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24.03.1989 - 

Erst denken, dann handeln, heißt die Devise:

Eine sorgfältige Studie ist schon die halbe Miete

Das Erstellen von Expertensystemen verlangt bereits im Planungsstadium, und gerade da, nach strenger Methodik. Viel zu oft jedoch, so Michael Kühn*, wird erst gehandelt und dann nachgedacht. In diesem Sinne will seine Darstellung einer ausgefeilten Vorgehensweise bei der Projektdefinition Denkanstöße liefern.

Nicht ganz zu Unrecht wurden aus den DV-Abteilungen großer Firmen kritische Stimmen laut, als Anwender aus anderen Abteilungen damit begonnen haben, ihre Software eigenständig mit Expertensystemwerkzeugen zu erstellen. Hauptkritikpunkt war das Fehlen ausreichender Kenntnisse in professioneller Softwareentwicklung. Zwar arbeiten die DV-Abteilungen selbst meist mit völlig veralteten Methoden zur Projektplanung wie etwa mit Netzplänen und "händischen" Aufwandschätzungen, aber immerhin verwenden sie überhaupt Planverfahren, was man von Expertensystementwicklern nicht unbedingt behaupten kann. Ganz im Gegenteil tritt hier unter der Flagge des Rapid-Prototyping die gute alte Spaghetti-Programmierung wieder in Erscheinung.

Wenn man bedenkt, daß auch im kommerziellen Bereich fast alle Expertensysteme letztlich von in professioneller Softwareentwicklung völlig unerfahrenen Informatikstudenten erstellt wurden, dann braucht man sich über mangelnde Programmstrukturierung nicht zu wundern.

Frühzeitige Planung erspart teure Wartung

Eine von der Grundlagenforschung geprägte Vorgehensweise beschränkte Vorarbeiten häufig auf die Suche nach einer "optimalen" Entwicklungsumgebung für das schnelle Erstellen von Prototypen. Domänen- beziehungsweise anwendungsspezifische Aspekte konnten bei der Toolauswahl schon deshalb keine Rolle spielen, weil solche Erkenntnisse erst im Rahmen der Entwicklung zutage traten.

Spätestens dann, wenn ein erstelltes Expertensystem gewartet werden soll, zeigt sich, ob und wie gründlich entsprechende Überlegungen bereits in die Planungsphase der Systemerstellung eingeflossen sind. Ein Projektmanagement für Expertensysteme hat daher die Aufgabe, ein adäquates Systemdesign bereits vor der Prototypingphase sicherzustellen, was eine gewisse Redefinition des Knowledge-Engineering impliziert. Geleistet wird dies durch eine Projektdefinitionsstudie, deren Erstellungsweg im folgenden beispielhaft vorgestellt wird.

Die Projektdefinition ist eingebettet in ein phasenbezogenes Projektmanagement.

Dabei handelt es sich um folgende Phasen:

+ Im Planungsstadium

- Anforderungsanalyse

- Machbarkeitsanalyse

- Projektdefinition

+ Für die SW-Erstellung

- Knowledge-Engineering

- Implementation

+ und Wartungstätigkeit nach der Inbetriebnahme

Die Anforderungsanalyse bezieht sich auf wissensgebietsabhängige, technische und allgemeine Vorgaben sowie auf zusätzliche Anforderungen an die beauftragte AI-Firma. Die Erhebung der benötigten Informationen kann durch ein Tool unterstützt werden, welches die Interviews steuert und schließlich einen vollständigen Report generiert.

Je nach technischer Komplexität des zu erstellenden Systems wird optional eine Machbarkeitsuntersuchung durchgeführt. Hier ist zu überprüfen, inwieweit das Expertensystem auf bereits vorhandene Rechner portiert und in vorhandene Verfahren integriert werden kann. Es werden Anforderungen bezüglich der Schnittstellen und der Übertragbarkeit definiert und daraufhin überprüft, ob und wie diese durch eine geeignete Kombination von zur Verfügung stehenden Softwarewerkzeugen realisiert werden können.

Die Wissensbasis steht am Anfang der Erstellung

Eine Anforderungsstudie beschreibt dann den genauen Leistungsumfang des Systems. Die Toolauswahl wird durchgeführt, und auf der Basis einer Aufwandschätzung erfolgt schließlich die detaillierte Projektplanung. Ergebnis ist eine Studie, die als verbindliche Grundlage für die weiteren Phasen Verwendung findet.

Am Anfang der Erstellung eines Systems steht die Bildung einer Wissensbasis. Das Knowledge-Engineering gliedert sich dabei in Wissenserhebung, Objektfeldstrukturierung und Erstellung eines ablauffähigen Prototypen, der funktional der Implementationsversion gleicht.

Daraufhin folgt die Implementation. Im Zuge dieses Vorgangs wird der Prototyp in eine endgültige Version überführt, die alle Qualitätsansprüche aus der Leistungsbeschreibung befriedigen muß. Weiterhin fällt in diese Phase die Erstellung von System-, Anwender- und Wartungsdokumentation sowie die Installation und Abnahme des Expertensystems.

Wichtig ist auch die Wartung. Der Anwender kann selbst warten, einen Wartungsvertrag mit der Herstellerfirma vereinbaren und/oder Schulungskurse besuchen. In jedem Fall sollte sichergestellt werden, daß das Expertensystem aktuell und damit einsatzfähig bleibt - was gerade bei Domänen mit dynamischem Wissen kritisch sein kann.

Wie erwähnt, gilt die zu erstellende Studie als verbindliche Grundlage für die Phasen Knowledge-Engineering und Implementation sowie Wartung. Insbesondere das Knowledge-Engineering bekommt damit eine Anleitung in die Hand, um eine strukturierte Wissensakquisition und einen Prototypbau durchführen zu können, die sich deutlich von der bisherigen Vorgehensweise des Rapid-Prototyping unterscheiden. Anforderung an eine Projektdefinition ist daher neben der Klärung technischer Fragen insbesondere eine inhaltliche Auseinandersetzung mit dem domänenspezifischen Wissen.

Vorbereitende Maßnahmen beziehen sich im wesentlichen auf die Einarbeitung in die Wissensdomäne einerseits, in den speziellen Problembereich andererseits. Meistens genügt es, sich auf eine relativ oberflächliche Einarbeitung zu beschränken, es sei denn, es existieren bereits ausführlichere Vorarbeiten bezüglich des Projekts.

Besondere Sorgfalt gebührt der Anforderungsermittlung

Um die genauen Anforderungen zu erfahren, werden Arbeitssitzungen mit den Projektverantwortlichen der Auftraggeberseite und mit den Fachexperten anberaumt. Als Zeitraum für die Gespräche sollten zwei bis drei Tage eingeplant werden. Die Interviews beziehen sich auf

a) technische Anforderungen: Die in der Requirementstudie erhobenen Informationen werden hier um Details ergänzt.

b) domänenspezifisches Expertenwissen: Über die abzubildende Expertentätigkeit führen die jeweiligen Fachexperten intensive Gespräche mit dem Kunden. Teilweise werden diese Interviews durch "Fragebögen" gesteuert. In jedem Fall werden sie mit "Tonband" aufgezeichnet.

Die Auswertung der Interviews verläuft

a) unter mehr technischen Aspekten. Das Ergebnis ist dann eine verfeinerte Requirementstudie.

b) inhaltlich.

Für die inhaltliche Auswertung werden die Tonbandmitschnitte der Interviews auf eine Textverarbeitung übertragen.

Die Tatsache, daß eine solche Übertragung stattfindet, sollte bereits bei der Interviewdurchführung berücksichtigt werden. Die Teilnehmer sind darauf hinzuweisen, daß nicht durcheinander, sondern einzeln und deutlich gesprochen wird, daß keine Abschweifungen vom Thema vorkommen und die Aussagen verbindlichen Charakter erhalten sollen.

Darüber hinaus soll die Analyse einer Aufgabenumgebung eine Art Umsetzung von deklarativem zu prozeduralem Wissen bewirken. Bei einer Beschreibung seiner Aufgaben

liefert der Experte eher Informationen, was zu tun ist. Eine Analyse dieser Beschreibungen soll nun aber Informationen darüber liefern, wie etwas zu tun ist.

Die Anforderungen werden aufgabengerecht sortiert

In der sogenannten Task-Environment-Analysis wird in einem ersten Schritt der Interviewtext in seine wesentlichen Bestandteile zerlegt. Die Beschreibung der Arbeitsumgebung wird quasi zerstückelt und in seine einzelnen "Bits" aufgetrennt.

Als Hilfsmittel hat sich hier die Verwendung farbiger Karten bewährt, die eine Zuordnung dieser Bits zu bestimmten Kategorien unterstützen.

Inhaltlich werden folgende Kategorien unterschieden:

- Objekte und Artifakte (welche Beziehungen zwischen ihnen gibt es?).

- Aktionen und Prozesse (wer sind die handelnden Personen, was sind wichtige Zeitelemente, welche Ziele werden verfolgt?).

- Kognitive Aktivitäten, interpretative Aktionen (welche mentalen Konstrukte über Objekte und Aktionen sind vorhanden?)

- Problembereiche (was wird getan, was wird versucht, welche Fehlerquellen gibt es?)

-"Pop-Theories" und Daumenregeln (welche Organisationsprinzipien strukturieren das Objektfeld?).

In der Task Environment Analysis wurden unter den genannten Kategorien entsprechende Schlüsselwörter (Keywords) vom Textzusammenhang isoliert. Hierbei wurden Regeln, Heuristiken sowie chronologische Abläufe berücksichtigt. Mit einem Tool wie dem Factfinder von Macintosh werden diese Keywords nun in einen möglichst vollständigen Zusammenhang mit den gesamten Interviewtexten gebracht. Ergebnis ist ein quasi neu sortierter Text, in dem jetzt kontextbezogene, das heißt Schlüsselwörtern der Domäne zugeordnete Informationen abgefragt werden können. Solche Zusammenstellungen bilden später den Anhang einer Studie zur Proiektdefinition.

Weiterhin werden auf einer Metaebene die Keywords selbst zu Kategorien zusammengefaßt die in der Regel den einzelnen, inhaltlich getrennten Bereichen der Domäne entsprechen. Letztere münden in die Erstellung einer Modulgrobstruktur für das Expertensystem.

Zu den Grundregeln der Erstellung größerer Expertensysteme gehört unbedingt auch das Prinzip weitestgehender Modularisierung. Eine Modularisierung orientiert sich nicht nur an der Größe der einzelnen Module, sondern insbesondere auch an einer inhaltlichen Trennung. Da eine Modulstruktur auch hierarchisch aufgebaut ist, gehört in die Planungsphase eines Projekts natürlich auch der Aufbau der oberen Hierarchien, nämlich einer Modulgrobstruktur. Dieser Aufbau erfordert häufig das erste wirklich kreative Moment in der Planung, da hier die Grundarchitektur des zu erstellenden Systems festgelegt wird.

Als Hilfsmittel dienen die zuvor ermittelten Keywords mit ihren Texten sowie ihre Metakategorien. Softwareseitig kann der Aufbau der Modulgrobstruktur durch Hierarchisierung und grafische Aufbereitung unterstützt werden. Auch dafür gibt es Softwarewerkzeuge.

Nach der Modulstruktur werden die Tools bestimmt

Ausgehend von der grafischen Struktur erfolgt eine Beschreibung der Vorgänge innerhalb der einzelnen Module (Inner-State-Behavior) sowie eine Beschreibung der Vorgänge zwischen den einzelnen Modulen (Inter-State-Behavior). Wie leicht zu erkennen ist, wird hier nach dem Prinzip der State-Machine gearbeitet.

Die in der Requirementstudie festgelegten Schnittstellen können jetzt auf der Basis der Kenntnis um die Modulstruktur detailliert beschrieben werden. Für jedes Modul erfolgt außerdem eine grafische Darstellung seiner Einbettung in andere Programme und Verfahren, sowie der jeweiligen Richtung der Kommunikation.

Sinnvollerweise beginnt man erst an dieser Stelle mit der Auswahl eines geeigneten Tools für die Erstellung des Systems, da erst jetzt die Anforderungen bekannt sind. Trotzdem kommen häufig noch eine ganze Reihe von Werkzeugen in Frage, deren letztendliche Auswahl jeweils einen Kompromiß darstellen würde. Um hier eine für alle Beteiligten zufriedenstellende Lösung zu finden, schlage ich die Delphi-Methode (aus der empirischen Sozialforschung) vor, deren Diskussionsteile eine Entscheidungsfindung unterstützen.

Am Ende der Planung wird der Preis festgelegt

Ein in Expertensystemen erfahrenes Softwarehaus sollte nun in der Lage sein, die Aufwände für die einzelnen Phasen und Module ziemlich genau abschätzen zu können.

Als Ergebnis kann jetzt dem Kunden wahlweise ein Festpreisangebot oder aber die Aufwandschätzung mit Zeitplan vorgelegt werden.

Die Erstellung von Netzplänen für eine "Kritische Pfadanalyse" wird unterstützt durch den Harvard Projekt Manager, einem Werkzeug für das Projektmanagement. Ergebnis ist eine genaue Zeitplanung für die einzelnen Projektphasen und für die beteiligten Personen wie Experten, Knowledge-Engineers, System-Ingenieure. Weiterhin werden hier Meilensteine definiert, die bei der geplanten Errechnung zu einer Phasenentscheidungs-sitzung führen.

Die Definitionsstudie wird Projektgrundlage

Alle bisherigen Ergebnisse und Zwischenschritte sind in die Erstellung der Projektdefinitionsstudie einzubeziehen. Diese ist jetzt verbindliche Grundlage für die folgenden Phasen. Insbesondere die Wissensakquisition kann jetzt als Verfeinerung und

Modulgrobstruktur verstanden werden. Knowledge-Engineering und Implementation werden somit Teil einer professionellen SW-Entwicklung für Expertensysteme.