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        基于模糊綜合評(píng)價(jià)的健康評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

        2014-01-24 06:55:22田少杰
        關(guān)鍵詞:甲亢組件權(quán)重

        田少杰,洪 躍,李 陽(yáng)

        (上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

        基于模糊綜合評(píng)價(jià)的健康評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

        田少杰,洪 躍,李 陽(yáng)

        (上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

        闡述了健康評(píng)估系統(tǒng)的基本原理;介紹了模糊集合中隸屬度與隸屬函數(shù)的概念,提出了模糊綜合評(píng)價(jià)的原理和方法。利用MATLAB構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣和算法程序,應(yīng)用VB.net設(shè)計(jì)友好的用戶使用界面,采用Access建立知識(shí)庫(kù)和專家建議等信息,并通過(guò)混合編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)健康評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。最后,將這套健康評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用于甲亢疾病評(píng)估實(shí)例中。

        健康評(píng)估系統(tǒng);模糊綜合評(píng)價(jià);混合編程;甲亢

        1 引言

        隨著人們生活水平的提高,人們對(duì)健康養(yǎng)生越來(lái)越重視。人們除了健康體檢以外,還需要經(jīng)常對(duì)自己的健康狀況做些評(píng)估,由此出現(xiàn)了不少健康評(píng)估系統(tǒng),如風(fēng)濕病診斷系統(tǒng)[1]、口腔疾病診斷系統(tǒng)[2]等,但這些系統(tǒng)在用戶使用和推廣方面并未看到有太多研究。基于此,本文闡述了健康評(píng)估系統(tǒng)的基本原理;介紹了隸屬度和隸屬函數(shù)的概念,提出了模糊綜合評(píng)價(jià)的原理和建立步驟。在此基礎(chǔ)上,提出了健康評(píng)估的方法,開(kāi)發(fā)了一套健康評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法,應(yīng)用MATLAB構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣和算法程序;運(yùn)用混合編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)健康評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)用戶操作方便,且可通過(guò)改變不同的評(píng)價(jià)內(nèi)容和機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)新的評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā),從而使其功能拓展到其他疾病的評(píng)估與預(yù)診斷中。最后,以甲亢疾病評(píng)估為例介紹該健康評(píng)估系統(tǒng)的應(yīng)用。

        本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于該系統(tǒng)采用模糊綜合評(píng)價(jià)評(píng)估健康的方法簡(jiǎn)單易行,便于掌握與開(kāi)發(fā)應(yīng)用;應(yīng)用混合編程技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)可以獲得友好的用戶界面;通過(guò)構(gòu)造權(quán)重矩陣A可以實(shí)現(xiàn)多疾病同時(shí)預(yù)診斷;根據(jù)不同的評(píng)價(jià)內(nèi)容和機(jī)制開(kāi)發(fā)新的評(píng)估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)推廣拓展。

        2 健康評(píng)估系統(tǒng)的基本原理

        基本功能:該系統(tǒng)可根據(jù)用戶輸入的問(wèn)題描述來(lái)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià),給出初步評(píng)估結(jié)果和專家建議,并通過(guò)VB.net設(shè)計(jì)的用戶界面顯示出來(lái)。

        原理實(shí)現(xiàn):為了實(shí)現(xiàn)這些功能,我們采用了模糊綜合評(píng)價(jià)、混合編程等技術(shù);利用了MATLAB、VB.net以及Access數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)。其中,我們應(yīng)用VB.net來(lái)設(shè)計(jì)友好的用戶界面,利用MATLAB來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣和算法程序,采用Access來(lái)建立知識(shí)庫(kù)和專家建議等信息;最后利用接口技術(shù),通過(guò)VB.net將 MATLAB和Access數(shù)據(jù)庫(kù)連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)混合編程。其原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

        系統(tǒng)結(jié)構(gòu):包括可構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣和算法程序的MATLAB軟件,可提供友好用戶界面的VB.net軟件以及可建立知識(shí)庫(kù)和專家建議等信息的Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。實(shí)現(xiàn)步驟如下:(1)采用 MATLAB構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣和算法程序;(2)編譯 MATLAB設(shè)計(jì)的程序生成COM組件;(3)運(yùn)用Access建立知識(shí)庫(kù)和專家建議等信息;(4)根據(jù)系統(tǒng)的功能采用VB.net設(shè)計(jì)友好的用戶使用界面;(5)應(yīng)用接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)VB.net對(duì)COM組件和Access數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用;(6)打包生成健康評(píng)估系統(tǒng)的執(zhí)行軟件。

        Figure 1 Diagram of principle realization圖1 原理實(shí)現(xiàn)框圖

        3 模糊綜合評(píng)價(jià)體系

        3.1 隸屬度和隸屬函數(shù)

        模糊集合以隸屬函數(shù)作為橋梁,其打破了普通集合在隸屬度上只能取0或1的限制,將二值邏輯{0 ,1}推廣到可取 [0,1]上任意無(wú)窮多個(gè)值的連續(xù)邏輯,將不確定性在形式上轉(zhuǎn)化為確定性,即將模糊性加以量化,可以說(shuō),隸屬函數(shù)和隸屬度是模糊集合論的基石,也是模糊決策方法的理論支柱。在這里,隸屬函數(shù)和隸屬度的定義如下[3]:

        設(shè)給定論域U,U 到 [0,1]上的任一映射為μA:

        其中,A稱為模糊子集,U上的全部模糊子集構(gòu)成的集合稱為模糊冪集,記為F (U);μA叫做A 的隸屬函數(shù),μA(u)稱為u對(duì)A的隸屬度。

        3.2 確定隸屬函數(shù)的常用方法[4]

        (1)模糊統(tǒng)計(jì)法:在大量的模糊統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,找出元素對(duì)集合隸屬關(guān)系的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,包括兩相模糊統(tǒng)計(jì)法、多相模糊統(tǒng)計(jì)法和三分法等。

        (2)德?tīng)柗品ǎ焊鶕?jù)專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出的模糊信息處理算式來(lái)確定隸屬函數(shù)。

        (3)二元對(duì)比排序法:對(duì)多個(gè)事物進(jìn)行兩兩對(duì)比來(lái)確定某個(gè)特征下的排序,從而確定這些事物對(duì)該特征的隸屬函數(shù)的大體形狀,可分為對(duì)比平均分、相對(duì)比較法、優(yōu)先對(duì)比法等。

        (4)指派法:根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì),套用某些現(xiàn)成形式的模糊分布,然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定分布中所含的參數(shù)。常用的模糊分布包括:矩形分布、梯形分布、K次拋物線形分布、正態(tài)分布等,每種分布都包括偏小型、中間型和偏大型三種模糊函數(shù)。如本文實(shí)例中選擇的二次拋物線形分布,其偏小型模糊函數(shù)如下:

        其中,對(duì)于指定的參數(shù)a和b,S u;a,( b)是u的單調(diào)遞增連續(xù)函數(shù)。

        3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)的基本原理

        模糊綜合評(píng)價(jià)[3]是在考慮多種因素的影響下,運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)工具對(duì)事物做出綜合評(píng)價(jià),并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行排序擇優(yōu)。設(shè)評(píng)語(yǔ)集合(即代表分類、等級(jí)等的集合)為U = {μ1,μ2,…,μm}共m種等級(jí),因素集合為V = {v1,v2,…,vn}共n種因素。以主觀賦權(quán)為例,這里存在著兩類模糊集合:一類是因素集V中各元素在人們心中的重要程度的量,表現(xiàn)為因素集上的模糊子集A= (a1,a2,…,an),其反映了人們心中對(duì)這些因素的權(quán)重,也可認(rèn)為是因素V的權(quán)重矩陣;另一類是U×V上的模糊關(guān)系,表現(xiàn)為n×m的模糊矩陣R,設(shè)第i個(gè)因素的單因素評(píng)價(jià)向量為Ri= {ri1,ri2,…,rim},它可以看作是U上的一個(gè)模糊子集,其中rik表示第i個(gè)因素的評(píng)價(jià)對(duì)于第k個(gè)等級(jí)的隸屬度,n個(gè)因素的總的評(píng)價(jià)矩陣為:

        這兩類模糊集都是人們價(jià)值觀念或結(jié)構(gòu)偏好的反映。最后,在A、R確定之后,即可進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)的矩陣運(yùn)算,根據(jù)文獻(xiàn)[5]我們采用矩陣相乘算法:B=A*R,其中A為權(quán)重矩陣,R為因素評(píng)價(jià)矩陣,B為總評(píng)價(jià)結(jié)果。

        3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)的基本步驟

        步驟1確定評(píng)價(jià)對(duì)象集、評(píng)語(yǔ)集和因素集;

        步驟2建立總評(píng)價(jià)因素的權(quán)重矩陣A;

        步驟3對(duì)各因素進(jìn)行模糊評(píng)價(jià),獲得模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣R;

        步驟4應(yīng)用矩陣相乘算法得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B。

        4 系統(tǒng)實(shí)施

        4.1 采用MATLAB構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)體系

        首先構(gòu)建評(píng)價(jià)對(duì)象集O、評(píng)語(yǔ)集合U以及因素集合V;然后根據(jù)單個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象集的影響度來(lái)確定權(quán)重矩陣A;再根據(jù)各個(gè)因素對(duì)評(píng)語(yǔ)集合中元素的隸屬度來(lái)確定因素評(píng)價(jià)矩陣R;最后結(jié)合上述的評(píng)價(jià)對(duì)象集、評(píng)語(yǔ)集、因素集、權(quán)重分配矩陣以及因素評(píng)價(jià)矩陣來(lái)構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)體系,并通過(guò)MATLAB編程實(shí)現(xiàn)。

        4.2 編譯MATLAB編寫(xiě)的程序

        在混合編程中,普通的Windows應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具與MATLAB連接的方式有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE(Dynamic Data Exchange)、ActiveX、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL(Dynamic Link Library)以及COM組件共四種[6]。在這里,選用可脫離MATLAB環(huán)境并可在Windows軟件環(huán)境下被直接調(diào)用的COM組件方式[7]。其具體流程如下:

        (1)編寫(xiě)好MATLAB函數(shù)程序并命名保存。

        (2)通過(guò)MATLAB的“mbuild–setup命令”設(shè)置編譯環(huán)境。

        (3)編譯環(huán)境設(shè)置好后在工作區(qū)輸入“deploytool命令”,在Name屬性中輸入工程名字,在Target中選擇Generic COM Component,然后選擇OK。如圖2所示。

        Figure 2 Build a new project圖2 新建工程

        (4)建立工程后在Classes中選擇Add class進(jìn)行類的添加,輸入名稱與工程名一樣,然后選擇Add file添加MATLAB的函數(shù)程序文件;然后在Package界面中選擇Add MCR(脫離 MATLAB環(huán)境運(yùn)行的條件);最后選擇build按鈕來(lái)生成COM組件。如圖3所示。

        Figure 3 Add class and produce project圖3 添加類以及生成工程

        4.3 VB.net界面設(shè)計(jì)

        根據(jù)健康評(píng)估系統(tǒng)的功能用VB.net進(jìn)行用戶界面的設(shè)計(jì),該界面包括因素集的輸入、評(píng)估結(jié)果的輸出以及專家建議的提示等模塊。在本文中,甲亢疾病評(píng)估系統(tǒng)的界面如圖4所示。

        Figure 4 Interface of hyperthyroidism assessment system圖4 甲亢疾病評(píng)估系統(tǒng)界面

        4.4 VB.net調(diào)用COM組件

        MATLAB生成了COM組件后即可由VB.net調(diào)用了,首先,在Visual Studio 2008中創(chuàng)建一個(gè)VB.net程序,然后按照以下步驟進(jìn)行編程:

        (1)引用組件。在“項(xiàng)目”菜單中打開(kāi)“添加引用”對(duì)話框,找到distrib子目錄下的組件文件jk_1_0.dll,單擊“確定”按鈕,重復(fù)上面的過(guò)程,添加對(duì)MWARRAY組件的引用。

        (2)設(shè)計(jì)子程序界面。根據(jù)需要,設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序界面。

        (3)編寫(xiě)程序代碼。引用COM組件后,就可像使用本地函數(shù)一樣使用MATLAB中的函數(shù)了。

        4.5 VB.net調(diào)用Access數(shù)據(jù)庫(kù)

        VB.net中數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用的核心是ADO.NET,它為應(yīng)用程序訪問(wèn)、查詢、更新、管理數(shù)據(jù)庫(kù)提供了必須的類庫(kù)。在調(diào)用之前,首先要建立一個(gè)Access數(shù)據(jù)庫(kù)并命名,然后新建一個(gè)數(shù)據(jù)表,在“設(shè)計(jì)視圖”中進(jìn)行表單設(shè)計(jì):包括字段名稱、數(shù)據(jù)類型和主鍵的設(shè)定。建立完成后將文件保存為mdb格式。調(diào)用過(guò)程中,首先在VB.net工程中通過(guò)“添加項(xiàng)”調(diào)用建立好的mdb數(shù)據(jù)庫(kù)文件;然后在程序中用OLEDB的方法引入相應(yīng)命名空間:“Imports System.Data.OleDb”,并采用 ADO.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行查詢、更新等操作;最后可將數(shù)據(jù)顯示在用戶界面上。

        5 應(yīng)用實(shí)例

        5.1 甲亢疾病評(píng)估的理論基礎(chǔ)

        甲狀腺功能亢進(jìn)(簡(jiǎn)稱“甲亢”)是指甲狀腺激素分泌過(guò)多或因甲狀腺激素在血循環(huán)中水平增高等原因造成機(jī)體中神經(jīng)、消化、循環(huán)等系統(tǒng)的興奮性增高以及代謝亢進(jìn)為主的疾病。根據(jù)中醫(yī)的辯證標(biāo)準(zhǔn),可分為五種癥型,其中氣虛和陰虛兩種癥型最常見(jiàn),因此下面將以這兩種癥型的癥狀來(lái)展開(kāi)研究。在這兩種癥型的癥狀中,頸項(xiàng)粗大、手部顫抖、心慌心悸、心煩失眠、形體消瘦、煩躁易怒、怕熱多汗七個(gè)癥狀是兩種癥型所表現(xiàn)的主要癥狀[8]。

        5.2 甲亢模糊綜合評(píng)價(jià)體系的應(yīng)用

        以甲亢中的氣虛和陰虛兩種癥型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例:

        第1步 確定評(píng)價(jià)對(duì)象集、評(píng)語(yǔ)集和因素集。在這里,評(píng)價(jià)對(duì)象集為O={甲亢氣虛癥,甲亢陰虛癥};評(píng)語(yǔ)集為U= {正常,不正常 };引起這兩種癥型的主要因素涉及頸項(xiàng)粗大、手部顫抖、心慌心悸、心煩失眠、形體消瘦、煩躁易怒和怕熱多汗七個(gè)癥候,因此因素集 為V = {v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7},其集合中的元素分別代表以上七個(gè)癥候。

        第2步 建立這七個(gè)因素的權(quán)重分配矩陣A。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的參考,得出權(quán)重分配矩陣如下:

        其中,矩陣第一行表示因素對(duì)甲亢氣虛癥的權(quán)重,第二行表示因素對(duì)甲亢陰虛癥的權(quán)重。

        第3步 對(duì)七個(gè)因素進(jìn)行模糊評(píng)價(jià),獲得因素評(píng)價(jià)矩陣。首先,在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中,根據(jù)癥候因素的嚴(yán)重等級(jí)來(lái)設(shè)定{正常,較正常,較嚴(yán)重,嚴(yán)重,很嚴(yán)重}五個(gè)選項(xiàng)供用戶選擇。因?yàn)樵谠u(píng)語(yǔ)集U={正常,不正常}中,要么正常要么不正常,因此可以以“不正?!弊鳛樵氐碾`屬度。在隸屬函數(shù)的設(shè)定上,考慮到嚴(yán)重等級(jí)并不是按照線性等差關(guān)系來(lái)排列,因此選用偏小型二次拋物線形分布,可較清晰地表示隸屬于“不正?!钡臄?shù)值,其表達(dá)式為:

        根據(jù)癥狀因素的嚴(yán)重等級(jí),取a=1,b=5,對(duì)于正常、較正常、較嚴(yán)重、嚴(yán)重、很嚴(yán)重,u的取值范圍分別為(0,1)、(1,2)、(2,3)、(3,4)、(4,5)。為了更合理地進(jìn)行表示,在隸屬函數(shù)計(jì)算中采用積分求和取平均值的方式,經(jīng)過(guò)計(jì)算,正常的隸屬度為0、較正常的隸屬度為11/48、較嚴(yán)重的隸屬度為29/48、嚴(yán)重的隸屬度為41/48、很嚴(yán)重的隸屬度為47/48。

        建立了隸屬函數(shù)后,我們可假定某一位用戶對(duì)頸項(xiàng)粗大、手部顫抖、心慌心悸、心煩失眠、形體消瘦、煩躁易怒和怕熱多汗七個(gè)癥候的嚴(yán)重情況分別選擇了較嚴(yán)重、較正常、很嚴(yán)重、嚴(yán)重、較正常、較嚴(yán)重、嚴(yán)重,則相應(yīng)V的因素評(píng)價(jià)矩陣就為:

        第4步 根據(jù)式(4)和式(6)應(yīng)用矩陣相乘算法得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:

        從該評(píng)價(jià)結(jié)果中可以看出,該用戶患甲亢氣虛癥和甲亢陰虛癥的權(quán)重都較大,相比患甲亢陰虛癥的權(quán)重為66%,患甲亢氣虛癥的權(quán)重更大,達(dá)到了68%。因此,在專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)中建議其去醫(yī)院進(jìn)一步進(jìn)行T3、T4和TSH等值的診查[9]。

        5.3 系統(tǒng)整合運(yùn)行結(jié)果

        整合運(yùn)行后的結(jié)果如圖4所示。在圖中,用戶根據(jù)自己的情況對(duì)七個(gè)癥狀的嚴(yán)重度進(jìn)行了選擇,然后經(jīng)過(guò)健康評(píng)估,給出評(píng)價(jià)結(jié)果,并根據(jù)結(jié)果提出專家建議。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        本文在構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)體系過(guò)程中認(rèn)識(shí)到增加樣本數(shù)據(jù)量可建立更客觀的權(quán)重分配矩陣A和因素評(píng)價(jià)矩陣R;因?yàn)闄?quán)重分配矩陣A的構(gòu)建是確定的,因素評(píng)價(jià)矩陣R是不確定的,因此,改變權(quán)重分配矩陣A比改變因素評(píng)價(jià)矩陣R對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果更具敏感性。另外,與其他評(píng)估系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):利用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法提高了健康評(píng)估的可行性;運(yùn)用混合編程技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)可更方便用戶的使用;系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)構(gòu)造權(quán)重分配矩陣A可以實(shí)現(xiàn)多疾病同時(shí)預(yù)診斷;根據(jù)不同的評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)機(jī)制能很方便地實(shí)現(xiàn)新的健康評(píng)估系統(tǒng)開(kāi)發(fā),從而推廣到其他疾病的評(píng)估與預(yù)診斷,如高血壓評(píng)估等。

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        Developing a health assessment system based on the fuzzy comprehensive evaluation

        TIAN Shao-jie,HONG Yue,LI Yang
        (School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

        The basic principle of a health assessment system is expounded,the concept of membership and membership functions in the fuzzy set is introduced,and the principle and method of the fuzzy comprehensive evaluation system is proposed.MATLAB is used to construct evaluation matrix and algorithm programs,VB.net is used to design the friendly user interface,and Access is used to build knowledge base and expert advices.Besides,mixed programming technique is adopted to develop a health assessment system.Finally,the health assessment system is applied in hyperthyroidism risk assessment case.

        health assessment system;fuzzy comprehensive evaluation;mixed programming;hyperthyroidism

        TP311.1

        A

        10.3969/j.issn.1007-130X.2014.04.019

        2012-08-10;

        2013-01-24

        上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(13111102900)

        通訊地址:200072上海市延長(zhǎng)路149號(hào)17信箱上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 洪躍

        Address:School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,Mail Box 17,149Yanchang Rd,Shanghai 200072,P.R.China

        1007-130X(2014)04-0685-05

        田少杰(1987-),男,浙江杭州人,碩士生,研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋-mail:Aleck0071@163.com

        TIAN Shao-jie,born in 1987,MS candidate,his research interest includes artificial intelligence.

        洪躍(1958-),男,上海人,博士 ,副教授,研 究 方 向 為 人 工 智 能。E-mail:hongyue@staff.shu.edu.cn

        HONG Yue,born in 1958,PhD,associate professor,his research interest includes artificial intelligence.

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