Система MYCIN

Министерство образования и  науки РФ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное  учреждение высшего  профессионального образования

«Петрозаводский государственный  университет»

Кольский филиал

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра информационных систем

Дисциплина «Теория принятия решений»

 

 

 

 

Система MYCIN

 

 

Контрольная работа студентки 4 курса

группа  ЗИС-2010/3.5 заочного

Отделения факультета ИПМ

специальность 230201-Информационные

системы и технологии

 

Чернухо Анастасии Михайловны

 

 

Преподаватель – д.т.н., проф. Фридман  А.Я.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Апатиты

2013

 

Содержание

 

Введение             3

1. Предметная  область системы MYCIN        4

2. База знаний  системы MYCIN         7

3. Структуры  управления в MYCIN        12

4. Комбинация гипотез           16

Заключение            18

Литература             21

 

Введение

 

Экспертная  система Mycin была разработана в Стенфордском университете в 1970-ых годах. Задачей  системы является диагностика и  лечение определенных классов инфекционных заболеваний крови. Диагностирование инфекционных заболеваний " обычным образом " включает в себя разведение культуры вируса. К сожалению, на это требовалось около 48 часов и если врачам приходилось ждать окончания этой процедуры, их больной мог умереть. Так что врачам нужно было быстро найти предположения относительно вероятных причин заболевания по имеющимся данным и использовать эти предположения для подбора лекарств. Данная система была разработана частично с целью исследования постановки диагнозов экспертами на основании приблизительных (но важных) предположений, основанных на частичной информации. Однако, потенциально важной для практики была следующая проблема - имеется большое количество молодых докторов или докторов, не являющихся специалистами в данной области, которым иногда приходится ставить такие диагнозы, и если бы имелся какой-либо инструмент, который мог помочь им, тогда это могло бы позволить более эффективно проводить лечение. Фактически, Mycin никогда не использовался на практике. Это произошло не из-за недостатков в его эффективности - на тестировании он превзошел по быстродействию членов Стенфордской медицинской школы. Это произошло во многом из-за этических и юридических проблем, связанных с использованием компьютеров в медицине - если произойдет ошибка.

 

1. Предметная область системы MYCIN

 

Сначала нам  предстоит небольшой экскурс  в ту предметную область, в которой  используется MYCIN, - в область диагностики  и лечения заболеваний крови¹. 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 этапов²³:

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 врача⁴, 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])⁵

 

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 enterobacteriaceae⁶. 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 ([Buchanan and Shortliffe, 1984])⁷⁸

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. 0.6.⁹

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: