Система поддержки принятия решений в диагностических проблемных ситуациях на основе нечеткой логики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Шашков, Алексей Николаевич

• Шашков, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система поддержки принятия решений в диагностических проблемных ситуациях на основе нечеткой логики»

Современное состояние объектов и систем управления организационного, социального, медицинского типа показывает, что меняются объекты управления и автоматизации. В настоящее время такими объектами все больше становятся не только отдельные технологические системы и процессы, но и деятельность человека в различных предметных областях или операционных средах. Другой особенностью объектов такого рода является наличие в системе множества потоков различного вида, переработка и использование которых составляет основу деятельности системы (объекта управления). Представление о таких системах, как системах со сложной динамикой потоков и стохастичностью поведения параметров позволяет рассматривать деятельность по управлению в операционной среде как последовательное решение проблемных ситуаций. Основным инструментом решения задачи управления подобными объектами являются системы поддержки принятия решений (СППР) в составе АСУ.

Условно можно выделить два класса объектов, с которыми приходится сталкиваться специалистам в области автоматизации управления: "простые" и "сложные". "Простыми" являются объекты, точные математические модели которых при учете всех необходимых количественных факторов, влияющих на поведение объекта, пригодны для реализации на ЭВМ и вполне адекватны объекту. То есть для построения моделей таких объектов имеются достаточно хорошо разработанные традиционные точные математические методы. "Сложные" объекты управления имеют следующие главные отличительные особенности [88]:

1. Не все цели выбора управляющих решений и условия, влияющие на этот выбор, могут быть выражены в виде количественных соотношений;

2. Отсутствует либо является неприемлемо сложным формализованное описание объекта управления; 6

3. Значительная часть информации, необходимая для математического описания объекта, существует в виде представлений и пожеланий специалистов-экспертов, имеющих опыт работы с данным объектом.

Опыт исследований и разработки СППР в условиях неопределенности (УН) в течении последних двух десятилетий в работах отечественных ученых, таких как М.А. Айзерман, А.Н. Борисов, О.И. Ларичев, А.Н. Мелихов, Д.А. Поспелов, Э.А. Трахтенгерц, И.Ю. Юсупов, В.И. Васильев, Г.Н. Зверев, Б.Г. Ильясов, Ю.С. Кабальнов, Г.Г. Куликов, а также зарубежных Л.Заде, Ю.Козелецкий, Т.Саати и других, показал наличие двух самостоятельных задач в рамках таких систем: задача создания математических и инструментальных средств и задача создания базовой информационной технологии в предметной области, обеспечивающих поддержку принятия решений ЛПР в условиях неопределенности.

Среди проблемных ситуаций выделяются диагностические проблемные ситуации (ДПС), особенность которых заключается в том, что принятие решений в этом случае характеризуется наличием человеческого фактора на всех уровнях и этапах процесса управления. Кроме того в ДПС объект управления является источником существенно неполной, неточной, нечеткой информации и противоречий (например, прибор является источником неточности, пациент в клинике - источником нечеткости, неточности и неполноты).

Эти ситуации, как показывает обзор литературных источников, имеют несколько аспектов, требующих научного анализа и исследования. Во-первых, диагностика включает классификацию не полностью определенных состояний. Во-вторых, диагностика имеет несколько уровней экспертизы с непостоянным составом группы экспертов, осуществляющих извлечение информации, выявление закономерностей и противоречий, выдвижение гипотез, проверку гипотез и др. В-третьих, принятие решений имеет двухэтапную организацию: инструментальными методами верифицируются 7 признаки, подтверждающие, либо отвергающие гипотезы; лицо, принимающее решение (ЛПР), строит или использует готовые логические правила, принимает рабочую гипотезу (окончательный диагноз) и осуществляет затем выбор целей и путей преодоления сложившейся проблемной ситуации.

При возникновении ДПС недостаточно изученными остаются также вопросы исследования и анализа ситуаций инструментальными средствами при нечетко заданной информации, где необходимо согласовать оценки, получаемые от экспертов, а также классифицировать ДПС по множеству критериев.

В соответствии с изложенным разработка системы поддержки принятия решений в диагностических проблемных ситуациях на основе нечеткой логики является актуальной задачей.

Данная диссертационная работа посвящена разработке инструментального средства для поддержки принятия решений деятельности ЛПР в диагностических проблемных ситуациях.

Тема диссертационной работы связана с выполнением работ по НИР ИФ-АС-02-98-ХГ, ИФ-АС-04-99-ХГ, проведенных в Уфимском государственном авиационном техническом университете по заказу лечебных учреждений.

Целью работы является разработка научных основ методики построения СППР при управлении деятельностью ЛПР в диагностических проблемных ситуациях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать концептуальную модель СППР в диагностических проблемных ситуациях на основе многоуровневой обработки нечетких данных. 8

2. Разработать инструментальные средства поддержки принятия решений в диагностических проблемных ситуациях при работе с неполными, неточными и нечеткими данными по уровням.

3. Для решения первой и второй задач необходимо разработать методики извлечения экспертных знаний, выявления противоречий в экспертных суждениях и согласования экспертных оценок, а также методики классификации проблемных ситуаций.

4. Разработать информационное, алгоритмическое и программное обеспечение СППР в диагностических проблемных ситуациях и исследовать его работоспособность и эффективность.

Научная новизна.

Предложена новая концептуальная модель СППР, отличающаяся от известных наличием непостоянного состава экспертных групп по уровням управления и внутренними обратными связями по согласованию нечетких оценок.

Предложен новый способ определения вектора приоритетов по неполной матрице парных сравнений, в отличии от известных реализованный путем заполнения пропущенных значений матрицы парных сравнений на основе пропорций элементов других строк, либо приведения множества неполных парных сравнений к системе линейных уравнений с неопределенными коэффициентами и новая методика, реализующая предложенный способ. При этом требуется такое количество сравнений, которое лишь сохраняет связность соответствующего матрице ориентированного взвешенного графа доминирования.

Установлены формальные признаки нового вида скрытого нарушения согласованности индивидуальных оценок эксперта, в отличии от известных выявляемого путем редукции отношения степеней предпочтения к числовому неравенству. Разработана методика согласования 9 индивидуальных экспертных оценок на основе устранения скрытых и явных противоречий.

Разработана новая методика выявления противоречий и согласования групповых экспертных оценок для неравнокомпетентных экспертов, отличающаяся от известных тем, что согласование осуществляется по множеству функций принадлежности, построенных на основе оценок количественных признаков при фиксированном значении лингвистической переменной.

Разработана новая методика автоматической классификации ситуаций, отличающаяся от известных тем, что для классификации по множеству критериев используются механизмы эволюционного поиска.

Методы исследования. В работе используются методы теории принятия решений, методы теории нечетких множеств, теории графов, методы теории вероятностей и математической статистики, кластерного анализа, методы теории эволюционного программирования.

Практическую значимость представляют:

Предложенная в работе методика извлечения экспертных знаний на основе организации процедуры неполных парных сравнений, позволяющая в наиболее удобной для эксперта форме выражать свои предпочтения в слабоформализуемых проблемных ситуациях, и вместе с тем требующая в п/2 раз меньше затрат времени на проведение экспертизы (п - число сравниваемых альтернатив).

Предложенный в работе новый способ определения вектора приоритетов по неполной матрице парных сравнений, позволяющий определять вектор приоритетов на основе сжатой информации о предпочтениях эксперта.

Методика согласования индивидуальных экспертных оценок, разработанная на основе установленного нового вида скрытого нарушения

10 согласованности, которая позволяет выявлять множества противоречивых оценок и автоматически приводить их к согласованному виду.

Предложенная методика согласования групповых экспертных оценок на основе взвешенной функции принадлежности нечеткого множества, которая позволяет согласовывать оценки неравнокомпетентных экспертов в тех случаях, когда информация представлена в виде лингвистических переменных.

Разработанная новая методика эволюционной классификации, позволяющая конструировать новую целевую функцию и проводить группировку ДПС по множеству критериев оценки качества классификации.

Разработанное программное обеспечение, реализующее СППР и обеспечивающую сокращение сроков проведения процедуры извлечения экспертных знаний на 30-50% и уменьшение ошибок диагностики на 10-20%.

На защиту выносятся:

1. Концептуальная модель СППР в диагностических проблемных ситуациях на основе многоуровневой обработки нечетких данных.

2. Методика извлечения экспертных знаний на основе организации процедуры неполных парных сравнений и определения вектора приоритетов альтернатив.

3. Методика согласования индивидуальных экспертных суждений на основе установления и устранения скрытых противоречий в оценках эксперта.

4. Методика согласования групповых экспертных оценок по функции принадлежности нечеткого множества для неравнокомпетентных экспертов.

5. Методика автоматической классификации ситуаций на основе использования механизмов эволюционного поиска.

Содержание.

В первой главе проводится обзор существующих моделей и методов ГТР в условиях неопределенности, методов принятия решений на основе

11 нечеткой логики, систем поддержки ПР и показано, что как теоретические, так и практические инструменты недостаточны для адекватного принятия решений в диагностических проблемных ситуациях. Кроме того, обзор моделей и методов ПР в УН показал наличие в процессе ПР в ДПС таких проблем как извлечение экспертной информации, ее согласование, обработка и классификация ДПС. Поэтому разработана концептуальная схема принятия решений в ДПС, содержащая нечеткое описание. На основании этого определяются общие требования к СППР в ДПС. Во второй главе разрабатываются общие модели ПР в ДПС. В качестве инструментального средства ПР в ДПС предлагается использовать аппарат теории нечетких множеств и эволюционного программирования, описываются методики извлечения экспертной информации, ее согласования и классификации ДПС. В третьей главе разрабатываются средства алгоритмического и программного обеспечения системы поддержки принятия решений в ДПС, реализующие предложенные методики. В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования эффективности предложенных методик. В приложении приведены основные модули программной системы поддержки принятия решений в диагностических проблемных ситуациях и копия свидетельства об официальной регистрации программы на ЭВМ.

Основные результаты диссертации изложены в 21 опубликованных работах [6,7,10-19,56,78,82,110-114,124].

12