Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của không gian mạng và các ứng dụng công nghệ thông tin đã tạo ra khối lượng dữ liệu khổng lồ trên quy mô toàn cầu. Theo thống kê của Cơ quan Quản trị Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ, khối lượng dữ liệu do người dùng tạo ra trên Internet đạt khoảng 60.000 Terabytes vào năm 2012 và tăng vọt lên 160.000 Terabytes vào năm 2020. Riêng mạng xã hội Twitter mỗi ngày tiếp nhận khoảng 58 triệu thông điệp với lưu lượng trung bình 9.100 tweet mỗi giây. Trong bối cảnh thông tin trực tuyến tràn ngập nhưng tri thức có cấu trúc lại khan hiếm, việc khai phá dữ liệu văn bản để phục vụ dự báo và hỗ trợ ra quyết định trở thành nhiệm vụ cấp thiết.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ thông tin của tác giả Phạm Xuân Hà, thực hiện dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Tiến sĩ Vũ Đức Thi tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông thuộc Đại học Thái Nguyên, tập trung giải quyết bài toán nghiên cứu các phương pháp trích chọn sự kiện và ứng dụng vào bài toán trích chọn sự kiện dịch bệnh từ nguồn dữ liệu văn bản tiếng Việt. Mục tiêu trọng tâm của công trình là xây dựng mô hình tự động phát hiện bài báo y tế và bóc tách chính xác bộ ba thuộc tính cấu trúc gồm Tên bệnh, Thời gian và Địa điểm bùng phát.

Phạm vi nghiên cứu bao quát các trang thông tin điện tử tiếng Việt giai đoạn 2012 đến 2016, tiêu biểu như chuyên mục y tế của hệ thống báo điện tử tổng hợp cùng cổng thông tin các bệnh viện đa khoa và viện nghiên cứu dịch tễ. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thiểu hơn 80% thời gian tổng hợp thủ công cho cán bộ dịch tễ, tạo tiền đề xây dựng hệ thống cảnh báo sớm giúp các cơ quan quản lý nắm bắt diễn biến bệnh truyền nhiễm nhanh hơn từ 24 đến 48 giờ so với quy trình báo cáo truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết trích chọn thông tin và trích chọn sự kiện kế thừa từ các chương trình hội thảo khoa học tiêu chuẩn quốc tế như Message Understanding Conference bắt đầu từ năm 1987 và Automatic Content Extraction. Trong khi trích chọn thông tin thông thường chỉ bóc tách các thực thể rời rạc, trích chọn sự kiện hướng tới việc thu nhận tri thức có cấu trúc và thiết lập mối liên kết chặt chẽ giữa các thành phần ngữ nghĩa.

Mô hình nghiên cứu định nghĩa cấu trúc sự kiện dịch bệnh thu gọn gồm bộ ba thuộc tính chính: Tên bệnh, Thời gian và Địa điểm bùng phát. Để giải quyết bài toán này, tác giả khai thác ba nhóm khái niệm nền tảng:

  • Khái niệm sự kiện dịch bệnh: Một cấu trúc thông tin phản ánh hiện tượng y tế xuất hiện tại một không gian và thời gian xác định, gắn liền với các tác nhân gây bệnh cụ thể.
  • Luật cú pháp: Các khuôn mẫu từ vựng kết hợp biểu thức chính quy đại diện cho mối liên hệ ngữ pháp giữa thực thể danh từ và động từ hành động.
  • Luật ngữ nghĩa và cấu trúc phân cấp địa danh học: Mô hình quan hệ phân tầng cho phép chuẩn hóa các thực thể không gian từ cấp xã phường lên cấp huyện và tỉnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm thực nghiệm trên máy tính. Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập tự động thông qua module Web Crawler từ các trang tin điện tử y tế uy tín như Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Trung tâm Y tế Dự phòng Hà Nội, Bệnh viện Đa khoa tỉnh Thái Bình, Bệnh viện Đa khoa tỉnh Thái Nguyên và cổng tổng hợp tin tức Báo Mới.

Quy trình chọn mẫu phân tích dựa trên khảo sát tập dữ liệu lớn với hơn 10.000 bài báo y tế để trích xuất 34 từ khóa thường xuyên xuất hiện với tần suất cao nhất, điển hình như từ nhiễm xuất hiện trong 10.005 bài báo, từ dịch xuất hiện trong 10.000 bài báo và cụm từ dương tính xuất hiện trong 5.269 bài báo. Danh mục thực thể bệnh được quy chuẩn hóa từ 186 tên bệnh theo hướng dẫn phân loại của Bộ Y tế công bố ngày 24 tháng 06 năm 2011.

Tác giả lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên hệ luật kết hợp công cụ nhận dạng thực thể tiếng Việt JVnTextPro thay vì áp dụng hoàn toàn mô hình học máy xác suất thống kê. Lý do lựa chọn giải pháp này là do đặc thù tiếng Việt có độ nhập nhằng ngữ nghĩa cao, việc gán nhãn tập dữ liệu huấn luyện lớn đòi hỏi chi phí và thời gian rất cao, trong khi hệ luật cú pháp và ngữ nghĩa mang lại độ chính xác vượt trội trên miền dữ liệu y tế chuyên biệt. Toàn bộ timeline nghiên cứu, xây dựng công cụ và thử nghiệm hệ thống được hoàn thành vào tháng 5 năm 2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và cài đặt hệ thống đã đem lại bốn phát hiện khoa học và kết quả kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, việc xây dựng tập 229 luật kết hợp giữa hai mẫu cú pháp chính cho phép lọc sạch dữ liệu đầu vào với hiệu suất cao. Mẫu 1 kết hợp 52 danh từ và 10 động từ thường xuyên, trong khi Mẫu 2 liên kết 186 tên bệnh chuẩn với 6 động từ chỉ trạng thái lây lan. Phương pháp này giúp hệ thống loại bỏ hơn 85% các bài viết không chứa sự kiện dịch bệnh ngay từ bước kiểm tra tiêu đề, tối ưu hóa đáng kể tài nguyên xử lý của bộ phân lớp phía sau.

Thứ hai, thuật toán so khớp dài nhất kết hợp từ điển bệnh học 186 thực thể đã giải quyết triệt để tình trạng nhầm lẫn giữa triệu chứng lâm sàng và tên bệnh thực sự. Trong các thử nghiệm với chuỗi văn bản phức tạp, hệ thống nhận diện chính xác các cụm từ đa âm tiết như Cúm A/H5N1 thay vì chỉ bắt từ đơn lẻ là cúm, giúp giảm tỷ lệ nhận diện sai lệch tên bệnh xuống dưới 8%.

Thứ ba, sự kết hợp giữa công cụ nhận dạng thực thể JVnTextPro và cây phân cấp địa danh 3 cấp hành chính gồm 63 tỉnh thành, 692 quận huyện và 10.124 xã phường thị trấn đã nâng cao vượt bậc độ chính xác khi trích xuất không gian. Điển hình như trường hợp bài báo chỉ nhắc tới thị trấn Sông Vệ, hệ thống tự động suy diễn chính xác đường dẫn phân cấp hành chính đầy đủ gồm huyện Tư Nghĩa thuộc tỉnh Quảng Ngãi.

Thứ tư, phương pháp trích xuất thời gian kết hợp biểu thức chính quy cho định dạng tuyệt đối ngày tháng năm cùng tập luật nhận diện trạng từ chỉ thời gian tương đối như sáng nay, hôm qua, rạng sáng đã trích xuất thành công hơn 90% các mốc thời gian phát tán dịch bệnh trong các bản tin thời sự.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt kết quả vượt trội nằm ở kiến trúc xử lý tuần tự hợp lý và việc tận dụng tri thức chuyên gia miền y tế. Việc phân tách bài toán thành hai pha độc lập gồm pha phát hiện sự kiện và pha trích chọn thuộc tính giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng lan truyền sai số trong xử lý ngôn ngữ tự nhiên.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ thống Global Health Monitor của các tác giả nước ngoài đạt độ chính xác phân lớp 88% bằng Naive Bayes và 76% nhận dạng thực thể bằng Support Vector Machine trên văn bản tiếng Anh. Nghiên cứu của tác giả Phạm Xuân Hà chứng minh rằng trên văn bản tiếng Việt, việc áp dụng hệ luật kết hợp từ điển phân cấp mang lại độ chuẩn hóa dữ liệu tương đương mà không phụ thuộc vào hạ tầng điện toán phức tạp, vận hành mượt mà trên phần cứng máy tính cá nhân cấu hình vi xử lý Core i3 3.4GHz và bộ nhớ trong 4GB RAM.

Dữ liệu đầu ra của mô hình được biểu diễn trực quan qua các bảng dữ liệu quan hệ và biểu đồ phân bố dịch bệnh. Thông qua hệ thống biểu đồ hình cột theo dõi tần suất xuất hiện của các chủng bệnh như cúm gia cầm, dịch tả, sốt xuất huyết cùng biểu đồ tròn thống kê tỷ lệ lây lan theo từng tỉnh thành, các nhà quản lý y tế có thể nắm bắt bức tranh toàn cảnh về diễn biến dịch tễ một cách trực quan và nhanh chóng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị hành động cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ trích chọn sự kiện vào công tác y tế:

Thứ nhất, nâng cấp và mở rộng cây phân cấp địa danh học cùng từ điển thuật ngữ dịch tễ học. Đơn vị phụ trách là các nhóm nghiên cứu công nghệ thông tin phối hợp cùng Cục Y tế Dự phòng, tiến hành bổ sung hơn 500 biến thể tên gọi địa phương, danh xưng cũ và các bệnh truyền nhiễm mới xuất hiện. Mục tiêu nâng độ bao phủ trích xuất địa danh đạt trên 95% trong lộ trình 12 tháng tới.

Thứ hai, phát triển mô hình lai kết hợp hệ luật ngữ nghĩa với các mạng nơ-ron học sâu hiện đại như mô hình trường ngẫu nhiên có điều kiện hoặc kiến trúc Transformer. Đội ngũ kỹ sư phần mềm cần triển khai giải pháp này trong vòng 6 đến 9 tháng nhằm giảm 40% lỗi nhập nhằng ngữ cảnh trong các đoạn tin tức y tế có cấu trúc ngữ pháp phức tạp.

Thứ ba, tự động hóa toàn diện quy trình thu thập dữ liệu đa nguồn từ các trang mạng xã hội và diễn đàn y tế cộng đồng bên cạnh báo chí chính thống. Thiết lập tần suất quét dữ liệu tự động định kỳ 30 phút một lần và cài đặt ngưỡng kích hoạt cảnh báo bùng phát dịch theo thời gian thực trước 48 giờ cho các trung tâm kiểm soát bệnh tật cấp tỉnh.

Thứ tư, chuẩn hóa cơ sở dữ liệu sự kiện dịch bệnh và xây dựng giao diện lập trình ứng dụng mở để tích hợp trực tiếp vào Hệ thống thông tin địa lý GIS quốc gia. Bộ Y tế cùng Bộ Thông tin và Truyền thông cần đóng vai trò chủ trì điều phối trong khung thời gian 18 tháng để đồng bộ hóa dữ liệu giám sát dịch bệnh trên toàn bộ 63 tỉnh thành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

Nhóm học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khoa học máy tính: Tài liệu cung cấp bức tranh toàn diện về bài toán trích chọn thông tin, các kỹ thuật xây dựng hệ luật cú pháp ngữ nghĩa và phương pháp tích hợp công cụ xử lý ngôn ngữ tự nhiên tiếng Việt cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

Nhóm chuyên gia dịch tễ và cán bộ quản lý y tế công cộng: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị giúp hiểu rõ cơ chế vận hành của các hệ thống tự động theo dõi dịch bệnh trực tuyến, từ đó ứng dụng vào việc xây dựng bản đồ cảnh báo nguy cơ lây nhiễm tại các địa phương.

Nhóm kỹ sư phát triển phần mềm và kiến trúc sư dữ liệu: Nắm bắt phương pháp thiết kế module Web Crawler thu thập dữ liệu bằng thư viện Jsoup, kỹ thuật tách câu tách từ và giải pháp tối ưu hóa cơ sở dữ liệu quan hệ cho các hệ thống giám sát thông tin quy mô lớn.

Nhóm giảng viên và nhà nghiên cứu ngôn ngữ học tính toán: Có thể khai thác kho ngữ liệu 34 từ khóa dịch bệnh tần suất cao và 229 mẫu luật được xây dựng trong luận văn để phục vụ giảng dạy và phát triển các bộ tài nguyên từ vựng tiếng Việt chuyên ngành.

Câu hỏi thường gặp

Bài toán trích chọn sự kiện dịch bệnh khác biệt như thế nào so với trích chọn thông tin truyền thống? Trích chọn thông tin truyền thống chỉ nhận diện và bóc tách các thực thể rời rạc như con số, ngày tháng hay tên người riêng lẻ. Ngược lại, trích chọn sự kiện trong luận văn bóc tách toàn bộ mối liên kết ngữ nghĩa có cấu trúc thành bộ ba giá trị gồm Tên bệnh, Thời gian và Địa điểm bùng phát, giúp người dùng nắm bắt ngay bản chất sự kiện.

Tại sao nghiên cứu ưu tiên phương pháp tiếp cận dựa trên hệ luật thay vì học máy thuần túy? Học máy đòi hỏi tập dữ liệu gán nhãn khổng lồ và tốn kém nhiều chi phí xây dựng ngữ liệu tiếng Việt. Hệ luật gồm 229 mẫu cú pháp và ngữ nghĩa kết hợp cây địa danh phân cấp giúp hệ thống đạt độ chính xác cao trên miền dữ liệu hẹp, giảm thiểu độ phức tạp tính toán và xử lý nhanh trên các máy tính cấu hình phổ thông.

Hệ thống xử lý tình huống bản tin chỉ cung cấp địa danh cấp xã hoặc thị trấn như thế nào? Hệ thống sử dụng cây phân cấp địa danh học ba tầng gồm 63 tỉnh, 692 huyện và 10.124 xã. Khi công cụ nhận dạng thực thể phát hiện tên một thị trấn, giải thuật chuẩn hóa sẽ duyệt ngược từ nút hiện tại về nút gốc để khôi phục đầy đủ thông tin huyện và tỉnh tương ứng mà bài viết không nêu trực tiếp.

Quy trình tạo lập tập 229 luật lọc và phân lớp bài báo được thực hiện ra sao? Tác giả đã thống kê tần suất xuất hiện từ vựng trên hơn 10.000 bài viết chuyên mục Sức khỏe của Báo Mới để rút ra 34 từ khóa thường xuyên. Sau đó, tác giả thiết lập hai khuôn mẫu cú pháp kết hợp 52 danh từ, 10 động từ và danh mục 186 tên bệnh chuẩn của Bộ Y tế để sinh ra 229 luật phân loại chính xác.

Cấu hình thử nghiệm của hệ thống phần mềm trong nghiên cứu yêu cầu những gì? Hệ thống phần mềm được cài đặt và vận hành ổn định trên máy tính sử dụng hệ điều hành Windows 7, vi xử lý Core i3 3.4GHz, bộ nhớ trong 4GB RAM và ổ cứng 500GB. Các công cụ hỗ trợ gồm môi trường lập trình Eclipse, phần mềm Teleport Pro và thư viện phân tích cú pháp HTML Jsoup.

Kết luận

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về trích chọn thông tin và trích chọn sự kiện, khẳng định vai trò then chốt của việc cấu trúc hóa dữ liệu văn bản y tế trong kỷ nguyên số.
  • Đề xuất thành công mô hình trích chọn sự kiện dịch bệnh tiếng Việt với cấu trúc chuẩn ba thành phần gồm Tên bệnh, Thời gian và Địa điểm bùng phát.
  • Xây dựng bộ 229 luật phân loại và bóc tách thông minh dựa trên 34 từ khóa tần suất cao và danh mục 186 tên bệnh chuẩn do Bộ Y tế ban hành.
  • Giải quyết triệt để bài toán nhập nhằng địa danh tiếng Việt bằng cách tích hợp công cụ nhận dạng thực thể JVnTextPro với cây phân cấp hành chính ba cấp gồm 63 tỉnh thành, 692 quận huyện và 10.124 xã phường.
  • Triển khai thành công hệ thống phần mềm thử nghiệm thu thập tin tức tự động, tạo nền tảng vững chắc cho các ứng dụng giám sát dịch tễ học và trực quan hóa bản đồ GIS trong tương lai.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, việc mở rộng mô hình sang kiến trúc học sâu kết hợp và tích hợp nguồn dữ liệu đa phương tiện từ mạng xã hội sẽ mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn cho ngành y tế dự phòng. Độc giả, các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý quan tâm đến giải pháp xử lý ngôn ngữ tự nhiên và cảnh báo dịch bệnh tự động có thể tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Phạm Xuân Hà để tiếp cận chi tiết các thuật toán và mô hình thử nghiệm.