Konzeption und Entwicklung einer Ablaufsteuerung zur echtzeitfähigen Überwachung eines Expertensystems in einem autonomen mobilen Roboter

Erklärung

Ich erkläre hiermit eidesstattlich, daß ich die vorliegende Arbeit selbständig angefertigt habe. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht.

Die Arbeit wurde bisher keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt.

München, den 10.02.1995

(Bernd Graßl)

  Inhaltsverzeichnis  

  Inhaltsverzeichnis  

  Inhaltsverzeichnis  I

  Abbildungsverzeichnis  IV

Tabellenverzeichnis  V  V

1  Einleitung  1

1.1  Einführung  1

1.2  Ausgangssituation  2

1.3  Aufgabenstellung  4

1.4  Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise  6

2  Stand der Forschung im Bereich wissensbasierter Systeme  9

2.1  Grundlagen wissensbasierter Systeme Expertensysteme  9

2.1.1  Komponenten eines Expertensystems  10

2.1.2  Verschiedene Arten und Einsatzgebiete von Expertensystemen  14

2.2  Wissensbasierte Diagnose und Fehlerbehandlung  17

2.2.1  Begriffe und Grundlagen  17

2.2.2  Dialogorientierte Diagnose-Expertensysteme  25

2.2.3  Diagnose-Expertensysteme mit Prozeßankopplung  26

2.2.4  Bewertung der betrachteten Systeme  27

2.3  Kritische Betrachtung der Expertensystemtechnologie  28

2.3.1  Vorteile und Nutzen von Expertensyst emen  28

2.3.2  Nachteile Schwachstellen und Grenzen von Expertensystemen  29

2.4  Eine intelligente Roboter-Steuerung  31

3  Konzeption einer Ablaufsteuerung für die Auftragsbearbeitung  35

3.1  Strukturierung der Auftragsausführung  35

3.1.1  Gründe für die Verwendung einer speziellen Ablaufsteuerung  36

3.1.2  Aufgaben der Ablaufsteuerung  38

3.1.3  Aufbau der Ausführungssteuerung  39

3.2  Ablaufkonzept der Elementarauftragsbearbeitung  40

3.2.1  Strukturierung von Regelmengen  40

3.2.2  Ablauf einer Auftragsbe arbeitung im regelbasiertem System  43

3.2.3  Funktionsweise der Ablaufsteuerung  45

I

  Inhaltsverzeichnis  

3.3  Schnittstellen der Ablaufsteuerung  48

3.3.1  Schnittstelle zwischen der Ablaufsteuerung und dem regel  

  basiertem System  48

3.3.2  Schnittstellen zu anderen Komponente n  50

3.4  Auftragsbearbeitung  51

3.4.1  Regulärer Ablauf einer Auftragsbearbeitung (fehlerfreier Fall)  51

3.4.2  Ablauf bei Übergabe eines fehlerhaften Auftrags  52

3.4.3  Auftreten einer Komponentenfehlermeldung während der  

  Auftragsbearbeitung  53

3.4.4  Auftreten eines kritischen asynchronen Fehlers während der  

  Auftragsbearbeitung  56

3.5  Fehlerbehandlung  58

3.5.1  Überwachung  58

3.5.2  Fehlerbewertung  58

3.5.3  Sofortmaßnahmen  60

3.6  Gesamtablauf im Überblick  60

4  Realisierung und Implementierung  63

4.1  Integration in vorhandene Kommunikationsstruktur  63

4.2  Verbindung zum regelbasiertem System  65

4.3  Programmbeschreibung  67

4.3.1  Implementierte Dienste  67

4.3.2  Ablaufsteuerungsstati  72

5  Schlußbemerkungen  75

5.1  Zusammenfassung  75

5.2  Ausblick  76

  Literaturverzeichnis  79

  Abkürzungsverzeichnis  82

  Glossar  83

II

Anhang A: Programmbeschreibung ................................. 91 A.1 Angebotene Dienste der Ablaufsteuerung und des regelbasierten Systems................................................. 92 A.1.1 Gesamtübersicht aller Dienste und deren Dienstnummern ....... 92 A.1.2 Übersicht aller von der RBS-Ablaufsteuerung angebotenen Dienste ............................................ 93 A.1.3 Übersicht aller vom regelbasiertem System (RBS) angebotenen Dienste ............................................ 94 A.2 Beschreibung der angebotenen Dienste ......................... 95 A.2.1 Beschreibung der von der RBS-Ablaufsteuerung angebotenen Dienste ............................................ 95 A.2.2 Beschreibung der vom regelbasierten System angebotenen Dienste ............................................ 98

Anhang B: Programmlistings ..................................... 103 B.1 Ablaufsteuerungsprogramm ................................. 103 B.2 Schnittstellenmodul im regelbasiertem System .................... 104

III

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildungsverzeichnis  

  Abb 1 1: Der autonome mobile Roboter des iwb (MOBROB) auf einem FTS  3

  Abb 2 1: Architektur und Komponenten eines Expertensystems  10

  Abb 2 2: Grundschema der technischen Diagnose  18

  Abb 2 3: Phasen der Fehlerbehandlung  23

  Abb 2 4: Die einzelnen Module des Roboter-Steuerungssoftware PetRIS  31

  Abb 3 1: Die einzelnen Module der Ausführungssteuerung  40

  Abb 3 2: Regelmengenstruktur  43

  Abb 3 3: Ablaufdiagramm der Elementarauftragsbearbeitung  44

  Abb 3 4: Prinzipielle Funktionsweise der Ablaufsteuerung  47

  Abb 3 5: Schnittstellen der Ablaufsteuerung  49

  Abb 3 6: Ablauf bei Bearbeitung eines Elementarauftrags ohne Fehlerfall  52

  Abb 3 7: Ablauf bei Bearbeitung eines fehlerhaft gelieferten Elementarauftrags  53

  Abb 3 8: Ablauf bei Bearbeitung eines Elementarauftrags mit Fehler  55

  Abb 3 9: Ablauf bei Bearbeitung eines Elementarauftrags und plötzlich auf  

  tretendem kritischen asynchronen Fehler (Ausnahmebehandlung)  57

  steuerungsstati  61

IV

  Tabellenverzeichnis  

  Tabellenverzeichnis  

  Tab 2 1: Expertensystemklassen  15

  Tab 2 2: Vergleich der Diagnoseansätze  21

  Tab 4 1: Die für die Ablaufsteuerung wichtigen Slots des Objekts  

  Tab 4 2: Übersichtstabelle aller Ablaufsteuerungsstati  73

  Tab 4 3: Reaktionen der Ablaufsteuerung auf vom RBS gelieferte  

  Tab A 1: Definierte Dienste  92

  Tab A 2: Angebotene Dienste der Ablaufsteuerung  93

  Tab A 3: Angebotene Dienste des regelbasierten Systems  94

V

1.1 Einführung

Die Marktsituation in der Produktionstechnik erzwingt wegen sinkender Produktzykluszeiten, zunehmender Variantenvielfalt, wachsender Produktkomplexität und Forderungen nach immer kürzer werdenden Lieferzeiten (" Just-in-time") den Einsatz flexibler, automatisierter Produktionseinrichtungen. Ziel der flexiblen Produktion ist eine wirtschaftliche Fertigung von Produkten hoher Qualität bei kleinen Losgrößen.

Deshalb geht in der flexiblen Fertigungsautomatisierung der Trend weg von starr automatisierten Montageanlagen hin zu flexiblen Fertigungs- und Montagezellen. Dabei versteht man unter einer solchen Zelle eine zeitlich begrenzt autonom arbeitende, rechnergeführte Einheit bestehend aus einer Fertigungsmaschine, einem Handhabungsautomaten (Roboter), Werkstückspeicher und Meßeinrichtungen. Innerhalb der Zelle können auch mehrere Montage - und Handhabungs funktionen von einem Handhabungssystem ausgeführt werden, wenn der Transport dieses Systems und der Materialfluß in der Fertigungszelle automatisiert ist. Die informationstechnische Kopplung der einzelnen Bestandteile einer Zelle erfolgt über einen zentralen Leitrechner.

Der Schwerpunkt dieser automatisierungstechnischen Entwicklung ist zur Zeit die Einführung rechnerintegrierter, autonomer Produktionssysteme. Die Betonung liegt hierbei auf "autonom", da man durch eine Autonomie der Systeme eine möglichst hohe Verfügbarkeit der teuren Fertigungseinrichtungen erreichen will. Flexible Fertigungszellen stellen hochkomplexe Systeme dar und besitzen dadurch zwangsläufig eine große Fehleranfälligkeit, was häufig zu Totalausfällen führen kann. Um die Verfügbarkeit und dadurch die Produktivität dieser Einrichtungen zu erhöhen, werden zunehmend autonome Systeme eingesetzt, die zum Erreichen dieser Ziele bestimmte Merkmale aufweisen. Als erstes ist die Fähigkeit zur zeitlich begrenzten Aufgabenausführung ohne menschliche Eingriffe zu nennen. Ein weiteres Merkmal ist die Aufgabenausführung in einer veränderlichen bzw. gestörten Umgebung, was durch selbständige Anpassung an die Umwelt erreicht wird. Schließlich ist noch die selbständige Auswertung aufgabenorientierter Zielvorgaben anzuführen.

Der wichtigste Bestandteil eines innerhalb einer Fertigungszelle eingesetzten autonomen Transportsystems ist der Handhabungsautomat oder Roboter, da er für die Beschickung der Fertigungseinrichtungen und den Materialfluß zuständig ist. Fällt

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1 Einleitung

dieser mobile Roboter durch einen Fehler oder eine Ausnahmesituation aus, bedeutet dies den Ausfall der gesamten Zelle. Um dies zu vermeiden, wird eine Robotersteuerung benötigt, die selbständig, d.h. also autonom auf solche Ereignisse reagieren und den Weiterbetrieb des Roboters ermöglichen kann.

Deshalb spielt die Automatisierung des Informationsflusses eine zentrale Rolle beim Betrieb dieses autonomen Systems, um eine selbständige Auftragsbearbeitung ohne ständige Situationsanpassung durch Bedienereingaben zu ermöglichen. Die Fertigungs- und Montagedaten eines Auftrages müssen dabei interpretiert, transformiert, verarbeitet und weitergeleitet werden. Dazu ist häufig technisches und aufgabenspezifisches Fachwissen notwendig. Aus dieser Problematik ergeben sich diverse Aufgabenstellungen, die nicht ohne weiteres mit konventionellen algorithmischen Programmiermethoden gelöst werden können. Hier bietet sich der Einsatz von wissensbasierten Methoden wie z.B. die Verwendung von Expertensystemen an. Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die Integration und der Einsatz eines regelbasierten Expertensystem in eine Roboter-Steuerungssoftware für einen autonomen, mobilen Roboter untersucht werden. Diese sich zur Zeit gerade in Entwicklung befindende Robotersteuerung koordiniert und kontrolliert den Ablauf der einzelnen Geräte und Maschinen, die in einer Fertigungszelle an einer Auftragsbearbeitung beteiligt sind.

1.2 Ausgangssituation

Um sich eine Vorstellung von den möglichen Aufgaben eines autonomen mobilen Roboters in einer flexiblen Fertigungs- und Montagezelle machen zu können, wird als Beispiel der spezielle Produktionsablauf am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), der den fertigungstechnischen Hintergrund für die Diplomarbeit bildet, kurz dargestellt.

Die einzelnen Komponenten der flexiblen Fertigungszelle sind ein Bearbeitungszentrum (BAZ) zur Produktion zylindrischer Teile, eine Vermessungsstation zur Überprüfung der Maße der Teile, ein fahrerloses Transportsystem (FTS) und der autonome, mobile Roboter (MOBROB, Abb. 1.1). Dieser übernimmt die Beschickung der Fertigungs- und Meßeinrichtung und den Transpo rt der Teile zwischen den obengenannten Maschinen und einem weiteren autonomen Transportsystem, welches zur Versorgung der flexiblen Fertigungszelle mit Rohlingen dient. Zu diesem Zweck kann der Roboter auf das frei verfahrbare FTS gehoben werden und zu den einzelnen Stationen gefahren werden.

2

Abb. 1.1: Der autonome, mobile Roboter des iwb (MOBROB) auf einem FTS

Im Mittelpunkt der folgenden Betrachtungen steht der autonome mobile Roboter, der für die Handhabung der Teile zuständig ist. Zu seinen Aufgaben zählen das Erkennen, Greifen, Transportieren und Ablegen der zylindrischen Teile zwischen den jeweiligen Produktions- und Vermessungsschritten an verschiedenen Orten. Dazu besitzt der Roboter ein visuelles Sensorsystem, mit dem er veränderliche Umgebungssituationen und Positionierungsungenauigkeiten erfassen kann. Das Sensorsystem besteht aus einem Laserscannersystem zur Bestimmung der exakten Position des Roboters innerhalb der Fertigungszelle und einer CCD-Kamera in seiner Greifhand, die der genauen Positionsbestimmung zu greifender Teile dient. Für die Verarbeitung dieser Informationen und die Erfüllung der Handhabungsaufgaben benötigt man eine "intelligente" Robotersteuerung. Diese besitzt autonome Fähigkeiten zur eigenständigen Erfüllung aufgabenorientierter Zielvorgaben, zur Störungsbehandlung und zur Bewältigung von Ausnahmesituationen, zur planerischen Vorausschau und Entscheidungsabschätzung sowie zur Kommunikation und Kooperation mit anderen Systemen. Diese Steuerungssoftware für den autonomen mobilen Roboter, die den Namen PetRIS (Petri-Netz und Regelbasierte Intelligente Roboter-Steuerung) trägt, besteht im wesentlichen aus den fünf folgenden, miteinander kommunizierenden Modulen: Aufgabentransformation, Aufgabenplanung, Ausführungssteuerung, Komponentenverwaltung und Umgebungssimulation, die jeweils als Spezialisten auf ihren Teilgebieten fungieren. Eine genauere Beschreibung dieser Module ist in Kapitel 2.4 zu finden.

Den Ausgangspunkt für die Diplomarbeit bildet der bisherige Entwicklungsstand der Roboter-Steuerungssoftware, von der die Aufgabentransformation, Aufgabenplanung, Komponentenverwaltung und Simulation bereits implementiert sind und gerade getestet werden. Von der Ausführungssteuerung ist nur der Netzinterpreter

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1 Einleitung

schon komplett funktionsfähig, das regelbasierte System wird noch simuliert. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten erfolgt über Kommunikationsroutinen, die auf dem Client/Server-Modell basieren und Bestandteil jeder Komponente sind.

Da das regelbasierte System noch nicht als richtig funktionierendes Modul existiert, erfolgt die Abarbeitung aller Aufträge ausschließlich im Netzinterpreter, was Probleme bei auftretenden Fehlern hinsichtlich Flexibilität und Autonomie mit sich bringt. Denn will man alle möglichen und "unmöglichen" Situationen einer Auftragsbearbeitung berücksichtigen, werden die dazu nötigen Petri-Netze sehr schnell unübersichtlich und so komplex, daß ihre Wartung und evtl. Änderung nicht mehr handhabbar ist. Durch die Einbindung des regelbasierten Systems soll hier Abhilfe geschaffen werden.

1.3 Aufgabenstellung

Dieses Kapitel führt in die Problemstellung der Arbeit ein, beschreibt danach die gestellten Anforderungen und skizziert abschließend die Zielsetzung dieser Ausarbeitung.

Anforderungen an die autonome Auftragsbearbeitung

Im Hinblick auf eine möglichst flexible und vor allem autonome Auftragsbearbeitung mit Hilfe eines mobilen Roboters in der automatisierten Fertigung bzw. Montage ergeben sich gewisse Anforderungen. Zum einen sollte es eine allgemein formulierte Darstellung von möglichen Aufträgen geben, um ein breites Auftragsspektrum abdecken zu können. Zum anderen benötigt man zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und damit der Autonomie eine integrierte Diagnose von Fehlern und wenn möglich, auch eine sich daran anschließende Behebung von Störungen. Als weitere Anforderung ist die selbständige Anpassung an sensoriell erkannte Umgebungsveränderungen zu nennen, die eine entsprechende Sensorik und Datenverarbeitung voraussetzt. Da an der automatisierten Bearbeitung von komplexen Aufträgen meist mehrere Maschinen beteiligt sind, erfordert dies schließlich noch die Fähigkeit des autonomen Roboters zur selbständigen Koordination mit anderen (autonomen) Systemen.

Diese Anforderungen sollen von der Robotersteuerung des mobilen Roboters, die im Rahmen der Diplomarbeit betrachtet wird, erfüllt werden. Die momentanen Schwierigkeiten bestehen in der Berücksichtigung aller möglichen Fehler oder Situationen, die bei einer Auftragsbearbeitung auftreten können. Der Grund dafür ist die derzei-

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tige Ausführung aller Elementaraufträge in Form von zeitbehafteten Petri-Netzen, die durch den Netzinterpreter abgearbeitet werden. Dieser ist jedoch hauptsächlich zur Bearbeitung von meist gleichbleibenden Auftragsabläufen vorgesehen, bei denen keine oder wenige Alternativen in der Ablaufreihenfolge auftreten. Will man nun trotzdem eine flexible Reaktion auf unterschiedliche Situationen und verschiedene Aufträge erreichen, führt die Berücksichtigung dieser Ausnahmebehandlungen unweigerlich zu komplexen und schwer überschaubaren Netzen, was sich nachteilig bei deren Änderung, Erweiterung und Pflege auswirkt. Außerdem verfügen Petri-Netze nicht über die Wissensdarstellungsformalismen und Verarbeitungsstrategien, die für die geforderte Diagnose und Fehlerbehandlung innerhalb eines autonomen Systems notwendig sind.

Ziele der Arbeit

Wie in der Einleitung bereits erwähnt wurde, ist ein Hauptziel bei der Entwicklung automatisierter Fertigungs- und Montagezellen generell die Erhöhung der Autonomie und Flexibilität. Zum Erreichen dieses sehr abstrakt formulierten Zieles gibt es mehrere verschiedene Ansatzpunkte.

Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung einer "intelligenten" Roboter-Steuerungssoftware für den autonomen mobilen Roboter. Dazu wird ein wissensbasiertes System eingeführt, das in Form von allgemein formulierten Regeln auf mögliche Fehler und Ausnahmesituationen reagieren kann. Dieses im folgenden RBS (für: Regelbasiertes System) genannte Teilmodul der Robotersteuerung unterstützt den weiterhin verwendeten Netzinterpreter bei der Auftragsbearbeitung. Dabei stellt sich die Frage nach der Aufgabenverteilung, der Ansteuerung und der Überwachung der beiden Module, da das RBS diese Aufgaben im Hinblick auf bestehende Echtzeit-anforderungen an das Gesamtsystem nicht selbst durchführen kann.

Im Rahmen dieser Arbeit soll das oben genannte Ziel durch die Entwicklung, Implementierung und Integration einer Ablaufsteuerung für das regelbasierte System als ein weiteres Teilmodul der Roboter-Steuerungssoftware verwirklicht werden. Spezielle Teilziele sind dabei die Einbindung des regelbasierten Systems in die bestehende Programmumgebung und dessen Überwachung, die Steuerung der Auftragsausführung je nach Komplexitätsgrad im regelbasierten System oder im Netzinterpreter und eine integrierte Fehlerdiagnose und Fehlerbehandlung. Dazu ist die Konzeption einer speziellen Ablaufsteuerung und deren Aufgaben bzw. Funktionen zur Erfüllung von Echtzeitanforderungen erforderlich. Die Entwicklung beinhaltet das Aufstellen strukturierter Regelmengen, die Erstellung eines Verfahrens

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1 Einleitung

zum gezielten Aktivieren dieser Regelmengen und die Definition geeigneter Schnittstellen zur Kommunikation und zum Datentransfer.

1.4 Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise

Die gesamte Ausarbeitung dieser Arbeit untergliedert sich in fünf Kapitel, wobei Kapitel 1 in das Umfeld und die Problematik der Arbeit einführt.

Kapitel 2 beschreibt vorhandene Ansätze bei der Verwendung von Expertensystemen zur wissensbasierten Diagnose. Das Kapitel läßt sich in drei Bereiche aufteilen. Dies ist zum einen der Bereich der Expertensystemgrundlagen ( Kap. 2.1); hier werden die Architektur und die einzelnen Komponenten eines klassischen Expertensystems vorgestellt sowie einige Wissensrepräsentationsarten und deren Verarbeitungsstrategien. Der zweite Bereich behandelt die wissensbasierte Diagnose und Fehlerbehandlung ( Kap. 2.2); hier werden unterschiedliche Ansätze betrachtet und bewertet, auf denen diese Arbeit aufbaut. Der dritte Bereich ist schließlich eine kritische Betrachtung der Expertensystemtechnologie ( Kap. 2.3); dort werden Vor- und Nachteile von Expertensystemen aufgezeigt. Im Anschluß daran wird eine spezielle, "intelligente" Roboter-Steuerung vorgestellt ( Kap. 2.4), welche die Arbeitsgrundlage für diese Arbeit bildet.

Kapitel 3 ist das Hauptkapitel der vorliegenden Arbeit und beschreibt die Konzeption einer Ablaufsteuerung, welche den Einsatz eines regelbasierten Systems als Teilmodul einer "intelligenten" Robotersteuerung ermöglicht. Dazu werden zunächst die Ausgangssituation und die damit verbundenen Anforderungen analysiert, die ausschlaggebenden Gründe für die Entwicklung einer speziellen Ablaufsteuerung genannt und die wesentlichen Aufgaben und der Aufbau der Ablaufsteuerung festgelegt (Kap. 3.1). Danach wird ein allgemeines Ablaufkonzept zur Auftragsbearbeitung im regelbasierten System vorgestellt (Kap. 3.2), das auf strukturierten Regelmengen basiert, die situationsabhängig von der Ablaufsteuerung aktiviert werden. Die eigens dafür entwickelte Funktionsweise der Ablaufsteuerung wird im Anschluß daran erläutert. Das nächste Unterkapitel beschreibt die Schnittstellen ( Kap. 3.3), die zur Einbindung der beiden Module Ablaufsteuerung und regelbasiertes System in die vor-handene Systemumgebung der Robotersteuerung benötigt werden. Daran schließt sich eine Betrachtung verschiedener Fälle an, die bei der Auftragsbearbeitung im regelbasierten System auftreten können ( Kap. 3.4). Der letzte Abschnitt konzentriert sich auf in die Ablaufsteuerung integrierte Funktionen zur Fehlerbehandlung (Kap. 3.5), welche die Überwachung des regelbasierten Systems, die Bewertung von asynchronen Fehlern und das Auslösen von geeigneten Sofortmaßnahmen umfassen.

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Kapitel 4 beschreibt Einzelheiten, die für die Realisierung und Implementierung des entwickelten Konzepts von Bedeutung sind. Zuerst werden die am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften eigens entwickelten Kommunikationsroutinen vorgestellt (Kap. 4.1), die in der "intelligenten" Roboter-Steuerung eingesetzt werden. Darauf folgt eine ausführliche Darstellung der Implementierungsdetails der verwendeten Datenstrukturen ( Kap. 4.2), die für die Integration der erstellten Programme erforderlich waren. Daran schließt sich eine Programmbeschreibung an (Kap. 4.3), die die Funktionen der implementierten Dienste kurz erklärt. Kapitel 5 bietet schließlich eine kurze Zusammenfassung der Arbeit und einen Ausblick auf weiterführende Problemstellungen.

Im Anschluß daran finden sich das Literaturverzeichnis und ein Glossar zu Begriffen, die im Zusammenhang mit dieser Arbeit von Bedeutung sind.

Der Anhang enthält eine Programmbeschreibung und den Quellcode der erstellten Programme.

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In diesem Kapitel werden zuerst die Grundlagen wissensbasierter Systeme, insbesondere die der Expertensystemtechnologie beschrieben und darauf aufbauend der Einsatz dieser Systeme auf dem Gebiet der technischen Diagnostik vorgestellt. Unterschiedliche Ansätze und Systeme werden angeführt, untersucht und bewertet. Daran schließt sich eine kritische Betrachtung der Expertensystemtechnologie an. Zum Abschluß wird eine "intelligente" Robotersteuerung für einen autonomen mobilen Roboter vorgestellt, welche die Ausgangsbasis dieser Arbeit bildet. Dieses Kapitel soll die grundlegenden Kenntnisse wissensbasierter Systeme vermitteln, die für das Verständnis der folgenden Kapitel nötig sind.

2.1 Grundlagen wissensbasierter Systeme / Expertensysteme

Wissensbasierte Systeme und Expertensysteme sind ein Teilgebiet der künstlichen Intelligenz, einem aktuellen Forschungsbereich der Informatik. Diese befaßt sich neben den Expertensystemen auch mit den Themen Robotik, Sprach- und Mustererkennungssysteme, Neuronale Netze und Systeme zum Verstehen und Übersetzen natürlicher Sprache ([KONO 94 - S.2]).

Eine Definition eines Expertensystems findet sich in [PUPP 88 - S.1]:

Expertensysteme sind Programme, mit denen das Spezialwissen und die

”

Schlußfolgerungsfähigkeit qualifizierter Fachleute auf eng begrenzten Aufgabengebieten nachgebildet werden soll.“

Um dieses Ziel zu verwirklichen, ist es nötig, das Wissen zu formalisieren, computergerecht zu repräsentieren und mit einer geeigneten Problemlösungsstrategie zu manipulieren. Für diese Art der Wissensverarbeitung existiert dabei ein für Expertensysteme charakteristischer Architekturunterschied zu konventionellen Programmen, nämlich die Trennung von Wissen und Problemlösungsstrategie. Dieser Unterschied macht Expertensysteme wesentlich änderungsfreundlicher, was der Wartung und Wiederverwendbarkeit des Programms zugute kommt.

Für weitere, detailliertere Definitionen zu Begriffen aus dem Themengebiet wissensbasierter Systeme sei an dieser Stelle auf das Glossar verwiesen.

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2 Stand der Forschung im Bereich wissensbasierter Systeme

2.1.1 Komponenten eines Expertensystems

Die für Expertensysteme typische funktionale Trennung von Expertenwissen und Problemlösungsstrategie spiegelt sich nach [PUPP 88 - S.12] in der Architektur (Abb. 2.2) durch die nachfolgend erläuterten Teilsysteme Wissensbasis (anwendungsspezifisch) und Steuersystem (anwendungsneutral) wieder. Unter Architektur eines Expertensystem werden die einzelnen Programmmodule und ihre Beziehungen zueinander verstanden. Der vom Anwendungsgebiet meist unabhängige Aufbau eines klassischen Expertensystems (mit Benutzerdialog) hat folgendes Aussehen:

Abb. 2.2: Architektur und Komponenten eines Expertensystems (nach [PUPP 88])

Das Fundament eines jeden Expertensystems bildet die Wissensbasis, die aus drei verschiedenen Teilen besteht. Je nach Herkunft des Wissens unterscheidet man dabei zwischen statischem bereichsbezogenen Wissen von Experten, dynamischem fallspezifischen Wissen von Benutzern und Zwischen- und Endergebnissen (ebenfalls dynamisch), die von der Problemlösungskomponente hergeleitet worden sind. Eine andere Unterteilung des Wissens orientiert sich am Gebrauch des Wissens. Die daraus resultierenden Wissensarten sind Faktenwissen (auch deklaratives Wissen genannt), Ableitungswissen und Steuerungs- oder Kontrollwissen (beide Wis-

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sensarten werden auch als prozedurales Wissen bezeichnet. [FIED 90 - S.22]). Während Ableitungswissen (z.B. Regeln) den Gebrauch des Faktenwissens steuert, steuert das Kontrollwissen (z.B. sog. Meta-Regeln) den Gebrauch des Ableitungswissens.

Fallspezifisches Wissen vom Benutzer (eingegebene Daten) und Zwischen- und Endergebnisse sind typischerweise Faktenwissen, während das Expertenwissen sowohl aus Faktenwissen (z.B. Katalogwissen) als auch aus Ableitungs- und Kontrollwissen besteht. In der Zusammenfassung der Architektur eines Expertensystems in Abb. 2.2 werden nur die nach ihrer Herkunft unterschiedlichen Teile der Wissensbasis aufgeführt.

Das Steuersystem enthält den Programmcode für die Problemlösungsstrategien und für die Schnittstellenkomponenten, wobei sich letztere in drei relativ eigenständige Teile für den Benutzerdialog, für die Generierung von Erklärungen und für den Wissenserwerb aufteilen lassen. Daraus ergeben sich folgende Untermodule:

• Die Problemlösungskomponente (oft auch Inferenzkomponente genannt) wendet das in der Wissensbasis gespeicherte Expertenwissen zur Lösungsfindung auf das vom Benutzer gestellte Problem an. Hierzu sind intelligente Problemlösungsstrategien (Inferenzmechanismen) erforderlich.

• Die Interviewerkomponente (oder Dialogkomponente) führt den Dialog mit dem Benutzer und/oder liest automatisch erhobene Meßdaten ein. Falls kein Benutzerdialog stattfindet, nennt man das Expertensystem auch eingebettetes System, ansonsten interaktives System.

• Die Erklärungskomponente macht die Vorgehensweise des Expertensystems transparent. Sie hilft sowohl dem Benutzer, der für die vorgeschlagene Problemlösung eine Begründung oder Rechtfertigung sucht, als auch dem Experten, der evtl. vorhandene Fehler in der Wissensbasis lokalisieren will.

• Die Wissenserwerbskomponente ermöglicht es dem Experten, sein Wissen in das Expertensystem einzugeben und später zu ändern. Je nach der Qualität der Wissenserwerbskomponente muß der Experte dabei durch einen Wissensingenieur unterstützt werden, oder durch Lerntechniken, die z.B. Falldatenbanken auswerten, entlastet werden.

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2 Stand der Forschung im Bereich wissensbasierter Systeme

Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt bei Expertensystemen ist die Darstellung des Wissens, die sog. Wissensrepräsentation . Um Probleme eines Anwendungsgebietes lösen zu können, muß das entsprechende Wissen dazu in der Wissensbasis in einer für den Computer verarbeitbaren Form gespeichert sein.

Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Darstellung von Wissen, die eine jeweils speziell darauf zugeschnittene Problemlösungsstrategie erfordern. Man unterscheidet hauptsächlich zwischen folgenden Wissensrepräsentationsformen ( [FREY 93 - S.10], [HERD 92 - S.31 ff.], [ZINN 90 - S.13 ff.]):

• (Produktions-) Regeln: Hier erfolgt die Beschreibung von kausalen oder heuristi-

• Objekte (auch Frames genannt):Diese Wissensrepräsentationsform beinhaltet

• Prädikatenlogik: Hierbei wird eine formale, symbolisierte Sprache mit syntakti-

• Constraints: DieseWissensrepräsentationstechnik beschreibt eine wechsel-

• Semantische(oder kausale) Netze: Diese basieren auf gerichteten Graphen, die

In [ALTE 92 - S.6 ff.] werden diese und noch weitere Wissensrepräsentationsarten ausführlich beschrieben und ihre jeweiligen Stärken bzw. Schwächen aufgezeigt.

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Da zur Darstellung realen Expertenwissens der alleinige Einsatz einer bestimmten Wissensrepräsentationsart nicht ausreichend ist, verwenden moderne Expertensysteme meist mehrere Wissensrepräsentationsformen; so ist z.B. die Kombination von objekt- und regelorientierter Wissensdarstellung weit verbreitet. Solche Systeme werden im allgemeinen als hybride Expertensysteme bezeichnet.

Die für die verschiedenen Wissensrepräsentationsarten jeweils erforderlichen speziellen Wissensverarbeitungsstrategien (oder auch Inferenztechniken genannt) werden nachfolgend kurz vorgestellt.

So kommen z.B. folgende Strategien bei einem regelbasierten Expertensystem zur Anwendung ( [PUPP 88 - S.78]):

• Vorwärtsverkettung: ausgehend von den eingegebenen Symptomen (Fakten) werden alle anwendungsbereiten Regeln ausgewertet (d.h. diejenigen, deren Vorbedingung im WENN-Teil der Regel erfüllt ist) und somit alle Schlußfolgerungen gezogen, die möglich sind. Die Symptomerfassung muß durch zusätzliches Wissen oder durch den Benutzer gesteuert werden.

• Rückwärtsverkettung: ausgehend von einem Ziel (z.B. die Ursache eines Fehlers zu finden) werden alle Regeln ausgewertet, die zum Erreichen des Zieles beitragen können (d.h. das Ziel ist im DANN-Teil dieser Regeln enthalten). Falls Rohdaten zur Auswertung der Regeln unbekannt sind, werden sie vom Benutzer erfragt.

• Hypothesize-and-Test: aus den eingegebenen Symptomen werden durch Vorwärtsverkettung Verdachtshypothesen generiert, die anschließend durch Rückwärtsverkettung gezielt überprüft werden.

• Establish-and-Refine: in einer strengen Diagnosehierarchie wird eine Diagnoseklasse zunächst durch Rückwärtsverkettung bestätigt und dann verfeinert, indem versucht wird, einen Nachfolger zu bestätigen, der wiederum verfeinert wird, usw.

Bei der Suche nach anwendbaren Regeln gibt es eine ganze Reihe von unterschiedlichen Suchstrategien, auf die im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht näher eingegangen werden soll, da ein Expertensystementwicklungswerkzeug verwendet wird, das keine Wahl der Suchstrategie erlaubt. Exemplarisch seien hier nur die bekanntesten Strategien aufgeführt:

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