T1 - Wirtschaftsinformatik
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Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow HTW Berlin, Wirtschaftsinformatik Warum Wissensbasierte Methoden/Systeme/Lösungen? Bedarf an Wissen als Ressource Bedarf an Wissenstechnologie Bedarf an Expertentum in Firmen Bedarf an Kompetenz in Entscheidungen Bedarf an "intelligenten" Maschinen 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 2 "Ein Mensch erhofft sich fromm und still, Dass er einst das kriegt, was er will. Bis er dann doch dem Wahn erliegt Und schließlich das will, was er kriegt." E. Roth: Ein Mensch 1. 2. 2.1. 2.2. 2.3. 3. 3.1. 3.2. 4. 4.1. 4.2. 5. 5.1. 5.2. Historische Entwicklung und Anwendungsgebiete Architektur eines wissensverarbeiterten Systems Wissensrepräsentation Wissensakquisition, Problemlösung Wissensverarbeitung, Suchstrategien Fuzzy – Logik Fuzzy – Mengen Fuzzy – Regeln Neuronale Netze Lernalgorithmen Netztopologien Evolutionäre Algorithmen Genetische Operatoren Anwendungen Methoden der Wissensverarbeitung 29.06.2010 Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 3 1 Prof. Dr. W. Bodrow Begriffsverständnis ? Was ist Intelligenz? Was kennzeichnet Intelligenz? In welchem Umfeld existiert Intelligenz? Gibt es die Theorie und Praxis der Intelligenz? Wie wird Intelligenz künstlich? Können die Maschinen denken? 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 4 Begriffsverständnis = Intelligence is a very general mental capability that, among other things, involves the ability to reason, plan, solve problems, think abstractly, comprehend h d complex l ideas, d learn l quickly kl and d learn from experience. KI befähigt Computer zu Aktivitäten, für die sonst Menschen ihre Intelligenz einsetzen (s. o.). KI ist der Teil der Informatik, der die „Computer smart“ macht. 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 5 Wurzeln der KI Logik, Philosophie, Didaktik, Linguistik, Mathematik, Sprachtheorie, Kognitive Psychologie, Management, Biologie,... Kybernetik, b k Elektronik, l k k Computersysteme, (Spezielle) Computersprachen und -tools,... Kognitionswissenschaftliche Ziele Ingenieurwissenschaftliche Ziele 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 6 2 Prof. Dr. W. Bodrow Startzeichen Karel Capek prägt bereits 1917 den Begriff "Roboter" John von Neumann Neumann'ss MiniMax Theorem McCulloch und Pitts schlagen eine Neuronale Netzwerk- Architektur für intelligente Maschinen vor 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 7 Vor KI (1945 - 1954) Entwicklung der Computer Isaac Asimov veröffentlicht "Ich der Roboter" und beginnt damit eine SF-Reihe über Roboter Shannon schlägt ein Schach-Programm vor A.M.Turing führt den heute nach ihm benannten Test durch, gleichzeitig erscheint sein Buch "Computing Machinery and Intelligence" In Macy findet eine Kybernetik-Konferenz statt 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 8 Acting humanly: Turing Test Turing (1950) "Computing machinery and intelligence": "Can machines think?" Æ "Can machines behave intelligently?" Operational test for intelligent behavior: the Imitation Game Predicted that by 2000, a machine might have a 30% chance of fooling a lay person for 5 minutes Anticipated all major arguments against AI in following 50 years Suggested major components of AI: knowledge, reasoning, language understanding, learning 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 9 3 Prof. Dr. W. Bodrow Geburt (1956) Zunehmende Verfügbarkeit von Computern Newell, Shaw und Simon entwickeln erste KISprache "IPL-11" E t “AI" Erste “AI"- Konferenz K f iin Dartmouth D t th CIA finanziert ein Übersetzungsprogramm Newell, Shaw und Simon entwickeln GPS McCarthy führt die Sprache "LISP" am MIT ein Samuel's Schach-Programm gewinnt Spiele gegen den besten Spieler 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 10 Das Paradigma des allgemeinen Problemlösens: GPS (1957 - 1966) Erster kommerziell eingesetzter Roboter Wiezenbaum stellt am MIT "ELIZA" fertig A. Newell und H. Simon "Human Problem Solving“ H. Simon prophezeit 1985 werden Maschinen alle menschliche Arbeiten verrichten können Buchanan, Feigenbaum und Lederberg beginnen das "DENDRAL"- Expertensystem-Projekt M. Ross Quilian nutzt semantische Netzwerke zur Wissensrepräsentation 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 11 Bau spezialisierter Systeme (1967 - 1972) MACSYMA das erste Produkt der KI (Mathematik) DENDRAL ((Chemie)) MYCIN (Medizin) SHRDLU(Sprachverarbeitung) HEARSAY(Spracheingabe).... Minsky's "A Framework for Representing Knowledge" 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 12 4 Prof. Dr. W. Bodrow Wissensbasierte Systeme (1972 - 1982) In Clarkes und Kubrick's Film "2001" ist zum ersten Mal ein Roboter (HAL) ein Filmstar Heuristik findet immer mehr Einsatz in der KI Einer der Kritiker der KI Hubert Dreyfus wird von Greeblatt's "MacHack" im Schach besiegt Pople und Myers beginnen das Projekt INTERNIST (medizinisches Diagnoseprogramm) Die Programmiersprache "Prolog" wird von Colmerauer entwickelt 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 13 Künstliche Intelligenz wird zum Industriezweig (1982 - 1992) Erste computer-kontrollierter Roboter Cooper&Erlbaum initiieren NESTOR zur Weiterentwicklung der Neuronaler Netzwerke Larry Harris gründet die Artificial Intelligence Corp. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) beginnt ein Forschungsprojekt zur BildErkennung 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 14 Intelligente Lösungen in der Industrie, Wirtschaft und Verwaltung (1992-...) I Roboter der Fa. Kawasaki tötet einen Mechaniker Viele Länder starten Projekte der 5. Generation Lernfähige Systeme werden entwickelt KI-Gesellschaften und -Firmen werden gegründet KI-Industrie setzt über eine Milliarde Dollar um OO-Sprachen werden in der KI verwendet ANSI Common Lisp wird zum ANSI-Standard OOPL 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 15 5 Prof. Dr. W. Bodrow Intelligente Lösungen in der Industrie, Wirtschaft und Verwaltung (1992-...)II Intelligente Lösungen bestimmen die Zukunft ganzer Industriezweige Intelligente (Fuzzy-)Chips in Videokameras, Staubsauger, Kühlschränke, Autos ... Paradigmenwechsel von einer „Orientierung auf Experten“ zur „Orientierung auf Agenten“ Das Projekt „Intelligentes Haus“ Projekte „Intelligente Verwaltung“ 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 16 Umfeld der KI Ingenieurswissenschaften Informatik Biowissenschaften Psychologie KI Kognitionswissenschaft Philosophie Linguistik 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 17 Kerngebiete der KI Lösungen bei kombinatorischen Problemen, Mustererkennung, automatisches Programmieren, Wissensmodellierung, i lli intelligente Unterstützung, U ü Spielprogrammierung, ... Verarbeitung natürlicher Sprache, Bildverstehen, Robotik, Expertensysteme, logisches Problemlösen und Beweisen, maschinelles Lernen 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 18 6 Prof. Dr. W. Bodrow Anwendungsfelder der KI Natürlichsprachliche Systeme Bildverstehende Systeme Wissensbasierte systeme Robotik KI-Werkzeuge KI-Hardware e KI-Programmiermethoden Subsymbolische Verarbeitung Signal-Symbol-Transformation Wissensrepräsentation Wissensverarbeitung -Suchen -Inferieren -Lernen Systemarchitekturen KI-Programmiersprachen MultiAgenten Systeme 29.06.2010 Intelligente Tutorielle Systeme Intelligente HilfeSysteme Intelligente Benutzerschnittstellen Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 19 Künstliche Intelligenz und Informatik Viele der zunächst in der KI entwickelten Ansätze, Werkzeuge und Strategien gehören bereits zur Standard-Domäne der Informatik. Interaktive Programmiersysteme, Agenten, Logikprogrammierung, Rapidprototyping Deduktive DB, Objektsysteme, Massiv-parallele Systeme, Verteilte Architekturen, Helpware Induktives Lernen, Intellimedia, Softcomputing, Benutzermodellierung, 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 20 Zukunft Verteilte Intelligenz Private Intelligenz Humane Intelligenz Rationale Intelligenz Aktive Intelligenz 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 21 7 Prof. Dr. W. Bodrow Künstliche Gesellschaft Basis: Telekommunikation und verteilte Informationshaltung und -verarbeitung (z.B. Client/Server-Systeme) Ziel: Verteilte Künstliche Intelligenz (VKI) Qualitätssprung: vom Experten zu kooperierenden Experten, zum verteilten Problemlösen, zur künstlichen Gesellschaft Weg: Multiagentensysteme 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 22 Probleme mit Agenten Agentendefinitionsproblem Gesellschaftskonstruktionsproblem Mobile Agenten Intelligente g Agenten g Autonome Agenten ... Interaktionsplatz für Agenten Interaktionsprofile Gesellschaftsanwendbarkeitsproblem 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 23 Agenteneigenschaften Handlungsfähig in der Umgebung Autonom im Handeln Zielorientiert und rational Intelligent Sozial mit anderen Agenten ... 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 24 8 Prof. Dr. W. Bodrow Aufbau eines Agentenmodells Umfeld Umfeld Kooperationskomponente Aktorik Kooperationswissen* p Planbasierte Komponente Kommunikation Lokale Pläne* Verhaltensbasierte Komponente Wahrnehmung Verhaltensmuster* Umfeld *-Wissensbasen 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 25 Trends bei KI - Anwendungen Von Technologie zur Problemlösung Von Optimierung der Systementwicklung zur Optimierung der Wertschöpfungskette Von Insellösungen zur Integration in DVLandschaft Von LISP/PROLOG zu Programmiersprachen Von Lösungen auf Spezialrechnern zu PCLösungen 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 26 Merkmale für den Einsatz von KI Grundlegende Anforderungen I Die Problemdomäne ist durch den Gebrauch von Expertenwissen, Einschätzungen und Erfahrung gekennzeichnet. g Konventionelle (algorithmische) Programme können das Problem nicht befriedigend lösen. Es gibt anerkannte Experten, die das Problem gegenwärtig lösen. Die Experten bewältigen die Aufgabe besser als Amateure. 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 27 9 Prof. Dr. W. Bodrow Merkmale für den Einsatz von KI Grundlegende Anforderungen II Expertenwissen wird in zuverlässiger Form nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen. Das fertige Expertensystem lässt signifikanten Nutzen für das Unternehmen erwarten. Unter den möglichen Anwendungsgebieten ist das ausgewählte Problem dasjenige, welches die Gesamtprojektziele unter Berücksichtigung von Projektnutzen und Fehlschlagsrisiko am besten unterstützt. 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 28 Merkmale für den Einsatz von KI Problemtyp Die Aufgabe erfordert vor allem symbolische Verarbeitung. Die Aufgabe verlangt die Anwendung von Heuristiken. In Entscheidungen fließen neben gesicherten Fakten auch vage Informationen ein. Das Ziel ist entweder Forschung und Entwicklung oder eine praktische Anwendung, aber nicht beides. Die Aufgabe ist klar definiert und genau abgegrenzt. Die Aufgabe erfordert Wissen aus nicht sehr vielen Bereichen. 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 29 Merkmale für den Einsatz von KI Der Experte Es gibt einen Experten für die Mitarbeit am Projekt. Der Experte ist glaubwürdig. Der Experte verfügt über umfangreiche Erfahrung. Erfahrung Der Experte vermittelt sein Expertenwissen gut. Der Experte ist kooperativ und bringt Zeit mit. Der Experte kann den größten Teil des erforderlichen Wissen selbst liefern. Falls mehrere Experten benötigt werden, ist einer der "Chefexperte". 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 30 10 Prof. Dr. W. Bodrow Merkmale für den Einsatz von KI Problemgrenzen Die Aufgabe ist weder zu leicht noch zu schwierig. Die für die Aufgabe erforderliche Menge an Wissen ist groß genug, genug um ein wissensbasiertes System zu rechtfertigen. Die Aufgabe ist genügend eng und in sich abgeschlossen. Die Anzahl der wichtigen Konzepte übersteigt nicht mehrere hundert. 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 31 Merkmale für den Einsatz von KI Personal im Anwendungsbereich Das Personal hat realistische Erwartungen. Potentielle Benutzer verstehen, daß das XPS auch Fehler begehen kann. kann Es gibt starke Förderer, u. a. die Manager des Experten. Das höhere Management unterstützt das Vorhaben. Das Anwendungspersonal und die Entwickler sind sich über die Ziele einig und unterstützen das Projekt. Standardabläufe werden nur minimal geändert. Ergebnisse sind nicht politisch sensibel. 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 32 Merkmale für den Einsatz von KI Andere Eigenschaften Das System kann abschnittsweise entwickelt und in Stufen fertiggestellt werden. Die Problemdomäne ist stabil und bereits dokumentiert. Durch WBS entsteht langfristig messbarer Nutzen. Experten sind sich über die "richtigen" Antworten einig. Die Auswirkungen der Entwicklung können geplant werden, Testfälle sind verfügbar. Alternative Lösungen sind gegenwärtig nicht verfügbar. 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 33 11 Prof. Dr. W. Bodrow Intelligente Systeme ? Welche KI-relevanten Änderungen erfolgen derzeit in Informatik? Was nennt man den Computer der 5. Generation? Was bedeutet subsymbolische Verarbeitung? Welche Unterschiede gibt es zwischen Suchen, Inferieren und Lernen? Was kennzeichnet Intelligente Tutorielle Systeme im Vergleich zur Intelligenten Hilfesystemen? Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 29.06.2010 34 Stufen der WBS Intelligente Agenten Autonomie, Mobilität Hilfesysteme Hilf bei Hilfe b i Bedienung B di komplexer k l Systeme S t Assistenzsysteme Unterstützung menschlicher Experten bei der Problemlösung Expertensysteme Problemlösung weitestgehend selbständig 1970 1980 1990 2000 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 29.06.2010 35 Konventionelle Lösung Auftrag Experte Daten Aktionen Resultate Problem 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 36 12 Prof. Dr. W. Bodrow WBS als Beratungssystem WBS Auftrag°,Daten° Aktionen° Auftrag Anwender Daten Aktionen Resultate Problem 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 37 WBS als Aktionssystem Auftrag°,Daten° WBS Auftrag Anwender Aktionen Daten Resultate Problem 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 38 WBS als Dateninterpreter Aktionen° Auftrag WBS Auftrag° g Anwender Daten Resultate Aktionen Problem 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 39 13 Prof. Dr. W. Bodrow Autonomes WBS Auftrag° Auftrag WBS Aktionen Anwender Daten Resultate Problem Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 29.06.2010 40 Merkmale intelligenter Systeme Selbsterklärungsfähigkeit Deduktionsfähigkeit Lernfähigkeit 29.06.2010 Fehlertoleranz Kooperativität Situiertheit Intelligentes System Autonomie Adaptivität Robustheit Selbstoptimierung Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 41 Typen und Einsatzgebiete I Interpretation Sprachverständnis, Identifikation chemischer Strukturen aus Daten und Spektralanalysen, Auffinden von Mineralien oder Erdöl, Interpretation von technischen Daten (FEMErgebnisse) HERSAY, DENDRAL, CONGEN, PROSPEKTOR 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 42 14 Prof. Dr. W. Bodrow Typen und Einsatzgebiete II Selektion, Design, Konstruktion Schaltwerksentwurf, Tragwerksentwurf und konstruktion, F Formelmanipulation, l i l ti Konfiguration/Design von Computern/Robotern, Selektion von Verfahren oder Alternativen, Automatisches Programmieren EL, ICAD, MACSYMA, SACON, R1, XCON, APE, NOAH 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 43 Typen und Einsatzgebiete III Planung, Vorhersage Projektabwicklung, Wegefindung, Verkehrsplanung, Telefonleitungsoptimierung, Finanzierungsplanung, Wettervorhersage, Ernteabschätzung, Militärische Vorhersage, STRIPS, CALLISTO, OP-PLANNER, ACE, SECHS, MOLGEN, WHY, PLANT 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 44 Typen und Einsatzgebiete IV Diagnose, Fehleranalyse und -behebung Medizinische Diagnose (D.), D. elektronischer und/oder mechanischer Bauteile, Analyse von Softwarefehlern, D. von Systemzuständen, Analyse von elektrischen Netzwerken, D. und Reparatur von Kraftfahrzeugen, PUFF, PIP, MYCIN, INTERNIST,CADUCEUS, ARS, MECHO, SACON, APPRENTICE, PECOS 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 45 15 Prof. Dr. W. Bodrow Typen und Einsatzgebiete V Überwachung, Kontrolle, Steuerung Überwachung (Ü.) von AKW, Ü. von Beatmungsgeräten, Ü von Luftverkehr, Ü. L ft k h Ü. der finanziellen Transaktionen, Ü. von Produktionsprozessen, Steuerung von Verfahrensabläufen, Kontrolle über militärische Aktivitäten, VM, NUCLEAR, REACTOR, AIR TRAFFIC, TAX ADVISOR, KNOBS, BATTLE 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow 46 Typen und Einsatzgebiete VI Computerunterstütztes Lernen, Tutoring Medizinische Diagnose, Erklärungen zu CAD-Systemen, Schulung und Training von Mitarbeitern, Mitarbeitern Programmierumgebungen für Softwareentwicklung, Intelligente Schnittstellen für traditionelle Applikationen, GUIDON, SOPHIE, CAD-HELP, PLANNER, KRL, KLONE, KEE, FUZZY, FRL, ILOG 29.06.2010 Methoden der Wissensverarbeitung Prof. Dr. W. Bodrow Methoden der Wissensverarbeitung 47 16