Methoden wissensbasierter Systeme: Grundlagen, Algorithmen, Anwendungen

545 Pages·2014·1.78 MB·German

by  Christoph Beierle

Computational Intelligence
Herausgegeben von
Wolfgang Bibel, Scheidegg
Rudolf Kruse, Otto-von Guericke-Universität Magdeburg
Bernhard Nebel, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Christoph Beierle • Gabriele Kern-Isberner
Methoden wissensbasierter
Systeme
Grundlagen, Algorithmen, Anwendungen
5., überarbeitete und erweiterte Aufl age
Christoph Beierle Gabriele Kern-Isberner
Fakultät für Mathematik und Informatik Fakultät für Informatik
FernUniversität Hagen TU Dortmund
Hagen, Deutschland Dortmund, Deutschland
ISBN 978-3-8348-1896-6 ISBN 978-3-8348-2300-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-2300-7
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f¨ur
Christian
vii
Vorwort zur 1. Auflage
Die Frage nach Notwendigkeit und M¨oglichkeiten der Ku¨nstlichen Intelligenz (KI)
wirddurchwissensbasierteSysteme inpragmatischerFormbeantwortet.Ungez¨ahl-
te intelligente Computersysteme sind weltweit im Einsatz, wobei die Spanne von
autonom agierenden Robotern u¨ber entscheidungsunterstu¨tzende Systeme bis hin
zu intelligenten Assistenten reicht. Ungeachtet ihrer vielf¨altigen Erscheinungsfor-
men und Anwendungsgebiete haben alle wissensbasierten Systeme eine gemeinsa-
me Kernstruktur, n¨amlich Wissensbasis und Inferenzkomponente – Wissen muss
ad¨aquat dargestellt und verarbeitet werden, und die Behandlung dieses zentralen
Problems steht auch im Mittelpunkt dieses Buches. Hier steht eine breite Palette
anMethodenzurVerfu¨gung,undwirwerdeneineReihe wichtigerRepr¨asentations-
und Inferenzformen vorstellen, auf ihre spezifischen Eigenheiten eingehen, St¨arken
und Schw¨achen aufzeigen und m¨ogliche Anwendungsgebiete durch Beispiele illu-
strieren. Auf diese Weise wollen wir ein grundlegendes und kritisches Verst¨andnis
fu¨r die Arbeitsweise wissensbasierter Systeme vermitteln, das fu¨r Implementierer
und Wissensingenieure wichtige Voraussetzung fu¨r ihre Arbeit ist, von dem aber
auch der “einfache” Benutzer profitiert.
Immer noch wird das allgemeine Bild wissensbasierter Systeme gepr¨agt von
hochfliegendenErwartungenundunterschwelligenA¨ngsten.Dabeizeigendiebishe-
rigenErfahrungenganzdeutlich,dassdieVorstellungeinesgeneral problem solvers,
also einer allwissenden und omnipotenten Maschine, unrealistisch ist, und auch
Expertensysteme konnten kompetente Fachleute nicht verdr¨angen. Intuition und
Kreativit¨at,zweiherausragendeLeistungenmenschlichenDenkens,lassensichnicht
einfach implementieren. In einem begrenzten und klar definierten Aufgabenbereich
k¨onnenintelligente Computersysteme jedoch wertvolleHilfe leisten und vonwirkli-
chem Nutzen sein. Dabei wuchs in den letzten Jahren stetig das Interesse an inter-
aktionsfreudigen Systemen, die menschliche und maschinelle F¨ahigkeiten geschickt
kombinieren. Auch im Hinblick auf eine solche aktive Einbeziehung des Benutzers
ist es wichtig, Wissensrepr¨asentationund Inferenz verst¨andlich und transparent zu
gestalten und die Vorzu¨ge ebenso wie die Grenzen der gew¨ahlten Methoden genau
zu kennen.
Neben der Perspektive m¨oglichen wirtschaftlichen Nutzens erkl¨art sicherlich
auchdie Faszination,die von der Besch¨aftigungmit menschlicher und maschineller
Intelligenz ausgeht, das besondere Interesse an wissensbasierten Systemen.
Nach einer allgemeinen Einfu¨hrung in das Gebiet der wissensbasierten Syste-
me gehen wir auf Fragen der Wissensrepr¨asentation und Inferenz (mit schwer-
punktm¨aßigerBehandlungder klassischenLogiken)ein.Regelbasierte Systeme sind
sozusagen die Grundform eines wissensbasierten Systems und werden daher in ei-
nem eigenen Kapitel behandelt. Maschinelles Lernen ist ein Teilgebiet, das gerade
in letzter Zeit mit Anwendungen im Bereich des Data Mining an Bedeutung ge-
wonnen hat. Eine Alternative zur regelbasierten Wissensrepr¨asentation bietet das
inju¨ngsterZeitebenfallsrechterfolgreichefallbasierteSchließen(case-based reason-
viii Vorwort zur 1. Auflage
ing). Das Planen von Handlungsabl¨aufen ist insbesondere fu¨r autonom agierende
Agenten unerl¨aßlich.
Von den meisten Systemen erwartet man zufriedenstellendes Verhalten auch
bei unvollst¨andiger Information. Dies fu¨hrt auf das Problem des nichtmonotonen
Schließens, mit dem oft der Begriff der Default- oder Standard-Regel verbunden
wird. Zur flexiblen Anpassung an sich ver¨andernde Umgebungen werden insbeson-
dere truth maintenance-Verfahren ben¨otigt. Ganz andere M¨oglichkeiten bieten die
quantitativen Verfahren. Hier stellen wir unter anderem die Methode der Bayes-
schen Netze vor, die gerade in den letzten Jahren im Bereich des probabilistischen
Schließens neue, effiziente M¨oglichkeitener¨offnetund invielenAnwendungen,etwa
in der Medizin oder in Steuerungssystemen, große Bedeutung erlangt hat.
Das Buch pr¨asentiert damit ein breites Spektrum anspruchsvollerAns¨atze zur
Wissensrepr¨asentationundInferenz.Der gemeinsameBezugspunktallervorgestell-
tenMethodenisteinelogikbasierteVorgehensweise. Dabeiwurdedurchg¨angigeine
vollst¨andigeundmodulareDarstellunggew¨ahlt,sodassdasBuch,dassichanLeser
mit Grundkenntnisseninder Informatik richtet,zum Studium einer grundlegenden
und umfassenden Methodik der Wissensrepr¨asentationund Inferenz ebenso einl¨adt
wie zum Erlernen einzelner Methoden.
DerLehrbuchcharakterdesBuches,dassichsowohlzumSelbststudiumalsauch
alsGrundlageoderBegleittextzueinerentsprechendenVorlesungeignet,wirdauch
dadurch unterstu¨tzt, dass jedes Kapitel des Buches eine Reihe von Selbsttestaufga-
ben enth¨alt. Diese Aufgaben sind an den Stellen im Text eingebettet, an denen der
Leser sie beim Studium des jeweiligen Kapitels bearbeiten sollte, um den pr¨asen-
tierten Stoff zu vertiefen und den eigenen Lernfortschritt bestm¨oglich u¨berpru¨fen
zu k¨onnen. Daru¨berhinaus bieten wir zu diesem Buch einen Online-Service unter
der Adresse
http://www.fernuni-hagen.de/pi8/wbs
an; insbesondere stehen dort zu jeder Selbsttestaufgabe des Buches ausfu¨hrliche
L¨osungshinweise zur Verfu¨gung.
Dieses Buch basiert auf einer u¨berarbeiteten und erweiterten Version unseres
Kurses “Wissensbasierte Systeme”, der an der FernUniversit¨at Hagen im Fachbe-
reich Informatik angeboten wird. Viele Personen haben uns bei seiner Erstellung
tatkr¨aftig unterstu¨tzt; ihnen allen sind wir zu Dank verpflichtet.
Dr. Manfred Widera setzte sich wiederholt und kritisch mit den Inhalten von
Buch und Kurs auseinander,machte uns auf Fehler und Ungereimtheiten aufmerk-
sam und gab wertvolle Anregungen. Der Kurs ermunterte eine Reihe von Betreu-
ern und Studenten zu konstruktiver Kritik. Fu¨r Korrektur- und Verbesserungs-
vorschl¨age danken wir insbesondere Katharina Pieper, Benjamin K¨ohnen, Andr´e
Platzer,AchimWalterHassel,PeterZessin,Dr.BarbaraMessingundMarijaKulaˇs.
Dr.JanFreudenbergerwiessichnichtnuralsaktiverLeserundKritikerdesKurstex-
tes, sondern stand uns auch bei der “Proteinklassifikation” (5.Auflage: Abschnitt
13.7.1) mit Rat und Tat zur Seite. Auch fu¨r andere Anwendungsbeispiele nahmen
wir die “Erste Hilfe” einschl¨agiger Fachleute in Anspruch: Dr. Robert Meisen und
Dr. Peter Terhoeven erkl¨arten uns viele wichtige Dinge im Zusammenhang mit
Vorwort ix
“HerzerkrankungenbeiNeugeborenen”(5.Auflage: Abschnitt13.7.2),undDr.Hel-
mut Devos beriet uns in Sachen “Suchterkrankungen und psychische St¨orungen”
(5.Auflage: Abschnitt 13.7.3). Von den anonymen Gutachtern des Buches erhiel-
tenwirwertvolleAnregungenzurDarstellungundfu¨rdieThemenauswahl.Unserer
besonderer Dank gilt außerdem Prof. Dr. Gerd Brewka, dessen gezielte Kritik uns
veranlasste,wichtige Aspekte und Probleme klarerherauszustellen. So gerietenwir
auf regennasser Straße nicht ins Schleudern, und auch der Delphin Flipper landete
(scheinbar) korrekt im Karpfenteich.
Auch bei der Gestaltung des Buches legten mehrere Leute mit Hand an:Petra
Boshoff leistete im Kampf mit unseren LATEX-Makros und anderen Widrigkeiten
unermu¨dlicheEditierarbeit.JensFisselererstelltefastalleGraphikendiesesBuches
in jeder gewu¨nschten Version und Gr¨oße. Manfred Widera war außerdem ein kom-
petenterRatgeberinallenSystem-undLATEX-Fragen.SiljaIsbernerverbessertemit
ihren Cartoons schließlich den ku¨nstlerischen Gesamteindruck des Werkes.
Fernerm¨ochtenwirallendanken,diedasErscheinendiesesBuchesunterstu¨tzt
haben,insbesondereDr.KlockenbuschvomVieweg-VerlagsowiedenHerausgebern
dieser Reihe, Prof. Dr. Bibel und Prof. Dr. Kruse.
Besonders bedanken wir uns bei unseren Familien, die bei der Erstellung des
Buches oft auf uns verzichten mussten. H¨atten sie nicht so viel Verst¨andnis und
Ermunterung fu¨r uns und unsere Arbeit gehabt, g¨abe es dieses Buch nicht.
Hagen, Christoph Beierle und Gabriele Kern-Isberner
Dezember 2000
Vorwort zur 5., u¨berarbeiteten und
erweiterten Auflage
DerBereichderArgumentation hatalsTeildisziplinderPhilosophieeinelangeTra-
dition, und vielf¨altige Argumentationsformen sind Teil des wissenschaftlichen und
auch des allt¨aglichen Lebens. In zahllosen Situationen, in denen etwas entschieden
werden muss, ist Argumentation eine wesentliche Hilfe bei der Entscheidungsfin-
dung, und seit einigen Jahren geh¨ort die Argumentation auch zu den wichtigsten
Themen der Wissensrepr¨asentationsforschung.Das Erscheinen der fu¨nften Auflage
diesesBucheshabenwirdaherdazugenutzt,dasThemenspektrumdiesesLehrbuchs
um den aktuellen Bereich der Argumentation zu erweitern.
Dieses Themengebiet hat auch enge Beziehungen zu den beiden anderen The-
men, die wir seit Erscheinen der ersten Auflage mit in das Buch aufgenommen
haben. Dies ist zum einen logisches Programmieren, ein Gebiet von hohem prak-
tischen und theoretischen Potential, wobei wir das logische Programmieren aber
nicht nur in seiner klassischen Form behandeln, sondern auch erweiterte logische
Programme mit der Semantik der Antwortmengen, einen der modernsten und effi-
zientestenAns¨atzeunterdennichtmonotonenFormalismen.Zumanderenistesdas
Konzept des Agenten, das wie kaum ein anderes Paradigma die Entwicklung der
Ku¨nstlichen Intelligenz in den letzten Jahren beeinflusst und vorangetrieben hat.
Aus dem Blickwinkel unseres Buches heraus konzentrieren wir uns dabei auf die
x Vorwort
Wissenskomponenteeines Agenten,in der Methoden und Prozessezur Repr¨asenta-
tion und intelligenten Verarbeitung von Informationen umgesetzt werden. Daru¨ber
hinaus wurden alle Themenbereiche des Buches u¨berarbeitet und aktualisiert. Fu¨r
die Selbsttestaufgaben, derenAnzahl wir nochmals erh¨ohthaben, stehen ausfu¨hrli-
che L¨osungshinweiseim erweitertenOnline-Servicezudiesem Buchweiterhinunter
der Adresse http://www.fernuni-hagen.de/pi8/wbszur Verfu¨gung.
Der modulare,in sichgeschlosseneCharakterdes Buches wurde aufrechterhal-
ten.Sok¨onnennachdengrundlegendenKapiteln1–3diefolgendenKapitelrelativ
unabh¨angig von den anderen bearbeitet werden. In den Anh¨angen A und B haben
wir die wichtigsten Begriffe zur Probabilistik und zur Graphentheorie zusammen-
gestellt,soweitsie in diesem Buchfu¨r die Themengebiete Maschinelles Lernen und
Quantitative Methoden ben¨otigt werden. Damit ergeben sich im Wesentlichen die
folgenden Abh¨angigkeiten zwischen den einzelnen Kapiteln:
1
2
3
4 (Anhang A) 6 7 9 11 (Anhang A)(Anhang B)
5 8 12 13
10 14
Die Mithilfe vieler Personen, die wir in dem Vorwort zur ersten Auflage na-
mentlich erw¨ahnt haben, ging auch in die Gestaltung der weiteren Auflagen ein.
So erhieltenwir zus¨atzliche,wertvolleHinweise vonBrigittaMeier,Prof.Dr.Pfalz-
graf, Matthias Kleine und weiteren engagierten Nutzern und Lesern des Buches.
Dem Verlag Springer Vieweg danken wir fu¨r die angenehme und konstruktive Zu-
sammenarbeit. Im Vorwort zu fru¨heren Auflagen hatten wir Katharina Pieper, die
sichmitgroßerSorgfaltumsprachlicheundinhaltlicheKorrektheitdesManuskripts
ku¨mmerte, und Dr. Barbara Messing, die Phantasie und Engagementbei der Kon-
zipierung vieler ansprechender Aufgaben bewies, sowie Petra Boshoff, Dr. Manfred
Widera, Dr. Jens Fisseler, Silja Isberner und Ren´e Ramacher besonders erw¨ahnt.
Ihnen allen sei an dieser Stelle noch einmal herzlich gedankt.
DiesesBuchg¨abeesnichtohnediestetigeUnterstu¨tzung,dasVerst¨andnisund
denRu¨ckhaltunsererFamilien;ihnenm¨ochtenwirdeshalbandieserStellewiederum
ganz besonders danken.
Hagen und Dortmund, Christoph Beierle und Gabriele Kern-Isberner
Juni 2014
xi
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 1. Auflage vii
Vorwort zur 5., u¨berarbeiteten und erweiterten Auflage ix
Inhaltsverzeichnis xi
1 Einleitung 1
1.1 U¨ber dieses Buch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Themenbereiche des Buches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Wissensbasierte Systeme im U¨berblick 7
2.1 Beispiele fu¨r wissensbasierte Systeme. . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Geldabheben am Automaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Medizinische Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Wissensbasierte Systeme und Expertensysteme . . . . . . . . . . 11
2.3 Eigenschaften von Experten und Expertensystemen . . . . . . . 11
2.4 Zur Geschichte wissensbasierter Systeme . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Das medizinische Diagnosesystem MYCIN . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Aufbau und Entwicklung wissensbasierter Systeme . . . . . . . . 16
2.6.1 Architektur eines wissensbasierten Systems . . . . . . . . . . 16
2.6.2 Entwicklung eines wissensbasierten Systems . . . . . . . . . . 19
3 Logikbasierte Wissensrepr¨asentation und Inferenz 20
3.1 Formen der Inferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.1 Menschliches Schließen und Inferenz . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.2 Charakterisierung der Inferenzrelation nach Peirce . . . . . . 23
3.1.3 Deduktives Schließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.4 Unsicheres Schließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Logische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Signaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Formeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 Interpretationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.4 Erfu¨llungsrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Eigenschaften klassisch-logischerSysteme . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 Erfu¨llungsrelation und Wahrheitsfunktionalit¨at . . . . . . . . 34
3.3.2 Modelle und logische Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3 Inferenzregeln und Kalku¨le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.4 Korrektheit und Vollst¨andigkeit von Kalku¨len . . . . . . . . . 39
3.3.5 Logisches Folgern durch Widerspruch . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.6 Entscheidbarkeitsresultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Logische Grundlagen: Aussagenlogik . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1 Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2 Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43