徐 影李懷龍王海濤

（1．淮北師范大學(xué) 教育學(xué)院，安徽淮北 235000；2．淮北師范大學(xué) 體育學(xué)院，安徽淮北 235000）

兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷型專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

徐 影1李懷龍1王海濤2

（1．淮北師范大學(xué) 教育學(xué)院，安徽淮北 235000；2．淮北師范大學(xué) 體育學(xué)院，安徽淮北 235000）

文章以兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙為例，分析了診斷型專家系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的主觀性、不確定性和時(shí)效性等特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)闡述了規(guī)則可信度的計(jì)算及癥狀的模糊評(píng)判，并對(duì)包括知識(shí)(數(shù)據(jù))庫(kù)、證據(jù)庫(kù)、推理機(jī)和人機(jī)接口在內(nèi)的兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。文章對(duì)診斷型專家系統(tǒng)的研究、兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙的診斷與干預(yù)均具有重要意義。

診斷型專家系統(tǒng)；兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙；可信度；模糊評(píng)判；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

引言

兒童對(duì)外界事物的認(rèn)識(shí)及兒童智慧的發(fā)展，都與兒童的動(dòng)作活動(dòng)發(fā)展分不開(kāi)。研究資料表明，在5-11歲兒童中運(yùn)動(dòng)技能障礙發(fā)生的比例約為5%-6%[1]。運(yùn)動(dòng)技能障礙不僅會(huì)影響兒童的學(xué)習(xí)效果，而且會(huì)影響兒童的日常生活，因此對(duì)兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙進(jìn)行及早診斷與干預(yù)具有重要的意義。

兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙發(fā)生的原因涉及生理、心理及環(huán)境等多方面的因素，與其他類型的障礙存在較高的并發(fā)率，其癥狀表現(xiàn)形式也多種多樣[2]。因此，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙的診斷主要由專門(mén)機(jī)構(gòu)中的專業(yè)人員進(jìn)行，專業(yè)性非常強(qiáng)。但在教育活動(dòng)中，一個(gè)兒童存在運(yùn)動(dòng)技能障礙與否，或者存在哪種亞類的障礙，都需要教師進(jìn)行診斷。鑒于目前教師普遍缺乏關(guān)于兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷方面的專業(yè)知識(shí)，因而有必要開(kāi)發(fā)一款基于兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙的診斷型專家系統(tǒng)，幫助一線教師在教育教學(xué)實(shí)踐中對(duì)兒童做出恰當(dāng)?shù)脑\斷。本研究以人工智能原理與技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款兒童運(yùn)動(dòng)技能診斷專家系統(tǒng)，以解決上述問(wèn)題。

一 診斷型專家系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)技能障礙（motor skill disorder）也稱為發(fā)育性運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)障礙（developmental coordination disorder，DCD）[3]，常用來(lái)形容動(dòng)作方面有困難、不協(xié)調(diào)，人們通常從其特征和癥狀來(lái)進(jìn)行描述[4][5]。這與診斷型專家系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)非常契合。通過(guò)對(duì)診斷型專家系統(tǒng)及兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙的研究，發(fā)現(xiàn)診斷型專家系統(tǒng)中相關(guān)診斷數(shù)據(jù)具有如下特點(diǎn):

首先，診斷型專家系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)具有一定的主觀性。在診斷型專家系統(tǒng)中，診斷規(guī)則的可信度和證據(jù)的可信度往往可由領(lǐng)域?qū)＜覒{經(jīng)驗(yàn)主觀判斷，直接給出可信度（CF）的值，具有較大的主觀性。由于診斷專家的主觀性和判斷對(duì)象的復(fù)雜性，專家往往難以將同一準(zhǔn)則下多個(gè)元素的相對(duì)重要程度判斷精確。因此，主觀可信度與專家的名望、地位、所屬專業(yè)、對(duì)決策問(wèn)題的熟悉程度等有關(guān)。

其次，診斷型專家系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)具有不確定性。兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷知識(shí)帶有模糊性、不確定性等特點(diǎn)，這些在診斷專家系統(tǒng)中表現(xiàn)為與診斷有關(guān)的證據(jù)（事實(shí)性知識(shí)）和推理規(guī)則都是不確定的。這一不確定性首先來(lái)源于專家經(jīng)驗(yàn)的不確定性。在專家經(jīng)驗(yàn)中，得到結(jié)論所做的觀測(cè)很難用真（T）或假（F）來(lái)判斷。通常情況下，每個(gè)觀測(cè)都附有一個(gè)可信度等級(jí)，如專家判斷一個(gè)兒童表現(xiàn)出“不能把積木一塊塊地往上搭，越搭越好并保持不倒”這一癥狀的可信度為75%。這樣一來(lái)，專家系統(tǒng)的診斷知識(shí)就帶有既不能完全被確定為真、又不能完全被確定為假的不確定性，因而人們只能對(duì)其為真的可能做出某種估計(jì)。

此外，數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣性也導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的不確定性。導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)技能障礙的原因多種多樣，包括遺傳因素、孕期、圍產(chǎn)期因素和環(huán)境條件等諸多方面，不能單純歸因于智力發(fā)育遲滯或任何特定的先天和后天神經(jīng)系統(tǒng)障礙。

第三，診斷型專家系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)具有時(shí)效性。診斷專家系統(tǒng)中診斷知識(shí)的時(shí)效性來(lái)自于專家知識(shí)的不完備性。由于診斷型專家系統(tǒng)中的診斷知識(shí)來(lái)自于專家們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐中不斷積累的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，需要大量臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，而這些經(jīng)驗(yàn)總是不完備，需要不斷更新和補(bǔ)充。同時(shí)，兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙也不斷出現(xiàn)種種新的癥狀。因此在診斷專家系統(tǒng)中，相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)必須不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。

二 診斷型專家系統(tǒng)中知識(shí)可信度的獲取

對(duì)診斷型專家系統(tǒng)而言，知識(shí)表示實(shí)際上就是對(duì)知識(shí)的一種描述或約定，其本質(zhì)就是采用某種技術(shù)模式，把所要求解問(wèn)題的相關(guān)知識(shí)，映射為一種便于找到該問(wèn)題的解的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通常，在診斷型診斷專家系統(tǒng)中，采用知識(shí)的產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行表示，其形成包括以下幾個(gè)步驟:首先，分析辨別兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列知識(shí)；其次，對(duì)知識(shí)中所包含的關(guān)鍵概念及其關(guān)系進(jìn)行概括；再次，應(yīng)用專家系統(tǒng)中的知識(shí)表示方法將概念表達(dá)為某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。這樣，兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷中所用到的領(lǐng)域知識(shí)就通過(guò)一系列規(guī)則得以表達(dá)出來(lái)。在此過(guò)程中，診斷型專家系統(tǒng)所使用的診斷知識(shí)的可信度（certainty factor）往往由領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)已有的經(jīng)驗(yàn)給出，具有較大的主觀性。

可信度（CF）是由美國(guó)的Shortliffe E H等人結(jié)合概率論提出的一種推理方法，其中E表示知識(shí)的前提或證據(jù)，H表示結(jié)論，CF則為度量知識(shí)規(guī)則不確定性的程度。在任一條知識(shí)中，CF表示人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)某現(xiàn)象為真的相信程度[6][7]，如公式1所示。

為了減小CF的主觀性，使規(guī)則更加精確、客觀，在兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷型專家系統(tǒng)中，我們使用兒童運(yùn)動(dòng)技能診斷量表為工具，進(jìn)行了大量的實(shí)證研究并計(jì)算出了每一條規(guī)則的可信度。其計(jì)算過(guò)程如下:

在使用量表進(jìn)行大量調(diào)查所得的數(shù)據(jù)中，可以獲取兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙分發(fā)病率P(H)、患兒中表現(xiàn)出某種癥狀Ei的條件概率以及癥狀Ei的表現(xiàn)概率，根據(jù)條件概率的公式2，可得出H、Ei的聯(lián)合概率P（EiH），如公式3所示。

由此可得，在任一知識(shí)規(guī)則中，可信度CF的值均可由公式4給出。由此推理得出的可信度CF值，與直接由領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)主觀經(jīng)驗(yàn)給出規(guī)則的可信度相比，在一定程度上減小了診斷過(guò)程中的主觀性。

三 模糊評(píng)判的精確化表示

所謂模糊概念是沒(méi)有明確外延的，在論域上存在一些對(duì)現(xiàn)象既不完全屬于、又不完全不屬于的外延。在兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷專家系統(tǒng)中，由于被診斷對(duì)象常常表現(xiàn)出一定程度的不確定性，專家對(duì)兒童所表現(xiàn)癥狀的判斷分為“從不、很少、有時(shí)、經(jīng)常、總是”5個(gè)等級(jí)，這樣的評(píng)價(jià)及描述是模糊的、不確定的。所以，本系統(tǒng)利用模糊數(shù)學(xué)中隸屬度函數(shù)的思想，確定證據(jù)的可信度 CF（Ei）。研究選擇了兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙領(lǐng)域的專家，讓其按照自己的理解，對(duì)“從不、很少、有時(shí)、經(jīng)常、總是”5個(gè)頻率等級(jí)的范圍依概率大小作出評(píng)判，如圖1所示。

圖1 模糊評(píng)判的精確化

對(duì)于“從不”的理解，最大值與最小值為0.00～0.10，平均后取值0.05作為“從不”這一模糊概念的精確化數(shù)值。同理，“很少”、“有時(shí)”、“經(jīng)?！薄ⅰ翱偸恰钡哪：x即可以0.25、0.50、0.75、0.95等精確化數(shù)值加以表示。

四 兒童運(yùn)動(dòng)技能診斷型專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

基于兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙的診斷型專家系統(tǒng)，主要由知識(shí)庫(kù)、證據(jù)庫(kù)、推理機(jī)和用戶界面 4個(gè)部分組成[8][9]。

1 知識(shí)庫(kù)

知識(shí)庫(kù)是診斷型專家系統(tǒng)的知識(shí)存儲(chǔ)器，也稱為智能數(shù)據(jù)庫(kù)或規(guī)則庫(kù)，用來(lái)存放求解問(wèn)題的領(lǐng)域知識(shí)，通常采用產(chǎn)生式規(guī)則（Production Rule）加以表示[10]。產(chǎn)生式規(guī)則表示方法模仿了人類的思考過(guò)程，具有廣泛的知識(shí)表示能力，可以方便地描述確定性或不確定性的事實(shí)和規(guī)則。對(duì)于一條不確定性知識(shí)，任何一個(gè)事實(shí)均可用四元素（對(duì)象、屬性、值、可信度因子）構(gòu)成的規(guī)則來(lái)表示，這些規(guī)則序列構(gòu)成了系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，是領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)，使系統(tǒng)能夠真正具有分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

在基于運(yùn)動(dòng)技能障礙的診斷型專家系統(tǒng)中，知識(shí)庫(kù)內(nèi)共存放了兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙診斷所需的所有數(shù)據(jù)，在知識(shí)庫(kù)中表示為75條產(chǎn)生式規(guī)則，依據(jù)公式1，它們分別是:

IF在畫(huà)圖、填色時(shí)常出界 THEN 患有運(yùn)動(dòng)技能障礙 0.11

IF寫(xiě)字常犯錯(cuò)，如漏寫(xiě)筆畫(huà)、字體結(jié)構(gòu)不勻稱，常寫(xiě)出界 THEN 患有運(yùn)動(dòng)技能障礙 0.31 IF動(dòng)作笨拙、不協(xié)調(diào)，難以掌握體育課學(xué)習(xí)的運(yùn)動(dòng)技巧 THEN 患有運(yùn)動(dòng)技能障礙 0.38 IF打球接球或踢球有困難 THEN 患有運(yùn)動(dòng)技能障礙 0.21

IF Ei THEN 患有運(yùn)動(dòng)技能障礙 CFi i=1,2,3…75

圖2 知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 證據(jù)庫(kù)

在醫(yī)療診斷中也存在許多事實(shí)性知識(shí)，如病人的癥狀就是一種基于事實(shí)性的表述，屬于事實(shí)性知識(shí)。產(chǎn)生式表示法適合于表達(dá)具有因果關(guān)系的過(guò)程性知識(shí)，但對(duì)具有結(jié)構(gòu)關(guān)系的事實(shí)性知識(shí)卻無(wú)能為力；而在醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)中，框架表示法雖不能根據(jù)檢查的數(shù)據(jù)去推斷診斷的結(jié)論，卻可以很直觀自然地表示事實(shí)性知識(shí)。在本系統(tǒng)中，兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙可分為手指靈活度障礙等5種。以手指靈活度障礙為例，其證據(jù)庫(kù)用來(lái)存放兒童的相關(guān)表現(xiàn)癥狀，采用框架法進(jìn)行表示，如表1所示。

表1 兒童運(yùn)動(dòng)技能診斷系統(tǒng)中證據(jù)的框架表示法

診斷型專家系統(tǒng)推理中的證據(jù)有兩種來(lái)源:一種是用戶在求解問(wèn)題時(shí)所提供的初始證據(jù)，如病人的癥狀、檢查結(jié)果等；另一種是在推理中得出的中間結(jié)果，即把當(dāng)前推理中所得到的中間結(jié)論放入綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，并作為以后推理的證據(jù)來(lái)使用。

3 推理機(jī)

推理機(jī)用于控制啟用哪些規(guī)則和采用何種控制策略。在本研究中，推理機(jī)依據(jù)不確定推理的原理，將初始證據(jù)庫(kù)中的Ei與知識(shí)庫(kù)中的各規(guī)則條件進(jìn)行查詢和匹配。根據(jù)證據(jù)的傳遞性，通過(guò)公式4計(jì)算出證據(jù)的可信度CFi（H），并根據(jù)公式5將之與CFi＋1（H）進(jìn)行證據(jù)的合成，將合成后的CFi＋1（H）放入證據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中[11]。

4 用戶界面

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。C++語(yǔ)言協(xié)同SQL Server 2008的高效性和智能性，為整個(gè)診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。這不僅使高效地實(shí)現(xiàn)不確定推理成為可能，也為設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)良好的用戶界面提供了基礎(chǔ)。

圖3 基于運(yùn)動(dòng)技能障礙的診斷型專家系統(tǒng)的用戶信息讀取界面

圖4 基于運(yùn)動(dòng)技能障礙的診斷型專家系統(tǒng)的用戶反饋界面

用戶界面用于用戶（診斷者、教師）和專家系統(tǒng)之間的信息交換。一方面，系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)向診斷者讀取兒童的相關(guān)癥狀，如圖3所示；另一方面，系統(tǒng)通過(guò)推理機(jī)進(jìn)行一系列推理過(guò)程后，最終的診斷結(jié)果將經(jīng)由解釋模塊反饋給用戶，如圖4所示。

五 結(jié)束語(yǔ)

本研究將不確定性推理運(yùn)用于診斷兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙，從診斷型專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取和系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)等角度發(fā)展并豐富了基于不確定性的專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論。該系統(tǒng)的研究對(duì)診斷型專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、兒童運(yùn)動(dòng)技能障礙的早期診斷與干預(yù)具有重要的意義[12]。

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Design of Diagnosis Expert System for Children’s Motor Skill Disorder

XU Ying1LI Huai-long1WANG Hai-tao2
(1. Huaibei Normal University, Department of Education, Huaibei, Anhui, China 235000; 2. Huaibei Normal University, Department of Physical Education, Huaibei, Anhui, China 235000)

Taking children motor skill disorder as example, this essay analyses subjectivity, uncertainty, and velocity of diagnosis expert system data and illustrates the computing process of certainty factor and fuzzy evaluation of symptom. Based on this, the authors design and develop the diagnosis expert system for children’s motor skill disorder, including knowledge base, evidence base, inference engine and user interface. The essay will be of great significance for both diagnosis expert system study and early diagnosis and early intervention of children’s motor skill disorder.

diagnosis expert system; children’s motor skill disorder; certainty factor; fuzzy evaluation; system development

G40-057

A【論文編號(hào)】1009—8097（2015）06—0121—06【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.06.019

編輯:小西

本文為教育部人文社會(huì)科學(xué)青年基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：14YJC890026)及安徽省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：AHSKQ2014D34)的研究成果。

徐影，副教授，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教育應(yīng)用，郵箱為whtxy3268@163.com。

2014年12月5日