Blagoveschensk, Blagoveshchensk, Russian Federation
Blagoveschensk, Blagoveshchensk, Russian Federation
UDK 61 Медицина. Охрана здоровья
GRNTI 20.23 Информационный поиск
GRNTI 20.53 Технические средства обеспечения информационных процессов
OKSO 02.04.01 Математика и компьютерные науки
BBK 3297 Вычислительная техника
TBK 51 Информатика. Вычислительная техника
BISAC COM014000 Computer Science
The purpose of the work was to develop a methodology for creating expert information and analytical systems for scientific research on biomedical orientation.
expert system, information, knowledge base, knowledge base editor, knowledge base interpreter, decision explaining block
Разработка автоматизированных систем для научных исследований предполагает, безусловно и в первую очередь, автоматизацию стандартных, рутинных, нетворческих операций. Однако развитие современных средств вычислительной техники и первый опыт эксплуатации построенных на их основе систем искусственного интеллекта позволяют ставить и решать эту задачу гораздо шире. Необходимо создать среду, в которой научный работник, при проведении исследования, не выходя за рамки своей предметной области (медицины), мог бы эффективно использовать представления и аппарат других наук, необходимых ему в работе, и прежде всего математики, физики, системного анализа.
Модель экспертной системы
Под экспертной системой (ЭС) будем понимать аппаратно-программный комплекс, который использует знания специалистов о некоторой конкретной узко специализированной предметной области и в пределах этой области способна принимать решения на уровне эксперта-профессионала. Структурная схема систем подобного уровня представлена на рисунке 1.
Стрелками обозначено направление движения информации, двунаправленными стрелками обозначено взаимодействие типа «запрос-ответ» и «действие-подтверждение», весьма распространенное в информационных системах. Входом системы является Блок ввода информации, предназначенный для ввода числовых данных, текста, речи, распознавания изображений и других много форматных данных. Информация на вход системы может поступать (в зависимости от решаемой задачи) от пользователя, внешней среды, объекта управления. Далее входная информация поступает в Блок логического вывода, либо сразу в базу данных (БД) - совокупность таблиц, хранящих, как правило, символьную и числовую информацию об объектах предметной области.
Блок логического вывода (БЛВ) и формирования управляющей информации обеспечивает нахождение решений для нечетко формализованных задач информационной системы, осуществляет планирование действий и формирование управляющей информации для пользователя или объекта управления на основе Базы Знаний (БЗ), БД, Базы Целей (БЦ) и Блока Алгоритмических Методов Решений (БАМР).
Рис. 1. Модель экспертной системы.
Экспертные системы состоят из различный модулей: базы знаний - совокупность знаний, например, система продукционных правил, о закономерностях предметной области, базы целей - это множество локальных целей системы, представляющих собой совокупность знаний, активизированных в конкретный момент и в конкретной ситуации для достижения глобальной цели, блока алгоритмических методов решений содержит программные модули решения задач предметной области по жестким алгоритмам, блок усвоения знаний осуществляет анализ динамических знаний с целью их усвоения и сохранения в БЗ, блок объяснения решений интерпретирует пользователю последовательность логического вывода, примененную для достижения текущего результата.
На выходе системы Блок вывода информации обеспечивает вывод данных, текста, речи, изображений и другие результаты логического вывода пользователю или объекту управления.
Контур обратной связи позволяет реализовать свойства адаптивности и обучения информационной системы. На этапе проектирования эксперты и инженеры по знаниям наполняют базу знаний и базу целей, а программисты разрабатывают программы алгоритмических методов решений. База данных создается и пополняется, как правило, в процессе эксплуатации информационного комплекса.
Основным отличием экспертных систем от любых других информационных систем является наличие в составе экспертных систем подсистем приобретения знаний, отображения и объяснения решений. Кроме того, экспертных систем обычно имеют прикладной характер и предназначены для узкой области применения. С функциональной точки зрения прикладная экспертных систем является системой, которая использует знания специалистов о некоторой конкретной узко специализированной предметной области, и в пределах этой области способна принимать решения на уровне эксперта-профессионала.
Взаимодействие пользователя с экспертной системой осуществляется через интерфейс с пользователем на проблемно-ориентированном языке непроцедурного типа, часто на некотором редуцированном варианте естественного языка. Интерфейс с пользователем служит средством трансляции предложений некоторого входного языка на внутренний язык представления знаний данной экспертной системы. С помощью подсистемы отображения и объяснения решений происходит отображение промежуточных и окончательных решений и объяснение пользователю действий ЭС в процессе логического вывода. Функция подсистемы приобретения знаний состоит в поддержке процесса извлечения знаний о соответствующей предметной области от определенного источника знаний (эксперта). Экспертные системы не является просто пассивным источником полезной информации подобно книжному справочнику или базе данных. Экспертная система подсказывает необходимое направление решения задачи, развивая цепочки решений.
Логическая структура экспертной системы
В процессе разработки структурные части системы экспертного подхода объединяются в необходимые модули, способные объединить в себе несколько функциональных элементов. Основными частями разрабатываемой системы являются следующие компоненты:
- Web интерфейс, организующий интерактивное использование ресурсов и возможностей, предоставляемых системой;
- База знаний, важнейшая часть комплекса, организующая взаимное использование, сохранность, организацию информационных ресурсов;
- Модуль экспертной оценки, реализующий алгоритмы обработки запросов.
Указанные элементы являются базисными модулями, в структуру которых входят более специализированные подсистемы, реализующие специфические задачи.
Важным аспектом является обеспечение безопасности системы. Для этого реализуется разделение прав использования функций системы. Основными группами использующими систему являются администраторы (Все права), пользователи эксперты (специалисты в области медицины, допущенные для внесения знаний в систему, а также обладающие правами изменять несоответствующие логические связи), пользователи (обладают правами использования информации предоставленной системой).Для организации большей безопасности в зависимости от прав доступа в интерфейс системы автоматически встраиваются необходимые возможности.
Экспертный модуль позволяет системе обрабатывать запросы пользователей и выдавать материал экспертной оценки на основе логических связей имеющихся в базе знаний системы. Данный модуль реализует интеллектуальный подход к обработке информации, накопленной в базе данных информационной среды.
Web интерфейс системы предлагает возможности по поиску, созданию информационных источников, включена возможность просмотра каталогов, содержащих отсортированные ресурсы. Процесс доступа к конкретному документу производится следующим образом: посредством обращения к атрибуту метода хранения выясняется способ доступа к информационному ресурсу, который может находится как на локальном, так и на удаленном сервере, далее доступ производится стандартными методами операционной системы.
Путем накопления базы данных система расширяет возможности поиска информационных ресурсов по заданным направлениям. Построена концептуальная модель базы данных, структурная схема представлена на рисунке 2. Важным моментом является поле экспертная часть, которое представляет собой мнение эксперта по данной проблеме. Это позволяет системе организовать поиск ресурса по произвольному запросу. Сведения об источниках хранятся в базе ресурсов. Используемые форматы данных для хранения информационных источников, выбирались из поддерживаемых популярными Web браузерами.
Рис.2. Концептуальная модель базы данных.
В процессе работы база знаний пополняется сведения о запросах для увеличения адаптации и релевантности системы поиска. Непосредственный интеллектуальный анализ информации среда проводит средствами модуля экспертной оценки. Структурная организация сведений о запросах на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная организация сведений о запросах.
После накопления базы запросов происходит анализ частоты обращений и выявления морфологических особенностей применяемых терминов. И впоследствии при последующих запросах происходит анализ с учетом выявленных закономерностей. Структура экспертного модуля представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Схема модуля экспертной оценки.
Семантический анализ запросов обрабатывает поступивший запрос и отсылает в базу знаний, где в зависимости от заданных критериев происходит логическая обработка и вывод результата.
Работа системы
Система ориентирована на работу в научно-исследовательском учреждении в качестве централизованного комплекса сбора и обработки информации. Функциональность системы будет расширена за счет объединения систем нескольких научных учреждений в единый информационный комплекс и привлечения средств Internet. В совокупности система представляет новый автономный источник накопления научного знания, способный к самообучению в применяемой области под контролем специалистов экспертов.
Для организации многопользовательского режима предусмотрены несколько способов предоставления интерфейса пользователю. Такие как:
- предоставление услуг локальным пользователям, находящимся в рамках локальной сети;
- работа с удаленными пользователи, средствами web сервера;
- работа средствами VPN, для удаленных пользователей организации.
Возможность различных видов доступа позволяет значительно расширить методы взаимодействия пользователя с сервисами информационной среды.
Система позволяет контролировать деятельность пользователей, путем наделения прав доступа. Для этого она наделена системой авторизации пользователя. Существует несколько групп пользователей:
- администраторы, полный доступ к системе;
- пользователи – эксперты, осуществляют контроль за информационным обменом системы имеют права создания и редактирования источников информации;
- обычный пользователь, имеет права просмотра информации.
В интерфейсе системы заложена возможность работы с каталогами, содержащими систематизированные источники информации. Пример показан на рисунке 5. В эти функции входят: создание каталога; удаление каталога; просмотр входящих информационных ресурсов.
Рис. 5. Интерфейс системы.
Пример работы с информационными каталогами представлен на рисунке 6.
Также система реализует разноплановый поиск: поиск по ключевому слову; поиск каталога; поиск по автору; расширенный поиск, позволяет пользователю задавать дополнительные параметров поиска.
Рис. 6 Пример работы с информационным каталогом.
Пример работы расширенной системы поиска ресурсов представлен на рисунке 7.
Рис. 7. Система поиска ресурсов.
Разработанная система будет применяться в рамках конкретного медицинского учреждения как источник информации с интеллектуальными возможностями. Ее возможности не ограничены только лишь функциями электронной библиотеки, а расширены экспертными возможностями и анализа релевантности запросов пользователя. После накопления базы информационных ресурсов настоящая разработка будет снабжена алгоритмами обработки медико-биологической информации с целью получения нового знания при обработке запроса. Предусмотрена возможность объединения нескольких систем в единое целое с целью расширения возможностей информационного сотрудничества.
1. Perel'man Yu.M., Prihod'ko A.G. Metodika kombinirovannoy diagnostiki narusheniy kondicioniruyuschey funkcii i holodovoy giperreaktivnosti dyhatel'nyh putey // Byulleten' fiziologii i patologii dyhaniya. 2002. Vyp. 12. S.22-28.
2. Ul'yanychev N.V. Sistemnost' nauchnyh issledovaniy v medicine. Saarbrücken: LAP LAMBERT, 2014. 140 s.
