Table Of ContentUwe Arnold, Dieter Bungers, Thomas Hemmann,
Reinhard Honert und Ralf Otterpohl
Anforderungen an Expertensysteme fur den
Gewasserschutz
Bedarfsanalyse, System konzept und Machbarkeitsstudie
Uwe Amold, Dieter Bungen,
Thomas Hemmann, Reinhard Honert
und Ralf OHerpohl
Anforderungen an
Expertensysteme fiir
den Gewiisserschulz
Bedarfsanalyse, Systemkonzept und
Machbarkeitsstudie
Hrsg. von Gerhard Rouve, Max Dohmann,
Fritz-Georg Rohde und Dieter Bungers
I.\n DeutscherUniversitatsVerlag
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GABLER 'VIEWEG ·WESTDEUTSCHER VERLAG
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Anforderungen an Expertensysteme fOr den Gewasserschutz:
Bedorfsonolyse, Systemkonzept und Mochbarkeitsstudie / Uwe
Arnold ... Hrsg. von Gerhard Rouve ... - Wiesbaden : Dt.
Univ.-Verl., 1991
(DUV : Informatik)
ISBN-13: 978-3-8244-2017-9 e-ISBN-13: 978-3-322-85366-0
001: 10.1007/978-3-322-85366-0
NE: Amold, Uwe; Rouve, Gerhard [Hrsg.l
Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministers
fur Forschung und Te chnologie unter dem Forderkennzeichen 02WA8932 gefordert. Die
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arbeitung in elektronischen Systemen.
Expertensysteme fOr den Gewasserschutz RWTH Be inl7ovation
Vorwort
Der Gewasserschutz zahlt zu den lebenswichtigsten Aufgaben wasserwirtschaftlicher
Planungs- und Verwaltungsinstitutionen. Bereits jetzt stOBt die Erhaltung der Gewas
serlandschaften als hochwertige natOrliche Lebensraume und die Sicherung der
Trink- und Brauchwasserversorgung unserer Industrie-Gesellschaft auf erhebliche
Probleme. FOr die nahe Zukunft wird ein Anstieg dieser Probleme in bisher unbe
kannte GroBenordnungen prognostiziert. Diesen Bedrohungen muB mit wirksamen
SchutzmaBnahmen begegnet werden. 1m Bereich des Gewasserschutzes bedeutet
dies: Aktivierung und Nutzung aller verfOgbaren technischen, institutionellen und per
sonellen Resourcen. Eine der verfOgbaren und bisher weitgehend noch nicht fUr den
Gewasserschutz genutzten technischen Resourcen besteht in der neuartigen Compu
tertechnik der Wissensverarbeitung, einem Teilaspekt von Techniken der sog. Kunst
lichen Intelligenz.
Die Fachterminologie, die in diesem mittlerweile weltweit anerkannten Forschungs
und Technologiebereich benutzt wird, fUhrt nicht selten beim Adressaten, dem poten
tiellen Anwender, zu spontaner Skepsis. Begriffe wie "KOnstliche Intelligenz", "Wis
sensverarbeitende Systeme" und "Expertensysteme" erwecken Assoziationen an
"denkende Maschinen mit eigenem MaschinenbewuBtsein". Ein derartiger Anspruch
ware jedoch weder technisch realistisch (zumindest heute) noch meiner Ansicht nach
ethisch vertretbar. Viel eher handelt es sich bei der hier betrachteten Computertechnik
urn hochentwickelte Methoden und Systeme fUr eine automatische Informationsverar
beitung, die mit Hilfe konventioneller Computertechnik (automatische Datenverarbei
tung: ADV bzw. EDV) nicht oder nur mit unvergleichlich hoherem Aufwand zu errei
chen ware.
Diese neuartige Technik simuliert Vorgehensweisen im Computer, fUr die der Mensch
auf Wissen zurOckgreifen und dieses Wissen verarbeiten muB, daher die Bezeich
nungen: "wissensbasierte" bzw. "wissensverarbeitende" Systeme (engl.: "knowledge
based systems'~. Wissensverarbeitende Systeme mOssen also in der Lage sein, ab
gesehen von einfachen Daten auch komplexere Informationsstrukturen, d.h. Fakten,
Zusammenhange, Beziehungen zwischen Ursache und Wirkung und sprachliche Be
griffsstrukturen zu handhaben. Dennoch bleibt hierbei der EinfluB des Menschen ent
scheidend, denn von ihm stammt das Eingabematerial: das Wissen, das es zu verar
beiten gilt.
GegenOber konventionellen DV-Systemen zeichnen sich wissensbasierte Systeme
durch eine wesentlich hOhere Flexibilitat im Umgang mit veranderlichen Wissenskom
ponenten, Heuristiken, unvollstandigen oder vagen Informationen und rein sprachlich
erfaBbaren Grundlagen fUr die Entscheidungsfindung aus. Gerade diese nicht scharf
zu quantifizierenden Informationen sind haufig mangels abgesicherter Daten oder
exakter Berechnungsmethoden entscheidend fUr Problemlosungen in der Praxis.
v
RWTH & inl?ovation Expertensysteme fUr den GewCisserschutz
Seit Beginn der 80'er Jahre gelangen sog. wissensbasierte Systeme (z.B. Experten
systeme) zunehmend in den praktischen Einsatz -vornehmlich in den Gebieten: Infor
mationstechnik, Medizin, Chemie, Finanzwesen, Maschinenbau uSW. 1m Bereich was
serwirtschaftlicher Probleme sind jedoch bis heute nur wenige erfolgreiche Anwen
dungen der Wissensverarbeitungstechnologie bekannt. Der Grund hierfur mag darin
bestehen, daB algorithmische Methoden (z.B. statistische Verfahren, mathematisch
numerische Modelle) im Wasserwesen fOr viele Arbeitsbereiche ein unverzichtbares
Hilfsmittel darstellen und daB Problemgebiete, in denen ausschlieBlich mit Heuristi
ken gearbeitet werden kann, hier nur selten zu finden sind. Mit sHindig wachsender
Komplexitat und Vielschichtigkeit der Problemstellungen stiegen jedoch auch in der
Wasserwirtschaft die Anforderungen an entscheidungsunterstutzende Computerwerk
zeuge und ihre Einsatzfunktionalitat. Vor diesem Hintergrund entstand vor einigen
Jahren in mehreren Institutionen der ForschungsfOrderung die Motivation, die Tech
niken der Wissensverarbeitung fOr das Anwendungsgebiet "Wasserwirtschaft" und
hier besonders fOr den Gewasserschutz nachhaltig zu erschlieBen.
Auf Anregung der Senatskommission fOr Wasserforschung der Deutschen For
schungsgemeinschaft (DFG) hat das Bundesministerium fur Forschung und Techno
logie (BMFT) daher Anfang 1989 das nachfolgend beschriebene Verbundforschungs
projekt begonnen, das als Vorstudie fOr spater zu spezifizierende Forschungs- und
Entwicklungsvorhaben konzipiert war. Diese Vorstudie diente der Bedarfsermittlung
und Machbarkeitsprufung fOr wissensbasierte Systeme und Techniken im Anwen
dungsfeld "Gewasserschutz". Aus praktischen Grunden wurde im Titel des For
schungsvorhabens der mittlerweile relativ verbreitete Begriff "Expertensysteme" ein
gesetzt, obwohl es sich hierbei streng genom men nur um eine Teilmenge der Einsatz
moglichkeiten wissensbasierter Systeme handelt.
Die interdisziplinare Zusammenarbeit im Verbundforschungsprojekt hat sich bewahrt
und kann fOr nachfolgende Arbeiten, insbesondere auf dem Gebiet der Entwicklung
und EinfOhrung neuartiger Computertechniken in der Wasserwirtschaft, empfohlen
werden. Aile Bearbeiter des Forschungsprojekts danken den beteiligten Mitarbeitern
des BMFT und der Projekttragerschaft Wassertechnologie im Kernforschungszentrum
Karlsruhe (PTWT) fOr das freundliche Zusammenwirken. Besonderer Dank gebuhrt all
denen, die das Forschungsprojekt durch ihre freiwillige Teilnahme an der Umfrage
und den Interviews entscheidend unterstUtzten.
An dieser Stelle mochte ich Herrn Dr.-Ing. Uwe Arnold, Oberingenieur des Instituts fOr
Wasserbau und Wasserwirtschaft, meinen besonderen Dank und meine Anerken
nung fOr die erfolgreiche K09rdination und DurchfOhrung des Projekts sowie fOr die
Erstellung und redaktionelle Uberarbeitung des Berichts aussprechen. Das Aufgreifen
der Thematik, die konzeptionelle Vorarbeit und wesentliche Teile der Projektergeb
nisse sind eindeutig auf das Engagement und die Beitrage von Dr. Arnold zuruck
zufOhren.
Aachen, im Juli 1990 G. Rouve
VI
Expertensysteme fOr den Gewasserschutz RWTH & int1ovotion
Kurzfassung
Der vorliegende Bericht ist das Ergebnis eines Verbundforschungsprojekts dreier
Institute der RWTH Aachen und der Firma Infovation in Bonn. Das Projekt wurde yom
Bundesministerium fOr Forschung und Technologie angeregt und gefordert. Das Ziel
des Projektes bestand darin, speziell im Arbeitsfeld "Gewasserschutz" Einsatzberei
che fOr die sinnvolle Integration wissensbasierter Systeme (WBS) und Systemkompo
nenten in die wasserwirtschaftliche Planungs- und Verwaltungspraxis zu identifizie
ren. Hieraus sollten Empfehlungen fOr einen effizienten und praxisorientierten For
schungsverbund abgeleitet werden. Zum Arbeitsprogramm des Projekts gehOrten
eine systematische Bedarfs- und Machbarkeitsanalyse, die Entwicklung eines taxono
mischen Rahmens zur Festlegung einheitlicher Fachbegriffe und die Erarbeitung
eines computertechnischen Grundkonzepts, das die anwendungsspezifischen Anfor
derungen erfOllt, und weitestgehend auf marktverfOgbaren Komponenten aufbaut.
FOr die Bedarfsanalyse wurden in einer breit angelegten Umfrage ca. 2000 Fragebo
gen verschickt. Zusatzlich fanden 30 detaillierte Interviews mit Vertretern von BehOr
den, Wasserverbanden, Ingenieur- und Industriefirmen sowie Forschungsinstitutionen
statt. Dank einer aul3ergewohnlich guten ROcksendequote (> 15%) der Frageb.9gen
und der in den Interviews gewonnenen Detailinformationen konnte ein guter Uber
blick Ober die in der Wasserwirtschaft eingesetzten DV-Techniken, Ober haufig auftre
tende Probleme in der wasserwirtschaftlichen Praxis und Ober die Einschatzung mog
licher WBS-Einsatzbereiche durch Anwender erlangt werden. Als Ergebnis der Inter
views wurden mehr als 30 potentielle Einsatzszenarien identifiziert. Drei dieser poten
tiellen Einsatzgebiete wurden als besonders erfolgversprechend und thematisch eng
zusammenhangend beurteilt und daher als Pilot-Szenarien fOr die detailliertere
Untersuchung ausgewahlt.
Haufig genannte Anforderungen potentieller WBS-Benutzer im Arbeitsgebiet "Gewas
serschutz" lauten: diese Werkzeuge sollten wirtschaftlich sein, d.h. nicht "Oberladen",
ausbaufahig und untereinander kompatibel, vor allem aber integrierbar in das be
wahrte EDV-Instrumentarium der Wasserwirtschaft. Die Entwicklung dieser Computer
werkzeuge sollte daher weitestgehend koordiniert werden konnen. Um hierfOr eine
gemeinsame Basis zu schaffen, sieht das im Rahmen des Projekts entwickelte tech
nische Losungskonzept (Sollkonzept) eine generische Wissensbasis fOr wasserwirt
schaftliche Problemstellungen vor. Diese externe Wissensbasis soli objektorientierte
Reprasentationen wasserwirtschaftlicher Begriffe sowie deren logischer BezOge ent
halten und fOr die Entwicklung anwendungsspezifischer WBS zur VerfOgung stellen.
1m Hinblick auf die Integrierbarkeit in die vorhandene EDV-"Welt" der Wasserwirt
schaft werden darOber hinaus objektorientierte Losungsansatze fOr die Kopplung von
wissensbasierten Systemkomponenten, einem Geoinformationssystem (GIS), einer
interaktiv-graphischen Systemoberflache und externen Datenbanken verfolgt. Die
technische und organisatorische Machbarkeit des Sollkonzepts wurde am Beispiel
der ausgewahlten Pilot-Szenarien geprOft und auf der Grundlage verfOgbarer com
putertechnischer Erzeugnisse konkretisiert.
VII
RWTH & inl1ovation Expertensysteme fOr den GewQsserschutz
Abstract
This report is the result of a joint research project between Aachen University of Tech
nology and the software consulting company Infovation in Bonn. The project was in
itiated and funded by the Department of Research and Technology of the German Fe
deral Government. The main goal was to identify domains of high application potential
for knowledge based systems (KBS) in water resources planning and management
for the benefit of water resources protection. For this purpose, a rigorous demand and
feasibility analysis had to be carried out. In addition, one of the project goals consisted
in the development of an effective and flexible framework for the standardization of
technical terms and of the information structure in water resources disciplines. Finally,
based upon the findings of the demand and feasibility analysis, a basic system con
cept (hardware and software) for fulfilling the requirements of the application domain
had to be outlined. If possible, existing resources and commercially available products
had to be given preference in this procedure.
To analyse the demand for knowledge based systems in the water resources field,
about 2000 questionnaires were distributed, and 30 in-depth interviews were carried
out. Both actions addressed to representatives of official authorities, water agencies,
engineering and industrial companies, and research institutions. The distributed
questionnaire had an extraordinarily high response rate (> 15%). Due to this fact, a
first comprehensive view could be achieved of the state of computer application, of
frequently occurring problems and of the attitude towards knowledge processing
technology among practitioning engineers. The interviews lead to the identification of
more than thirty possible application scenarios. Three of those being considered both
most promising and thematically interrelated were chosen as pilot-scenarios for more
detailed investigations.
Common user requirements for knowledge based systems in the domain of water re
sources protection are: these tools should be economical, i.e. not "overloaded", ex
tendable, compatible among each others, and, above all, capable of being integrated
into the existing and well established computational instrumentarium. Therefore, the
creation of water resources KBS should be coordinated by means of a common deve
lopment basis. Taking this into account, the basic system concept, as outlined during
the project, features a generic knowledge base for water resources problems. This
external knowledge base contains and structures object-oriented representations for
general water resources entities and their interrelations. The generic knowledge base
can serve as a common development platform for application and problem specific
knowledge processing tools. Moreover, with respect to the requirements of full inte
gration into the conventional data processing world, an object-oriented approach was
chosen for the linkage of a GIS, an interactive graphics user environment, an object
oriented data base corresponding with frame-based KBS-components. The feasibility
of the system concept was investigated in relation to the pilot-scenarios. Some avai
lable product configurations were discussed with respect to their possible suitability.
VIII
Inhalt
Inhaltsverzeichnis
VOIWOrt ............................................................................................................................... v
Kurzfassung, Abstract ...............................................................................................V II
1 Obersicht zum Projekt. ...................................................................1
1.1 Einleitung, Begriffskonventionen ...................................................................... 1
1.2 Aufgabenstellung ................................................................................................. 4
1.3 Losungsansatze, Zielkonzept ............................................................................ 6
1.4 Ergebnisse .......................................................................................................... 12
1.4.1 Ergebnisse der Systemanalyse ........................................................ 12
1.4.2 Ergebnisse der Bedarfsanalyse ........................................................ 13
1.4.3 Einsatzszenarien ................................................................................. 14
1.4.4 Ergebnisse der Systemkonzept-Entwicklung ................................. 15
1.4.5 Ergebnisse der Machbarkeitsanalyse ............................................. 16
1.5 Organisatorischer Rahmen .............................................................................. 17
2 Stand der Forschung und Technik ........................................... 1 9
2.1 Grundlagen der Wissensverarbeitung ........................................................... 19
2.1.1 Prozedurale und wissensbasierte Systeme ................................... 19
2.1.2 Wissensreprasentationsarten ............................................................ 21
2.1.3 Inferenzmechanismen ........................................................................ 30
2.1.4 Verarbeitung unsicheren Wissens ................................................... 31
2.2 Funktion und Anwendung von Expertensystemen ...................................... 35
2.2.1 Funktionsweise .................................................................................... 35
2.2.2 Analyse-Systeme ................................................................................. 37
2.2.3 Synthese-Systeme .............................................................................. 37
2.2.4 Planungs-Systeme .............................................................................. 38
2.2.5 Wissens-/Datenmanagement ............................................................ 38
2.3 Wissensbasierte Systeme im Umweltbereich .............................................. 39
2.3.1 Oberflachenwasser ............................................................................. 41
2.3.2 Grundwasser ........................................................................................ 45
2.3.3 Abwasser, Klaranlagen, Ver-und Entsorgungsnetze .................. .46
IX
RWTH & inlfovation Expertensysteme fOr den Gewasserschutz
2.3.4 Boden und Abfall ................................................................................. 49
2.3.5 Stoffe. GefahrgOter .............................................................................. 51
2.3.6 Obergreifende und sonstige Anwendungen .................................. 53
2.3.7 Zusammenfassung der Literaturauswertung ................................. 58
3 Systemanalyse ............................................................................. 61
3.1 Begriffswelt. Taxonomie und Informationsanalyse ...................................... 61
3.2 Taxonomischer Rahmen .................................................................................. 62
3.2.1 Grundlegende Oberbegriffe .............................................................. 62
3.2.2 Probleme der Begriffsvereinheitlichung .......................................... 64
3.3 Vom Datenmodell zurWissensstruktur .......................................................... 71
3.4 Logische Schnittstelle zu externen Datenbanken ....................................... 76
4 Bedarfsanalyse ............................................................................. 81
4.1 Umfrage ............................................................................................................... 81
4.1 .1 Zielsetzung ........................................................................................... 81
4.1.2 Fragebogen .......................................................................................... 82
4.1.3 DurchfOhrung der Umfrage ................................................................ 83
4.1.4 Auswertung der Fragebogen ............................................................ 85
4.1.5 Ergebnisse der Umfrage .................................................................... 86
4.2 Interviews .......................................................................................................... 1 02
4.2.1 Zielsetzung ......................................................................................... 1 02
4.2.2 Zielgruppen ........................................................................................ 102
4.2.3 DurchfOhrung der Interviews ........................................................... 104
4.2.4 Allgemeine Ergebnisse der Interviews .......................................... 1 07
5 Einsatzszenarien ........................................................................1 11
5.1 Obersicht und Klassifikation .......................................................................... 111
5.2 Darstellung der einzelnen Szenarien .......................................................... 116
6 Auswahl von Pilot-Anwendungen ............................................ 159
6.1 Kriterien zur Beurteilung der Einsatzmoglichkeit wissensbasierter
Systeme in praktischen Anwendungen ....................................................... 159
6.1.1 Vorbemerkung ................................................................................... 159
6.1.2 Beurteilungskriterien ......................................................................... 160
x
Inhalt
6.2 Pilot-Anwendungen .........................................................................................1 64
6.2.1 Wissensbasierte Nutzung von Umwelt-Datenbanken ................ 165
6.2.2 Wissensbasierte GewasserOberwachung und
Storfallbearbeitung ............................................................................ 171
6.2.3 Wissensbasiertes Storfallmanagement auf Klaranlagen ........... 176
7 Sollkonzept ................................................................................. 183
7.1 Obersicht.. ..........................................................................................................1 83
7.2 Anforderungen an die generische Wissensbasis ...................................... 184
7.2.1 Aufbau und Management der generischen Wissensbasis
("Wissensmanagement") .................................................................. 184
7.2.2 Konsequenzen fOr die Funktionalitat und die
Implementation ................................................................................... 186
7.3 Anforderungen aus den WBS-Pilot-Anwendungen .................................. 187
7.3.1 Wissensbasierte Nutzung von Umweltdatenbanken .................. 187
7.3.2 Wissensbasierte GewasserOberwachung und
Storfallbearbeitung ............................................................................ 189
7.3.3 Wissensbasiertes Storfallmanagement auf Klaranlagen ........... 192
7.4 Architekturkonzept fOr das Gesamtsystem WIGIS ...................................... 193
7.5 Adaquatheit der WBS-Technologie fOr WIGIS ........................................... 194
7.6 Anforderungen an die Entwicklungs-und Ablaufplattform ....................... 197
8 Machbarkeitsanalyse ................................................................ 199
8.1 Generische Wissensbasis .............................................................................. 199
8.2 Pilotanwendungen ...........................................................................................2 04
8.3 Hardware-/Software-Plattform fOr WIG IS ..................................................... 206
8.3.1 Entwicklung und Betrieb der generischen Wissensbasis .......... 207
8.3.2 Entwicklung und Betrieb der Expertensystem-
Anwendungen ....................................................................................2 08
8.3.3 Benutzeroberflachen ......................................................................... 211
8.3.4 Beispiel-Plattformen und -Werkzeuge fOr WIGIS ......................... 213
8.4 Ergebnis der methodisch/technischen Machbarkeitsanalyse ................. 213
8.4.1 WIGIS als "Intelligent Database" ..................................................... 213
8.4.2 Konsequenzen fOr die technologische Zielsetzung und fOr
die Machbarkeit von WIGIS ............................................................. 214
XI
