Abbildungsqualität von wissensbasierten Systemen: eine Methodologie zur Evaluierung
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Bergisch Gladbach u.a.
Eul
1994
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| Series: | Reihe: Wirtschaftsinformatik
13 |
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Inhaltsverzeichnis
Seite
Abbildungsverzeichnis V
Tabellenverzeichnis IX
Abkürzungsverzeichnis XI
1. Wissensbasierte Systeme - Evaluierung als Engpaßfaktor 1
1.1 Defizit und Notwendigkeit: Evaluierung von wissensbasierten Systemen 1
1.2 Vorgehensweise für die Entwicklung einer Methodologie zur
Evaluierung von wissensbasierten Systemen 4
1.3 Eingrenzung des Expertensystembegriffs 6
1.3.1 Definitionen von Expertensystemen 6
1.3.2 Die Definition dieser Arbeit 11
2. Vier Methoden - ein Ziel: Abbildung der Realität 13
2.1 Die Abbildung der Realität als Ziel... 13
2.1.1 ... der empirischen Wirtschafts-und Sozialforschung 13
2.1.2 ... der konventionellen Softwareentwicklung 16
2.1.3 ... der Entwicklung von Computersimulationsmodellen 17
2.1.4 ... der Entwicklung von wissensbasierten Systemen 20
2.2 Qualitätskriterien bei der Abbildung der Realität 24
2.2.1 Qualitätskriterien in der empirischen Wirtschafts- und
Sozialforschung 24
2.2.2 Qualitätskriterien bei der konventionellen Softwareentwicklung 27
2.2.3 Qualitätskriterien bei der Entwicklung von Computersimulations¬
modellen 36
2.2.4 Qualitätskriterien bei der Entwicklung von wissensbasierten
Systemen 40
2.2.4.1 Stand der Forschung 40
2.2.4.2 Übertragung der Qualitätskritererien aus der empirischen
Wirtschafts- und Sozialforschung auf wissensbasiene
Systeme 43
2.3 Verfahren zur Sicherung der Abbildungsqualität 47
2.3.1 Verfahren in der empirischen Wirtschafts-und Sozialforschung 47
2.3.1.1 Verfahren zur Sicherung der Objektivität 48
2.3.1.2 Verfahren zur Sicherung der Reliabilität 49
2.3.1.3 Verfahren zur Sicherung der Validität 51
2.3.2 Verfahren bei der konventionellen Softwareentwicklung 56
2.3.2.1 Konstruktive Maßnahmen zur Qualitätssicherung 57
2.3.2.2 Analytische Maßnahmen zur Qualitätssicherung 59
2.3.3 Verfahren bei der Entwicklung von Computersimulationsmodellen 65
2.3.3.1 Verfahren zur Sicherung der Objektivität 66
2.3.3.2 Verfahren zur Sicherung der Reliabilität und Validität 66
2.3.3.3 Verfahren zur Sicherung der pragmatischen Gültigkeit 70
2.3.4 Verfahren bei der Entwicklung von wissensbasierten Systemen 71
2.3.4.1 Stand der Forschung 71
-II-
Seite
2.3.4.2 Verfahren zur Sicherung der Objektivität, Reliabilität und
Validität von wissensbasierten Systemen 81
2.3.4.2.1 Verfahren zur Sicherung der Objektivität 83
2.3.4.2.2 Verfahren zur Sicherung der Reliabilität 87
2.3.4.2.3 Verfahren zur Sicherung der Validität 93
3. Evaluierung von wissensbasierten Systemen - Ansatzpunkte einer 109
Methodologie
3.1 Ein grober Bezugsrahmen 109
3.2 Allgemeine Einflußfaktoren 111
3.2.1 Aufgabenklassen 111
3.2.2 Wissensarten 115
3.2.3 Art des Problembereichs 117
3.2.4 Größe der Wissensbasis 118
3.3 Entwicklung von wissensbasierten Systemen 119
3.3.1 Entwicklungsmethodologien 119
3.3.1.1 Entwicklungsmethodologien für wissensbasierte Systeme 119
3.3.1.2 Evaluierung im Entwicklungsverlauf 130
3.3.2 Wissensquellen 133
3.3.3 Wissensakquisitionsmefhoden 134
3.3.3.1 Abgrenzung der Wissensakquisition 135
3.3.3.2 Systematik der Wissensakquisitionsmefhoden 135
3.3.3.3 Wissensakquisitionswerkzeuge 144
3.3.3.4 Abbildungsqualität der Wissensakquisitionsmethoden und
-Werkzeuge 148
3.4 Evaluierung von wissensbasierten Systemen 159
3.4.1 Allgemeine Validierungsaspekte 159
3.4.1.1 Validierungsgegenstand 159
3.4.1.2 Definition von Korrektheit 160
3.4.1.3 Vergleichsbasis für die Validierung 160
3.4.1.4 Validitätsniveau 162
3.4.1.5 Testfälle 162
3.4.1.6 Konsequenzen von Fehlentscheidungen 162
3.4.2 Sicherung der Objektivität, Reliabilität und Validität von
wissensbasierten Systemen 163
4. Entwicklung und Evaluierung von wissensbasierten Systemen - Eine
empirische Untersuchung 164
4.1 Zielsetzung und Untersuchungsdesign 164
4.2 Evaluierung in der Praxis - Eine Literaturanalyse 165
4.2.1 Zielsetzung 165
4.2.2 Evaluierungsberichte und-verfahren im Überblick 166
4.2.3 Einige Evaluierungsbeispiele 177
4.2.3.1 Die Evaluierung von MYCIN 177
4.2.3.2 Die Evaluierung von Prospector 183
4.2.3.3 Die Evaluierung von DISPLAN 187
- III -
Seite
4.2.3.4 Die Evaluierung von Rl 190
4.2.3.5 Die Evaluierung von MEDIA 191
4.2.4 Erkenntnisse aus der Literaturanalyse 193
4.3 Intensivinterviews 194
4.3.1 Aufbau der Untersuchung 194
4.3.1.1 Zielsetzung 194
4.3.1.2 Behandelte Fragestellungen 194
4.3.1.3 Interviewpartner 194
4.3.1.4 Beschreibung der Stichprobe 195
4.3.2 Ergebnisse der Intensivinterviews 195
4.3.2.1 Entwicklung der wissensbasierten Systeme 195
4.3.2.2 Evaluierung der wissensbasierten Systeme 196
4.3.2.3 Methodische Ergebnisse 197
4.4 Halbstrukturierte Interviews 197
4.4.1 Aufbau der Untersuchung 197
4.4.1.1 Zielsetzung 197
4.4.1.2 Interviewleitfaden 197
4.4.1.3 Auswahl der Interviewpartner 198
4.4.1.4 Erhebung, Dokumentation und Auswertung der Daten 199
4.4.1.5 Beschreibung der Stichprobe 199
4.4.2 Ergebnisse der Interviews 201
4.4.2.1 Wissensarten und Entwicklung der wissensbasierten
Systeme 201
4.4.2.2 Sicherung der Objektivität 202
4.4.2.3 Sicherung der Reliabilität 203
4.4.2.4 Sicherung der Validität 204
4.4.2.5 Methodische Ergebnisse 206
4.5 Schriftliche Befragung 207
4.5.1 Aufbau der Untersuchung 207
4.5.1.1 Zielsetzung 207
4.5.1.2 Aktualisierter Bezugsrahmen 208
4.5.1.3 Entwicklung des Fragebogens 213
4.5.1.4 Adressenakquisition 214
4.5.1.5 Erhebung, Dokumentation und Auswertung der Daten 215
4.5.2 Allgemeine Einflußfaktoren - Beschreibung der Stichprobe 2 In
4.5.2.1 Aufgaben und Problembereiche der wissensbasienen
Systeme 216
4.5.2.2 Branchen der wissensbasierten Systeme 220
4.5.2.3 Anderwendertyp und Nutzungssituation 221
4.5.2.4 Funktion der Befragten und ihrer Firma bzw. Institution 223
4.5.3 Entwicklung von wissensbasierten Systemen 227
4.5.3.1 Entwicklungsstadium und Entwicklungsabsicht 227
4.5.3.2 Wissensquellen 228
4.5.3.3 Wissensakquisitionsmethoden 231
4.5.3.4 Abbildungsqualität der Wissensakquisitionsmethoden 234
4.5.3.5 Wissensmodelle 235
4.5.4 Evaluierung von wissensbasierten Systemen 236
4.5.4.1 Allgemeine Validierungsaspekte 236
4.5.4.2 Sicherung der Objektivität 247
4.5.4.3 Sicherung der Reliabilität 260
4.5.4.4 Sicherung der Validität 262
-IV-
Seite
4.5.5 Evaluierung in der Praxis - Ein Fazit 278
4.5.5.1 Zusammenfassung und Bewertung der Befunde 278
4.5.5.2 Methodische Ergebnisse 291
4.5.6 Anmerkungen zur Abbildungsqualität der empirischen
Untersuchung 292
4.5.6.1 Objektivität 292
4.5.6.2 Reliabilität 293
4.5.6.3 Validität 295
5. Vorschlag einer Methodologie zur Evaluierung von wissensbasierten
Systemen 297
5.1 Eine Entwicklungsmethodologie unter Berücksichtigung von
Evaluierungsaspekten - Evaluierungsorientiertes Prototyping 297
5.2 Kriterien für die Auswahl von Wissensakquisitioas- und
Validierungsverfahren 302
5.2.1 Kriterien für die Auswahl von Wissensakquisitionsmethoden 302
5.2.2 Kriterien für die Auswahl von Validierungsverfahren 307
5.3 Regeln für eine Vorgehensweise im Rahmen des Evaluierungs-
orientierten Prototyping 310
5.3.1 Allgemeine Regeln 310
5.3.2 Regeln für die Evaluierung während der Systemerstellung 311
5.3.3 Regeln für die Evaluierung des fertiggestellten Systems 321
5.3.4 Regeln für die Wartung 323
5.4 Evaluierung von wissensbasierten Systemen in der Zukunft 325
Anhang 1: Interviewleitfaden für die halbstrukturierten Interviews 327
Anhang 2: Fragebogen für die schriftliche Befragung 333
Anhang 3: Problembereiche der Expertensysteme 347
Anhang 4: Tabellarischer Anhang 361
Literaturverzeichnis 387
- V-
Abbildungsverzeichnis
Seite
Abbildung 1.3.-1: Abgrenzung zwischen Expertensystemen und konventioneller
Software (Zusammenfassung der wesentlichen Unterschiede) 7
Abbildung 1.3.-2: Abgrenzung zwischen menschlicher und küastlicher Expertise
(Vor-und Nachteile) 8
Abbildung 1.3.-3: Charakteristika von Expertensystemen 9
Abbildung 2.1.-1: Abbildungsstufen der Explorationsstrategie empirischer Forschung 14
Abbildung 2.1.-2: Zwischenschritte des Übergangs von einem Problem der realen
Welt zu einem Programm 16
Abbildung 2.1 .-3: Der Abbildungsprozeß in der Computersimulation 19
Abbildung 2.1 .-4: Der Abbildungsprozeß bei der Entwicklung von Expenensystemen 21
Abbildung 2.2.-1: Wirkungskette zwischen den Gütekriterien 26
Abbildung 2.2.-2: Qualitätsmerkmale für Softwareprodukte 28
Abbildung 2.2.-3: Der Baum der Software-Qualitätsmerkmale von Boehm et al. 29
Abbildung 2.2.-4: Das SPARDAT-Modell von Wallmüller 30
Abbildung 2.2.-5: Das Waterfall Model nach Royce 1970 32
Abbildung 2.2.-6: Das Waterfall Model von Boehm 33
Abbildung 2.2.-7: Das Konzept von Metz 38
Abbildung 2.2.-8: Gütekriterien der empirischen Wirtschafts- und Sozialforschung
und ihre Übertragung auf wisseasbasierte Systeme 44
Abbildung 2.3.-1: Verfahren zur Gütesicherung in der empirischen Wirtschafts¬
und Sozialforschung 48
Abbildung 2.3.-2: Maßnahmen zur Qualitätssicherung in der konventionellen Soft¬
wareentwicklung 57
Abbildung 2.3.-3: Testaufgaben im Entwicklungsprozeß 62
Abbildung 2.3.-4: Verfahren zur Sicherung der Reliahilität und Validität von
Computersimulationsmodellen 67
Abbildung 2.3.-5: Evaluierungsansätze 73
Abbildung 2.3.-6: Quellen der Verfahren zur Sicherung der Objektivität. Reliahilität
und Validität von wissensbasierten Systemen 82
-VI-
Seite
Abbildung 2.3.-7: Validierungverfahren während der Systemerstellung und beim
fertiggestellten System 107
Abbildung 3.1.-1: Bezugsrahmen zur Evaluierung von wissensbasierten Systemen 111
Abbildung 3.2.-1: Aufgabenklassen von Expertensystemen nach Hayes-Roth et al. 112
Abbildung 3.2.-2: Aufgabenklassen von Expertensystemen nach Mertens et al. 113
Abbildung 3.2.-3: Gegenüberstellung der Aufgabenklassen nach Hayes-Roth et al.
und Mertens et al. 114
Abbildung 3.3.-1: Entwicklungsmethodologien für wissensbasierte Systeme 120
Abbildung 3.3.-2: Entwicklung eines Wissenssystems nach Harmon, King 121
Abbildung 3.3.-3: Die Entwicklungsmethodologie für Expertensysteme nach
Buchanan et al. 122
Abbildung 3.3.-4: Ablaufmodell einer Expertensystem-Entwicklung nach Kurbel 124
Abbildung 3.3.-5: Das Expert System Engineering nach König und Behrendt 127
Abbildung 3.3.-6: Die Wissensebenen von KADS 129
Abbildung 3.3.-7: Modellierungsstadien in KADS 130
Abbildung 3.3.-8: Wissensakquisitionsmethoden 136
Abbildung 3.3.-9: Wissensakquisitionswerkzeuge 145
Abbildung 3.3.-10: Die KRITON-Architektur 146
Abbildung 4.1.-1: Untersuchungsdesign zur Entwicklung und Evaluierung von
wissensbasierten Systemen 165
Abbildung 4.2.-1: Diagnosesysteme und ihre Evaluierung 168
Abbildung 4.2.-2: Planungssysteme und ihre Evaluierung 172
Abbildung 4.2.-3: Konfigurationssysteme und ihre Evaluierung 174
Abbildung 4.2.-4: Systeme zur Selektion und Interpretation und ihre Evaluierung 175
Abbildung 4.2.-5: Ein Kontrollsystem und seine Evaluierung 176
Abbildung 4.2.-6: Vergleich der MYCIN-Ergebnisse mit individuellen Experten 179
Abbildung 4.2.-7: Vergleich der MYCIN-Ergebnisse mit der Mehrheit der Experten 179
Abbildung 4.2.-8: Auswertung der MYCIN-Evaluierung (Meningitis) 182
-VII-
Seite
Abbildung 4.5.-1: Ausgang und Rücklauf der Fragebogenaktion 215
Abbildung 4.5.-2: Aufgaben der wissensbasierten Systeme 217
Abbildung 4.5.-3: Branchen der wissensbasierten Systeme 220
Abbildung 4.5.-4: Anwendertyp 221
Abbildung 4.5.-5: Systemnutzer 222
Abbildung 4.5.-6: Funktion der Befragten 224
Abbildung 4.5.-7: Funktion der Firma/Institution 226
Abbildung 4.5.-8: Entwicklungsstadien 227
Abbildung 4.5.-9: Wissensquellen 228
Abbildung 4.5.-10: Wissensakquisitionsmethoden 232
Abbildung 4.5.-11: Validierungsgegenstand und Definition von Korrektheil
(Richtigkeit) 236
Abbildung 4.5.-12: Experten bei der Validierung des fertiggestellten Systems 238
Abbildung 4.5.-13: Testfälle während der Systemerstellung und beim fertig¬
gestellten System 241
Abbildung 4.5.-14: Beurteilung der Konsequenz falscher Ergebnisse des Experten¬
systems 246
Abbildung 4.5.-15: Größe der Wissensingenieur-Teams 247
Abbildung 4.5.-16: Maßnahmen zur Erhöhung der Verständlichkeit der Systeme für
die Anwender 250
Abbildung 4.5.-17: Ausgestaltung der Erklärungskomponente 257
Abbildung 4.5.-18: Nutzer der Erklärungskomponente 258
Abbildung 4.5.-19: Probleme in der Zusammenarbeit zwischen Wissensingenieur
und Experte 260
Abbildung 4.5.-20: Validierungsverfahren während der Systemerstellung und
beim fertiggestellten System (Mehrfachnennungen) 264
Abbildung 4.5.-21: Validierungsverfahren 271
Abbildung 4.5.-22: Entwicklungszeit 275
- VIII -
Seite
Abbildung 4.5.-23: Validierungzeit des fertiggestellten Systems 276
Abbildung 4.5.-24: Beurteilung der Maßnahmen und Verfahren zur Sicherung der
Abbildungsqualität 290
Abbildung 5.1.-1: Evaluierungsorientiertes Prototyping 299
Abbildung 5.2.-1: Phasen der Wissensakquisition 303
Abbildung 5.2.-2: Wissensakquisitionsmethoden in Abhängigkeit von der
Erhebungsphase 304
Abbildung 5.2.-3: Einordnung von Wissensakquisitionmethoden nach den
pragmatischen Gesichtspunkten Motivation, Kompetenz
und Erfahrung des Experten 305
Abbildung 5.2.-4: Persönlichkeitsorientierte Einordnung von Wissensak¬
quisitionsmethoden 306
-IX-
Tabellenverzeichnis
Seite
Tabelle 4.4.-1: Branchen der wissensbasierten Systeme 200
Tabelle 4.4.-2: Aufgabenklassen der wissensbasierten Systeme 200
Tabelle 4.5.-1: Mehrfachnennungen der Aufgabenklassen 218
Tabelle 4.5.-2: Branche und Aufgabe 219
Tabelle 4.5.-3: Anwender und Nutzungssituation 223
Tabelle 4.5.-4: Mehrfachnennungen der Funktionen 225
Tabelle 4.5.-5: Absicht der Entwicklung 228
Tabelle 4.5.-6: Mehrfachnennungen der Wissensakquisitionsmethoden 233
Tabelle 4.5.-7: Schriftliche Wissensabbildung 235
Tabelle 4.5.-8: Mehrfachnennungen der Validierungsgegenstände 237
Tabelle 4.5.-9: Validitätsniveaus 239
Tabelle 4.5.-10: Entwicklungsabsicht und Testfallzahlen 242
Tabelle 4.5.-11: Konsequenz eines falschen Systemergebnisses und Testfallzahlen 243
Tabelle 4.5.-12: Realitätsbezug der Testfälle 244
Tabelle 4.5.-13: Auswahl der Testfälle 245
Tabelle 4.5.-14: Gründe für die Beurteilung der Konsequenz falscher Ergebnisse 246
Tabelle 4.5.-15: Probleme in der Zusammenarbeit zwischen den Wissensingenicuren 248
Tabelle 4.5.-16: Probleme mit der Integration des Wissens mehrerer Experten 249
Tabelle 4.5.-17: Wissensingenieure während der Systemerstellung und beim fertig¬
gestellten System 250
Tabelle 4.5.-IX: Experten während der Systemerstellung und beim fertiggestellten
System 251
Tabelle 4.5.-19: Identität von Testfällen während der Systemerstellung und beim
fertiggestellten System 252
Tabelle 4.5.-20: Einsatz eines Wissensakquisitionswerkzeugs 253
Tabelle 4.5.-21: Vorgaben für die Wissensakquisition 254
Tabelle 4.5.-22: Vorgaben für die Wissensrepräsentation 255
Tabelle 4.5.-23: Nutzer der Erklärungskomponente und ihre Ausgestaltung 258
-X-
Tabelle 4.5.-24: Probleme bei der Wissensmodellumsetzung 261
Tabelle 4.5.-25: Überprüfung der Konsistenz und Vollständigkeit der Wissensbasis 262
Tabelle 4.5.-26: Mehrfachnennungen der Validierungsverfahren während der
Systemerstellung 267
Tabelle 4.5.-27: Mehrfachnennungen der Validierungsverfahren beim fertig¬
gestellten System 268
Tabelle 4.5.-28: Validierungsverfahren und festgelegte Testfälle während der
Systemerstellung 273
Tabelle 4.5.-29: Validierungsverfahren und festgelegte Testfälle beim fertig¬
gestellten System 273
Tabelle 4.5.-30: Quantitative Validierung 274
Tabelle 4.5.-31: Entwicklungsabsicht und Validierungszeit 277
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