Нейросети сегодня широко используются для решения классической проблемы производства (раскопок) знаний из накопленных данных. Обучаемые нейронные сети могут производить из данных скрытые знания: создается навык предсказания, классификации, распознавания образов и т.п., но его логическая структура обычно остается скрытой от пользователя. Для проявления (контрастирования) этой скрытой логической структуры нейронные сети приводятся к специальному «логически прозрачному» разреженному виду. Сама нейронная сеть после удаления лишних связей может рассматриваться как логическая структура, представляющая явные знания.

Технология получения явных знаний из данных с помощью обучаемых нейронных сетей выглядит довольно просто и вроде бы не вызывает затруднений. Ее реализация включает несколько этапов.

Первый этап: обучаем нейронную сеть решать базовую задачу (обычно это распознавание или предсказание). В большинстве случаев ее можно трактовать как задачу восполнения пробелов в данных. Такими пробелами могут быть имя образа при распознавании, номер класса, результат прогноза и т. д.

Второй этап: исключая наименее значимые связи (и доучивая сети чаще всего, неоднократно), приводим нейронную сеть к логически прозрачному виду так, чтобы полученный навык можно было «прочитать».

Конечный результат неоднозначен если стартовать с другой начальной карты связей, то можно получить другую логически прозрачную структуру. Каждой базе данных отвечает несколько вариантов явных знаний. Можно считать это недостатком технологии, но я полагаю, что, наоборот, технология, дающая единственный вариант явных знаний, недостоверна, а множественность результатов является фундаментальным свойством производства явных знаний из данных.

Простой пример: нейронная сеть обучалась предсказывать результаты выборов президента США по ряду экономических и политических показателей. Обученные сети были минимизированы по числу входных параметров и связей. Оказалось, что для надежного предсказания исхода выборов в США достаточно знать ответы всего на пять вопросов, приведенных ниже в порядке значимости:

1. Была ли серьезная конкуренция при выдвижении от правящей партии?

2. Отмечались ли во время правления существенные социальные волнения?

3. Был ли год выборов временем спада или депрессии?

4. Произвел ли правящий президент значительные изменения в политике?

5. Была ли в год выборов активна третья партия?

От использования остальных признаков нейросеть отказалась. Более того, эти пять «симптомов» политической ситуации в стране входят в распознающее правило двумя «синдромами». Пусть ответы на вопросы кодируются числами: +1 «да» и -1 «нет». Первый синдром есть сумма ответов на вопросы 1, 2, 5. Его естественно назвать синдромом политической нестабильности (конкуренция в своей партии плюс социальные волнения плюс дополнительная оппозиция). Чем он больше, тем хуже для правящей партии. Второй синдром разность ответов на вопросы 4 и 3 (политическое новаторство минус экономическая депрессия). Его наличие означает, что политическое новаторство может, в принципе, уравновесить в глазах избирателей экономический спад. Результаты выборов определяются соотношением двух чисел значений синдромов. Простая, но достаточно убедительная политологическая теория, чем-то напоминающая концепцию то ли Маккиавелли, то ли Ленина («единство партии прежде всего, оно является важнейшим слагаемым политической стабильности»).

Именно нейросетевая технология производства знаний, по-моему, является «точкой роста», которая по-новому развернет нейроинформатику, преобразует многие разделы информатики и создаст новые.

Примеры приложений

Насколько мы можем судить по открытой печати, приложения нейронных сетей распределены примерно следующим образом: более 60% рынка занимают финансовые и военно-технические приложения; медицинские приложения тоже находятся на весьма почетном месте около 10%.

Большинство приложений, созданных красноярской группой «НейроКомп» связано с решением задач классификации. Работы ведутся в нескольких направлениях: медицинская диагностика, проблемы психологической совместимости, педагогика и социология. Кроме того, наше программное обеспечение использовалось другими исследователями для предсказания колебаний уровня Каспийского моря и прогноза климатических изменений, а также для решения задач технической диагностики, космической навигации и др. Наши сети обучаются методами, основанными на минимизации ошибки. Все они подробно описаны в работе .

Основные пользовательские преимущества нейросетевого ПО перед другими системами его «демократичность» (врачи практически самостоятельно создавали себе экспертные системы) и универсальность, способность справиться с большим спектром задач. Кроме того, нейроимитаторы с успехом могут использоваться и в медицинских исследованиях.

Вот несколько характерных примеров построенных систем.

Пример 1. Измерение накопленной дозы радиоактивного облучения

Даже небольшая величина накопленной дозы радиоактивного облучения заметно влияет на состояние многих органов и систем организма, прежде всего, иммунной и эндокринной. Традиционные методы позволяют достаточно точно оценить состояние этих систем, однако часто бывает трудно установить, чем вызвано изменение их параметров: повышенной дозой облучения или самостоятельным заболеванием.

Исследователи стремились выявить связи между накопленной дозой радиоактивного облучения и комплексом иммуннологических, гормональных и биохимических параметров крови человека, создать метод, позволяющий по этим параметрам судить о величине дозы. Для этого был применен нейросетевой классификатор. Обучающими примерами являлись перечисленные параметры (всего 35) у полутора сотен человек, занятых в производстве на предприятии атомной промышленности.

Среди обследуемых был проведен дозиметрический контроль, и по величине накопленной дозы они были разделены на 3 класса. 4-й класс составили люди, величина дозы у которых была в пределах естественных фоновых значений.

При статистическом анализе обучающей выборки по большинству параметров не выявлялось достоверных различий между классами, а имеющиеся различия не прослеживались по всем классам. Однако нейросеть, используя весь комплекс параметров, полностью обучилась распознавать класс каждого примера. При тестировании на выборке с заранее известными ответами класс определялся правильно в 100% случаев. Обученной сетью были протестированы 140 человек, проживающих в зоне влияния предприятия атомной промышленности, но не занятых на производстве.

По данным нейросети только у 3 человек величина накопленной дозы была в пределах естественного фона; у 51 человека определялась слабая доза, у 82 средняя, и у 4 человек сильная.

Пример 2. Ранняя диагностика злокачественных опухолей сосудистой оболочки глаза

Меланомы сосудистой оболочки глаза составляют 88% всех внутриглазных опухолей, но их можно распознать лишь на поздней стадии развития. Традиционные методы выявления заболевания на ранней стадии не вполне надежны, довольно сложны и дорогостоящи.