Christopher Lueg und Ralf Scharnetzki (1994).
Konzeption einer Blackboard-Architektur für Prozeßführungsaufgaben unter Echtzeitanforderungen
Diplomarbeit am Fachbereich Informatik der Universität Dortmund, Februar 1994
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Einleitung und Kapitelübersicht

1. Einleitung

Das Thema der Wissenschaft "Künstliche Intelligenz" wird häufig beschrieben als die rechnerbasierte Modellierung von Verhalten, das beim Menschen als intelligent betrachtet wird. Eine der Forschungsrichtungen, der sogenannte Ingenieursansatz, beschäftigt sich mit der Erstellung von Programmen mit dem Ziel, Benutzern geeignetere Arbeitsmittel zur Verfügung zu stellen. Dabei ist es prinzipiell möglich, menschliche Arbeitskräfte zu ersetzen, da Rechner als Werkzeuge in einem Arbeitsprozeß betrachtet werden. Diese dann als "Expertensysteme" bzw. "Wissensbasierte Systeme" bezeichneten Programme bearbeiten spezielle Aufgaben wie z.B. medizinische Diagnose, Situationsbeurteilung technischer Prozesse oder Qualitätsüberwachung von Produktionseinheiten.

In der Prozeßleittechnik haben wachsender Konkurrenzdruck und technischer Fortschritt zu qualitativ neuen Anforderungen auf den übergeordneten Führungsebenen geführt, die zunehmend zu einem Scheitern der klassischen Methoden der Modellierung führen. Zukünftige Anforderungen der Prozeßführung sind unter ausschließlicher Nutzung quantitativen Wissens nicht zu erfüllen, stattdessen ist das gesamte vorhandene Wissen in seinen unterschiedlichen Formen zu artikulieren, zu repräsentieren und zu nutzen. Menschliche Bediener werden in den Leitständen großtechnischer Anlagen wie fossilen und nuklearen Kraftwerken als übergeordnete Instanzen eingesetzt, da ihre qualitativen Entscheidungsvorgänge auf hohem Abstraktionsniveau insbesondere in Situationen, in denen die vorliegenden Informationen unvollständig oder gestört sind, der quantitativen Informationsverarbeitung von Prozeßleitsystemen weit überlegen zu sein scheinen. Diese überlegenheit scheint insbesondere komplexe Großanlagen im Fall unerwarteter Ereignisse oder neuer und noch nicht berücksichtigter Fehler zu betreffen.

Der Betrieb großtechnischer Anlagen kann basierend auf konventioneller Prozeßleittechnik nicht von einzelnen Bedienern aufrecht erhalten werden, so daß das dazu erforderliche umfangreiche Fachwissen auf mehrere entsprechend ausgebildete Personen verteilt ist, die situationsbedingt zusammenarbeiten. Bei dem "Blackboard-Modell" handelt es sich um ein Problemlösungsmodell, das auf der Vorstellung einer Schar von Experten basiert, die durch Zusammenarbeit ein Problem lösen, das sich aufgrund seiner Komplexität der Lösung durch einen einzelnen Experten entzieht. Diese Zusammenarbeit entspricht im übertragenen Sinn der Kooperation des Betriebspersonals in den Leitständen großtechnischer Anlagen.

Die Blackboard-Steuerungsarchitektur betont insbesondere den inhärenten Opportunismus des Blackboard-Modells. Sie gewinnt dadurch eine außerordentlich hohe Flexibilität, die in Verbindung mit dynamisch modifizierbaren Steuerungsplänen die Anpassung des eigenen Problemlösungsverhaltens an sich verändernde Situationen erlaubt. Diese Flexibilität hat dazu geführt, daß die Architektur nicht nur in Gebieten eingesetzt wird, in denen die Dauer des Problemlösens eine nur untergeordnete Rolle spielt, wie z.B. bei der Bestimmung dreidimensionaler Proteinstrukturen mit dem System PROTEAN, sondern inzwischen ebenso in Anwendungsgebieten, in denen die benötigte Zeit eine bedeutende Rolle spielt, wie z.B. bei der Patientenüberwachung oder der überwachung einer Halbleiterfabrik mit dem System GUARDIAN. In diesem Zusammenhang werfen Kritiker der Steuerungsarchitektur vor, daß für ihre Flexibilität ein zu großer Verwaltungsaufwand in Kauf genommen wird.

Die o.g. Kritik an dem aufwendigen Steuerungszyklus der Steuerungsarchitektur motiviert diese Arbeit. Die Eignung der Architektur soll in bezug auf das Anwendungsgebiet Prozeßführung beurteilt und die durch ihre Verwendung entstehenden Vor- und Nachteile herausgestellt werden. Ziel der Arbeit ist es, bestehende Strukturen des Anwendungsgebietes zur Bearbeitung des Steuerungsproblems so zu nutzen, daß durch eine Reduzierung des Steuerungsaufwandes die Eignung der Architektur für das Anwendungsgebiet der technischen Prozeßführung erhöht wird. Die prinzipielle Eignung der Steuerungsarchitektur als Grundlage Wissensbasierter Systeme wird aufgrund der System-Modell-Perspektive beurteilt und die Nutzung der in der Praxis der Prozeßführung gebräuchlichen Orientierung an zu bearbeitenden Aufgaben durch die Aufgabenstruktur-Analyse ermöglicht.

2. Kapitelübersicht

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Kapitel. Kapitel eins stellt die Motivation für diese Arbeit dar, beschreibt ihre Ziele und liefert einen überblick über die einzelnen Kapitel.

Kapitel zwei ordnet Wissensbasierte Systeme bzw. Expertensysteme dem sogenannten Ingenieursansatz innerhalb der Künstlichen Intelligenz zu. Dabei erweist es sich als problematisch, daß für grundlegende Begriffe wie "Intelligenz", "Wissen" oder auch "Wissensrepräsentation" keine eindeutigen und allgemein akzeptierten Definitionen existieren, da sich diese Unklarheit zwangsläufig bei der Beschreibung und Charakterisierung Wissensbasierter Systeme fortsetzt. Versuche, das Problemlösungsverhalten dieser Systeme auf Basis ihrer Implementation in Form von Regelverkettungen o.ä. zu beschreiben, haben sich als nicht adäquat herausgestellt. Aus diesem Grund erfolgt eine Einführung in zwei aktuelle Beschreibungsansätze, die die Beschreibung Wissensbasierter Systeme unabhängig von ihrer konkreten Implementation ermöglichen. Die System-Modell-Perspektive definiert Wissensbasierte Systeme als eine Klasse von Programmen, die relationale Netzwerke zur Repräsentation von Prozessen eines Systems der realen Welt benutzen, um das so modellierte System beispielsweise zu reparieren oder zu steuern. Darauf aufbauend kann jedes Expertensystem als modellbasiert bezeichnet werden, wobei die Modellierung qualitativ erfolgt; die explizite Repräsentation der verwendeten Modelle in Form von Blackboards erweist sich in diesem Kontext als vorteilhaft. Die Aufgabenstruktur-Analyse liefert eine aufgabenorientierte Betrachtungsweise Wissensbasierter Systeme und ermöglicht anhand der elementaren Begriffe " Aufgabe" und " Methode" die rekursive Zerlegung zu bearbeitender Aufgaben in Teilaufgaben. Sie stellt die Begrifflichkeit für die aufgabenorientierte Betrachtung der Steuerungsarchitektur und anderer Blackboard-Architekturen in Kapitel fünf zur Verfügung und liefert die theoretische Grundlage für die Konzeption eines alternativen Steuerungsansatzes in Kapitel sechs.

Das Anwendungsgebiet der technischen Prozeßführung wird in Kapitel drei behandelt. Nach der Klärung grundlegender Begriffe und der Darstellung bestehender Strukturierungsmöglichkeiten wird der Einsatz Wissensbasierter Systeme zur Bearbeitung von Prozeßführungsaufgaben motiviert. Die klassischen Methoden der Modellierung scheitern auf den übergeordneten Führungsebenen zunehmend. Auch der Einsatz menschlicher Bediener, deren qualitativen Entscheidungsvorgänge auf hohem Abstraktionsniveau der quantitativen Informationsverarbeitung von Prozeßleitsystemen insbesondere in Situationen, in denen die vorliegenden Informationen unvollständig oder gestört sind, weit überlegen zu sein scheinen, bringt gravierende Nachteile mit sich. Die Nutzung qualitativer Informationsverarbeitung in der Prozeßleittechnik wird durch den Einsatz Wissensbasierter Systeme ermöglicht, wobei gezeigt wird, daß bestehende hierarchische Strukturen eine aufgabenorientierte Arbeitsweise dieser Systeme unterstützen. Anschließend werden die zu bearbeitenden (Teil)Aufgaben der Prozeßführung untersucht, wobei die Ergebnisse dazu benutzt werden, die Forderung nach Echtzeitfähigkeit bzgl. Wissensbasierter Systeme zu beurteilen. Das Kapitel schließt mit der Zusammenfassung einiger Anforderungen an wissensbasierte Prozeßführungssysteme, die sich aus dem Anwendungsgebiet ergeben.

In Kapitel vier wird das Blackboard-Modell eingeführt und es werden die Vorteile dieses Problemlösungsmodells verdeutlicht. Darauf aufbauend werden einige Operationalisierungen in Form von Steuerungsarchitekturen dargestellt. Im Kontext der Blackboard-Architekturen bearbeitet die Blackboard Steuerungsarchitektur das Steuerungsproblem erstmalig explizit. Die Architektur des GUARDIAN-Systems stellt eine Weiterentwicklung der Blackboard-Steuerungsarchitektur hinsichtlich der Anforderungen dynamisch veränderlicher Anwendungsgebiete dar. Die am Lehrstuhl I der Universität Dortmund entwickelte QBB-Architektur betrachtet alternative, sich gegenseitig ausschließende Wissensquellen als alternative Methoden zur Bearbeitung derselben Aufgabe und behandelt sie dementsprechend in dem Auswahlschritt des Steuerungszyklus gesondert. Anschließend wird die Beschreibungsebene, auf der das Problemlösungsverhalten von Blackboard-Systemen üblicherweise dargestellt wird, anhand einiger Beispiele verdeutlicht.

In Kapitel fünf wird die Eignung der Blackboard-Steuerungsarchitektur im Hinblick auf die Bearbeitung von Prozeßführungsaufgaben beurteilt. Es zeigt sich, daß sie einige grundlegende Eigenschaften aufweist, die für ihre Verwendung als Grundlage eines Wissensbasierten Prozeßführungssystems sprechen. Desweiteren wird deutlich, daß die Steuerungsarchitektur jedoch keine ausreichenden Konzepte bietet, die in dem Anwendungsgebiet mögliche Orientierung an zu bearbeitendenden Aufgaben angemessen umzusetzen und zu nutzen. Anhand einer auf der Aufgabenstruktur-Analyse basierenden aufgabenorientierten Darstellung der Blackboard-Steuerungsarchitektur und anderer Blackboard-Architekturen werden die fehlenden Konzepte verdeutlicht und gleichzeitig die Grundlage für die Konzeption einer aufgabenorientierten Blackboard-Architektur geschaffen, die die kritisierten Punkte vermeidet.

Kapitel sechs beinhaltet eine Darstellung der besonderen Merkmale einer aufgabenorientierten Blackboard-Architektur und den Vergleich einer solchen Architektur mit der Blackboard-Steuerungsarchitektur. Anhand von zwei grundsätzlich zu bearbeitenden Aufgaben wird das elementare Problemlösungsverhalten einer aufgabenorientierten Blackboard-Architektur verdeutlicht und mit Hilfe eines konkreten Beispiels aus der Prozeßführung die Zusammenarbeit verschiedener Aufgaben sowie die problemlose Integration unterschiedlicher Wissensrepräsentationsformen wie z.B. unscharfer Mengen oder Problemlösungsansätze wie beispielsweise Generischer Aufgaben dargestellt. Das Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung der vorliegenden Arbeit und einer Bewertung der erzielten Ergebnisse.

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Christopher Lueg / revised 12/01/97