Forschungsprogramm
	English Version	Graduiertenkolleg "Menschliche und maschinelle Intelligenz"

Teilthema 1: Wissensverarbeitung

Schwerpunkt 1: Wissensrepräsentation und Inferenz

Schwerpunkt 2: Problemlösen und Handlungsplanung

Schwerpunkt 3: Erwerb und Vermittlung von Wissen

Einleitung

Teilthema 1: Wissensverarbeitung

Schwerpunkt 1: Wissensrepräsentation und Inferenz

Ontologien für die Wissensrepräsentation; Wiederverwendbarkeit, Adaptierbarkeit und Kombinierbarkeit von Wissensbasen

Die Aktivitäten in diesem Bereich dienen der Nutzung unterschiedlichster Ontologien (Thesauri, Klassifikationssysteme, einfacher semantischer Netze wie UMLS oder WordNet, Penman Upper Model) und deren Abbildung auf eine gemeinsame Ontolingua. Dazu werden nicht nur Abbildungen zwischen verschiedenen Sprachen definiert, sondern auch aktiv Wissenslücken durch automatische textbasierte Lernverfahren geschlossen. Der Hauptanwendungsbereich ist derzeit die Medizin. Ziel der Arbeiten ist die Verbesserung der modellgestützten Wiederverwendbarkeit und Integrierung verschiedensprachiger, unterschiedlich granularer Wissensbeschreibungen.

Räumliche Repräsentation im Kontext autonomer, mobiler Agenten

Eine wichtige Fähigkeit mobiler Agenten ist es, die eigene Position festzustellen, Hindernisse und andere Objekte zu erkennen und Zielpunkte anzufahren. Dafür ist es notwendig, ein Modell der Umgebung aufzubauen und dieses Modell für Navigationsaufgaben zu nutzen. Beim Aufbau des Modells muß man trotz der gegebenen Unsicherheiten der Sensoren versuchen, ein korrektes Modell zu erstellen. Dabei sollten Abweichungen der Umgebung vom Modell nicht zu Fehlorientierungen führen. Diese Aufgabe kann nur durch eine Kombination von probabilistischen und qualitativen Repräsentationsansätzen robust gelöst werden.

Falls präzise quantitative Information über räumliche oder zeitliche Konfigurationen nicht erhältlich oder erwünscht ist, können qualitative Beschreibungen benutzt werden. Ob die in der Literatur vorgeschlagenen qualitativen Kalküle zum räumlichen und temporalen Schließen allerdings konzeptuell und inferentiell kognitiv adäquat sind, welche formale Semantik ihnen unterlegt werden kann, welche Berechenbarkeitseigenschaften sie besitzen und was praktikable Inferenzalgorithmen sind (und inwiefern solche als Modelle menschlichen Schlußfolgerns in Bezug auf räumliche Relationen gelten darf), ist bisher allerdings erst in Ansätzen bekannt und wird zur Zeit in Projekten im SPP "Raumkognition" untersucht.

CBR (Case-Based Reasoning, fallbasiertes Schließen) stellt ein alternatives Paradigma zu regelbasierten Formen des Problemlösens und Planens dar. Im Zentrum der Forschungsinteressen der Antragsteller steht die Untersuchung psychologisch motivierter Formen der Repräsentation von Fällen, insbesondere die sogenannte "episodische Repräsentation". Von besonderer Bedeutung ist die Nutzung episodischen Wissens bei der Analyse und Diagnose von Problemen und Problemlösungen und ihre praktische Anwendung in wissensbasierten Lehr-/Lernsystemen wie z.B. ELM.

Mit konnektionistischen Modellen der Klasse der Parallel-constraint-satisfaction-Netzwerke (vgl. Holyoak & Thagard) wurde es möglich, Informationsverarbeitungsprozesse zu beschreiben, die sich phänomenal als spontan, intuitiv, schematisch und kohärenzstiftend beschreiben lassen. In Verbindung mit einem DFG-Projekt wird die kognitive und emotionale Rezeption und Bewertung von Medienmeldungen über Umweltschadensfälle untersucht. Zukünftige Arbeiten werden sich voraussichtlich einerseits auf die Wirkung früherer Erfahrungen und Gedächtnisfehler konzentrieren, andererseits auf Bewertungsprozesse in Gruppen.

Bei Aufgaben zum deduktiven Denken beeinflußt die inhaltliche Einkleidung stark die Art der Lösung. Derartige Inhalts- und Kontexteffekte werden häufig als Beleg dafür angeführt, daß Menschen nicht logisch denken. Die wissenspsychologische Analyse eröffnet für diese Fragen einen neuen Zugang. Erste empirische Befunde und Modellierungen am Beispiel der Wahlaufgabe von Wason zeigen, daß der Mensch in Verbindung mit dem Inhalt einer deduktiven Aufgabe massiv auf sein Hintergrundwissen zurückgreift und dieses zumeist durchaus logisch korrekt im Schlußfolgern einsezt. Inhaltliches Wissen und logisches Denken sind somit keineswegs in einem Gegensatz zu sehen. Das Vorhaben stützt sich auf eine bereits abgeschlossene Promotion (Beller). Das Projekt "MeMoSpace" hat speziell Schlußfolgern mit Hilfe räumlicher Relationen als Thema; auch hierbei zeigen sich Inhalts- und Kontexteffekte, die künftig näher untersucht werden sollen.

Die Modellierung falscher Überzeugungen bei Kindern eröffnet eine neue Perspektive auf gängige Defizithypothesen zum kindlichen Denken. Operationale und repräsentationale Defizite dienen zur Erkärung der Befunde, daß jüngere Kinder Schwierigkeiten haben, anderen Personen oder sich selbst zu früheren Zeitpunkten Überzeugungen zuzuschreiben, die von der momentanen eigenen abweichen. Da diese Kompetenz von größter Bedeutung für das Vorhersagen und Erklären von Verhalten ist, hat sie viel Aufmerksamkeit erhalten. Aufbauend auf einer bereits abgeschlossenen Dissertation (Wichmann) sollen die kognitive Modellierung der operationalen und repräsentationalen Anforderungen an das kindliche Denken und ihre empirische Überprüfung weitergeführt werden.

Schwerpunkt 2: Problemlösen und Handlungsplanung

"Intelligente" heuristische Suche (u.a. Duplikatselimination), Anwendung auf die Protokollverifikation

Hier geht es um die Exploration großer Zustandsräume, wie sie z.B. bei NP-harten Suchproblemen in der KI auftreten, z.B. bei Einpersonenspielen, aber auch in der Verifikation von Kommunikationsprotokollen, beim automatischen Beweisen und bei der Steuerung von Robotern. Ausgehend von einem Startzustand ist ein Zielzustand gesucht. Übergangsregeln (Protuktionen) legen fest, wie man von einem Zustand zu möglichen Nachfolgezuständen kommen kann. Das modelliert man durch implizit gegebene Graphen, in denen nach einem Start-Ziel-Weg gesucht wird. Weil es in der Regel möglich ist, denselben Zustand auf sehr vielen möglichen Wegen zu erreichen, ist es wichtig, solche "Duplikate" rechtzeitig zu erkennen, um den Suchraum beschränken zu können. Wir interessieren uns daher besonders für Strategien zur Duplikatselimination und Explorationsverfahren, die mit einem Speicher vorgegebener fester Größe auskommen. Ferner sollen Strategien zum Lernen von Heuristiken und zur aktiven Veränderung des Suchraumes, z.B. durch Interaktion mit der Umgebung, untersucht werden.

Flexibilität beim Problemlösen und Lernen hängt wesentlich davon ab, ob der Mensch verschiedene Repräsentationen des Gegenstandsbereichs verfügbar hat und koordiniert einsetzen kann. Am Beispiel einer qualitativen konzeptuellen und einer quantitativen Repräsentation des physikalischen Schulwissens zur klassischen Mechanik wird empirisch und mit den Methoden der kognitiven Modellierung geprüft, unter welchen Bedingungen umfassende und flexible Problemlösungen möglich und positive Lernergebnisse zu erwarten sind. Die Modellierung des Problemlöseverhaltens wird auch zur Entwicklung von Lehr- und Testmaterialien eingesetzt.

Zielmanagement ist im Kontext der "neuen" KI und der auf kognitive Systeme fokussierenden Kognitionswissenschaft ein zentrales Forschungsgebiet. Handlungsplanung findet seit einigen Jahren wieder viel Interesse in der KI, da neuere Planungsalgorithmen auch Probleme realistischer Größe lösen. Wichtige Forschungsprobleme in diesen Gebieten sind dabei der Umgang mit multiplen und häufig konfligierenden Zielen, die Erweiterung existierender Planungsansätze, um auch ausdrucksstarke Planungsformalismen behandeln zu können, der Umgang mit unsicherer und dynamisch sich ändernder Information, insbesondere in dynamischen Umgebungen mit variablen Anforderungen, beispielsweise in Umgebungen mit mehreren Akteuren (Multi-Agenten-Systemen).

Probleme mit unsicherer Information tauchen in vielen Gesellschaftsspielen, in denen der 'aktuelle Zustand der Welt'  unbekannt ist, auf. Anhand des Kartenspiels Bridge untersuchen wir, wie Menschen Spiele mit unvollständiger Information spielen. Bisher haben wir verschiedene Modelle entwickelt, die Annahmen formalisieren, wie sie von sehr guten Spielern bei der Analyse von Spielsituationen gemacht werden. Mit einem spieltheoretischen Ansatz konnten wir zeigen, daß Gleichgewichtspunktstrategien für diese Modelle existieren. Die Suchprobleme haben im allgemeinen eine sehr hohe Komplexität (NP-hart) und benötigen daher heuristische Ansätze. Die Entwicklung, Analyse und das Testen solcher Algorithmen ist ein wesentlicher Teil unserer gegenwärtigen Forschung. Unser Bridge spielendes System"Finesse" ist eine Plattform zum Testen derartiger Algorithmen. Gegenwärtig kann damit eine Analyse von Bridgespielen erzeugen werden, die mit der Qualität einer von sehr guten Spielern durchgeführten Analyse vergleichbar ist.

Schwerpunkt 3: Erwerb und Vermittlung von Wissen

• Unterstützung individueller Lernprozesse durch intelligente tutorielle Systeme und
• Unterstützung der Wissensvermittlung durch "neue Medien" (besonders Multimedia-Systeme)

Multimediale Lehr-Lern-Systeme

Hier geht es um die Integration von Life-Vortrag und Telepräsentation, und um das Erzeugen eines Multimedia-Dokuments für Offline-Nutzung. Ein wichtiges Instrument dazu ist ein hinreichend mächtiges und komfortables Whiteboard als elektronischer Ersatz für Tafel und Overheadprojektor, das es erlaubt, Folien zu erzeugen, zu laden, zu verändern, zu markieren und zu kommentieren, Bilder zu laden und Animationen und Simulationen zu starten und zu kontrollieren. Um Telepräsentationen zu ermöglichen, muß es multicastfähig sein, und schließlich müssen die vom Whiteboard erzeugten Datenströme aufgezeichnet und so weiterverarbeitet werden, daß eine Synchronisation aller Datenströme und wahlfreier Zugriff möglich werden. Um die angemessene Funktionalität zu erreichen, soll die multimediale Aufbereitung von Inhalten und die Entwicklung von Werkzeugen dazu parallel vorangetrieben werden. Wir interessieren uns in diesem Zusammenhang auch dafür, wie nach dem Authoring-on-the-fly-Verfahren erzeugte Dokumente in multimediale Lehr-Lern-Umgebungen integriert und im Hochschulunterricht genutzt werden können.

Traditionelle Unterrichtsformen haben häufig eine unzureichende intellektuelle Durchdringung und mangelnde Anwendbarkeit des Lernstoffs zur Folge. Wie können aber Lernumgebungen gestaltet werden, so daß Lernende zu aktiven Konstrukteuren ihres Wissens und zu kompetenten Anwendern ihrer Kenntnisse werden? Eine Möglichkeit wird in der Gestaltung kooperativer rechnergestützter Anordnungen gesehen. In diesem Zusammenhang ergeben sich zum Beispiel die folgenden Fragen: Wie können kooperative Formen des Lernens und Rechnerunterstützung verbunden und aufeinander abgestimmt werden? Welche Rollen können Personen und intelligente Rechnerkomponenten in einer kooperativen, verteilten Lernumgebung einnehmen? Dieses Vorhaben steht mit DFG-Projekten in Verbindung, in denen Problemlöseprozesse in der Physik und der Informatiosaustausch beim kooperativen Lernen modelliert werden.

Die Aktivitäten in diesem Bereich zielen auf die Adaption und Erweiterung vorgegebener Domänenwissensbasen durch automatisches Lernen aus Texten. Neben methodischen Fragen (etwa einem qualitativen Bewertungssystem für die Glaubwürdigkeit von Lernhypothesen, das mittlerweile auch auf die Verwaltung von Ambiguitäten ausgeweitet wurde, stehen nach Anforderungsstärke gestufte Anwendungsaspekte im Mittelpunkt der Arbeiten. Hierzu zählen einerseits traditionelle Informationsdienste wie die automatische Textklassifikation, zunehmend aber auch neuartige Applikationen wie das ,"ntelligente" Text-Mining von Fakten, Propositionen und Bewertungen.

Eine im Schnittfeld von Psychologie, Mathematik und künstlicher Intelligenz liegende Fragestellung ist,  welche Heuristiken und Techniken benutzt werden können, um dabei zu helfen, mathematische Schlüsse zu finden und formal zu überprüfen. In unserer Forschung untersuchen wir, wie solche Verfahren in Systemen formalisiert werden können. Die Heuristiken sollen den Benutzern helfen, Theoreme, die typischerweise in der universitären Mathematikausbildung auftreten (z.B. diskrete Mathematik, Algebra, Analysis), zu beweisen.
Im folgenden sind einige der Forschungsaufgaben skizziert:
Es muß auf die logischen Grundlagen der Formalisierung von Mathematik und die Realisierung dieser Grundlagen in computerunterstützten Werkzeugen wie etwa die sogenannten logischen Rahmen Bezug genommen werden. Es wird der Frage nachgegangen, wie ein Benutzer ein System anleiten kann, Beweise zu finden oder zu überprüfen. Die Arbeit im automatischen Beweisen betont typischerweise Semientscheidungsverfahren, die auf reinen Suchverfahren beruhen  (z.B. Resolution), während unser Interesse vor allem in der Entwicklung von Techniken liegt, mit denen Menschen die Suche leiten können; dabei wird entweder deklaratives Wissen, z.B. durch Vorschlagen von Lemmata, die zu einem Theorem führen, oder prozedurales Wissen, z.B. durch Vorgabe von Strategien zur Beweiskonstruktion, genutzt. Es werden Strategien zur Assistenz in speziellen mathematischen Problembereichen entwickelt. In der Vergangenheit haben wir Fortschritte in der Formalisierung von Heuristiken gemacht, die sowohl für Menschen als auch für Maschinen beim Beweisen mit mathematische Induktion nützlich sind. Schließlich ist auch die Analyse fehlgeschlagener Beweissuche von Interesse. Menschen und Maschinen können einen Dialog über ihre Vermutungen zur erfolgreichen Beweisdurchführung oder über Probleme, die während der Beweiskonstruktion aufgetreten sind, führen.

• Benutzeradaptive intelligente tutorielle Systeme, Teleteaching mit IST

Teilthema 2: Sprachverarbeitung

Syntaktische Analyse und verbales Arbeitsgedächtnis bei Aphasie (Jürgen Dittmann) und bei Normalprobanden unter Gedächtnisbelastung (Gerhard Strube)

Patienten mit pathologischer Beeinträchtigung des verbalen Arbeitsgedächtnisses nach Hirnschäden weisen immer auch verminderte Leistungen bei der Sprachproduktion, dem Satznachsprechen, Satz- und Textverstehen auf, wobei der Zusammenhang zwischen diesen Beeinträchtigungen unklar ist.

Projekte Dittmann:

• Welche Folgen hat eine relativ selektive Beeinträchtigung des verbalen Arbeitsgedächtnisses für die Verarbeitung der Subjekt-Verb-Kongruenz in der Sprachproduktion?
• Welche Folgen hat eine solche Beeinträchtigung für die Rezeption syntaktisch bzw. semantisch komplexer Sätze?
• Wie läßt sich ein unterstellter Beitrag des AG-Defizits zur Beeinträchtigung der Verarbeitung syntaktisch komplexer Sätze bei Aphasikern isolieren?

Im Rahmen der Forschungen zu aphasischen Störungen der Wortproduktion wurde ein Modell der Repräsentation von Wortformen als Scores artikulatorischer Gesten für das Deutsche ausformuliert und in Zusammenarbeit mit der Abt. Experimentalphonetik auf die akustisch-phonetische Analyse der Einzelwortäußerungen von Normalprobanden und Aphasikern angewendet. Es zeigt sich, daß eine vollständige, widerspruchsfreie Beschreibung sowohl der artikulatorischen Varianz in den Äußerungen von Normalprobanden als auch des kompletten Fehlmusters in den aphasichen Äußerungen mittels dieses "gestalen" Modells möglich ist. Geplant ist die Anwendung des Modells auf die Konzeption von Diagnoseinstrumenten und in einem klinisch orientierten Multimedia-Projekt zum Einsatz PC-gestützter Lernumgebungen in der Aphasietherapie.

Im Rahmen der SOUL-Projekte wurde eine Theorie menschlicher Syntaxanalyse sowie der weiteren semantischen Interpretation bei der Rezeption sprachlicher Äußerungen einschließlich implementierter Computermodelle erarbeitet, die im gegenwärtig laufenden Projekt vor allem hinsichtlich der Integration thematischer, morphologischer und syntaktischer und Frequenz-Information beim Lesen erweitert wird. Insbesondere haben Anbindungspräferenzen in Bezug auf Relativsätze sich als hochinteressanter Phänomenbereich erwiesen, der in Kooperation mit Kollegen in England, Italien und Spanien untersucht wird.

Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "Kognitive Linguistik" wurde eine Performanzgrammatik für das Deutsche sowie ein entsprechender Performanz-Parser auf der Grundlage dependentieller Konstrukte entwickelt. Neben der Integration deklarativen und prozeduralen Wissens im Rahmen eines robust ablaufenden Parsing-Prozesses zielt diese Konzeption auch auf die unmittelbare Berücksichtigung von Textstrukturen in den Grammatikbeschreibungen und beim Parsing-Verfahren.

Analysen in diesem Bereich zielen auf die Behandlung bildhafter Sprache (vor allem Metonymien und ihrer Interaktion mit anderen, anaphorischen Textphänomenen) und der Interpretation von Bewertungsäußerungen durch Adjektive. Es zeigt sich, daß die zugrundeliegenden Interpretationsprozesse nicht ohne weitgehende terminologische Modellierung und klassifikationsbasiertes Schlußfolgern behandelt werden können.