Библиотека » Математические методы » Задачи психодиагностики

Имитация психологической интуиции с помощью искусственных нейронных сетей

Глава 2. Решение нейросетями классических задач психодиагностики

2.1 Классический эксперимент

Специфические особенности математического аппарата нейронных сетей, детально описанные в [36], [41] и опыт их применения в различных областях знания (см. например [5], [8], [10], [13], [84], [86]) подсказали возможность решения при их помощи и психологических задач.

Предполагалось проверить несколько возможностей использования нейронных сетей, а именно:

— Во первых — ожидалось решение серьезной проблемы, возникающей у разработчиков и пользователей компьютерных психологических тестов, а именно адаптивности методик. Математическое построение современных объективных диагностических тестов основано на сравнении, сопоставлении выявленного состояния с нормой, эталоном [21], [71]. Однако понятно, что нормы выработанные для одной социокультурной группы вовсе не обязательно являются таковыми же для другой (в качестве примера можно привести сложности, которые приходится преодолевать при адаптации зарубежных методик). Нейросетевые же имитаторы обладают полезной в данном случае особенностью дообучаться по тому материалу, который предоставит конкретный исследователь.

— Во вторых — предполагалось использование нейросетевого имитатора как рабочего средства исследователя.

— В третьих — оценка возможности создания при помощи нейронных сетей новых, нестандартных тестовых методик. Предполагалось проверить возможность выдачи непосредственных рекомендаций по преобразованию реального состояния объекта, минуя стадию выставления диагноза (построения «измеренной индивидуальности» [26]).

Исследование было выполнено с применением нейросетевых программных имитаторов объединения «НейроКомп» [36], [41], [70], [85], [87] на психологическом материале, собранном в Красноярском гарнизонном военном госпитале.

В первую очередь предстояло выяснить, доступен ли нейросетям тот уровень диагностики, который уже достигнут при помощи стандартных психологических тестов. Для получения результатов максимальной достоверности была выбрана достаточно проверенная клинической практикой психологическая методика ЛОБИ [57] (Личностный Опросник Бехтеревского института). Кроме того, немаловажным фактором в выборе именно этого теста было и то, что методика четко алгоритмизована и имеет реализацию в виде компьютерного теста.

Итак задачей эксперимента было определить, насколько адекватно нейросетевой имитатор может воспроизвести результаты типовой психологической методики в постановке диагноза пациенту.

Рассмотрев данную задачу, а также имеющиеся в наличии нейросетевые программы было решено воспользоваться нейросетевым имитатором MultiNeuron (описание пакета см. в [85], [87]).

Пакет программ MultiNeuron представляет собой программный имитатор нейрокомпьютера, реализованный на IBM PC/AT, и, в числе прочих функций, предназначен для решения задач n-арной классификации. Данный пакет программ позволяет создавать и обучать нейросеть для того, чтобы по набору входных сигналов (например, по ответам на заданные вопросы) определить принадлежность объекта к одному из n (n<9) классов, которые далее будем нумеровать целыми числами от 1 до n. Необходимая для обучения выборка была составлена из результатов обследования по методике ЛОБИ 203 призывников и военнослужащих проходящих лечение в Красноярском гарнизонном военном госпитале и его сотрудников. При этом было получено 12 файлов задачника для MultiNeuron (по гармоническому типу выборка содержала недостаточно данных — 1 пример с наличием данного типа).

Задачники были сформированы из строк ответов, представляющих собой цепочку из 162 сигналов, каждый из которых отвечал за 1 из вопросов опросника ЛОБИ по следующему принципу: -1 — выбран негативный ответ на данный вопрос, 1 — выбран позитивный ответ, 0 — вопрос не выбран. Данная система обозначений была выбрана, исходя из желательности нормировки входных сигналов, подаваемых на вход нейронов на интервале [-1,1]. Ответ задавался классами, 1 класс — тип отсутствует, 2 класс — тип диагностируется. При этом для чистоты эксперимента по собственно типам реакции на стресс было принято решение отказаться от диагностики негативного отношения к исследованию и исключить из обучающей выборки такие примеры.

В общих чертах суть экспериментов сводилась к следующему: часть примеров исходной выборки случайным образом исключалась из процесса обучения. После этого нейронная сеть обучалась на оставшихся, а отобранные примеры составляли тестовую выборку, на которой проверялось, насколько вычисленные ответы нейронной сети соответствуют истинным.

В процессе обучения нейронных сетей с различными характеристиками автор пришел к выводу, что для данной задачи можно ограничиться числом нейронов равным 2 (то есть по 1 нейрону на каждый из классов). Наилучшие результаты при тестировании на проверочной выборке показали сети с характеристическим числом нейронов c=0.4.

Для подробной обработки была взята выборка, отвечающая за эргопатический тип ЛОБИ. Серия экспериментов по обучению сети показала, что полносвязная сеть, обучаемая на выборке из 152 примеров, не показывает результат лучше, чем 90% правильных ответов (в среднем же — около 75%). Тот же результат подтвердился при проведении сквозного тестирования, когда обучение производилось на 202 примерах, а тестировался 1. После обучения 203 сетей по такой методике был получен сходный результат — уверенно правильно было опознано 176 примера (86.7%), неуверенно правильно — 4 (1.97%), неверно — 28 (13.79%), то есть общий процент правильных ответов составил 88.67. Следует, однако, отметить, что рост числа примеров обучающей выборки до 200 позволили улучшить число правильных ответов до гарантированной величины 88.67% (см. выше). Следует предположить, что дальнейшее увеличение обучающей выборки позволит и еще улучшить данный результат. Кроме того, причина ошибок в определении эргопатического типа по ЛОБИ может скрываться в недостаточном числе примеров с наличием данного типа (отношение примеров с наличием и отсутствием типа составляет 29:174). Это подтверждается также и тем, что среди примеров с наличием типа процент неверных ответов ( 12 из 29 или 41.38%) несопоставимо выше чем в выборке в целом. Можно, таким образом, сделать вывод, что нейронные сети при использовании определенных методов улучшения результатов (см. ниже) позволяют создавать компьютерные психологические тесты, не уступающие ныне применяющимся методикам, но обладающие новым и очень важным на практике свойством — адаптивностью.

2.2. Оценка значимости вопросов теста

Представляет также интерес результат, полученный при оценке значимости входных сигналов (соответственно — вопросов ЛОБИ).

Пусть некоторый функциональный элемент нейронной сети преобразует поступающий на него вектор сигналов A по какому-либо закону, где — вектор адаптивных параметров. Пусть H — функция оценки, явно зависящая от выходных сигналов нейросети и неявно от входных сигналов и параметров нейросети. При двойственном функционировании будут вычислены частные производные для элемента v. Эти производные показывают чувствительность оценки к изменению параметра, чем больше , тем сильнее изменится H при изменении этого параметра для данного примера. Может также оказаться, что производная по какому-либо параметру очень мала по сравнению с другими, это означает, что параметр практически не меняется при обучении. Таким образом, можно выделить группу параметров, к изменениям которых нейросеть наименее чувствительна, и в процессе обучения их вовсе не изменять. Разумеется, что для определения группы наименьшей или наибольшей чувствительности необходимо использовать частные производные функции оценки по параметрам в нескольких циклах обучения и для всех примеров задачника. Во время обучения нейросети динамика снижения функции оценки меняется на разных этапах обучения. Бывает важным определить, какие входные сигналы на данном этапе обучения существенны для нейросети, а какие нет. Такая информация полезна в тех случаях, когда размерность вектора входных сигналов велика и время обучения также оставляет желать лучшего, поскольку позволяет уменьшить размерность вектора входных сигналов без ухудшения обучаемости нейросети.

Предлагается следующий алгоритм решения такой задачи: через несколько циклов после начала обучения нейронной сети включаем процедуру вычисления показателей значимости. Момент начала запуска данной процедуры желательно подбирать индивидуально в каждом конкретном случае, поскольку в первые несколько циклов обучения нейросеть как-бы «рыскает» в поисках нужного направления и показатели значимости могут меняться на диаметрально противоположные. Далее происходит несколько циклов обучения, в ходе которых накапливаются показатели чувствительности в какой-либо норме.

где — норма для i-го сигнала, — оценка значимости i-го сигнала в k-м примере, M — число циклов подсчета значимости. После того, как показатели подсчитаны, можно произвести уменьшение числа входных сигналов. Уменьшение следует производить исходя из того, что чем меньше значение тем менее оно влияет на процесс обучения.

2.3. Контрастирование сети по значимости вопросов теста

Таким образом, наряду с вычислением показателей значимости для оценки степени обученности нейросети, определением групп значимых сигналов появляется возможность на ранних этапах отсеивать сигналы, маловлияющие на процесс обучения и работу обученной нейросети.

Однако следует отметить, что данный алгоритм не страхует от того, что параметр, оказавшийся неважным в начале обучения, не станет доминирующим при окончательном доучивании нейронной сети.

Исходя из таких посылок, автор произвел расчет параметров значимости сигналов (вопросов) опросника ЛОБИ. При выборе сигналов с максимальной значимостью был получен список номеров вопросов, важных для определения данного типа, причем он в существенной части совпадал с ключевой выборкой для данного типа по ЛОБИ. При отсечении малозначимых входов был получен интересный результат — качество обучения сети существенно улучшилось (на 2-х таких сетях был получен результат 95.24% и 90.48%, или 20 и 19 правильных ответов из 21 тестового примера). Какой же вывод позволяет сделать данный результат?

Из самых грубых оценок необходимого объема экспериментальной выборки при создании тестовой методики следует, что если размерность «ключевой последовательности» составляет N вопросов, то для вычисления весовых коэффициентов при этих вопросах необходимая выборка должна составлять порядка N*N примеров. Как раз примерно такое соотношение (N — порядка 15, N*N — порядка 200) имело место в описанном эксперименте. Однако следует помнить, что множество вопросов теста, как правило, гораздо шире, чем необходимо для диагностики данного признака, поскольку методики в большинстве своем предназначены для определения нескольких признаков. А, следовательно, возникает следующая проблема: для определения параметров модели требуется M*M примеров, где M — общее число вопросов. Стоит, видимо, напомнить, что для методики ЛОБИ, например, M=162, тогда число примеров должно составить 26244, что практически нереально для практика — одиночки, не имеющего за спиной мощного исследовательского центра.

В случае же, когда выборка имеет недостаточный размер, возникает феномен «ложных корреляций» — модель определяет влияние на выходной результат тех параметров, которые на самом деле слабо с ним коррелируют. Именно такие «ложные корреляции» и вызывают ошибки при отнесении исследуемых к классу наличия или отсутствия диагностируемого типа.

2.4. Результаты экспериментов с контрастированными сетями

В следующей серии экспериментов был использован прием, называемый «контрастированием». В нейроимитаторе «MultiNeuron» имеется возможность отключать часть входных сигналов. Достигается это тем, что синапсу, отвечающему за отключаемый вход, присваивается фиксированное значение — 0, которое не может быть изменено в процессе обучения. Тогда этот вход не влияет на процесс обучения сети. В данном эксперименте автор исходил из того, что входы, обладающие минимальной значимостью в области подстроечных параметров, которая соответствует обученному состоянию сети, являются несущественными для диагностики типа. Следовательно, при их отключении снижается размерность пространства входов, а следовательно — и потребный размер обучающей выборки. Кардинальное улучшение результатов обучения, достигнутое после проведения контрастирования подтверждает этот факт, ведь полученный из общих представлений объем экспериментальной выборки как раз оказался достаточным для обучения контрастированной сети.

Итак, на вопрос, заданный выше, мы можем ответить: улучшение результатов обучения после анализа и настройки входов свидетельствует о том, что контрастирование является средством борьбы с ложными корреляциями, и следовательно позволяет сократить объем экспериментальной выборки для многоплановых методик.

Кроме того, побочным результатом обработки может служить набор вопросов, существенных для данного типа, что может дать предмет для размышлений психологам — теоретикам.

Выводы главы 2

1. Полносвязная нейронная сеть позволяет производить психодиагностику исследуемых на базе опросников классических тестов с вероятностью правильного ответа 95%.

2. Для создания нейросетевых экспертных систем не нужно вмешательства математика, данная технология позволяет программе непосредственно перенимать опыт психодиагноста.

3. Психодиагностическая методика, созданная на базе технологии нейросетевых экспертных систем адаптивна к смене социокультурных групп.

4. При помощи возможностей программных нейроимитаторов можно выполнять исследование параметров психодиагностических методик и уточнять их структуру.

««« Назад К началу Вперед »»»