Alle bis jetzt untersuchten Systeme, inkl. Deep Learning, lassen sich in ihrem Kern auf zwei Methoden zurückführen, die regel- und die korpusbasierte. Dies gilt auch für die bisher nicht besprochenen Systeme, nämlich den einfachen Automaten und die hybriden Systeme. Letztere kombinieren die beiden Herangehensweisen.
Wenn wir diese Varianten integrieren, gelangen wir zur folgenden Übersicht:
A: Regelbasierte Systeme
Regelbasierte Systeme basieren auf Rechenregeln. Bei diesen Regeln handelt es sich immer um ‹IF-THEN› Befehle, also um Anweisungen, die einem bestimmten Input ein bestimmtes Ergebnis zuweisen. Diese Systeme sind immer deterministisch, d.h. ein bestimmter Input führt immer zum gleichen Resultat. Ebenfalls sind diese Systeme immer explizit, d.h. es gibt keine Vorgänge, die nicht sichtbar gemacht werden können und das System ist – mindestens im Prinzip – immer vollständig durchschaubar. Regelbasierte Systeme können allerdings recht komplex werden.
A1: Einfacher Automat (Typ Taschenrechner)
Regeln werden auch als Algorithmen («Algo» in Abb. 1) bezeichnet. Selbstverständlich können mit einfachen Automaten auch sehr komplexe Berechnungen durchgeführt werden und Input und Output (Resultat) müssen nicht Zahlen sein. Der einfache Automat zeichnet sich vor den anderen Systemen dadurch aus, dass er keine spezielle Wissensbasis und keinen Korpus braucht, sondern mit wenigen Rechenregeln auskommt.
Vielleicht würden Sie den Taschenrechner nicht als KI-System bezeichnen, doch die Unterschiede zu den höher entwickelten Systemen bis hin zum Deep Learning sind nur gradueller Natur – bzw. von genau der Art, wie sie hier auf dieser Seite beschrieben werden. Komplexe Rechenleistungen erscheinen uns schnell einmal als intelligent, besonders dann, wenn wir sie mit unseren menschlichen Gehirnen nicht so einfach nachvollziehen können. Das gilt bereits für einfache Rechenoperationen wie Divisionen und Wurzelziehen, bei denen wir schnell an unsere Grenzen stossen. Gesichtserkennung erscheint uns hingegen vergleichsweise einfach, weil wir das meist auch ohne Computer ganz gut können. Übrigens gehört Mühlespielen auch in die Kategorie A1, es braucht zwar eine gewisse Intelligenz, um es zu spielen, aber es ist vollständig und einfach mit einem KI-Programm vom Typ A1 beherrschbar.
A2: Wissensbasiertes System
Diese Systeme unterscheiden sich von einfachen Automaten dadurch, dass ein Teil ihrer Regeln in einer Wissensbasis ausgelagert ist. Abb. 2 weist darauf hin, dass diese Wissensbasis von einem Menschen aufgebaut wird; Abb. 3 zeigt, wie sie angewendet wird. Die Intelligenz steckt in den Regeln, sie kommt vom Menschen – bei der Anwendung reicht dann die Wissensbasis allein.
Die Inferenzmaschine («IM» in Abb. 2 und 3) entspricht den Algorithmen der einfachen Automaten in Abb. 1. Im Prinzip handelt es sich bei den Algorithmen, der Inferenzmaschine und den Regeln der Wissensbasen immer um Regeln, also um explizite ‹IF-THEN›- Anweisungen. Diese können allerdings unterschiedlich komplex verwoben und verschachtelt sein. Sie können sich auf Zahlen oder auf Begriffe beziehen.
Die Regeln in der Wissensbasis sind nun den Regeln der Inferenzmaschine untergeordnet. Letztere kontrollieren den Fluss der Interpretation, d.h. sie entscheiden, welche Regeln der Wissensbasis anzuwenden und wie sie auszuführen sind. Die Regeln der Inferenzmaschine sind das eigentliche Programm, das vom Computer gelesen und ausgeführt wird. Die Regeln der Wissensbasis hingegen werden vom Computer nicht direkt, sondern indirekt über die Anweisungen der Inferenzmaschine ausgeführt. Es handelt sich also um eine Verschachtelung – wie sie im Übrigen typisch für die Befehle (Software) in einem Computer sind. Auch die Regeln der Inferenzmaschine werden ja nicht direkt ausgeführt, sondern von tieferen Regeln gelesen, bis hinunter zur Maschinensprache im Kern (Kernel) des Rechners. Im Prinzip sind aber die Regeln der Wissensbasis genauso Rechenregeln wie die Regeln der Inferenzmaschine, nur eben in einer ‹höheren› Programmiersprache. Diese zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass sie für die Domain-Experten, d.h. für die menschlichen Fachexperten, besonders einfach und sicher les- und handhabbar ist.
Bezüglich des in der Inferenzmaschine verwendeten Logiksystems unterscheiden wir regelbasierte Systeme
– mit statischer Logik (Typ Ontologien / Semantic Web),
– mit dynamischer Logik (Typ Begriffsmoleküle).
Siehe dazu den Beitrag ‹Die drei Neuerung der regelbasierte KI›.
B: Korpusbasierte Systeme
Korpusbasierte Systeme werden in drei Schritten erstellt (Abb. 4). Im ersten Schritt wird ein möglichst grosser Korpus gesammelt. Die Sammlung enthält keine Regeln, sondern Daten. Regeln wären Anweisungen, die Daten des Korpus hingegen sind keine Anweisungen; es handelt sich um reine Datensammlungen, Texte, Bilder, Spielverläufe, etc.
Diese Daten müssen nun – im zweiten Schritt – bewertet werden. In der Regel macht das ein Mensch.
Im dritten Schritt wird ein sogenanntes neuronales Netz auf Basis des bewerteten Korpus trainiert. Das neuronale Netz ist im Gegensatz zum Datenkorpus wieder eine Regelsammlung, wie es die Wissensbasis der regelbasierten Systeme (Typ A) ist. Im Unterschied zu diesen wird das neuronale Netz aber nicht von einem Menschen trainiert, sondern vom bewerteten Korpus. Das neuronale Netz ist – im Gegensatz zur Wissensbasis – nicht explizit, d.h. nicht so ohne Weiteres einsehbar.
Bei der Anwendung kommt das neuronale Netz wie das regelbasierte nun ganz ohne Menschen aus. Es braucht nicht einmal mehr den Korpus. Alles Wissen steckt in den Algorithmen des neuronalen Netzes. Zudem ist das neuronale Netz durchaus in der Lage, auch schlecht strukturierten Inhalt, z.B. Pixelhaufen (Bilder) zu interpretieren, bei denen regelbasierte Systeme (Typ B) ganz schnell an ihre Grenzen stossen. Im Gegensatz zu diesen sind die korpusbasierten Systeme aber weniger erfolgreich, was komplexen Output betrifft, d.h. die Zahl der möglichen Output-Resultate darf nicht zu gross sein, da sonst die Trefferschärfe des Systems leidet. Am besten geeignet sind binäre Outputs vom Typ ‹eigener/fremder Panzer› (siehe Vorbeitrag) oder ‹männlicher/weiblicher Autor› bei der Bewertung von Twitter-Texten.
Drei Untertypen der korpusbasierten KI
Die drei Untertypen unterscheiden sich dadurch, wer die Bewertung des Korpus durchführt.
Abb. 6: Die drei Typen der korpusbasierten Systeme
B1: Typ Mustererkennung
Diesen Typ (oberes System in Abb. 6) habe ich im «Panzerbeispiel» beschrieben. Die Bewertung des Korpus erfolgt dabei durch einen menschlichen Experten.
B2: Typ Suchmaschine
Siehe mittleres Schema in Abb. 6. Bei diesem Typ erfolgt die Bewertung des Korpus durch die Kunden. Ein solches System ist im Beitrag Suchmaschine beschrieben.
B3: Typ Deep Learning
Bei diesem Typ (unterstes System in Abb. 6) ist im Gegensatz zu den oberen kein Mensch nötig, um das neuronale Netz zu bewerten. Die Bewertung ergibt sich allein durch den Spielverlauf. Dass Deep Learning aber nur unter sehr restriktiven Bedingungen möglich ist, wird im Beitrag Spiele und Intelligenz erläutert.
C: Hybride Systeme
Selbstverständlich können die oben genannten Methoden (A1 und A2, B1 bis B3) in der Praxis auch verbunden werden.
So kann z.B. ein System zur Gesichtsidentifikation so funktionieren, dass ein korpusbasiertes System des Typs B1 in den Bildern einer Überwachungskamera Gesichter als solche erkennt und in den Gesichtern die entscheidenden Formen von Augen, Mund usw. Anschliessend errechnet ein regelbasiertes System des Typs A2 aus den von System B1 markierten Punkten die Grössenverhältnisse von Augen, Nasen, Mund etc., die ein individuelles Gesicht auszeichnen. Durch eine solche Kombination von korpus- und regelbasiertem System können auf den Bildern individuelle Gesichter erkannt werden. Der erste Schritt wäre für ein System A2 nicht möglich, der zweite Schritt für ein System B1 viel zu kompliziert und ungenau. Ein Hybrid macht es möglich.
Im Folgebeitrag beantworte ich die Frage, wo in all diesen Systemen nun die Intelligenz steckt. Aber vermutlich haben Sie die Antwort längst selbst erkannt.
Dies ist ein Beitrag zum Thema künstliche Intelligenz.