看帮助 52 第四章 讨论 54 寄生虫分类 鉴定 专家系统的应用 54 中国畜禽 寄生虫分类 鉴定 专家系统的 知识来源 54 中国畜禽 寄生虫分类 鉴定 专家系统的 知识分类与知识表示 55 中国畜禽 寄生虫分类 鉴定 专家系统的 推理方式 55 中国畜禽 寄生虫分类 鉴定 专家系统的 界面 55 下一步研究设想 56 第五章 结论 57 参考文献 58 附录 62 致谢 70 作者简历 71 图清单 图 1 专家系统结构 8 图 2 系统整体结构功能图 17 图 3 分类鉴定模块结构 18 图 4 分类条件资料数据表 20 图 5 知识的分类结构 21 图 6 规则语义模型 22 图 7 知识库数据表 25 图 8 知识库数据表 25 图 9 知识库数据表 26 图 10 推理机工作流程 27 图 11 文字数据表 31 图 12 主控模块结构与功能示意图 32 图 13 窗体结构示意图 34 图 14 系统主窗口界面首页 35 图 15 向导推理界面首页 36 图 16 常规窗口特征选择 37 图 17 门推理结果 38 图 18 门特征选择 38 图 19 纲推理结果 39 图 20 目特征选择 40 图 21 目推理结果 40 图 22 科特征选择 41 图 23 科推理结果 42 图 24 属特征选择 42 图 25 属推理结果 43 图 26 列出所有可能结果 44 27 直接选择所属的目 44 图 28 种特征选择 45 图 29 种推理结果 45 图 30 快速鉴定特征选择 46 图 31 资料检索窗口 47 图 32 目录树浏览 47 图 33 列表浏览 48 图 34 精确查找结果 49 图 35 模糊查找结果 49 图 36 二次检索结果 50 图 37 地图查找界面 51 图 38 地图查找结果 51 图 39 查看虫种详情 52 图 40 系统维护界面 53 图 41 查看系统帮助 53 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 1 第一章 引 言 畜禽 寄生虫病在我国发生严重，不仅给畜牧业 生产造成严重的经济损失， 人畜共患寄生虫病还威胁人类的健康。 畜禽寄生虫的分类鉴定是进行畜禽寄生虫学 研究 和寄生虫病诊断 、 防治的基础。 本研究 将传统的形态学分类法与现代计算机 技术结合，通过数据库和多媒体 等 技术， 建立一套针对我国畜禽寄生虫 的分类鉴定专家系统，使初步具有 畜禽寄生虫 相关 知识的用户也能 在该系统的帮助下 进行具有专业水平的分类鉴定工作，同时也可作为专业人员进行分类鉴定的 辅助工具，以 提高分类鉴定的效率 。 究目的和意义 国畜禽寄生虫和寄生虫病状况 我国是世界上的畜牧业大国，随着畜牧业结构的不 断优化，我国的畜牧业生产持续稳定增长，肉、蛋产量已居世界首位，奶类生产增长迅速， 2003 年全国肉、蛋、奶、毛产量已分别达到 吨、 吨和 吨，畜牧业已成为农业和农村经济发展的重要支柱，在加速粮食转化、扩大农村就业、增加农民收入、带动种植业和相关产业发展及振兴农村经济等方面，都起到了不可替代的作用。 在畜牧业中，寄生虫病造成的损失巨大。 如 在世界范围内最常见的肠道线虫 病 曾在 1999 年给东欧养猪业 造成 1750 万美元的 直接 经济损失， 因饲料成本增加给美国猪场造成的经济损 失达6010 万美元 （ 2001） 。在我国，寄生虫病也十分严重，一些地区的畜禽寄生虫感染率达100%（ 钱德兴 等， 2001； 彭易惠 等， 2004） 。寄生虫病可引起畜禽大量死亡，严重影响畜禽的生产性能，降低畜禽产品的品质，直接给畜牧业造成损失。另外，由寄生虫病导致的动物饲料消耗增 加、人工浪费、防治费用增加、环境损害及相关产业的经济损失就更大。 而且，在生产实际中常有寄生虫病与细菌病或病毒病同时发生， 虽然采取一系列的诊断和防治措施， 但 常常效果不理想，甚至无效，给诊断和防治工作带来很大困难 （ 甘孟侯 ， 2004） 。 除了直接给畜牧业造成损失外，日本血吸虫 病 、 囊虫 病 、弓形虫 病 和 旋毛虫 病 等人畜共患 寄生虫病 还威胁人类的健康，影响了我国公共卫生和社会文明的发展。目前在城市人口中，这些寄生虫病的发病率有所上升，对人类健康和安全构成了威胁。 在我国，畜禽寄生虫的种类非常多，仅寄生于 17 种主要家养畜禽（马、驴、骡、骆驼、黄牛、水牛、牦牛 、犏牛、绵羊、山羊、猪、狗、猫、兔、鸡、鸭、鹅）的寄生虫就达 2169 种，隶属于 8 门、 12 纲、 32 目、 126 科、 424 属 （ 沈杰 等， 2004） 。各省市中，畜禽寄生虫种类最多的是四川省，有 672 种，其 次是甘肃省，有 624 种；最少的是海南省，有 188 种，其次是上海市，有 203 种。这些寄生虫中，有 900 种左右的分布具有明显的地域性，仅在一个省或邻近的几个省分布，如鸡锥虫 （ 仅分布在云南，艾氏泰泽球虫 （ 仅分布在江苏省和安徽省；而另一部分寄生虫的分布较广泛，没有明显的地域性，如中华按蚊（ 在黑龙江省、海南省等 28 个省市都有分布，伊氏锥虫 （ 国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 2 在内蒙古自治区、河北省等 24 个省市都有分布。种类繁多，分布状况复杂是我国畜禽寄生虫种类及分布状况的基本特点。 禽寄生虫分类技术 在寄生虫病防治中，弄清病原是首要的前提。寄生虫的分类与寄生虫的种类鉴别、历史与进化、诊断、防治等密切相关，是兽医寄生虫学和寄生虫病学的基础。目前采用的分类技术主要包括根据寄生虫的形态学、 生活史及 流行病学等特征进行分类的传统技术和以现代生物学技术，特别是分子生物学技术进行分类的分子系统学技术 （谢明权等， 2003） 。 统分类方法 自从 用 林奈的双名法对寄生虫进行命名以来，主要的分类 依据是形态学、生活史、宿主等方面的特征。 形态学分类是以肉眼和光学显微镜 为基础进行观察，根据虫体及器官的形态、大小及位置 进行分类。迄今为止，形态学方法仍然是寄生虫种类鉴定和分类的最主要方法之一 （沈杰， 2003） 。根据寄生虫的外部形态、内部构造及 超微结构等重要形态学特征，可以直观地、便捷地进行种类鉴定。对于 根据形态学特征难以鉴定某些近缘种时，可结合寄生虫的 生活史、 宿主 、寄生部位 等特征 进行鉴定。 形态学分类是经典的分类方法， 由于该方法容易掌握，仪器设备简单，因此目前仍然应用较多，尤其适合从事临床工作的兽医工作者 应用。但是该方法选取的某些种的形态结构特征没有明确的统一指标，难以作为决定分类地位的依据，造成某些虫种分类地位的争议，对虫种的科、属、种，尤其是种间与种内株（群 ）难以进行分类。而且仅凭人眼观察，避免不了人为因素的干扰；虫体标本在进行处理时，会影响虫体的大小及器官的位置，也会 给鉴定造成困难。 代生物学技术 随着生物技术的发展，科研人员 将现代生物学技术应用到寄生虫分类，以解决传统分类技术对 某些寄生虫种、株难以鉴定的问题。分子 生物学 分类方法是以蛋白质、染色体、核酸为材料，运用同工酶电泳技术、免疫 技术、分子细胞学技术、 交、种群基因结构分析及测序等技术进行对比分析鉴定。目前，多种 现代 生物学技术在寄生虫的种类鉴定中已经得到了广泛应用（ ， 1997） 。 （ 1） 同工酶电泳酶谱分析技术在寄生虫鉴定 中 的应用 同工酶（ 指有相同催化活性而分子结构、理化性质、生理功能和生物学特性不同的一类酶。不同种群和种的寄生虫所具有的同工酶不同，却又比寄生虫其他类别蛋白质恒定，因此可用于进行种间或种内的分类 （赵辉元， 1996） 。如人蛔虫 （ 和猪蛔虫（ 到底是同一个种还是两个不同的种，长期以来一直存在争议，应用传统方 法难以确定，通过对人蛔虫和猪蛔虫进行同工酶分析，证明了这两个种 应为两个独立的种。又如犬弓首 蛔 虫 （ 和猫弓首 蛔 虫 （ 也是两个相似种， （ 1993） 用 9种同工酶对两种线虫进行了检测，结果证实了这两个种为两个独立的种。 （ 2） 寄生虫鉴定 中 的应用 机扩增多态性 建立于 验基中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 3 础上的检测基因组 态性的实验技术。该技术利用大量各不相同的碱基顺序随机排列的寡聚单核苷酸链为引物，以待研究的基因组 段为模板，进行 增。扩增产物通过琼脂糖凝胶电泳等分离，经染色后，即可对此基因组 行多态性分析。 （ 1993） 应用 锥虫进行种间及种内差异的研究，发现该技术同样适用于锥虫的亚属和亚种的鉴别。 （ 1996） 应用 术鉴定出了寄生于绵羊体内的 4 种原虫 ： 群 （ 1998） 对 4 种鸡艾美 耳球虫进行扩增比较，证实了 全能够检出种间差异。 （ 3） 寄生虫鉴定 中 的应用 制性片段长度多态性 ） ，是分子标记中的重要技术。其基本原理是检测 限制性内切酶酶切后形成的特定大小的片段。近年来 ，法已经用于多种生物的分析中。在线虫种群特性研究中 ， 利用寄生虫基因组 行直接 析被认为是有效的 （蔺东等， 2002） 。 （ 1992） 采用基因组 析鉴定了根结线虫属 （ 的不同种群，提出利用基因组 析可以鉴别同种内亲缘关系较近的种群。 （ 4） 术在寄生虫鉴定 中 的应用 随着 术的发展，出现了基于 术上的 术，生物体的某些基因 两 端 为 高度保守 区 而中间为高度可变区，利用两端的保守区作为引物，可扩增出特异片段，这些片段的中间部分存在不同序列，因此用一定的限制性内切酶处理这些片段后，经电泳分析可 得到不同的酶切图谱，表现出 特征，利用这些酶切图谱可定性鉴定某一基因。研究表明 ， 利用虫体种 （ 株 ） 特异性遗传标记 ， 以区分种内及种间的差异。 （ 1996） 采用 法 ， 鉴别了狭首弯口线虫 （ 、犬钩口线虫 （ 和 锡兰 钩口线虫 （ 。 （ 5） 形编码在寄生虫鉴定中的应用 形编码（ 是根据对一个统一的 目标基因 列的分析，达到物种鉴定的目的。自 2002 年被首次提出以来（ et 2002; et 2003） ， 已成为生物分类学中引人注目的新方向。其 原理是根据 每个物种 列的唯一性，选取 一段既便于用通用引物扩增，又足以区分物种的基因作为物种的 形编码，进行物种鉴定时，只需经过 增、纯化、测序以及序列分析，通过和 形编码进行两两比较并计算其差异值，然后根据差异值来确定物种之间的关系即可。 2003 年 9 月在美国召开的题为“ NA of 议提出了“国际生物条形编码计划（ ， 设想利用 20 年的时间 建立起完整的 形编码系统，成为全球生物鉴定系统（ 基础（肖金花等， 2004）。 应用以上生物学技术进行寄生虫分类，优点是以寄生虫最本质的遗传物质为分类指标，更为科学，且准确性高，解决了许多传统分类中有争议的问题。缺点是设备要求高，费用较高。 算机技术在分类鉴定中的应用 随着信息技术的发展，计算机的应用领域日益广泛，在生物分类研究中，科研人员和计算机中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 4 程序开发人员也开始探索利用计算机强大的数据处理能力。 20 世纪 60 年代以来，数值计算、数据库、管理信息系统以及视觉识别等计算机技术都被尝试应用到生物物种的分类鉴定中来，其中的一些研究成果已得到应用，成为分类鉴定的有效辅助工具。 目前，应用计算机技术辅助分类鉴定主要有 4 种类型，即：计算机分类检索表、多路存取检索（ 专家系统（ 计算 机视觉识别（ 算机分类检索表 计算机分类检索表是由研究人员直接将传统的二叉式分类检索表用编程语言输入计算机内，并编制人机对话式窗口 供用户进行操作。 在执行过程中，计算机在后台快速处理数据，仅将有用的检索条目显示出来，隐藏无关的条目。在这类程序中，计算机主要起到了快速检索的作用，程序逐条显示二叉式检索条目，由用户选择 “ 是 ” 或 “ 否 ” 后程序即快速跳转到相应的下一条目。如此逐条选择，最终获得检索结果。整个过程完全就是 二叉式检索表的电子化。 分类检索表计算机化的优点是查询快速、准确，比手工查阅书面的分类检索表方便许多，大大提高了检索效率。南京农业大学席庆奎等 （ 1998） 编制飞虱科褐飞虱属的分种检索表程序，胡奇 （ 1990） 、蒋齐 （ 1992） 等人分别应用 程序编制的昆虫检索表，以及杨学云等 （ 2004）开发的畜禽寄生蠕虫形态学分类检索系统都属于这种类型。 路存取检索 多路存取检索程序也是一类被普 遍 应用的工具。它们最初是源于穿孔的卡片或纸板，而后来计算机化了 ， 合适的名称应该是在线鉴定程序或 随机存取鉴定指示 （ 宋延龄 ， 1998） 。多路存取检索使用数据矩阵（物种 性状），其中矩阵的行代表不同的物种，列代表一系列性状，每个元素（由行 i 和列 j 限定）就是一个取值，代表矩阵中物种 i 的性状 j 的状态值。 多路存取检索的明显特征是使用者能决定性状状态值的输入顺序，而不是像在一个二叉式检索表中那样由检索表按自己的顺序来提问特定性状的状态值。随着每个性状的输入，那些不具这些性状状态的种，就从下一步的鉴定中排除出去。允许使用者在鉴定过程中控制性状取值的输入顺序有两点好处 ，其一是 能首先选择明显的、使用者可以正确识别的性 状 ，其二是 使用者不必去猜测不太确切的性状（尽管有的多路存取检索程序允许定义一些可变的性状状态）。由使用者控制输入顺序的缺点是，使用者可能选择容易观察的性状，而这些性状，在随后辨别剩余的种时无太大的作用。多数多路存取检索程序都有一个指令，用以区分性状在分辨物种时的有效程度 ， 处于最高级别的性状在鉴定中最为有效。这样使用者就可以在剩余的性状中，选择对于鉴定是最好的那个性状。 多路存取检索程序，可能不会彻底鉴定一个标本，特别是当性状数目不足时，就不可能鉴定到种。相反，当标本有畸变性状，或当错误地观察了一个性状时，就 会发现手上的标本不属于任何一个物种。为了避免这类问题，引入了相似系数（ 用以确定哪个种与所要鉴定的标本最相似。 家系统 随着专家系统在各个领域的广泛应用，也出现了分类鉴定专家系统。在各种结构类型的专家系统中框架型（ 结构和分类学 中 的二叉树结构很相似，因此分类专家系统多采用中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 5 这种结构 （ ， 1987）。 其设计思路是将动物分类中的二叉式检索表用数据库表示成系统知识库，利用计算机数据结构中二叉树结构的分枝搜索技术实现推理，以进行 分类的辅助鉴定。在推理过程中，用户和计算机通过人机交互接口实现对话，通常用户可以通过回答系统提出的启发式问题向系统提供信息，由系统推算出结果。在推理过程中，用户也可以向系统提问，了解分类依据，为进一步分类提供线索。如果用户具有足够的分类鉴定的专业知识，则可以直接提供给系统惟一或最具特征的性状，从而使系统最快捷地推算出结果。专家系统一般采用数据库管理系统技术，可容纳海