Система MYCIN

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система MYCIN

Сначала нам предстоит небольшой экскурс в ту предметную область, в которой используется MYCIN, - в область диагностики и лечения заболеваний крови. Это описание достаточно поверхностное, поскольку рассчитано на читателей, не имеющих специальных познаний в медицине. Но, как мы уже не раз подчеркивали, нельзя рассматривать структуру и работу экспертной системы в отрыве от той предметной области, с которой данная система имеет дело.

«Антимикробный агент» - это любой лекарственный препарат, созданный для уничтожения бактерий и воспрепятствования их роста. Некоторые агенты слишком токсичны для терапевтических целей, и не существует агента, который является эффективным средством борьбы с любыми бактериями. Выбор терапии при бактериальном заражении состоит из четырех этапов:

1 выяснить, имеет ли место определенный вид заражения у данного пациента;

2 определить, какой микроорганизм (микроорганизмы) мог вызвать данный вид заражения;

3 выбрать множество лекарственных препаратов, подходящих для применения в данной ситуации;

4 выбрать наиболее эффективный препарат или их комбинацию.

Первичные анализы, взятые у пациента, направляют в микробиологическую лабораторию, где из них выращивается культура бактерий, т.е. создаются наилучшие условия для их роста. Иногда уже на ранних стадиях можно сделать заключение о морфологических характеристиках микроорганизмов. Но даже если микроорганизм, вызвавший заражение, и идентифицирован, еще неизвестно (или нет полной уверенности), к каким препаратам он чувствителен.

Часто программу MYCIN считают диагностической, но это не так. Назначение этой программы - быть ассистентом врача, который не является узким специалистом в области применения антибиотиков при лечении заболеваний крови. В процессе работы программа формирует гипотезы диагноза и придает им определенные веса, но самостоятельно, как правило, не делает окончательного выбора.

Работа над программой началась в 1972 году в Станфордеком университете и велась специалистами в области искусственного интеллекта в тесном сотрудничестве с медиками. Наиболее полное описание этой системы можно найти в работе Шортлиффа [Shortliffe, 1976].

После 1976 года система неоднократно модифицировалась и обновлялась, но базовая версия состояла из пяти компонентов (рис. 1). Стрелки на рисунке показывают основные потоки информации между модулями.

(1) База знаний содержит фактические знания, касающиеся предметной области, и сведения об имеющихся неопределенностях.

(2) Динамическая база данных пациентов содержит информацию о конкретных пациентах и их заболеваниях.

(3) Консультирующая программа задает вопросы, выводит заключения системы и дает советы для конкретного случая, используя информацию о пациенте и статические знания.

(4) Объясняющая программа отвечает на вопросы и дает пользователю информацию о том, на чем основываются рекомендации или заключения, сформулированные системой. При этом программа приводит трассировку процесса выработки рекомендаций.

(5) Программа восприятия знаний служит для обновления знаний, хранящихся в системе, в процессе ее эксплуатации.

Рис. 1. Структура системы MYC1N ([Buchanan and Shortliffe, 1984])

Подсистема, в которую входят компоненты 1, 2 и 3, отвечает за решение проблемы. Эта подсистема строит гипотезы относительно причин заболевания и формирует рекомендации, основываясь на этих гипотезах. Ниже мы подробнее рассмотрим принципы работы этих компонентов.

2. База знаний системы MYCIN

База знаний системы MYCIN организована в виде множества правил в форме если условие₁ и… и условие_т удовлетворяются то прийти к заключению₁ и… и к заключению n

Эти правила преобразованы в операторы языка LISP.

Вот как выглядит перевод на обычный язык типичного правила MYCIN:

ЕСЛИ 1) организм обладает грамотрицательной окраской, и

) организм имеет форму палочки, и

) организм аэробный,

ТО есть основания предполагать (0,8), что этот микроорганизм относится к классу enterobacteriaceae.

Такого рода правила названы оргправилами (ORGRULES) и в них сконцентрированы знания о таких организмах, как strepococcus, pseudonomas и enterobacteriaceae.

Это правило говорит о том, что если организм имеет форму палочки, пятнистую окраску и активно развивается в среде, насыщенной кислородом, то с большой вероятностью его можно отнести в классу enterobacteriaceae. Число 0.8 называется уровнем соответствия (tally) правила, т.е. мерой правдоподобия заключения, сделанного на основании сформулированных условий. Методика использования уровня соответствия правила будет рассмотрена ниже. Каждое правило такого вида можно рассматривать как представление в машинной форме некоторого элемента знаний эксперта. Возможность применить правило определяется тем, удовлетворяются ли в конкретной ситуации условия, сформулированные в первой его части. Сформулированные условия также носят нечеткий характер и могут удовлетворяться с разной степенью истинности. Поэтому в результате импортирования правил из базы знаний применительно к конкретной ситуации формируется более общее правило, включающее и оценки уровня истинности соблюдения условий:

если условие1 удовлетворяется с истинностью х₁ и… и условие_m удовлетворяется с истинностью х_м,

то прийти к заключению₁ со степенью уверенности у₁ и… и к заключению_n со степенью уверенности у_n.

Здесь степень уверенности, связанная с каждым заключением, является функцией от оценок истинности соблюдения условий и уровня соответствия, отражающего степень уверенности эксперта при формулировке первичных оргправил.

Фактически правило является парой «предпосылка-действие»; такое правило иногда традиционно называют «продукцией» (подробнее об этом см. в главе 5). Предпосылка - это совокупность условий, а уверенность в достоверности предпосылки зависит от того, насколько достоверной является оценка условий. Условия - это предположения о наличии некоторых свойств, которые принимают значения истина либо ложь с определенной степенью достоверности. Примером может служить условие в приведенном выше правиле:

«Организм имеет форму палочки».

Действие - это либо заключение, либо рекомендация о том, какое действие предпринять. Примером заключения может служить вывод о том, что данный организм относится к определенному классу. Пример рекомендации - сформулированный перечень лечебных процедур.

Мы детально проанализируем процесс применения правил в последующих разделах. А сейчас кратко остановимся на том, как в MYCIN для представления знаний используются структуры другого вида.

Помимо правил, в базе знаний MYCIN также хранятся факты и определения. Для их хранения используются разные структурные формы:

1 простые списки, например списки всех микроорганизмов, известных системе;

2 таблицы знаний с записями об определенных клинических показаниях и значениях, которые эти показания имеют при разных условиях; примером может служить информация о форме микроорганизмов, известных системе;

3 система классификации клинических параметров соответственно контексту, в котором эти параметры рассматриваются, например являются ли они свойством (атрибутом) пациентов или микроорганизмов.

Значительная часть знаний хранится не в виде правил, а в виде свойств, ассоциированных с 65 клиническими параметрами, известными системе MYCIN. Например, форма - это атрибут микроорганизма, который может принимать самые разнообразные значения, например «палочка» или «кокон». Система также присваивает значения параметрам и для собственных нужд-либо для упрощения мониторинга взаимодействия с пользователем, либо для индексации при определении порядка применения правил.

Информация о пациенте хранится в структуре, названной контекстным деревом (context tree). На рис. 2 показано контекстное дерево пациента ПАЦИЕНТ 1. В это дерево включены три культуры организмов (например, полученные из анализа крови пациента) и текущие назначения, которые нужно учитывать при анализе, поскольку они сопряжены с приемом определенных лекарственных средств. С культурами связаны микроорганизмы, присутствие которых предполагается на основании данных, полученных в лаборатории, а с микроорганизмами - лекарственные средства, оказывающие воздействие на них.

Предположим, что в записи, связанной с узлом ОРГАНИЗМ-1 в этой структуре, хранятся данные которые имеют следующий смысл:

ГРАН = (ГРАМ-ОТР 1.0)

МОРФ = (ПАЛОЧКА.8) (КОКОН.2)

ВОЗДУХ = (АЭРОБ.6),

1 совершенно определенно организм имеет грамотрицательную окраску;

2 со степенью уверенности 0.8 организм имеет форму палочки, а со степенью уверенности 0.2 - форму колбочки;

3 со степенью уверенности 0.6 ОРГАНИЗМ-1 является аэробным (т.е. воздушная среда способствует его росту).

Рис. 2. Типичное контекстное дерево в системе MYCIN

Теперь предположим, что применяется сформулированное выше правило. Нам требуется определить степень уверенности в выполнении всех трех перечисленных в нем условий применительно к данным, представленным в ОРГАНИЗМ-1. Степень уверенности в выполнении первого условия равна 1.0, второго - 0.8, а третьего - 0.6. Степень уверенности в выполнении совокупности условий принимается равной минимальному из значений, характеризирующих отдельные компоненты, т.е. 0.6.

В качестве оценки достоверности совокупности принимается минимальное значение по той причине, что рассчитывать на выполнение всех условий вместе можно не более, чем на выполнение самого «ненадежного» из них. Здесь очень уместна аналогия с цепочкой, прочность которой не может быть выше прочности самого слабого ее звена. Можно рассмотреть и обратный случай: какова степень уверенности в невыполнении совокупности условий? Она равна максимальному из значений, характеризующих невыполнение отдельных компонентов. Сформулированные выше соглашения легли в основу методики формирования неточных суждений, так называемой нечеткой логики.

В данном случае мы приходим к заключению, что микроорганизм, описанный в узле ОРГАНИЗМ-1, относится к классу энтеробактерий со степенью уверенности, равной 0.6 х 0.8 = 0.48. Сомножитель 0.6 - это степень уверенности в выполнении совокупности условий, перечисленных в правиле, а 0.8 - степень уверенности в том, что правило дает правильное заключение, когда все означенные в нем условия гарантированно удовлетворяются. За сомножителями и результатом этого выражения закрепился термин коэффициента уверенности (CF - certainty factor). Таким образом, в общем случае имеем: СF(действие) = СF(предпосылка) х СРF(правило).

Коэффициенты уверенности имеют много общего с оценками вероятности, но между этими двумя понятиями есть и определенные различия. Свойства этих коэффициентов не всегда подчиняются правилам теории вероятности и, таким образом, с математической точки зрения вероятностями не являются. Но методы вычисления коэффициентов уверенности некоторой совокупности правил или действий по коэффициентам уверенности, характеризующим отдельные компоненты в этой совокупности, в значительной мере напоминают методы вычисления вероятности сложных событий по вероятностям совершения событий-компонентов.

3. Структуры управления в MYCIN

Целевое правило самого верхнего уровня в системе MYCIN можно сформулировать примерно так:

ЕСЛИ 1) существует микроорганизм, который требует проведения курса терапии, и 2) заданы соображения относительно любых других микроорганизмов, которые требуют проведения курса терапии,

ТО сформировать список возможных курсов терапии и выделить наилучший из них. В ходе консультации выполняется простая двухэтапная процедура:

1 формируется контекст пациента в форме самого верхнего узла контекстного дерева;

2 предпринимается попытка применить целевое правило к этому контексту пациента.

Применение правила включает в себя оценку сформулированных в нем предпосылок, а этот процесс, в свою очередь, включает проверку, существует ли микроорганизм, который требует проведения курса терапии. Для этого сначала нужно выяснить, существует ли вообще факт заражения микроорганизмами, связанными с определенными болезнями. Эту информацию можно получить либо непосредственно от пользователя, либо воспользовавшись цепочкой рассуждений, основанных на наблюдаемых симптомах и имеющихся данные лабораторных исследований.

Консультация представляет собой, по сути, поиск на древовидном графе целей. В корне дерева располагается цель самого верхнего уровня - та часть целевого правила, в которой отображено действие, - рекомендуемый курс лекарственной терапии. На более низких уровнях размещаются подцели, которые представляют собой, например, выяснение, какие микроорганизмы обнаружены в зараженных тканях и насколько заражение каждым из них существенно. Многие из этих подцелей распадаются на более мелкие подцели. Листьями дерева являются факты, которые не нуждаются в логическом выводе, поскольку получены эмпирическим путем, например факты, установленные в лаборатории.

Для работы программы очень удобно представить процесс порождения подцелей с помощью особого вида структуры, названной И/ИЛИ-графом. Основная идея состоит в том, что корневой узел дерева представляет главную цель, а терминальные узлы - примитивные операции, которые может выполнить программа. Нетерминальные (промежуточные) узлы представляют подцели, по отношению к которым допустимо выполнить дальнейший анализ. Существует довольно простое соответствие между анализом таких структур и анализом множества правил.

Рассмотрим следующий набор правил «условие-действие»:

Если имеет СЛУЖЕБНОЕ УДОСТОВЕРЕНИЕ И имеет ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ_ОРУЖИЕ, ТО X - ПОЛИСМЕН.

ЕСЛИ имеет РЕВОЛЬВЕР, или имеет ПИСТОЛЕТ, или имеет ВИНТОВКУ, ТО X имеет ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ ОРУЖИЕ.

Если имеет ЛИЧНЫЙ_ЖЕТОН, то имеет СЛУЖЕБНОЕ_УДОСТОВЕРЕНИЕ.

Эти правила можно представить в виде набора узлов в дереве целей (рис. 3.4), в котором отражены цели, которые выступают в совокупности, и те, которые воспринимаются независимо, по одиночке. Между связями, идущими от узла ПОЛИСМЕН (корневой узел - главная цель) к узлам СЛУЖЕБНОЕ_УДОСТОВЕРЕНИЕ и ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ_ОРУЖИЕ, проведена дуга, которая подчеркивает, что для удовлетворения главной цели необходимо удовлетворить обе подцели. Но между связями, проведенными от узла ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ_ОРУЖИЕ к узлам РЕВОЛЬВЕР, ПИСТОЛЕТ и ВИНТОВКА, такой дуги нет, поскольку для удовлетворения цели ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ_ОРУЖИЕ достаточно удовлетворить любую из присоединенных подцелей. Узел может иметь и единственного наследника, как узел СЛУЖЕБНОЕ_ УДОСТОВЕРЕНИЕ на этом графе.

И/ИЛИ-граф на рис. 3 можно рассматривать как способ представления пространства поиска для цели ПОЛИСМЕН, перечислив все способы, которыми можно применить различные операторы, чтобы достичь главной цели.

Рис. 3. Представление набора правил в виде И/ИЛИ-графа

Такой вид структуры управления правилами получил наименование цепочки обратного вывода (backward chaining), поскольку путь рассуждений идет от того, что нужно доказать, к фактам, на которых основывается доказательство. При прямой цепочке рассуждение ведется, отталкиваясь от имеющихся фактов. В этом отношении система MYCIN напоминает STRIPS, где цель также достигалась разбиением ее на подцели, к которым можно было бы применить определенные операторы. Поиск решения в процессе построения цепочки обратного вывода более целенаправлен, поскольку рассматриваются только факты, потенциально способные повлиять на решение.

Структура управления правилами в MYCIN использует И/ИЛИ-граф и по сравнению с программами искусственного интеллекта довольно проста - в ней, по сути, использована методика исчерпывающего поиска, в которую внесены только незначительные изменения.

(1) Формулировка каждой подцели всегда представляет собой обобщенную форму исходной цели. Так, если подцель состоит в том, чтобы доказать справедливость суждения «организм - это E. Coli», то формулировка такой подцели - определение типа организма. Этим инициируется исчерпывающий поиск, в который вовлекаются все возможные сведения об организмах.

(2) В множестве правил, подходящих для сформулированной цели, выискивается такое, которое определенно удовлетворяется. Если для заключения об определенном параметре, например о природе организма, подходит несколько правил, то их результаты объединяются (см. врезку 3.2). Если коэффициент уверенности какой-либо из выдвинутых гипотез оказывается в диапазоне от -0.2 до +0.2, то гипотеза отбрасывается.

(3) Если текущая подцель представляет собой лист на графе (терминальный узел), то данные запрашиваются у пользователя. В противном случае устанавливается очередная подцель и выполняется переход на шаг (1).

По завершении процесса диагностики выбирается рекомендуемый курс лечения. Выбор включает две стадии: отбор рекомендуемых медикаментов и предпочтительного варианта или комбинации медикаментов из полученного списка.

4. Комбинация гипотез

В системе MYC1N может оказаться, что для суждения об определенном параметре подойдет не одно правило, а несколько. Применение каждого из них - отдельная гипотеза - характеризуется некоторым значением коэффициента уверенности. Например, из одного правила следует, что данный микроорганизм - это E. Coli, причем коэффициент уверенности этой гипотезы равен 0.8. Другое правило, принимая во внимание другие свойства анализируемого объекта, приводит к заключению/что этот микроорганизм - E. Coli, но эта гипотеза характеризуется коэффициентом уверенности 0.5 (или, например, -0.8). Отрицательное значение коэффициента уверенности указывает, что данное правило опровергает сформулированное заключение.

Пусть х и у - коэффициенты уверенности одинаковых заключений, полученные при применении разных правил. В таком случае в системе MYCIN используется следующая формула определения результирующего коэффициента уверенности:

Здесь |Х| означает абсолютное значение X.

Что при этом происходит, нетрудно понять интуитивно. Если обе гипотезы подтверждают вывод (или, наоборот, обе гипотезы его опровергают), то коэффициент уверенности их комбинации возрастает по абсолютной величине. Если же одна гипотеза подтверждает вывод, а другая его опровергает, то наличие знаменателя в соответствующем выражении сглаживает этот эффект.

Если оказалось, что гипотез несколько, то их можно по очереди «пропускать» через эту формулу, причем, поскольку она обладает свойством коммутативности, порядок, в котором обрабатываются гипотезы, значения не имеет.

Отдельное правило применяется по отношению к главной цели, представленной корневым узлом на И/ИЛИ-графе. Если удовлетворяются все, связанные с ним предпосылки, то это правило, вместо того чтобы формировать суждение, возбуждает определенное действие. Здесь в системе MYCIN на сцену выходят правила формулировки рекомендаций о курсе лечения. Эти правила включают информацию о чувствительности различных организмов, известных системе, к тем или иным медикаментам. Ниже приведено простое правило выдачи рекомендаций о лечении.

ЕСЛИ микроорганизм идентифицирован как pseudomonas,

ТО рекомендуется выбрать следующие медикаменты:

- COLISTIN (0.98)

- POLYMIXIN (0.96)

- GENTAMICIN (0.96)

- CARBENICILLIN (0.65)

- SULFISOXAZOLE (0.64)

Числа, следующие за названием каждого из перечисленных медикаментов, представляют оценки вероятности того, что бактерия pseudomonas окажется чувствительной к этому препарату, и вводятся в систему исходя из существующей медицинской статистики. Предпочтительный препарат из этого перечня выбирается с учетом противопоказаний, специфичных для каждого пациента. Пользователь может пойти дальше и задавать вопросы об альтернативном курсе лечения до тех пор, пока система не исчерпает список вероятных диагнозов.

Заключение

Существует множество способов оценки или сравнения характеристик экспертных систем, но наиболее распространенный - сравнение полученных с их помощью результатов с теми, которые получает человек-эксперт. При разработке системы инженер по знаниям и эксперт работают вместе, добиваясь того, чтобы с помощью системы решить весь набор типовых тестовых примеров. Затем системе предлагается решить «неизвестную» ей проблему и анализируется, насколько полученный результат согласуется с полученным экспертом.

Еще в 1974 году, на самой ранней стадии разработки системы MYCIN, были получены весьма обнадеживающие результаты. Команда из пяти высококвалифицированных экспертов в области диагностики инфекционных заболеваний подтвердила правильность 72% рекомендаций, сделанных системой, которые относились к 15 реальным заболеваниям. Главной проблемой оказалась не точность диагноза, а отсутствие правил, которые позволяли бы судить о серьезности заболевания.

В 1979 году были организованы более формальные испытания усовершенствованной версии MYCIN по диагностике таких заболеваний, как бактеремия и менингит. Окончательное заключение, вынесенное программой в 10 реальных случаях, сравнивалось с заключениями ведущих медиков Станфордского университета и рядовых врачей, причем рассматривались и такие случаи, в которых лечение уже проводилось. Затем были привлечены восемь других экспертов, которых попросили оценить рейтинг 10 рекомендаций о курсе лечения в каждом из рассмотренных случаев. Для каждого из предлагавшихся наборов рекомендаций была определена максимальная оценка 80 баллов, причем экспертам было неизвестно, что некоторые из них предложены не врачом, а компьютером. Результаты представлены ниже.

Отличие между оценкой, полученной MYCIN, и оценками качества рекомендаций ведущих специалистов Станфорда, невелико, а по сравнению с рядовыми врачами система оказалась даже на более высоком уровне.

Однако по ряду причин (в том числе и перечисленных ниже) экспертная система MYCIN так никогда и не использовалась в реальной врачебной практике.

1 База знаний системы, включающая около 400 правил, все-таки недостаточна для реального внедрения в практику лечения больных инфекционными болезнями.

2 Внедрение системы требует приобретения достаточно дорогой вычислительной машины, что не могло себе позволить в те времена большинство лечебных учреждений.

Врачи-практики не испытывают никакого желания работать за терминалом компьютера, что совершенно необходимо для применения на практике экспертной системы. К тому же существующий в 1976 году интерфейс с пользователем в той версии системы MYCIN не был тщательно продуман.

Система MYCIN при всей ее практической направленности была и осталась все-таки экспериментальной исследовательской системой, не рассчитанной на коммерческое применение. Тем не менее на ее основе были созданы другие экспертные диагностические системы, которые реально использовались в лечебной практике.).

Можно выделить ряд предварительных условий, которые необходимо соблюдать для адекватной оценки качества экспертной системы любого назначения (этот вопрос обсуждается в сборнике под редакцией Хейеса-Рота [Hayes-Roth et al, 1983, Chapter 8]).

1 Должны существовать определенные объективные критерии правильности ответа, формируемого экспертной системой. В некоторых областях, например финансовых инвестиций, может не существовать иных критериев, кроме как оценивание сторонними специалистами вывода, сделанного системой, или выполнение рекомендаций на практике и анализ последующих результатов. Сложность первого способа состоит в том, что эксперт может не согласиться с самой постановкой проблемы в конкретном случае (особенно, если мы имеем дело со сложным случаем). Что же касается второго способа, то за оценку придется заплатить слишком дорого, если практическое воплощение рекомендации приведет к неожиданным последствиям.

2 Должна соблюдаться определенная процедура проведения эксперимента. Вместо того чтобы просить эксперта оценить качество ответа, предложенного компьютером, лучше предложить ему несколько вариантов решений, одни из которых предложены специалистами в этой предметной области, а другие - экспертной системой, причем эксперт не должен знать, есть ли среди предложенных вариантов «машинные». Именно так проводилась описанная выше процедура оценки качества системы MYCIN. При этом эксперт избавлен от возможно и неосознаваемой психологической «тенденциозности» в оценке того, что предлагается компьютером.

3 Оценка должна протекать безболезненно для эксперта либо ее вообще нет смысла проводить. Если оценка сопряжена с какими-либо неприятными для эксперта последствиями, то рассчитывать на его объективность, конечно же, нельзя. Нельзя проводить оценку, если существуют очень жесткие требования к времени ее выполнения и используемым при этом ресурсам. Вполне может оказаться так, что процесс оценки качества системы займет больше времени, чем ее разработка.

mycin заболевание достоверность кровь

Размещено на Allbest.ru