База знаний о состоянии здоровья обучающихся и клиентское приложение для взаимодействия с пользователем

По определению экспертов Всемирной организации здравоохранения, «…здоровье – это состояние полного физического, психического и социального благополучия, а не только отсутствие болезней и физических дефектов» [1]. Более развёрнутым является определение, данное в [2]: «Здоровье индивида – это процесс сохранения и развития психических, физиологических, биологических особенностей человека, его оптимальной трудовой способности, социальной активности при максимальной продолжительности активной жизни». Физическое здоровье – это состояние организма, при котором показатели основных физиологических систем лежат в пределах физиологической нормы и адекватно изменяются при взаимодействии человека с внешней средой. В данной статье используется физическое здоровье обучающегося (далее здоровье), которое рассматривается как состояние нормального функционирования всех органов и систем человеческого организма. Физическая подготовленность есть результат физической подготовки к определённому роду деятельности, который характеризуется уровнем развития и владением основного для данной деятельности качества (выносливости, силы, ловкости, гибкости, быстроты).

Наблюдение за состоянием здоровья людей, занимающихся физической культурой и спортом, проводится путём систематических обследований, которые состоят из первичных до начала занятий физическими упражнениями, повторных - для контроля состояния здоровья и дополнительных обследований перед спортивными соревнованиями, после перенесенных заболеваний или травм, длительных перерывов в занятиях физическими упражнениями. Цель обследований - изучение состояния здоровья для решения вопроса о допуске к занятиям физической культурой, спортом или к участию в соревнованиях. Повторные медицинские обследования позволяют выявлять эффективность воздействия физических упражнений на здоровье и физическое развитие занимающихся этими видами деятельности и вносить соответствующие изменения в занятия.

На основе данных мониторинга физического развития и подготовленности обучающихся ИРНИТУ, накапливаемых в виде Excel -таблицы, разработана онтология «Здоровье студента» для хранения экземпляров классов, определённых в онтологии, их изменения и выдачи необходимых выходных документов. Разработано клиентское приложение, рассчитанное на пользователя-непрофессионала, для ввода данных об обучающихся, состоянии их физического здоровья и подготовленности, загрузки данных в онтологию.

1    Показатели физического развития и физической подготовленности обучающихся

Занятия физической культурой или спортом являются эффективным способом реализации физиологических потребностей организма человека, потребности в движении [3].

Одной из основных задач высшего образования является сохранение и укрепление здоровья обучающихся. Для решения данной задачи высшие учебные заведения создают благоприятные условия для всестороннего физического развития студентов. В то же время для многих студентов характерно пассивное отношение к занятиям физической культурой или спортом, хотя их значимость и ценность признаются большинством из них.

Необходимо осуществлять мониторинг физического развития и физической подготовленности, которые определяются следующими показателями.

Показатели физического развития:

• ■     рост, см,

• ■     вес, кг,

• ■    окружность грудной клетки, см,

• ■    жизненная ёмкость легких, мл,

• ■    артериальное давление, мм/рт/ст: систолическое, диастолическое,

• ■    частота сердечных сокращений (ЧСС, раз в 10 сек): до нагрузки, после нагрузки, время восстановления,

• ■    Динамометрия, кг: левой руки, правой руки,

• ■    челночный бег 10 Х 5 (сек).

Показатели физической подготовленности:

• ■    проба Штанге (задержка дыхания на вдохе), сек,

• ■    проба Генче (задержка дыхания на выдохе), сек,

• ■    ортостатическая проба: ЧСС лежа, ЧСС стоя, разница в ЧСС

• ■    клиностатическая проба: ЧСС стоя, ЧСС лежа, разница в ЧСС,

• ■     бег 100, 1000, 3000 метров, сек,

• ■     вис/подтягивание, сек,

• ■    подъем туловища за 30 сек, количество раз,

• ■     наклон вперёд, см,

• ■    прыжок в длину с места, см,

• ■    пресс в висе за 1 мин, количество раз,

• ■    отжимания за 1 мин, количество раз.

Вести наблюдение и проводить измерения физических показателей здоровья следует регулярно, а полученные данные необходимо рассматривать в динамике. Научноисследовательская лаборатория мониторинга физического здоровья ИРНИТУ проводит мо- ниторинг физического здоровья обучающихся, ведёт разработку инновационных методов реабилитации здоровья обучающихся, а также занимается совершенствованием учебнотренировочного процесса подготовки спортсменов [4].

2    Разработка онтологии в редакторе Fluent Editor

Для решения названных задач применяется онтологический подход к формированию базы знаний, который является гибким и удобным для моделирования. Онтология рассматриваемой предметной области (ПрО) - её формализованное представление, которое включает словарь терминов ПрО и множество логических связей (типа «элемент-класс», «часть-целое»), которые описывают, как эти термины соотносятся между собой [5-9].

Основными элементами любой онтологии являются:

• ■    классы, описывающие понятия ПрО;

• ■    атрибуты, описывающие свойства классов и их экземпляров;

• ■    экземпляры (объекты), содержащие конкретные значения атрибутов;

• ■    отношения - вид атрибута, определяющий зависимости между классами.

Fluent Editor [10-12] – многофункциональное и интуитивно-понятное приложение, которое позволяет редактировать онтологии, визуализировать связи между понятиями и их экземплярами и выполнять запросы к базе знаний на основе логического вывода. В нём используется язык представления знаний, что позволяет создать точные формализованные описания различных ПрО. Естественно-языковое описание является главным отличием Fluent Editor от других онтологических редакторов, что позволяет освоить создание онтологий широкой группе пользователей.

На основе анализа обрабатываемых данных можно выделить следующие классы онтологии «Здоровье студента»: институт, группа, курс, преподаватель, студент, показатели студентов, описанные в разделе 1.

Выходные документы: выборка данных по определённому показателю для заданного курса, группы, преподавателя, студента, института и т.п. Подобные документы позволяют в динамике увидеть процесс изменения показателей обучающихся, группы в целом и т.п., например, за семестр.

Для описания класса используется конструкция вида Every class is a thing. Класс находится на вершине дерева иерархии. Имена классов начинаются с малой латинской буквы.

Для описания экземпляров класса используется конструкция вида Classa is a class.

В данном предложении « Classa» является экземпляром класса « class». Имена экземпляров начинаются с заглавной латинской буквы.

Для описания атрибутов используется конструкция вида

Every classa has-name nothing-but (some string value).

В данном предложении атрибутом « classa » является « has-name» , данный атрибут имеет строковый тип. Кроме названий могут быть другие атрибуты.

Для описания отношений между классами используется конструкция вида

Every class has a subclass.

Имена классов, объектов, атрибутов и отношений представлены в таблице 1.

Далее приведены фрагменты онтологии в редакторе Fluent Editor .

Предложения, описывающие классы онтологии.

Every instructor is a thing .

Every institute is a thing .

Every group is an institute .

Every student is a group .

Every indicators is a student .

Таблица 1 – Имена классов, объектов, атрибутов и отношений для ПрО «Здоровье студентов»

Класс	Объекты	Атрибуты	Отношения
instructor	Instructora, Instructorb,	has-fio, has-phone-number, has-email, has-position	teaches-to, has, is a university
institute	Insta, Instb,	has-name, has-short-name	is a thing
group	Gone, Gtwo,	has-name, has-year, has-number	belongs-to
student	Studenta, Studentb,	has-fio, has-number-of-the-course-book, has-birth-date, has-medical-group	belongs-to, taught-by, has
indicators	Indka, Indkb,	has-semester, has-height, has-weight, has-lungs-vital-capacity, has-chest-volume, has-blood-pressure-systolic, has-blood-pressure-diastolic, has-h-r-before, has-h-r-after, has-recovery-time, has-dynamometry-left, has-dynamometry-right, has-stange-test, has-genche-test, has-orthoprobe-lying, has-orthoprobe-standing, has-orthoprobe-difference, has-clinoprobe-standing, has-clinoprobe-lying, has-clinoprobe-difference, has-shuffle-run-10-x-5-meters, has-run-100-meters, has-bench-press-in-1-minute, has-torso-lift-in-30-seconds, has-forward-bend, has-standing-long-jump, has-run-1000-meters, has-torso-lift-hanging, has-push-up, has-run-3000-meters	belongs-to

Предложения для описания атрибутов.Атрибуты института.

Every institute has-name nothing-but (some string value).

Every institute has-short-name nothing-but (some string value).

Атрибуты группы.

Every group has-name nothing-but (some string value).

Every group has-year nothing-but (some string value).

Every group has-number nothing-but (some string value).

Атрибуты преподавателя.

Every instructor has-fio nothing-but (some string value).

Every instructor has-phone-number nothing-but (some string value).

Every instructor has-email nothing-but (some string value).

Every instructor has-position nothing-but (some string value).

Атрибуты студента.

Every student has-fio nothing-but (some string value).

Every student has-number-of-the-course-book nothing-but (some string value).

Every student has-birth-date nothing-but (some string value).

Every student has-medical-group nothing-but (some string value).

Атрибуты показателей студента.

Every indicators has-semester nothing-but (some string value).

Every indicators has-height nothing-but (some string value).

Every indicators has-weight nothing-but (some string value).

Every indicators has-lungs-vital-capacity nothing-but (some string value).

Every indicators has-chest-volume nothing-but (some string value).

Every indicators has-blood-pressure-systolic nothing-but (some string value).

Every indicators has-blood-pressure-diastolic nothing-but (some string value).

Every indicators has-h-r-before nothing-but (some string value).

Every indicators has-h-r-after nothing-but (some string value).

Every 00 indicators has-recovery-time nothing-but (some string value).

Every indicators has-dynamometry-left nothing-but (some string value).

Every indicators has-dynamometry-right nothing-but (some string value).

Every indicators has-stange-test nothing-but (some string value).

Every indicators has-genche-test nothing-but (some string value).

Every indicators has-orthoprobe-lying nothing-but (some string value).

Every indicators has-orthoprobe-standing nothing-but (some string value).

Every indicators has-orthoprobe-difference nothing-but (some string value).

Every indicators has-clinoprobe-standing nothing-but (some string value).

Every indicators has-clinoprobe-lying nothing-but (some string value).

Every indicators has-clinoprobe-difference nothing-but (some string value).

Every indicators has-shuffle-run-10-x-5-meters nothing-but (some string value).

Every indicators has-run-100-meters nothing-but (some string value).

Every indicators has-bench-press-in-1-minute nothing-but (some string value).

Every indicators has-torso-lift-in-30-seconds nothing-but (some string value).

Every indicators has-forward-bend nothing-but (some string value).

Every indicators has-standing-long-jump nothing-but (some string value).

Every indicators has-run-1000-meters nothing-but (some string value).

Every indicators has-torso-lift-hanging nothing-but (some string value).

Every indicators has-push-up nothing-but (some string value).

Every indicators has-run-3000-meters nothing-but (some string value).

Предложения для описания отношений.

X teaches-to Y if-and-only-if Y taught-by X.

X has Y if-and-only-if Y belongs-to X.

Предложения для добавления объектов и их атрибутов.Добавление экземпляра и атрибутов института.

Insta is an institute .

Insta has-name equal-to 'Институт информационных технологий и анализа данных'.

Insta has-short-name equal-to 'ИТиАД'.

Предложения для добавления экземпляра и атрибутов преподавателя.

Instructora is an instructor .

Instructora has-name equal-to 'Петров Пётр Петрович'.

Instructora has-phone-number equal-to '666444'.

Instructora has-position equal-to 'Профессор'.

Предложения для добавления экземпляра и атрибутов группы, а также отношений, связывающих группу с преподавателем и институтом.

Gone is a group .

Gone has-name equal-to 'ЭВМб'.

Gone has-year equal-to '18'.

Gone has-number equal-to '1'.

Gone belongs-to Insta .

Gone taught-by Instructora .

Предложения для добавления экземпляра и атрибутов студента, а также отношения, связывающего студента с группой.

Studenta is a student .

Studenta has-name equal-to 'Сивушков Иван Дмитриевич'.

Studenta has-number-of-the-course-book equal-to '184321'.

Studenta has-birth-date equal-to '27.06.2000'.

Studenta has-medical-group equal-to 'Основная'.

Studenta belongs-to Gone .

Предложения для добавления экземпляра и некоторых атрибутов показателей студента, а также отношения, связывающего показатели со студентом.

Indka is an indicators .

Indka has-height equal-to '182'.

Indka has-weight equal-to '67'.

Indka belongs-to Studenta .

На основе этих предложений с помощью Fluent Editor создана иерархия классов, объектов, атрибутов и отношений. Фрагмент дерева иерархии представлен на рисунке 1.

Граф связей, построенный на основе разработанной он-

^ J ''thing"

< university * institute м ' < group Gone Gthree Gtwo * student Studa Studb Studc • indicators Inda Indb

Studd Stude Studf Studg Insa Insb

• instructor Instra Instrb

Irnity r ♦ "nothing" ^ i relation — belong-to

Рисунок 1 – Фрагмент дерева иерархии классов, объектов, атрибутов и отношений

тологии, представлен на рисунке 2.

3    Структураклиентского приложения

Для работы с созданной онтологией разработано клиентское приложение, написанное на языке Python [13-15] с использованием библиотек PyQt5 , CogniPy и Pandas [16-20]. Клиентское приложение позволяет считывать информацию из файла онтологии и при изменениях дописывать новые данные. Приложение содержит модули, предназначенные для добавления и изменения экземпляров, и модуль для формирования выходных документов.

Рисунок 2 – Граф связей для разработанной онтологии

Главное окно приложения представлено на рисунке 3, а структура клиентского приложения - на рисунке 4.

При нажатии кнопки в верхней части главного окна («Институты», «Преподаватели» и т.д.) осуществляется переход на соответствующую

Институты     Преподаватели Группы        Студенты Показатели

Лог Отчёт   Институты

Название института: Институт энергетики

Редактировать

Создать

Рисунок 3 – Главное окно приложения

вкладку для работы с определённым классом и его экземплярами. Например, при выборе кнопки «Студенты» отображается окно (рисунок 5). Для добавления или редактирования экземпляра класса, его атрибутов и отношений предназначены соответствующие окна. На рисунке 6 показано окно для добавления данных о студенте.

Клиентское приложение

«Здоровье студента»

Модуль, позволяющий пользователю добавлять и изменять данные об институтах, их атрибутах и отношениях

Модуль, позволяющий пользователю добавлять и изменять данные о преподавателях, их атрибутах и отношениях

Модуль для формирования выходных документов по определенному критерию

Модуль, позволяющий пользователю добавлять и изменять данные о группах, их атрибутах и отношениях

Модуль, позволяющий пользователю добавлять и изменять данные о студентах, их атрибутах и отношениях

Модуль, позволяющий пользователю добавлять и изменять данные о показателях студентов, их атрибутах и отношениях

Рисунок 4– Структура клиентского приложения

Рисунок 5 – Окно приложения для выбора экземпляра студента

Рисунок 6 – Окно для добавления данных о студенте с его атрибутами и отношениями

Для идентификации экземпляров каждого класса создаются коллекции имен, начинающихся идентификатором соответствующего класса с добавлением уникального номера.

Модуль приложения, предназначенный для подготовки выходных документов, позволяет получить выборку данных по определённому показателю для заданного курса, группы, преподавателя, института. На рисунке 7 представлена вкладка с результатами выборки по показателю «Бег 100 метров» студентов всех групп и всех курсов, обучающихся у одного преподавателя.

В этом модуле можно получить информацию о всех экземплярах каждого класса (институты, преподаватели, группы, студенты).

Для выбора информации из онтологии используется язык запросов к данным SPARQL .

В клиентском приложении определена функция, отправляющая SPARQL запрос и возвращающая названия экземпляров определённого класса:

def default_query_with_argument(self, argument):

'SELECT ?entity WHERE'

'{'

'?entity rdf:type :' + argument + ' FILTER NOT EXISTS'

'{'

'?entity rdf:type ?c . ?c rdfs:subClassOf+ :' + argument + ' . FILTER (?c != :' + argument + ')'

'}'

'}')

return df

Рисунок 7 – Пример выборки данных

Заключение

В работе применён онтологический подход к формированию базы знаний, который является гибким и удобным для моделирования. Он позволяет работать с созданной онтологией «Здоровье студента» пользователям, которые не владеют информационными технологиями. Созданное приложение позволяет легко выполнять различные запросы.