автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Управление в медицинских и социальных системах на основе моделирования и оптимизации дуальных динамических процессов

из?/*

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

ФЕДОРКОВ Евгений Дмитриевич

УПРАВЛЕНИЕ В МЕДИЦИНСКИХ И СОЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ДУАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальности 05.13.10 - Управление в

социальных и экономических

Президиум ВАК Россий00^21^

(решение от " Ц_ " <03 19ч^г. №

присудкд ученую степень ДОКТОЖс

.3.09 - Управление в югических и медицинских ремах (включая применение целительной техники)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор Я.Е.Львович

Воронеж - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..'............................................. 5

1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ В МЕДИЦИНСКИХ

И СОЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ОБЪЕКТОВ..........•..................•..................... 19

1.1. Системный анализ медицинских и социальных систем.. 19

1.2. Задачи моделирования, прогнозирования и оптимизации дуальных динамических процессов в медицинских

и социальных системах............................. 28

1.3. Цель и задачи исследования....................... 37

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДУАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РЕЖИМЕ

МАКРО- И МИКРОДИНАМИКИ................................. 41

2.1. Аналитическая модель дуальных динамических объектов ................................................ 41

2.2. Формирование модели макродинамики на основе статистических временных рядов....................... 46

2.3. Построение макродинамической модели с использованием экспертной информации............................. 50

2.4. Идентификация параметров модели микродинамики с использованием модифицированного . компенсационного метода............................................ 53

2.5. Математическое описание динамики медицинских и социальных систем как систем массового обслуживания................................................67

Выводы второй главы.............................. 76

■3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ДУАЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ. ............................................... 78

3.1. Формирование процедуры прогнозирования макродинамики по данным временного ряда.................... 78

3.2. Алгоритмизация прогнозирования макродинамики на основе полиномиальных моделей..................... 82

3.3. Прогнозирование на основе канонического разложения случайных динамических процессов.................. 88

3.4. Адаптивное прогнозирование состояния динамических объектов по. обобщенному показателю................ 95

3.5. Прогнозирование микродинамики в режиме имитационного моделирования................................ 99

Выводы третьей главы.............................. 112

4. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДУАЛЬНЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ....................................................114

4.1. Интеграция процедур адаптивной оптимизации и имитационного моделирования при управлении динамическими объектами.................................... 114

4.2. Рациональный выбор структуры управляющих воздействий на основе прогнозирования макродинамики....... 119

4.3. Оптимизация управления дуальными динамическими объектами при прогнозировании последовательности

состояний......................................... 125

Выводы четвертой главы............................ 135

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ'И ОПТИМИЗАЦИЯ ЛЕЧЕНИЯ ХРОНИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО КОМПЬЮТЕРНОГО

КОМПЛЕКСА.............................................. 138

5.1. Построение АРМ врача на основе цифро-аналогового компьютерного комплекса........................... 138

5.2. Выбор тактики лечения.в режиме макродинамики...... 142

5. 3. Имитационное управление в режиме микродинамики____ 152

5.4. Комплексное исследование и управление динамикой

физиологических параметров при лечении............ 158

Выводы пятой главы................................. 166

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРИ УПРАВЛЕНИИ БОЛЬШИМИ

МЕДИЦИНСКИМИ СИСТЕМАМИ................................. 168

6.1. Оптимизация медицинского обслуживания в дневном стационаре поликлиники............................. 168

6.2. Моделирование и прогнозирование динамики показателей при организации комплексной системы автоматизированного медицинского кадастра (КСАМК)........ 183

6.3. Оптимизация системы лекарственного обеспечения региона ............................................ 196

Выводы шестой главы............................... 201

7. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ЛОКАЛЬНЫЙ

И РЕГИОНАЛЬНЫМИ СОЦИАЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ.................. . 203

7.1. Прогнозирование динамики показателей и управление региональной системой медицинского обслуживания, населения на основе информационного эколого-меди-цинского мониторинга..............................203

7.2. Управление городским административным районом по социально-экономическим показателям на основе информационного мониторинга......................... 225

Выводы седьмой главы............................266

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................ 268

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. ............................... 271

ПРИЛОЖЕНИЕ............................'............ 293

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Повышение эффективности управления в медицинских и социальных системах связано с применением различных методов моделирования и оптимизации. В большинстве случаев их используют для рационализации организационно-управленческого или лечебно-диагностического процессов без учета временных изменений характеристик и показателей. Такой подход не позволяет получать адекватное отражение процессов в их математическом описании, что снижает эффективность интеллектуальной поддержки руководителей органов управления при принятии решений.

Основной особенностью больших медицинских и социальных систем как объекта управления является существование противоречия, возникающего при описании системы, между необходимостью получения целостного описания, отражающего целостность объекта, и ее сложностью, заключающейся в иерархичности, многоаспектности, развитии. Причем в первую очередь, в отличие от других сложных систем, необходимо учитывать свойство развития; которое проявляется в динамическом характере социальных процессов.

\

Если на уровне этих систем, характеризующихся медленной динамикой показателей, удается за счет.экспертной информации корректировать управление, то при оптимизации лечения без специальных методов не удается получить положительные результаты.

При традиционном лечении выбор лечебных воздействий осуществляется лечащим врачом, как правило, путем эмпирического подбора дозировок с субъективной оценкой индивидуальных особенностей организма больного. Ему приходится постоянно решать задачи прогнозирования исхода лечения как на очередной шаг, так и на весь период,

исходя из анализа, накопленного опыта лечения заболевания, объективных данных о.больном, реакции организма на предшествующее лечебное воздействие. Врач анализирует полученные результаты в так называемой статике, когда действие лечебного воздействия заканчивается, в то время, как на эффективность лечения оказывает влияние характер переходных процессов от действия очередной дозы лекарства. Реакция организма на внешнее воздействие, в том числе и лекарственное, описывается дифференциальным уравнением, -коэфициенты которого являются, во-первых, переменными во времени, а во-вторых, отражают индивидуальные особенности организма.

Поэтому управление состоянием больного должно осуществляться на основе ретроспективной и текущей информации о динамике физиологических параметров.

Таким образом, актуальность темы исследования определяется необходимостью повышения эффективности управления в медицинских и социальных системах на основе методов моделирования, прогнозирования и оптимизации, ориентированных на особенности динамических процессов как больших организационных систем, так и физиологических подсистем человека.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной научно-технической программой 12.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе" в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета "Проблемно-ориентированные системы управления".

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории управления медицинскими системами, теории вероятностей, математической статистики, систем массового обслуживания, вариационные методы, методы моделирования,

идентификации, экспертного оценивания и оптимизации.

Целью работы является создание комплекса методов,, моделей и алгоритмов для оптимального управления разными классами медицинских и социальных систем с учетом дуальности их динамических характеристик и необходимости сочетания ретроспективной, текущей и экспертной информации при прогнозировании состояний и принятий решений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести анализ особенностей моделирования, прогнозирования и управления в медицинских и социальных системах с учетом динамических характеристик и на этой основе сформировать аналитическую модель дуальных динамических процессов;

разработать методы моделирования дуальных динамических процессов в режиме макро- и микродинамики на основе статической, текущей и экспертной информации;

осуществить алгоритмизацию процедур прогнозирования состояния дуальных динамических процессов по отдельным и обобщенным показателям эффективности и качества функционирования медицинских и социальных систем;

сформировать алгоритмические схемы оптимального адаптивного управления. в режимах макро- и микродинамики с использованием аналитических и имитационных прогностических моделей;

разработать и реализовать в клинических условиях автоматизированное рабочее место врача на основе цифро-аналогового комплекса, позволяющее решать задачи моделирования и оптимизации лечения хронических заболеваний в режимах макро- и микродинамики;

создать базовые компоненты математического обеспечения для

управления большими медицинскими и социальными системами как дуальными динамическими объектами путем интеграции методов прогнозирования и оптимизации на базе теории массового обслуживания и элементов геоинформационных систем.

Научная новизна. В работе получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

аналитическая модель дуального динамического объекта, позволяющая описать микродинамический процесс в виде импульсной переходной функции на каждом интервале, а макродинамический - в виде последовательности функционалов связанных с этой импульсной функцией и слабосходящихся при случайных возмущениях к временному статистическому ряду;

процедуры построения макродинамических моделей медицинских и социальных систем, обеспечивающие поэтапную обработку статистического временного ряда с использованием непараметрических оценок ав-токореляции для формирования в структуре математического описания многочлена времени и экспертной информации при наличии пропущенных измерений, соответствующих определенному моменту времени;

модифицированный компенсационный метод идентификации динамических характеристик, отличающийся использованием системы функций, ортонормированных на изменяющемся интервале времени, при фор-мированиии модели нестационарного изменения показателей медицинских и социальных систем;

математическое описание динамических свойств большой медицинской системы, как системы массового обслуживания,основанное на использовании метода фаз и псевдосостояний для формирования зависимости безусловной суммарной плотности распределения интенсивности выходного, потока пациентов от исходных вероятностей временных

характеристик;

алгоритмическое обеспечение прогнозирования состояний дуальных динамических объектов, отличающиеся возможностью интеграции процедур обработки ретроспективной информации на основе полиномиальных моделей, канонического разложения, имитационного моделирования и адаптивного формирования обобщенного показателя;

алгоритм структурной и параметрической оптимизации при управлении медицинскими объектами, основанный на интеграции адаптивных схем, имитационного моделирования, экспертного оценивания с помощью аппарата размытых отношений и элементов геоинформационных систем;

алгоритм выбора последовательности управляющих воздействий, отличающийся введением условия Е-оптимальности с целью ослабления требования стационарности случайного процесса изменения показателей медицинских систем.

Практическая ценность и реализации результатов работы. Методы оптимизации больших медицинских и социальных систем как дуальных динамических объектов послужили основой для построения программно-методического обеспечения автоматизированных систем управления лечебно-профилактическими учреждениями регионального уровня.

Эти результаты внедрены в поликлинике № 8 г. Воронежа при оптимизации функционирования дневного стационара, в Комитете по здравоохранению Администрации Воронежской области при создании комплексной системы автоматизированного медицинского кадастра и рационализации системы лекарственного обеспечения, в Администрации Коминтерновского района г. Воронежа при управлении на основе информационного мониторинга показателей социально-экономической безопасности. Они позволили повысить эффективность управленческих

решений в условиях ограниченных ресурсов.

Разработанные методы моделирования и алгоритмы оптимального выбора легли в основу методики использования комплекса цифровых и аналоговых вычислительных средств в учреждениях практического здравоохранения. Учет динамики физиологических процессов на макро-и микроуровнях позволил врачам выбрать более эффективную последовательность доз лекарственных воздействий, обеспечивающую сокращение сроков и затраты на лечение. Построенные модели динамических режимов стационарного лечения сахарного диабета, артериальной гипертонии использованы при организации интеллектуальной поддержки врача.

Результаты диссертации внедрены в Воронежской областной клинической больнице. На основании исследований, проведенных в соответствии с договором о содружестве, получены, апробированы модели процесса лечения сахарного диабета; сконструированы многоуровневые адаптивные алгоритмы принятия решений при выборе тактики лечения; разработано несколько вариантов применения имитационного эксперимента. Ожидаемый годовой экономический эффект за счет сокращения сроков стационарного лечения и рационального выбора лекарственных средств составляет 300 тыс. руб. (в ценах 1994 года).

Результаты исследования используются в учебном процессе ВГТУ на кафедрах "САПР и информационные системы" и "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" при подготовке студентов по специальности 190500 - "Биотехнические и медицинские аппараты и системы" и в учебном процессе ВГУ на кафедре природопользования и мониторинга окружающей среды.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийском совеща-

- и -

нии-семинаре "Высокие технологии в проектировании технических и автоматизированных устройств" (Воронеж, 1993); Российской научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Саратов, 1994); Международном форуме "Стратегия здоровья: интеллектуальное обеспечение медицины" (Гурзуф, 1994, 1996), Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1994, 1995), Всероссийском совещании "Проблемы создания национальной академической системы баз данных и баз знаний" (Уфа, 1995); Международной конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1996); Всеросийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании, медицине" (Воронеж, 1996,1997); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998); научно-методических семинарах межвузовской кафедры "Компьютеризация управления в медицинских и педагогических системах" (1992-1998); ежегодных научных конференциях и научных сессиях Воронежского государственного технического университета (1994-1998).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 52 печатных работах, в том числе в двух монографиях и трех учебных пособиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения, списка используемой литературы, включающего 206 наименований. Основная часть работы изложена на 232 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 20 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее краткая характеристика, формулируются цель и задачи исследования, представляются основные научные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена выбору путей повышения эффективности моделирования и управления с