Information-Retrieval und künstliche Intelligenz

252 Pages·2007·1.727 MB·German

by  Helmut Jarosch

Helmut Jarosch
Information Retrieval und Künstliche Intelligenz
WIRTSCHAFTSINFORMATIK
Helmut Jarosch
Information Retrieval
und Künstliche Intelligenz
Deutscher Universitäts-Verlag
Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
.
.
1. Au
1. Auflage April 2007
Alle Rechte vorbehalten
© Deutscher Universitäts-Verlag | GWVFachverlage GmbH, Wiesbaden 2007
Lektorat: Brigitte Siegel / Britta Göhrisch-Radmacher
Der Deutsche Universitäts-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
www.duv.de
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt.
Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes
ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbe-
sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. indiesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: Regine Zimmer, Dipl.-Designerin, Frankfurt/Main
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8350-0598-3
Vorwort
In nahezu allen Unternehmen gilt heute die effiziente Nutzung der Ressource
„Wissen“ als einer der kritischen Erfolgsfaktoren; dem Wissensmanagement
wird immer größere Aufmerksamkeit geschenkt. Häufig steht man dabei vor
dem Problem, aus einer ständig wachsenden Menge gespeicherter Text-Doku-
mente die für eine aktuelle Fragestellung relevanten Dokumente herauszu-
suchen.
Information-Retrieval-Systeme sollen den Benutzer bei der Informationssuche
unterstützen. Die verfügbaren Information-Retrieval-Systeme bieten dem unge-
übten Benutzer jedoch zu wenig Unterstützung. Da die zu recherchierenden
Texte in der Regel ohne lexikalische Kontrolle – und häufig noch dazu in ver-
schiedenen Sprachen - verfasst wurden, ist es dem Benutzer kaum möglich, die
treffenden Termini für seine Suchanfrage zu „erraten“. Die Benutzeroberfläche
solcher Systeme muss so gestaltet werden, dass auch der ungeübte Benutzer
seinen Informationsbedarf in einfacher Weise formulieren kann.
Nach der im vorliegenden Buch entwickelten Methode soll dieses Ziel erreicht
werden, indem Methoden, die im Forschungsgebiet der Künstlichen Intelligenz
(KI) entwickelt wurden, auf das Problem des Information Retrieval übertragen
werden: Zwischen den Benutzer und das Information-Retrieval-System soll sich
ein sogenannter KI-Assistent schieben, der dem Benutzer in dreierlei Hinsicht
Hilfe anbietet:
1. Durch eine geeignete Menüführung soll der Benutzer dabei unterstützt
werden, seine Suchanfrage nach einer semantisch orientierten Methode zu
konstruieren.
2. Mittels statistischer Verfahren sollen aus den textorientierten Recherche-
Ergebnissen Wörter ausgewählt und dem Benutzer zur Aufnahme in seine
Begriffskonstrukte angeboten werden.
VI Vorwort
3. Unter Verwendung von Methoden des Begriffslernens soll der Benutzer
dazu angeleitet werden, durch Boole’sche Operatoren und Kontext-Opera-
toren eine geeignete Verknüpfung seiner Begriffskonstrukte vorzunehmen,
so dass akzeptable Recherche-Ergebnisse erzielt werden.
Um diese Ziele schnell und effizient erreichen zu können, wird zunächst eine
spezielle System-Architektur entwickelt, durch die keine Eingriffe in die Soft-
ware des Information-Retrieval-Systems erforderlich sind. Ein KI-Assistent, der
zusätzliche Intelligenz in den Rechercheprozess einbringen soll, vermittelt zwi-
schen dem Benutzer und dem Information-Retrieval-System und hebt dadurch
die Benutzerkommunikation auf ein höheres Niveau.
Die Kommunikation des KI-Assistenten mit dem Benutzer und mit dem Infor-
mation-Retrieval-System sowie die Steuerungs- und Nachrichtenflüsse, die zwi-
schen den Komponenten des KI-Assistenten ablaufen, werden durch ein
Modell abstrakter Maschinen beschrieben.
Für die Formulierung der Algorithmen, nach denen die abstrakten Maschinen
arbeiten sollen, wird die Programmiersprache KOMPROMISS entworfen, die
eine objektorientierte Programmierung ermöglicht.
Um die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren, wird ein spezieller
KI-Assistent entwickelt, der den Benutzer bei der Online-Recherche unter-
stützen soll. Die dafür eingesetzten Lernverfahren aus dem Gebiet der Künst-
lichen Intelligenz und die Algorithmen der Massendatenverarbeitung werden
durch Teilsysteme abstrakter Maschinen realisiert. Ihre objektorientierte Archi-
tektur und ihre Kommunikationsflüsse werden aus der Aufgabenstellung abge-
leitet. Das Niveau der Software ist dabei durch abstrakte Datentypen und Kopro-
gramme charakterisiert.
Wichtige Anregungen für die Konzeption dieses Buches gehen auf Diskussionen
mit Herrn Prof. Dr. Erich Mater und Herrn Prof. Dr. Fritz Wysotzki zurück.
Ihnen sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Dank gilt auch der Fachhochschule
für Wirtschaft Berlin, die mir die ungestörte Arbeit an diesem Buch ermöglichte.
Helmut Jarosch
VII
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ..................................................................................... XI
Abkürzungsverzeichnis ................................................................................. XIII
Symbolverzeichnis ........................................................................................... XV
1 Einführung ................................................................................................... 1
1.1 Wissen als kritischer Erfolgsfaktor....................................................... 1
1.2 Aufgaben des Information-Retrieval-Systems...................................... 1
1.3 Aufgaben des KI-Assistenten ............................................................... 3
2 Entwurfsentscheidungen ............................................................................ 5
2.1 Erweiterungen auf dem Client oder auf dem Server? ........................... 5
2.2 Programmschnittstelle oder programmierter Dialog?........................... 6
2.3 Unterprogramme oder Koprogramme?................................................. 8
3 Modell der Einbindung eines KI-Assistenten ......................................... 13
3.1 Überblick über die Steuerungsflüsse .................................................. 13
3.2 Modell der Steuerungsflüsse .............................................................. 17
3.3 Routinen und Prozesse ....................................................................... 30
VIII Inhaltsverzeichnis
3.4 Typische Teilsysteme abstrakter Maschinen ...................................... 37
3.4.1 Lösung einer Aufgabe in Teilschritten .................................... 37
3.4.2 Abfordern von Teilergebnissen durch mehrere Maschinen .... 39
3.4.3 Exemplare abstrakter Datentypen............................................ 41
3.4.4 Die Maschine 'IRS' ................................................................ 44
3.4.5 Teilsysteme von Komaschinen ................................................ 45
3.5 Kommunikation des KI-Assistenten mit dem Benutzer ..................... 47
3.6 Entstehen und Vergehen des KI-Assistenten...................................... 49
3.7 Formen der Kommunikation............................................................... 50
4 Programmiersprache für den KI-Assistenten ........................................ 53
4.1 Sendepunkte ....................................................................................... 54
4.1.1 Nachrichtenaustausch .............................................................. 54
4.1.2 Steuerungsübergabe ................................................................ 58
4.1.2.1 Generierungspunkt .................................................... 58
4.1.2.2 Aktivierungspunkt ..................................................... 59
4.1.2.3 Aktivator-Rückkehrpunkt.......................................... 60
4.1.2.4 Endpunkt ................................................................... 60
4.2 Kommunikationspunkte...................................................................... 61
4.2.1 Lexikalische Analyse .............................................................. 61
4.2.2 Eintrittspunkt ........................................................................... 70
4.2.3 Dialogpunkt ............................................................................. 71
4.2.4 Austrittspunkt .......................................................................... 73
4.3 Steuerungsdienste ............................................................................... 73
4.4 Spezielle Datentypen .......................................................................... 74
4.4.1 Listen ....................................................................................... 74
4.4.2 Zeichenketten .......................................................................... 85
4.5 Implementierung der Programmiersprache ...................................... 105
Inhaltsverzeichnis IX
5 Entwurf eines KI-Assistenten ................................................................ 107
5.1 Aufgabenstellung für den KI-Assistenten ........................................ 107
5.2 Die Monitormaschine 'RECHERCHE' .......................................... 109
5.3 Die Maschine 'SUCHANFRAGE' ................................................ 110
5.3.1 Die Struktur der Suchanfrage ................................................ 110
5.3.2 Die Bearbeitung der Suchanfrage.......................................... 114
5.3.3 Das Teilsystem 'WÖRTERBUCH' .................................... 117
5.3.3.1 Modell des Wörterbuchs ......................................... 118
5.3.3.1.1 Aufbau des Wörterbuchs ........................ 120
5.3.3.1.2 Suche im Wörterbuch ............................. 128
5.3.3.2 Entwurf des Teilsystems 'WÖRTERBUCH' ....... 129
5.3.3.2.1 Verwaltung einer Wortmenge durch
einen Präfixbaum.................................... 132
5.3.3.2.2 Die Maschine 'ENDUNGSLISTE' ..... 139
5.3.3.2.3 Die Maschine 'WORTLISTE' ............. 142
5.3.3.3 Die durch das Teilsystem 'WÖRTERBUCH'
realisierte Intelligenz ............................................... 152
5.4 Das Teilsystem 'BEGRIFFSKONSTRUKTE
PRÄZISIEREN' ............................................................................. 153
5.5 Das Teilsystem 'SUCHANFRAGE KONSTRUIEREN' .......... 157
5.5.1 Problemstellung ..................................................................... 157
X Inhaltsverzeichnis
5.5.2 Methode für die Konstruktion des Klassifikators.................. 163
5.5.2.1 Ein allgemeiner Rekursions-Schritt......................... 166
5.5.2.1.1 Zuordnung der gesamten Objektmenge
zu einer Klasse........................................ 167
5.5.2.1.2 Ermittlung der zweckmäßigsten
Zerlegung ............................................... 171
5.5.2.1.3 Durchführung der Zerlegung.................. 179
5.5.2.1.4 Die durch den allgemeinen Rekursions-
Schritt realisierte Intelligenz................... 183
5.5.2.2 Der Gesamtprozess zur Konstruktion
des Klassifikators .................................................... 185
5.5.2.3 Optimierung des Klassifikators ............................... 187
5.5.3 Entwurf des Teilsystems 'SUCHANFRAGE
KONSTRUIEREN'............................................................. 196
5.6 Erreichte Ergebnisse beim Entwurf des KI-Assistenten ................... 206
6 Fazit und Ausblick .................................................................................. 209
Literaturverzeichnis ........................................................................................ 213
Glossar ............................................................................................................ 231