Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап развития науки техники и общества в целом характеризуется наличием сложных проблем управления, решение которых требует учёта их системных аспектов. Методы системного анализа, имитационное моделирование и оптимизация, а также разрабатываемые на их основе проблемно-ориентированные системы поддержки принятия решений, позволяют значительно повысить эффективность работы медицинских систем управления. Планирование распределения ресурсов в этих системах зачастую связано с решением динамических задач дискретной оптимизации достаточно большой размерности. Использование постоянно возрастающих вычислительных мощностей предоставляет возможность решать новые классы этих задач, включая те, для которых известны только алгоритмы экспоненциальной сложности.
Проблемой, требующей использования и совершенствования существующих методов системного анализа, является и управление противодействием распространению эпидемических заболеваний, одним из наиболее опасных из которых является туберкулёз (ТБ). Несмотря на наличие эффективных средств профилактики и лечения этого заболевания, оно не полностью ликвидировано даже в развитых странах, а в развивающихся не остановлены эпидемии. Это противоречие связано с тем, что управление распределением ресурсов при проведении противоэпидемических мероприятий в целом основывается на эмпирических представлениях, а существующие научные работы носят теоретический характер и их результаты практически не применяются в реальных системах управления. В отчётах Всемирной организации здравоохранения о контроле распространения ТБ прямо указывается на необходимость совершенствования существующих принципов управления эпидемической ситуацией и научного обоснования принимаемых решений с использованием разработок в области исследования операций и системного анализа.
К настоящему времени создано несколько математических моделей распространения ТБ, которые предназначены для использования при прогнозировании развития эпидемической ситуации. Совершенствование этих моделей происходило за счёт использования более точных сведений о возникновении и развитии заболевания при их структурной идентификации. Однако, разработанные математиками и исследованные в основном аналитически, они не всегда пригодны к практическому применению. Эти модели были реализованы в виде различных вычислительных технологий, содержащих громоздкие процедуры определения значений параметров, требовавшие обработки больших объёмов информации (главным образом статистической отчётной документации медицинских учреждений).
В связи с этим, актуальной является задача повышения качества управления эпидемической ситуацией по туберкулёзу путём научного обоснования принимаемых решений по распределению ресурсов.
Работа выполнена в соответствии с подпрограммой «Борьба с туберкулёзом» областной целевой программы «Развитие здравоохранения Тверской области на 2007-2009 годы».
Цель работы. Разработка проблемно-ориентированной системы по управлению распределением ресурсов, приводящему к улучшению эпидемической ситуации по туберкулезу, на основе имитационного моделирования процессов активного выявления и лечения больных.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить структурно-функциональный анализ системы управления эпидемической ситуацией по туберкулёзу с целью идентификации сущности и задач управления, управляющих и возмущающих воздействий;
разработать модель процесса распространения туберкулёза в условиях региона России с учётом влияния противоэпидемических мероприятий и пространственной структуры популяции на основании современных представлений об эпидемиологии туберкулёза, а также анализа существующих работ в области моделирования распространения и контроля эпидемических заболеваний;
сформулировать математическую постановку задачи управления распределением ресурсов между активным выявлением и лечением больных и разработать алгоритм её решения;
на основе созданных моделей и алгоритмов разработать и внедрить в практическое здравоохранение программный комплекс системы поддержки принятия решений (СППР) для управления эпидемической ситуацией по туберкулёзу.
Методы исследования. Теоретической и методической базой исследования является системный подход. На различных этапах работы применены методы компьютерного имитационного моделирования, теории графов и эконометрики, методология структурно-функционального анализа и проектирования, элементы теории множеств, комбинаторики и математической статистики. Использовались прикладные программные пакеты Scilab 4.1.2 (численные методы) и GNU R 2.6.2 (статистические вычисления), а также средства разработки на языке программирования C и библиотека научно-инженерных расчётов проекта GNU.
Научная новизна исследования. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
структура детерминированной компартментной модели распространения туберкулёза в популяции, отличающаяся выделением группы с неактивным туберкулёзом, представлением процесса выявления больных в виде параллельно протекающих процессов активного и пассивного выявления, а также разделением процессов излечения и самопроизвольного выздоровления, что позволяет учитывать влияние лечения и выявления больных на ход эпидемии;
имитационная модель системы управления эпидемической ситуацией по туберкулёзу, отличающаяся включением в её состав эффекторов процессов лечения и активного выявления больных, позволяющая прогнозировать зависимость эффективности противоэпидемических мероприятий от затрат материальных ресурсов, а также учитывать влияние процессов пространственного переноса заболевания в популяциях;
алгоритм управления распределением ресурсов между процессами активного выявления и лечения больных, основанный на использовании весовых коэффициентов важности частных критериев и комбинаторного алгоритма размещения с повторениями, позволяющий минимизировать глобальный критерий оценки стратегий управления;
архитектура и реализация системы поддержки принятия решений по распределению ресурсов между процессами активного выявления и лечения больных, отличающиеся интеграцией с медицинской информационной системой, что позволяет автоматизировать вычисление значений параметров моделей;
Практическая значимость и результаты внедрения работы. Основные результаты работы внедрены в составе интегрированной медицинской информационно-аналитической системы в Тверском областном клиническом противотуберкулёзном диспансере. Применение разработанного программного комплекса поддержки принятия решений позволяет повысить качество управления противоэпидемическими мероприятиями по ТБ, а автоматизированная процедура параметрической идентификации имитационной модели эффективнее предлагавшихся ранее вычислительных технологий, включающих анализ статистической отчётной документации. Теоретические результаты исследования используются на кафедре фтизиопульмонологии Тверской государственной медицинской академии для учебных и научных целей.
Экономическая и социальная значимость результатов диссертационного исследования состоит в повышении качества жизни населения путём установления оптимального баланса между улучшением эпидемиологической обстановки по ТБ и получением своевременной медицинской помощи при ограниченных затратах.
В целом, клинические испытания разработанной системы показали целесообразность её использования в медицинской практике.
Апробация результатов. Основные положения работы докладывались на Шестнадцатой международной конференции «Математика, компьютер, образование» (2009 г.), на заседаниях кафедры автоматизации технологических процессов, кафедры информационных систем Тверского государственного технического университета.
Публикации по теме. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 1 в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, в [1,6] описана разработанная имитационная модель системы управления эпидемической ситуацией по ТБ, лежащая в основе алгоритма оптимизации распределения ресурсов между процессами лечения и активного выявления больных, в [6] разработана архитектура СППР по управлению эпидемической ситуацией, в [5] выполнено формализованное описание процесса контроля распространения ТБ в виде структурно-функциональной модели и знакового орграфа, в [3,4] описана структура объектно-реляционной БД системы диспансерного учёта больных ТБ, используемой для параметрической идентификации имитационной модели, в [2,7] приведена модель пространственного распространения туберкулёза в популяции.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, изложена на 136 страницах, содержит 53 рисунка, 5 таблиц.
