基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断方法与系统 【技术领域】
本 发 明 涉 及 黄 瓜 病 害 诊 断 领 域， 具 体 涉 及 一 种 基 于 IVR(Interactive Voice Response， 交互式语音应答 ) 的黄瓜病害数值诊断方法与系统。背景技术
由于我国黄瓜病害发生种类多， 而农民信息接受能力差导致黄瓜病害诊断困难， 病害致使菜农损失严重。 长期以来， 黄瓜病害防治主要依靠化学防治， 而化学农药的大量使 用带来产品农药残留超标、 人畜中毒等问题日益受到社会的关注 ； 另一方面， 黄瓜种植户知 识层次普遍偏低、 农业技术推广和农民培训手段又相对落后， 领域专家相对于广大菜农人 数有限， 领域专家的知识经验并不能有效地为广大菜农服务， 致使广大菜农的知识需求和 领域专家的知识供给间出现了技术供给断层。因此， 设计黄瓜病害远程诊断系统可使领域 专家的知识经验直接快速地为广大基层菜农及时防治黄瓜病害服务， 从而减少经济损失。 目前， 国内外有关专家系统研究趋于成熟。如冯洁等研究了常见黄瓜病害的多光 谱诊断方法， 陈兵旗等设计了基于图像处理的小麦病害诊断算法， Gunjan Mansingh 等开发 了针对牙买加咖啡种植过程的病虫害防治专家系统 CPEST ； 周健等设计的基于 Web 的蔬菜 栽培专家系统可实现蔬菜病虫害预测与诊断、 管理模式优化、 栽培知识学习等功能 ； 刘树文 等设计的基于模糊神经网络的葡萄病害诊断系统改善了传统专家系统学习能力差的特点 ； 牛贞福等研究的黄瓜病虫害诊断专家系统使诊断实现了基于产生式规则的模糊推理 ； 传统 的专家系统要求大量高精度的源数据以确保诊断结果的准确性， 而复杂的学习过程对于文 化素质较低的基层菜农在使用上造成了困难， 不便于专家系统的推广 ； 而基于自动视觉诊 断的专家系统造价昂贵， 相对于基础设施落后的我国农村大部分地区， 系统昂贵的安装及 后期维护费用为其推广造成了困难。
IVR 能识别用户通过双音多频话机上的数字键盘输入的 DTMF(Dual Tone Multi Frequency 双音多频 ) 信号， 并向用户播放预先录制好或通过 TTS(Text-To-Speech) 技术动 态生成的语音， 使系统和客户进行自助语音交流， 引导客户进行操作。这样， 用户就可以通 过数字按键与自动语音应答设备进行交流， 以实现自动化语音服务。 IVR 技术被广泛用于语 音增值业务， 以提高呼叫服务的质量。交互式语音应答的黄瓜病害数值诊断方法与系统利 用 IVR 技术， 以呼叫中心作为信息交互平台， 与黄瓜病害远程诊断系统相结合， 走农村信息 化低成本的技术路线， 解决菜农不具备计算机知识和互联网服务的问题。
发明内容
为解决上述问题， 本发明的目的是提供一种基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断方法与 系统， 用户通过呼叫中心进入 IVR， 收听各部位症状并使用按键选择黄瓜病害的相应症状， 实现对黄瓜病害简单高效的诊断从而使菜农方便快捷地获得诊断结果及其防治方法。
为了达到以上目的， 本发明提供了一种基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断方法。
根据本发明的方法， 诊断系统包含以下步骤 ：步骤 S1， 用户通过通信工具拨打呼叫中心号码进入 IVR， 查询相关黄瓜病害知识、 药品知识或根据语音提示选择发病部位症状， 选择黄瓜病害的症状集合 ；
步骤 S2， 根据用户输入症状集调用数据库中数据表查找黄瓜可能发生的病害集， 该表单由专家根据农业知识设定 ；
步骤 S3， 计算相关病害的判点数， 判断最大值与次大值之差是否大于等于第一阈 值； 是， 则最大值所对应的病害即为结果病害 ； 否则进入步骤 S4 ；
步骤 S4， 计算相关病害分值， 判断最大值与次大值之差是否唯一且大于第二阈值， 是， 则最大值所对应的病害即为结果病害 ； 否则进入步骤 S5 ；
步骤 S5， 计算相关病害总判点数与判点数之差， 判断最小值是否唯一， 是， 则最小 值所对应判点数为最大判断数， 该最大判点数对应的病害即为结果病害 ；
步骤 S6， 用户通过 IVR 收听系统通过推理所得到病害名称及防治方法。
根据本发明的另一方面， 还提供了一种基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断系统。该系 统包括通信终端、 IVR 推理模块和服务器。
1、 通信终端 ： 用户接入 IVR 所使用的通信工具及通信网络， 通信工具包括固定电 话和移动电话， 通信网络包括电话网和移动通信网络。
2、 IVR 推理模块 ： 与通信终端相连， 用于对用户请求进行交互式语音处理。
3、 服务器 ： 与 IVR 推理模块相连， 用于知识库、 语音库的调用和中间数据的读取。
其中， 所述通信工具包括固定电话和移动电话 ； 通信网络包括电话网和移动通信 网络。
本发明的有益效果如下 ：
(1) 实现基于电话的黄瓜病害诊断系统应用方式， 拓宽黄瓜病害诊断系统应该范 围， 为网络设施不发达的农村地区提供应用黄瓜病害诊断系统的条件 ；
(2) 没有专家坐席参与的基于交互式语音应答的黄瓜病害诊断系统， 使用户对黄 瓜病害的诊断不受时间地点限制， 能够降低呼叫中心的经济成本 ；
(3) 操作简单、 方便快捷的基于交互式语音应答的黄瓜病害诊断系统能够降低农 民的学习成本， 进一步促进黄瓜病害诊断系统的推广。 附图说明
图 1 为本发明基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断方法的流程图 ；
图 2 为本发明基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断系统结构示意图 ；
图 3 为本发明基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断系统另一实施例的结构示意图。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明 ：
如图 1 所示， 为本发明的基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断方法的流程图。根据本发 明的方法， 用户根据语音提示选择发病部位症状 ； 根据用户输入的症状提取对应病害集合 ； 利用用户输入症状对可能发生的病害集合进行推理， 得出最大可能的病害 ； 用户通过 IVR 收听最大可能的病害名称及其防治方法。其中， 本发明涉及黄瓜病害症状 79 项， 病害种类 18 项， 黄瓜病害知识 18 项， 药品知识 23 项。下面详细描述该方法 ：在步骤 S1， 用户通过通信工具 ( 例如， 固定电话、 移动电话、 IP 电话 ) 拨打呼叫中 心号码进入 IVR， 查询相关黄瓜病害知识、 药品知识或根据语音提示选择发病部位症状， 选 择黄瓜病害的症状集合。
用户通过通信工具拨打呼叫中心号码进入 IVR 后， 再通过话机按钮进入 “黄瓜病 害知识查询” 、 “药品知识查询” 和 “黄瓜病害自动诊断” 选项。例如， 用户根据语音提示， 选 1 进入 “黄瓜病害知识查询” ， 选 2 进入 “药品知识查询” ， 选 3 进入 “黄瓜病害自动诊断” ， 挂 机则退出。
选 1 进入 “黄瓜病害知识查询” 后： 用户根据语音提示选择黄瓜病害名称 ； 播放查 询结果， 或退出语音服务系统。 所述黄瓜病害包括 18 种病害 ： 黄瓜霜霉病、 白粉病、 角斑病、 炭疽病、 灰霉病、 黑星病、 枯萎病、 蔓枯病、 病毒病、 疫病、 白绢病、 菌核病、 跟线虫病、 斑点病、 黑斑病、 靶斑病、 叶斑病和根腐病。例如， 用户根据语音提示选择黄瓜病害名称， 如选 1 进入 “黄瓜霜霉病” ， 选 2 进入 “黄瓜白粉病” ； 播放查询结果， 或选 “#” 返回上一级菜单。
选 2 进入 “药品知识查询” 后： 用户根据语音提示选择黄瓜病害防治相关药品名 称； 播放查询结果， 或退出语音服务系统。例如用户根据语音提示选择病害防治药品名称， 如选 1 进入 “五氯硝基苯” ， 选 2 进入 “甲基硫菌灵” ； 播放查询结果， 或选 “#” 返回上一级菜 单。 选 3 进入 “黄瓜病害自动诊断” 后： 用户根据语音提示选择黄瓜发病部位及症状， 系统进行自动推理， 将得到的推理结果播放给用户或退出选项， 或退出语音服务系统。 所述 黄瓜发病部位包括 8 个选项 ： 株选项、 苗选项、 叶选项、 茎选项、 花选项、 果选项、 根选项和发 病环境选项。例如选 1 进入 “株选项” ， 选 2 进入 “苗选项” 。用户按数字键选择发病部位， 或选 “#” 返回上一级菜单。进入任一发病部位选项后 ： 用户根据语音提示选择症状， 如选 1 进入 “株选项” 后， 收听 “1 蔫或枯死， 2 不蔫， 3 矮小或中午蔫” 来按下数字键选择症状， 或按 “*” 输出诊断结果， 或选 “#” 重新选择发病部位。
本发明将黄瓜病害症状从发病部位选项开始为三级目录， 每一级均不超过 9 个选 择项， 如 “叶选项” 包括 9 个子选项 ： 整叶选项 (1)、 叶斑选项 (2)、 叶肉选项 (3)、 新叶选项 (4)、 叶面选项 (5)、 叶背选项 (6)、 叶缘选项 (7)、 上部叶选项 (8) 和下部叶选项 (9)。上述 每个子选项下面还包括一级症状， 例如 “叶斑选项” 包括症状 ： 斑生灰霉 (2)、 斑心灰白或灰 褐 (4)、 斑界明显 (9)。本发明提供了详细的症状供用户选择。IVR 流程设计的人性化可提 高系统的可操作性。
利用用户通过话机按钮选择的症状， 通过下式计算出用户输入数字对应知识库中 的症状 ：
公式 (1)其中， up(p ＝ 1， 2， ……， k， ……， 8) 为每个发病部位的子选项数， 其中 k 为用户按 键选择发病部位所输入的数字。p 的最大值为发病部位的选项数， 对于本发明的示例， 有8 个选项 ： 株选项、 苗选项、 叶选项、 茎选项、 花选项、 果选项、 根选项和发病环境选项。 up′ (p′ ＝ 1， 2，……， k′，……， 9) 为每个发病部位子选项的症状数， 其中 k′为用户按键选择子 选项所输入的数字。ukk 为用户按键选择症状所输入的数字。则 di 即为该输入数字 ukk 唯一 对应的知识库中的症状。在步骤 S2， 根据用户输入症状集调用数据库中的数据表查找黄瓜可能发生的病害 集。数据库中存储有症状 - 病害对应表 1 以及病害 - 症状对应表 2， 这两个表单由专家根据 农业知识设定。本系统中共整合了 79 项症状种类， 18 项病害种类。
症状 - 病害对应表 1 存储的是每个症状对应的病害， 如下表示意性所示 ：
症状 d1 … d9 … d14 d15 d16 … d21 … d79
病害 p11、 P13 … p1、 p3、 p4、 P16、 p17 … p16、 p17 p15 p16、 p17 … p17、 p18 … p2症状 - 病害对应表 1 病害 - 症状对应表 2 存储的是每个病害对应的症状， 如下表示意性所示 ： 病害 p1 … P3 P4 症状 d9、 d25、 d26、 d75、 d77 … d7、 d9、 d24、 d25、 d27、 d46、 d75、 d77 d7、 d9、 d36、 d36、 d68、 d757102075645 A CN 102075652说… P16 P17 p18 …明书5/9 页d9、 d14、 d16、 d19、 d20 d9、 d14、 d16、 d19、 d21 d6、 d21、 d54、 d55、 d71、 d72病害 - 症状对应表 2
系统根据用户输入症状集合 DX ＝ {di|i ∈ x}， x ∈ 79( 对应于本发明所涉及的 79 种症状 )。通过查找症状 - 病害对应表 1 提取对应的病害集合 PY ＝ {pj|j ∈ Y}， Y ∈ 18( 对 应于本发明所涉及的 18 种病害 )， 通过查找病害 - 症状对应表 2 确定病害 pj 对应的症状集 DJZ ＝ {di|i ∈ jz}(jz ∈ x)。
步骤 S3， 计算每种病害对应的用户输入症状个数 ( 判点数 )， 求得最大判点数与次 大判点数的差。
计算病害集合 PY 的判点数集合 SY ＝ {sj|j ∈ Y}， 其中 sj 为病害 pj 对应症状集 DJZ 的元素个数 ；
将集合 SY 排序， 最大判点数表示为 sm， 次大判点数表示为 sn， 当 sm-sn ≥ 2 时 ( 当 然， 为了提高准确性， 也可以设定其他阈值， 例如判断两者之差是否大于等于 3)， sm 对应的 病害 pm 为结果病害， 进入步骤 S6， 用户通过 IVR 收听系统通过推理所得到病害名称及防治 方法。如果最大判点数不唯一， 或者最大与次大值之差小于 2， 则进入步骤 S4。
步骤 S4， 计算可能病害集中病害的分值 ( 症状集中症状在每个病害中所占的分值 的和 )， 求得最大与次大病分值之差。
通过下式计算病害 pj 的分值 BY ＝ {bj|j ∈ Y} ：
公式 (2)其中 σij 为症状 di 在病害 pj 中所占的分值， 该分值由领域专家以专家根据德尔菲 法， 运用模糊数学隶属度等方法， 以打分的形式给出， 存储在数据库的病害 - 症状分值表 3 中。如下表示意性表示 ：
病害 - 症状分值表 3
将集合 BY 排序， 最大分值表示为 bm， 次大分值表示为 bn， 当 bm-bn ≥ 8 时 ( 当然， 为了提高准确性， 也可以设定其他阈值， 例如判断两者之差是否大于等于 9)， 输出诊断结果 为 bm 对应的病害 pm， 即诊断结果为最大分值和对应的病害， 进入步骤 S6， 用户通过 IVR 收听
系统通过推理所得到病害名称及防治方法。如果最大分值不唯一， 或者小于 8， 则进入步骤 S5。
步骤 S5， 计算可能病害集中病害的总判断点数 ( 病害所对应的总症状集中的所有 症状个数 ) 与判点数之差。
计算病害 pj 的总判点数 S′ Y ＝ {s′ j|j ∈ Y}， 其中 s′ j 为病害 pj 对应的所有 症状数， 通过下式计算病害 pj 的 WY ＝ {wj|j ∈ Y} ：
wj ＝ s′ j-sj 公式 (3)
其中 wj 为 pj 的总判点数与判点数之差。
将集合 WY 排序， 如果最小值唯一， 则表示为 wm， wm 对应的判点数最大值且唯一， 该 最大判断数对应的病害即为结果病害， 进入步骤 S6， 用户通过 IVR 收听系统通过推理所得 到病害名称及防治方法。否则， 返回步骤 S1， 提示诊断出错， 提示用户重新输入症状。
步骤 S6， 用户通过 IVR 收听系统通过推理所得到病害名称及防治方法。
本发明还提供一种基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断系统， 如图 2 所示， 所述系统包括 通信终端、 IVR 推理模块和服务器。
1、 通信终端 ： 用户接入 IVR 所使用的通信工具及通信网络， 通信工具包括固定电 话和移动电话， 通信网络包括电话网和移动通信网络。
用户根据语音提示， 选 1 进入 “黄瓜病害知识查询” ， 选 2 进入 “药品知识查询” ， 选 3 进入 “黄瓜病害自动诊断” ， 挂机则推出系统 ；
进入 “黄瓜病害知识查询” ： 用户根据语音提示选择黄瓜病害名称， 如选 1 进入 “黄 瓜霜霉病” ， 选 2 进入 “黄瓜白粉病” ； 播放查询结果， 或选 “#” 返回上一级菜单 ；
进入 “药品知识查询” ： 用户根据语音提示选择病害防治药品名称， 如选 1 进入 “五 氯硝基苯” ， 选 2 进入 “甲基硫菌灵” ； 播放查询结果， 或选 “#” 返回上一级菜单 ；
进入 “黄瓜病害自动诊断” ： 用户根据语音提示选择黄瓜发病部位， 如选 1 进入 “株症状” ， 选 2 进入 “苗症状” ； 选择发病部位症状， 或选 “#” 返回上一级菜单 ；
进入任一发病部位选项后 ： 用户根据语音提示选择症状， 如进入 “株症状” 后， 收听 “1 蔫或枯死， 2 不蔫， 3 矮小或中午蔫” 按下相应的数字键来选择症状， 或按 “*” 输出诊断结 果， 或选 “#” 重新选择发病部位。
本发明将黄瓜病害症状从发病部位开始分为三级目录， 每一级均不超过 9 个选择 项， 如 “叶症状” 包括整叶选项、 叶斑选项、 叶肉选项、 新叶选项、 叶面选项、 叶背选项、 叶缘选 项、 上部叶选项和下部叶选项， 每个子选项都包括对应的症状供用户选择。IVR 流程设计的 人性化可提高系统的可操作性。
2、 IVR 推理模块 ： 与通信终端相连， 用于对用户请求进行交互式语音处理。
利用用户通过话机按钮选择的症状， 通过上述公式 (1) 计算出用户输入数字对应 知识库中的症状， 在此不再赘述。
IVR 推理模块的数据库中存储有症状 - 病害对应表 1 以及病害 - 症状对应表 2， 这 两个表单由专家根据农业知识设定。本系统中共整合了 79 项症状种类， 18 项病害种类。症 状 - 病害对应表 1 存储的是每个症状对应的病害， 如上面表 1 所示。病害 - 症状对应表 2 存储的是每个病害对应的症状， 如上面表 2 所示。 系统根据用户输入症状集合 DX{di|i ∈ X}， X ＝ 79。通过查找症状 - 病害对应表 1 提取对应的病害集合 PY ＝ {pj|j ∈ Y}， Y ＝ 18， 通过查找病害 - 症状对应表 2 确定病害 pj 对应的症状集 DJZ ＝ {di|i ∈ jz}(jz ∈ x)。
计算每种病害对应的用户输入症状个数 ( 判点数 )。
计算病害集合 PY 的判点数集合 SY ＝ {sj|j ∈ Y}， 其中 sj 为病害 pj 对应症状集 DJZ 的元素个数 ；
将集合 SY 排序， 最大判点数表示为 sm， 次大判点数表示为 sn， 当 sm-sn ≥ 2 时， 结果 为 sm 对应的病害 pm， 结果为最大判点数对应的病害， 将结果发送到服务器。
如果最大判点数不唯一， 或者最大与次大值之差小于 2， 则计算可能病害集中病害 的分值和， 判断最大与次大病分值之差。
通过公式 (2) 计算病害 pj 的分值 BY ＝ {bj|j ∈ Y}。计算过程如前面所述， 在此不 再赘述。
将集合 BY 排序， 最大分值表示为 bm， 次大分值表示为 bn， 当 bm-bn ≥ 8 时， 输出诊断 结果为 bm 对应的病害 pm， 即诊断结果为最大分值和对应的病害， 将结果发送到服务器。
如果最大分值不唯一， 或者小于 8， 则计算可能病害集中病害的总判断点数与判点 数之差。
计算病害 pj 的总判点数 S′ Y ＝ {s′ j|j ∈ Y}， 其中 s′ j 为病害 pj 对应的所有 症状数， 通过公式 (3) 计算病害 pj 的 WY ＝ {wj|j ∈ Y} ： 计算过程如前面所述， 在此不再赘 述。其中 wj 为 pj 的总判点数与判点数之差。
将集合 WY 排序， 如果最小值唯一， 则表示为 wm， 输出诊断结果为 wm 对应的病害 pm， 即差值最小的为最可能结果， 当此最小差值唯一时， 其对应的病害即为诊断结果， 将结果发 送到服务器。否则， 提示诊断出错， 提示用户重新输入症状。
3、 服务器 ： 与 IVR 推理模块相连， 用于知识库、 语音库的调用和中间数据的读取。
服务器接收到 IVR 推理模块的处理结果后， 将对应的病害知识发送给用户， 用户
通过 IVR 收听系统通过推理所得到病害名称及防治方法。
其中， 知识库中存放了黄瓜病害症状 79 项， 病害种类 18 项 ； 语音库中包括黄瓜病 害知识 18 项， 药品知识 23 项。
图 3 为本发明的基于 IVR 的黄瓜病害数值诊断系统另一实施例的结构示意图。如 图所示， IVR 推理模块与服务器集成到一起， IVR 推理模块包括呼叫中心和专家系统两部 分。
呼叫中心接收用户通过通信终端输入的症状， 并传输给专家系统进行诊断。接收 专家系统的诊断结果并返回给用户收听。
专家系统包括知识库和推理机。知识库中存储了病害知识和药品知识。推理机根 据用户输入的症状集进行推理。并根据推理结果调用相关知识， 输出给呼叫中心。
专家系统还具有网络接口， 用户可以通过 Web 服务器登录， 以网络方式进行药品 和病害知识的浏览。
呼叫中心也具有网络接口， 可以接收用户通过网络方式 ( 例如 IP 电话 ) 的呼叫。
数值诊断法是应用知识工程处理方法， 将病害症状量化为诊断数值， 在诊断中用 模糊识别、 经简单加减运算求和， 以得出诊断结果的一种简便、 快速、 诊断准确率高的诊断 算法， 在下列情况下会出现多个数值相近的诊断结果 ： 疾病初期症状不明显或症状太少 ； 疾病后期， 症状较多。 本系统采用的黄瓜病害数值诊断方法， 对传统的数值诊断方法进行了 如下改进， 使诊断结果趋于唯一 ： (1) 本系统根据模糊数学的隶属度法， 即如果某一症状对应 5 个以上的病害， 那么 该症状对应每个病害的分值都为 5， 否则就容易出错。
(2) 本系统借鉴考试设录取分数线的方法， 在数值诊断的基础上设计了诊断黄瓜 病害的控制方法 ： a、 先看哪个病害的判点数大， 就诊断为哪个病害 ； b、 当两个病害的判点 数相近时， 就求它们的分值和， 以和值大 ( 差值大于 8 分 ) 的病害做结论 ； c、 如果和值也接 近， 就看病害的判点数谁更接近自己的总判点数， 以最接近自己的总判点数的病害作为诊 断结果。
下面以一个具体实例来描述本发明 ：
用户按键输入号码对黄瓜病害进行自动诊断 ： 选 3 进入 “黄瓜病害自动诊断” ， 选3 进入 “叶选项” ， 选 1 进入 “整叶症状” ， 选 “5 叶褪绿并生 ( 黄或褐 ) 斑” ， 选 # 返回 “叶选项” ， 选 2 进入 “叶斑症状” 选 2“斑生灰霉” ， 选 4“斑心灰白或灰褐” ， 选 9“斑界明显” ， 选*结 束症状选择并输出诊断结果。
根据公式 (1) 可得用户输入症状集合 DX ＝ {d9， d14， d16， d21} ＝ { 叶 ： 褪绿并生 ( 黄 或褐 ) 斑， 叶： 斑生灰霉， 叶： 斑心灰白或灰褐， 叶： 斑界明显 }。
根据症状 - 病害对应表 1， 得到其对应的病害集合 PY ＝ {p1， p3， p 4， p16， p17， p18} ＝ { 霜霉病， 角斑病， 炭疽病， 靶斑病， 叶斑病， 根腐病 }。
根据病害 - 症状对应表 2， 得到病害 p1 对应的症状集 D1 ＝ {d9}， 病害 p3 对应的症 状集 D3 ＝ {d9}， 病害 p4 对应的症状集 D4 ＝ {d9}， 病害 p16 对应的症状集 D16 ＝ {d9， d14， d16}， 病害 p17 对应的症状集 D17 ＝ {d9， d14， d16， d21}， 病害 p18 对应的症状集 D18 ＝ {d21}。
得到病害集合 PY 的判点数集合 SY ＝ {1， 1， 1， 3， 4， 1}， 最大判点数与次大判点数之 差小于 2， 进入步骤 S4。
通过公式 (2) 计算病害集合 PY 的分值 BY ＝ {10， 5， 5， 15， 30， 10}， 最大分值与次大 分值之差大于 8， 输出 b17 对应病害 p17。
用户收听诊断结果 ： 叶斑病。