Kaiserslautern - Fachbereich Informatik
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Faculty / Organisational entity
Im Bereich der Expertensysteme ist das Problemlösen auf der Basis von Fallbeispielen ein derzeit sehr aktuelles Thema. Da sich sehr unterschiedliche Fachgebiete und Disziplinen hiermit auseinandersetzen, existiert allerdings eine entsprechende Vielfalt an Begriffen und Sichten auf fallbasiertes Problemlösen. In diesem Beitrag werden wir einige für das fallbasierte Problemlösen wichtige Begriffe präzisieren bzw. begriffliche Zusammenhänge aufdecken. Die dabei verfolgte Leitlinie ist weniger die, ein vollständiges Begriffsgebäude zu entwickeln, sondern einen ersten Schritt in Richtung eines einfachen Beschreibungsrahmens zu gehen, um damit den Vergleich verschiedener Ansätze und Systeme zu ermöglichen. Auf dieser Basis wird dann der derzeitige Stand der Forschung am Beispiel konkreter Systeme zur fallbasierten Diagnose dargelegt. Den Abschluss bildet eine Darstellung bislang offener Fragen und interessanter Forschungsziele.
Fallbasiertes Schliessen ist ein derzeit viel diskutierter Problemlösesansatz. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung von Expertensystemen (einen ersten Schritt in diese Richtung stellte bereits der Beitrag von Bartsch-Spörl, [BS87] dar). Dazu stellen wir die dem fallbasierten Schliessen zugrundeliegenden Mechanismen vor. Ergänzt wird dies durch den Vergleich mit alternativen Verfahren wie z.B. regelbasiertes, analoges und induktives Schliessen sowie eine ausführliche Literaturübersicht.
Die Realisierung zunehmend komplexer Softwareprojekte erfordert das direkte und indirekteZusammenwirken einer immer größer werdenden Zahl von Personen. Die dafür benötigte Infrastrukturist mit der zunehmenden globalen Rechner-Vernetzung bereits vorhanden, doch wird ihr Potential vonherkömmlichen Werkzeugen in der Regel bei weitem nicht ausgeschöpft. Das in diesem Artikelvorgestellte Rahmenmodell für Softwareentwicklung wurde explizit im Hinblick auf die globaleKooperation von Entwicklern entworfen. WebMake, eine auf diesem Modell basierende Software-entwicklungsumgebung, adressiert das Ziel seiner Einsetzbarkeit im globalen Maßstab durch dieVerwendung des World-Wide Web als Datenspeicherungs- und Kommunikationsinfrastruktur.
Der Trend zu einer immer stärkeren Kopplung von Systemen bei gleichzeitiger Dezentralisierung durch Vernetzung hat dazu geführt, daß Computernutzern auf Wunsch enorme Datenmengen zur Verfügung stehen, die sich einer sinnvollen Bearbeitung durch den Nutzer allein völlig entziehen. Unterschiedliche Repräsentationsformalismen für Informationen, Mehrdeutigkeiten, Redundanz sowie eingeschränkte Verfügbarkeit sowohl von Informationen als auch von Rechenleistung machen konventionelle Suchverfahren unanwendbar. Stattdessen werden Suchverfahren und Programme benötigt, die sich intelligent an unterschiedliche Formalismen anpassen, ihre Handlungen ständig evaluieren und fähig sind, ihre Benutzer individuell zu unterstützen. Schlagwörter wie Knowbots, Search-Engines oder Data-Miningsind deshalb zur Zeit in aller Munde. Ein umfassendes Buch, das die hinter diesen und ähnlichen Schlagwörtern verborgenen Ideen und Konzepte präsentiert, existiert jedoch zur Zeit noch nicht. Dies war für uns die Motivation, das Thema "Intelligente Suche im Internet mit Lernenden Systemen" in einem Seminar zu behandeln. Wir haben damit ein Forschungsgebiet aufgegriffen, das sowohl für alle am LSA beteiligten Gruppen von Interesse ist, aber darüber hinaus aktuell von vielen Seiten aufmerksam beobachtet wird. Daher haben wir uns entschlossen, die Ausarbeitungen, die im Rahmen dieses Seminars von den TeilmehmerInnen erstellt wurden, durch den vorliegenden Bericht einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich zu machen.
Bei der Erstellung komplexer Software spielt die Wiederverwendung vorhandener Programmbestandteile eine besonders grosse Rolle, da hierdurch sowohl die Software-Qualität gesteigert, als auch der gesamte Erstellungsund Wartungsaufwand erheblich reduziert werden kann. In jüngster Zeit gewinnen objektorientierte Programmiersprachen zunehmend an Bedeutung, da die Wiederverwendung hierbei bereits durch Sprachkonzepte wie z.B. Vererbung und Polymorphie unterstützt wird. Weiterhin besteht jedoch das Problem, zur Wiederverwendung geeignete Programmbestandteile aufzufinden. Ziel dieser Arbeit ist es herauszufinden, inwieweit fallbasiertes Schliessen nach dem aktuellen Stand der Kunst die Wiederverwendung objektorientierter Software unt erstützen kann. Hierzu wurde eine entsprechende Anwendung prototypisch auf der Basis des INRECA-Systems entwickelt. Durch ausgewählte Testsituationen wurden Erfahrungen mit diesem Prototyp gesammelt und systematisch ausgewertet.
Lernen von Abstraktionshierarchien zur Optimierung der Auswahl von maschinell abstrahierten Plänen
(1994)
Mit Hilfe von "Multistrategy" Ansätzen, die erklärungsbasiertes und induktives Lernen integrieren, ist es möglich, die Performanz von Planungssystemen signifikant zu verbessern. Dabei können gelöste Planungsprobleme zunächst mit einem wissensintensiven Verfahren abstrahiert und generalisiert werden. Durch den in diesem Beitrag im Vordergrund stehenden induktiven inkrementellen Lernalgorithmus ist es dann weiterhin möglich, die Gesamtheit des deduktiv generierten Wissens in einer Abstraktionshierarchie anzuordnen. Dabei wird die, im allgemeinen unentscheidbare, "spezieller-als-Relation" zwischen generalisierten Plänen, induktiv aus den gegebenen Planungsfällen gelernt. Diese Abstraktionshierarchie dient dann zur Klassifikation neuer Problemstellungen und damit zur Bestimmung einer speziellsten anwendbaren abstrakten Problemlösung.
In der aktuellen technologischen Entwicklung spielen verteilte eingebettete Echtzeitsysteme eine immer zentralere Rolle und werden zunehmend zum Träger von Innovationen. Durch den hiermit verbundenen steigenden Funktionsumfang der verteilten Echtzeitsysteme und deren zunehmenden Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten stellt die Entwicklung solcher Systeme eine immer größere Herausforderung dar. Hierbei handelt es sich einerseits um Herausforderungen bezogen auf die Kommunikation hinsichtlich Echtzeitfähigkeit und effizienter Bandbreitennutzung, andererseits werden geeignete Methoden benötigt, um den Entwicklungsprozess solcher komplexen Systeme durch Tests und Evaluationen zu unterstützen und zu begleiten. Die hier vorgestellte Arbeit adressiert diese beiden Aspekte und ist entsprechend in zwei Teile untergliedert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kommunikationslösungen, um den gestiegenen Kommunikationsanforderungen begegnen zu können. So erfordert die Nutzung verteilter Echtzeitsysteme im Kontext sicherheitsrelevanter Aufgaben den Einsatz zeitgetriggerter Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, deterministische Garantien bezüglich der Echtzeitfähigkeit zu gewähren. Diese klassischen auf exklusiven Reservierungen basierenden Ansätze sind jedoch gerade bei (seltenen) sporadischen Nachrichten sehr ineffizient in Bezug auf die Nutzung der Bandbreite.
Das in dieser Arbeit verwendete Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling (modusbasierte Kommunikation) ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bandbreitennutzung zeitgetriggerter Kommunikation, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit. Um dies zu ermöglichen, erlaubt Mode-Based Scheduling einen kontrollierten, slotbasierten Wettbewerb, welcher durch eine schnelle Modussignalisierung (Fast Mode-Signaling) aufgelöst wird. Im Zuge dieser Arbeit werden verschiedene robuste, zuverlässige und vor allem deterministische Realisierungen von Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling auf Basis existierender drahtgebundener Kommunikationsprotokolle (TTCAN und FlexRay) vorgestellt sowie Konzepte präsentiert, welche eine einfache Integration in weitere Kommunikationstechnologien (wie drahtlose Ad-Hoc-Netze) ermöglichen.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich nicht nur auf Kommunikationsaspekte, sondern stellt einen Ansatz vor, den Entwicklungsprozess verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme durch kontinuierliche Tests und Evaluationen in allen Entwicklungsphasen zu unterstützen und zu begleiten. Das im Kontext des Innovationszentrums für Applied Systems Modeling mitentwickelte und erweiterte FERAL (ein Framework für die Kopplung spezialisierter Simulatoren) bietet eine ideale Ausgangsbasis für das Virtual Prototyping komplexer verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme und ermöglicht Tests und Evaluationen der Systeme in einer realistisch simulierten Umgebung. Die entwickelten Simulatoren für aktuelle Kommunikationstechnologien ermöglichen hierbei realistische Simulationen der Interaktionen innerhalb des verteilten Systems. Durch die Unterstützung von Simulationssystemen mit Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen kann FERAL in allen Entwicklungsphasen eingesetzt werden. Anhand einer Fallstudie wird gezeigt, wie FERAL verwendet werden kann, um ein Simulationssystem zusammen mit den zu realisierenden Komponenten schrittweise zu verfeinern. Auf diese Weise steht während jeder Entwicklungsphase ein ausführbares Simulationssystem für Tests zur Verfügung. Die entwickelten Konzepte und Simulatoren für FERAL ermöglichen es, Designalternativen zu evaluieren und die Wahl einer Kommunikationstechnologie durch die Ergebnisse von Simulationen zu stützen.