Спосіб визначення проміжного стану об`єкта

Реферат: Спосіб визначення проміжного стану об’єкта належить до спеціальних способів обробки даних, а саме до діагностики, і полягає у визначенні меж середнього інтервалу значень діагностичного, контролюючого чи керуючого параметра. У способі шляхом вимірювань діагностичного параметра X засобом вимірювальної техніки, обчислення порога та 3-х інтервалів значень параметра, інтерпретації середнього інтервалу як проміжного стану, близького до анормального функціонування об'єкта, тобто збою, відмови, несправності, аварії, перевантаження пристрою або ризику виникнення хвороби чи перевантаження в людини, обчислюють функції належності (ФН) нормального стану (ФН 1), анормального стану (ФН2), проміжного стану (ФН3). Визначають межі проміжного інтервалу Х1 та Х2 як абсциси точок перетину графіків ФН1 та ФН2 з графіком ФН3. Та визначають стан об'єкта залежно від того, в який інтервал потрапляє значення параметра для даного об'єкта, згідно з заданим правилом. При цьому вказані дії виконують на комп’ютері із застосуванням комп'ютерної програми з відображенням результатів на дисплеї комп'ютера та їх роздрукуванням на принтері. Технічним результатом є однозначне визначення проміжного стану об’єкта, підвищення можливості прогнозування потрапляння об'єкта у небажаний режим та попереджати цей стан за рахунок його корекції. UA 98836 C2 (12) UA 98836 C2 UA 98836 C2 5 10 15 20 25 30 Винахід належить до спеціальних способів обробки даних, а саме до діагностики, і може бути використаний для віднесення об'єкта до одного з трьох станів на основі значень певного діагностичного параметра, тобто в одновимірному параметричному просторі. Ця проблема є частковим випадком більш загальної задачі розділення групи об'єктів на кілька класів. У строгому розумінні класи - це множини об'єктів, що не вміщують підмножин, а тому не можуть перекриватися з іншими множинами. З точки зору теорії прийняття рішень задача класифікації полягає у виробленні складного (нечіткого) вирішувального правила (ВП). Такі задачі зустрічаються як в галузі фізики і вимірювань так і життєвих потреб людини (біологія, медицина). У найпростішому випадку множина об'єктів утворена тільки двома навчальними групами. Вирішення цієї задачі потребує формування навчальних груп і попереднього етапу навчання на їх основі. Складність задачі визначається тим, що діапазони значень діагностичного параметра навчальних груп, як правило, перекриваються, а достовірність класифікації залежить від типу синтезованого ВП. При цьому вирішення задачі є неоднозначним і залежить як від статистичних властивостей груп, так і від способу обробки даних. Найпростіше порогове ВП розділяє множину об'єктів на два класи залежно від того, більше чи менше від порога ХКP величина параметра для даного об'єкта. Загалом можливо два випадки - об'єкт належить до класу 1 чи 2, якщо параметр Х)Х КР або Х>( ХКР, (3) ФН3(Х) = 50 2 * F2(X), при Х ХКР , (4) 2 * F1(X), при Х ХКР де F1 (F2) - функція ймовірності (ФЙ) навчальної групи об'єктів, що знаходяться в нормальному (анормальному) стані, ХКP - поріг; 2) визначення меж проміжного інтервалу Х1 та Х2 як абсцис точок перетину графіків ФН 1 та ФН2 з графіком ФН3, тобто згідно з виразами ФН1 (Х = Х1) = ФН3 (Х = Х1), (5) ФН2 (Х = Х2) = ФН3 (Х = Х2), (6) 3) визначення стану об'єкта залежно від того, в який інтервал потрапляє значення параметра для даного об'єкта, згідно з виразами 4 UA 98836 C2 Нормальний Вирішуваль не правило стан, якщо Х Проміжний стан, якщо Х1 Анормальни й стан, якщо Х 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 X1 Х X2 . (7) X2 Технічний результат полягає у тому, що: 1) спосіб не вимагає окремої навчальної групи для проміжного стану; 2) межі ПЗ визначаються однозначно, оскільки ФН монотонні; 3) це є загальний спосіб, при якому зміст класів залежить від специфіки галузі техніки; 4) є змога прогнозувати можливість потрапляння об'єкта у небажаний режим (тобто хвороба для людини або несправність для технічного об'єкта) та попереджати його за рахунок корекції його стану (профілактика для людини та регулювання технічного об'єкта). Короткий опис ілюстрацій: Фіг.1. Визначення функцій належності (ФН) нормального (здорові) та анормального (хворі на ішемічну хворобу серця, ІХС) станів на основі функцій ймовірності груп по діагностичному параметру МР. Фіг.2. Визначення ФН нормального (здорові) та анормального (ІХС) станів на основі функцій ймовірності груп по параметру Nst. Фіг.3. Визначення ФН проміжного стану (ризику появи ІХС) на основі функцій ймовірності груп здорових та хворих ІХС для параметра МР. Фіг.4. Визначення ФН проміжного стану (ризику появи ІХС) на основі функцій ймовірності груп здорових та хворих ІХС для параметра Nst. Фіг.5 Визначення меж проміжної зони для параметра МР. Фіг.6. Визначення меж проміжної зони для параметра Nst. Таблиця 1 - Величини меж проміжного інтервалу, медіан груп та порогів для ряду діагностичних параметрів. Реалізація способу передбачає вимірювання певного діагностичного параметра та формування двох навчальних вибірок. В основній реалізації проводять магнітокардіографічне обстеження груп здорових та хворих на ІХС. Далі виконують попередню обробку даних, побудову карт розподілу магнітного поля серця в квадраті 20×20 см над грудною кліткою пацієнта та реконструкцію розподілу густини струмів у серці [див. Будник М.М., Чайковський І.А., Магнітокардіографія: аналіз даних з точки зору медичного застосування // Методичні вказівки для магістрів спеціальності "Радіофізика і електроніка" спеціалізації "Медична радіофізика" КНУ ім. Тараса Шевченка. К. - 2005. - 52 с.]. Далі відбирають ряд інформативних параметрів [див. Діагностичні критерії хронічної ішемічної хвороби серця на основі реєстрації та аналізу магнітокардіограм / Будник М., Войтович І., Козловський В. та ін. // Препринт 2002 - 5, Ін-т кібернетики ім. В.М. Глушкова НАНУ, К. - 49 с.]. Для ілюстрації відібрано два з них - МР і Nst з огляду на те, що розподіл першого близький до гаусового, а другого має значну асиметрію. Попередньо обчислюють емпіричні функцій ймовірності (ФЙ) груп здорових F КГ(X) та хворих на IXC FXB(X). В реалізації групи становлять 70 здорових волонтерів (контрольна група - КГ) та 81 хворий на ІХС. На Фіг.1, 2 ФЙ подані пунктиром, відповідно для парамерів МР і Nst, звідки видно, що у даній реалізації групі здорових відповідає інтервал менших значень параметрів. Перед обчисленням ФН визначають поріг за допомогою точки перетину графіків ФЙ груп величини MPKR і Nst на Фіг.1, 2. Ці процедури аналогічні діям, що застосовані в патенті UA 84884 [Спосіб класифікації групи пацієнтів, Будник М., Закорчений О., 2010] і не є предметом даного винаходу. Ідея винаходу полягає у вирішенні задачі розділення групи об'єктів на 3 класи за допомогою ФН станів. ФН стану - це поняття, що відрізняється від статистичної ФЙ групи і застосоване у нечіткій логіці. Величина ФН вказує на ймовірність належності певної особи при даному значенні параметра до одного з 3-х станів - нормального, проміжного чи анормального, які у даній реалізації мають сенс, відповідно, як "здорові", "ризик виникнення ІХС", "хворі на ІХС". Пропонований спосіб включає 4 етапи обробки: 1) побудова ФН нормального та анормального станів; 2) побудова ФН проміжного стану; 3) визначення меж ПЗ; 4) синтез ВП з урахуванням ПЗ. Етап 1. ФН нормального та анормального станів обчислюють як різниці ФЙ відповідних груп при значеннях параметра, де ця різниця більше нуля, тому що ймовірність за визначенням знаходиться в діапазоні від 0 до 1. Це означає, що ФН нормального стану ФН3Д(Х) обчислюють 5 UA 98836 C2 5 10 15 як різницю ФЙ здорових і ФЙ хворих в області значень параметра, менших порога, згідно з виразом (8) ФНЗД(Х) = FЗД(X) - FХВ(X), при Х ХКР. (9) Вирази (8, 9) забезпечують монотонну зміну ФН від 1 на краях діапазону значень параметра до 0 при пороговій величині параметра (Фіг.1, 2). Інша перевага так введених ФН полягає у тому, що вони не перетинаються, отже нормальному ("здорові") та анормальному ("хворі ІХС") станам відповідають окремі класи об'єктів. Етап 2. З огляду на те, що ФН нормального та анормального станів не перетинаються, об'єкт не може одночасно належати до обох класів, тобто бути "здоровим" і "хворим" одночасно. Всі такі об'єкти обох навчальних груп тепер належать до третього класу, який має назву проміжний стан. Згідно з пропонованим винаходом до проміжного стану відносять об'єкти, хибно класифіковані згідно з пороговим ВП. Тоді ФН проміжного стану визначають як подвоєну ФЙ здорових на інтервалі, де значення параметра менше порога, та як подвоєну ФЙ хворих на інтервалі, де значення параметра більше порога, 20 25 30 35 40 45 2 * FXB ( X), при Х XKP 2 * FЗД ( X), при Х ФНПР ( Х) XKP . (10) Зміст виразу (10) полягає у тому, що величина ФЙ групи на "чужому" (згідно з пороговим ВП) інтервалі значень параметра рівна ймовірності похибок 1-го чи 2-го роду [див. UA 74466]. ФН проміжного стану наведено на Фіг.3, 4, відповідно для параметрів МР і Nst. З Фіг.3, 4 видно, що вказана ФН максимальна при величині порога і монотонно спадає по боках на інтервалі значень параметра, де має місце перекриття обох навчальних груп. Етап 3. Нанесемо на один графік ФН нормального та анормального станів, отримані на Етапі 1, а також ФН проміжного стану, отриману на Етапі 2. В результаті отримаємо ФН всіх станів, наведені на Фіг. 5, 6, відповідно для параметрів МР і Nst. З Фіг. 5, 6 видно, що ФН проміжного стану перетинається з ФН обох "крайніх" станів. Згідно з виразами (8-10) всі ФН змінюються монотонно, при цьому ФН проміжного стану змінюється у напрямку, протилежному до напряму двох інших ФН. Звідси випливає, що завжди будуть існувати дві точки перетину вказаних ФН (див. Фіг. 5, 6). Суть винаходу полягає у застосуванні вказаних точок перетину для вирішення задачі розділення на 3 класи. При цьому їх абсциси визначають дві межі ПЗ. Перша межа, що розділяє проміжний та нормальний стани Xmin, є абсцисою точки перетину графіків ФН проміжного стану та ФН нормального стану згідно з виразом (11) ФНЗД(Х = Хmax) = ФНПС(Х = Хmin). (11) Друга межа, що розділяє проміжний та анормальний стани Хmах також є абсцисою точки перетину графіків відповідних ФН згідно з виразом (6) ФНХВ(Х = Хmах) = ФНПС(Х = Хmах). (12) Етап 4. Обчислення меж ПЗ дає можливість розбити область значень параметра на 3 інтервали: (1) Х < Хmin, (2) Xmin < X Xmax (див. Фіг.5, 6). В результаті є змога виявити потрапляння об'єкта не тільки у небажаний режим (тобто хвороба для людини або несправність для технічного об'єкта), але і в режим, близький до небажаного. Це дає змогу попереджати анормальні стани за рахунок корекції стану об'єкта (профілактика для людини чи регулювання технічного об'єкта). Для цього необхідно синтезувати ВП, яке включає три висновки про стан об'єкта, тобто відносить його до одного з 3-х класів в залежності від того, в який із 3-х інтервалів значень параметра, визначених на Етапі 3, потрапляє значення вимірюваного параметра для даного об'єкта. У даному винаході при діагностиці даного об'єкта за допомогою вимірювання певного параметра і потраплянні його значення в 1-й (2-й, 3-й) інтервал робиться висновок про наявність нормального (проміжного, анормального) стану згідно з виразом (13) 6 UA 98836 C2 Нормальний Вирішуваль не правило стан, якщо Х X min Проміжний стан, якщо Х min Анормальни й стан, якщо Х X X max . (13) X max В основній реалізації принцип винаходу демонструється на прикладі медичної діагностики. Так, на основі Фіг.5, де вказано межі ПЗ по параметру МР, діагностичне ВП має вигляд (14) Здорові особи, при МР МР min Медичний діагноз Ризик виникнення ІХС , при МР min Хворі на ІХС , якщо МР 5 10 15 20 25 30 35 МР МР max . (14) МР max Аналогічний вигляд матиме ВП і на основі Фіг.6, де вказано межі ПЗ для параметра Nst. В Таблиці 1 наведено межі ПЗ для ряду інших параметрів, а також для порівняння - відповідні медіани і пороги. Перевагою пропонованого винаходу є те, що запропоновано загальний спосіб, який забезпечує перехід від простого порогового ВП на основі двійкової логіки до більш складного, що застосовує тризначну логіку і враховує наявність проміжного стану при діагностиці стану технічних чи біологічних об'єктів. Це дає змогу сформулювати більш детальний (технічний чи медичний) діагноз, що включає три різні висновки. Спосіб може бути застосований у медицині для діагностики захворювань на ранній стадії або для масового скринінгу населення, коли ставиться задача виявлення осіб, у яких існує ризик виникнення певної патології. Це корисно з огляду на те, що у таких осіб деструктивні зміни в організмі ще не набули незворотного характеру і можуть бути усунуті профілактичними чи загальмовані вчасними лікувальними заходами. Також спосіб може бути застосований у техніці для діагностики стану складних технічних пристроїв, програмних систем та програмно-технічних (автоматизованих) комплексів. Пропонований спосіб дозволяє прогнозувати можливість потрапляння об'єкта у небажаний (нестійкий, неконтрольований, аварійний, непрацездатний, перевантажений та ін.) режим технічного об'єкта. Це корисно, оскільки дає можливість попереджати входження вказаного об'єкта у небажаний режим чи стан за рахунок здійснення вчасного його регулювання або зменшення впливу негативних факторів. Інший технічний результат пропонованого способу полягає у тому, що не потрібно окремої навчальної групи для проміжного стану. Вказану групу обчислюють з двох навчальних груп на основі вилучення з них хибно класифікованих об'єктів. Додатковою перевагою пропонованого підходу є простота обчислень. Межі ПЗ визначають як координати точок перетину 3-х ФН. Однозначність результату забезпечена монотонністю вказаних функцій та її протилежною тенденцією (зростання чи спадання). В основній реалізації способу застосовано приклад медичних діагностичних параметрів, отриманих в результаті обстежень здорових і пацієнтів, хворих ІХС, але винахід цим не обмежений. Даний спосіб може бути застосований до обробки кількісних параметрів, виміряних будь-яким іншим методом для визначення стану будь-якого іншого об'єкта. При цьому зміст станів визначається специфікою галузі застосування. Конкретна реалізація способу у винаході описана детально з метою ілюстрації. Зрозуміло, що на практиці, люди, досвідчені в діагностиці можуть внести деякі зміни і модифікації, які витікають із специфіки певної галузі техніки (наприклад, клінічної ситуації). Проте, якщо ці різні зміни і модифікації зроблені без суттєвих відхилень від даного винаходу, вони підпадають під дію цього винаходу. Таблиця 1 Показник Поріг 1 2 6,37 Nst Медіана Здорових 3 3,69 Межі Хворих 4 12,75 40 7 Xmin 5 2,66 Xmax 6 10,95 UA 98836 C2 Продовження таблиці 1 1 МР ПВС ПНС Y СВП Nj X Z 2 9,62 2,34 5,84 11,86 25,19 3,84 12,03 13,53 3 7,74 1,59 4,84 10,84 22,67 3,48 11,97 13,46 4 11,89 3,29 6,91 12,76 28,03 4,18 12,09 13,63 5 7,56 1,8 4,45 9,91 18,6 2,98 10,8 12,14 6 11,65 2,98 7,21 13,7 32,02 4,74 13,06 14,63 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 Спосіб визначення проміжного стану об'єкта, в якому шляхом вимірювань діагностичного параметра X засобом вимірювальної техніки, обчислення порога та 3-х інтервалів значень параметра, інтерпретації середнього інтервалу як проміжного стану, близького до анормального функціонування об'єкта, тобто збою, відмови, несправності, аварії, перевантаження пристрою або ризику виникнення хвороби чи перевантаження в людини, який відрізняється тим, що обчислюють функції належності (ФН) нормального стану (ФН 1), анормального стану (ФН2), проміжного стану (ФН3) згідно з виразами: ФН1 (X) = F1(X) - F2(X), при X ХКР, 2 * F2(X), при Х ХКР ФН3(Х)= , 2 * F1(X), при Х ХКР де ХКР - поріг, F1 (F2) - статистична функція ймовірності навчальної групи об'єктів, що знаходяться в нормальному (анормальному) стані, визначають межі проміжного інтервалу Х1 та Х2 як абсциси точок перетину графіків ФН 1 та ФН2 з графіком ФН3, тобто згідно з виразами: ФН1 (Х=Х1) = ФН3(Х=Х1), ФН2 (Х=Х2) = ФН3 (Х=Х2), визначають стан об'єкта залежно від того, в який інтервал потрапляє значення параметра для даного об'єкта, згідно з правилом: Нормальний стан, якщо Х 25 Вирішуваль не правило Проміжний стан, якщо Х1 Анормальни й стан, якщо Х X1 Х X2 , X2 вказані дії виконують на комп’ютері із застосуванням комп'ютерної програми з відображенням результатів на дисплеї комп'ютера та їх роздрукуванням на принтері. 8 UA 98836 C2 9 UA 98836 C2 Комп’ютерна верстка А. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10