Freie wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung
des Grades eines Diplom-Kaufmanns

mit dem Thema:

Entwicklung eines Werkzeugs zur grafischen
Definition von Regeln in einem Expertensystem

von: 

Chris Kürschner

30. Dezember 2003

Inhaltsverzeichnis

1 ZIELSETZUNG UND AUFBAU ... 1
1.1 ZIELSETZUNG DER ARBEIT  ... 2
1.2 AUFBAU  ... 3

2 REGELBASIERTES EXPERTENSYSTEM ... 5
2.1 CHARAKTERISIERUNG UND ARCHITEKTUR VON EXPERTENSYSTEMEN ... 5
2.2 WISSENSREPRÄSENTATION UND STRATEGIEN DER WISSENSVERARBEITUNG  ... 10
2.3 METHODEN DES WISSENSERWERBS  ... 12

3 SOLLKONZEPTION  ... 13
3.1 FUNKTIONALE ANFORDERUNGEN  ... 13
3.2 NICHTFUNKTIONALE ANFORDERUNGEN ... 16
3.3 TECHNISCHE PRODUKTUMGEBUNG  ... 18

4 ENTWURF UND IMPLEMENTIERUNG DER IDENTIFIZIERTEN ANFORDERUNGEN ... 20
4.1 ORGANISATION DES GESAMTSYSTEMS ... 20
4.1.1 Softwaredistribution ... 22
4.1.2 Sicherheitsaspekte  ... 25
4.1.3 Pakethierarchie ... 27
4.2 DIALOGUNTERSTÜTZTE ERFASSUNG VON DATEN UND WISSEN  ... 29
4.2.1 Strukturierte Erfassung ... 31
4.2.2 Menüstruktur  ... 36
4.2.3 Daten- und Wissenserfassung  ... 37
4.3 DATENANALYSE UND DATENMODELLIERUNG ... 47
4.3.1 Datenbank  ... 47
4.3.2 XML-Dateien  ... 48
4.4 KLASSEN- UND FUNKTIONSENTWURF  ... 53
4.4.1 Server  ... 54
4.4.2 Client ... 54

5 POTENZIELLE WEITERENTWICKLUNGEN ... 57

6 MANAGEMENT SUMMARY ... 58

ANHANG A: PFLICHTENHEFT ... 61
ANHANG B: FALLSTUDIE ... 73

QUELLENVERZEICHNIS  ... 85

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS  ... 87

1 Zielsetzung und Aufbau

„Ein Weiser gibt nicht die richtige Antworten. 
Er stellt die richtigen Fragen.“

Claude Levi-Strauss.

Wissensbasierte Systeme stehen heute nicht mehr so stark im Blickpunkt von Forschung und Praxis wie es noch vor zehn oder fünfzehn Jahren der Fall war. Dies bedeutet allerdings nicht, dass die Entwicklung solcher Systeme zu einem Routineprozess geworden ist, der für beliebige Problemstellungen nach einem festen Schema abläuft. Vielmehr ist die Konzeption, Entwicklung und insbesondere die Wissensbasispflege mit immensen Schwierigkeiten verbunden [HERR97, S. 1]. Während vor einigen Jahren noch das Interesse ausschließlich auf allgemeinen Problemlösungsmethoden lag, hat sich die entscheidende Bedeutung der Erfassung detaillierten Expertenwissens für die Entwicklung leistungsfähiger Programme herausgestellt. Die Notwendigkeit dieses Umdenkens wird um so deutlicher, wenn man bedenkt, dass Expertensysteme typischerweise für schlecht strukturierte Anwendungsgebiete eingesetzt werden, was eine Entwicklung eines konventionellen Algorithmus schwierig oder gar unmöglich macht.

Nicht nur ist das Wissen in den Köpfen der Experten schwer zugänglich, meist fehlt es den Fachleuten an Zeit und Motivation, ihr Know-how weiterzugeben. Erschwerend kommt die dem Wissen innewohnende Dynamik hinzu. Wissen ändert sich oft innerhalb kurzer Zeit und wird somit ungültig bzw. fehlerhaft. Des Weiteren kann nicht erwartet werden, dass das Wissen bei der Wissensbasisinitialisierung vollständig erfasst wird. Nicht berücksichtigte Fälle zeigen sich häufig erst beim praktischen Einsatz des Systems. Konsequenz ist, dass regelmäßige Korrekturen an der Wissensbasis unvermeidbar sind. Entscheidend für den erfolgreichen Einsatz von Expertensystemen ist somit die Bereitstellung einer Softwarekomponente, die es ermöglicht, eine Wissensbasis aufzubauen sowie den Wissensbestand von im Einsatz befindlichen Systemen zu vergrößern und vorhandene Lücken bei bereits bestehenden Problemen zu schließen.

Der bisher dominierende Lösungsansatz zur Wissensbasiserstellung und -pflege besteht im Berufsbild des sog. Wissensingenieurs, welcher sich vor allem durch Kommunikation mit Fachleuten Wissen aneignet und dieses dann für ein Expertensystem formalisiert. Diese indirekte Form des Wissenserwerbs ist nicht nur teuer, sondern wegen der inhärenten Verständigungsprobleme beider Parteien auch fehleranfällig. Wenn man bedenkt, dass die Wissensbasis einer ständigen Erweiterung und Modifikation unterliegt, wird der indirekte Wissenserwerb mit zwei Gruppen von hoch bezahlten Spezialisten auf Dauer zu kostspielig. Der Übergang zum direkten Wissenserwerb scheiterte allerdings bisher auf Grund des Fehlens einer geeigneten Softwarelösung, die es einem Experten ermöglicht, sein Wissen selbstständig zu erfassen und zu pflegen [PUPP90, S. 3 und HERR97, S. 6f.]. Ansätze findet man bereits beim Expertensystem-Shell-Baukasten D3, der es einem Experten erlaubt, weitgehend selbstständig leistungsfähige Systeme zu entwickeln. Allerdings beschränken sich diese auf Diagnosesysteme [PUPP96, S. 13].

1.1 Zielsetzung der Arbeit

Expertensysteme werden meist von externen Software-Häusern entwickelt und dann vom jeweiligen Anwender implementiert. Interessant dabei ist, dass die Verantwortung zur Erweiterung und Modifikation des Systems ab einem bestimmten Zeitpunkt an den eigentlichen Anwender übertragen wird. Daraus ergibt sich, dass die Pflege der Wissensbasis nicht von den Personen durchgeführt wird, die für die Realisierung des Systems verantwortlich waren, sondern vom Experten selbst. Diese Konstellation kann zu Schwierigkeiten führen, die die Effizienz des Expertensystems in Frage stellen. Gleichzeitig wird deutlich, wie wichtig eine systematische Unterstützung für alle Prozesse bei der Wissensbasisinitialisierung und -pflege ist [HERM97, S. 12].

Während die auf dem Markt befindlichen Werkzeuge zur Wissensakquisition noch die Hilfe von Wissensingenieuren erfordern, die Experten befragen und das gewonnene Wissen in geeigneter Form formalisieren, muss es mittelfristiges Ziel sein, ein Werkzeug zu entwickeln, welches in einer Weise komfortabel und problemadäquat gestaltet ist, dass ein Experte selbstständig und ohne weitere Unterstützung von anderen Personen sein Wissen erfassen, ändern und testen kann. Solche Werkzeuge würden den Umgang mit Wissen in den verschiedensten Anwendungsbereichen fundamental ändern, da das bisher weitgehend private Wissen von Experten, das darüber hinaus nur über langjährige Praxiserfahrungen erworben werden kann, dann in Programmen explizit dargestellt und in Folge dessen leichter erlernt, angewendet und getestet werden kann [PUPP88, S. 7].

Ziel dieser Arbeit ist die Analyse, Konzeption und Implementierung eines Werkzeugs, welches einem Experten bei der grafischen Definition und Manipulation von Regeln in einem Expertensystem unterstützt. Der Fokus liegt bei der Entwicklung auf der Bereitstellung einer komfortablen und benutzerfreundlichen Modellierungsebene, mit deren Hilfe der Anwender Objekte einer Wissensbasis visualisieren, miteinander verknüpfen und bestehende Verkettungsregeln manipulieren kann. Voraussetzung hierfür ist die strukturierte und dialogunterstützte Erfassung von Objekten, wie z. B. Fragen und Diagnosen. Dabei soll es dem Anwender möglich sein, selbstständig und ohne Hilfe eines Wissensingenieurs diese Objekte zu erfassen und zu pflegen. Die zu entwickelnde Software soll dabei unabhängig vom zu modellierenden Problem und somit in den verschiedensten Anwendungsgebieten einsetzbar sein. Dies impliziert, dass das Werkzeug bei verschiedenen Organisationen und innerhalb dieser von mehreren Experten gleichzeitig genutzt werden kann. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten zur Erweiterung des umgesetzten Systems. Diese werden auf Grund begrenzter Ressourcen nur theoretisch behandelt.

Eine umfassende Dokumentation ist ein integraler Bestandteil der Software-Entwicklung und stellt meist eine Herausforderung für die Systemanalytiker und Programmierer dar. Sie bildet die Voraussetzung für die Wartung und Weiterentwicklung des Systems. Eine leichte Einarbeitung bei Personalwechsel ist somit möglich [BALZ01, S. 1075]. Demnach muss es das Ziel sein, eine vollständige Systembeschreibung zu erstellen. Diese beinhaltet vor allem relevante Informationen der Soll-Konzeption, das Einfügen von Kommentaren im Code und die Erstellung von Hilfen, wie z. B. einem Benutzerhandbuch.

1.2 Aufbau

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Konzeption und Implementierung der im vorangegangen Kapitel aufgezeigten Zielsetzung. Zwischenergebnisse werden dabei kritisch diskutiert. Einen Überblick des schrittweisen Vorgehens zeigt Abbildung 1-1.

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