Artificial Intelligence — Eine Einführung PDF
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Leitfaden der angewandten Informatik J. Retti u. a. Artificial Intelligence - Eine Einfiihrung Leitfiden der angewandten Informatik Unter beratender Mitwirkung von Dr. Hans-Jurgen Appelrath, Zurich Dr. Hans-Werner Hein, St. Augustin Dr. Rolf Pfeifer, Zurich Dr. Johannes Retti, Wien Prof. Dr. Michael M. Richter, Kaiserslautern herausgegeben von Prof. Dr. Lutz Richter, Zurich Prof. Dr. Wolffried Stucky, Karlsruhe Die Bande dieser Reihe sind allen Methoden und Ergebnissen der In formatik gewidmet, die fur die praktische Anwendung von Bedeutung sind. Besonderer Wert wird dabei auf die Darstellung dieser Methoden und Ergebnisse in einer allgemein verstandlichen, dennoch exakten und prazisen Form gelegt. Die Reihe solI einerseits dem Fachmann eines ande ren Gebietes, der sich mit Problemen der Datenverarbeitung beschaftigen muB, selbst aber keine Fachinformatik-Ausbildung besitzt, das fUr seine Praxis relevante Informatikwissen vermitteln; andererseits solI dem Infor matiker, der auf einem dieser Anwendungsgebiete tatig werden will, ein Uberblick uber die Anwendungen der Informatikmethoden in diesem Ge biet gegeben werden. Fur Praktiker, wie Programmierer, Systemanalytiker, Organisatoren und andere, stellen die Bande Hilfsmittel zur Losung von Problemen der taglichen Praxis bereit; dariiber hinaus sind die Veroffentli chungen zur Weiterbildung gedacht. Artificial Intelligence - Eine Einfiihrung Von Dr. J. Retti, Siemens AG, Wien Dr. W. Bibel, Technische Universitat Miinchen Prof. Dr. B. Buchberger, Universitat Linz Dipl.-Ing. E. Buchberger, Universitat Wien Dr. W. Horn, Universitat Wien Dr. A. Kobsa, Universitat Saarbriicken Dr. I. Steinacker, VOEST Alpine AG, Linz Prof. Dr. R. Trappl, Universitat Wien Dr. H. Trost, Universitat Wien 2., iiberarbeitete Auflage B. G. Teubner Stuttgart 1986 Dipl.-Ing. Dr. techno Johannes Retti Geboren 1952 in Innsbruck. Von 1972 bis 1984 Studium der Informatik an der Technischen Universitiit Wien, 1984 Promotion. Assistent am Institut fUr Medizini sche Kybernetik und Artificial Intelligence der Universitiit Wien von 1979 bis 1984. Seit 1981 Universitiitslektor, 1985 Lehrauftrag fUr "Wissensrepriisentation und Wis sensrepriisentationssprachen" an der Technischen Universitiit Wien. Seit 1984 bei der Siemens AG Osterreich in der Entwicklung tiitig, Projektleiter "Einsatz wissens basierter Systeme". Dr. Wolfgang Bibel Geboren 1938 in Nurnberg. 1964 Diplom fUr Mathematik, Universitiit Munchen. 1968 Dr. rer. nat. (Mathematik, Physik, Philosophie) an der Universitiit Munchen. Seit 1969 wiss. Assistent am Institut fUr Informatik der Technischen Universitiit Munchen. Gastprofessuren an der Wayne State University, Detroit, USA, der Uni versitiit des Saarlandes, der Universitiit Karlsruhe und der Universitiit Rom. o. Univ.-Prof. Dr. Bruno Buchberger Geboren 1942 in Innsbruck. 1966 Dr. phil. (Mathematik, Nebenfach Physik), 1973 Habilitation (Mathematik) an der Universitiit Innsbruck. Seit 1974 o. Univ.-Prof. fUr Mathematik an der Universitiit Linz, Einrichtung des Studienschwerpunktes "Computerunterstutztes Mathematisches Problemlosen". Forschungsaufenthalte bzw. Gastprofessuren am Kernforschungsinstitut in Dubna (Moskau), Dpt. of Computer Science der University of Delaware und der University of Wisconsin Madison (USA), Instituto di Matematica, Universita di Genova (Italien). Dipl.-Ing. Ernst Buchberger Geboren 1957 in Wien. Von 1975 bis 1981 Studium der Informatik an der Techni schen Universitiit Wien. Ab 1981 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fUr Me dizinische Kybernetik und Artificial Intelligence der Universitiit Wien, seit 1982 Universitlitslektor. Dipl.-Ing. Dr. techno Werner Hom Geboren 1953 in Villach. Von 1971 bis 1977 Studium der Informatik an der Tech nischen Universitiit und Universitlit Wien. 1983 Promotion zum Doktor der Techni schen Wissenschaften. Seit 1978 als Universitiitsassistent am Institut fUr Medizini sche Kybernetik und Artificial Intelligence der Universitiit Wien tlitig. Seit 1980 Universitiitslektor fUr die Gebiete "Artificial Intelligence und ihre Anwendung in der Medizin" und "Expertensysteme". Seit 1984 Leiter der Abteilung "Expertensy sterne" des Osterreichischen Forschungsinstituts fUr Artificial Intelligence. Dipl.-Ing. Mag. Dr. techno Alfred Kobsa Geboren 1956 in Linz. Von 1975 bis 1980 Studium der Informatik und Betriebs und Verwaltungsinformatik an der Universitiit Linz, von 1980 bis 1981 Assistent am dortigen Institut fUr Informatik. Von 1980 bis 1982 Studien in Kognitiver Psycholo- gie, Linguistik, Logik und Wissenschaftstheorie an der Universitai: Salzburg. Mitar beiter am Forschungsprojekt ,Sprachverstehende Systeme' des Instituts fur Medizi nische Kybemetik und Artificial Intelligence der Universitat Wien (1982 bis 1985) und am Projekt ,Benutzermodellierung' des Osterreichischen Forschungsinstituts fUr Artificial Intelligence (1985). Lektor fUr Cognitive Science an der Universitat Wien. Seit 1985 Leiter des Projekts ,Naturlichsprachlicher Zugang zu Expertensy stemen' (XTRA) im Sonderforschungsbereich 314 (Kunstliche Intelligenz - Wis sensbasierte Systeme) an der Universitat Saarbriicken. Dipl.-Ing. Dr. techno Ingeborg Steinacker Geboren 1953 in Innsbruck. Von 1972 bis 1974 Studium der Mathematik an der Universitat Innsbruck. Von 1974 bis 1984 Studium der Informatik an der Techni schen Universitat Wien, 1984 Promotion. Seit 1980 wissenschaftliche Mitarbeit am Institut fUr Medizinische Kybemetik und Artificial Intelligence der Universitat Wien, seit 1983 Lektor an der Universitat Wien. Seit 1984 bei der VOEST Alpine AG in Linz tatig. o. Univ.-Prof. Dr. Robert Trappl Geboren am 16. Janner 1939 in Wien. Ing. (Elektrotechnik), Dr. phil. (Hauptfach Psychologie, Nebenfach Astronomie), Diplom aus Soziologie des Instituts fUr Ho here Studien. 1971 Habilitation fUr Biokybemetik und Bioinformatik, seit 1977 or dentlicher Professor fur Medizinische Kybemetik und Artificial Intelligence und Vorstand des gleichnamigen Instituts an der Universitat Wien. Universitatslektor fUr Mathematik an der Technischen Universitat Wien. Dipl.-Ing. Dr. techno Harald Trost Geboren 1952 in Wien. Von 1970 bis 1983 Studium der Informatik an der TU Wien. 1983 Promotion. Seit 1978 Assistent am Institut fUr Medizinische Kybemetik und Artificial Intelligence der Universitat Wien. Seit 1981 Universitatslektor. CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Artificial intelligence: e. Einf. / von J. Retti ... - 2., iiberarb. Aufl. - Stuttgart: Teubner, 1986 (Leitfliden der angewandten Informatik) ISBN 978-3-519-12473-3 ISBN 978-3-322-93997-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-93997-5 NE: Retti, Johannes [Mitverf.) Das Werk einschliel3lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung aul3erhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzullissig und strafbar. Das gilt besonders fiir Vervielfliltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © B. G. Teubner Stuttgart 1986 Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen Vorwort Vorliegendes Buch entstand im wesentlichen aus einer Vortragsreihe, deren Ziel es war, eine EinfUhrung in die Artificial Intelligence (KUnstliche Intelligenz) zu bieten. Neben grundlegenden Methoden werden realisierte Systeme aus ver- schiedenen Teilbereichen der Artificial Intelligence prasentiert und nicht zuletzt auch ein kritischer Blick auf mogliche Auswirkungen geworfen. Artificial Intelligence befindet sich im Aufbruch und ist gegenwartig dabei, sich auch in Europa als eigenstandiges Wissenschaftsgebiet zu etablieren. Die revolutionierende Be- deutung des Computers als intelligenter Partner des Menschen beginnt sich erst abzuzeichnen. An dieser Stelle sei das Sprachproblem erwahnt. Oa Ver offentlichungen auf dem Gebiet der Artificial Intelligence primar in englischer Sprache erfolgen, ist das Vokabular von englischen Begriffen durchsetzt und neben dem Problem der Bedeutungs verschiebung - mitunter nur schwer einzudeutschen. So wurden die Orginalbegriffe oft beibehalten. Daraus ergibt sich der Vorteil, mit Hilfe dieses Buches auch englischsprachige Arbeiten leichter verstehen zu konnen. Der Nachteil liegt in der Sprachvermischung, fUr die wir hier den Leser um Verstandnis bitten. Allen, die zum Zustandekommen dieses Buches beigetragen haben, sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Wien - Linz - MUnchen, im Mai 1984 Die Autoren Vorwort zur 2. Auflage Die erste Auflage un seres Buches "Artificial Intelligence - Eine EinfUhrung" hat allenthalben gute Aufnahme gefunden und wir freuen uns, hiermit die 2.Auflage vorlegen zu konnen. Wir haben die Gelegenheit genutzt, der raschen Weiterentwicklung der Artificial Intelligence durch Oberarbeitung einiger Punkte Rechnung zu tragen. Insbesondere wurden die Literaturhinweise um vor kurzem erschienene wichtige Arbeiten erganzt. Nicht zuletzt auch wurde das abschlieBende Kapitel um einen Blick in die Zukunft der Artificial Intelligence erweitert. Leider war es wegen der KUrze der zur VerfUgung stehenden Zeit nicht moglich, eigene Kapitel Uber die wichtigsten Programmierparadigma der AI (Funktionale, Objektorientierte, Logikorientierte Programmierung) und ihre Realisierungen als Programmiersprachen (beispielsweise LISP, SMALL TALK und PROLOG) sowie ein weiteres wichtiges Teilgebiet der AI, Computer Vision, aufzunehmen. Dies bleibt wohl der nachsten Auflage Uberlassen. Wir hoffen, mit der Neuauflage dieser EinfUhrung einen Beitrag zur Verbreitung des Wissens Uber eines der aufstrebendsten jungen Gebiete der Informatik leisten zu konnen und stehen, wie bisher schon, fUr Anregungen und weitere Verbesserungsvorschlage gerne zur VerfUgung. Wien - Linz - MUnchen - SaarbrUcken, im Juni 1986 Die Autoren Inhaltsverzeichnis O. Einleitung ............................. : ...................... 1 Johannes Retti 1. Intelligente Maschinen? ....................................... 7 Ingeborg Steinacker 1.1 Einleitung ................................................. 8 1.2 Menschliche Intelligenz - KUnstliche Intelligenz ........... 8 1.3 Intelligente Fahigkeiten des Computers .................... 10 1.3.1 Probleme losen ...................................... 11 1.3.2 Konzepte lernen ..................................... 12 1.3.3 Verstehen natUrlicher Sprache ....................... 13 1.3.4 Befehle ausfUhren ................................... 15 1.3.5 Der Computer als Experte ............................ 17 1.4 Oberblick Uber Forschungsgebiete der AI ................... 17 1.5 Voraussetzungen fUr intelligentes Verhalten .............. 18 1.6 Ausblick .................................................. 23 2. Methoden der Artificial Intelligence .......................... 29 Werner Horn 2.1 Suchstrategien am Beispiel des Schiebepuzzle .............. 30 2.1.1 Breadth-Fi rst-Suche ................................. 31 2.1.2 Depth-First-Suche ................................... 33 2.1.3 Heuristische Suche .................................. 34 2.2 Planung bei Robotern ...................................... 36 2.2.1 Automatisches Beweisen von Formeln im PradikatenkalkUl .................................... 38 2.2.2 Means-Ends-Analyse .................................. 39 2.2.3 Erzeugen eines Aktionsplanes ........................ 41 2.3 Erkennen von Objekten ..................................... 43 Literatur ................................................ 47 3. Wissensreprasentation in der AI am Beispiel Semant i scher Netze ............................................ 49 Harald Trost 3.1 Weshalb ist Wissen notwendig? ............................. 50 notwendi g? ............................................... 50 3.2 Methoden der Wissensreprasentation ........................ 51 3.2.1 Deklarative Reprasentation ............. : ............ 51 3.2.2 Prozedurale Reprasentation .......................... 54 3.2.3 Frame-Reprasentat i on ................................ 55 3.3 Semantische Netze ......................................... 57 3.3.1 Entwicklung Semantischer Netze ...................... 58 3.3.1.1 Konzept - Individuum - Manifestation ........ 59 3.3.1.2 Case Grammars ............................... 60 3.3.1.3 Eine neue Generation Semantischer Netze ............................................. 64 3.4 KLONE ..................................................... 66 3.4.1 Konzepte ............................................ 67 3.4.2 Rollen .............................................. 68 3.4.3 Relationen zwischen Rollen .......................... 69 3.4.4 RoleSet Relations ................................... 70 3.4.5 Kontext und Nexus ................................... 70 3.5 Zusammenfassung ........................................... 71 L i teratur .................................................... 73 4. Knowledge Engineering und Expertensysteme .................... 75 Johannes Retti 4.1 Was versteht man unter Knowledge Engineering? ............ 76 4.2 Komponenten und Methoden etablierter Expertensysteme ...... 78 4.2.1 Wissensbasis ........................................ 80 4.2.2 I nferenzkomponente .................................. 82 4.2.3 Erk 1 arungskomponente ................................ 88 4.2.4 Wi ssenserwerbskomponente ............................ 88 4.2.5 Dialogkomponente .................................... 89 4.3 Anwendungsbereiche von Expertensystemen ................... 90 4.3.1 Medizin ............................................. 91 4.3.2 Elektronik .......................................... 93 4.3.3 Chemie .............................................. 93 4.3.4 Geologie ............................................ 94 4.3.5 Sprachverstehen ..................................... 95 4.3.6 Mathematik .......................................... 95 4.3.7 Design, Planung ..................................... 96 4.3.8 Militarische Anwendungen ............................ 96 4.4 SoftwareunterstUtzung des Knowledge Engineering ........... 97 4.5 Ausblick: Knowledge Engineer, ein Spezialist der Zukunft? ................................................. 99 L i teratur ............................................... 101 5. Artificial Intelligence und Kognitive Psychologie ............ 105 Alfred Kobsa 5.1 Motivation .............................................. 106 5.2 KUnst 1 i che-I ntell i genz-Forschung ........................ 107 5.3 Kognitive Psychologie ................................... 111 5.4 Verbindung zwischen KUnstlicher-Intelligenz- Forschung und Kognitiver Psychologie .................... 113 5.4.1 Performanz- und Explorationsmodelle ............... 114 5.4.2 Strukturmodelle ................................... 115 5.4.3 Von der KUnstlichen Intelligenz zur "Universellen" Intelligenz? ...................................... 118 5.5 Erste Ergebnisse der Zusammenarbeit und deren Beurte i 1 ung ............................................. 120 5.6 Anmerkungen ............................................. 125 L i teratur ............................................... 127 6. Sprachverstehen in der Artificial Intelligence .............. 131 Ernst Buchberger 6.1 Begriffsklarung .......................................... 132 6.2 Probleme bei der Analyse naturlicher Sprache ............. 133 6.3 Ziele und Vorgangsweise beim Sprachverstehen ............. 135 6.4 Geschichte sprachverstehender Systeme .................... 136 6.4.1 Fruhe sprachverstehende Systeme .................... 138 6.4.2 Sprachverstehende Systeme der 70er und 80er Jahre .............................................. 140 6.5 Ausblick ................................................. 146 Li teratur ................................................ 147 7. Automat i sche I nferenz ........................................ 151 Wolfgang Bibel 7.1 Mathematisch-logische Grundlagen ........................ 154 7.1.1 Klassische Logik .................................. 154 7.1.2 Modallogik ........................................ 159 7.2 Nicht-monotone Inferenz ................................. 161 7.3 Spez i a 1f ormen der I nferenz .............................. 167 7.3.1 Inferenz unter verschiedenen Akteuren ............. 167 7.3.2 Meta-Inferenz ..................................... 168 7.3.3 Lernen ............................................ 169 L i teratur ................................................... 171 8. Automat i sches Programmi eren ................................. 175 Bruno Buchberger 8.1 Problemstellung ......................................... 176 8.2 Logisches Programmieren ................................. 181 8.3 Automatische Programmsynthese ........................... 186 8.4 Automatische Programmtransformation ..................... 192 8.5 Automatische Programmverifikation ....................... 195 8.6 Ein integrierter Software-Arbeitsplatz .................. 199 L i teratur ............................................... 200 9. Zukunft und Auswirkungen der Artificial Intelligence ........ 205 Robert Trappl 9.1 Hat die AI eine Zukunft? ................................ 206 9.2 Wie wird sie aussehen? .................................. 208 9.3 Und mit welchen Auswirkungen? ........................... 212 9.3.1 These 1: Wissen wird wichtige Ware ................ 213 9.3.2 These 2: Arbeitsplatze: Quantitativ weniger, qualitativ anders ................................. 214 9.3.3 These 3: Starker Zuwachs an Steuerungs- und Kontrollmoglichkeit ............................... 216 9.3.4 These 4: Stark geandertes Selbstverstandnis des Menschen ...................................... 218 Literatur ................................................ 219 10. Index ...................................................... 223
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