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01.03.1991 - 

Expertensystem zur Unterstützung der Umweltverträglichkeits-Prüfung

Prototyp: Planungen schnell auf die Stadtökologie abstimmen

Von Lutz Bloos*

Informatiker und Ökologen des Arbeitsbereiches Stadtökologie an der Technischen Universität Hamburg-Harburg haben in den vergangenen Wochen in Zusammenarbeit mit IBM den Prototyp eines Expertensystems fertiggestellt. Es soll die Sachbearbeiter in den Kommunen bei der Durchführung von Umweltverträglichkeits-Prüfungen (UVP) unterstützen.

Ab Mitte dieses Jahres- wird eine Kommune - nach der Auffüllung mit Daten - das "Except" genannte System in einem längeren Test einsetzen. Except ist die Abkürzung für "Expert System for Computer-aided Environmental Planning Tasks".

Seit der zweiten Jahreshälfte 1990 ist die Umweltverträglichkeits-Prüfung in der Bundesrepublik Gesetz. Das bedeutet, daß alle Vorhaben, die die Umwelt beeinflussen können überprüft werden müssen. Dies gilt besonders für industrielle Anlagen und Produktionen, aber auch für ganz gewöhnliche Neubauvorhaben wie Straßen, Brücken, Tunnel, Dämme und den Wohnungsbau. Damit kommt besonders auf die kommunalen Behörden eine Flut von teilweise sehr komplexen Prüfungen zu.

Except soll in zwei Jahren einsatzfähig sein

Doch die Durchführungsbestimmungen sind bisher nicht besonders präzise und geben dem prüfenden Sachbearbeiter in den Behörden keine klaren Richtlinien. Zur Zeit ist er bei der Prüfung von Projekten auf ihre Umweltverträglichkeit auf seine eigenen Kenntnisse von Grenzwerten und gemessenen Daten angewiesen. In vielen Fällen wird er Gesetzes- und Verordnungstexte nachschlagen oder Fachpublikationen zu Rate ziehen müssen, sofern sie ihm überhaupt zur Verfügung stehen. Bewertung und Interpretation kann er dann häufig nur gefühlsmäßig vornehmen.

Dieser unbefriedigende Zustand soll in spätestens zwei Jahren beendet sein, denn erst dann soll - so die Planung das Expertensystem "Except", das unter der Leitung von Professor Jürgen Pietsch an der TU Hamburg-Harburg entwickelt wird, einsatzfähig sein.

Die Software wurde in der Programmiersprache Lisp mit dem Betriebssystem AIX, dem Unix-Derivat von IBM, auf einer 6150-IBM-RT-Workstation entwickelt. Wie Jürgen Pietsch erklärte, ist das Zielgerät Big Blues PS/2-Rechner. Als Arbeitsgrundlage enthält das System eine große Fülle von Daten und Regeln, beispielsweise Schwellenwerte von Schadstoffen und Regeln zu ihrer Bewertung. Der im Projekt arbeitende Informatiker Martin Hübner erläutert, das System werde nicht nur Methoden zur Verfügung stellen, die auch in Papierform nachgelesen werden könnten. Vielmehr solle eine echte Entscheidungsunterstützung geleistet werden, die Verhalten eines menschlichen Experten simuliert.

Das Hauptanwedungsgebiet des Except-Systems ist die Umweltbewertung, also nicht die Beschaffung und Speicherung von Daten, sondern die Hilfestellung bei der Beantwortung der Frage, was die vorliegenden Daten bedeuten. Natürlich sind Datenbanken auch im Umweltbereich sehr hilfreich, stellen aber lediglich Daten wie Grenzwerte und Literaturquellen zur Verfügung. Das Except System führt jedoch nicht nur Bewertungsvorgänge durch, sondern erklärt sie dem Benutzer auch in der Alltagssprache. Dieser Aspekt ist für den Anwender besonders wichtig, denn gerade im Umweltbereich müssen Bewertungen nachvollziehbar und transparent dargestellt werden, da überwiegend DV-Laien mit dem System arbeiten werden. Für sie ist die optimale Benützerfreundlichkeit, die die Entwickler anstreben, das entscheidende Kriterium.

Eine wichtige Funktion besteht in der formal einheitlichen Repräsentation der Bewertungsmethoden. Im Repräsentationsmodell sind die formalen Aspekte der Bewertungsmethode von den inhaltlichen getrennt. Um dein Expertensystem eine Bewertung zu entlocken, muß der Benutzer zunächst sein Bewertungsanliegen formulieren. Er muß also den gewünschten Umweltbereich Luft, Wasser, Boden, Mensch, Vegetation etc.) und zusätzlich die Art der Umweltwahrnehmung wie Vorbelastung, Schutzwürdigkeit oder Empfindlichkeit auswählen. Bereits diese Zweiteilung ermöglicht die Antwort auf eine große Zahl von Fragestellungen, deren konventionelle Beantwortung den Sachbearbeiter viel Zeit kosten würde.

Strukturierung mit Indikatoren

Vorhandene Meß- und Beobachtungsdaten, die der Benutzer eingibt, sind dann die weitere Grundlage für die Arbeit des Systems. Die Strukturierung und Bewertung dieser Daten geschieht mit Hilfe von Indikatoren. Die Indikatoren werden auf das Bewertungsanliegen bezogen, in diesem Falle zum Beispiel auf die Vorbelastung der Gesundheit. Natürlich hat der Bearbeiter mit Dutzenden von Einzelbewertungen, die das System durchführt, keine vernünftige und durchschaubare Entscheidungsgrundlage zur Hand. Deswegen führt das System auf der Basis von Aggregationsregeln eine Gesamtbewertung durch. Die Aggregationsregeln sind beispielsweise Wenn-dann-Regeln, Matrizen oder gewichtete Summen. Diese elementaren Methodenmodule können vom Anwender zum Aufbau beliebig komplexen Bewertungsmethoden verwendet werden.

Except stellt dem Benutzer zwei unterschiedliche Methodentmodule zur Verfügung: Auf einer Grundstufe kann er sogenannte Indikator-Bewertungsmodule anwenden, die einzelne Meßdaten bezogen auf ein Bewertungsanliegen einstufen So erfährt der Benutzer Beispielsweise sofort, daß bestimmten Werten von Schwefeldioxid in der Luft bestimmte Stufen zugeordnet sind. Diese Stufen können zum Beispiel unbelastet, gering belastet, belastet oder hoch belastet sein. In einer dritten Spalte kann der Benutzer ablesen, welche Auswirkungen diese Wertstufen für Menschen, Pflanzen oder Gebäude haben können, je nachdem, welches Bewertungsanliegen angewählt wurden.

Eine höhere Stufe stellen die ordinalen Aggregationsmodule dar. Sie fassen einzelne Indikator-Bewertugen zusammen, reduzieren die Komplexität der Gesamtbewertung und machen sie für den Benutzer übersichtlicher. Der Anwender kann jederzeit auf die niedrigere Ebene zurückgreifen, um Einzelbewertungen für Entscheidungen heranzuziehen, weil der gesamte Vorgang dokumentiert ist. Um die Aggregation für den Benutzer nachvollziehbar zu machen, wurde das Schwergewicht auf ordinale Wertaussagen in der Form von Wenn-dann-Regeln gelegt.

Im Rahmen der Aggregationsmodule wurde diese "Disjunktive Normalform" gewählt, um die Benutzerunterstützung bei der Formulierung und Änderung der Aggregationsregeln so weit wie möglich zu unterstützen. Damit kann das System die benötigte Anzahl an Regeln selbsttätig erzeugen sowie die Änderungen und Neuformulierungen von Regelvorbedingungen mittels eines grafischen" Regeleditors" unterstützen.

Der modulare Aufbau des Systems gestattet es dem Benutzer auch, nette Erkenntnisse der ökologischen Forschung oder abweichende Meinungen von Wissenschaftlern einzugeben und sie sofort für die Arbeit zu nutzen. Für den Anwender in der Praxis ist diese Möglichkeit nicht nur nützlich, sondern geradezu notwendig, damit sein System immer den jeweils aktuellen Stand von Umweltgesetzgebung und -diskussion enthält.

Das System unterstützt die Ableitung von Bewertüngsergebnissen auch bei unvollständigen Daten. Das ist in der Praxis häufig der Fall, denn die Erhebung umweltrelevanter Meßdaten ist gerade in kleinflächigen Bereichen sehr lückenhaft und dürfte es lange Zeit auch bleiben. Ohne diese Lückentoleranz wäre es in vielen Fällen keine Erleichterung für den Sachbearbeiter. Das System minimiert in diesem Fall die zu erlebenden Daten und legt eine Reihenfolge für die Erfassung ergänzender Daten fest.

Zusätzlich verfügt bereits der Prototyp über eine Konfliktlösungsstrategie für den Fall, daß mehrere anwendbare Aggregationsregeln zu unterschiedlichen Bewertungen führen. Ein solcher Fall muß ausgeschlossen sein, um eindeutige und nachvollziehbare Ergebnisse zu erhalten.

Momentan ist es so ausgelegt, daß die Wertstufe für den schlechtesten Umweltzustand gewählt wird. Wenn man so will, ist der Bewertungsmodus in Konfliktfällen auf maximale Umweltschonung programmiert. Die Bewertungsstrategien werden dokumentiert und sollen in einer späteren Version für den Anwender anwählbar sein.

Entscheidungen werden transparent

Der Einsatz des Expertensystems kann bereits in einer sehr frühen Phase hilfreich sein. So ist es bei der Planung neuer Baugebiete mit seiner Hilfe möglich, die gesamte Planung schnell auf ihre Umweltverträglichkeit hin abzuschätzen. Alternativen können entwickelt und ebenfalls geprüft werden. Das Except-System stellt also dem Bearbeiter ein Hilfsmittel für die Umweltverträglichkeits-Prüfung zur Verfügung, das die Arbeit nicht nur leichter und schneller macht. Denn die Dokumentation macht die Entscheidungen transparent und nachvollziehbar, was bei Widersprüchen von Antragstellern oder von den vom Projekt Betroffenen außerordetlich wichtig sein kann.

Die erzeugten Bewertungen erhält der Bearbeiter in normaler natürlicher Sprache und verständlichen Sätzen. Hierbei werden dem Benutzer auch die Quellen genannt, aus denen das System seine Bewertungen ableitet. Das ermöglicht eine Unterscheidung der drei getrennten Wissensbasen für Methoden, Daten und Bewertungen. Die Trennung ermöglicht die Identifikation von Schnittstellen, über die in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase des Systems auch Datenbanken angebunden werden können.

Falls der Anwender während der Bearbeitung nicht weiter weiß, stehen ihm zwei Hilfe-Funktionen zur Verfügung. Die globale Hilfe-Funktion gibt ihm Auskunft auf die Frage, was er tun solle.

Die lokale Hilfsfunktion steht besonders für Auswahlentscheidungen zur Verfügung und beantwortet die Frage: Was geschieht, wenn ... ? Darüber hinaus kann sich der Benutzer jederzeit die Bewertungsmethoden, das Systemverhalten und die abgeleiteten Bewertungen erklären lassen.

Geplant ist außerdem eine maschinelle Dokumentation, die sich an die Bedürfnisse unterschiedlicher UVP-Beteiligter anpassen läßt.

Benutzerfreundlichkeit hätte eine hohe Priorität

Die dialogische Benutzerführung am Bildschirm ist, wie eine

kurze Vorführung zeigte, scheinbar schnell erlernbar. Daß jeder Nutzer nach nur einer Stunde mit dein Except-System umgehen kann, wie Martin Hübner erklärte, ist sicher nicht ganz erst gemeint. Die Benutzerfreundlichkeit hatte jedenfalls für die Entwicklergruppe eine hohe Priorität.

Der Dialog mit dem System ist keineswegs einseitig, wie wir ihn vom üblichen Menü-Dialog her kennen. So stellt das System während der Bearbeitung einer UVP gezielte Fragen nach Meßwerten im Rahmen eines Bewertungsanliegens an den Benutzer. Dieser kann ihn, wenn er den Wert hat, eingeben; er kann aber auch die Antwort verweigern, weitere

Informationen aus dem System abrufen oder fragen, warum das System gerade diesen Wert wissen will. Darauf wird er als Antwort alle Regel-Konjugationen auf den Bildschirm bekommen, die durch eine Antwort auf die Frage falsifiziert oder verifiziert werden können.

Außerdem erläutert das System in diesem Zusammenhang die verwendeten Strategien und Entscheidungsziele.

Natürlich ist die Entwicklung von Except nur eines von vielen Projekten im Umweltbereich. Seit Jahren werden Datenbanken aufgebaut und gepflegt, wird an Umwelt-Informationssystemen gebastelt. Doch fehlt allen vorhandenen Programmen und Datenbanken bisher die wissensbasierte Unterstützung. In diesem Sinne ist das an der TU Hamburg-Harburg entwickelte System sicher erst ein Anfang für den Einsatz von Expertensystemen im Umwelt- und Ökologiebereich,

Um die empfindlichen ökologischen Vernetzungen zu systematisieren, müssen nicht nur die Informatiker viel Arbeit leisten, sondern auch Biologen und Ökologen, die längst noch nicht alle Zusammenhänge aufgedeckt haben.