Process Mining / Process Analytics
Benjamin Aunkofer

Process Mining – Ist Celonis wirklich so gut? Ein Praxisbericht.

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Diese Artikel wird viel gelesen werden. Von Process Mining Kunden, von Process Mining Beratern und von Process Mining Software-Anbietern. Und ganz besonders von Celonis.

Der Gartner´s Magic Quadrant zu Process Mining Tools für 2024 zeigt einige Movements im Vergleich zu 2023. Jeder kennt den Gartner Magic Quadrant, nicht nur für Process Mining Tools sondern für viele andere Software-Kategorien und auch für Dienstleistungen/Beratungen. Gartner gilt längst als der relevanteste und internationale Benchmark.

Process Mining – Wo stehen wir heute?

Eine Einschränkung dazu vorweg: Ich kann nur für den deutschen Markt sprechen. Zwar verfolge ich mit Spannung die ersten Erfolge von Celonis in den USA und in Japan, aber ich bin dort ja nicht selbst tätig. Ich kann lediglich für den Raum D/A/CH sprechen, in dem ich für Unternehmen in nahezu allen Branchen zu Process Mining Beratung und gemeinsam mit meinem Team Implementierung anbiete. Dabei arbeiten wir technologie-offen und mit nahezu allen Tools – Und oft in enger Verbindung mit Initiativen der Business Intelligence und Data Science. Wir sind neutral und haben keine “Aktien” in irgendeinem Process Mining Tool!

Process Mining wird heute in allen DAX-Konzernen und auch in allen MDAX-Unternehmen eingesetzt. Teilweise noch als Nischenanalytik, teilweise recht großspurig wie es z. B. die Deutsche Telekom oder die Lufthansa tun.

Mittelständische Unternehmen sind hingegen noch wenig erschlossen in Sachen Process Mining, wobei das nicht ganz richtig ist, denn vieles entwickelt sich – so unsere Erfahrung – aus BI / Data Science Projekten heraus dann doch noch in kleinere Process Mining Applikationen, oft ganz unter dem Radar. In Zukunft – da habe ich keinen Zweifel – wird Process Mining jedoch in jedem Unternehmen mit mehr als 1.000 Mitarbeitern ganz selbstverständlich und quasi nebenbei gemacht werden.

Process Mining Software – Was sagt Gartner?

Ich habe mal die Gartner Charts zu Process Mining Tools von 2023 und 2024 übereinandergelegt und erkenne daraus die folgende Entwicklung:

– Celonis bleibt der Spitzenreiter nach Gartner, gerät jedoch zunehmend unter Druck auf dieser Spitzenposition.

– SAP hatte mit dem Kauf von Signavio vermutlich auf das richtige Pferd gesetzt, die Enterprise-Readiness für SAP-Kunden ist leicht erahnbar.

– Die Software AG ist schon lange mit Process Mining am Start, kann sich in ihrer Positionierung nur leicht verbessern.

– Ähnlich wenig Bewegung bei UiPath, in Sachen Completness of Vision immer noch deutlich hinter der Software AG.

– Interessant ist die Entwicklung des deutschen Anbieters MEHRWERK Process Mining (MPM), bei Completness of Vision verschlechtert, bei Ability to Execute verbessert.

– Der deutsche Anbieter process.science, mit MEHRWERK und dem früheren (von Celonis gekauften) PAFnow mindestens vergleichbar, ist hier noch immer nicht aufgeführt.

– Microsoft Process Mining ist der relative Sieger in Sachen Aufholjagd mit ihrer eigenen Lösung (die zum Teil auf dem eingekauften Tool namens Minit basiert). Process Mining wurde kürzlich in die Power Automate Plattform und in Power BI integriert.

– Fluxicon (Disco) ist vom Chart verschwunden. Das ist schade, vom Tool her recht gut mit dem aufgekauften Minit vergleichbar (reine Desktop-Applikation).

Process Mining Tool im Gartner Magic Quadrant Chart - 2023 vs 2024

Process Mining Tool im Gartner Magic Quadrant Chart – 2023 vs 2024

Auch wenn ich große Ehrfurcht gegenüber Gartner als Quelle habe, bin ich jedoch nicht sicher, wie weit die Datengrundlage für die Feststellung geht. Ich vertraue soweit der Reputation von Gartner, möchte aber als neutraler Process Mining Experte mit Einblick in den deutschen Markt dazu Stellung beziehen.

Process Mining Tools – Unterschiedliche Erfolgsstories

Aber fangen wir erstmal von vorne an, denn Process Mining Tools haben ihre ganz eigene Geschichte und diese zu kennen, hilft bei der Einordnung von Marktbewegungen etwas und mein Process Mining Software Vergleich auf CIO.de von 2019 ist mittlerweile etwas in die Jahre gekommen. Und Unterhaltungswert haben diese Stories auch, beispielsweise wie ganze Gründer und Teams von diesen Software-Anbietern wie Celonis, UiPath (ehemals ProcessGold), PAFnow (jetzt Celonis), Signavio (jetzt SAP) und Minit (jetzt Microsoft) teilweise im Streit auseinandergingen, eigene Process Mining Tools entwickelt und dann wieder Know How verloren oder selbst aufgekauft wurden – Unter Insidern ist der Gesprächsstoff mit Unterhaltungswert sehr groß.

Dabei darf gerne in Erinnerung gerufen werden, dass Process Mining im Kern eine Graphenanalyse ist, die ein Event Log in Graphen umwandelt, Aktivitäten (Events) stellen dabei die Knoten und die Prozesszeiten die Kanten dar, zumindest ist das grundsätzlich so. Es handelt sich dabei also um eine Analysemethodik und nicht um ein Tool. Ein Process Mining Tool nutzt diese Methodik, stellt im Zweifel aber auch nur exakt diese Visualisierung der Prozessgraphen zur Verfügung oder ein ganzes Tool-Werk von der Datenanbindung und -aufbereitung in ein Event Log bis hin zu weiterführenden Analysen in Richtung des BI-Reportings oder der Data Science.

Im Grunde kann man aber folgende große Herkunftskategorien ausmachen:

1. Process Mining Tools, die als pure Process Mining Software gestartet sind

Hierzu gehört Celonis, das drei-köpfige und sehr geschäftstüchtige Gründer-Team, das ich im Jahr 2012 persönlich kennenlernen durfte. Aber Celonis war nicht das erste Process Mining Unternehmen. Es gab noch einige mehr. Hier fällt mir z. B. das kleine und sympathische Unternehmen Fluxicon ein, dass mit seiner Lösung Disco auch heute noch einen leichtfüßigen Einstieg in Process Mining bietet.

2. Process Mining Tools, die eigentlich aus der Prozessmodellierung oder -automatisierung kommen

Einige Software-Anbieter erkannten frühzeitig (oder zumindest rechtzeitig?), dass Process Mining vielleicht nicht das Kerngeschäft, jedoch eine sinnvolle Ergänzung zu ihrem Portfolio an Software für Prozessmodellierung, -dokumentations oder -automatisierung bietet. Hierzu gehört die Software AG, die eigentlich für ihre ARIS-Prozessmodellierung bekannt war. Und hierzu zählt auch Signavio, die ebenfalls ein reines Prozessmodellierungsprogramm waren und von kurzem von SAP aufgekauft wurden. Aber auch das für RPA bekannte Unternehmen UiPath verleibte sich Process Mining durch den Zukauf von ehemals Process Gold.

3. Process Mining Tools, die Business Intelligence Software erweitern

Und dann gibt es noch diejenigen Anbieter, die bestehende BI Tools mit Erweiterungen zum Process Mining Analysewerkzeug machen. Einer der ersten dieser Anbieter war das Unternehmen PAF (Process Analytics Factory) mit dem Power BI Plugin namens PAFnow, welches von Celonis aufgekauft wurde und heute anscheinend (?) nicht mehr weiterentwickelt wird. Das Unternehmen MEHRWERK, eigentlich ein BI-Dienstleister mit Fokus auf QlikTech-Produkte, bietet für das BI-Tool Qlik Sense ebenfalls eine Erweiterung für Process Mining an und das Unternehmen mit dem unscheinbaren Namen process.science bietet Erweiterungen sowohl für Power BI als auch für Qlik Sense, zukünftig ist eine Erweiterung für Tableu geplant. Process.science fehlt im Gartner Magic Quadrant bis jetzt leider gänzlich, trotz bestehender Marktrelevanz (nach meiner Beobachtung).

Process Mining Tools in der Praxis – Ein Einblick

DAX-Konzerne setzen vor allem auf Celonis. Das Gründer-Team, das starke Vertriebsteam und die Medienpräsenz erst als Unicorn, dann als Decacorn, haben die Türen zu Vorstandsetagen zumindest im mitteleuropäischen Raum geöffnet. Und ganz ehrlich: Dass Celonis ein deutsches Decacorn ist, ist einfach wunderbar. Es ist das erste Decacorn aus Deutschland, das zurzeit wertvollste StartUp in Deutschland und wir können – für den Standort Deutschland – nur hoffen, dass dieser Erfolg bleibt.

Doch wie weit vorne ist Process Mining mit Celonis nun wirklich im Praxiseinsatz? Und ist Celonis für jedes Unternehmen der richtige Einstieg in Process Mining?

Celonis unterscheidet sich von den meisten anderen Tools noch dahingehend, dass es versucht, die ganze Kette des Process Minings in einer einzigen und ausschließlichen Cloud-Anwendung in einer Suite bereitzustellen. Während vor zehn Jahren ich für Celonis noch eine Installation erst einer MS SQL Server Datenbank, etwas später dann bevorzugt eine SAP Hana Datenbank auf einem on-prem Server beim Kunden voraussetzend installieren musste, bevor ich dann zur Installation der Celonis ServerAnwendung selbst kam, ist es heute eine 100% externe Cloud-Lösung. Dies hat anfangs für große Widerstände bei einigen Kunden verursacht, die ehrlicherweise heute jedoch kaum noch eine Rolle spielen. Cloud ist heute selbst für viele mitteleuropäische Unternehmen zum Standard geworden und wird kaum noch infrage gestellt. Vielleicht haben wir auch das ein Stück weit Celonis zu verdanken.

Celonis bietet eine bereits sehr umfassende Anbindung von Datenquellen z. B. für SAP oder Oracle ERP an, mit vordefinierten Event Log SQL Skripten für viele Standard-Prozesse, insbesondere Procure-to-Pay und Order-to-Cash. Aber auch andere Prozesse für andere Geschäftsprozesse z. B. von SalesForce CRM sind bereits verfügbar. Celonis ist zudem der erste Anbieter, der diese Prozessaufbereitung und weiterführende Dashboards in einem App-Store anbietet und so zu einer Plattform wird. Hinzu kommen auch die zuvor als Action Engine bezeichnete Prozessautomation, die mit Lösungen wie Power Automate von Microsoft vergleichbar sind.

Celonis schafft es oftmals in größere Konzerne, ist jedoch selten dann das einzige eingesetzte Process Mining Tool. Meine Kunden und Kontakte aus unterschiedlichsten Unternhemen in Deutschland berichten in Sachen Celonis oft von zu hohen Kosten für die Lizensierung und den Betrieb, zu viel Sales im Vergleich zur Leistung sowie von hohen Aufwänden, wenn der Fokus nicht auf Standardprozesse liegt. Demgegenüber steht jedoch die Tatsache, dass Celonis zumindest für die Standardprozesse bereits viel mitbringt und hier definitiv allen anderen Tool-Anbietern voraus ist und den wohl besten Service bietet.

SAP Signavio rückt nach

Mit dem Aufkauf von Signavio von SAP hat sich SAP meiner Meinung nach an eine gute Position katapultiert. Auch wenn ich vor Jahren noch hätte Wetten können, dass Celonis mal von SAP gekauft wird, scheint der Move mit Signavio nicht schlecht zu wirken, denn ich sehe das Tool bei Kunden mit SAP-Liebe bereits erfolgreich im Einsatz. Dabei scheint SAP nicht den Anspruch zu haben, Signavio zur Plattform für Analytics ausbauen zu wollen, um 1:1 mit Celonis gleichzuziehen, so ist dies ja auch nicht notwendig, wenn Signavio mit SAP Hana und der SAP Datasphere Cloud besser integriert werden wird.

Unternehmen, die am liebsten nur Software von SAP einsetzen, werden also mittlerweile bedient.

Mircosoft holt bei Process Mining auf

Ein absoluter Newcomer unter den Großen Anbietern im praktischen Einsatz bei Unternehmen ist sicherlich Microsoft Process Mining. Ich betreue bereits selbst Kunden, die auf Microsoft setzen und beobachte in meinem Netzwerk ein hohes Interesse an der Lösung von Microsoft. Was als logischer Schritt von Microsoft betrachtet werden kann, ist in der Praxis jedoch noch etwas hakelig, da Microsoft – und ich weiß wovon ich spreche – aktuell noch ein recht komplexes Zusammenspiel aus dem eigentlichen Process Mining Client (ehemals Minit) und der Power Automate Plattform sowie Power BI bereitstellt. Sehr hilfreich ist die Weiterführung der Process Mining Analyse vom Client-Tool dann direkt in der PowerBI Cloud. Das Ganze hat definitiv Potenzial, hängt aber in Details in 2024 noch etwas in diesem Zusammenspiel an verschiedenen Tools, die kein einfaches Setup für den User darstellen.

Doch wenn diese Integration besser funktioniert, und das ist in Kürze zu erwarten, dann bringt das viele Anbieter definitiv in Bedrängnis, denn den Microsoft Stack nutzen die meisten Unternehmen sowieso. Somit wäre kein weiteres Tool für datengetriebene Prozessanalysen mehr notwendig.

Process Mining – Und wie steht es um Machine Learning?

Obwohl ich mich gemeinsam mit Kunden besonders viel mit Machine Learning befasse, sind die Beispiele mit Process Mining noch recht dünn gesäht, dennoch gibt es etwa seit 2020 in Sachen Machine Learning für Process Mining auch etwas zu vermelden.

Celonis versucht Machine Learning innerhalb der Plattform aus einer Hand anzubieten und hat auch eigene Python-Bibleotheken dafür entwickelt. Bisher dreht sich hier viel eher noch um z. B. die Vorhersage von Prozesszeiten oder um die Erkennung von Doppelvorgängen. Die Erkennung von Doppelzahlungen ist sogar eine der penetrantesten Werbeversprechen von Celonis, obwohl eigentlich bereits mit viel einfacherer Analytik effektiv zu bewerkstelligen.

Von Kunden bisher über meinen Geschäftskanal nachgefragte und umgesetzte Machine Learning Funktionen sind u.a. die Anomalie-Erkennung in Prozessdaten, die möglichst frühe Vorhersage von Prozesszeiten (oder -kosten) und die Impact-Prediction auf den Prozess, wenn ein bestimmtes Event eintritt.

Umgesetzt werden diese Anwendungsfälle bisher vor allem auf dritten Plattformen, wie z. B. auf den Analyse-Ressourcen der Microsoft Azure Cloud oder in auf der databricks-Plattform.

Während das nun Anwendungsfälle auf der Prozessanalyse-Seite sind, kann Machine Learning jedoch auf der anderen Seite zur Anwendung kommen: Mit NER-Verfahren (Named Entity Recognition) aus dem NLP-Baukasten (Natural Language Processing) können Event Logs aus unstrukturierten Daten gewonnen werden, z. B. aus Texten in E-Mails oder Tickets.

Data Lakehouse – Event Logs außerhalb des Process Mining Tools

Auch wenn die vorbereitete Anbindung von Standard-ERP-Systemen und deren Standard-Prozesse durch Celonis einen echten Startvorteil bietet, so schwenken Unternehmen immer mehr auf die Etablierung eines unternehmensinternen Data Warehousing oder Data Lakehousing Prozesses, der die Daten als “Data Middlelayer” vorhält und Process Mining Applikationen bereitstellt.

Ich selbst habe diese Beobachtung bereits bei Unternehmen der industriellen Produktion, Handel, Finanzdienstleister und Telekommunikation gemacht und teilweise selbst diese Projekte betreut und/oder umgesetzt. Recht unterschiedlich hingegen ist die interne Benennung dieser Architektur, von “Middlelayer” über “Data Lakehouse” oder “Event Log Layer” bis “Data Hub” waren sehr unterschiedliche Bezeichnungen dabei. Gemeinsam haben sie alle die Funktion als Zwischenebene zwischen den Datenquellen und den Process Mining, BI und Data Science Applikationen.

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

Prinzipielle Architektur-Darstellung eines Data Lakehouse Systems unter Einsatz von Databricks auf der Goolge / Amazon / Microsoft Azure Cloud nach dem Data Mesh Konzept zur Bereitstellung von Data Products für Process Mining, BI und Data Science Applikationen. Alternativ zu Databricks können auch andere Data Warehouse Datenbankplattformen zur Anwendung kommen, beispielsweise auch snowflake mit dbt.

Das Kernziel der Zwischenschicht erstellt für die Process Mining Vohaben die benötigten Event Logs, kann jedoch diesselben Daten für ganz andere Vorhaben und Applikationen zur Verfügung zu stellen.

Vorteile des Data Lakehousing

Die Vorteile einer Daten-Zwischenschicht in Form eines Data Warehouses oder Data Lakehouses sind – je nach unternehmensinterner Ausrichtung – beispielsweise die folgenden:

  • Keine doppelte Datenhaltung, denn Daten können zentral gehalten werden und in Views speziellen Applikationen der BI, Data Science, KI und natürlich auch für Process Mining genutzt werden.
  • Einfachere Data Governance, denn eine zentrale Datenschicht zwischen den Applikationen erleichtert die Übersicht und die Aussteuerung der Datenzugriffsberechtigung.
  • Reduzierte Cloud Kosten, denn Cloud Tools berechnen Gebühren für die Speicherung von Daten. Müssen Rohdatentabellen in die Analyse-Tools wie z. B. Celonis geladen werden, kann dies unnötig hohe Kosten verursachen.
  • Reduzierte Personalkosten, sind oft dann gegeben, wenn interne Data Engineers verfügbar sind, die die Datenmodelle intern entwickeln.
  • Höhere Data Readiness, denn für eine zentrale Datenplattform lohn es sich eher, Daten aus weniger genutzten Quellen anzuschließen. Hier ergeben sich oft neue Chancen der Datenfusion für nützliche Analysen, die vorher nicht angedacht waren, weil sich der Aufwand nur hierfür speziell nicht lohne.
  • Große Datenmodelle werden möglich und das Investment in diese lohnt sich nun, da sie für verschiedene Process Mining Tools ausgeliefert werden können, oder auch nur Sichten (Views) auf Prozess-Perspektiven. So wird Object-centric Process Mining annäherend mit jedem Tool möglich.
  • Nutzung von heterogenen Datenquellen, denn mit einem Data Lakehouse ist auch die Nutzung von unstrukturierten Daten leicht möglich, davon wird in Zukunft auch Process Mining profitieren. Denn dank KI und NLP (Data Science) können auch Event Logs aus unstrukturierten Daten generiert werden.
  • Unabhängigkeit von Tool-Anbietern, denn wenn die zentrale Datenschicht die Daten in Datenmodelle aufbereitet (im Falle von Process Mining oft in normalisierten Event Logs), können diese allen Tools zur Verfügung gestellt werden. Dies sorgt für Unabhängigkeit gegenüber einzelnen Tool-Anbietern.
  • Data Science und KI wird erleichtert, denn die Data Science und das Training im Machine Learning kann direkt mit dem reichhaltigen Pool an Daten erfolgen, auch direkt mit den Daten der Event Logs und losgelöst vom Process Mining Analyse-Tool, z. B. in Databricks oder den KI-Tools von Google, AWS und Mircosoft Azure (Azure Cognitive Services, Azure Machine Learning etc.).

Unter diesen Aspekten wird die Tool-Auswahl für die Prozessanalyse selbst in ihrer Relevanz abgemildert, da diese Tools schneller ausgetauscht werden können. Dies könnte auch bedeuten, dass sich für Unternehmen die Lösung von Microsoft besonders anbietet, da das Data Engineering und die Data Science sowieso über andere Cloud Services abgebildet wird, jedoch kein weiterer Tool-Anbieter eingebunden werden muss.

Process Mining / Process Analytics

Process Mining Software – Fazit

Es ist viel Bewegung am Markt und bietet dem Beobachter auch tatsächlich etwas Entertainment. Celonis ist weiterhin der Platzhirsch und wir können sehr froh sein, dass wir es hier mit einem deutschen Start-Up zutun haben. Für Unternehmen, die gleich voll in Process Mining reinsteigen möchten und keine Scheu vor einem möglichen Vendor-Lock-In, bietet Celonis meiner Ansicht nach immer noch das beste Angebot, wenn auch nicht die günstigste Lösung. Die anderen Tools können ebenfalls eine passende Lösung sein, nicht nur aus preislichen Gründen, sondern vor allem im Kontext der zu untersuchenden Prozesse, der Datenquellen und der bestehenden Tool-Landschaft. Dies sollte im Einzelfall geprüft werden.

Die Datenbereitstellung und -aufbereitung sollte idealerweise nicht im Process Mining Tool erfolgen, sondern auf einer zentralen Datenschicht als Data Warehouse oder Data Lakehouse für Process Mining. Die damit gewonnene Data Readiness zahlt nicht nur auf datengetriebene Prozessanalysen ein, sondern kommt dem ganzen Unternehmen zu Gute und ermöglicht zukünftige Projekte mit Daten, an die vorher oder bisher gar nicht zu denken waren.

Dieser Artikel wurde von Benjamin Aunkofer, einem neutralen Process Mining Berater, ohne KI (ohne ChatGPT etc.) verfasst!
Benjamin Aunkofer von AUDAVIS im Interview mit Prof. Kai-Uwe Marten über KI als Co-Pilot in der Jahresabschlussprüfung.
AUDAVIS

KI in der Abschlussprüfung – Podcast mit Benjamin Aunkofer

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Gemeinsam mit Prof. Kai-Uwe Marten von der Universität Ulm und dortiger Direktor des Instituts für Rechnungswesen und Wirtschaftsprüfung, bespricht Benjamin Aunkofer, Co-Founder und Chief AI Officer von AUDAVIS, die Potenziale und heutigen Möglichkeiten von der Künstlichen Intelligenz (KI) in der Jahresabschlussprüfung bzw. allgemein in der Wirtschaftsprüfung: KI als Co-Pilot für den Abschlussprüfer.

Inhaltlich behandelt werden u.a. die Möglichkeiten von überwachtem und unüberwachten maschinellem Lernen, die Möglichkeit von verteiltem KI-Training auf Datensätzen sowie warum Large Language Model (LLM) nur für einige bestimmte Anwendungsfälle eine adäquate Lösung darstellen.

Die neue Folge ist frei verfügbar zum visuellen Ansehen oder auch nur zum Anhören, bitte besuchen Sie dafür einen der folgenden Links:
… Spotify: Podcast “Wirtschaftsprüfung kann mehr” auf Spotify
… YouTube: Ulmer Forum für Wirtschaftswissenschaften auf Youtube
… und auf der Podcast-Webseite unter Podcast – Wirtschaftsprüfung kann mehr!

DATANOMIQ - Benjamin Aunkofer
Benjamin Aunkofer

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

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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.

Benjamin Aunkofer

Big Data – Das Versprechen wurde eingelöst

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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↑
Training of Deep Learning AI models
Benjamin Aunkofer

Alles dreht sich um Daten: die Trainingsmethoden des Deep Learning

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Im Deep Learning gibt es unterschiedliche Trainingsmethoden. Welche wir in einem KI Projekt anwenden, hängt von den zur Verfügung gestellten Daten des Kunden ab: wieviele Daten gibt es, sind diese gelabelt oder ungelabelt? Oder gibt es sowohl gelabelte als auch ungelabelte Daten?

Nehmen wir einmal an, unser Kunde benötigt für sein Tourismusportal strukturierte, gelabelte Bilder. Die Aufgabe für unser KI Modell ist es also, zu erkennen, ob es sich um ein Bild des Schlafzimmers, Badezimmers, des Spa-Bereichs, des Restaurants etc. handelt. Sehen wir uns die möglichen Trainingsmethoden einmal an.

1. Supervised Learning

Hat unser Kunde viele Bilder und sind diese alle gelabelt, so ist das ein seltener Glücksfall. Wir können dann das Supervised Learning anwenden. Dabei lernt das KI Modell die verschiedenen Bildkategorien anhand der gelabelten Bilder. Es bekommt für das Training von uns also die Trainingsdaten mit den gewünschten Ergebnissen geliefert.
Während des Trainings sucht das Modell nach Mustern in den Bildern, die mit den gewünschten Ergebnissen zusammenpassen. So erlernt es Merkmale der Kategorien. Das Gelernte kann das Modell dann auf neue, ungesehene Daten übertragen und auf diese Weise eine Vorhersage für ungelabelte Bilder liefern, also etwa “Badezimmer 98%”.

2. Unsupervised learning

Wenn unser Kunde viele Bilder als Trainingsdaten liefern kann, diese jedoch alle nicht gelabelt sind, müssen wir auf Unsupervised Learning zurückgreifen. Das bedeutet, dass wir dem Modell nicht sagen können, was es lernen soll (die Zuordnung zu Kategorien), sondern es muss selbst Regelmäßigkeiten in den Daten finden.

Eine aktuell gängige Methode des Unsupervised Learning ist Contrastive Learning. Dabei generieren wir jeweils aus einem Bild mehrere Ausschnitte. Das Modell soll lernen, dass die Ausschnitte des selben Bildes ähnlicher zueinander sind als zu denen anderer Bilder. Oder kurz gesagt, das Modell lernt zwischen ähnlichen und unähnlichen Bildern zu unterscheiden.

Über diese Methode können wir zwar Vorhersagen erzielen, jedoch können diese niemals
die Ergebnisgüte von Supervised Learning erreichen.

3. Semi-supervised Learning

Kann uns unser Kunde eine kleine Menge an gelabelten Daten und eine große Menge an nicht gelabelten Daten zur Verfügung stellen, wenden wir Semi-supervised Learning an. Diese Datenlage begegnet uns in der Praxis tatsächlich am häufigsten. Bei fast allen KI Projekten stehen einer kleinen Menge an gelabelten Daten ein Großteil an unstrukturierten
Daten gegenüber.

Mit Semi-supervised Learning können wir beide Datensätze für das Training verwenden. Das gelingt zum Beispiel durch die Kombination von Contrastive Learning und Supervised Learning. Dabei trainieren wir ein KI Modell mit den gelabelten Daten, um Vorhersagen für Raumkategorien zu erhalten. Gleichzeitig lassen wir es Ähnlichkeiten und Unähnlichkeiten in den ungelabelten Daten erlernen und sich daraufhin selbst optimieren. Auf diese Weise können wir letztendlich auch gute Label-Vorhersagen für neue, ungesehene Bilder erzielen.

Fazit: Supervised vs. Unsupervised vs. Semi-supervised

Supervised Learning wünscht sich jeder, der mit einem KI Projekt betraut ist. In der Praxis ist das kaum anwendbar, da selten sämtliche Trainingsdaten gut strukturiert und gelabelt vorliegen.

Wenn nur unstrukturierte und ungelabelte Daten vorhanden sind, dann können wir mit Unsupervised Learning immerhin Informationen aus den Daten gewinnen, die unser Kunde so nicht hätte. Im Vergleich zu Supervised Learning ist aber die Ergebnisqualität deutlich schlechter.

Mit Semi-Supervised Learning versuchen wir das Datendilemma, also kleiner Teil gelabelte, großer Teil ungelabelte Daten, aufzulösen. Wir verwenden beide Datensätze und können gute Vorhersage-Ergebnisse erzielen, deren Qualität dem Supervised Learning oft ebenbürtig sind.

Dieser Artikel entstand in Zusammenarbeit zwischen DATANOMIQ, einem Unternehmen für Beratung und Services rund um Business Intelligence, Process Mining und Data Science. und pixolution, einem Unternehmen für AI Solutions im Bereich Computer Vision (Visuelle Bildsuche und individuelle KI Lösungen).

Haufe Akademie Data Science Buzzword Bingo
Julius Meier

Buzzword Bingo: Data Science – Teil III

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Im ersten Teil unserer Serie „Buzzword Bingo: Data Science“ widmeten wir uns den Begriffen Künstliche Intelligenz, Algorithmen und Maschinelles Lernen, im zweiten Teil den Begriffen Big Data, Predictive Analytics und Internet of Things. Nun geht es hier im dritten und letzten Teil weiter mit der Begriffsklärung dreier weiterer Begriffe aus dem Data Science-Umfeld.

Buzzword Bingo: Data Science – Teil III: Künstliche neuronale Netze & Deep Learning

Im dritten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns mit den Begriffen „künstliche neuronale Netze“ und „Deep Learning“.

Künstliche neuronale Netze

Künstliche neuronale Netze beschreiben eine besondere Form des überwachten maschinellen Lernens. Das Besondere hier ist, dass mit künstlichen neuronalen Netzen versucht wird, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachzuahmen. Dort können biologische Nervenzellen durch elektrische Impulse von benachbarten Neuronen erregt werden. Nach bestimmten Regeln leiten Neuronen diese elektrischen Impulse dann wiederum an benachbarte Neuronen weiter. Häufig benutzte Signalwege werden dabei verstärkt, wenig benutzte Verbindungen werden gleichzeitig im Laufe der Zeit abgeschwächt. Dies wird beim Menschen üblicherweise dann als Lernen bezeichnet.

Dasselbe geschieht auch bei künstlichen neuronalen Netzen: Künstliche Neuronen werden hier hinter- und nebeneinander geschaltet. Diese Neuronen nehmen dann Informationen auf, modifizieren und verarbeiten diese nach bestimmten Regeln und geben dann Informationen wiederum an andere Neuronen ab. Üblicherweise werden bei künstlichen neuronalen Netzen mindestens drei Schichten von Neuronen unterschieden.

  • Die Eingabeschicht nimmt Informationen aus der Umwelt auf und speist diese in das neuronale Netz ein.
  • Die verborgene(n) Schichte(n) liegen zwischen der Eingabe- und der Ausgabeschicht. Hier werden wie beschrieben die eingegebenen Informationen von den einzelnen Neuronen verarbeitet und anschließend weitergegeben. Der Name „verborgene“ Schicht betont dabei, dass für Anwender meist nicht erkennbar ist, in welcher Form ein neuronales Netz die Eingabeinformationen in den verborgenen Schichten verarbeitet.
  • Die letzte Schicht eines neuronalen Netzes ist die Ausgabeschicht. Diese beinhaltet die Ausgabeneuronen, welche die eigentliche Entscheidung, auf die das neuronale Netz trainiert wurde, als Information ausgeben.

Das besondere an neuronalen Netzen: Wie die Neuronen die Informationen zwischen den verborgenen Schichten verarbeiten und an die nächste Schicht weitergeben, erlernt ein künstliches neuronales Netz selbstständig. Hierfür werden – einfach ausgedrückt – die verschiedenen Pfade durch ein neuronales Netz, die verschiedene Entscheidungen beinhalten, häufig hintereinander ausprobiert. Führt ein bestimmter Pfad während des Trainings des neuronalen Netzes nicht zu dem vordefinierten korrekten Ergebnis, wird dieser Pfad verändert und in dieser Form zukünftig eher nicht mehr verwendet. Führt ein Pfad stattdessen erfolgreich zu dem vordefinierten Ergebnis, dann wird dieser Pfad bestärkt. Schlussendlich kann, wie bei jedem überwachten Lernprozess, ein erfolgreich trainiertes künstliches neuronales Netz auf unbekannte Eingangsdaten angewandt werden.

Auch wenn diese Funktionsweise auf den ersten Blick nicht sehr leicht verständlich ist: Am Ende handelt es sich auch hier bloß um einen Algorithmus, dessen Ziel es ist, Muster in Daten zu erkennen. Zwei Eigenschaften teilen sich künstliche neuronale Netze aber tatsächlich mit den natürlichen Vorbildern: Sie können sich besonders gut an viele verschiedene Aufgaben anpassen, benötigen dafür aber auch meistens mehr Beispiele (Daten) und Zeit als die klassischen maschinellen Lernverfahren.

Sonderform: Deep Learning

Deep Learning ist eine besondere Form von künstlichen neuronalen Netzen. Hierbei werden viele verdeckte Schichten hintereinander verwendet, wodurch ein tiefes (also „deep“) neuronales Netz entsteht.

Je tiefer ein neuronales Netz ist, umso komplexere Zusammenhänge kann es abbilden. Aber es benötigt auch deutlich mehr Rechenleistung als ein flaches neuronales Netz. Seit einigen Jahren steht diese Leistung günstig zur Verfügung, weshalb diese Form des maschinellen Lernens an Bedeutung gewonnen hat.

Data Science & Big Data
Julius Meier

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II

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Im ersten Teil unserer Serie „Buzzword Bingo: Data Science“ widmeten wir uns den Begriffen Künstliche Intelligenz, Algorithmen und Maschinelles Lernen. Nun geht es hier im zweiten Teil weiter mit der Begriffsklärung dreier weiterer Begriffe aus dem Data Science-Umfeld.

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II: Big Data, Predictive Analytics & Internet of Things

Im zweiten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns mit den Begriffen „Big Data“, „Predictive Analytics“ und „Internet of Things“.

Big Data

Interaktionen auf Internetseiten und in Webshops, Likes, Shares und Kommentare in Social Media, Nutzungsdaten aus Streamingdiensten wie Netflix und Spotify, von mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Fitnesstrackern aufgezeichnete Bewegungsdate oder Zahlungsaktivitäten mit der Kreditkarte: Wir alle produzieren in unserem Leben alltäglich immense Datenmengen.

Im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz wird dabei häufig von „Big Data“ gesprochen. Und weil es in der öffentlichen Diskussion um Daten häufig um personenbezogene Daten geht, ist der Begriff Big Data oft eher negativ konnotiert. Dabei ist Big Data eigentlich ein völlig wertfreier Begriff. Im Wesentlichen müssen drei Faktoren erfüllt werden, damit Daten als „big“ gelten. Da die drei Fachbegriffe im Englischen alle mit einem „V“ beginnen, wird häufig auch von den drei V der Big Data gesprochen.

Doch welche Eigenschaften sind dies?

  • Volume (Datenmenge): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die zu groß sind, um sie mit klassischen Methoden zu bearbeiten, weil beispielsweise ein einzelner Computer nicht in der Läge wäre, diese Datenmenge zu verarbeiten.
  • Velocity (Geschwindigkeit der Datenerfassung und -verarbeitung): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die in einer sehr hohen Geschwindigkeit generiert werden und dementsprechend auch in einer hohen Geschwindigkeit ausgewertet und weiterverarbeitet werden müssen, um Aktualität zu gewährleisten.
  • Variety (Datenkomplexität oder Datenvielfalt): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die so komplex sind, dass auf den ersten Blick keine Zusammenhänge erkennbar sind. Diese Zusammenhänge können erst mit speziellen maschinellen Lernverfahren aufgedeckt werden. Dazu gehört auch, dass ein Großteil aller Daten in unstrukturierten Formaten wie Texten, Bildern oder Videos abgespeichert ist.

Häufig werden neben diesen drei V auch weitere Faktoren aufgezählt, welche Big Data definieren. Dazu gehören Variability (Schwankungen, d.h. die Bedeutung von Daten kann sich verändern), Veracity (Wahrhaftigkeit, d.h. Big Data muss gründlich auf die Korrektheit der Daten geprüft werden), Visualization (Visualisierungen helfen, um komplexe Zusammenhänge in großen Datensets aufzudecken) und Value (Wert, d.h. die Auswertung von Big Data sollte immer mit einem unternehmerischen Vorteil einhergehen).

Predictive Analytics

  • Heute schon die Verkaufszahlen von morgen kennen, sodass eine rechtzeitige Nachbestellung knapper Produkte möglich ist?
  • Bereits am Donnerstagabend die Regenwahrscheinlichkeit für das kommende Wochenende kennen, sodass passende Kleidung für den Kurztrip gepackt werden kann?
  • Frühzeitig vor bevorstehenden Maschinenausfällen gewarnt werden, sodass die passenden Ersatzteile bestellt und das benötigte technische Personal angefragt werden kann?

Als Königsdisziplin der Data Science gilt für viele die genaue Vorhersage zukünftiger Zustände oder Ereignisse. Im Englischen wird dann von „Predictive Analytics“ gesprochen. Diese Methoden werden in vielen verschiedenen Branchen und Anwendungsfeldern genutzt. Die Prognose von Absatzzahlen, die Wettervorhersage oder Predictive Maintenance (engl. für vorausschauende Wartung) von Maschinen und Anlagen sind nur drei mögliche Beispiele.

Zu beachten ist allerdings, dass Predictive-Analytics-Modelle keine Wahrsagerei sind. Die Vorhersage zukünftiger Ereignisse beruht immer auf historischen Daten. Das bedeutet, dass maschinelle Modelle mit Methoden des überwachten maschinellen Lernens darauf trainiert werden, Zusammenhänge zwischen vielen verschiedenen Eingangseigenschaften und einer vorherzusagenden Ausgangseigenschaft zu erkennen. Im Falle der Predicitve Maintenance könnten solche Eingangseigenschaften beispielsweise das Alter einer Produktionsmaschine, der Zeitraum seit der letzten Wartung, die Umgebungstemperatur, die Produktionsgeschwindigkeit und viele weitere sein. In den historischen Daten könnte ein Algorithmus nun untersuchen, ob diese Eingangseigenschaften einen Zusammenhang damit aufweisen, ob die Maschine innerhalb der kommenden 7 Tage ausfallen wird. Hierfür muss zunächst eine ausreichend große Menge an Daten zur Verfügung stehen. Wenn ein vorherzusagendes Ereignis in der Vergangenheit nur sehr selten aufgetreten ist, dann stehen auch nur wenige Daten zur Verfügung, um dasselbe Ereignis für die Zukunft vorherzusagen. Sobald der Algorithmus einen entsprechenden Zusammenhang identifiziert hat, kann dieses trainierte maschinelle Modell nun verwendet werden, um zukünftige Maschinenausfälle rechtzeitig vorherzusagen.

Natürlich müssen solche Modelle dauerhaft darauf geprüft werden, ob sie die Realität immer noch so gut abbilden, wie zu dem Zeitpunkt, zu dem sie trainiert worden sind. Wenn sich nämlich die Umweltparameter ändern, das heißt, wenn Faktoren auftreten, die zum Trainingszeitpunkt noch nicht bekannt waren, dann muss auch das maschinelle Modell neu trainiert werden. Für unser Beispiel könnte dies bedeuten, dass wenn die Maschine für die Produktion eines neuen Produktes eingesetzt wird, auch für dieses neue Produkt zunächst geprüft werden müsste, ob die in der Vergangenheit gefundenen Zusammenhänge immer noch Bestand haben.

Internet of Things

Selbstfahrende Autos, smarte Kühlschränke, Heizungssysteme und Glühbirnen, Fitnesstracker und vieles mehr: das Buzzword „Internet of Things“ (häufig als IoT abgekürzt) beschreibt den Trend, nicht nur Computer über Netzwerke miteinander zu verbinden, sondern auch verschiedene alltägliche Objekte mit in diese Netzwerke aufzunehmen. Seinen Anfang genommen hat dieser Trend in erster Linie im Bereich der Unterhaltungselektronik. In vielen Haushalten sind schon seit Jahren Fernseher, Computer, Spielekonsole und Drucker über das Heimnetzwerk miteinander verbunden und lassen sich per Smartphone bedienen.

Damit ist das IoT natürlich eng verbunden mit Big Data, denn all diese Geräte produzieren nicht nur ständig Daten, sondern sie sind auch auf Informationen sowie auf Daten von anderen Geräten angewiesen, um zu funktionieren.

Julius Meier

Buzzword Bingo: Data Science – Teil I

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Rund um das Thema Data Science gibt es unglaublich viele verschiedene Buzzwords, die Ihnen sicherlich auch schon vielfach begegnet sind. Sei es der Begriff Künstliche Intelligenz, Big Data oder auch Deep Learning. Die Bedeutung dieser Begriffe ist jedoch nicht immer ganz klar und häufig werden Begriffe auch vertauscht oder in missverständlichen Zusammenhängen benutzt. Höchste Zeit also, sich einmal mit den genauen Definitionen dieser Begriffe zu beschäftigen!

Buzzword Bingo: Data Science – Teil 1: Künstliche Intelligenz, Algorithmen & Maschinelles Lernen

Im ersten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns zunächst mit den drei Begriffen „Künstliche Intelligenz“, „Algorithmus“ und „Maschinelles Lernen“.

Künstliche Intelligenz

Der im Bereich der Data Science u. a. am häufigsten genutzte Begriff ist derjenige der „Künstlichen Intelligenz“. Viele Menschen denken bei dem Begriff sofort an hochspezialisierte Maschinen à la „The Matrix“ oder „I, Robot“. Dabei ist der Begriff deutlich älter als viele denken. Bereits 1956 wurde der englische Begriff “artificial intelligence” zum ersten Mal in einem Workshop-Titel am US-amerikanischen Dartmouth College genutzt.

Heutzutage besitzt der Begriff der künstlichen Intelligenz keine allgemeingültige Definition. Es handelt sich bei künstlicher Intelligenz grundsätzlich um ein Teilgebiet der Informatik, das sich mit der Automatisierung von intelligentem Verhalten befasst. Es geht also darum, dass ein Computerprogramm auf eine Eingabe eine intelligente Reaktion zeigt. Zu beachten ist hierbei, dass eine künstliche Intelligenz nur ein scheinbar intelligentes Verhalten zeigen kann. Künstliche Intelligenz wird heutzutage sehr weit gefasst und kann vieles umfassen: von klassischen, regelbasierten Algorithmen bis hin zu selbstlernenden künstlichen neuronalen Netzen.

Das zentrale Forschungsziel ist die Entwicklung einer sogenannten Allgemeinen Künstlichen Intelligenz, also einer Maschine, die in der Lage sein wird, autonom beliebige Probleme zu lösen. Es gibt eine fortlaufende Debatte darüber, ob dieses Ziel jemals erreicht werden kann bzw. ob es erreicht werden sollte.

In den vergangenen Jahren ist auch die sogenannte xAI (engl. Explainable AI; erklärbare künstliche Intelligenz) in den Mittelpunkt der Forschungsinteressen gerückt. Dabei geht es um die Problematik, dass künstliche Intelligenzen sogenannte Black Boxen sind. Das bedeutet, dass ein menschlicher User die Entscheidung einer künstlichen Intelligenz üblicherweise nicht nachvollziehen kann. Eine xAI wäre im Vergleich jedoch eine Glass Box, die Entscheidungen einer solchen künstlichen Intelligenz wären für Menschen also nachvollziehbar.

Algorithmen

Algorithmen sind klar definierte, vorgegebene Prozeduren, mit denen klar definierte Aufgaben gelöst werden können. Dabei kann der Lösungsweg des Algorithmus entweder durch Menschen vorgegeben, also programmiert werden oder Algorithmen lernen durch Methoden des maschinellen Lernens selbstständig den Lösungsweg für eine Prozedur.

Im Bereich der Data Science bezeichnen wir mit Algorithmen kleine Programme, die scheinbar intelligent handeln. Dementsprechend stecken auch hinter künstlichen Intelligenzen Algorithmen. Werden Algorithmen mit klar definierten Eingaben versorgt, führen sie somit zu einem eindeutigen, konstanten Ergebnis. Dabei gilt aber leider auch der Grundsatz der Informatik „Mist rein, Mist raus“. Ein Algorithmus kann immer nur auf sinnvolle Eingaben sinnvolle Ausgaben erzeugen. Die Komplexität von Algorithmen kann sehr vielfältig sein und je komplexer ein solcher Algorithmus ist, desto „intelligenter“ erscheint er oftmals.

Maschinelles Lernen

Maschinelles Lernen ist ein Überbegriff für eine Vielzahl von Verfahren, mit denen ein Computer oder eine künstliche Intelligenz automatisch Muster in Daten erkennt. Beim maschinellen Lernen wird grundsätzlich zwischen dem überwachten und unüberwachten Lernen unterschieden.

Beim überwachten Lernen lernt ein Algorithmus den Zusammenhang zwischen bekannten Eingabe- und Ausgabewerten. Nachdem dieser Zusammenhang vom Algorithmus erlernt wurde, kann dieses maschinelle Modell dann auf neue Eingabewerte angewandt und somit unbekannte Ausgabewerte vorhergesagt werden. Beispielsweise könnte mithilfe einer Regression zunächst der Zusammenhang zwischen Lufttemperatur und dem Wochentag (jeweils bekannte Eingabewerte) sowie der Anzahl der verkauften Eiskugeln (für die Vergangenheit bekannte Ausgabewerte) in einem Freibad untersucht werden. Sobald dieser Zusammenhang einmal ausreichend genau bestimmt worden ist, kann er auch für die Zukunft fortgeschrieben werden. Das bedeutet, es wäre dann möglich, anhand des nächsten Wochentages sowie der vorhergesagten Lufttemperatur (bekannte Eingabewerte für die Zukunft) die Anzahl der verkauften Eiskugeln (unbekannte Ausgabewerte für die Zukunft) zu prognostizieren und somit die Absatzmenge genauer planen zu können.

Beim unüberwachten Lernen auf der anderen Seite sind nur Eingabedaten vorhanden, es gibt keine den Eingabedaten zugehörigen Ausgabedaten. Hier wird dann mit Methoden wie beispielsweise dem Clustering versucht, verschiedene Datenpunkte anhand ihrer Eigenschaften in verschiedene Gruppen aufzuteilen. Beispielsweise könnte ein Clustering-Algorithmus verschiedene Besucher:innen eines Webshops in verschiedene Gruppen einteilen: Es könnte beispielsweise eine Gruppe von Besucher:innen geben, die sehr zielstrebig ein einzelnes Produkt in den Warenkorb legen und ihren Kauf direkt abschließen. Andere Besucher:innen könnten allerdings viele verschiedene Produkte ansehen, in den Warenkorb legen und am Ende nur wenige oder vielleicht sogar gar keine Käufe tätigen. Wieder andere Kund:innen könnten unter Umständen lediglich auf der Suche nach Artikeln im Sale sein und keine anderen Produkte ansehen.

Aufgrund ihres Nutzungsverhaltens auf der Website könnte ein Clustering-Algorithmus mit ausreichend aufbereiteten Daten nun all diese Kund:innen in verschiedene Gruppen oder Cluster einteilen. Was der Algorithmus jedoch nicht leisten kann ist zu erklären, was die erkannten Cluster genau bedeuten. Hierfür braucht es nach wie vor menschliche Intelligenz gepaart mit Fachwissen.

Niklas Lang

Wie Maschinen uns verstehen: Natural Language Understanding

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Foto von Sebastian Bill auf Unsplash.

Natural Language Understanding (NLU) ist ein Teilbereich von Computer Science, der sich damit beschäftigt natürliche Sprache, also beispielsweise Texte oder Sprachaufnahmen, verstehen und verarbeiten zu können. Das Ziel ist es, dass eine Maschine in der gleichen Weise mit Menschen kommunizieren kann, wie es Menschen untereinander bereits seit Jahrhunderten tun.

Was sind die Bereiche von NLU?

Eine neue Sprache zu erlernen ist auch für uns Menschen nicht einfach und erfordert viel Zeit und Durchhaltevermögen. Wenn eine Maschine natürliche Sprache erlernen will, ist es nicht anders. Deshalb haben sich einige Teilbereiche innerhalb des Natural Language Understandings herausgebildet, die notwendig sind, damit Sprache komplett verstanden werden kann.

Diese Unterteilungen können auch unabhängig voneinander genutzt werden, um einzelne Aufgaben zu lösen:

  • Speech Recognition versucht aufgezeichnete Sprache zu verstehen und in textuelle Informationen umzuwandeln. Das macht es für nachgeschaltete Algorithmen einfacher die Sprache zu verarbeiten. Speech Recognition kann jedoch auch alleinstehend genutzt werden, beispielsweise um Diktate oder Vorlesungen in Text zu verwandeln.
  • Part of Speech Tagging wird genutzt, um die grammatikalische Zusammensetzung eines Satzes zu erkennen und die einzelnen Satzbestandteile zu markieren.
  • Named Entity Recognition versucht innerhalb eines Textes Wörter und Satzbausteine zu finden, die einer vordefinierten Klasse zugeordnet werden können. So können dann zum Beispiel alle Phrasen in einem Textabschnitt markiert werden, die einen Personennamen enthalten oder eine Zeit ausdrücken.
  • Sentiment Analysis klassifiziert das Sentiment, also die Gefühlslage, eines Textes in verschiedene Stufen. Dadurch kann beispielsweise automatisiert erkannt werden, ob eine Produktbewertung eher positiv oder eher negativ ist.
  • Natural Language Generation ist eine allgemeine Gruppe von Anwendungen mithilfe derer automatisiert neue Texte generiert werden sollen, die möglichst natürlich klingen. Zum Beispiel können mithilfe von kurzen Produkttexten ganze Marketingbeschreibungen dieses Produkts erstellt werden.

Welche Algorithmen nutzt man für NLP?

Die meisten, grundlegenden Anwendungen von NLP können mit den Python Modulen spaCy und NLTK umgesetzt werden. Diese Bibliotheken bieten weitreichende Modelle zur direkten Anwendung auf einen Text, ohne vorheriges Trainieren eines eigenen Algorithmus. Mit diesen Modulen ist ohne weiteres ein Part of Speech Tagging oder Named Entity Recognition in verschiedenen Sprachen möglich.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Bibliotheken ist die Ausrichtung. NLTK ist vor allem für Entwickler gedacht, die eine funktionierende Applikation mit Natural Language Processing Modulen erstellen wollen und dabei auf Performance und Interkompatibilität angewiesen sind. SpaCy hingegen versucht immer Funktionen bereitzustellen, die auf dem neuesten Stand der Literatur sind und macht dabei möglicherweise Einbußen bei der Performance.

Für umfangreichere und komplexere Anwendungen reichen jedoch diese Optionen nicht mehr aus, beispielsweise wenn man eine eigene Sentiment Analyse erstellen will. Je nach Anwendungsfall sind dafür noch allgemeine Machine Learning Modelle ausreichend, wie beispielsweise ein Convolutional Neural Network (CNN). Mithilfe von Tokenizern von spaCy oder NLTK können die einzelnen in Wörter in Zahlen umgewandelt werden, mit denen wiederum das CNN als Input arbeiten kann. Auf heutigen Computern sind solche Modelle mit kleinen Neuronalen Netzwerken noch schnell trainierbar und deren Einsatz sollte deshalb immer erst geprüft und möglicherweise auch getestet werden.

Jedoch gibt es auch Fälle in denen sogenannte Transformer Modelle benötigt werden, die im Bereich des Natural Language Processing aktuell state-of-the-art sind. Sie können inhaltliche Zusammenhänge in Texten besonders gut mit in die Aufgabe einbeziehen und liefern daher bessere Ergebnisse beispielsweise bei der Machine Translation oder bei Natural Language Generation. Jedoch sind diese Modelle sehr rechenintensiv und führen zu einer sehr langen Rechenzeit auf normalen Computern.

Was sind Transformer Modelle?

In der heutigen Machine Learning Literatur führt kein Weg mehr an Transformer Modellen aus dem Paper „Attention is all you need“ (Vaswani et al. (2017)) vorbei. Speziell im Bereich des Natural Language Processing sind die darin erstmals beschriebenen Transformer Modelle nicht mehr wegzudenken.

Transformer werden aktuell vor allem für Übersetzungsaufgaben genutzt, wie beispielsweise auch bei www.deepl.com. Darüber hinaus sind diese Modelle auch für weitere Anwendungsfälle innerhalb des Natural Language Understandings geeignet, wie bspw. das Beantworten von Fragen, Textzusammenfassung oder das Klassifizieren von Texten. Das GPT-2 Modell ist eine Implementierung von Transformern, dessen Anwendungen und die Ergebnisse man hier ausprobieren kann.

Was macht den Transformer so viel besser?

Soweit wir wissen, ist der Transformer jedoch das erste Transduktionsmodell, das sich ausschließlich auf die Selbstaufmerksamkeit (im Englischen: Self-Attention) stützt, um Repräsentationen seiner Eingabe und Ausgabe zu berechnen, ohne sequenzorientierte RNNs oder Faltung (im Englischen Convolution) zu verwenden.

Übersetzt aus dem englischen Originaltext: Attention is all you need (Vaswani et al. (2017)).

In verständlichem Deutsch bedeutet dies, dass das Transformer Modell die sogenannte Self-Attention nutzt, um für jedes Wort innerhalb eines Satzes die Beziehung zu den anderen Wörtern im gleichen Satz herauszufinden. Dafür müssen nicht, wie bisher, Recurrent Neural Networks oder Convolutional Neural Networks zum Einsatz kommen.

Was dieser Mechanismus konkret bewirkt und warum er so viel besser ist, als die vorherigen Ansätze wird im folgenden Beispiel deutlich. Dazu soll der folgende deutsche Satz mithilfe von Machine Learning ins Englische übersetzt werden:

„Das Mädchen hat das Auto nicht gesehen, weil es zu müde war.“

Für einen Computer ist diese Aufgabe leider nicht so einfach, wie für uns Menschen. Die Schwierigkeit an diesem Satz ist das kleine Wort „es“, dass theoretisch für das Mädchen oder das Auto stehen könnte. Aus dem Kontext wird jedoch deutlich, dass das Mädchen gemeint ist. Und hier ist der Knackpunkt: der Kontext. Wie programmieren wir einen Algorithmus, der den Kontext einer Sequenz versteht?

Vor Veröffentlichung des Papers „Attention is all you need“ waren sogenannte Recurrent Neural Networks die state-of-the-art Technologie für solche Fragestellungen. Diese Netzwerke verarbeiten Wort für Wort eines Satzes. Bis man also bei dem Wort „es“ angekommen ist, müssen erst alle vorherigen Wörter verarbeitet worden sein. Dies führt dazu, dass nur noch wenig Information des Wortes „Mädchen“ im Netzwerk vorhanden sind bis den Algorithmus überhaupt bei dem Wort „es“ angekommen ist. Die vorhergegangenen Worte „weil“ und „gesehen“ sind zu diesem Zeitpunkt noch deutlich stärker im Bewusstsein des Algorithmus. Es besteht also das Problem, dass Abhängigkeiten innerhalb eines Satzes verloren gehen, wenn sie sehr weit auseinander liegen.

Was machen Transformer Modelle anders? Diese Algorithmen prozessieren den kompletten Satz gleichzeitig und gehen nicht Wort für Wort vor. Sobald der Algorithmus das Wort „es“ in unserem Beispiel übersetzen will, wird zuerst die sogenannte Self-Attention Layer durchlaufen. Diese hilft dem Programm andere Wörter innerhalb des Satzes zu erkennen, die helfen könnten das Wort „es“ zu übersetzen. In unserem Beispiel werden die meisten Wörter innerhalb des Satzes einen niedrigen Wert für die Attention haben und das Wort Mädchen einen hohen Wert. Dadurch ist der Kontext des Satzes bei der Übersetzung erhalten geblieben.

Training of Deep Learning AI models
Benjamin Aunkofer

Ein KI Projekt richtig umsetzen : So geht’s

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Sie wollen in Ihrem Unternehmen Kosten senken und effizientere Workflows einführen? Dann haben Sie vielleicht schon darüber nachgedacht, Prozesse mit Künstlicher Intelligenz zu automatisieren. Für einen gelungenen Start, besprechen wir nun, wie ein KI-Projekt abläuft und wie man es richtig umsetzt.

Wir von DATANOMIQ und pixolution teilen unsere Erfahrungen aus Deep Learning Projekten, wo es vor allem um die Optimierung und Automatisierung von Unternehmensprozessen rund um visuelle Daten geht, etwa Bilder oder Videos. Wir stellen Ihnen die einzelnen Projektschritte vor, verraten Ihnen, wo dabei die Knackpunkte liegen und wie alle Beteiligten dazu beitragen können, ein KI-Projekt zum Erfolg zu führen.

1. Erstgespräch

In einem Erstgespräch nehmen wir Ihre Anforderungen auf.

  • Bestandsaufnahme Ihrer aktuellen Prozesse und Ihrer Änderungswünsche: Wie sind Ihre aktuellen Prozesse strukturiert? An welchen Prozessen möchten Sie etwas ändern?
  • Zielformulierung: Welches Endergebnis wünschen Sie sich? Wie genau sollen die neuen Prozesse aussehen? Das Ziel sollte so detailliert wie möglich beschrieben werden.
  • Budget: Welches Budget haben Sie für dieses Projekt eingeplant? Zusammen mit dem formulierten Ziel gibt das Budget die Wege vor, die wir zusammen in dem Projekt gehen können. Meist wollen Sie durch die Einführung von KI Kosten sparen oder höhere Umsätze erreichen. Das spielt für Höhe des Budgets die entscheidende Rolle.
  • Datenlage: Haben Sie Daten, die wir für das Training verwenden können? Wenn ja, welche und wieviele Daten sind das? Ist eine kontinuierliche Datenerfassung vorhanden, die während des Projekts genutzt werden kann, oder muss dafür erst die Grundlage geschaffen werden?

2. Evaluation

In diesem Schritt evaluieren und planen wir mit Ihnen gemeinsam die Umsetzung des Projekts. Das bedeutet im Einzelnen folgendes.

Begutachtung der Daten und weitere Datenplanung

Wir sichten von Ihnen bereitgestellte Trainingsdaten, z.B. gelabelte Bilder, und machen uns ein Bild davon, ob diese für das Training sinnvoll verwendet werden können. Da man für Deep Learning sehr viele Trainingsdaten benötigt, ist das ein entscheidender Punkt. In die Begutachtung der Daten fließt auch die Beurteilung der Qualität und Ausgewogenheit ein, denn davon ist abhängig wie gut ein KI-Modell lernt und korrekte Vorhersagen trifft.

Wenn von Ihnen keinerlei Daten zum Projektstart bereitgestellt werden können, wird zuerst ein separates Projekt notwendig, das nur dazu dient, Daten zu sammeln. Das bedeutet für Sie etwa je nach Anwendbarkeit den Einkauf von Datensets oder Labeling-Dienstleistungen.
Wir stehen Ihnen dabei beratend zur Seite.

Während der gesamten Dauer des Projekts werden immer wieder neue Daten benötigt, um die Qualität des Modells weiter zu verbessern. Daher müssen wir mit Ihnen gemeinsam planen, wie Sie fortlaufend diese Daten erheben, falsche Predictions des Modells erkennen und korrigieren, sodass Sie diese uns bereitstellen können. Die richtig erkannten Daten sowie die falsch erkannten und dann korrigierten Daten werden nämlich in das nächste Training einfließen.

Definition des Minimum Viable Product (MVP)

Wir definieren mit Ihnen zusammen, wie eine minimal funktionsfähige Version der KI aussehen kann. Die Grundfrage hierbei ist: Welche Komponenten oder Features sollten als Erstes in den Produktivbetrieb gehen, sodass Sie möglichst schnell einen Mehrwert aus
der KI ziehen?

Ein Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass Sie den neuen KI-basierten Prozess in kleinem Maßstab testen können. Gleichzeitig können wir Verbesserungen schneller identifizieren. Zu einem späteren Zeitpunkt können Sie dann skalieren und weitere Features aufnehmen. Die schlagenden Argumente, mit einem MVP zu starten, sind jedoch die Kostenreduktion und Risikominimierung. Anstatt ein riesiges Projekt umzusetzen wird ein kleines Mehrwert schaffendes Projekt geschnürt und in der Realität getestet. So werden Fehlplanungen und
-entwicklungen vermieden, die viel Geld kosten.

Definition der Key Performance Indicators (KPI)

Key Performance Indicators sind für die objektive Qualitätsmessung der KI und des Business Impacts wichtig. Diese Zielmarken definieren, was das geplante System leisten soll, damit es erfolgreich ist. Key Performance Indicators können etwa sein:

  • Durchschnittliche Zeitersparnis des Prozesses durch Teilautomatisierung
  • Garantierte Antwortzeit bei maximalem Anfrageaufkommen pro Sekunde
  • Parallel mögliche Anfragen an die KI
  • Accuracy des Modells
  • Zeit von Fertigstellung bis zur Implementierung des KI Modells

Planung in Ihr Produktivsystem

Wir planen mit Ihnen die tiefe Integration in Ihr Produktivsystem. Dabei sind etwa folgende Fragen wichtig: Wie soll die KI in der bestehenden Softwareumgebung und im Arbeitsablauf genutzt werden? Was ist notwendig, um auf die KI zuzugreifen?

Mit dem Erstgespräch und der Evaluation ist nun das Fundament für das Projekt gelegt. In den Folgeschritten treiben wir die Entwicklung nun immer weiter voran. Die Schritte 3 bis 5 werden dabei solange wiederholt bis wir von der minimal funktionsfähigen
Produktversion, dem MVP, bis zum gewünschten Endprodukt gelangt sind.

3. Iteration

Wir trainieren den Algorithmus mit dem Großteil der verfügbaren Daten. Anschließend überprüfen wir die Performance des Modells mit ungesehenen Daten.

Wie lange das Training dauert ist abhängig von der Aufgabe. Man kann jedoch sagen, dass das Trainieren eines Deep Learning Modells für Bilder oder Videos komplexer und zeitaufwändiger ist als bei textbasierten maschinellen Lernaufgaben. Das liegt daran, dass wir tiefe Modelle (mit vielen Layern) verwenden und die verarbeiteten Datenmengen in der Regel sehr groß sind.

Das Trainieren des Modells ist je nach Projekt jedoch nur ein Bruchstück des ganzen Entwicklungsprozesses, den wir leisten. Oft ist es notwendig, dass wir einen eigenen Prozess aufbauen, in den das Modell eingebettet werden kann, wie z.B. einen Webservice.

4. Integration

Ist eine akzeptable Qualitätsstufe des Modells nach dem Training erreicht, liefern wir Ihnen eine erste Produktversion aus. Üblicherweise stellen wir Ihnen die Version als Docker Image mit API zur Verfügung. Sie beginnen dann mit der Integration in Ihr System und Ihre Workflows. Wir begleiten Sie dabei.

5. Feedback erfassen

Nachdem die Integration in den Produktivbetrieb erfolgt ist, ist es sehr wichtig, dass Sie aus der Nutzung Daten sammeln. Nur so können Sie beurteilen, ob die KI funktioniert wie Sie es sich vorgestellt haben und ob es in die richtige Richtung geht. Es geht also darum, zu erfassen was das Modell im Realbetrieb kann und was nicht. Diese Daten sammeln Sie und übermitteln sie an uns. Wir speisen diese dann in nächsten Trainingslauf ein.

Es ist dabei nicht ungewöhnlich, dass diese Datenerfassung im Realbetrieb eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Das ist natürlich davon abhängig, in welchem Umfang Sie Daten erfassen. Bis zum Beginn der nächsten Iteration können so üblicherweise Wochen oder sogar Monate vergehen.

Die nächste Iteration

Um mit der nächsten Iteration eine signifikante Steigerung der Ergebnisqualität zu erreichen, kann es notwendig sein, dass Sie uns mehr Daten oder andere Daten zur Verfügung stellen, die aus dem Realbetrieb anfallen.

Eine nächste Iteration kann aber auch motiviert sein durch eine Veränderung in den Anforderungen, wenn etwa bei einem Klassifikationsmodell neue Kategorien erkannt werden müssen. Das aktuelle Modell kann für solche Veränderungen dann keine guten Vorhersagen treffen und muss erst mit entsprechenden neuen Daten trainiert werden.

Tipps für ein erfolgreiches KI Projekt

Ein entscheidender Knackpunkt für ein erfolgreiches KI Projekt ist das iterative Vorgehen und schrittweise Einführen eines KI-basierten Prozesses, mit dem die Qualität und Funktionsbreite der Entwicklung gesteigert wird.

Weiterhin muss man sich darüber klar sein, dass die Bereitstellung von Trainingsdaten kein statischer Ablauf ist. Es ist ein Kreislauf, in dem Sie als Kunde eine entscheidende Rolle einnehmen. Ein letzter wichtiger Punkt ist die Messbarkeit des Projekts. Denn nur wenn die Zielwerte während des Projekts gemessen werden, können Rückschritte oder Fortschritte gesehen werden und man kann schließlich am Ziel ankommen.

Möglich wurde dieser Artikel durch die großartige Zusammenarbeit mit pixolution, einem Unternehmen für AI Solutions im Bereich Computer Vision (Visuelle Bildsuche und individuelle KI Lösungen).