中药指纹图谱专家系统知识库构架研究

作者     作者单位

王海慧  沈阳药科大学(辽宁 沈阳 110016)

董鸿晔  沈阳药科大学(辽宁 沈阳 110016)

金杰    沈阳药科大学(辽宁 沈阳 110016)

孙国祥  沈阳药科大学(辽宁 沈阳 110016)

Knowledge Base Structure Research of Traditional ChineseMedicine Fingerprint Expert System

Wang Haihui，et al

henyang Pharmaceutical University(Shenyang 110016，China)

Abstract：Objective：The Knowledge Base of traditional Chinese medicine fingerprint expert system framework was studied in this work and the structure of the framework based on its design process was explained.Methods：The traditional Chinese medicine fingerprint expert system knowledge base System was built based on B/S structure using SQL Server 2005 Analysis manager and Visual Studio.NET development tool，as well as using object-oriented technology.Results：This system realized the classification，storage，query，inference，and management functions based on the information of the Knowledge Base of traditional Chinese medicine fingerprint.Conclusion：The knowledge base had a reasonable structure，data-rich，well-reasoned characteristic and was a core module foundation of traditional Chinese fingerprint medicine-line expert system design and implementation.

Key words：traditional Chinese medicine fingerprints;expert systems;databases;knowledge base;frame structure;Logic

引言

中药指纹图谱是某种中药材或中成药经过适当处理后采用一定的分析手段得到的能够标示该中药特征的色谱、光谱或其他图谱。它能够全面反映所含化学成分的种类和数量，具有专属性、稳定性和重现性。依据指纹图谱信息特征，采用模糊数学的处理方法能够科学地、恰当地评判中药材和中成药的质量[1]。据文献报道，在中药指纹图谱领域，还没有一个完整的专家系统出现，用户查询指纹图谱相关信息，犹如大海捞针一样盲目无序。为了把这些信息有序地组织起来，将已有的专家知识给定一个科学的知识分类体系，同时，把关于中药指纹图谱的所有信息都纳入这个分类体系之中，形成一个中药指纹图谱专家系统，使用户能有序地通过系统查找该领域的资源以节约人力物力，方便知识库管理员更新系统的管理专家的知识，积累和保存信息和知识资产，加快内部信息和知识的流通，实现知识的共享，也方便了开发人员对系统的开发与维护。本文通过对中药指纹图谱专家系统知识库构架研究，提出了一种中药指纹图谱知识库的实现方法，该方法有针对性、可操作性、实用性。

1 中药指纹图谱知识库结构

1.1 中药指纹图谱知识库框架体系

中药指纹图谱在线专家系统，以高效液相色谱指纹图谱在线专家系统为主体，以气相色谱指纹图谱、高效毛细管电泳指纹图谱、薄层色谱指纹图谱和中药DNA 指纹图谱在线专家系统为辅助，形成功能较全面的色谱指纹图谱在线专家系统[2]。传统的专家系统结构各异，但主要包括知识库、推理机、学习机和用户界面四个部分。其中，知识库是用来存储和管理问题求解所需的专家系统知识，知识库中拥有知识的数量和质量是衡量一个专家系统的性能和问题求解能力的关键因素[3]。中药指纹图谱在线专家系统知识库利用“检索表”的思想，通过模糊数学等推理方法实现，其结构如图1所示。这种方式比较接近于人类的思维方式，规则间相对独立，条件、动作、结论的层次也比较分明，易于理解。本知识库由三部分内容组成，规则库用于存储在做药学实验过程中可能遇见的问题和专家的知识形式化的规则;事实库用于存储中药指纹图谱实验的基本预处理方法、实验条件、数据字典等;动态知识库用于存储用户在系统运行中输入的数据、系统推理用的规则和根据规则得出的结论，以及在解释用户提问时的运行过程记录等。

1.2 中药指纹图谱知识库设计原理

建立一个合格的谱图，需要一个合理的分析方法，高度重现的仪器，稳定高效的色谱柱，更为重要的是优化的操作条件。而中药指纹图谱专家系统就是用计算机模拟具有丰富指纹图谱研究经验的专家的思维过程。本系统的工作模式如图2所示。首先，由用户给出将要做实验的中药材(中药制剂)名→查找知识库(事实库)，是否做过该类药品的实验(如果没有找到)→调出实验方法鉴定的知识库(规则库)→从专家知识库中提取相应的条件(规则)显示到用户界面上→由用户进行判断→移动知识库(规则库)数据指针到对应的下一级位置。该过程将反复进行，直到满足某一条件时(对应的下一级特征序号为End)，推理过程结束。由用户给出反馈信息，并记录以上方法到知识库(事实库)，从而丰富了知识库，同时提高了推理速度。

2 中药指纹图谱知识表示

知识是信息经过加工整理、解释、挑选和改造而形成的，是人们进行决策的基础。知识表示是用计算机能够接受并进行处理的符号和方式来模拟人类专家进行思维、推理，不同的表示方法大大地影响系统的工作效率。因此，知识表示在专家系统的构建中起着关键的作用。这就需要研究如何把专家的知识形式化，并转移给机器的方法。常用的知识表示有一阶谓词逻辑、产生式、框架、语义网络、面向对象等表示法。本系统采用产生式规则的知识表示形式，就像BASIC等编程语言里的条件语句一样，IF后面跟的是条件，THEN后面的是结论，条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR进行复合，如：if(中药材实验)then(科属or化合物or一般方法)、 if(科属方法)then(毛茛科or木兰科or豆科……)、if(固体)then(方法1 and 方法2)等，具体结构见表1。 表1 高效液相指纹图谱规则表(略)

这种存储结构便于管理、查询和使用，知识表示语言简洁，接近与自然语言，知识库的可扩充性大、可读性高，有利于知识的电子化存储，在推理的过程中也有利于搜索和匹配。

3 中药指纹图谱知识获取

中药指纹图谱在线专家系统的知识主要包括两种类型：一是理论知识或正式知识，如中药材基本信息、实验器材信息、基本实验过程等;二是经验性知识，即中药学专家的实验经验，这类知识与识别或归纳有关，如记录完整的某一中药材的实验过程，实验注意事项等。基于规则的专家系统中，知识的获取通常都是由知识工程师通过与领域专家的交流，从专家对大量实例的分析中获取专家解决问题的思路、知识、经验及规则，并进行分析、总结、抽象，最后被转化为能被计算机应用的形式。由于知识工程师并非领域专家，缺乏相关领域的专业知识，要领会专家知识的精髓就必须与领域专家进行比较长时间的交流和沟通[4]。而人与人之间在交流和沟通时难免出现理解上的偏差，造成知识工程师在分析和总结专家知识的时候出现失误。根据以往的经验来看，知识的获取往往是专家系统实用化中最难解决的问题，它制约着专家系统功能和效率的提高，是建立专家系统的瓶颈[5]。中药指纹图谱在线专家系统知识获取的方式可分为直接获取和间接获取两类，前者类似于数据库领域中的数据挖掘过程，后者在数据库的逻辑设计中主要表现为如何向数据库中添加记录，如图3所示。

4 中药指纹图谱知识管理

随着时间的推移，中药学的迅速发展，知识库必然要不断进行更新，扩充新知识，删除无用或过时的知识，使专家系统适应新的实际情况。只有对知识库进行有效的管理，才能使知识库和专家系统在药学领域的应用获得长远发展，充分发挥其作用。本知识库管理系统为维护知识库的完整性、安全性和可扩充性提供了可靠保证，主要体现在：

4.1 知识库的完整性

知识库的完整性是指库中内容的正确性和一致性。这就要求知识库中的知识不允许有偏差，同时也不能相互产生矛盾。几乎所有的专家系统的研制者在开发自己的系统时，都在追求这个目标。知识库的完整性如果得不到保证，一方面会产生错误的推理结果，另一方面还可能引起整个知识库的全面崩溃[6]。一旦产生了错误的推理，其影响是十分巨大的。

4.2 知识库的安全性

对于中药指纹图谱知识库来说，保证知识库不被非法使用，避免库中内容泄露、更改和破坏是十分必要的。为了确保知识库的安全，每个用户都必须拥有合法的用户名和密码才能进入进行相应的操作，并且对不同的用户授予不同的操作权限，使用户只能在自己权限允许的范围内活动，任何超越权限范围的活动将会被拒绝[7]。

4.3 知识库可扩充性

考虑到中药学专家不能很快地把领域问题的所有知识定义为一个完整的知识库，须在使用过程中再不断增加、修改、删除来扩充和完善知识库[8]。因此要求知识库系统的数据结构和存取程序必须足够地灵活，使得不需要作硬件上或控制结构上的修改就能对知识库进行扩充，本系统采用知识库与推理机分离的手段来实现这一目的[9]。这种方法将专家系统的知识作为一个开放集来处理，并尽可能地模块化地存储知识条目，便于知识的扩充。

5 结论

中药指纹图谱系统可汇集不同指纹图谱研究成果于数据库，不断发展壮大，对我国节约指纹图谱研究中的人力和物力，合理利用中药资源、促进中药现代化、加速我国实现重点发展中药、使中药走向国际的目标具有重要的战略意义和现实意义[10]。结合不断发展的计算机和化学计量学手段，形成人工智能在线中药指纹图谱专家系统。利用计算机网络共享中药指纹图谱研究成果，聚合全国或全世界中药指纹图谱研究的数据资源，整合分析仪器设备，对加速我国中药现代化进程具有现实意义和迫切性。这一研究将改变以往的专家系统形式，改变指纹图谱研究的传统方式，是建立典型的以网络为基础的科学活动环境的研究。

【参考文献】

[1]孙国祥，雒翠霞，任培培，时存义.中药指纹图谱学体系的构建[J].中南药学，2007，5(1)：100-110 .

[2]阎丽丽，孙国祥，陈晓辉，毕开顺，董鸿晔，金杰.中药高效液相色谱指纹图谱在线专家系统设计与应用[J].中南药学，2008，8 Vol.6 No.4：466-470.

[3]袁磊，张浩，陈静，陆剑峰.基于本体化知识模型的知识库构建模式研究[J].计算机工程与应用，2006，42(30)：65 -68.

[4]贺福元，罗杰英，刘文龙.中药谱效学研究方向方法初探[J].世界科学技术-中医药现代化，2004，6(6)：44 -55.

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