Technical University of Munich, Department of Computer Science
MQM Paper: [Struss 96]

Peter Struss

"Modellierung, qualitative", "Schließen, qualitatives" und "System, modellbasiertes". Drei Artikel im Wörterbuch der Kognitionswissenschaft

In: Wörterbuch der Kognitionswissenschaft (Hrsg.: Gerd Strube), Seiten 408, 606 und 715, Klett-Cotta, Stuttgart, 1996.

Modellierung, qualitative (qualitative modeling)
Formale Beschreibung von Systemverhalten mit Methoden des qualitativen Schließens.

Schließen, qualitatives (qualitative reasoning)
1. Zielsetzung. Q. S. ist ein Teilgebiet von Wissensrepräsentation und Schließen in der Künstlichen Intelligenz. Es zielt auf die Bereitstellung von Formalismen, Sprachen und Systemen (i) für die Darstellung von Wissen über Struktur und Funktionsweise von Systemen und Prozessen sowie (ii) für Inferenzprozesse, die aus dieser Darstellung weitere Ableitungen, vor allem Vorhersagen über deren mögliches Verhalten, gewinnen. Gegenstand sind hauptsächlich physikalische Systeme, aber auch chemische und biologische Prozesse, sowie die Modellierung sozialer und ökonomischer Beziehungen.

Im Vordergrund steht die systematische und formale Repräsentation der für das Verständnis dieses Systemverhaltens wesentlichen Konzepte und Beziehungen. Dies umschließt insbesondere (i) die Identifizierung und Beschreibung der verhaltenskonstitutiven Elemente eines Weltausschnitts und ihrer Interaktion, (ii) Methoden für eine systematische Auswahl und Komposition von Modellen dieser Konstituenten zur Erzeugung komplexer Modelle, (iii) eine Charakterisierung von Systemgrößen und -zuständen, die nur die wesentlichen Unterscheidungen trifft, sowie (iv) eine Analyse der möglichen Übergänge zwischen solchen qualitativen Zuständen.

Es ist durch psychologische Untersuchungen belegt, daß menschliches Verhalten in der physikalischen Umwelt des Alltags sich erfolgreich auf überwiegend qualitative Kenntnisse der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten und der jeweiligen konkreten Situation stützt. Aber auch im Bereich wissenschaftlichen und ingenieurmäßigen Denkens ist ein konzeptuelles, qualitatives Verständnis von Systemzusammenhängen grundlegende Voraussetzung für das Problemlösen.

Qualitativ heißt also mehr als bloß "nicht-numerisch". Vielmehr geht es im Gegensatz zu traditionellen mathematischen und numerischen Modellierungsformalismen um eine konzeptuelle Modellierung. Diese soll explizit machen, was für die Erstellung und Interpretation eines mathematischen Modells notwendige Voraussetzung, aber in ihm nicht repräsentiert ist. Somit wird die Grundlage für eine Formalisierung und Automatisierung des Modellierungsschrittes selbst geschaffen. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für Computersysteme dar, die sich in einem Weltausschnitt intelligent verhalten, d.h. insbesondere neue oder nicht exakt beschriebene Situationen analysieren und auf sie flexibel und effektiv reagieren, und von denen die gewonnenen Ergebnisse und deren Herleitung einem menschlichen Benutzer in natürlicher Weise vermittelt werden können.

2. Grundlegende Methoden und Forschungsprobleme. Die meisten Ansätze des q. S. gehen davon aus, daß sich komplexe Systeme strukturieren lassen und ihr Verhalten sich aus dem der Strukturelemente ableiten läßt (Reduktionismus). Damit sind eine Reihe grundlegender Fragen und Forschungsprobleme aufgeworfen, die im folgenden durch ein Trivialbeispiel einer thermostatgeregelten Heizung eines Wasserbeckens illustriert werden sollen (Abb. 1).

(a) Ontologien: Was ist die wesentliche Eigenart der (elementaren) Konstituenten eines Systems und ihrer Interaktion? (i) Vor allem im technischen Bereich ist es oft natürlich, Komponenten als wesentliche Strukturelemente zu repräsentieren, d. h. abgrenzbare physikalische Objekte. In Abb. 1 setzt sich der elektrische Teil des Systems aus einer Spannungsquelle, zwei Schaltern, einer Spule sowie den verbindenden Drähten zusammen. Aufgrund der gegebenen Konstellation fließt bei geschlossenen Schaltern und geladener Spannungsquelle ein Strom, der in der Spule aufgrund ihres Komponententypus eine Erwärmung bewirkt. (ii) Eine hierzu komplementäre Sichtweise nimmt die Interaktion verschiedener Objekte als Ausgangspunkt der Modellierung. Die Dynamik eines bestimmten Szenarios erwächst daraus, daß die Einflüsse von Prozessen Aktivierungsbedingungen anderer Prozesse herbeiführen oder vernichten können. (iii) In der funktionalen Modellierung wird versucht, die Rolle zu charakterisieren, die Konstituenten im Zusammenhang eines Komplexes spielen (im Hinblick auf zu erklärende Phänomene oder einen intendierten Zweck). Der Thermostatschalter in Abb. 1 hat im gegebenen Kontext die spezielle Funktion, das Uberhitzen des Wassers zu verhindern.

(b) Multiple und kompositionale Modellierung: Hier sind Fragen nach Beziehung, Auswahl und Zusammenfügen verschiedener Modellfragmente aufgeworfen. (i) Multiple Modellierung (multiple modeling) zielt darauf, für eine Konstituente (Komponente, Prozeß etc.) mehrere Modelle bereitzuhalten, die für unterschiedliche Kontexte und Aufgaben geeignet sind. (ii) Kompositionale Modellierung (compositional modeling) behandelt die Frage, wie aus den verfügbaren Modellen der Konstituenten ein kohärentes und der jeweiligen Aufgabenstellung angemessenes Modell eines Gesamtsystems zu erzeugen ist.

(c) Qualitative Verhaltensmodelle: Grundlage hierfür ist, im Hinblick auf eine ausgewählte Menge charakteristischer Variablen und Parameter nur die notwendigen und essentiellen Unterscheidungen zu treffen. Häufig werden deren letztlich als Kontinuum verstandener Wertebereich durch Punkte qualitativen Umschlags zerlegt und die Intervalle zwischen solchen landmarks zu qualitativen Werten zusammengefaßt. Die Wassertemperatur hat z.B. Schmelz- und Siedepunkt als wichtige landmarks. Durch die Einführung qualitativer Werte wird die Modellierung des Systemverhaltens den Methoden symbolischen Schließens (in Abgrenzung zu rein numerischen Verfahren) zugänglich. Die Bestimmung der aufgrund des Modells zulässigen Zustände wird oft durch Anwendung von Constraint-Systemen realisiert.

(d) Verhaltensanalyse: Das dynamische Verhalten eines Systems wird somit beschreibbar als zeitliche Folge von Ubergängen zwischen qualitativen Zuständen. So kann die Heizung (Abb. 1 ) aus dem "Arbeitszustand" über das "Abschalten" in einen inaktiven Zustand übergehen.

3. Methoden. Spezielle Methoden und Techniken wurden insbesondere entwickelt für: (i) Q. S. über zeitliche Beziehungen (uinter Anwendung von Constraint-Techniken auf Intervall- oder Punktrelationen). (ii) Qualitatives räumliches Schließen und Repräsentation topologischer Beziehungen. (iii) Schließen über Mechanismen, ihre Kinematik und Dynamik. (iv) Diagrammatisches Schließen.

4. Realisierung und Anwendung. Obwohl viele der aufgeworfenen Probleme auf theoretischer Ebene untersucht werden müssen und können, sind fast alle geschilderten Ansätze als Werkzeuge und Systeme implementiert worden. In immer stärkerem Maße gehen die Methoden und Komponenten in die Realisierung modellbasierter Systeme ein.

Faltings, B. & Struss, P. (Hg.) (1992). Recent advances in qualitative physics. Cambridge, Mass.: MIT Press.
Montag, M. & Struss, P. (1993) Qualitatives und Modellbasiertes Schließen. In G. Görz (Hg.), Einführung in die Künstliche Intelligenz, (S. 87-128). Bonn: Addison-Wesley.
Weld, D. & de Kleer, J. (1990). Qualitative reasoning about physical systems. San Mateo: Morgan Kaufmann.
 

System, modellbasiertes (model-based system)
M. S. sind wissensbasierte Systeme, die sich bei der Lösung von Problemen auf ein explizites Verhaltensmodell des Gegenstands stützen. So können etwa bei der automatischen Diagnose technischer Systeme aufgrund eines Systemmodells mögliche Ursachen für eine Abweichung des beobachteten vom modellierten Systemverhalten ermittelt werden. Damit grenzen sich m. S. von traditionellen Expertensystemen ab, deren Wissensbasis überwiegend empirisch gewonnene Assoziationen (z. B. zwischen Symptomen und Krankheiten) enthält. Andere Anwendungen liegen im Bereich von Entwurf, Fehler-Effekt-Analyse, Uberwachung und Reparatur technischer Systeme, aber auch von Ausbildungssystemen. Grundlage sind Methoden und Systeme des qualitativen Schließens. Dabei kann sich deren reduktionistischer Ansatz auf die Bausteinstruktur des realen technischen Systems stützen und führt zur Entwicklung von gebietsspezifischen Modellbibliotheken. Die Kompositionalität der Modellierung und ihr qualitativer Charakter helfen dabei, die wichtige Forderung nach wiederverwendbaren Softwarebausteinen zu befriedigen. Perspektivisch sind die dabei entstehenden Modellbibliotheken als ein Medium zur formalisierten, objektivierten und der automatischen Nutzung zugänglichen Repräsentation von wissenschaftlich-technischem Wissen u verstehen.


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created: Jakob Mauss, September 24, 1997, last updated: Jakob Mauss, December 4, 1998