автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование принципов создания баз знаний для экспертных диагностических систем на примере экспертной системы в области ветеринарной медицины

9 0 1 9 О'

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

На правах рукописи

УДК 681.31

Гирола дель Пино Мария Элена

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ БАЗ ЗНАНИЙ ДЛЯ ЭКСПЕРТНЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ В ОБЛАСТИ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ

05.13.01 —Управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

/ /гА/

Работа выполнена, в Институте проблей лередачи-ияформации Академия наук СССР

Научный руководитель - доктор технических наук В. В. Зяб лов

Официальные опоненгы - доктор технических наук В.С.Файн

кандидат технических наук Е.М.Фуреыс

Ведущее предпрзятие - Всесоюзный Научно-исследовательский

Институт Физиологии, биохимии и питания сельскохозяйственных животных

Защита диссертации состоится " £3" 1990 г.

в час. на заседания специализированного совета

Д. 003. 29.01 при Институте пройдем передачи информации АН СССР до адресу. 101447, Москва, ГСП-4, ул.Ерлоловой, 19

С диссертацией ыоаяо озкакошться в библиотеке Института лроблш передата информации АН СССР '

Автореферат разослан п " М т~с1 ■ 1990 г.

/

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

С.Н.Степанов

Общая характеристика работы

Актуальность теш. Одним из пяти приоритетных направлений жшюксной. программы научно-технического прогресса стран-членов 5В до 2000 года является "Электронизация народного хозяйства", иди пройдем, поставленных в этом направлении, проблема "Созца-ю экспертных вычислительных систем" является одной из иовейиих срабатываемых областей науки и техники. Экспертные системы )С) позволяют значительно улучшить качество и интенсифицировать >оцесс принятия решений и управление в трудно формализуемых запах. ЭС применяются для помощи специалистам в различных облас-сс: медицина, геология, химия, военное и инженерное дело и т.п.

Для построения ЭС этап извлечения и формализация знаний юет принципиальную важность. Мощность я эффективность системы ¡висят от содержавшихся в ней знаний.

В настоящее время в исследованиях по искусственному пнтел-;кту большое значение придается методам и принципам создания ш знаний для ЭС. Применение различных способов во многом зази-1Т от характера и сложности реиаемнх задач и от особенностей шной проблемной области.

Работа автора связана с проблемами профилактики, диагносш->ваняя и лечения гастрознгеригных заболеваний в ветеринарной дацане, в частности у телят. Эти заболевания являются одаич ! факторов .наиболее влияющих на смертность телят ,и приносят тигельный экономический ущерб в животноводство. Однако, рпа-ш об этих заболеваниях вообще очень мало формаллзогшй! поо-му их трудно применять среднему специалисту. Слепшая кжш, ки-эрые игле ют високую квалификацию з этой облает л, мало.

Основная цель работы закшчается в исследование п; мъ

создания базы знаний для диагностических экспертных систем.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1) Провести анализ основных характеристик экспертных систем и. воз;.'о:?.костей их использования;

2) Определить особенности проблемной области для адекватного построения модели проблемной области (ПО);

3) Разработать методику создания экспертных диагостичес-ких систем в области ветеринарной медицины на основе анализа этапов работы инженера по знаниям;

4) Создать диагностическую экспертную систему -вобласти ветеринарной медицины и исследовать её эффективность, сопоставив по качеству с экспертами.

Основные результаты работы.

1) Рассмотрена методика совместной работы инженера по зншиц.м и экспертов в ходе создания базы знаний применительно к конкретной продленной области - ветеринарная медицина. Обосновано введение нового этапа - "углубления" в традиционный процесс разработки экспертных систем.

2) Предложена методика создания базы знаний для экспертной диагностической системы в ветеринарной медицине. Характеризованы беседы для извлечения экспертных знаний в разные моменты процесса создания базы знаний. Каждая беседа характеризуется целью, этапом, в который происходит беседа.участниками, начальной информацией, стратегией инженера в ходе беседа и результатами. Б методике.установлен последовательный ряд шагов двд; извлечения знаний в проблемной области, определяется стратегия инженера в каждый момент, рассматривается специальная работа с лодьми-неспециалистами, от которых можно получить существенную дополнительную информацию.

3) Изучены особенности проблемной области б задаче диаг-юсткки ряда заболеваний у телягг. Динамика процесса анализа метется в зависимости от конкретней ситуации. Построена модель грсблемной области, включая общую характеристику процесса решетя задачи. В понятие "модель проблемной области" входит поста-ювна задачи, структурные единицы задачи, охека сбора и анализа •нформашш для установления решения, разбиение процесса решения !а эташ, разделение признаков на уровни, способ представления шаний.

4) Проанализированы различные подходы для улучшения струк-?урц базы знаний. Эти подходы основаны на рационализации правил I признаков, на структурировании знаний в системе и на разумной >рганизации интерфейса с пользователем.

5) Сформулирован набор правил для профилактики рассматри-эаемых заболеваний, мх диагноза и лечения. На основе набора пра-зял и при использовании оболочки ВП-ЭКСПЕРТ • создана экспертная система, позволяющая во многих случаях реяать задачу диагностики юдобно тому, как это делает опытный специалист.

- Методы искусственного интеллекта распространены на новую проблемную область в ветеринарной медицине.

~ Проведен анализ принципов создания баз знаний для опре-хеленного класса проблемной области.

~ Исследована и расширена методика совместной работа пн:.:о-1ера по знаниям и экспертов в ходе создания баз« знаний.

. - Разработала модель проблемной области ь задаче диагноз;,, гастроэнтеритных заболевать! у телят.

- Сфорг«улирэван набор, кравил прайыаксикп заболеваии/:, ¡V. глагноза и лечения.

Практическая ценность работы. Предложенная методика создания экспертных диагностических систем в области ветеринарной медицины является общей для данной проблемной области.

Разработка модели проблемной области в задаче диагноза гастроэнтеритных заболеваний у телят позволяет расширить сферу применения искусственного интеллекта на новую проблемную облас: в ветеринарной медицине.

Экспертная система по гастроэнтеропатиям у телят отвечает программе развития автоматизированной системы областного управления животноводством Республики Куба. Эта работа рекомендуете: Министерством сельского хозяйства и Центральным Университетом Лас Вильяс для дальнейшего распространения по всей стране в соответствии с информационной политикой провинции Лас Вильяс. Результаты диссертации используются в Кубинском Обществе Ветеринарной Медицины и в животноводческих хозяйствах Ла Витрина и Маникарачуа.

Апробация работы. ■

Результаты работы докладыэалиоь на: Международном совещании "Применение вычислительной техники в биологии" (Национальный Центр Научных Исследований, Гавана 1988), П-ом национально! симпозиуме по искусственному интеллекту (Сантиаго де Куба,1989 'ежегодной конференции'Фронта по электронике (Санта Клара, 1989 ежегодной конференции по ветеринарной медицине (Гавана 1989), Семинаре "Искусственный интеллект" в Центральном Университете (Санта Клара, 1988, 1989), а также на семинарах в Лаборатории Я 3 ИПШ АН СССР,-

Публикации. Но теме диссертации опубликовано 2 работы.

Структура и объем диссертации. Диосертация состоит из вве дшшя, четырех глав, заключения, списка литературы, включавдег

наименований. Объем диссертации страниц, содержит 17 Злиц и 5рисунков.

Краткое содержание диссертационной работы.

Во введении обосновывается актуальность проводи:,;их иссле-заняй, формулируются цель и задачи работы, описывается пауч-? новизна результатов к их практическое значение, приводится 1ткое содержание работы по главам. *

Первая глава диссертации является вводной. В ней прнводнт-аналитический литературный обзор. Ланы основано определения >бласти ЭС, ввдвлены-их типичные структурные единицы, прозз-! анализ пользователей X, особенностей вз&щлодзиствия различ-с типов пользователей с системой. Затем рассматриваются оталн фаботки ЭС и вопросы, связаннкз с приобретением знаний.

Экспертная система предлагает свош пользователям разное куги, выбор которых зависит от типа пользователя, и его I работе с системой. В диссертации проводится анализ (¿у:-:-;цпп и особенностей взаимодействия с системами различных т»п:оз гьзошгелей: экспертов, специалистов прелегкой области и . гдентов.

В существующих подходах считается, что разработка экспорт-\ системы состоит из пяти этапов: идентификации, ко;¡центуали-;ии, формализации, реализации и тестирования. При анализе ос этапов оказалось, что они неполно' характеризует горэио процесса. Некоторые вачшке иоментн в раду пцепти.Ь.-.глпп': -иептуализашш - формализация, нечетко опре-елт:;:;:. Црес | всех необходимых знаний от эдепертоз пз л- .-.м. .:>;••.;-

:енно из идентификации задачи. Кояцеш,уап.*зг.ц:>.: .

.аютх ¡юшек»? задач, недостатсял дгя очно-:::;::::: : щ-:; : ; -

Автор предлагает введение в традиционный процесс нового этапа углубления между концептуализацией и формализацией. На этапе углубления, при обсуждении с экспертами разъясняются все понятия и взаимоотношения проблемной .области. Здесь..анализируй ют детали и разъясняют мыслительную модель эксперта, его стратегию решения и ход руссждения.

Приобретение знания - это процесс получения знаний от эксперта (ила из каких-либо других источников знаний) и передача их экспертной системе. Этот процесс охватывает две основные части: с одной стороны, взаимодействие с спецаалиста-экспер-тами с целью, извлечения у них знаний и, с.другой стороны, взах модействие с компьютером для введения этих знаний после того, как они адекватно представлены.

Приобретение знания является очень сложным процессом, потому что объем используемых экспертом знаний ограничен, и чаете он этого даже к не осознает.

Исходя из теории поэтапного формирования умственных действий, высказанной П.Я.Гальпериным, заключается, что деятельноси инженера по знаниям должна направляться на достижение того, чтобы эксперт проходил все эти этапы, но в противоположном направлении. Если этого добиться, то тогда мы приблизимся к пониманию сущности процесса мышления.

В конца главы перечислены различные методы извлечения экспертных знаний и формы представления знаний.

Вторая глава посвящена общему анализу ПО, которая- исследо валась в диссертации. Рассмотрены возможности применения ЭС в животноводство. Приведен общий анализ ПО. Разработана модель ПО в задаче диагноза гасгроэнтеритных заболеваний у телят.

кпаотноБодотво - это предметная область, исследуемая в

диссертации.

Потенциальные возможности применения ЭС в области животноводства огромны. Банные типы их приложения - планирование, интерпретация ситуаций и прогноз, диагностика и помощь советами при лечении.

Обосновываются значение гастроэнтеритного синдрома новорожденных животных в рамках кубинского скотоводства и важность , внедрения экспортной системы при диагнозе таких заболеваний у телят. Использование экспертной системы влечет за собой уменьшение экономического ущерба в животноводстве.

Цель создания экспортной системы - помощь персоналу, занимающемуся выращиванием телят,более эффективно проводить профилактику, ставить диагнозы и лечить гастроэнтеритные заболевания. Основная задача - определить возбудитель, вызывающий болезнь.

Подробно проанализированы характеристики проблемы с точки зрения стратегии её реиенкя к адекватность выбранной методики струкгуро проблемной области.

Разработана модель проблемной области в дачной задаче, включая постановку задачи, структурные единицы задачи, схему-сбора и анализа информации при установлении решения, разбиение процесса решения на этапы, разделение признаков на уровни, способ представления знаний.

В структурные единицы включена II типов диагнозов, совокупность признаков, связанных с заболеванием к рекомендации о равных аспектах проблемной области.

Схема сбора и анализа информации при установлении гекеик-: описывает порядок ресслот^ эняя каждого вопроса и обработку го заключения.

К структурным свойстйаа для решения задачи относятся о- ■ю;:-

ныо огаш процесса решения и разделения на 4 уровня целой со-зокушюстн признаков заболеваний.

Б процессе решения задачи выделяются два этапа: I) анали предрасполагающих факторов и профилактических мер; 2) анализ признаков заболевания, постановка диагноза и лечение. По зтап представляются рекомендации.

Предрасполагающие факторы и профилактические меры опреде лк:от картину казни у теленка перед тем, как он заболел. В р зультата их анализа, часть диагнозов отвергается, а часть диа нозов становится более вероятной.

Анализ признаков заболевания - самый острый и наиболее вшшый этап-для решения задачи, так как при этом формируется гипотеза о диагнозе.

Предлагаемая стратегия при решении данной задачи делит це лую совокупность признаков на уровни. У каждого уровня своя стратегия анализа.

Выдвигается гипотеза о диагнозе, взятая из анализа призна коз к заключения о предрасполагающих факторах и профилактичес ких мерах. В зазисшости от диагноза можно рекомендовать соот вотствукщее лечение, удачно посоветовать некоторые альтерната так как иногда необходимых лекарств нет. .

Форма представления знания, 'используемая для задачи гаст роонтеритных заболеваний - продукционные правила. Общие особе ноем: ПО, которые обосновывают этот выбор, следующие:

-Компактна.

-Относительно простая структура.

-Раесукдекия эксперта возможно представлять цепочками правил.

-Д;;ка:.:иха. событий рассматривается только в отдельных слу-

чает .

Основным результатом главк является формулировка задачи разработки класса ЭС в области ветеринарной медицины и модель ПО.

Б третьей главе описывается процесс выработки базы знаний (БЗ) ЭС по гастроантеритныы заболеваниям у телят. Предложена методика извлечения знаний в ветеринарной медицине. Рассматриваются средства организации знания в ходе приобретения знаний. Исследуются свойства правил БЗ по тестовой выборке и по их логическим структурам. В конце главы рассматривается вопрос о улучшении структуры БЗ.

Извлечение экспертных знаний происходит особенно эффективно в беседах с экспертами. В разные моменты процесса разработки ЭС беседы с экспертами характеризуются разними чертили.

В методике, которая использована для бесед с экспертами на лакдом этапе создания БЗ о гастроэнтеригннх заболеваниях, каждая беседа характеризуется целью, этапом, в который происходит беседа, участниками, начальной информацией, стратегией инженера в хода беседа и результатами. Описываются 12 типов бесед. Затем сформулированы общие методические рекомендации для разработки ЭС.

В качестве инструментов, чтобы облегчить процесс приобретения экспертных знаний и адекватно их вводить в ЭВМ, были использованы вспомогательные средства организации знаний, такие как обзорные таблицы и дерево решений. Они помогают разъяснить, уточнить и формализовать устные объяснения экспертов.

В диссертации исследуются правила Ш при использовании тестовой выборки для анализа поведения правил при этих данных. Составление тестовой выборки зависит от конкретного характера предметной области системы.

lia основания того, что в ветеринарном медицине не используется истории болезни, сказалось необходимым прибегнуть к средству, позволяющему регистрировать данные об отдельных телятах с ,ГЕркзнака'<ш гастроанторатных заболеваний. Таким образом был подготовлен образец эпызооглологяческоа анкеты, вклотавдеИ все возмогшие фактора, которые необходимо учитывать для установления правильного диагноза в соответствии с выводами совместной работа с экспертами.

Вообще, примеры, собранные с использованием эпизоотиологи-ческок анкеты, были рассчитаны и обсукдевы с экспертами. С покойно фактических данных особо исследовали одну из самых трудных подзадач системы: определение гипотезы о диагнозе заболевания, когда только считается возможный один возбудитель. В некоторых таблицах приведены основное результаты этого исследования.

Дадьые исследуется свойства дравид из базы знании по их логической структуре.

Рассматривается, как тип признака влияет на характер пра-вил,данных экспертом, Бинарные признаки соответствуют самим че^ кш правила!.:. Числовые признаки затрудняют формулировку правил из-за нелегкого уточнения границ, которые определяют изменение .в рас скатываемом признаке.

Ранговые признаки являются самыми слокннш для применения б правилах. Обычно, сам эксперт но знает, какие воз мокше ранги характеризуют признаки. Л также после установления рангов очень т?удцо еделеть вшиая-ние о признаках для этих рангов. Слокнос-т:: возникают у пользователя, когда он долаон выбрать ответ.

Работа с качественными признаками особенно затрудняется и о 1-о ьрыж сост-лмения кхавзл, а во время ii;c Еснользованик. iiiiC ор пользователем того или иного значения дет признака, когда

н отвечает на вопросы в ходе консультации, не всегда хорошо босиованы.

В качестве примера в диссертации показсш результаты рассмотрения подмножества 43-х правил из анализа яргаянгбазн зла-шй. Этот результат связан с отождествлением логической конструкции,, удобной для эксперта. При этом анализе заметно, что:

- Эксперт использует оператор "не" только для одного признака.

- Используя оператор "и", эксперт обычно может считать 2 или 3 признака.

- Эксперт более легко работает с оператором "или". Используя оператор "или", эксперт легко соединяет до Ь признаков,

- Эксперт редко использует одновременно (в сднсм правиле) оператор "и" и "ми".

-осло разработки первый прототип ЗС нуждается в усовершенствовании . Усовершенствование связало, с одной стороны, с расширением количества примеров, которые система монет решать, а с другой стороны, с улучшение!! структуризации знаний и повышением эффективности использования имеющихся в системе знаний.

Для улучшения структуры БЗ системы МВДИ-ВВТ проанализированы 3 основных подхода:

1) Рационализация правил и признаков.

2) Структурирование знаний в системе.

3) Организация интерфейса с пользователем.

В четвертой главе представлена экспертная система для диагноза гасгроэнтерояатлй у тел^т. В начале рассматриваются особенности оболочки В11-ЗШ1, средства которым воспользовались для снаряжения БЗ. Второй параграф посвящен описании основных характеристик и способностей экспертной системч

и правил её использования. Дальше предложены испытательные эксперименты, запланированные для доказательства эффективности работы шда-ЗЬТ, и результаты оценки качества работы системы.

¡дНЭД-ВЫГ является экспертной системой, предназначенной для профилактики, установления диагноза и лечения гастроэате-ропатип у животных. Она была разработана в Центральном Университете лас Впльяс (Куба.) и доведена до уровня исследовательского прототипа. 1«4£й-ВЗТ - это основанная на правилах система с обратной цепочкой рассух;цений, реализованная на языке ВП-олСлЫТ. Ее использование будет осуществляться в основном в животноводческих хозяйствах, в исследовательских институтах ветеринарной медицины и з учебных заведениях по подготовке специалистов к техников в отой отрасли.

Описаны основные особенности экспертной системы йЭДИ-ЗЕГ:

I) Беседует с пользователем, употребляя термины ту знакомые.

'¿) Ставит II епдов различных диагнозов заболевания.

3) ¡Замечает нерегулярности в условиях екзни животных и дает рекомендации, чтобы их преодолеть.

4) Позволяет пользователю выбирать из альтернативных методов лечения тот, который ему выгоднее.

5) »'¡сает сказать пользователю, почему ей нуксн ответ на конкретный вопрос.

6) .У.ол.ет обосновать свои закяачензя.

V) Л1:ет овабх? в ответах пользователя, указывает их и позволяет пользойатол» изменять ответ;:.

и) ьо&ьэоьйтгдь изгонять данные ответы, - если

ег.'У чсоб^од'.::;"'.

С) части: е пыьоды, к :;отор;;;.: система с;.:огла

прийти в случае, когда данная информация недостаточна для установления точного диагноза.

База знания системы ЫВДИ-ВЕГ разделяется па 4 поДбази:

МЕДИ-ВЕТ: анализирует предав ствущие факторы появления заболевшшя.

МВД ВЕТ 2: анализирует сиштоьм заболевания на основе действия только одного возбудителя.

ШЩВЕТ 3 : анализирует симптомы заболевания на основе действия двух возбудителей.

МЕДИВЕТ 4 : представляет выводи системы.

Система структурирована таким образом, что в ходе одной консультации нет необходимости переходить через все эти четыре базы; ЫВДИВЕТ 2 и МЕПИВЕТ 3 исключают друг друга. В зависимости от ответа пользователя ход рассуждения мояэт быть &ЭД-БЕТ, ВДШЕТ 2, ЬЩДИВЕГ 4 или 1ВД-ВКГ, 1АВДШВТ 3, МЩЕЖГ4. . то есть во время консультации активизируется только одна из этих двух баз.

Совокупность правил всей системы подразделяется на две основные трудны:

I - Правила, представляющие в системе знания НО.

П - Правила, представляющие знания в управлении процессом рассуждения.

В последнем параграфе диссертации представлены результаты оценки работы экспертной системы №ЗДИ-ВЕТ несколькими способами.

Бали, рассмотрены три основных аспекта для оценки эффективности экспертной.системы: качество выводов и рекомендаций; качество интерфейс о пользователем; портативность и выгодность системы для её внедрения в производство.

Наиболее часто встречающимися ошибками являются следуйте:

1) ЗС но монет дать заключения.

2) Неоднозначность на входе или на выходе,-

3) Ошибки в стратегии контроля.

4) Ошибки в формулировке правил.

Рекомендуется проверка по шагам.

Рассмотреныхиспытательнко эксперименты, запланированные,-чтобы доказать эффективность системы', оценка экспертом качества решения системы при совокупности задач; экзамен системы перед государственной комиссией; сопоставление деятельности экспертной системы с деятельностью нескольких ветеринарных врачей, оценке системы пользователями в производстве.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1) Quirole del Pino M.ii. Sistemas ¿xpsrtoa. //Tecnología Mei nicia, ti 1 Llarao 19Û9, ïag 11-16.

2) Guirola del Pino И.B., Lloronta Blanco P, Sistema езрегь I¿ü}X-V¿'is Una aplicación, de la Inteligencia Artificial а le Medicina Veterinaria. //ïrodvcoion Animal N 1 1990 Pag 23-30.

J^Slîl--HQ^JîÇ!!aTb 13.ОЭ.S>0 г. Обь дм I п..т. Наказ Типография й'ТУ им.Н.З.Баумана