Benjamin Aunkofer - Podcast - KI in der Wirtschaftsprüfung

Podcast – KI in der Wirtschaftsprüfung

Die Verwendung von Künstlicher Intelligenz (KI) in der Wirtschaftsprüfung, wie Sie es beschreiben, klingt in der Tat revolutionär. Die Integration von KI in diesem Bereich könnte enorme Vorteile mit sich bringen, insbesondere in Bezug auf Effizienzsteigerung und Genauigkeit.

Benjamin Aunkofer - KI in der WirtschaftsprüfungDie verschiedenen von Ihnen genannten Lernmethoden wie (Un-)Supervised Learning, Reinforcement Learning und Federated Learning bieten unterschiedliche Ansätze, um KI-Systeme für spezifische Anforderungen der Wirtschaftsprüfung zu trainieren. Diese Methoden ermöglichen es, aus großen Datenmengen Muster zu erkennen, Vorhersagen zu treffen und Entscheidungen zu optimieren.

Der Artificial Auditor von AUDAVIS, der auf einer Kombination von verschiedenen KI-Verfahren basiert, könnte beispielsweise in der Lage sein, 100% der Buchungsdaten zu analysieren, was mit herkömmlichen Methoden praktisch unmöglich wäre. Dies würde nicht nur die Genauigkeit der Prüfung verbessern, sondern auch Betrug und Fehler effektiver aufdecken.

Der Punkt, den Sie über den Podcast Unf*ck Your Datavon Dr. Christian Krug und die Aussagen von Benjamin Aunkofer ansprechen, ist ebenfalls interessant. Es scheint, dass die Diskussion darüber, wie Datenautomatisierung und KI die Wirtschaftsprüfung effizienter gestalten können, bereits im Gange ist und dabei hilft, das Bewusstsein für diese Technologien zu schärfen und ihre Akzeptanz in der Branche zu fördern.

Es wird dabei im Podcast betont, dass die Rolle des menschlichen Prüfers durch KI nicht ersetzt, sondern ergänzt wird. KI kann nämlich dabei helfen, Routineaufgaben zu automatisieren und komplexe Datenanalysen durchzuführen, während menschliche Experten weiterhin für ihre Fachkenntnisse, ihr Urteilsvermögen und ihre Fähigkeit, den Kontext zu verstehen, unverzichtbar bleiben.

Insgesamt spricht Benjamin Aunkofer darüber, dass die Integration von KI in die Wirtschaftsprüfung bzw. konkret in der Jahresabschlussprüfung ein aufregender Schritt in Richtung einer effizienteren und effektiveren Zukunft sei, der sowohl Unternehmen als auch die gesamte Volkswirtschaft positiv beeinflussen wird.

Benjamin Aunkofer - Podcast - KI in der Wirtschaftsprüfung

Benjamin Aunkofer – Podcast – KI in der Wirtschaftsprüfung

Object-centric Data Modelling for Process Mining and BI

Object-centric Process Mining on Data Mesh Architectures

In addition to Business Intelligence (BI), Process Mining is no longer a new phenomenon, but almost all larger companies are conducting this data-driven process analysis in their organization.

The database for Process Mining is also establishing itself as an important hub for Data Science and AI applications, as process traces are very granular and informative about what is really going on in the business processes.

The trend towards powerful in-house cloud platforms for data and analysis ensures that large volumes of data can increasingly be stored and used flexibly. This aspect can be applied well to Process Mining, hand in hand with BI and AI.

New big data architectures and, above all, data sharing concepts such as Data Mesh are ideal for creating a common database for many data products and applications.

The Event Log Data Model for Process Mining

Process Mining as an analytical system can very well be imagined as an iceberg. The tip of the iceberg, which is visible above the surface of the water, is the actual visual process analysis. In essence, a graph analysis that displays the process flow as a flow chart. This is where the processes are filtered and analyzed.

The lower part of the iceberg is barely visible to the normal analyst on the tool interface, but is essential for implementation and success: this is the Event Log as the data basis for graph and data analysis in Process Mining. The creation of this data model requires the data connection to the source system (e.g. SAP ERP), the extraction of the data and, above all, the data modeling for the event log.

Simple Data Model for a Process Mining Event Log

Simple Data Model for a Process Mining Event Log.

As part of data engineering, the data traces that indicate process activities are brought into a log-like schema. A simple event log is therefore a simple table with the minimum requirement of a process number (case ID), a time stamp and an activity description.

Event Log in Process Mining

Example Event Log for Process Mining

An Event Log can be seen as one big data table containing all the process information. Splitting this big table into several data tables is due to the goal of increasing the efficiency of storing the data in a normalized database.

The following example SQL-query is inserting Event-Activities from a SAP ERP System into an existing event log database table (one big table). It shows that events are based on timestamps (CPUDT, CPUTM) and refer each to one of a list of possible activities (dependent on VGABE).

Attention: Please see this SQL as a pure example of event mining for a classic (single table) event log! It is based on a German SAP ERP configuration with customized processes.

An Event Log can also include many other columns (attributes) that describe the respective process activity in more detail or the higher-level process context.

Incidentally, Process Mining can also work with more than just one timestamp per activity. Even the small Process Mining tool Fluxicon Disco made it possible to handle two activities from the outset. For example, when creating an order in the ERP system, the opening and closing of an input screen could be recorded as a timestamp and the execution time of the micro-task analyzed. This concept is continued as so-called task mining.

Task Mining

Task Mining is a subtype of Process Mining and can utilize user interaction data, which includes keystrokes, mouse clicks or data input on a computer. It can also include user recordings and screenshots with different timestamp intervals.

As Task Mining provides a clearer insight into specific sub-processes, program managers and HR managers can also understand which parts of the process can be automated through tools such as RPA. So whenever you hear that Process Mining can prepare RPA definitions you can expect that Task Mining is the real deal.

Machine Learning for Process and Task Mining on Text and Video Data

Process Mining and Task Mining is already benefiting a lot from Text Recognition (Named-Entity Recognition, NER) by Natural Lamguage Processing (NLP) by identifying events of processes e.g. in text of tickets or e-mails. And even more Task Mining will benefit form Computer Vision since videos of manufacturing processes or traffic situations can be read out. Even MTM analysis can be done with Computer Vision which detects movement and actions in video material.

Object-Centric Process Mining

Object-centric Process Data Modeling is an advanced approach of dynamic data modelling for analyzing complex business processes, especially those involving multiple interconnected entities. Unlike classical process mining, which focuses on linear sequences of activities of a specific process chain, object-centric process mining delves into the intricacies of how different entities, such as orders, items, and invoices, interact with each other. This method is particularly effective in capturing the complexities and many-to-many relationships inherent in modern business processes.

Note from the author: The concept and name of object-centric process mining was introduced by Wil M.P. van der Aalst 2019 and as a product feature term by Celonis in 2022 and is used extensively in marketing. This concept is based on dynamic data modelling. I probably developed my first event log made of dynamic data models back in 2016 and used it for an industrial customer. At that time, I couldn’t use the Celonis tool for this because you could only model very dedicated event logs for Celonis and the tool couldn’t remap the attributes of the event log while on the other hand a tool like Fluxicon disco could easily handle all kinds of attributes in an event log and allowed switching the event perspective e.g. from sales order number to material number or production order number easily.

An object-centric data model is a big deal because it offers the opportunity for a holistic approach and as a database a single source of truth for Process Mining but also for other types of analytical applications.

Enhancement of the Data Model for Obect-Centricity

The Event Log is a data model that stores events and their related attributes. A classic Event Log has next to the Case ID, the timestamp and a activity description also process related attributes containing information e.g. about material, department, user, amounts, units, prices, currencies, volume, volume classes and much much more. This is something we can literally objectify!

The problem of this classic event log approach is that this information is transformed and joined to the Event Log specific to the process it is designed for.

An object-centric event log is a central data store for all kind of events mapped to all relevant objects to these events. For that reason our event log – that brings object into the center of gravity – we need a relational bridge table (Event_Object_Relation) into the focus. This tables creates the n to m relation between events (with their timestamps and other event-specific values) and all objects.

For fulfillment of relational database normalization the object table contains the object attributes only but relates their object attribut values from another table to these objects.

Advanced Event Log with dynamic Relations between Objects and Events

Advanced Event Log with dynamic Relations between Objects and Events

The above showed data model is already object-centric but still can become more dynamic in order to object attributes by object type (e.g. the type material will have different attributes then the type invoice or department). Furthermore the problem that not just events and their activities have timestamps but also objects can have specific timestamps (e.g. deadline or resignation dates).

Advanced Event Log with dynamic Relations between Objects and Events and dynamic bounded attributes and their values to Events - And the same for Objects.

Advanced Event Log with dynamic Relations between Objects and Events and dynamic bounded attributes and their values to Events – And the same for Objects.

A last step makes the event log data model more easy to analyze with BI tools: Adding a classical time dimension adding information about each timestamp (by date, not by time of day), e.g. weekdays or public holidays.

Advanced Event Log with dynamic Relations between Objects and Events and dynamic bounded attributes and their values to Events and Objects. The measured timestamps (and duration times in case of Task Mining) are enhanced with a time-dimension for BI applications.

Advanced Event Log with dynamic Relations between Objects and Events and dynamic bounded attributes and their values to Events and Objects. The measured timestamps (and duration times in case of Task Mining) are enhanced with a time-dimension for BI applications.

For analysis the way of Business Intelligence this normalized data model can already be used. On the other hand it is also possible to transform it into a fact-dimensional data model like the star schema (Kimball approach). Also Data Science related use cases will find granular data e.g. for training a regression model for predicting duration times by process.

Note from the author: Process Mining is often regarded as a separate discipline of analysis and this is a justified classification, as process mining is essentially a graph analysis based on the event log. Nevertheless, process mining can be considered a sub-discipline of business intelligence. It is therefore hardly surprising that some process mining tools are actually just a plugin for Power BI, Tableau or Qlik.

Storing the Object-Centrc Analytical Data Model on Data Mesh Architecture

Central data models, particularly when used in a Data Mesh in the Enterprise Cloud, are highly beneficial for Process Mining, Business Intelligence, Data Science, and AI Training. They offer consistency and standardization across data structures, improving data accuracy and integrity. This centralized approach streamlines data governance and management, enhancing efficiency. The scalability and flexibility provided by data mesh architectures on the cloud are very beneficial for handling large datasets useful for all analytical applications.

Note from the author: Process Mining data models are very similar to normalized data models for BI reporting according to Bill Inmon (as a counterpart to Ralph Kimball), but are much more granular. While classic BI is satisfied with the header and item data of orders, process mining also requires all changes to these orders. Process mining therefore exceeds this data requirement. Furthermore, process mining is complementary to data science, for example the prediction of process runtimes or failures. It is therefore all the more important that these efforts in this treasure trove of data are centrally available to the company.

Central single source of truth models also foster collaboration, providing a common data language for cross-functional teams and reducing redundancy, leading to cost savings. They enable quicker data processing and decision-making, support advanced analytics and AI with standardized data formats, and are adaptable to changing business needs.

DATANOMIQ Data Mesh Cloud Architecture - This image is animated! Click to enlarge!

DATANOMIQ Data Mesh Cloud Architecture – This image is animated! Click to enlarge!

 

Central data models in a cloud-based Data Mesh Architecture (e.g. on Microsoft Azure, AWS, Google Cloud Platform or SAP Dataverse) significantly improve data utilization and drive effective business outcomes. And that´s why you should host any object-centric data model not in a dedicated tool for analysis but centralized on a Data Lakehouse System.

About the Process Mining Tool for Object-Centric Process Mining

Celonis is the first tool that can handle object-centric dynamic process mining event logs natively in the event collection. However, it is not neccessary to have Celonis for using object-centric process mining if you have the dynamic data model on your own cloud distributed with the concept of a data mesh. Other tools for process mining such as Signavio, UiPath, and process.science or even the simple desktop tool Fluxicon Disco can be used as well. The important point is that the data mesh approach allows you to easily generate classic event logs for each analysis perspective using the dynamic object-centric data model which can be used for all tools of process visualization…

… and you can also use this central data model to generate data extracts for all other data applications (BI, Data Science, and AI training) as well!

DATANOMIQ Cloud Architecture for Data Mesh - Process Mining, BI and Data Science Applications

Data Mesh Architecture on Cloud for BI, Data Science and Process Mining

Companies use Business Intelligence (BI), Data Science, and Process Mining to leverage data for better decision-making, improve operational efficiency, and gain a competitive edge. BI provides real-time data analysis and performance monitoring, while Data Science enables a deep dive into dependencies in data with data mining and automates decision making with predictive analytics and personalized customer experiences. Process Mining offers process transparency, compliance insights, and process optimization. The integration of these technologies helps companies harness data for growth and efficiency.

Applications of BI, Data Science and Process Mining grow together

More and more all these disciplines are growing together as they need to be combined in order to get the best insights. So while Process Mining can be seen as a subpart of BI while both are using Machine Learning for better analytical results. Furthermore all theses analytical methods need more or less the same data sources and even the same datasets again and again.

Bring separate(d) applications together with Data Mesh

While all these analytical concepts grow together, they are often still seen as separated applications. There often remains the question of responsibility in a big organization. If this responsibility is decided as not being a central one, Data Mesh could be a solution.

Data Mesh is an architectural approach for managing data within organizations. It advocates decentralizing data ownership to domain-oriented teams. Each team becomes responsible for its Data Products, and a self-serve data infrastructure is established. This enables scalability, agility, and improved data quality while promoting data democratization.

In the context of a Data Mesh, a Data Product refers to a valuable dataset or data service that is managed and owned by a specific domain-oriented team within an organization. It is one of the key concepts in the Data Mesh architecture, where data ownership and responsibility are distributed across domain teams rather than centralized in a single data team.

A Data Product can take various forms, depending on the domain’s requirements and the data it manages. It could be a curated dataset, a machine learning model, an API that exposes data, a real-time data stream, a data visualization dashboard, or any other data-related asset that provides value to the organization.

However, successful implementation requires addressing cultural, governance, and technological aspects. One of this aspect is the cloud architecture for the realization of Data Mesh.

Example of a Data Mesh on Microsoft Azure Cloud using Databricks

The following image shows an example of a Data Mesh created and managed by DATANOMIQ for an organization which uses and re-uses datasets from various data sources (ERP, CRM, DMS, IoT,..) in order to provide the data as well as suitable data models as data products to applications of Data Science, Process Mining (Celonis, UiPath, Signavio & more) and Business Intelligence (Tableau, Power BI, Qlik & more).

Data Mesh on Azure Cloud with Databricks and Delta Lake for Applications of Business Intelligence, Data Science and Process Mining.

Data Mesh on Azure Cloud with Databricks and Delta Lake for Applications of Business Intelligence, Data Science and Process Mining.

Microsoft Azure Cloud is favored by many companies, especially for European industrial companies, due to its scalability, flexibility, and industry-specific solutions. It offers robust IoT and edge computing capabilities, advanced data analytics, and AI services. Azure’s strong focus on security, compliance, and global presence, along with hybrid cloud capabilities and cost management tools, make it an ideal choice for industrial firms seeking to modernize, innovate, and improve efficiency. However, this concept on the Azure Cloud is just an example and can easily be implemented on the Google Cloud (GCP), Amazon Cloud (AWS) and now even on the SAP Cloud (Datasphere) using Databricks.

Databricks is an ideal tool for realizing a Data Mesh due to its unified data platform, scalability, and performance. It enables data collaboration and sharing, supports Delta Lake for data quality, and ensures robust data governance and security. With real-time analytics, machine learning integration, and data visualization capabilities, Databricks facilitates the implementation of a decentralized, domain-oriented data architecture we need for Data Mesh.

Furthermore there are also alternate architectures without Databricks but more cloud-specific resources possible, for Microsoft Azure e.g. using Azure Synapse instead. See this as an example which has many possible alternatives.

Summary – What value can you expect?

With the concept of Data Mesh you will be able to access all your organizational internal and external data sources once and provides the data as several data models for all your analytical applications. The data models are seen as data products with defined value, costs and ownership. Each applications has its own data model. While Data Science Applications have more raw data, BI applications get their well prepared star schema galaxy models, and Process Mining apps get normalized event logs. Using data sharing (in Databricks: Delta Sharing) data products or single datasets can be shared through applications and owners.

Monitoring of Jobskills with Data Engineering & AI

On own account, we from DATANOMIQ have created a web application that monitors data about job postings related to Data & AI from multiple sources (Indeed.com, Google Jobs, Stepstone.de and more).

The data is obtained from the Internet via APIs and web scraping, and the job titles and the skills listed in them are identified and extracted from them using Natural Language Processing (NLP) or more specific from Named-Entity Recognition (NER).

The skill clusters are formed via the discipline of Topic Modelling, a method from unsupervised machine learning, which show the differences in the distribution of requirements between them.

The whole web app is hosted and deployed on the Microsoft Azure Cloud via CI/CD and Infrastructure as Code (IaC).

The presentation is currently limited to the current situation on the labor market. However, we collect these over time and will make trends secure, for example how the demand for Python, SQL or specific tools such as dbt or Power BI changes.

Why we did it? It is a nice show-case many people are interested in. Over the time, it will provides you the answer on your questions related to which tool to learn! For DATANOMIQ this is a show-case of the coming Data as a Service (DaaS) Business.

Was ist eine Vektor-Datenbank? Und warum spielt sie für AI eine so große Rolle?

Wie können Unternehmen und andere Organisationen sicherstellen, dass kein Wissen verloren geht? Intranet, ERP, CRM, DMS oder letztendlich einfach Datenbanken mögen die erste Antwort darauf sein. Doch Datenbanken sind nicht gleich Datenbanken, ganz besonders, da operative IT-Systeme meistens auf relationalen Datenbanken aufsetzen. In diesen geht nur leider dann doch irgendwann das Wissen verloren… Und das auch dann, wenn es nie aus ihnen herausgelöscht wird!

Die meisten Datenbanken sind darauf ausgelegt, Daten zu speichern und wieder abrufbar zu machen. Neben den relationalen Datenbanken (SQL) gibt es auch die NoSQL-Datenbanken wie den Key-Value-Store, Dokumenten- und Graph-Datenbanken mit recht speziellen Anwendungsgebieten. Vektor-Datenbanken sind ein weiterer Typ von Datenbank, die unter Einsatz von AI (Deep Learning, n-grams, …) Wissen in Vektoren übersetzen und damit vergleichbarer und wieder auffindbarer machen. Diese Funktion der Datenbank spielt seinen Vorteil insbesondere bei vielen Dimensionen aus, wie sie Text- und Bild-Daten haben.

Databases Types: Vector Database, Graph Database, Key-Value-Database, Document Database, Relational Database with Row or Column oriented table structures

Datenbank-Typen in grobkörniger Darstellung. Es gibt in der Realität jedoch viele Feinheiten, Übergänge und Überbrückungen zwischen den Datenbanktypen, z. B. zwischen emulierter und nativer Graph-Datenbank. Manche Dokumenten- Vektor-Datenbanken können auch relationale Datenmodellierung. Und eigentlich relationale Datenbanken wie z. B. PostgreSQL können mit Zusatzmodulen auch Vektoren verarbeiten.

Vektor-Datenbanken speichern Daten grundsätzlich nicht relational oder in einer anderen Form menschlich konstruierter Verbindungen. Dennoch sichert die Datenbank gewissermaßen Verbindungen indirekt, die von Menschen jedoch – in einem hochdimensionalen Raum – nicht mehr hergeleitet werden können und sich auf bestimmte Kontexte beziehen, die sich aus den Daten selbst ergeben. Maschinelles Lernen kommt mit der nummerischen Auflösung von Text- und Bild-Daten (und natürlich auch bei ganz anderen Daten, z. B. Sound) am besten zurecht und genau dafür sind Vektor-Datenbanken unschlagbar.

Was ist eine Vektor-Datenbank?

Eine Vektordatenbank speichert Vektoren neben den traditionellen Datenformaten (Annotation) ab. Ein Vektor ist eine mathematische Struktur, ein Element in einem Vektorraum, der eine Reihe von Dimensionen hat (oder zumindest dann interessant wird, genaugenommen starten wir beim Null-Vektor). Jede Dimension in einem Vektor repräsentiert eine Art von Information oder Merkmal. Ein gutes Beispiel ist ein Vektor, der ein Bild repräsentiert: jede Dimension könnte die Intensität eines bestimmten Pixels in dem Bild repräsentieren.
Auf dieseVektor Datenbank Illustration (vereinfacht, symbolisch) Weise kann eine ganze Sammlung von Bildern als eine Sammlung von Vektoren dargestellt werden. Noch gängiger jedoch sind Vektorräume, die Texte z. B. über die Häufigkeit des Auftretens von Textbausteinen (Wörter, Silben, Buchstaben) in sich einbetten (Embeddings). Embeddings sind folglich Vektoren, die durch die Projektion des Textes auf einen Vektorraum entstehen.

Vektor-Datenbanken sind besonders nützlich, wenn man Ähnlichkeiten zwischen Vektoren finden muss, z. B. ähnliche Bilder in einer Sammlung oder die Wörter “Hund” und “Katze”, die zwar in ihren Buchstaben keine Ähnlichkeit haben, jedoch in ihrem Kontext als Haustiere. Mit Vektor-Algorithmen können diese Ähnlichkeiten schnell und effizient aufgespürt werden, was sich mit traditionellen relationalen Datenbanken sehr viel schwieriger und vor allem ineffizienter darstellt.

Vektordatenbanken können auch hochdimensionale Daten effizient verarbeiten, was in vielen modernen Anwendungen, wie zum Beispiel Deep Learning, wichtig ist. Einige Beispiele für Vektordatenbanken sind Elasticsearch / Vector Search, Weaviate, Faiss von Facebook und Annoy von Spotify.

Viele Lernalgorithmen des maschinellen Lernens basieren auf Vektor-basierter Ähnlichkeitsmessung, z. B. der k-Nächste-Nachbarn-Prädiktionsalgorithmus (Regression/Klassifikation) oder K-Means-Clustering. Die Ähnlichkeitsbetrachtung erfolgt mit Distanzmessung im Vektorraum. Die dafür bekannteste Methode, die Euklidische Distanz zwischen zwei Punkten, basiert auf dem Satz des Pythagoras (Hypotenuse ist gleich der Quadratwurzel aus den beiden Dimensions-Katheten im Quadrat, im zwei-dimensionalen Raum). Es kann jedoch sinnvoll sein, aus Gründen der Effizienz oder besserer Konvergenz des maschinellen Lernens andere als die Euklidische Distanz in Betracht zu ziehen.

Vectore-based distance measuring methods: Euclidean Distance L2-Norm, Manhatten Distance L1-Norm, Chebyshev Distance and Cosine Distance

Vectore-based distance measuring methods: Euclidean Distance L2-Norm, Manhatten Distance L1-Norm, Chebyshev Distance and Cosine Distance

Vektor-Datenbanken für Deep Learning

Der Aufbau von künstlichen Neuronalen Netzen im Deep Learning sieht nicht vor, dass ganze Sätze in ihren textlichen Bestandteilen in das jeweilige Netz eingelesen werden, denn sie funktionieren am besten mit rein nummerischen Input. Die Texte müssen in diese transformiert werden, eventuell auch nach diesen in Cluster eingeteilt und für verschiedene Trainingsszenarien separiert werden.

Vektordatenbanken werden für die Datenvorbereitung (Annotation) und als Trainingsdatenbank für Deep Learning zur effizienten Speicherung, Organisation und Manipulation der Texte genutzt. Für Natural Language Processing (NLP) benötigen Modelle des Deep Learnings die zuvor genannten Word Embedding, also hochdimensionale Vektoren, die Informationen über Worte, Sätze oder Dokumente repräsentieren. Nur eine Vektordatenbank macht diese effizient abrufbar.

Vektor-Datenbank und Large Language Modells (LLM)

Ohne Vektor-Datenbanken wären die Erfolge von OpenAI und anderen Anbietern von LLMs nicht möglich geworden. Aber fernab der Entwicklung in San Francisco kann jedes Unternehmen unter Einsatz von Vektor-Datenbanken und den APIs von Google, OpenAI / Microsoft oder mit echten Open Source LLMs (Self-Hosting) ein wahres Orakel über die eigenen Unternehmensdaten herstellen. Dazu werden über APIs die Embedding-Engines z. B. von OpenAI genutzt. Wir von DATANOMIQ nutzen diese Architektur, um Unternehmen und andere Organisationen dazu zu befähigen, dass kein Wissen mehr verloren geht.
Vektor-Datenbank für KI-Applikation (z. B. OpenAI ChatGPT)

Mit der DATANOMIQ Enterprise AI Architektur, die auf jeder Cloud ausrollfähig ist, verfügen Unternehmen über einen intelligenten Unternehmens-Repräsentanten als KI, der für Mitarbeiter relevante Dokumente und Antworten auf Fragen liefert. Sollte irgendein Mitarbeiter im Unternehmen bereits einen bestimmten Vorgang, Vorfall oder z. B. eine technische Konstruktion oder einen rechtlichen Vertrag bearbeitet haben, der einem aktuellen Fall ähnlich ist, wird die AI dies aufspüren und sinnvollen Kontext, Querverweise oder Vorschläge oder lückenauffüllende Daten liefern.

Die AI lernt permanent mit, Unternehmenswissen geht nicht verloren. Das ist Wissensmanagement auf einem neuen Level, dank Vektor-Datenbanken und KI.

Big Data – Das Versprechen wurde eingelöst

Big Data tauchte als Buzzword meiner Recherche nach erstmals um das Jahr 2011 relevant in den Medien auf. Big Data wurde zum Business-Sprech der darauffolgenden Jahre. In der Parallelwelt der ITler wurde das Tool und Ökosystem Apache Hadoop quasi mit Big Data beinahe synonym gesetzt. Der Guardian verlieh Apache Hadoop mit seinem Konzept des Distributed Computing mit MapReduce im März 2011 bei den MediaGuardian Innovation Awards die Auszeichnung “Innovator of the Year”. Im Jahr 2015 erlebte der Begriff Big Data in der allgemeinen Geschäftswelt seine Euphorie-Phase mit vielen Konferenzen und Vorträgen weltweit, die sich mit dem Thema auseinandersetzten. Dann etwa im Jahr 2018 flachte der Hype um Big Data wieder ab, die Euphorie änderte sich in eine Ernüchterung, zumindest für den deutschen Mittelstand. Die große Verarbeitung von Datenmassen fand nur in ganz bestimmten Bereichen statt, die US-amerikanischen Tech-Riesen wie Google oder Facebook hingegen wurden zu Daten-Monopolisten erklärt, denen niemand das Wasser reichen könne. Big Data wurde für viele Unternehmen der traditionellen Industrie zur Enttäuschung, zum falschen Versprechen.

Von Big Data über Data Science zu AI

Einer der Gründe, warum Big Data insbesondere nach der Euphorie wieder aus der Diskussion verschwand, war der Leitspruch “Shit in, shit out” und die Kernaussage, dass Daten in großen Mengen nicht viel wert seien, wenn die Datenqualität nicht stimme. Datenqualität hingegen, wurde zum wichtigen Faktor jeder Unternehmensbewertung, was Themen wie Reporting, Data Governance und schließlich dann das Data Engineering mehr noch anschob als die Data Science.

Google Trends - Big Data (blue), Data Science (red), Business Intelligence (yellow) und Process Mining (green).

Google Trends – Big Data (blue), Data Science (red), Business Intelligence (yellow) und Process Mining (green). Quelle: https://trends.google.de/trends/explore?date=2011-03-01%202023-01-03&geo=DE&q=big%20data,data%20science,Business%20Intelligence,Process%20Mining&hl=de

Small Data wurde zum Fokus für die deutsche Industrie, denn “Big Data is messy!”1 und galt als nur schwer und teuer zu verarbeiten. Cloud Computing, erst mit den Infrastructure as a Service (IaaS) Angeboten von Amazon, Microsoft und Google, wurde zum Enabler für schnelle, flexible Big Data Architekturen. Zwischenzeitlich wurde die Business Intelligence mit Tools wie Qlik Sense, Tableau, Power BI und Looker (und vielen anderen) weiter im Markt ausgebaut, die recht neue Disziplin Process Mining (vor allem durch das deutsche Unicorn Celonis) etabliert und Data Science schloss als Hype nahtlos an Big Data etwa ab 2017 an, wurde dann ungefähr im Jahr 2021 von AI als Hype ersetzt. Von Data Science spricht auf Konferenzen heute kaum noch jemand und wurde hype-technisch komplett durch Machine Learning bzw. Artificial Intelligence (AI) ersetzt. AI wiederum scheint spätestens mit ChatGPT 2022/2023 eine neue Euphorie-Phase erreicht zu haben, mit noch ungewissem Ausgang.

Big Data Analytics erreicht die nötige Reife

Der Begriff Big Data war schon immer etwas schwammig und wurde von vielen Unternehmen und Experten schnell auch im Kontext kleinerer Datenmengen verwendet.2 Denn heute spielt die Definition darüber, was Big Data eigentlich genau ist, wirklich keine Rolle mehr. Alle zuvor genannten Hypes sind selbst Erben des Hypes um Big Data.

Während vor Jahren noch kleine Datenanalysen reichen mussten, können heute dank Data Lakes oder gar Data Lakehouse Architekturen, auf Apache Spark (dem quasi-Nachfolger von Hadoop) basierende Datenbank- und Analysesysteme, strukturierte Datentabellen über semi-strukturierte bis komplett unstrukturierte Daten umfassend und versioniert gespeichert, fusioniert, verknüpft und ausgewertet werden. Das funktioniert heute problemlos in der Cloud, notfalls jedoch auch in einem eigenen Rechenzentrum On-Premise. Während in der Anfangszeit Apache Spark noch selbst auf einem Hardware-Cluster aufgesetzt werden musste, kommen heute eher die managed Cloud-Varianten wie Microsoft Azure Synapse oder die agnostische Alternative Databricks zum Einsatz, die auf Spark aufbauen.

Die vollautomatisierte Analyse von textlicher Sprache, von Fotos oder Videomaterial war 2015 noch Nische, gehört heute jedoch zum Alltag hinzu. Während 2015 noch von neuen Geschäftsmodellen mit Big Data geträumt wurde, sind Data as a Service und AI as a Service heute längst Realität!

ChatGPT und GPT 4 sind King of Big Data

ChatGPT erschien Ende 2022 und war prinzipiell nichts Neues, keine neue Invention (Erfindung), jedoch eine große Innovation (Marktdurchdringung), die großes öffentliches Interesse vor allem auch deswegen erhielt, weil es als kostenloses Angebot für einen eigentlich sehr kostenintensiven Service veröffentlicht und für jeden erreichbar wurde. ChatGPT basiert auf GPT-3, die dritte Version des Generative Pre-Trained Transformer Modells. Transformer sind neuronale Netze, sie ihre Input-Parameter nicht nur zu Klasseneinschätzungen verdichten (z. B. ein Bild zeigt einen Hund, eine Katze oder eine andere Klasse), sondern wieder selbst Daten in ähnliche Gestalt und Größe erstellen. So wird aus einem gegeben Bild ein neues Bild, aus einem gegeben Text, ein neuer Text oder eine sinnvolle Ergänzung (Antwort) des Textes. GPT-3 ist jedoch noch komplizierter, basiert nicht nur auf Supervised Deep Learning, sondern auch auf Reinforcement Learning.
GPT-3 wurde mit mehr als 100 Milliarden Wörter trainiert, das parametrisierte Machine Learning Modell selbst wiegt 800 GB (quasi nur die Neuronen!)3.

ChatGPT basiert auf GPT3.5 und wurde in 3 Schritten trainiert. Neben Supervised Learning kam auch Reinforcement Learning zum Einsatz.

ChatGPT basiert auf GPT-3.5 und wurde in 3 Schritten trainiert. Neben Supervised Learning kam auch Reinforcement Learning zum Einsatz. Quelle: openai.com

GPT-3 von openai.com war 2021 mit 175 Milliarden Parametern das weltweit größte Neuronale Netz der Welt.4 

Größenvergleich: Parameteranzahl GPT-3 vs GPT-4

Größenvergleich: Parameteranzahl GPT-3 vs GPT-4 Quelle: openai.com

Der davor existierende Platzhirsch unter den Modellen kam von Microsoft mit “nur” 10 Milliarden Parametern und damit um den Faktor 17 kleiner. Das nun neue Modell GPT-4 ist mit 100 Billionen Parametern nochmal 570 mal so “groß” wie GPT-3. Dies bedeutet keinesfalls, dass GPT-4 entsprechend 570 mal so fähig sein wird wie GPT-3, jedoch wird der Faktor immer noch deutlich und spürbar sein und sicher eine Erweiterung der Fähigkeiten bedeuten.

Was Big Data & Analytics heute für Unternehmen erreicht

Auf Big Data basierende Systeme wie ChatGPT sollte es – der zuvor genannten Logik folgend – jedoch eigentlich gar nicht geben dürfen, denn die rohen Datenmassen, die für das Training verwendet wurden, konnten nicht im Detail auf ihre Qualität überprüft werden. Zum Einen mittelt die Masse an Daten die in ihnen zu findenden Fehler weitgehend raus, zum Anderen filtert Deep Learning selbst relevante Muster und unliebsame Ausreißer aus den Datenmassen heraus. Neuronale Netze, der Kern des Deep Learning, können durchaus als große Filter verstanden und erklärt werden.

Davon abgesehen, dass die neuen ChatBot-APIs von den Cloud-Providern Microsoft, Google und auch Amazon genutzt werden können, um Arbeitsprozesse und Kommunikation zu automatisieren, wird Big Data heute in vielen Unternehmen dazu eingesetzt, um Unternehmens-/Finanzkennzahlen auszuwerten und vorherzusagen, um Produktionsqualität zu überwachen, um Maschinen-Sensordaten mit den Geschäftsdaten aus ERP-, MES- und CRM-Systemen zu verheiraten, um operative Prozesse über mehrere IT-Systeme hinweg zu rekonstruieren und auf Schwachstellen hin zu untersuchen und um Schlussendlich auch den weiteren Datenhunger zu stillen, z. B. über Text-Extraktion aus Webseiten (Intelligence Gathering), die mit NLP und Computer Vision mächtiger wird als je zuvor.

Big Data hält sein Versprechen dank AI

Die frühere Enttäuschung aus Big Data resultierte aus dem fehlenden Vermittler zwischen Big Data (passive Daten) und den Applikationen (z. B. Industrie 4.0). Dieser Vermittler ist der aktive Part, die AI und weiterführende Datenverarbeitung (z. B. Lakehousing) und Analysemethodik (z. B. Process Mining). Davon abgesehen, dass mit AI über Big Data bereits in Medizin und im Verkehrswesen Menschenleben gerettet wurden, ist Big Data & AI längst auch in gewöhnlichen Unternehmen angekommen. Big Data hält sein Versprechen für Unternehmen doch noch ein und revolutioniert Geschäftsmodelle und Geschäftsprozesse, sichert so Wettbewerbsfähigkeit. Zumindest, wenn Unternehmen sich auf diesen Weg tatsächlich einlassen.

Quellen:

  1. Edd Dumbill: What is big data? An introduction to the big data landscape. (Memento vom 23. April 2014 im Internet Archive) auf: strata.oreilly.com.
  2. Fergus Gloster: Von Big Data reden aber Small Data meinen. Computerwoche, 1. Oktober 2014
  3. Bussler, Frederik (July 21, 2020). “Will GPT-3 Kill Coding?”. Towards Data Science. Retrieved August 1, 2020.2022
  4. developer.nvidia.com, 1. Oktober 2014
Interview Benjamin Aunkofer - Datenstrategien und Data Teams entwickeln!

Interview – Datenstrategie und Data Teams entwickeln!

Das Format Business Talk am Kudamm in Berlin führte ein drittes Interview mit Benjamin Aunkofer zum Thema “Datenstrategie und Data Team Organisation”.

In dem Interview erklärt Benjamin Aunkofer, was Unternehmen Datenstrategien entwickeln, um Ihren Herausforderungen gerecht zu werden. Außerdem gibt er Tipps, wie Unternehmen ein fähiges Data Team aufbauen, qualifizieren und halten.

Nachfolgend das Interview auf Youtube sowie die schriftliche Form zum Nachlesen:


Interview – Datenstrategien und Aufbau von Data Teams

  1. Herr Aunkofer, Sie unterstützen Unternehmen u.a. bei der Entwicklung von Datenstrategien und dem Aufbau von Data Teams. Was genau ist denn eine Datenstrategie?Eine Datenstrategie ist eine Strategie über die Nutzung von Daten zur Geschäftsoptimierung. Man kann auch sagen: Eine Datenstrategie ist ein Business Plan darüber, wie Daten richtig im Unternehmen genutzt werden sollen.Abgesehen vom Aufbau neuer eigener Geschäftsmodelle mit Daten, können grundsätzlich drei Faktoren im Unternehmen mit der Nutzung von Daten optimiert werden.1. Umsätze, also die Erhöhung der Umsätze durch bessere Produkte oder durch besseres Verständnis der Kunden
    2. Die Reduktion von Kosten und
    3. die verbesserte Risikoerkennung und -bewertung, z. B. in der Wirtschaftsprüfung.Eine Datenstrategie ist abgerichtet auf die Unternehmensziele und ist der Masterplan dafür, diese auch zu erreichen.
  2. Und was sind die typischen Ziele mit denen Kunden an Sie herantreten?Das hängt stark von der Branche ab, also Handelsunternehmen wollen vor allem die Kunden besser verstehen, Marketing besser ausrichten oder auch Produkte verbessern. Immobilienunternehmen wollen stets DIE Markttransparenz für sich und industrielle Unternehmen, also Maschinenbau, Zulieferer, Pharma usw. wollen meistens intelligente Produkte, oder mehr noch, schlanke Prozesse zur Kosteneinsparung, aber auch, um mehr Umsatz zu machen, denn Schnelligkeit heißt Wettbewerbsfähigkeit.Am Ende ist das aber auch alles sehr individuell von Unternehmen zu Unternehmen.
  3. Die Entwicklung einer Datenstrategie erfordert sicherlich ein systematisches Vorgehen. Was sind die wichtigsten Schritte?Ja genau, wir haben da eine generelle Vorgehensweise. Verkürzt erläutert, in fünf Schritten, wollen wir zu Anfang erstmal die Unternehmensvision für die nächste Zeit wissen und diese, wenn nicht schon gegeben, in klare Unternehmensziele herunter gebrochen haben. Das ist der erste und wichtigste Schritt.Weil, wenn wir das haben, dann können wir die dafür relevanten Daten und Datenquellen identifizieren. Das sind vielleicht unternehmensinterne Daten aus den IT-Systemen, ERP, CRM usw. und manchmal auch noch Daten aus unternehmensexternen Quellen, z. B. aus dem Social Media, Marktplattformen, Open Data usw. In manchen Fällen dreht sich auch alles nur um interne oder nur um externe Daten. Auch prüfen wir natürlich, ob Daten erst noch generiert oder gesammelt werden müssen und wie es um den rechtlichen Rahmen bzgl. der Nutzung steht. Das war der zweite Schritt.Wenn die relevanten Datenquellen identifiziert sind, sind im dritten Schritt die richtigen Methoden der Datennutzung auszumachen, z. B. der Aufbau einer Datenplattform, vielleicht ein Data Warehouse zur Datenkonsolidierung, Process Mining zur Prozessanalyse oder Predictive Analytics für den Aufbau eines bestimmten Vorhersagesystems, KI zur Anomalieerkennung oder je nach Ziel etwas ganz anderes.Der vierte Schritt ist die Überlegung, wie das ganze organisatorisch gelöst werden soll, also z. B. über eine zentrale verantwortliche Stelle im Unternehmen oder dezentral in bestimmten Fachabteilungen? Stehen die dafür richtigen Mitarbeiter zur Verfügung? Müssen Qualifizierungsmaßnahmen getroffen werden? Im Grunde kennt das wohl jeder, dass Unternehmen einfach z. B. ein Tool eingeführt haben, dass dann aber nicht genutzt wird. Dies müssen wir zu verwenden wissen.Tja und wenn das auch erledigt ist, muss das alles nur nochmal aufgeschrieben und in eine Planung mit Meilensteinen gebracht werden. Budgets, Staffing, Make or Buy usw. kommt da alles rein. Und voila, dann haben wir unsere Datenstrategie.
  4. Unterstützen Sie auch bei der Umsetzung der Datenstrategien?Ja klar, schon viel gemacht, sogar in verschiedensten Branchen. Diese Arbeit macht sogar großen Spaß für alle Beteiligten und es gibt nichts Spannenderes, als diesen Plan in die Zukunft zu gestalten.
  5. Sie arbeiten nicht nur als externer Dienstleister, sondern bietet auch Hilfestellung beim Aufbau und der Ausbildung eigener Data Teams. Welche Weiterbildungsformate bieten Sie an?Also wenn es hier einen Fachkräftemangel gibt, dann definitiv bei den Datenexperten. Übrigens nicht mehr so stark bei den Data Scientists, auch wenn richtig gute Mitarbeiter ebenfalls rar gesät sind, den größten Bedarf haben Unternehmen eher bei den Data Engineers. Das sind die Kollegen, die die Data Warehouses oder Data Lakes aufbauen und pflegen.Es gibt aber viele junge Leute, die da gerne einsteigen wollen. Das Problem auf der anderen Seite ist jedoch, dass Unternehmen natürlich eher erfahrene Leute suchen, die schneller und besser mit den großen Praxisproblemen klarkommen, die in den Datenarchitekturen sich nun mal so einschleichen. Diese erfahrenen Experten sind aber schwer zu finden und Stellen daher meistens sehr lange unbesetzt, oder dann mit Mitarbeitern, die kein Deutsch sprechen können.Wo wir von DATANOMIQ helfen können: Durch uns als Coach können Unternehmen auf ihrer Suche dem DEM Superexperten auch einfach günstigere, unerfahrene, aber motivierte Leute einstellen. Motivation der Mitarbeiter ist nicht zu unterschätzen! Als externer Dienstleister können wir dann unterstützen und schulen zu gleich. Und das machen wir über drei verschiedene Stufen:Trainings, Workshops und Coachings.Beim Training arbeiten wir mit Didaktik. Die Daten sind einfach gehalten und beispielhaft, denn wir möchten nicht zu lange über sie reden, sondern über die richtige Methodik der Datenaufbereitung oder Datenanalyse.Beim Workshop behandeln wir das reale Problem mit den echten Daten, mit denen der Mitarbeiter im Unternehmen konfrontiert ist. Hier schauen wir erstmal gemeinsam blöd aus der Wäsche, aber erarbeiten uns dann gemeinsam zügig die Lösung.

    Und beim Coaching schauen wir dann eigentlich nur zu und geben Ratschläge, wie man besser an die Aufgabenstellung herangehen könnte. Der Mitarbeiter hat also selbst das Zepter in der Hand und das Doing.Wir sind dann nur der Support.

    So können wir Stellen schnell besetzen und niemand muss Sorge haben, dass die Kompetenz nicht ausreicht. Auf diese Weise habe ich schon mehrere Data Teams für Kunden aufgebaut und parallel natürlich auch mein eigenes.

 

Sehen Sie die zwei anderen Video-Interviews von Benjamin Aunkofer:

 

 

 

 

 

 


 

How to tackle lack of data: an overview on transfer learning

1, Data is the new oil, but labeled data might be closer to it

Even though we have been in the 3rd AI boom and machine learning is showing concrete effectiveness at a commercial level, after the first two AI booms we are facing a problem: lack of labeled data or data themselves. The increasing number of papers on deep learning demonstrate that researches on AI have developed rapidly recently. If architectures of neural networks and supervised learning are all you know about deep learning, you will be overwhelmed by complications of topics studied these days, for example generative models, making more compact neural net models by for example knowledge distillation, and explainable AI (XAI). Those researches are often conducted on easily available benchmark datasets which you can easily download, often with corresponding ground truth data (label data) necessary for training. However once you try to apply the techniques to more specific data, you usually cannot prepare enough label data which theoretical researches assume. Thus among fascinating deep learning topics, in this article I am going to pick up how to tackle lack of label or data themselves, and transfer learning. Transfer learning is a technique of machine learning to take advantages of knowledge learned in one dataset to deal with a task in another dataset. Presumably due to this fact, Andrew Ng, in his presentation in NeurIPS 2016, gave a rough and abstract predictions of how transfer learning in machine learning would make commercial success like white lines in the figure below. The explanation is straightforward, and given the trends in topics of researches on machine learning these days, this prediction is actually right. But at the same time, in my opinion supervised learning, transfer learning, and unsupervised learning cannot be clearly separated like the graph originally suggested by Andrew Ng. Those fields complement each other, and one can easily shift to another.

Source: https://ruder.io/transfer-learning/ The lines and texts in white are based on explanations by Andrew Ng. The orange cells are placed at random, so not that they represent commercial success of each field.

Along with the rapid progress of deep learning mentioned above, a lot of hypes and catchphrases regarding big data and machine learning were made, and an interesting one is “Data is the new oil.” That might have been said only because big data is sources of various industries. But I would say, the characteristic is more striking in training data for machine learning. Distributions of training data for machine learning are more complicated like various energy resources besides oil in the world. Labeled data might be also like uranium. Just as uranium-235 accounting for only less than one percent of uranium in the world can be used to generate energy, only a part of massive data in the world is labeled such that they can be used for supervised machine learning. And as uranium-235 is used effectively jointly with less active uranium-238, labeled data show greater potentials with unlabeled data. And training data for machine learning have another unpleasant analogy to energy resources. Like most mainstream energy resources, only limited companies or institutions would be able to mine and refine huge labeled datasets with gigantic computation resources, and most people more or less need to rely on that for their business. Even though alternative renewable energy resources are proposed, principal energy resources are indispensable for making industries stable. As well, even though a lot of techniques actually have been proposed to lack of data, it often turns out just fine-tuning pre-trained models is the most practical, which need huge datasets and rich computational resources. And I think recent success in for example BERT or GPT made this trend more visible.

*I am sorry in a case I am mistaken about energy resources. I just wanted to come up with some cool metaphors.

But I still think knowing about transfer learning more comprehensively would be effective. That is partly because I have been working on relatively unique data which are hard to even label. As I was studying computer vision (CV) in plant science field, I frequently saw relatively unique data obtained with special apparatuses. Such data are for the most part look far from very general dataset, which huge pre-trained models are trained on. At the same time such plant data have very complicated structures and hard to label. And also in my work, have to detect certain values in various formats in very specific documents, in German. Such data are far from general datasets, and even labeling is hard in that case. We have to carefully tackle lack of data every time on each type of data in that case.

In this article I would first like to explain in the first place what it is like to lack data and next introduce representative techniques to tackle lack of labeled data. Many of them are classified to transfer learning, but other techniques like unsupervised learning or self-supervised learning are used in them or share a lot in their ideas. Thus my main purpose of writing this article is to let you have a richer view on transfer learning. And you would see “transfer learning” these days are mainly about fine-tuning of pre-trained models. Also how to tackle lack of data or labels is in other words how to efficiently achieve good performance in machine learning. Thus even if tons of high quality labeled data are at your disposal, learning those ideas would be still effective to you. I hope you could find some hints of machine learning through my articles.

2, What does lack of data or labels mean in the first place?

We need to first consider what lack of labels or data means, and my answer to the title of this section is “It depends.” The more data you have, the better performances you get. And the bigger machine learning models are, the more data they usually need for training. I assume that people reading this article more or less understand neural networks and how they are trained with back propagation. But let’s review the process here. Most machine learning frameworks are more or less expressed like the figure below unless reinforcement learning is considered. The ultimate purpose of machine learning is to train a model f(\boldsymbol{x}_n;\boldsymbol{\theta}) by adjusting parameters \boldsymbol{\theta}. And the parameters \boldsymbol{\theta} are optimized so that a loss function L is minimized. If it is a supervised learning, the a value of a loss function is denoted L(f(\boldsymbol{x}_n, \boldsymbol{\theta}), \boldsymbol{y}_n) =L(\hat{\boldsymbol{y}}_n, \boldsymbol{y}_n), and it gets smaller as f(\boldsymbol{x}_n, \boldsymbol{\theta}) gets closer to \boldsymbol{y}_n. That is, \boldsymbol{y}_n is giving supervision to adjust f(\boldsymbol{\theta}) via L(\hat{\boldsymbol{y}}_n, \boldsymbol{y}_n). And in a case of unsupervised learning, a loss function is L(\hat{\boldsymbol{y}}_n), which is often heuristically handcrafted.

The very first problem from lacking training data you would learn is overfitting. That is, a machine learning model can be specialized too much for a training dataset, and it loses generalization to other data from the same dataset. It is like students with little imaginations and flexibility gradually memorizing all the answers in a textbook and failing to answer new questions they have not encountered yet. Overfitting is judged by relations of training and validation loss like in the graph below. Training loss in blue indicates how the students adjust to the textbook. The smaller the training loss is, the more they memorizes from the textbook and the less flexible they are. The orange line indicates their performance in newly appeared questions in tests. The smaller the validation loss is, the better the students perform on tests. Thus the students should stop learning with the textbook when the validation loss is about to increase. This is called early stopping in machine learning. And if you increase training data, the orange graph usually shifts to the right side, usually providing smaller validation loss, namely better performance. An important point is, this ideal relations of training and validation losses will not appear if sizes or expressivity of a model is not enough. Thus the more training data you use, the more parameters you need for the model to enhance its expressivity.

 

*Depending on sizes of training data, the curve of training loss also changes, so please bear it in mind that this graph is not correct and is very simplified.

What I said so far might sound too elementary. My point is, the more data you have, and the bigger computation resource you have, the better performance you get. In other words, machine learning has scalability with data and parameters. This characteristic is clearly observed in models in natural language processing (NLP) and computer vision (CV) like in the graphs below. When I read some papers,often I am very fascinated by their performances. But sometimes it turns out that the methods are mainly creatively in terms of how they increase training data, which is personally boring. And even if performance of GPT looks astonishing, I cannot really like them because of this simple fact.

However another important point is, conversely you don’t need to increase training data or parameters of a model once it achieves an ideal score in metrics. When you make a toy model with small training data, as long as your clients or co-researchers are already happy, that is enough. Therefore lack of data or labels has to be discussed depending on sizes of machine learning and their performances you expect. Given those points mentioned so far, my answer to the question “What does lack of data or labels mean?” would rephrased like “If your model is properly designed to reach the performance you expect and it starts overfitting, you are facing lack of data.” And such decisions basically has to be made based on experiments.

3, Types of lack of data

Even though I explained lack of labels or data is a contextual matter, the problems actually exist at any case. That is, you often fail to achieve ideas accuracy partly due to lack of training data. I would like to classify types of situations of data of label shortage as below.

We should first think about the case where lack of labels does not matter in the first place. If you can analyze data with statistical knowledge or unsupervised machine learning, just extracting data without labeling would be enough. And sometimes ad hoc analysis with simple data visualization will help your decision makings. And some dashboards made from those unlabeled data will already give you some insights into data.

The next case is that, popular machine learning fields with enough investments usually have huge datasets that huge academic institutes or companies have been preparing.  For example KITTI dataset, which include labels like trajectories and depth data, is by Karlsruhe Institute of Technology and Toyota Technological Institute. Such datasets are useful for self-driving-related researches, and many types of ground truth data are provided such as odometry, depth, opticla flow, detection. This kind of data might be considered “enough” only because they are enough for training machine learning models and quantitatively evaluating them in papers, regardless of practical usefulness at a commercial level. But at any rate, popular fields with large benchmark datasets are likely to get investments for commercial uses.

Next let’s see cases of data shortage. You should also keep it in mind that there are also several types of situations of data shortage. In fact there are cases where certain labels are supposed to be scarce such as classifications of imbalanced data, for example anomaly detection, judging spam mails,  or medical examination. In those problems only some percent of data are classified as “errors,” “spam,” or “disease,” and others are classified as “normal.” Just keeping classifying data into “normal” would give maybe more than 95% accuracy. But finding the rest some percent accurately is much more important. In this case model performances need to be evaluated with ROC curves, namely relations of true positives and false positives.

The next type is more related to cases assumed in transfer learning. Some data are in the first place very expensive to obtain. For example CT images have to be stored by special medical apparatuses as you know. And even if a lot of CT images are already obtained, annotating the images often needs professional skills, thus its annotations cost is high. Another case of high annotation cost is for example detection or segmentation of objects in images. Even if you can collect numerous images on the Internet, annotating bounding boxes or pixel-wise segments require a lot of time. Annotating around 1000 images  for classification might be ok, but annotating them at a pixel level is really time consuming. If you have a tablet, I would like you to paint each segment of objects in a picture with different colors. And you should multiply the time spent by 80,000, as many as the training images needed for Mask R-CNN, a popular model for instance segmentation. As you can imagine, it is a huge tediou work. Even preparing some 50 labeled images for fine-tuning is paiful, and even annotations for computer vision tasks itself is also a field of deep learning.

*I would say medical image processing is a relatively popular field in CV with deep learning, and there are several famous datasets on this field.

4, An overview on ways for dealing with lack of labeled data

I am going to first roughly introduce what kind of approaches can be taken to deal with lack of labeled data or data itself, but you should also keep it in mind that they are not clearly separated. Just as I am going to explain, one type of techniques can easily shift to another type. You should flexibly switch among them depending on your situations. And also please keep it in mind that these are well-studied areas, and tons of ingenious papers are announced one after another, usually giving slight changes in their performances. Problems I point out about each technique might not be a problem anymore with recently published researches on researches currently peer-read. It is hard to prove that something does not exist. Given those points, I think it is convenient to classify technique of dealing with label or data shortage as below.

Through this article, ideas of domains are important. A domain simply means a combination of a dataset and a task with it. Transfer learning is a family of machine learning techniques to make uses of knowledge learned in a domain to another domain, and the former is called a source domain, the latter a target domain. And discrepancies between a source domain and a target domain is called a domain shift. The figure below abstractly visualize examples of domains and domain shifts. Intuitively it is easy to imagine that face a CV task and an NLP task have bigger domain shifts than domains of leaf images taken from different angles, but quantitatively evaluating domain shifts is in practice hard, and I am not going to introduce the topic because that will need a lot of mathematics.

Instead of formulating transfer learning, I would like to take learning languages as an intuitive example of transfer learning. Most people master at least one native language before learning another one. Baby brains are a kind of fantastic machine learning models, and after overcoming many obstacles they master native languages. And people take advantages of their mother tongues to learn another language. Usually they learn foreign languages by comparing structures of translated sentences. And naturally, if both a foreign language and your language have analogies like grammatical cases or genders in common, language learning would be easy. In other words, proficiency in one language is helpful in leaning some language. But it is also possible that your native language badly affects learning the second language, due to grammatical structures, pronunciations. The case of a source domain deteriorating performances in a target domain is called negative transfer and contexts of transfer learning.

*I know similarities languages are not the sole and definite barometers of effectiveness in learning foreign languages. Sizes of economy or markets in a country would also affects English language acquisition of people there. But at least it is unfair to compare for example German or Dutch people learning English with Japanese, Chinese people learning it. Unlike Eastern Asian people who have to learn thousands of characters to at least read decent texts or who use very different grammars, European people obviously can use “transfer learning” to learn English.

5, Increasing training data

When you lack data or labels, the most straightforward and often quick solution is to just increase data. The two topics I will cover in this section are mainly conducted in one domain.

Data augmentation

Data augmentation is one of the first techniques you would learn to mitigate overfitting of machine learning, which is in short caused by lack of data. The idea is very simple and it is implemented well in deep learning libraries, so I would only briefly talk about it here. The idea of data augmentation is simply transforming input data by for example flipping, rotating, zooming, changing colors. By doing so for example an input image \boldsymbol{x}_n of a butterfly below with a label of \boldsymbol{y}_n = \text{Butterfly} can be converted to more than 6 images. This corresponds to getting a converted \boldsymbol{x}'_n= g(\boldsymbol{x}_n) in the machine learning outline in the last section. And this process is the same as increasing the size of a dataet \mathcal {D}. And one point you have to be careful is, you must not change \boldsymbol{x}_n too much to change corresponding \boldsymbol{y}_n. For example if \boldsymbol{x}_n is distorted too much, it cannot be recognized as \boldsymbol{y}_n anymore even by humans. Or if you rotate an image of a digit 6 180 degrees, its becomes 9. Recent researches focus on automatically find what kind of data augmentation is effective by using for example reinforcement learning.

Here let me take an example of data augmentation technique that would be contrary to your intuition. A technique named mixup literally mix up data with different classes and their labels. In classification problems, labels are expressed as one-hot vectors, that is only an element corresponding to a correct element is 1 and the others are 0. In a case of binary dog-or-cat classification, each label is \boldsymbol{y}_n = (1, 0)^T or \boldsymbol{y}_n = (0, 1)^T, respectively. In data augmentation, distorting data too much is a taboo because label data is contaminated, but in mixup you literally mix up labels. Randomly choosing a two inputs \boldsymbol{x}_n , \boldsymbol{x}_{n'} and a  number \lambda \in [0,1], you prepare a input and label pair (\lambda \boldsymbol{x}_n + (1 - \lambda) \boldsymbol{x}_{n'},  \lambda \boldsymbol{y}_n + (1 - \lambda) \boldsymbol{y}_{n'}). The figure below is an example of a mixing up a cat input and a dog input, and corresponding labels. It is known augmenting training data like this improves classification performances. It is said this is partly due to machine learning models effectively learning decision boundaries. In classification ambiguous inputs are bottlenecks, so learning to giving ambiguous outputs to ambiguous inputs can enhance classification abilities.

*One-hot-encoded labels are called hard labels, and otherwise soft labels. Recent topics in deep learning, such as lottery hypothesis, knowledge distillation, imply that whether supervising labels are hard or not is important in deep learning. Hopefully I would like to explain why little by little in my articles.

6, Active learning

Active learning is about how to annotate data and get labeled data efficiently. Labels of data do not equally contribute to enhancing machine learning models, and labels actually have qualities. Even if you give apparently similar images with the same label to machine learning models during training, the models cannot learn so much from the pair of data. You need to efficiently dig data to know its distribution by giving labels to samples. I think a good metaphor is geological survey by excavating with some boring. In order to know substances or features of ground, some earth need to be sampled with boring. But you cannot freely penetrate everywhere mainly due to costs. They need to be sampled one by one due to uncertainty about the ground.

 

Similar approaches are often taken in machine learning or statistics, that is estimating distributions of data with a small size of samples is an important idea. A basic idea for doing that is you sample or annotate data which decreases uncertainty of your model the most. The figure simply exhibits the idea. We want to regress a data distribution with the red curve, and the cross marks can be sampled from the distribution. And the part filled with light blue shows uncertainty of the model to predict a value of y for a x. When you want to regress the data with as few samples as possible, data points should be sampled from the parts with great uncertainties. And by doing so, you can see that the data is regressed efficiently with few samples.

We have seen that modeling uncertainty is the key to active learning, and that can be applied to annotations of data in deep learning. An example of the process is displayed below, and in this case a deep neural network model (DNN model) is trained with some labeled data, and you give some signals for data annotations based on uncertainty of outputs of DNN models. And human annotators prioritize giving labels to the data. Such uncertainly can be estimated by using entropy of outputs or modeling data distributions.

 

But when you get a certain amount of labels, the situation will be the same as semi-supervised learning, which I will explain next. That is, you might be already able to make the most of the labels so far with the help of unlabeled data. You should consider stopping labeling and start labeling depending on situations. And importantly, starting naively annotating data might become a quick solution rather than thinking about how to make uses of limited labels if extracting data itself is easy and does not cost so much. “Shut up and annotate!” could be often the best practice in practice. And annotations would be an effective way for exploratory data analysis (EDA), so I recommend you to immediately start annotating about 10 random samples at any rate.

7, Dealing with lack of labels in a single domain

In many cases, data themselves are easily available, and only annotations costs matter. The following two topics consider such cases, and again only one domain is considered. But by the end of this article you would see that other techniques covered in this article have a lot of analogies with topics introduced here.

Semi-supervised learning

Semi-supervised learning is a type of supervised learning where only limited labels are available in one domain. This is important in because many of other techniques in this article can be seen as semi-supervised learning from certain points of views. The figure below shows an intuition on semi-supervised learning in a case of classification task. In this case, original data distribution have two clusters of circles and triangles and a clear border can be drawn between them. But only with limited labeled data, decision boundaries would be ambiguous. However in fact, with a help of unlabeled data in dotted lines, machine learning model might be able to recognize two clusters with a help of unlabeled data. In other words, unlabeled data help models learn distribution of data. this might be natural as clusters of data can be estimated with unsupervised learning.

*As I have already mentioned, active learning could soon shift to semi-supervised learning, and it might be worth trying it before finishing labeling. But suspending labeling and resuming it later might not be efficient. At any rate you need to be flexible depending on situations.

Semi-supervised learning is applicable to several tasks, not only classification. I explained that normal supervised learning is adjusting parameters \boldsymbol{\theta} of a model f(\boldsymbol{\theta}) so that it minimize loss function L(\boldsymbol{\theta}, \mathcal{D}_{\text{L}}) for a labeled dataset \mathcal{D}_{\text{L}}. In semi-supervised learning, we assume that usually a bigger unsupervised dataset \mathcal{D}_{\text{UL}} is available in the same domain. And semi-supervised learning optimize \boldsymbol{\theta} by jointly minimizing L(\boldsymbol{\theta}, \mathcal{D}_{\text{L}}) + L'(\boldsymbol{\theta}, \mathcal{D}_{\text{UL}}) after designing a loss function L'(\boldsymbol{\theta}, \mathcal{D}_{\text{UL}}) for the unlabeled dataset. There are following 3 major ways of semi-supervised learning depending on how you design a L'(\boldsymbol{\theta}, \mathcal{D}_{\text{UL}}).

  • Consistency regularization: adding slight changes to data \boldsymbol{x}_{\text{UL}} in \mathcal{D}_{\text{UL}} and get \boldsymbol{x}'_{\text{UL}}. And training f(\boldsymbol{\theta}) so that f(\boldsymbol{\theta}, \boldsymbol{x}_{\text{UL}}) and f(\boldsymbol{\theta}, \boldsymbol{x}'_{\text{UL}}) give out a consistent output.
  • Pseudo label: after training f(\boldsymbol{\theta}) with \mathcal{D}_{\text{L}}, using some estimations f(\boldsymbol{\theta}, \boldsymbol{x}_{\text{UL}}) as labels of \mathcal{D}_{\text{UL}} .
  • Entropy minimization: encouraging outputs f(\boldsymbol{\theta}, \boldsymbol{x}_{\text{UL}}) to have smaller entropy.

More or less similar ideas show up in different transfer learning techniques, so it would be effective to learn the three semi-supervised learning ideas above.

Self-supervised learning

Self-supervised learning is often counted as unsupervised learning. Both unsupervised and self-supervised learning do not need label data, but especially when labels generated by processing themselves, that is often called self-supervised learning. A representative case of using self-supervised learning is auto-encoder. Simpler labels can be generated from input data themselves with elementary data processing. For example in a case of image processing, by rotating an input image 0, 90, 180, 270 degrees respectively, a classification task of estimating rotation degrees can be made. Another case is estimating the original input image after some simple image processing (for example colorization).  These simple tasks generated solely from an input is called pretext task. And in a case of image processing, deep learning models can be prompted to learn image features .

Source: https://atcold.github.io/pytorch-Deep-Learning/en/week10/10-1/

Pretext tasks are applicable also to other fields for example NLP. A very simple task is hiding a part of an input sentence, and let neural networks estimate the blank word. And this is a basic idea of how to train BERTs, famous pre-trained NLP models. BERT models are trained this way with a huge and very general corpus without any specific topics. By doing so BERT model can already learn to detect some clusters of meanings in texts, as I visualize in the next section. But if you fine-tune BERT models with labeled texts with very specific topics, that often fails to achieve satisfying performance. In that case, the BERT models have to “get used to” the new dataset. In that case, BERT can “get used to” the new dataset by applying self-supervised learning on the new dataset. This tutorial of Huggingface demonstrates this with an example of adjusting a BERT model trained with Wikipedia to the IMDb dataset.

In the case above, the BERT model is fine-tuned with relatively lots of unlabeled data and after that trained with fewer labels. As a whole this can be seen as semi-supervised learning ,with fewer labels of the IMBb dataset and more unlabeled data. Also the ideas of pretext tasks, which prompt models to give consistent outputs given preprocessed inputs, have some analogies with consistency regularization in semi-supervised learning.

*The Huggingface tutorial says, they fine-tune a pre-trained BERT model trained in a self-supervised way to adjus it, and they call it “domain adaptation.” As you can see from the statement, distinctions of topics covered in this article can be just ambiguous.

8, Dealing with lack of data or labels over several domains

Another approach for tackling label or data shortage is taking advantages of other domains, which are usually larger and have enough labels. And such techniques is called transfer learning as I mentioned. It seems like transfer learning in business refers to “fine-tuning” explained below, but in academic contexts it is often also said transfer learning is almost synonym to “domain adaptation.” At any rate, my point is it would be more important to have comprehensive view on the techniques rather than clearly distinguishing them.

Fine tuning

Fine tuning would be the easiest way of transfer learning, and at the same time it is very powerful. Even though I am going to introduce other technique of transfer learning, more often than not it turns out that fine tuning can compensate them. Here I will only explain what it is like to use fine-tuning. I would say using fine-tuning is easy like using instant coffee. Conventionally you needed to train your original model with your own data, and that is very affected by sizes of data you have. I would say, that was like making coffee or coffee cakes from coffee you made from beans. But by using pre-trained models already trained somewhere with huge datasets, you can use models which can already more or less recognize data. The idea was very normal already in the field of CV, and NLP got the same idea with the advent of BERT, or already with word embeddings. That is like people learned to use instant coffee instead of roasting and brewing coffee every time.

How such instant coffee is made depends on which type of deep learning is used on a huge dataset. Backbone CNN is usually trained on ImageNet dataset with supervised learning of a classification task. In case of BERT, it is trained with a huge corpus with a pretext task of estimating blank words of input sentences, which is classified to self-supervised learning. Let me more practically what the “coffee syrup” means. Machine learning is at any rate just mapping of tensors or vectors. In CV, an input images as a tensor is converted into a a vector or a tensor, and tasks like image classification are conducted with the converted tensor or vector. In case of an NLP task, usually a sequence of vectors is converted to a vector or another sequence of vectors. And these resulting tensors of vectors from models are the very “coffee syrup” I am talking about. An important point is, fine-tuning also considers transfer learning between different tasks. Backbone CNNs are usually trained with classification, BERT with self-supervised learning, but the there are a variety of final tasks. They are called downstream tasks. In other words, you don’t necessarily drink instant coffee as coffee.

 

The two figures below are visualizations what the “instant coffee syrup” means. I processed random N images in a dataset with a pre-trained backbone CNN, and I got corresponding D dimensional vectors, that is a N\times D tensor. And I applied t-SNE to reduce its dimension from D to 2 and got a N\times 2 tensor.  The figure below shows arrangements of input images in the 2 dimensional space. As you can see, semantically similar images get closer.

Just as well, if you process random texts with BERT and apply a dimension reduction, you get a visualization like below. As well as the figure above, texts in similar topic get closer.

To make it catchy I expressed them as “coffee syrup” but this is a kind of how so-called AI sees data. Images and texts are just vectors or tensors on computer, and AI process another set of tensors of vectors in spaces which make sense to them.

Fine-tuning is quite easy. You have only to train a pre-trained model you downloaded just like normal supervised learning with your dataset. And when you train CV models with backbone CNN, the backbone is almost automatically downloaded. You have to be careful about some points, for example you have to set learning rate smaller. Let me avoid too detailed points in this article. Hopefully in the future, I’d like to write about more practical fine-tuning tips.

Domain adaptation

Domain adaptation is another family of techniques to make uses of knowledge gained in one domain in another domain. Domain adaptation is a Domain adaptation is these days often used as almost a synonym of transfer learning. But papers on domain adaptation usually assume to handle the same tasks both in a source and a target domain. So I would say domain adaptation is a subfield of transfer learning. Domain adaptation is more of how to tackle deterioration of machine learning performances when trained models are applied in different domains. Based on how much labels are available in each domain, domain adaptation is classified to several types. And unsupervised domain adaptation (UDA), where labels are available only in a source domain, is considered as the most challenging and studied well.

*Another explanation I often hear about domain adaptation is, when a models trained on a dataset is trained on another data, domain adaptation can be used to mitigate decreases in performance. I think in this context, performance of the model on the source domain is not discussed. When you apply some retraining with a new dataset, performance of the model on the source domain often drastically decrease. This is called catastrophic forgetting, and techniques like continuous learning are studied to tackle this problem. I have not really seen continuous learning in contexts of domain adaptation, but I thin these are related.

There several approaches in domain adaptation, and one frequently used approach is using adversarial loss. As we saw with the example of getting “coffee syrup,” data is first mapped into a certain space, and this is often called feature extraction. And outputs with the feature extractor are processed are processed more to give task-specific results with some networks. Often in domain adaptation, we put a domain discriminator network right after the feature extractor. And the domain discriminator classifies whether the features extracted come from the source or target domain. The feature extractor tries to extract features the domain have in common, and the domain discriminator tries to distinguish them, and two networks compete. In this way, the feature extractor and the domain discriminator form generative adversarial network (GAN), and the feature extractor learns to extract features that are hard to distinguish their domains. Feature extractor is trained so that it extract domain invariant features, for example edges and silhouette.

As well as in other transfer learning techniques, one ultimate goal of UDA is training a deep learning model only with synthetic labeled data, for example CGI, and apply the model on a totally unlabeled dataset. Converting a source domain to look like a target domain with Cycle GAN is an often used approach in domain adaptation. In domain adaptation a source domain is supposed to be easier to annotate. The figure below is an example of converting a black and white cell images  to colored images.

*You could easily try converting data with Cycle GAN by preparing two datasets, and I made the converted data by myself. But you need at least one GPU to try that.

However some people insist that usefulness of UDA is very questionable. In the first place, if you do not have any labels on the target domain, that means you cannot evaluate anything qualitatively on the dataset of interest. And if you can prepare some of evaluation data or labels, applying other techniques like fine-tuning might be enough.

Meta learning and few-shot learning

One simple way to explain meta learning is that, it is a machine learning technique teach models to learn efficiently. We can also say that it is a transfer learning case where target domains are unknown.  A famous meta learning method is Model-Agnostic Meta-Learning (MAML). MAML is used to get an ideal parameter \boldsymbol{\theta} which can be quickly and effectively used to new tasks. Like in the figure below, \boldsymbol{\theta} reaches the generally convenient parameter shown as the black dot. And the parameter can quickly reach the parameters \theta_{i}^{\ast}, which effective for each task.

Another interesting application of meta learning is few-shot learning. Few-shot learning trains a classification model to learn to acquire classification ability based only on a very few samples. By letting the models learn classification tasks over many episodes, the model learn comes to learn efficiently from limited data samples at a test phase. The figure below shows a case of few-shot learning, where a model learns some episodes of 3-class classifications with only 4 samples per class. Few-shot learning attempts to enable human-level flexibility of perception. MAML is known to be effective also for few-shot learning.

However, studies these days do also show that fine tuning pre-trained models with a few sample data show competitive results to those by few-shot learning. Similar things can be said about large language models like GPT. Chat GPT or GPT-3/GPT-4 for example can be fine-tuned with small extra training samples, and the logic behind is different from meta learning. Fine-tuning pre-trained models rather might be closer to human learning. Humans can effectively learn new topics based on what they have experienced so far. Thus again here, fine-tuning models can be an easier and realistic solution.

I have explained an overview of machine learning techniques for handling lack of data, and as you might have noticed, fine-tuning models could be enough in many cases. I am not sure how much other transfer learning technique would be widely as useful as fine-tuning at a business level. At least, I hope this article would be a rough guideline for machine learning tasks with small sizes of data or labels. And if you have a chance to work on very unique data with very few labels, you wouldn’t be able to rely so much on only naive fine tuning of pre-trained models. In that case, you tasks have your own problem, and you would have to be careful about your EDA, data cleaning, and labeling. In that case you should consider some techniques introduced here. Hopefully someday I would like to write more detailed tutorials with each transfer learning technique. And I hope you would be able to apply a variety of transfer learning locally, not only relying on huge resources of gigantic entities.  And that would lead to a more secure future, I guess.

Benjamin Aunkofer - Interview über AI as a Service

Interview – Daten vermarkten, nicht verkaufen!

Das Format Business Talk am Kudamm in Berlin führte ein Interview mit Benjamin Aunkofer zu den Themen “Daten vermarkten, nicht verkaufen!”.

In dem Interview erklärt Benjamin Aunkofer, warum der Datenschutz für die meisten Anwendungsfälle keine Rolle spielt und wie Unternehmen mit Data as a Service oder AI as a Service Ihre Daten zu Geld machen, selbst dann, wenn diese Daten nicht herausgegeben werden können.

Nachfolgend das Interview auf Youtube sowie die schriftliche Form zum Nachlesen:


Nachfolgend das Transkript zum Interview:

1 – Herr Aunkofer, Daten gelten als der wichtigste Rohstoff des 22. Jahrhunderts. Bei der Vermarktung datengestützter Dienstleistung tun sich deutsche Unternehmen im Vergleich zur Konkurrenz aus den USA oder Asien aber deutlich schwerer. Woran liegt das?

Ach da will ich keinen Hehl draus machen. Die Unterschiede liegen in den verschiedenen Kulturen begründet. In den USA herrscht in der Gesellschaft ein sehr freiheitlicher Gedanke, der wohl eher darauf hinausläuft, dass wer Daten sammelt, über diese dann eben auch weitgehend verfügt.

In Asien ist die Kultur eher kollektiv ausgerichtet, um den Einzelnen geht es dort ja eher nicht so.

In Deutschland herrscht auch ein freiheitlicher Gedanke – Gott sei Dank – jedoch eher um den Schutz der personenbezogenen Daten.

Das muss nun aber gar nicht schlimm sein. Zwar mag es in Deutschland etwas umständlicher und so einen Hauch langsamer sein, Daten nutzen zu dürfen. Bei vielen Anwendungsfällen kann man jedoch sehr gut mit korrekt anonymisierten Massendaten arbeiten und bei gesellschaftsfördernen Anwendungsfällen, man denke z. B. an medizinische Vorhersagen von Diagnosen oder Behandlungserfolgen oder aber auch bei der Optimierung des öffentlichen Verkehrs, sind ja viele Menschen durchaus bereit, ihre Daten zu teilen.

 Gesellschaftlichen Nutzen haben wir aber auch im B2B Geschäft, bei dem wir in Unternehmen und Institutionen die Prozesse kundenorientierter und schneller machen, Maschinen ausfallsicherer machen usw.. Da haben wir meistens sogar mit gar keinen personenbezogenen Daten zu tun.

2 – Sind die Bedenken im Zusammenhang mit Datenschutz und dem Schutz von Geschäftsgeheimnissen nicht berechtigt?

Also mit Datenschutz ist ja der gesetzliche Datenschutz gemeint, der sich nur auf personenbezogene Daten bezieht. Für Anwendungsfälle z. B. im Customer Analytics, also da, wo man Kundendaten analysieren möchte, geht das nur über die direkte Einwilligung oder eben durch anonymisierte Massendaten. Bei betrieblicher Prozessoptimierung, Anlagenoptimierung hat man mit personenbezogenen Daten aber fast nicht zu tun bzw. kann diese einfach vorher wegfiltern.

Ein ganz anderes Thema ist die Datensicherheit. Diese schließt die Sicherheit von personenbezogenen Daten mit ein, betrifft aber auch interne betriebliche Angelegenheiten, so wie etwas Lieferanten, Verträge, Preise… vielleicht Produktions- und Maschinendaten, natürlich auch Konstruktionsdaten in der Industrie.

Dieser Schutz ist jedoch einfach zu gewährleisten, wenn man einige Prinzipien der Datensicherheit verfolgt. Wir haben dafür Checklisten, quasi wie in der Luftfahrt. Bevor der Flieger abhebt, gehen wir die Checks durch… da stehen so Sachen drauf wie Passwortsicherheit, Identity Management, Zero Trust, Hybrid Cloud usw.

3 – Das Rückgrat der deutschen Wirtschaft sind die vielen hochspezialisierten KMU. Warum sollte sich beispielsweise ein Maschinenbauer darüber Gedanken machen, datengestützte Geschäftsmodelle zu entwickeln?

Nun da möchte ich dringend betonen, dass das nicht nur für Maschinenbauer gilt, aber es stimmt schon, dass Unternehmen im Maschinenbau, in der Automatisierungstechnik und natürlich der Werkzeugmaschinen richtig viel Potenzial haben, ihre Geschäftsmodelle mit Daten auszubauen oder sogar Datenbestände aufzubauen, die dann auch vermarktet werden können, und das so, dass diese Daten das Unternehmen gar nicht verlassen und dabei geheim bleiben.

4 – Daten verkaufen, ohne diese quasi zu verkaufen? Wie kann das funktionieren?

Das verrate ich gleich, aber reden wir vielleicht kurz einmal über das Verkaufen von Daten, die man sogar gerne verkauft. Das Verkaufen von Daten ist nämlich gerade so ein Trend. Das Konzept dafür heißt Data as a Service und bezieht sich dabei auf öffentliche Daten aus Quellen der Kategorie Open Data und Public Data. Diese Daten können aus dem Internet quasi gesammelt, als Datenbasis dann im Unternehmen aufgebaut werden und haben durch die Zusammenführung, Bereinigung und Aufbereitung einen Wert, der in die Millionen gehen kann. Denn andere Unternehmen brauchen vielleicht auch diese Daten, wollen aber nicht mehr warten, bis sie diese selbst aufbauen. Beispiele dafür sind Daten über den öffentlichen Verkehr, Infrastruktur, Marktpreise oder wir erheben z. B. für einen Industriekonzern Wasserqualitätsdaten beinahe weltweit aus den vielen vielen regionalen Veröffentlichungen der Daten über das Trinkwasser. Das sind zwar hohe Aufwände, aber der Wert der zusammengetragenen Daten ist ebenfalls enorm und kann an andere Unternehmen weiterverkauft werden. Und nur an jene Unternehmen, an die man das eben zu tun bereit ist.

5 – Okay, das sind öffentliche Daten, die von Unternehmen nutzbar gemacht werden. Aber wie ist es nun mit Daten aus internen Prozessen?

Interne Daten sind Geschäftsgeheimnisse und dürfen keinesfalls an Dritte weitergegeben werden. Dazu gehören beispielsweise im Handel die Umsatzkurven für bestimmte Produktkategorien sowie aber auch die Retouren und andere Muster des Kundenverhaltens, z. B. die Reaktion auf die Konfiguration von Online-Marketingkampagnen. Die Unternehmen möchten daraus jedoch Vorhersagemodelle oder auch komplexere Anomalie-Erkennung auf diese Daten trainieren, um sie für sich in ihren operativen Prozessen nutzbar zu machen. Machine Learning, übrigens ein Teilgebiet der KI (Künstlichen Intelligenz), funktioniert ja so, dass man zwei Algorithmen hat. Der erste Algorithmus ist ein Lern-Algorithmus. Diesen muss man richtig parametrisieren und überhaupt erstmal den richtigen auswählen, es gibt nämlich viele zur Auswahl und ja, die sind auch miteinander kombinierbar, um gegenseitige Schwächen auszugleichen und in eine Stärke zu verwandeln. Der Lernalgorithmus erstellt dann, über das Training mit den Daten, ein Vorhersagemodell, im Grunde eine Formel. Das ist dann der zweite Algorithmus. Dieser Algorithmus entstand aus den Daten und reflektiert auch das in den Daten eingelagerte Wissen, kanalisiert als Vorhersagemodell. Und dieses kann dann nicht nur intern genutzt werden, sondern auch anderen Unternehmen zur Nutzung zur Verfügung gestellt werden.

6 – Welche Arten von Problemen sind denn geeignet, um aus Daten ein neues Geschäftsmodell entwickeln zu können?

Alle operativen Geschäftsprozesse und deren Unterformen, also z. B. Handels-, Finanz-, Produktions- oder Logistikprozesse generieren haufenweise Daten. Das Problem für ein Unternehmen wie meines ist ja, dass wir zwar Analysemethodik kennen, aber keine Daten. Die Daten sind quasi wie der Inhalt einer Flasche oder eines Ballons, und der Inhalt bestimmt die Form mit. Unternehmen mit vielen operativen Prozessen haben genau diese Datenmengen.Ein Anwendungsfallgebiet sind z. B. Diagnosen. Das können neben medizinischen Diagnosen für Menschen auch ganz andere Diagnosen sein, z. B. über den Zustand einer Maschine, eines Prozesses oder eines ganzen Unternehmens. Die Einsatzgebiete reichen von der medizinischen Diagnose bis hin zu der Diagnose einer Prozesseffizienz oder eines Zustandes in der Wirtschaftsprüfung.Eine andere Kategorie von Anwendungsfällen sind die Prädiktionen durch Text- oder Bild-Erkennung. In der Versicherungsindustrie oder in der Immobilienbranche B. gibt es das Geschäftsmodell, dass KI-Modelle mit Dokumenten trainiert werden, so dass diese automatisiert, maschinell ausgelesen werden können. Die KI lernt dadurch, welche Textstellen im Dokument oder welche Objekte im Bild eine Rolle spielen und verwandelt diese in klare Aussagen.

Die Industrie benutzt KI zur generellen Objekterkennung z. B. in der Qualitätsprüfung. Hersteller von landwirtschaftlichen Maschinen trainieren KI, um Unkraut über auf Videobildern zu erkennen. Oder ein Algorithmus, der gelernt hat, wie Ultraschalldaten von Mirkochips zu interpretieren sind, um daraus Beschädigungen zu erkennen, so als Beispiel, den kann man weiterverkaufen.

Das Verkaufen erfolgt dabei idealerweise hinter einer technischen Wand, abgeschirmt über eine API. Eine API ist eine Schnittstelle, über die man die KI verwenden kann. Daraus wird dann AI as a Service, also KI als ein Service, den man Dritten gegen Bezahlung nutzen lassen kann.

7 – Gehen wir mal in die Praxis: Wie lassen sich aus erhobenen Daten Modelle entwickeln, die intern genutzt oder als Datenmodell an Kunden verkauft werden können?

Zuerst müssen wir die Idee natürlich richtig auseinander nehmen. Nach einer kurzen Euphorie-Phase, wie toll die Idee ist, kommt ja dann oft die Ernüchterung. Oft überwinden wir aber eben diese Ernüchterung und können starten. Der einzige Knackpunkt sind meistens fehlende Daten, denn ja, wir reden hier von großen Datenhistorien, die zum Einen überhaupt erstmal vorliegen müssen, zum anderen aber auch fast immer aufbereitet werden müssen.Wenn das erledigt ist, können wir den Algorithmus trainieren, ihn damit auf eine bestimmte Problemlösung sozusagen abrichten.Übrigens können Kunden oder Partner die KI selbst nachtrainieren, um sie für eigene besondere Zwecke besser vorzubereiten. Nehmen wir das einfache Beispiel mit der Unkrauterkennung via Bilddaten für landwirtschaftliche Maschinen. Nun sieht Unkraut in fernen Ländern sicherlich ähnlich, aber doch eben anders aus als hier in Mitteleuropa. Der Algorithmus kann jedoch nachtrainiert werden und sich der neuen Situation damit anpassen. Hierfür sind sehr viel weniger Daten nötig als es für das erstmalige Anlernen der Fall war.

8 – Viele Unternehmen haben Bedenken wegen des Zeitaufwands und der hohen Kosten für Spezialisten. Wie hoch ist denn der Zeit- und Kostenaufwand für die Implementierung solcher KI-Modelle in der Realität?

Das hängt sehr stark von der eigentlichen Aufgabenstellung ab, ob die Daten dafür bereits vorliegen oder erst noch generiert werden müssen und wie schnell das alles passieren soll. So ein Projekt dauert pauschal geschätzt gerne mal 5 bis 8 Monate bis zur ersten nutzbaren Version.

Sehen Sie die zwei anderen Video-Interviews von Benjamin Aunkofer:

 

 

 

 

 

 


 

How to speed up claims processing with automated car damage detection

AI drives automation, not only in industrial production or for autonomous driving, but above all in dealing with bureaucracy. It is an realy enabler for lean management!

One example is the use of Deep Learning (as part of Artificial Intelligence) for image object detection. A car insurance company checks the amount of the damage by a damage report after car accidents. This process is actually performed by human professionals. With AI, we can partially automate this process using image data (photos of car damages). After an AI training with millions of photos in relation to real costs for repair or replacement, the cost estimation gets suprising accurate and supports the process in speed and quality.

AI drives automation and DATANOMIQ drives this automation with you! You can download the Infographic as PDF.

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We wrote this article in cooperation with pixolution, a company for computer vision and AI-bases visual search. Interested in introducing AI / Deep Learning to your organization? Do not hesitate to get in touch with us!

DATANOMIQ is the independent consulting and service partner for business intelligence, process mining and data science. We are opening up the diverse possibilities offered by big data and artificial intelligence in all areas of the value chain. We rely on the best minds and the most comprehensive method and technology portfolio for the use of data for business optimization.