Benjamin Aunkofer

Data Science für Smart Home im familiengeführten Unternehmen Miele

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Dr. Florian Nielsen ist Principal for AI und Data Science bei Miele im Bereich Smart Home und zuständig für die Entwicklung daten-getriebener digitaler Produkte und Produkterweiterungen. Der studierte Informatiker promovierte an der Universität Ulm zum Thema multimodale kognitive technische Systeme.

Data Science Blog: Herr Dr. Nielsen, viele Unternehmen und Anwender reden heute schon von Smart Home, haben jedoch eher ein Remote Home. Wie machen Sie daraus tatsächlich ein Smart Home?

Tatsächlich entspricht das auch meiner Wahrnehmung. Die bloße Steuerung vernetzter Produkte über digitale Endgeräte macht aus einem vernetzten Produkt nicht gleich ein „smartes“. Allerdings ist diese Remotefunktion ein notwendiges Puzzlestück in der Entwicklung von einem nicht vernetzten Produkt, über ein intelligentes, vernetztes Produkt hin zu einem Ökosystem von sich ergänzenden smarten Produkten und Services. Vernetzte Produkte, selbst wenn sie nur aus der Ferne gesteuert werden können, erzeugen Daten und ermöglichen uns die Personalisierung, Optimierung oder gar Automatisierung von Produktfunktionen basierend auf diesen Daten voran zu treiben. „Smart“ wird für mich ein Produkt, wenn es sich beispielsweise besser den Bedürfnissen des Nutzers anpasst oder über Assistenzfunktionen eine Arbeitserleichterung im Alltag bietet.

Data Science Blog: Smart Home wiederum ist ein großer Begriff, der weit mehr als Geräte für Küchen und Badezimmer betrifft. Wie weit werden Sie hier ins Smart Home vordringen können?

Smart Home ist für mich schon fast ein verbrannter Begriff. Der Nutzer assoziiert hiermit doch vor allem die Steuerung von Heizung und Rollladen. Im Prinzip geht es doch um eine Vision in der sich smarte, vernetzte Produkt in ein kontextbasiertes Ökosystem einbetten um den jeweiligen Nutzer in seinem Alltag, nicht nur in seinem Zuhause, Mehrwert mit intelligenten Produkten und Services zu bieten. Für uns fängt das beispielsweise nicht erst beim Starten des Kochprozesses mit Miele-Geräten an, sondern deckt potenziell die komplette „User Journey“ rund um Ernährung (z. B. Inspiration, Einkaufen, Vorratshaltung) und Kochen ab. Natürlich überlegen wir verstärkt, wie Produkte und Services unser existierendes Produktportfolio ergänzen bzw. dem Nutzer zugänglicher machen könnten, beschränken uns aber hierauf nicht. Ein zusätzlicher für uns als Miele essenzieller Aspekt ist allerdings auch die Privatsphäre des Kunden. Bei der Bewertung potenzieller Use-Cases spielt die Privatsphäre unserer Kunden immer eine wichtige Rolle.

Data Science Blog: Die meisten Data-Science-Abteilungen befassen sich eher mit Prozessen, z. B. der Qualitätsüberwachung oder Prozessoptimierung in der Produktion. Sie jedoch nutzen Data Science als Komponente für Produkte. Was gibt es dabei zu beachten?

Kundenbedürfnisse. Wir glauben an nutzerorientierte Produktentwicklung und dementsprechend fängt alles bei uns bei der Identifikation von Bedürfnissen und potenziellen Lösungen hierfür an. Meist starten wir mit „Design Thinking“ um die Themen zu identifizieren, die für den Kunden einen echten Mehrwert bieten. Wenn dann noch Data Science Teil der abgeleiteten Lösung ist, kommen wir verstärkt ins Spiel. Eine wesentliche Herausforderung ist, dass wir oft nicht auf der grünen Wiese starten können. Zumindest wenn es um ein zusätzliches Produktfeature geht, das mit bestehender Gerätehardware, Vernetzungsarchitektur und der daraus resultierenden Datengrundlage zurechtkommen muss. Zwar sind unsere neuen Produktgenerationen „Remote Update“-fähig, aber auch das hilft uns manchmal nur bedingt. Dementsprechend ist die Antizipation von Geräteanforderungen essenziell. Etwas besser sieht es natürlich bei Umsetzungen von cloud-basierten Use-Cases aus.

Data Science Blog: Es heißt häufig, dass Data Scientists kaum zu finden sind. Ist Recruiting für Sie tatsächlich noch ein Thema?

Data Scientists, hier mal nicht interpretiert als Mythos „Unicorn“ oder „Full-Stack“ sind natürlich wichtig, und auch nicht leicht zu bekommen in einer Region wie Gütersloh. Aber Engineers, egal ob Data, ML, Cloud oder Software generell, sind der viel wesentlichere Baustein für uns. Für die Umsetzung von Ideen braucht es nun mal viel Engineering. Es ist mittlerweile hinlänglich bekannt, dass Data Science einen zwar sehr wichtigen, aber auch kleineren Teil des daten-getriebenen Produkts ausmacht. Mal abgesehen davon habe ich den Eindruck, dass immer mehr „Data Science“- Studiengänge aufgesetzt werden, die uns einerseits die Suche nach Personal erleichtern und andererseits ermöglichen Fachkräfte einzustellen die nicht, wie früher einen PhD haben (müssen).

Data Science Blog: Sie haben bereits einige Analysen erfolgreich in Ihre Produkte integriert. Welche Herausforderungen mussten dabei überwunden werden? Und welche haben Sie heute noch vor sich?

Wir sind, wie viele Data-Science-Abteilungen, noch ein relativ junger Bereich. Bei den meisten unserer smarten Produkte und Services stecken wir momentan in der MVP-Entwicklung, deshalb gibt es einige Herausforderungen, die wir aktuell hautnah erfahren. Dies fängt, wie oben erwähnt, bei der Berücksichtigung von bereits vorhandenen Gerätevoraussetzungen an, geht über mitunter heterogene, inkonsistente Datengrundlagen, bis hin zur Etablierung von Data-Science- Infrastruktur und Deploymentprozessen. Aus meiner Sicht stehen zudem viele Unternehmen vor der Herausforderung die Weiterentwicklung und den Betrieb von AI bzw. Data- Science- Produkten sicherzustellen. Verglichen mit einem „fire-and-forget“ Mindset nach Start der Serienproduktion früherer Zeiten muss ein Umdenken stattfinden. Daten-getriebene Produkte und Services „leben“ und müssen dementsprechend anders behandelt und umsorgt werden – mit mehr Aufwand aber auch mit der Chance „immer besser“ zu werden. Deshalb werden wir Buzzwords wie „MLOps“ vermehrt in den üblichen Beraterlektüren finden, wenn es um die nachhaltige Generierung von Mehrwert von AI und Data Science für Unternehmen geht. Und das zu Recht.

Data Science Blog: Data Driven Thinking wird heute sowohl von Mitarbeitern in den Fachbereichen als auch vom Management verlangt. Gerade für ein Traditionsunternehmen wie Miele sicherlich eine Herausforderung. Wie könnten Sie diese Denkweise im Unternehmen fördern?

Data Driven Thinking kann nur etabliert werden, wenn überhaupt der Zugriff auf Daten und darauf aufbauende Analysen gegeben ist. Deshalb ist Daten-Demokratisierung der wichtigste erste Schritt. Aus meiner Perspektive geht es darum initial die Potenziale aufzuzeigen, um dann mithilfe von Daten Unsicherheiten zu reduzieren. Wir haben die Erfahrung gemacht, dass viele Fachbereiche echtes Interesse an einer daten-getriebenen Analyse ihrer Hypothesen haben und dankbar für eine daten-getriebene Unterstützung sind. Miele war und ist ein sehr innovatives Unternehmen, dass „immer besser“ werden will. Deshalb erfahren wir momentan große Unterstützung von ganz oben und sind sehr positiv gestimmt. Wir denken, dass ein Schritt in die richtige Richtung bereits getan ist und mit zunehmender Zahl an Multiplikatoren ein „Data Driven Thinking“ sich im gesamten Unternehmen etablieren kann.

Redaktion

Interview – Machine Learning in Marketing und CRM

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Interview mit Herrn Laurenz Wuttke von der datasolut GmbH über Machine Learning in Marketing und CRM.

Laurenz Wuttke ist Data Scientist und Gründer der datasolut GmbH. Er studierte Wirtschaftsinformatik an der Hochschule Hannover und befasst sich bereits seit 2011 mit Marketing- bzw. CRM-Systemen und der Datenanalyse. Heute ist er Dozent für Big Data im Marketing an der Hochschule Düsseldorf und unterstützt Unternehmen dabei, durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz, individuell auf die Kundenbedürfnisse tausender Kunden einzugehen. Damit jeder Marketing Manager jedem Kunden das richtige Angebot zur richtigen Zeit machen kann.

Data Science Blog: Herr Wuttke, Marketing gilt als einer der Pionier-Bereiche der Unternehmen für den Einstieg in Big Data Analytics. Wie etabliert ist Big Data und Data Science heute im Marketing?  

Viele Unternehmen in Deutschland erkennen gerade Chancen und den Wert ihrer Daten. Dadurch investieren die Unternehmen in Big Data Infrastruktur und Data Science Teams.

Gleichzeitig denke ich, wir stehen im Marketing gerade am Anfang einer neuen Daten-Ära. Big Data und Data Science sind im Moment noch ein Thema der großen Konzerne. Viele kleine und mittelständische Unternehmen haben noch viele offene Potentiale in Bezug auf intelligente Kundenanalysen.

Durch stetig steigende Preise für die Kundenakquise, wird die Erhaltung und Steigerung einer guten Kundenbindung immer wichtiger. Und genau hier sehe ich die Vorteile durch Data Science im Marketing. Unternehmen können viel genauer auf Kundenbedürfnisse eingehen, antizipieren welches Produkt als nächstes gekauft wird und so ihr Marketing zielgenau ausrichten. Dieses „personalisierte Marketing“ führt zu einer deutlich stärkeren Kundenbindung und steigert langfristig Umsätze.

Viele amerikanische Unternehmen machen es vor, aber auch deutsche Unternehmen wie Zalando oder AboutYou investieren viel Geld in die Personalisierung ihres Marketings. Ich denke, die Erfolge sprechen für sich.

Data Science Blog: Ein häufiges Anliegen für viele Marketing Manager ist die treffsichere Kundensegmentierung nach vielerlei Kriterien. Welche Verbesserungen sind hier möglich und wie können Unternehmen diese erreichen?

Kundensegmentierungen sind ein wichtiger Bestandteil vieler Marketingstrategien. Allerdings kann man hier deutlich weitergehen und Marketing im Sinne von „Segments of One“ betreiben. Das bedeutet wir haben für jeden einzelnen Kunden eine individuelle „Next Best Action und Next Best Offer“.

Somit wird jeder Kunde aus Sicht des Marketings individuell betrachtet und bekommt individuelle Produktempfehlungen sowie Marketingmaßnahmen, welche auf das jeweilige Kundenbedürfnis zugeschnitten sind.

Dies ist auch ein wichtiger Schritt für die Marketingautomatisierung, denn wir können im Marketing schlichtweg keine tausenden von Kunden persönlich betreuen.

Data Science Blog: Sind die Kundencluster dann erkannt, stellt sich die Frage, wie diese besser angesprochen werden können. Wie funktioniert die dafür notwendige Kundenanalyse?

Ganz unterschiedlich, je nach Geschäftsmodell und Branche fällt die Kundenanalyse anders aus. Wir schauen uns unterschiedliche Merkmale zum historischen Kaufverhalten, Demografie und Produktnutzung an. Daraus ergeben sich in der Regel sehr schnell Kundenprofile oder Personas, die gezielt angesprochen werden können.

Data Science Blog: Oft werden derartige Analyse-Vorhaben auf Grund der Befürchtung, die relevanten Daten seien nicht verfügbar oder die Datenqualität sei einer solchen Analyse nicht würdig, gar nicht erst gestartet. Sind das begründete Bedenken?

Nein, denn oft kommen die Daten, die für eine Kundenanalyse oder die Vorhersage von Ergebnissen braucht, aus Datenquellen wie z.B. den Transaktionsdaten. Diese Daten hat jedes Unternehmen in guter Qualität vorliegen.

Natürlich werden die Analysen besser, wenn weitere Datenquellen wie bspw. Produktmetadaten, Kundeneigenschaften oder das Klickverhalten zur Verfügung stehen, aber es ist kein Muss.

Aus meiner Praxiserfahrung kann ich sagen, dass hier oft ungenutzte Potentiale schlummern.

Data Science Blog: Wie ist da eigentlich Ihre Erfahrung bzgl. der Interaktion zwischen Marketing und Business Intelligence? Sollten Marketing Manager ihre eigenen Datenexperten haben oder ist es besser, diese Ressourcen zentral in einer BI-Abteilung zu konzentrieren?

Aus meiner Sicht funktioniert moderenes Marketing heute nicht mehr ohne valide Datenbasis. Aus diesem Grund ist die Zusammenarbeit von Marketing und Business Intelligence unersetzbar, besonders wenn es um Bestandskundenmarketing geht. Hier laufen idealerweise alle Datenquellen in einer 360 Grad Kundensicht zusammen.

Dies kann dann auch als die Datenquelle für Machine Learning und Data Science verwendet werden. Alle wichtigen Daten können aus einer strukturierten 360 Grad Sicht zu einer Machine Learning Datenbasis (ML-Feature Store) umgewandelt werden. Das spart enorm viel Zeit und viel Geld.

Zu Ihrer zweiten Frage: Ich denke es gibt Argumente für beide Konstrukte, daher habe ich da keine klare Präferenz. Mir ist immer wichtig, dass der fachliche Austausch zwischen Technik und Fachbereich gut funktioniert. Ziele müssen besprochen und gegeben falls angepasst werden, um immer in die richtige Richtung zu gehen. Wenn diese Voraussetzung mit einer guten Data Science Infrastruktur gegeben ist, wird Data Science für wirklich skalierbar.

Data Science Blog: Benötigen Unternehmen dafür eine Customer Data Platform (CDP) oder zumindest ein CRM? Womit sollten Unternehmen beginnen, sollten sie noch ganz am Anfang stehen?

Eine Customer Data Platform (CDP) ist von Vorteil, ist aber kein Muss für den Anfang. Ein guts CRM-System oder gute gepflegte Kundendatenbank reicht zunächst für den Anfang.

Natürlich bietet eine CDP einen entscheidenden Vorteil durch die Zusammenführung von der Online- und der CRM-Welt. Das Klickverhalten hat einen enormen Einfluss auf die analytischen Modelle und hilft dabei, Kunden immer besser zu verstehen. Das ist besonders wichtig in unserer Zeit, da wir immer weniger direkten Kundenkontakt haben und zukünftig wird dieser auch noch weiter abnehmen.

Zusammengefasst: Wer diese Kundendaten intelligent miteinander verknüpft hat einen großen Vorteil.

Data Science Blog: Wie integrieren Sie App- und Webtracking in Ihre Analysen?

Trackingdaten aus Apps und Webseiten sind ein wichtiger Bestandteil unserer Machine Learning Modelle. Sie geben wichtige Informationen über das Kundenverhalten preis. So können die Trackingdaten gute Merkmale für Anwendungsfälle wie Churn Prediction, Customer Lifetime Value und Next Best Offer sein.

Häufig sind die Trackingdaten von unterschiedlichen Anbietern (Google Analytics, Piwik etc.) leicht anders in ihrer Struktur, dafür haben wir uns einen intelligenten Ansatz überlegt, um diese zu vereinheitlichen und in unseren Modellen anzuwenden.

Data Science Blog: Zurück zum Kunden. Seine Bedürfnisse stehen bei erfolgreichen Unternehmen im Fokus stehen. Einige Geschäftsmodelle basieren auf Abonnements oder Mitgliedschaften. Wie können Sie solchen Unternehmen helfen?

Abonnements und Subscriptions sind ein großer Trend: Der Kunde wird zum Nutzer und es fallen viele Kundendaten an, die gesammelt werden können. Viele unserer Kunden haben subscription- oder vertragsbasierte Geschäftsmodelle, was ich persönlich sehr interessante Geschäftsmodelle finde.

Diese haben häufig die Herausforderung ihre Kunden langfristig zu binden und eine gesunde Kundenbindung aufzubauen. Die Akquisition ist meistens sehr teuer und die Kundenabwanderung oder Customer Churn zu reduzieren damit ein strategisches Ziel. Wirklich erfolgreich werden diese dann, wenn die Churn Rate geringgehalten wird.

Die Lösung für eine niedrige Kundenabwanderung, neben einem guten Produkt und gutem Kundenservice, ist eine Churn Prediction und darauf aufbauende Churn Prevention Maßnahmen. Wir nehmen uns dazu das historische Kundenverhalten, schauen uns die Kündiger an und modellieren daraus eine Vorhersage für die Kundenabwanderung. So können Unternehmen abwanderungsgefährdete Kunden schon frühzeitig erkennen und entsprechend handeln. Das hat den entscheidenden Vorteil, dass man nicht einen schon verlorenen Kunden erneut gewinnen muss.

Es gibt aber auch Möglichkeiten schon weit vor der eigentlichen Churn-Gefahr anzusetzen, bei drohender Inaktivität. So haben wir für einen großen Fitness-App-Anbieter ein Alarmsystem entwickelt, das Kunden automatisiert Engagement-Kampagnen versendet, um bei drohender Inaktivität, den Kunden auf die Angebote aufmerksam zu machen. Sie kennen das von der Netflix-App, welche Ihnen jeden Abend einen guten Tipp für das Fernsehprogramm bereitstellt.

Data Science Blog: Gehen wir mal eine Ebene höher. So mancher CMO hat mit dem CFO den Deal, jährlich nur einen bestimmten Betrag ins Marketing zu stecken. Wie hilft Data Science bei der Budget-Verteilung auf die Bestandskunden?

Da gibt es eine einfache Lösung für „Customer Lifetime Value Prognosen“. Durch Machine Learning wird für jeden einzelnen Kunden eine Umsatz-Vorhersage für einen bestimmten Zeitraum getroffen. So kann das Bestandkundenmarketing das Marketingbudget ganz gezielt einsetzen und nach dem Kundenwert steuern. Ich gebe Ihnen ein Beispiel: Kundenreaktivierung im Handel. Sie haben ein bestimmtes Budget und können nicht jedem Kunden eine Reaktivierungsmaßnahme zukommen lassen. Wenn Sie einen gut berechneten Customer Lifetime Value haben, können Sie sich so auf die wertigen Kunden konzentrieren und diese reaktivieren.

Data Science Blog: Mit welchen Technologien arbeiten Sie bevorzugt? Welche Tools sind gerade im Kontext von analytischen Aufgaben im Marketing besonders effizient?

Wir haben uns in den letzten Jahren besonders auf Python und PySpark fokussiert. Mit der Entwicklung von Python für Data Science konnten die anderen Umgebungen kaum mithalten und somit ist Python aus meiner Sicht derzeit die beste Umgebung für unsere Lösungen.

Auch die Cloud spielt eine große Rolle für uns. Als kleines Unternehmen haben wir uns bei datasolut auf die AWS Cloud fokussiert, da wir gar nicht in der Lage wären, riesige Datenbestände unserer Kunden zu hosten.

Vor allem von dem hohen Automatisierungsgrad in Bezug auf Datenverarbeitung und Machine Learning bietet AWS alles, was das Data Science Herz begehrt.

Data Science Blog: Was würden Sie einem Junior Marketing Manager und einem Junior Data Scientist für den Ausbau seiner Karriere raten? Wie werden diese jungen Menschen zukünftig beruflich erfolgreich?

Dem Junior Marketing Manager würde ich immer raten, dass er sich Datenanalyse-Skills erarbeiten soll. Aber vor allem sollte er verstehen, was mit Daten alles möglich ist und wie diese eingesetzt werden können. Auch in meiner Vorlesung zu „Big Data im Marketing“ an der Hochschule Düsseldorf unterrichte ich Studierende, die auf Marketing spezialisiert sind. Hier gebe ich stets diesen Ratschlag.

Bei den Junior Daten Scientist ist es andersherum. Ich sehe in der Praxis immer wieder Data Scientists, die den Transfer zwischen Marketing und Data Science nicht gut hinbekommen. Daher rate ich jedem Data Scientist, der sich auf Marketing und Vertrieb fokussieren will, dass hier fachliches Know-How essentiell ist. Kein Modell oder Score hat einen Wert für ein Unternehmen, wenn es nicht gut im Marketing eingesetzt wird und dabei hilft, Marketingprozesse zu automatisieren.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass sich Data Science und Machine Learning gerade rasant ändern. Die Automatisierung (Stichwort: AutoML) von diesen Prozessen ist auf der Überholspur, dass zeigen die großen Cloudanbieter ganz deutlich. Auch wir nutzen diese Technologie schon in der Praxis. Was der Algorithmus aber nicht übernehmen kann, ist der Transfer und Enablement der Fachbereiche.

Data Science Blog: Zum Schluss noch eine Bitte: Was ist Ihre Prophezeiung für die kommenden Jahre 2021/2022. What is the next big thing in Marketing Analytics?

Es gibt natürlich viele kleinere Trends, welche das Marketing verändern werden. Ich denke jedoch, dass die größte Veränderung für die Unternehmen sein wird, dass es einen viel großflächigeren Einsatz von Machine Learning im Marketing geben wird. Dadurch wird der Wettbewerb härter und für viele Unternehmen wird Marketing Analytics ein essentieller Erfolgsfaktor sein.

Benjamin Aunkofer

Interview – IT-Netzwerk Werke überwachen und optimieren mit Data Analytics

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Interview mit Gregory Blepp von NetDescribe über Data Analytics zur Überwachung und Optimierung von IT-Netzwerken

Gregory Blepp ist Managing Director der NetDescribe GmbH mit Sitz in Oberhaching im Süden von München. Er befasst sich mit seinem Team aus Consultants, Data Scientists und IT-Netzwerk-Experten mit der technischen Analyse von IT-Netzwerken und der Automatisierung der Analyse über Applikationen.

Data Science Blog: Herr Blepp, der Name Ihres Unternehmens NetDescribe beschreibt tatsächlich selbstsprechend wofür Sie stehen: die Analyse von technischen Netzwerken. Wo entsteht hier der Bedarf für diesen Service und welche Lösung haben Sie dafür parat?

Unsere Kunden müssen nahezu in Echtzeit eine Visibilität über die Leistungsfähigkeit ihrer Unternehmens-IT haben. Dazu gehört der aktuelle Status der Netzwerke genauso wie andere Bereiche, also Server, Applikationen, Storage und natürlich die Web-Infrastruktur sowie Security.

Im Bankenumfeld sind zum Beispiel die uneingeschränkten WAN Verbindungen für den Handel zwischen den internationalen Börsenplätzen absolut kritisch. Hierfür bieten wir mit StableNetⓇ von InfosimⓇ eine Netzwerk Management Plattform, die in Echtzeit den Zustand der Verbindungen überwacht. Für die unterlagerte Netzwerkplattform (Router, Switch, etc.) konsolidieren wir mit GigamonⓇ das Monitoring.

Für Handelsunternehmen ist die Performance der Plattformen für den Online Shop essentiell. Dazu kommen die hohen Anforderungen an die Sicherheit bei der Übertragung von persönlichen Informationen sowie Kreditkarten. Hierfür nutzen wir SplunkⓇ. Diese Lösung kombiniert in idealer Form die generelle Performance Überwachung mit einem hohen Automatisierungsgrad und bietet dabei wesentliche Unterstützung für die Sicherheitsabteilungen.

Data Science Blog: Geht es den Unternehmen dabei eher um die Sicherheitsaspekte eines Firmennetzwerkes oder um die Performance-Analyse zum Zwecke der Optimierung?

Das hängt von den aktuellen Ansprüchen des Unternehmens ab.
Für viele unserer Kunden standen und stehen zunächst Sicherheitsaspekte im Vordergrund. Im Laufe der Kooperation können wir durch die Etablierung einer konsequenten Performance Analyse aufzeigen, wie eng die Verzahnung der einzelnen Abteilungen ist. Die höhere Visibilität erleichtert Performance Analysen und sie liefert den Sicherheitsabteilung gleichzeitig wichtige Informationen über aktuelle Zustände der Infrastruktur.

Data Science Blog: Haben Sie es dabei mit Big Data – im wörtlichen Sinne – zu tun?

Wir unterscheiden bei Big Data zwischen

  • dem organischen Wachstum von Unternehmensdaten aufgrund etablierter Prozesse, inklusive dem Angebot von neuen Services und
  • wirklichem Big Data, z. B. die Anbindung von Produktionsprozessen an die Unternehmens IT, also durch die Digitalisierung initiierte zusätzliche Prozesse in den Unternehmen.

Beide Themen sind für die Kunden eine große Herausforderung. Auf der einen Seite muss die Leistungsfähigkeit der Systeme erweitert und ausgebaut werden, um die zusätzlichen Datenmengen zu verkraften. Auf der anderen Seite haben diese neuen Daten nur dann einen wirklichen Wert, wenn sie richtig interpretiert werden und die Ergebnisse konsequent in die Planung und Steuerung der Unternehmen einfließen.

Wir bei NetDescribe kümmern uns mehrheitlich darum, das Wachstum und die damit notwendigen Anpassungen zu managen und – wenn Sie so wollen – Ordnung in das Datenchaos zu bringen. Konkret verfolgen wir das Ziel den Verantwortlichen der IT, aber auch der gesamten Organisation eine verlässliche Indikation zu geben, wie es der Infrastruktur als Ganzes geht. Dazu gehört es, über die einzelnen Bereiche hinweg, gerne auch Silos genannt, die Daten zu korrelieren und im Zusammenhang darzustellen.

Data Science Blog: Log-Datenanalyse gibt es seit es Log-Dateien gibt. Was hält ein BI-Team davon ab, einen Data Lake zu eröffnen und einfach loszulegen?

Das stimmt absolut, Log-Datenanalyse gibt es seit jeher. Es geht hier schlichtweg um die Relevanz. In der Vergangenheit wurde mit Wireshark bei Bedarf ein Datensatz analysiert um ein Problem zu erkennen und nachzuvollziehen. Heute werden riesige Datenmengen (Logs) im IoT Umfeld permanent aufgenommen um Analysen zu erstellen.

Nach meiner Überzeugung sind drei wesentliche Veränderungen der Treiber für den flächendeckenden Einsatz von modernen Analysewerkzeugen.

  • Die Inhalte und Korrelationen von Log Dateien aus fast allen Systemen der IT Infrastruktur sind durch die neuen Technologien nahezu in Echtzeit und für größte Datenmengen überhaupt erst möglich. Das hilft in Zeiten der Digitalisierung, wo aktuelle Informationen einen ganz neuen Stellenwert bekommen und damit zu einer hohen Gewichtung der IT führen.
  • Ein wichtiger Aspekt bei der Aufnahme und Speicherung von Logfiles ist heute, dass ich die Suchkriterien nicht mehr im Vorfeld formulieren muss, um dann die Antworten aus den Datensätzen zu bekommen. Die neuen Technologien erlauben eine völlig freie Abfrage von Informationen über alle Daten hinweg.
  • Logfiles waren in der Vergangenheit ein Hilfswerkzeug für Spezialisten. Die Information in technischer Form dargestellt, half bei einer Problemlösung – wenn man genau wusste was man sucht. Die aktuellen Lösungen sind darüber hinaus mit einer GUI ausgestattet, die nicht nur modern, sondern auch individuell anpassbar und für Nicht-Techniker verständlich ist. Somit erweitert sich der Anwenderkreis des “Logfile Managers” heute vom Spezialisten im Security und Infrastrukturbereich über Abteilungsverantwortliche und Mitarbeiter bis zur Geschäftsleitung.

Der Data Lake war und ist ein wesentlicher Bestandteil. Wenn wir heute Technologien wie Apache/KafkaⓇ und, als gemanagte Lösung, Confluent für Apache/KafkaⓇ betrachten, wird eine zentrale Datendrehscheibe etabliert, von der alle IT Abteilungen profitieren. Alle Analysten greifen mit Ihren Werkzeugen auf die gleiche Datenbasis zu. Somit werden die Rohdaten nur einmal erhoben und allen Tools gleichermaßen zur Verfügung gestellt.

Data Science Blog: Damit sind Sie ein Unternehmen das Datenanalyse, Visualisierung und Monitoring verbindet, dies jedoch auch mit der IT-Security. Was ist Unternehmen hierbei eigentlich besonders wichtig?

Sicherheit ist natürlich ganz oben auf die Liste zu setzen. Organisation sind naturgemäß sehr sensibel und aktuelle Medienberichte zu Themen wie Cyber Attacks, Hacking etc. zeigen große Wirkung und lösen Aktionen aus. Dazu kommen Compliance Vorgaben, die je nach Branche schneller und kompromissloser umgesetzt werden.

Die NetDescribe ist spezialisiert darauf den Bogen etwas weiter zu spannen.

Natürlich ist die sogenannte Nord-Süd-Bedrohung, also der Angriff von außen auf die Struktur erheblich und die IT-Security muss bestmöglich schützen. Dazu dienen die Firewalls, der klassische Virenschutz etc. und Technologien wie Extrahop, die durch konsequente Überwachung und Aktualisierung der Signaturen zum Schutz der Unternehmen beitragen.

Genauso wichtig ist aber die Einbindung der unterlagerten Strukturen wie das Netzwerk. Ein Angriff auf eine Organisation, egal von wo aus initiiert, wird immer über einen Router transportiert, der den Datensatz weiterleitet. Egal ob aus einer Cloud- oder traditionellen Umgebung und egal ob virtuell oder nicht. Hier setzen wir an, indem wir etablierte Technologien wie zum Beispiel ´flow` mit speziell von uns entwickelten Software Modulen – sogenannten NetDescibe Apps – nutzen, um diese Datensätze an SplunkⓇ, StableNetⓇ  weiterzuleiten. Dadurch entsteht eine wesentlich erweiterte Analysemöglichkeit von Bedrohungsszenarien, verbunden mit der Möglichkeit eine unternehmensweite Optimierung zu etablieren.

Data Science Blog: Sie analysieren nicht nur ad-hoc, sondern befassen sich mit der Formulierung von Lösungen als Applikation (App).

Das stimmt. Alle von uns eingesetzten Technologien haben ihre Schwerpunkte und sind nach unserer Auffassung führend in ihren Bereichen. InfosimⓇ im Netzwerk, speziell bei den Verbindungen, VIAVI in der Paketanalyse und bei flows, SplunkⓇ im Securitybereich und Confluent für Apache/KafkaⓇ als zentrale Datendrehscheibe. Also jede Lösung hat für sich alleine schon ihre Daseinsberechtigung in den Organisationen. Die NetDescribe hat es sich seit über einem Jahr zur Aufgabe gemacht, diese Technologien zu verbinden um einen “Stack” zu bilden.

Konkret: Gigaflow von VIAVI ist die wohl höchst skalierbare Softwarelösung um Netzwerkdaten in größten Mengen schnell und und verlustfrei zu speichern und zu analysieren. SplunkⓇ hat sich mittlerweile zu einem Standardwerkzeug entwickelt, um Datenanalyse zu betreiben und die Darstellung für ein großes Auditorium zu liefern.

NetDescribe hat jetzt eine App vorgestellt, welche die NetFlow-Daten in korrelierter Form aus Gigaflow, an SplunkⓇ liefert. Ebenso können aus SplunkⓇ Abfragen zu bestimmten Datensätzen direkt an die Gigaflow Lösung gestellt werden. Das Ergebnis ist eine wesentlich erweiterte SplunkⓇ-Plattform, nämlich um das komplette Netzwerk mit nur einem Knopfdruck (!!!).
Dazu schont diese Anbindung in erheblichem Umfang SplunkⓇ Ressourcen.

Dazu kommt jetzt eine NetDescribe StableNetⓇ App. Weitere Anbindungen sind in der Planung.

Das Ziel ist hier ganz pragmatisch – wenn sich SplunkⓇ als die Plattform für Sicherheitsanalysen und für das Data Framework allgemein in den Unternehmen etabliert, dann unterstützen wir das als NetDescribe dahingehend, dass wir die anderen unternehmenskritischen Lösungen der Abteilungen an diese Plattform anbinden, bzw. Datenintegration gewährleisten. Das erwarten auch unsere Kunden.

Data Science Blog: Auf welche Technologien setzen Sie dabei softwareseitig?

Wie gerade erwähnt, ist SplunkⓇ eine Plattform, die sich in den meisten Unternehmen etabliert hat. Wir machen SplunkⓇ jetzt seit über 10 Jahren und etablieren die Lösung bei unseren Kunden.

SplunkⓇ hat den großen Vorteil dass unsere Kunden mit einem dedizierten und überschaubaren Anwendung beginnen können, die Technologie selbst aber nahezu unbegrenzt skaliert. Das gilt für Security genauso wie Infrastruktur, Applikationsmonitoring und Entwicklungsumgebungen. Aus den ständig wachsenden Anforderungen unserer Kunden ergeben sich dann sehr schnell weiterführende Gespräche, um zusätzliche Einsatzszenarien zu entwickeln.

Neben SplunkⓇ setzen wir für das Netzwerkmanagement auf StableNetⓇ von InfosimⓇ, ebenfalls seit über 10 Jahren schon. Auch hier, die Erfahrungen des Herstellers im Provider Umfeld erlauben uns bei unseren Kunden eine hochskalierbare Lösung zu etablieren.

Confluent für Apache/KafkaⓇ ist eine vergleichbar jüngere Lösung, die aber in den Unternehmen gerade eine extrem große Aufmerksamkeit bekommt. Die Etablierung einer zentralen Datendrehscheibe für Analyse, Auswertungen, usw., auf der alle Daten zur Performance zentral zur Verfügung gestellt werden, wird es den Administratoren, aber auch Planern und Analysten künftig erleichtern, aussagekräftige Daten zu liefern. Die Verbindung aus OpenSource und gemanagter Lösung trifft hier genau die Zielvorstellung der Kunden und scheinbar auch den Zahn der Zeit. Vergleichbar mit den Linux Derivaten von Red Hat Linux und SUSE.

VIAVI Gigaflow hatte ich für Netzwerkanalyse schon erwähnt. Hier wird in den kommenden Wochen mit der neuen Version der VIAVI Apex Software ein Scoring für Netzwerke etabliert. Stellen sie sich den MOS score von VoIP für Unternehmensnetze vor. Das trifft es sehr gut. Damit erhalten auch wenig spezialisierte Administratoren die Möglichkeit mit nur 3 (!!!) Mausklicks konkrete Aussagen über den Zustand der Netzwerkinfrastruktur, bzw. auftretende Probleme zu machen. Ist es das Netz? Ist es die Applikation? Ist es der Server? – der das Problem verursacht. Das ist eine wesentliche Eindämmung des derzeitigen Ping-Pong zwischen den Abteilungen, von denen oft nur die Aussage kommt, “bei uns ist alles ok”.

Abgerundet wird unser Software Portfolio durch die Lösung SentinelOne für Endpoint Protection.

Data Science Blog: Inwieweit spielt Künstliche Intelligenz (KI) bzw. Machine Learning eine Rolle?

Machine Learning spielt heute schon ein ganz wesentliche Rolle. Durch konsequentes Einspeisen der Rohdaten und durch gezielte Algorithmen können mit der Zeit bessere Analysen der Historie und komplexe Zusammenhänge aufbereitet werden. Hinzu kommt, dass so auch die Genauigkeit der Prognosen für die Zukunft immens verbessert werden können.

Als konkretes Beispiel bietet sich die eben erwähnte Endpoint Protection von SentinelOne an. Durch die Verwendung von KI zur Überwachung und Steuerung des Zugriffs auf jedes IoT-Gerät, befähigt  SentinelOne Maschinen, Probleme zu lösen, die bisher nicht in größerem Maßstab gelöst werden konnten.

Hier kommt auch unser ganzheitlicher Ansatz zum Tragen, nicht nur einzelne Bereiche der IT, sondern die unternehmensweite IT ins Visier zu nehmen.

Data Science Blog: Mit was für Menschen arbeiten Sie in Ihrem Team? Sind das eher die introvertierten Nerds und Hacker oder extrovertierte Consultants? Was zeichnet Sie als Team fachlich aus?

Nerds und Hacker würde ich unsere Mitarbeiter im technischen Consulting definitiv nicht nennen.

Unser Consulting Team besteht derzeit aus neun Leuten. Jeder ist ausgewiesener Experte für bestimmte Produkte. Natürlich ist es auch bei uns so, dass wir introvertierte Kollegen haben, die zunächst lieber in Abgeschiedenheit oder Ruhe ein Problem analysieren, um dann eine Lösung zu generieren. Mehrheitlich sind unsere technischen Kollegen aber stets in enger Abstimmung mit dem Kunden.

Für den Einsatz beim Kunden ist es sehr wichtig, dass man nicht nur fachlich die Nase vorn hat, sondern dass man auch  kommunikationsstark und extrem teamfähig ist. Eine schnelle Anpassung an die verschiedenen Arbeitsumgebungen und “Kollegen” bei den Kunden zeichnet unsere Leute aus.

Als ständig verfügbares Kommunikationstool nutzen wir einen internen Chat der allen jederzeit zur Verfügung steht, so dass unser Consulting Team auch beim Kunden immer Kontakt zu den Kollegen hat. Das hat den großen Vorteil, dass das gesamte Know-how sozusagen “im Pool” verfügbar ist.

Neben den Consultants gibt es unser Sales Team mit derzeit vier Mitarbeitern*innen. Diese Kollegen*innen sind natürlich immer unter Strom, so wie sich das für den Vertrieb gehört.
Dedizierte PreSales Consultants sind bei uns die technische Speerspitze für die Aufnahme und das Verständnis der Anforderungen. Eine enge Zusammenarbeit mit dem eigentlichen Consulting Team ist dann die  Voraussetzung für die vorausschauende Planung aller Projekte.

Wir suchen übrigens laufend qualifizierte Kollegen*innen. Details zu unseren Stellenangeboten finden Ihre Leser*innen auf unserer Website unter dem Menüpunkt “Karriere”.  Wir freuen uns über jede/n Interessenten*in.

Über NetDescribe:

NetDescribe steht mit dem Claim Trusted Performance für ausfallsichere Geschäftsprozesse und Cloud-Anwendungen. Die Stärke von NetDescribe sind maßgeschneiderte Technologie Stacks bestehend aus Lösungen mehrerer Hersteller. Diese werden durch selbst entwickelte Apps ergänzt und verschmolzen.

Das ganzheitliche Portfolio bietet Datenanalyse und -visualisierung, Lösungskonzepte, Entwicklung, Implementierung und Support. Als Trusted Advisor für Großunternehmen und öffentliche Institutionen realisiert NetDescribe hochskalierbare Lösungen mit State-of-the-Art-Technologien für dynamisches und transparentes Monitoring in Echtzeit. Damit erhalten Kunden jederzeit Einblicke in die Bereiche Security, Cloud, IoT und Industrie 4.0. Sie können agile Entscheidungen treffen, interne und externe Compliance sichern und effizientes Risikomanagement betreiben. Das ist Trusted Performance by NetDescribe.

Pavel Shipilov

CAPTCHAs lösen via Maschine Learning

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Wie weit ist das maschinelle Lernen auf dem Gebiet der CAPTCHA-Lösung fortgeschritten?

Maschinelles Lernen ist mehr als ein Buzzword, denn unter der Haube stecken viele Algorithemen, die eine ganze Reihe von Problemen lösen können. Die Lösung von CAPTCHA ist dabei nur eine von vielen Aufgaben, die Machine Learning bewältigen kann. Durch die Arbeit an ein paar Problemen im Zusammenhang mit dem konvolutionellen neuronalen Netz haben wir festgestellt, dass es in diesem Bereich noch viel Verbesserungspotenzial gibt. Die Genauigkeit der Erkennung ist oftmals noch nicht gut genug. Schauen wir uns im Einzelnen an, welche Dienste wir haben, um dieses Problem anzugehen, und welche sich dabei als die besten erweisen.

Was ist CAPTCHA?

CAPTCHA ist kein fremder Begriff mehr für Web-Benutzer. Es handelt sich um die ärgerliche menschliche Validierungsprüfung, die auf vielen Websites hinzugefügt wird. Es ist ein Akronym für Completely Automated Public Turing test for tell Computer and Humans Apart. CAPTCHA kann als ein Computerprogramm bezeichnet werden, das dazu entwickelt wurde, Mensch und Maschine zu unterscheiden, um jede Art von illegaler Aktivität auf Websites zu verhindern. Der Sinn von CAPTCHA ist, dass nur ein Mensch diesen Test bestehen können sollte und Bots bzw. irgend eine Form automatisierter Skripte daran versagen. So entsteht ein Wettlauf zwischen CAPTCHA-Anbietern und Hacker-Lösungen, die auf den Einsatz von selbstlernenden Systemen setzen.

Warum müssen wir CAPTCHA lösen?

Heutzutage verwenden die Benutzer automatisierte CAPTCHA-Lösungen für verschiedene Anwendungsfälle. Und hier ein entscheidender Hinweis: Ähnlich wie Penetrationstesting ist der Einsatz gegen Dritte ohne vorherige Genehmigung illegal. Gegen eigene Anwendungen oder gegen Genehmigung (z. B. im Rahmen eines IT-Security-Tests) ist die Anwendung erlaubt. Hacker und Spammer verwenden die CAPTCHA-Bewältigung, um die E-Mail-Adressen der Benutzer zu erhalten, damit sie so viele Spams wie möglich erzeugen können oder um Bruteforce-Attacken durchführen zu können. Die legitimen Beispiele sind Fälle, in denen ein neuer Kunde oder Geschäftspartner zu Ihnen gekommen ist und Zugang zu Ihrer Programmierschnittstelle (API) benötigt, die noch nicht fertig ist oder nicht mit Ihnen geteilt werden kann, wegen eines Sicherheitsproblems oder Missbrauchs, den es verursachen könnte.

Für diese Anwendungsfälle sollen automatisierte Skripte CAPTCHA lösen. Es gibt verschiedene Arten von CAPTCHA: Textbasierte und bildbasierte CAPTCHA, reCAPTCHA und mathematisches CAPTCHA.

Es gibt einen Wettlauf zwischen CAPTCHA-Anbieter und automatisierten Lösungsversuchen. Die in CAPTCHA und reCAPTCHA verwendete Technologie werden deswegen immer intelligenter wird und Aktualisierungen der Zugangsmethoden häufiger. Das Aufrüsten hat begonnen.

Populäre Methoden für die CAPTCHA-Lösung

Die folgenden CAPTCHA-Lösungsmethoden stehen den Benutzern zur Lösung von CAPTCHA und reCAPTCHA zur Verfügung:

  1. OCR (optische Zeichenerkennung) via aktivierte Bots – Dieser spezielle Ansatz löst CAPTCHAs automatisch mit Hilfe der OCR-Technik (Optical Character Recognition). Werkzeuge wie Ocrad, tesseract lösen CAPTCHAs, aber mit sehr geringer Genauigkeit.
  2. Maschinenlernen — Unter Verwendung von Computer Vision, konvolutionalem neuronalem Netzwerk und Python-Frameworks und Bibliotheken wie Keras mit Tensorflow. Wir können tiefe neuronale Konvolutionsnetzmodelle trainieren, um die Buchstaben und Ziffern im CAPTCHA-Bild zu finden.
  3. Online-CAPTCHA-Lösungsdienstleistungen — Diese Dienste verfügen teilweise über menschliche Mitarbeiter, die ständig online verfügbar sind, um CAPTCHAs zu lösen. Wenn Sie Ihre CAPTCHA-Lösungsanfrage senden, übermittelt der Dienst sie an die Lösungsanbieter, die sie lösen und die Lösungen zurückschicken.

Leistungsanalyse der OCR-basierten Lösung

OCR Die OCR ist zwar eine kostengünstige Lösung, wenn es darum geht, eine große Anzahl von trivialen CAPTCHAs zu lösen, aber dennoch liefert sie nicht die erforderliche Genauigkeit. OCR-basierte Lösungen sind nach der Veröffentlichung von ReCaptcha V3 durch Google selten geworden. OCR-fähige Bots sind daher nicht dazu geeignet, CAPTCHA zu umgehen, die von Titanen wie Google, Facebook oder Twitter eingesetzt werden. Hierfür müsste ein besser ausgestattetes CAPTCHA-Lösungssystem eingesetzt werden.

OCR-basierte Lösungen lösen 1 aus 3 trivialen CAPTCHAs korrekt.

Leistungsanalyse der ML-basierten Methode

Schauen wir uns an, wie Lösungen auf dem Prinzip des Maschinenlernens funktionieren:

Die ML-basierte Verfahren verwenden OpenCV, um Konturen in einem Bild zu finden, das die durchgehenden Gebiete feststellt. Die Bilder werden mit der Technik der Schwellenwertbildung vorverarbeitet. Alle Bilder werden in Schwarzweiß konvertiert. Wir teilen das CAPTCHA-Bild mit der OpenCV-Funktion findContour() in verschiedene Buchstaben auf. Die verarbeiteten Bilder sind jetzt nur noch einzelne Buchstaben und Ziffern. Diese werden dann dem CNN-Modell zugeführt, um es zu trainieren. Und das trainierte CNN-Modell ist bereit, die richtige Captchas zu lösen.

Die Präzision einer solchen Lösung ist für alle textbasierten CAPTCHAs weitaus besser als die OCR-Lösung. Es gibt auch viele Nachteile dieser Lösung, denn sie löst nur eine bestimmte Art von CAPTCHAs und Google aktualisiert ständig seinen reCAPTCHA-Generierungsalgorithmus. Die letzte Aktualisierung schien die beste ReCaptcha-Aktualisierung zu sein, die disen Dienst bisher beeinflusst hat: Die regelmäßigen Nutzer hatten dabei kaum eine Veränderung der Schwierigkeit gespürt, während automatisierte Lösungen entweder gar nicht oder nur sehr langsam bzw. inakkurat funktionierten.

Das Modell wurde mit 1⁰⁴ Iterationen mit korrekten und zufälligen Stichproben und 1⁰⁵ Testbildern trainiert, und so wurde eine mittlere Genauigkeit von ~60% erreicht.

Bild-Quelle: “CAPTCHA Recognition with Active Deep Learning” @ TU München https://www.researchgate.net/publication/301620459_CAPTCHA_Recognition_with_Active_Deep_Learning

Wenn Ihr Anwendungsfall also darin besteht, eine Art von CAPTCHA mit ziemlich einfacher Komplexität zu lösen, können Sie ein solches trainiertes ML-Modell hervorragend nutzen. Eine bessere Captcha-Lösungslösung als OCR, muss aber noch eine ganze Menge Bereiche umfassen, um die Genauigkeit der Lösung zu gewährleisten.

Online-Captcha-Lösungsdienst

Online-CAPTCHA-Lösungsdienste sind bisher die bestmögliche Lösung für dieses Problem. Sie verfolgen alle Aktualisierungen von reCAPTCHA durch Google und bieten eine tadellose Genauigkeit von 99%.

Warum sind Online-Anti-Captcha-Dienste leistungsfähiger als andere Methoden?

Die OCR-basierten und ML-Lösungen weisen nach den bisherigen Forschungsarbeiten und Weiterentwicklungen viele Nachteile auf. Sie können nur triviale CAPTCHAs ohne wesentliche Genauigkeit lösen. Hier sind einige Punkte, die in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen sind:

– Ein höherer Prozentsatz an korrekten Lösungen (OCR gibt bei wirklich komplizierten CAPTCHAs ein extrem hohes Maß an falschen Antworten; ganz zu schweigen davon, dass einige Arten von CAPTCHA überhaupt nicht mit OCR gelöst werden können, zumindest vorerst).

– Kontinuierlich fehlerfreie Arbeit ohne Unterbrechungen mit schneller Anpassung an die neu hinzugekommene Komplexität.

– Kostengünstig mit begrenzten Ressourcen und geringen Wartungskosten, da es keine Software- oder Hardwareprobleme gibt; alles, was Sie benötigen, ist eine Internetverbindung, um einfache Aufträge über die API des Anti-Captcha-Dienstes zu senden.

Die großen Anbieter von Online-Lösungsdiensten

Jetzt, nachdem wir die bessere Technik zur Lösung Ihrer CAPTCHAs geklärt haben, wollen wir unter allen Anti-Captcha-Diensten den besten auswählen. Einige Dienste bieten eine hohe Genauigkeit der Lösungen, API-Unterstützung für die Automatisierung und schnelle Antworten auf unsere Anfragen. Dazu gehören Dienste wie 2captcha, Imagetyperz, CaptchaSniper, etc.

2CAPTCHA ist einer der Dienste, die auf die Kombination von Machine Learning und echten Menschen setzen, um CAPTCHA zuverlässig zu lösen. Dabei versprechen Dienste wie 2captcha:

  • Schnelle Lösung mit 17 Sekunden für grafische und textuelle Captchas und ~23 Sekunden für ReCaptcha
  • Unterstützt alle populären Programmiersprachen mit einer umfassenden Dokumentation der fertigen Bibliotheken.
  • Hohe Genauigkeit (bis zu 99% je nach dem CAPTCHA-Typ).
  • Das Geld wird bei falschen Antworten zurückerstattet.
  • Fähigkeit, eine große Anzahl von Captchas zu lösen (mehr als 10.000 pro Minute)

Schlussfolgerung

Convolutional Neural Networks (CNN) wissen, wie die einfachsten Arten von Captcha zu bewältigen sind und werden auch mit der weiteren Enwicklung schritthalten können. Wir haben es mit einem Wettlauf um verkomplizierte CAPTCHAs und immer fähigeren Lösungen der automatisierten Erkennung zutun. Zur Zeit werden Online-Anti-Captcha-Dienste, die auf einen Mix aus maschinellem Lernen und menschlicher Intelligenz setzen, diesen Lösungen vorerst voraus sein.

Harald Erb

Wie passt Machine Learning in eine moderne Data- & Analytics Architektur?

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Einleitung

Aufgrund vielfältiger potenzieller Geschäftschancen, die Machine Learning bietet, arbeiten mittlerweile viele Unternehmen an Initiativen für datengetriebene Innovationen. Dabei gründen sie Analytics-Teams, schreiben neue Stellen für Data Scientists aus, bauen intern Know-how auf und fordern von der IT-Organisation eine Infrastruktur für “heavy” Data Engineering & Processing samt Bereitstellung einer Analytics-Toolbox ein. Für IT-Architekten warten hier spannende Herausforderungen, u.a. bei der Zusammenarbeit mit interdisziplinären Teams, deren Mitglieder unterschiedlich ausgeprägte Kenntnisse im Bereich Machine Learning (ML) und Bedarfe bei der Tool-Unterstützung haben. Einige Überlegungen sind dabei: Sollen Data Scientists mit ML-Toolkits arbeiten und eigene maßgeschneiderte Algorithmen nur im Ausnahmefall entwickeln, damit später Herausforderungen durch (unkonventionelle) Integrationen vermieden werden? Machen ML-Funktionen im seit Jahren bewährten ETL-Tool oder in der Datenbank Sinn? Sollen ambitionierte Fachanwender künftig selbst Rohdaten aufbereiten und verknüpfen, um auf das präparierte Dataset einen populären Algorithmus anzuwenden und die Ergebnisse selbst interpretieren? Für die genannten Fragestellungen warten junge & etablierte Software-Hersteller sowie die Open Source Community mit “All-in-one”-Lösungen oder Machine Learning-Erweiterungen auf. Vor dem Hintergrund des Data Science Prozesses, der den Weg eines ML-Modells von der experimentellen Phase bis zur Operationalisierung beschreibt, vergleicht dieser Artikel ausgewählte Ansätze (Notebooks für die Datenanalyse, Machine Learning-Komponenten in ETL- und Datenvisualisierungs­werkzeugen vs. Speziallösungen für Machine Learning) und betrachtet mögliche Einsatzbereiche und Integrationsaspekte.

Data Science Prozess und Teams

Im Zuge des Big Data-Hypes kamen neben Design-Patterns für Big Data- und Analytics-Architekturen auch Begriffsdefinitionen auf, die Disziplinen wie Datenintegration von Data Engineering und Data Science vonein­ander abgrenzen [1]. Prozessmodelle, wie das ab 1996 im Rahmen eines EU-Förderprojekts entwickelte CRISP-DM (CRoss-Industry Standard Process for Data Mining) [2], und Best Practices zur Organisation erfolgreich arbeitender Data Science Teams [3] weisen dabei die Richtung, wie Unternehmen das Beste aus den eigenen Datenschätzen herausholen können. Die Disziplin Data Science beschreibt den, an ein wissenschaftliches Vorgehen angelehnten, Prozess der Nutzung von internen und externen Datenquellen zur Optimierung von Produkten, Dienstleistungen und Prozessen durch die Anwendung statistischer und mathematischer Modelle. Bild 1 stellt in einem Schwimmbahnen-Diagramm einzelne Phasen des Data Science Prozesses den beteiligten Funktionen gegenüber und fasst Erfahrungen aus der Praxis zusammen [5]. Dabei ist die Intensität bei der Zusammenarbeit zwischen Data Scientists und System Engineers insbesondere bei Vorbereitung und Bereitstellung der benötigten Datenquellen und später bei der Produktivsetzung des Ergebnisses hoch. Eine intensive Beanspruchung der Server-Infrastruktur ist in allen Phasen gegeben, bei denen Hands-on (und oft auch massiv parallel) mit dem Datenpool gearbeitet wird, z.B. bei Datenaufbereitung, Training von ML Modellen etc.

Abbildung 1: Beteiligung und Interaktion von Fachbereichs-/IT-Funktionen mit dem Data Science Team

Mitarbeiter vom Technologie-Giganten Google haben sich reale Machine Learning-Systeme näher angesehen und festgestellt, dass der Umsetzungsaufwand für den eigentlichen Kern (= der ML-Code, siehe den kleinen schwarzen Kasten in der Mitte von Bild 2) gering ist, wenn man dies mit der Bereitstellung der umfangreichen und komplexen Infrastruktur inklusive Managementfunktionen vergleicht [4].

Abbildung 2: Versteckte technische Anforderungen in maschinellen Lernsystemen

Konzeptionelle Architektur für Machine Learning und Analytics

Die Nutzung aller verfügbaren Daten für Analyse, Durchführung von Data Science-Projekten, mit den daraus resultierenden Maßnahmen zur Prozessoptimierung und -automatisierung, bedeutet für Unternehmen sich neuen Herausforderungen zu stellen: Einführung neuer Technologien, Anwendung komplexer mathematischer Methoden sowie neue Arbeitsweisen, die in dieser Form bisher noch nicht dagewesen sind. Für IT-Architekten gibt es also reichlich Arbeit, entweder um eine Data Management-Plattform neu aufzubauen oder um das bestehende Informationsmanagement weiterzuentwickeln. Bild 3 zeigt hierzu eine vierstufige Architektur nach Gartner [6], ausgerichtet auf Analytics und Machine Learning.

Abbildung 3: Konzeptionelle End-to-End Architektur für Machine Learning und Analytics

Was hat sich im Vergleich zu den traditionellen Data Warehouse- und Business Intelligence-Architekturen aus den 1990er Jahren geändert? Denkt man z.B. an die Präzisionsfertigung eines komplexen Produkts mit dem Ziel, den Ausschuss weiter zu senken und in der Produktionslinie eine höhere Produktivitätssteigerung (Kennzahl: OEE, Operational Equipment Efficiency) erzielen zu können: Die an der Produktherstellung beteiligten Fertigungsmodule (Spezialmaschinen) messen bzw. detektieren über zahlreiche Sensoren Prozesszustände, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) regeln dazu die Abläufe und lassen zu Kontrollzwecken vom Endprodukt ein oder mehrere hochauflösende Fotos aufnehmen. Bei diesem Szenario entsteht eine Menge interessanter Messdaten, die im operativen Betrieb häufig schon genutzt werden. Z.B. für eine Echtzeitalarmierung bei Über- oder Unterschreitung von Schwellwerten in einem vorher definierten Prozessfenster. Während früher vielleicht aus Kostengründen nur Statusdaten und Störungsinformationen den Weg in relationale Datenbanken fanden, hebt man heute auch Rohdaten, z.B. Zeitreihen (Kraftwirkung, Vorschub, Spannung, Frequenzen,…) für die spätere Analyse auf.

Bezogen auf den Bereich Acquire bewältigt die IT-Architektur in Bild 3 nun Aufgaben, wie die Übernahme und Speicherung von Maschinen- und Sensordaten, die im Millisekundentakt Datenpunkte erzeugen. Während IoT-Plattformen das Registrieren, Anbinden und Management von Hunderten oder Tausenden solcher datenproduzierender Geräte („Things“) erleichtern, beschreibt das zugehörige IT-Konzept den Umgang mit Protokollen wie MQTT, OPC-UA, den Aufbau und Einsatz einer Messaging-Plattform für Publish-/Subscribe-Modelle (Pub/Sub) zur performanten Weiterverarbeitung von Massendaten im JSON-Dateiformat. Im Bereich Organize etablieren sich neben relationalen Datenbanken vermehrt verteilte NoSQL-Datenbanken zum Persistieren eingehender Datenströme, wie sie z.B. im oben beschriebenen Produktionsszenario entstehen. Für hochauflösende Bilder, Audio-, Videoaufnahmen oder andere unstrukturierte Daten kommt zusätzlich noch Object Storage als alternative Speicherform in Frage. Neben der kostengünstigen und langlebigen Datenauf­bewahrung ist die Möglichkeit, einzelne Objekte mit Metadaten flexibel zu beschreiben, um damit später die Auffindbarkeit zu ermöglichen und den notwendigen Kontext für die Analysen zu geben, hier ein weiterer Vorteil. Mit dem richtigen Technologie-Mix und der konsequenten Umsetzung eines Data Lake– oder Virtual Data Warehouse-Konzepts gelingt es IT-Architekten, vielfältige Analytics Anwendungsfälle zu unterstützen.

Im Rahmen des Data Science Prozesses spielt, neben der sicheren und massenhaften Datenspeicherung sowie der Fähigkeit zur gleichzeitigen, parallelen Verarbeitung großer Datenmengen, das sog. Feature-Engineering eine wichtige Rolle. Dazu wieder ein Beispiel aus der maschinellen Fertigung: Mit Hilfe von Machine Learning soll nach unbekannten Gründen für den zu hohen Ausschuss gefunden werden. Was sind die bestimmenden Faktoren dafür? Beeinflusst etwas die Maschinenkonfiguration oder deuten Frequenzveränderungen bei einem Verschleißteil über die Zeit gesehen auf ein Problem hin? Maschine und Sensoren liefern viele Parameter als Zeitreihendaten, aber nur einige davon sind – womöglich nur in einer bestimmten Kombination – für die Aufgabenstellung wirklich relevant. Daher versuchen Data Scientists bei der Feature-Entwicklung die Vorhersage- oder Klassifikationsleistung der Lernalgorithmen durch Erstellen von Merkmalen aus Rohdaten zu verbessern und mit diesen den Lernprozess zu vereinfachen. Die anschließende Feature-Auswahl wählt bei dem Versuch, die Anzahl von Dimensionen des Trainingsproblems zu verringern, die wichtigste Teilmenge der ursprünglichen Daten-Features aus. Aufgrund dieser und anderer Arbeitsschritte, wie z.B. Auswahl und Training geeigneter Algorithmen, ist der Aufbau eines Machine Learning Modells ein iterativer Prozess, bei dem Data Scientists dutzende oder hunderte von Modellen bauen, bis die Akzeptanzkriterien für die Modellgüte erfüllt sind. Aus technischer Sicht sollte die IT-Architektur auch bei der Verwaltung von Machine Learning Modellen bestmöglich unterstützen, z.B. bei Modell-Versionierung, -Deployment und -Tracking in der Produktions­umgebung oder bei der Automatisierung des Re-Trainings.

Die Bereiche Analyze und Deliver zeigen in Bild 3 einige bekannte Analysefähigkeiten, wie z.B. die Bereitstellung eines Standardreportings, Self-service Funktionen zur Geschäftsplanung sowie Ad-hoc Analyse und Exploration neuer Datasets. Data Science-Aktivitäten können etablierte Business Intelligence-Plattformen inhaltlich ergänzen, in dem sie durch neuartige Kennzahlen, das bisherige Reporting „smarter“ machen und ggf. durch Vorhersagen einen Blick in die nahe Zukunft beisteuern. Machine Learning-as-a-Service oder Machine Learning-Produkte sind alternative Darreichungsformen, um Geschäftsprozesse mit Hilfe von Analytik zu optimieren: Z.B. integriert in einer Call Center-Applikation, die mittels Churn-Indikatoren zu dem gerade anrufenden erbosten Kunden einen Score zu dessen Abwanderungswilligkeit zusammen mit Handlungsempfehlungen (Gutschein, Rabatt) anzeigt. Den Kunden-Score oder andere Risikoeinschätzungen liefert dabei eine Service Schnittstelle, die von verschiedenen unternehmensinternen oder auch externen Anwendungen (z.B. Smartphone-App) eingebunden und in Echtzeit angefragt werden kann. Arbeitsfelder für die IT-Architektur wären in diesem Zusammenhang u.a. Bereitstellung und Betrieb (skalierbarer) ML-Modelle via REST API’s in der Produktions­umgebung inklusive Absicherung gegen unerwünschten Zugriff.

Ein klassischer Ansatz: Datenanalyse und Machine Learning mit Jupyter Notebook & Python

Jupyter ist ein Kommandozeileninterpreter zum interaktiven Arbeiten mit der Programmiersprache Python. Es handelt sich dabei nicht nur um eine bloße Erweiterung der in Python eingebauten Shell, sondern um eine Softwaresuite zum Entwickeln und Ausführen von Python-Programmen. Funktionen wie Introspektion, Befehlszeilenergänzung, Rich-Media-Einbettung und verschiedene Editoren (Terminal, Qt-basiert oder browserbasiert) ermöglichen es, Python-Anwendungen als auch Machine Learning-Projekte komfortabel zu entwickeln und gleichzeitig zu dokumentieren. Datenanalysten sind bei der Arbeit mit Juypter nicht auf Python als Programmiersprache begrenzt, sondern können ebenso auch sog. Kernels für Julia, R und vielen anderen Sprachen einbinden. Ein Jupyter Notebook besteht aus einer Reihe von “Zellen”, die in einer Sequenz angeordnet sind. Jede Zelle kann entweder Text oder (Live-)Code enthalten und ist beliebig verschiebbar. Texte lassen sich in den Zellen mit einer einfachen Markup-Sprache formatieren, komplexe Formeln wie mit einer Ausgabe in LaTeX darstellen. Code-Zellen enthalten Code in der Programmiersprache, die dem aktiven Notebook über den entsprechenden Kernel (Python 2 Python 3, R, etc.) zugeordnet wurde. Bild 4 zeigt auszugsweise eine Analyse historischer Hauspreise in Abhängigkeit ihrer Lage in Kalifornien, USA (Daten und Notebook sind öffentlich erhältlich [7]). Notebooks erlauben es, ganze Machine Learning-Projekte von der Datenbeschaffung bis zur Evaluierung der ML-Modelle reproduzierbar abzubilden und lassen sich gut versionieren. Komplexe ML-Modelle können in Python mit Hilfe des Pickle Moduls, das einen Algorithmus zur Serialisierung und De-Serialisierung implementiert, ebenfalls transportabel gemacht werden.

 

Abbildung 4: Datenbeschaffung, Inspektion, Visualisierung und ML Modell-Training in einem Jupyter Notebook (Pro-grammiersprache: Python)

Ein Problem, auf das man bei der praktischen Arbeit mit lokalen Jupyter-Installationen schnell stößt, lässt sich mit dem “works on my machine”-Syndrom bezeichnen. Kleine Data Sets funktionieren problemlos auf einem lokalen Rechner, wenn sie aber auf die Größe des Produktionsdatenbestandes migriert werden, skaliert das Einlesen und Verarbeiten aller Daten mit einem einzelnen Rechner nicht. Aufgrund dieser Begrenzung liegt der Aufbau einer server-basierten ML-Umgebung mit ausreichend Rechen- und Speicherkapazität auf der Hand. Dabei ist aber die Einrichtung einer solchen ML-Umgebung, insbesondere bei einer on-premise Infrastruktur, eine Herausforderung: Das Infrastruktur-Team muss physische Server und/oder virtuelle Maschinen (VM’s) auf Anforderung bereitstellen und integrieren. Dieser Ansatz ist aufgrund vieler manueller Arbeitsschritte zeitaufwändig und fehleranfällig. Mit dem Einsatz Cloud-basierter Technologien vereinfacht sich dieser Prozess deutlich. Die Möglichkeit, Infrastructure on Demand zu verwenden und z.B. mit einem skalierbaren Cloud-Data Warehouse zu kombinieren, bietet sofortigen Zugriff auf Rechen- und Speicher-Ressourcen, wann immer sie benötigt werden und reduziert den administrativen Aufwand bei Einrichtung und Verwaltung der zum Einsatz kommenden ML-Software. Bild 5 zeigt den Code-Ausschnitt aus einem Jupyter Notebook, das im Rahmen des Cloud Services Amazon SageMaker bereitgestellt wird und via PySpark Kernel auf einen Multi-Node Apache Spark Cluster (in einer Amazon EMR-Umgebung) zugreift. In diesem Szenario wird aus einem Snowflake Cloud Data Warehouse ein größeres Data Set mit 220 Millionen Datensätzen via Spark-Connector komplett in ein Spark Dataframe geladen und im Spark Cluster weiterverarbeitet. Den vollständigen Prozess inkl. Einrichtung und Konfiguration aller Komponenten, beschreibt eine vierteilige Blog-Serie [8]). Mit Spark Cluster sowie Snowflake stehen für sich genommen zwei leistungsfähige Umgebungen für rechenintensive Aufgaben zur Verfügung. Mit dem aktuellen Snowflake Connector für Spark ist eine intelligente Arbeitsteilung mittels Query Pushdown erreichbar. Dabei entscheidet Spark’s optimizer (Catalyst), welche Aufgaben (Queries) aufgrund der effizienteren Verarbeitung an Snowflake delegiert werden [9].

Abbildung 5: Jupyter Notebook in der Cloud – integriert mit Multi-Node Spark Cluster und Snowflake Cloud Data Warehouse

Welches Machine Learning Framework für welche Aufgabenstellung?

Bevor die nächsten Abschnitte weitere Werkzeuge und Technologien betrachten, macht es nicht nur für Data Scientists sondern auch für IT-Architekten Sinn, zunächst einen Überblick auf die derzeit verfügbaren Machine Learning Frameworks zu bekommen. Aus Architekturperspektive ist es wichtig zu verstehen, welche Aufgabenstellungen die jeweiligen ML-Frameworks adressieren, welche technischen Anforderungen und ggf. auch Abhängigkeiten zu den verfügbaren Datenquellen bestehen. Ein gemeinsamer Nenner vieler gescheiterter Machine Learning-Projekte ist häufig die Auswahl des falschen Frameworks. Ein Beispiel: TensorFlow ist aktuell eines der wichtigsten Frameworks zur Programmierung von neuronalen Netzen, Deep Learning Modellen sowie anderer Machine Learning Algorithmen. Während Deep Learning perfekt zur Untersuchung komplexer Daten wie Bild- und Audiodaten passt, wird es zunehmend auch für Use Cases benutzt, für die andere Frameworks besser geeignet sind. Bild 6 zeigt eine kompakte Entscheidungsmatrix [10] für die derzeit verbreitetsten ML-Frameworks und adressiert häufige Praxisprobleme: Entweder werden Algorithmen benutzt, die für den Use Case nicht oder kaum geeignet sind oder das gewählte Framework kann die aufkommenden Datenmengen nicht bewältigen. Die Unterteilung der Frameworks in Small Data, Big Data und Complex Data ist etwas plakativ, soll aber bei der Auswahl der Frameworks nach Art und Volumen der Daten helfen. Die Grenze zwischen Big Data zu Small Data ist dabei dort zu ziehen, wo die Datenmengen so groß sind, dass sie nicht mehr auf einem einzelnen Computer, sondern in einem verteilten Cluster ausgewertet werden müssen. Complex Data steht in dieser Matrix für unstrukturierte Daten wie Bild- und Audiodateien, für die sich Deep Learning Frameworks sehr gut eignen.

Abbildung 6: Entscheidungsmatrix zu aktuell verbreiteten Machine Learning Frameworks

Self-Service Machine Learning in Business Intelligence-Tools

Mit einfach zu bedienenden Business Intelligence-Werkzeugen zur Datenvisualisierung ist es für Analytiker und für weniger technisch versierte Anwender recht einfach, komplexe Daten aussagekräftig in interaktiven Dashboards zu präsentieren. Hersteller wie Tableau, Qlik und Oracle spielen ihre Stärken insbesondere im Bereich Visual Analytics aus. Statt statische Berichte oder Excel-Dateien vor dem nächsten Meeting zu verschicken, erlauben moderne Besprechungs- und Kreativräume interaktive Datenanalysen am Smartboard inklusive Änderung der Abfragefilter, Perspektivwechsel und Drill-downs. Im Rahmen von Data Science-Projekten können diese Werkzeuge sowohl zur Exploration von Daten als auch zur Visualisierung der Ergebnisse komplexer Machine Learning-Modelle sinnvoll eingesetzt werden. Prognosen, Scores und weiterer ML-Modell-Output lässt sich so schneller verstehen und unterstützt die Entscheidungsfindung bzw. Ableitung der nächsten Maßnahmen für den Geschäftsprozess. Im Rahmen einer IT-Gesamtarchitektur sind Analyse-Notebooks und Datenvisualisierungswerkzeuge für die Standard-Analytics-Toolbox Unternehmens gesetzt. Mit Hinblick auf effiziente Team-Zusammenarbeit, unternehmensinternen Austausch und Kommunikation von Ergebnissen sollte aber nicht nur auf reine Desktop-Werkzeuge gesetzt, sondern Server-Lösungen betrachtet und zusammen mit einem Nutzerkonzept eingeführt werden, um zehnfache Report-Dubletten, konkurrierende Statistiken („MS Excel Hell“) einzudämmen.

Abbildung 7: Datenexploration in Tableau – leicht gemacht für Fachanwender und Data Scientists

 

Zusätzliche Statistikfunktionen bis hin zur Möglichkeit R- und Python-Code bei der Analyse auszuführen, öffnet auch Fachanwender die Tür zur Welt des Maschinellen Lernens. Bild 7 zeigt das Werkzeug Tableau Desktop mit der Analyse kalifornischer Hauspreise (demselben Datensatz wie oben im Jupyter Notebook-Abschnitt wie in Bild 4) und einer Heatmap-Visualisierung zur Hervorhebung der teuersten Wohnlagen. Mit wenigen Klicks ist auch der Einsatz deskriptiver Statistik möglich, mit der sich neben Lagemaßen (Median, Quartilswerte) auch Streuungsmaße (Spannweite, Interquartilsabstand) sowie die Form der Verteilung direkt aus dem Box-Plot in Bild 7 ablesen und sogar über das Vorhandensein von Ausreißern im Datensatz eine Feststellung treffen lassen. Vorteil dieser Visualisierungen sind ihre hohe Informationsdichte, die allerdings vom Anwender auch richtig interpretiert werden muss. Bei der Beurteilung der Attribute, mit ihren Wertausprägungen und Abhängigkeiten innerhalb des Data Sets, benötigen Citizen Data Scientists (eine Wortschöpfung von Gartner) allerdings dann doch die mathematischen bzw. statistischen Grundlagen, um Falschinterpretationen zu vermeiden. Fraglich ist auch der Nutzen des Data Flow Editors [11] in Oracle Data Visualization, mit dem eins oder mehrere der im Werkzeug integrierten Machine Learning-Modelle trainiert und evaluiert werden können: technisch lassen sich Ergebnisse erzielen und anhand einiger Performance-Metriken die Modellgüte auch bewerten bzw. mit anderen Modellen vergleichen – aber wer kann die erzielten Ergebnisse (wissenschaftlich) verteidigen? Gleiches gilt für die Integration vorhandener R- und Python Skripte, die am Ende dann doch eine Einweisung der Anwender bzgl. Parametrisierung der ML-Modelle und Interpretationshilfen bei den erzielten Ergebnissen erfordern.

Machine Learning in und mit Datenbanken

Die Nutzung eingebetteter 1-click Analytics-Funktionen der oben vorgestellten Data Visualization-Tools ist zweifellos komfortabel und zum schnellen Experimentieren geeignet. Der gegenteilige und eher puristische Ansatz wäre dagegen die Implementierung eigener Machine Learning Modelle in der Datenbank. Für die Umsetzung des gewählten Algorithmus reichen schon vorhandene Bordmittel in der Datenbank aus: SQL inklusive mathematischer und statistische SQL-Funktionen, Tabellen zum Speichern der Ergebnisse bzw. für das ML-Modell-Management und Stored Procedures zur Abbildung komplexer Geschäftslogik und auch zur Ablaufsteuerung. Solange die Algorithmen ausreichend skalierbar sind, gibt es viele gute Gründe, Ihre Data Warehouse Engine für ML einzusetzen:

  • Einfachheit – es besteht keine Notwendigkeit, eine andere Compute-Plattform zu managen, zwischen Systemen zu integrieren und Daten zu extrahieren, transferieren, laden, analysieren usw.
  • Sicherheit – Die Daten bleiben dort, wo sie gut geschützt sind. Es ist nicht notwendig, Datenbank-Anmeldeinformationen in externen Systemen zu konfigurieren oder sich Gedanken darüber zu machen, wo Datenkopien verteilt sein könnten.
  • Performance – Eine gute Data Warehouse Engine verwaltet zur Optimierung von SQL Abfragen viele Metadaten, die auch während des ML-Prozesses wiederverwendet werden könnten – ein Vorteil gegenüber General-purpose Compute Plattformen.

Die Implementierung eines minimalen, aber legitimen ML-Algorithmus wird in [12] am Beispiel eines Entscheidungsbaums (Decision Tree) im Snowflake Data Warehouse gezeigt. Decision Trees kommen für den Aufbau von Regressions- oder Klassifikationsmodellen zum Einsatz, dabei teilt man einen Datensatz in immer kleinere Teilmengen auf, die ihrerseits in einem Baum organisiert sind. Bild 8 zeigt die Snowflake Benutzer­oberfläche und ein Ausschnitt von der Stored Procedure, die dynamisch alle SQL-Anweisungen zur Berechnung des Decision Trees nach dem ID3 Algorithmus [13] generiert.

Abbildung 8: Snowflake SQL-Editor mit Stored Procedure zur Berechnung eines Decission Trees

Allerdings ist der Entwicklungs- und Implementierungsprozess für ein Machine Learning Modell umfassender: Es sind relevante Daten zu identifizieren und für das ML-Modell vorzubereiten. Einfach Rohdaten bzw. nicht aggregierten Informationen aus Datenbanktabellen zu extrahieren reicht nicht aus, stattdessen benötigt ein ML-Modell als Input eine flache, meist sehr breite Tabelle mit vielen Aggregaten, die als Features bezeichnet werden. Erst dann kann der Prozess fortgesetzt und der für die Aufgabenstellung ausgewählte Algorithmus trainiert und die Modellgüte bewertet werden. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, steht die Implementierung des ML-Modells in der Zielumgebung an und muss sich künftig beim Scoring „frischer Datensätze“ bewähren. Viele zeitaufwändige Teilaufgaben also, bei der zumindest eine Teilautomatisierung wünschenswert wäre. Allein die Datenaufbereitung kann schon bis zu 70…80% der gesamten Projektzeit beanspruchen. Und auch die Implementierung eines ML-Modells wird häufig unterschätzt, da in Produktionsumgebungen der unterstützte Technologie-Stack definiert und ggf. für Machine Learning-Aufgaben erweitert werden muss. Daher ist es reizvoll, wenn das Datenbankmanagement-System auch hier einsetzbar ist – sofern die geforderten Algorithmen dort abbildbar sind. Wie ein ML-Modell für die Kundenabwanderungsprognose (Churn Prediction) werkzeuggestützt mit Xpanse AI entwickelt und beschleunigt im Snowflake Cloud Data Warehouse bereitgestellt werden kann, beschreibt [14] sehr anschaulich: Die benötigten Datenextrakte sind schnell aus Snowflake entladen und stellen den Input für ein neues Xpanse AI-Projekt dar. Sobald notwendige Tabellenverknüpfungen und andere fachliche Informationen hinterlegt sind, analysiert das Tool Datenstrukturen und transformiert alle Eingangstabellen in eine flache Zwischentabelle (u.U. mit Hunderten von Spalten), auf deren Basis im Anschluss ML-Modelle trainiert werden. Nach dem ML-Modell-Training erfolgt die Begutachtung der Ergebnisse: das erstellte Dataset, Güte des ML-Modells und der generierte SQL(!) ETL-Code zur Erstellung der Zwischentabelle sowie die SQL-Repräsentation des ML-Modells, das basierend auf den Input-Daten Wahrscheinlichkeitswerte berechnet und in einer Scoring-Tabelle ablegt. Die Vorteile dieses Ansatzes sind liegen auf der Hand: kürzere Projektzeiten, der Einsatz im Rahmen des Snowflake Cloud Data Warehouse, macht das Experimentieren mit der Zuweisung dedizierter Compute-Ressourcen für die performante Verarbeitung äußerst einfach. Grenzen liegen wiederum bei der zur Verfügung stehenden Algorithmen.

Spezialisierte Software Suites für Machine Learning

Während sich im Markt etablierte Business Intelligence- und Datenintegrationswerkzeuge mit Erweiterungen zur Ausführung von Python- und R-Code als notwendigen Bestandteil der Analyse-Toolbox für den Data Science Prozess positionieren, gibt es daneben auch Machine-Learning-Plattformen, die auf die Arbeit mit künstlicher Intelligenz (KI) zugeschnittenen sind. Für den Einstieg in Data Science bieten sich die oft vorhandenen quelloffenen Distributionen an, die auch über Enterprise-Versionen mit erweiterten Möglichkeiten für beschleunigtes maschinelles Lernen durch Einsatz von Grafikprozessoren (GPUs), bessere Skalierung sowie Funktionen für das ML-Modell Management (z.B. durch Versionsmanagement und Automatisierung) verfügen.

Eine beliebte Machine Learning-Suite ist das Open Source Projekt H2O. Die Lösung des gleichnamigen kalifornischen Unternehmens verfügt über eine R-Schnittstelle und ermöglicht Anwendern dieser statistischen Programmiersprache Vorteile in puncto Performance. Die in H2O verfügbaren Funktionen und Algorithmen sind optimiert und damit eine gute Alternative für das bereits standardmäßig in den R-Paketen verfügbare Funktionsset. H2O implementiert Algorithmen aus dem Bereich Statistik, Data-Mining und Machine Learning (generalisierte Lineare Modelle, K-Means, Random Forest, Gradient Boosting und Deep Learning) und bietet mit einer In-Memory-Architektur und durch standardmäßige Parallelisierung über alle vorhandenen Prozessorkerne eine gute Basis, um komplexe Machine-Learning-Modelle schneller trainieren zu können. Bild 9 zeigt wieder anhand des Datensatzes zur Analyse der kalifornischen Hauspreise die webbasierte Benutzeroberfläche H20 Flow, die den oben beschriebenen Juypter Notebook-Ansatz mit zusätzlich integrierter Benutzerführung für die wichtigsten Prozessschritte eines Machine-Learning-Projektes kombiniert. Mit einigen Klicks kann das California Housing Dataset importiert, in einen H2O-spezifischen Dataframe umgewandelt und anschließend in Trainings- und Testdatensets aufgeteilt werden. Auswahl, Konfiguration und Training der Machine Learning-Modelle erfolgt entweder durch den Anwender im Einsteiger-, Fortgeschrittenen- oder Expertenmodus bzw. im Auto-ML-Modus. Daran anschließend erlaubt H20 Flow die Vorhersage für die Zielvariable (im Beispiel: Hauspreis) für noch unbekannte Datensätze und die Aufbereitung der Ergebnismenge. Welche Unterstützung H2O zur Produktivsetzung von ML-Modellen anbietet, wird an einem Beispiel in den folgenden Abschnitten betrachtet.

Abbildung 9: H2O Flow Benutzeroberfläche – Datenaufbereitung, ML-Modell-Training und Evaluierung.

Vom Prototyp zur produktiven Machine Learning-Lösung

Warum ist es für viele Unternehmen noch schwer, einen Nutzen aus ihren ersten Data Science-Aktivitäten, Data Labs etc. zu ziehen? In der Praxis zeigt sich, erst durch Operationalisierung von Machine Learning-Resultaten in der Produktionsumgebung entsteht echter Geschäftswert und nur im Tagesgeschäft helfen robuste ML-Modelle mit hoher Güte bei der Erreichung der gesteckten Unternehmensziele. Doch leider erweist sich der Weg vom Prototypen bis hin zum Produktiveinsatz bei vielen Initativen noch als schwierig. Bild 10 veranschaulicht ein typisches Szenario: Data Science-Teams fällt es in ihrer Data Lab-Umgebung technisch noch leicht, Prototypen leistungsstarker ML-Modelle mit Hilfe aktueller ML-Frameworks wie TensorFlow-, Keras- und Word2Vec auf ihren Laptops oder in einer Sandbox-Umgebung zu erstellen. Doch je nach verfügbarer Infrastruktur kann, wegen Begrenzungen bei Rechenleistung oder Hauptspeicher, nur ein Subset der Produktionsdaten zum Trainieren von ML-Modellen herangezogen werden. Ergebnispräsentationen an die Stakeholder der Data Science-Projekte erfolgen dann eher durch Storytelling in MS Powerpoint bzw. anhand eines Demonstrators – selten aber technisch schon so umgesetzt, dass anderere Applikationen z.B. über eine REST-API von dem neuen Risiko Scoring-, dem Bildanalyse-Modul etc. (testweise) Gebrauch machen können. Ausgestattet mit einer Genehmigung vom Management, übergibt das Data Science-Team ein (trainiertes) ML-Modell an das Software Engineering-Team. Nach der Übergabe muss sich allerdings das Engineering-Team darum kümmern, dass das ML-Modell in eine für den Produktionsbetrieb akzeptierte Programmiersprache, z.B. in Java, neu implementiert werden muss, um dem IT-Unternehmensstandard (siehe Line of Governance in Bild 10) bzw. Anforderungen an Skalierbarkeit und Laufzeitverhalten zu genügen. Manchmal sind bei einem solchen Extraschritt Abweichungen beim ML-Modell-Output und in jedem Fall signifikante Zeitverluste beim Deployment zu befürchten.

Abbildung 10: Übergabe von Machine Learning-Resultaten zur Produktivsetzung im Echtbetrieb

Unterstützt das Data Science-Team aktiv bei dem Deployment, dann wäre die Einbettung des neu entwickelten ML-Modells in eine Web-Applikation eine beliebte Variante, bei der typischerweise Flask, Tornado (beides Micro-Frameworks für Python) und Shiny (ein auf R basierendes HTML5/CSS/JavaScript Framework) als Technologiekomponenten zum Zuge kommen. Bei diesem Vorgehen müssen ML-Modell, Daten und verwendete ML-Pakete/Abhängigkeiten in einem Format verpackt werden, das sowohl in der Data Science Sandbox als auch auf Produktionsservern lauffähig ist. Für große Unternehmen kann dies einen langwierigen, komplexen Softwareauslieferungsprozess bedeuten, der ggf. erst noch zu etablieren ist. In dem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie weit die Erfahrung des Data Science-Teams bei der Entwicklung von Webanwendungen reicht und Aspekte wie Loadbalancing und Netzwerkverkehr ausreichend berücksichtigt? Container-Virtualisierung, z.B. mit Docker, zur Isolierung einzelner Anwendungen und elastische Cloud-Lösungen, die on-Demand benötigte Rechenleistung bereitstellen, können hier Abhilfe schaffen und Teil der Lösungsarchitektur sein. Je nach analytischer Aufgabenstellung ist das passende technische Design [15] zu wählen: Soll das ML-Modell im Batch- oder Near Realtime-Modus arbeiten? Ist ein Caching für wiederkehrende Modell-Anfragen vorzusehen? Wie wird das Modell-Deployment umgesetzt, In-Memory, Code-unabhängig durch Austauschformate wie PMML, serialisiert via R- oder Python-Objekte (Pickle) oder durch generierten Code? Zusätzlich muss für den Produktiveinsatz von ML-Modellen auch an unterstützenden Konzepten zur Bereitstellung, Routing, Versions­management und Betrieb im industriellen Maßstab gearbeitet werden, damit zuverlässige Machine Learning-Produkte bzw. -Services zur internen und externen Nutzung entstehen können (siehe dazu Bild 11)

Abbildung 11: Unterstützende Funktionen für produktive Machine Learning-Lösungen

Die Deployment-Variante „Machine Learning Code-Generierung“ lässt sich gut an dem bereits mit H2O Flow besprochenen Beispiel veranschaulichen. Während Bild 9 hierzu die Schritte für Modellaufbau, -training und -test illustriert, zeigt Bild 12 den Download-Vorgang für den zuvor generierten Java-Code zum Aufbau eines ML-Modells zur Vorhersage kalifornischer Hauspreise. In dem generierten Java-Code sind die in H2O Flow vorgenommene Datenaufbereitung sowie alle Konfigurationen für den Gradient Boosting Machine (GBM)-Algorithmus gut nachvollziehbar, Bild 13 gibt mit den ersten Programmzeilen einen ersten Eindruck dazu und erinnert gleichzeitig an den ähnlichen Ansatz der oben mit dem Snowflake Cloud Data Warehouse und dem Tool Xpanse AI bereits beschrieben wurde.

Abbildung 12: H2O Flow Benutzeroberfläche – Java-Code Generierung und Download eines trainierten Models

Abbildung 13: Generierter Java-Code eines Gradient Boosted Machine – Modells zur Vorhersage kaliforn. Hauspreise

Nach Abschluss der Machine Learning-Entwicklung kann der Java-Code des neuen ML-Modells, z.B. unter Verwendung der Apache Kafka Streams API, zu einer Streaming-Applikation hinzugefügt und publiziert werden [16]. Vorteil dabei: Die Kafka Streams-Applikation ist selbst eine Java-Applikation, in die der generierte Code des ML-Modells eingebettet werden kann (siehe Bild 14). Alle zukünftigen Events, die neue Immobilien-Datensätze zu Häusern aus Kalifornien mit (denselben) Features wie Geoposition, Alter des Gebäudes, Anzahl Zimmer etc. enthalten und als ML-Modell-Input über Kafka Streams hereinkommen, werden mit einer Vorhersage des voraussichtlichen Gebäudepreises von dem auf historischen Daten trainierten ML-Algorithmus beantwortet. Ein Vorteil dabei: Weil die Kafka Streams-Applikation unter der Haube alle Funktionen von Apache Kafka nutzt, ist diese neue Anwendung bereits für den skalierbaren und geschäftskritischen Einsatz ausgelegt.

Abbildung 14: Deployment des generierten Java-Codes eines H2O ML-Models in einer Kafka Streams-Applikation

Machine Learning as a Service – “API-first” Ansatz

In den vorherigen Abschnitten kam bereits die Herausforderung zur Sprache, wenn es um die Überführung der Ergebnisse eines Datenexperiments in eine Produktivumgebung geht. Während die Mehrheit der Mitglieder eines Data Science Teams bevorzugt R, Python (und vermehrt Julia) als Programmiersprache einsetzen, gibt es auf der Abnehmerseite das Team der Softwareingenieure, die für technische Implementierungen in der Produktionsumgebung zuständig sind, womöglich einen völlig anderen Technologie-Stack verwenden (müssen). Im Extremfall droht das Neuimplementieren eines Machine Learning-Modells, im besseren Fall kann Code oder die ML-Modellspezifikation transferiert und mit wenig Aufwand eingebettet (vgl. das Beispiel H2O und Apache Kafka Streams Applikation) bzw. direkt in einer neuen Laufzeitumgebung ausführbar gemacht werden. Alternativ wählt man einen „API-first“-Ansatz und entkoppelt das Zusammenwirken von unterschiedlich implementierten Applikationen bzw. -Applikationsteilen via Web-API’s. Data Science-Teams machen hierzu z.B. die URL Endpunkte ihrer testbereiten Algorithmen bekannt, die von anderen Softwareentwicklern für eigene „smarte“ Applikationen konsumiert werden. Durch den Aufbau von REST-API‘s kann das Data Science-Team den Code ihrer ML-Modelle getrennt von den anderen Teams weiterentwickeln und damit eine Arbeitsteilung mit klaren Verantwortlichkeiten herbeiführen, ohne Teamkollegen, die nicht am Machine Learning-Aspekt des eines Projekts beteiligt sind, bei ihrer Arbeit zu blockieren.

Bild 15 zeigt ein einfaches Szenario, bei dem die Gegenstandserkennung von beliebigen Bildern mit einem Deep Learning-Verfahren umgesetzt ist. Einzelne Fotos können dabei via Kommandozeileneditor als Input für die Bildanalyse an ein vortrainiertes Machine Learning-Modell übermittelt werden. Die Information zu den erkannten Gegenständen inkl. Wahrscheinlichkeitswerten kommt dafür im Gegenzug als JSON-Ausgabe zurück. Für die Umsetzung dieses Beispiels wurde in Python auf Basis der Open Source Deep-Learning-Bibliothek Keras, ein vortrainiertes ML-Modell mit Hilfe des Micro Webframeworks Flask über eine REST-API aufrufbar gemacht. Die in [17] beschriebene Applikation kümmert sich außerdem darum, dass beliebige Bilder via cURL geladen, vorverarbeitet (ggf. Wandlung in RGB, Standardisierung der Bildgröße auf 224 x 224 Pixel) und dann zur Klassifizierung der darauf abgebildeten Gegenstände an das ML-Modell übergeben wird. Das ML-Modell selbst verwendet eine sog. ResNet50-Architektur (die Abkürzung steht für 50 Layer Residual Network) und wurde auf Grundlage der öffentlichen ImageNet Bilddatenbank [18] vortrainiert. Zu dem ML-Modell-Input (in Bild 15: Fußballspieler in Aktion) meldet das System für den Tester nachvollziehbare Gegenstände wie Fußball, Volleyball und Trikot zurück, fragliche Klassifikationen sind dagegen Taschenlampe (Torch) und Schubkarre (Barrow).

Abbildung 15: Gegenstandserkennung mit Machine Learning und vorgegebenen Bildern via REST-Service

Bei Aufbau und Bereitstellung von Machine Learning-Funktionen mittels REST-API’s bedenken IT-Architekten und beteiligte Teams, ob der Einsatzzweck eher Rapid Prototyping ist oder eine weitreichende Nutzung unterstützt werden muss. Während das oben beschriebene Szenario mit Python, Keras und Flask auf einem Laptop realisierbar ist, benötigen skalierbare Deep Learning Lösungen mehr Aufmerksamkeit hinsichtlich der Deployment-Architektur [19], in dem zusätzlich ein Message Broker mit In-Memory Datastore eingehende bzw. zu analysierende Bilder puffert und dann erst zur Batch-Verarbeitung weiterleitet usw. Der Einsatz eines vorgeschalteten Webservers, Load Balancers, Verwendung von Grafikprozessoren (GPUs) sind weitere denkbare Komponenten für eine produktive ML-Architektur.

Als abschließendes Beispiel für einen leistungsstarken (und kostenpflichtigen) Machine Learning Service soll die Bildanalyse von Google Cloud Vision [20] dienen. Stellt man dasselbe Bild mit der Fußballspielszene von Bild 15 und Bild 16 bereit, so erkennt der Google ML-Service neben den Gegenständen weit mehr Informationen: Kontext (Teamsport, Bundesliga), anhand der Gesichtserkennung den Spieler selbst  und aktuelle bzw. vorherige Mannschaftszugehörigkeiten usw. Damit zeigt sich am Beispiel des Tech-Giganten auch ganz klar: Es kommt vorallem auf die verfügbaren Trainingsdaten an, inwieweit dann mit Algorithmen und einer dazu passenden Automatisierung (neue) Erkenntnisse ohne langwierigen und teuren manuellen Aufwand gewinnen kann. Einige Unternehmen werden feststellen, dass ihr eigener – vielleicht einzigartige – Datenschatz einen echten monetären Wert hat?

Abbildung 16: Machine Learning Bezahlprodukt (Google Vision)

Fazit

Machine Learning ist eine interessante “Challenge” für Architekten. Folgende Punkte sollte man bei künftigen Initativen berücksichtigen:

  • Finden Sie das richtige Geschäftsproblem bzw geeignete Use Cases
  • Identifizieren und definieren Sie die Einschränkungen (Sind z.B. genug Daten vorhanden?) für die zu lösende Aufgabenstellung
  • Nehmen Sie sich Zeit für das Design von Komponenten und Schnittstellen
  • Berücksichtigen Sie frühzeitig mögliche organisatorische Gegebenheiten und Einschränkungen
  • Denken Sie nicht erst zum Schluss an die Produktivsetzung Ihrer analytischen Modelle oder Machine Learning-Produkte
  • Der Prozess ist insgesamt eine Menge Arbeit, aber es ist keine Raketenwissenschaft.

Quellenverzeichnis

[1] Bill Schmarzo: “What’s the Difference Between Data Integration and Data Engineering?”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[2] William Vorhies: “CRISP-DM – a Standard Methodology to Ensure a Good Outcome”, Data Science Central -> Link, 2016
[3] Bill Schmarzo: “A Winning Game Plan For Building Your Data Science Team”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[4] D. Sculley, G. Holt, D. Golovin, E. Davydov, T. Phillips, D. Ebner, V. Chaudhary, M. Young, J.-F. Crespo, D. Dennison: “Hidden technical debt in Machine learning systems”. In NIPS’15 Proceedings of the 28th International Conference on Neural Information Processing Systems – Volume 2, 2015
[5] K. Bollhöfer: „Data Science – the what, the why and the how!“, Präsentation von The unbelievable Machine Company, 2015
[6] Carlton E. Sapp: “Preparing and Architecting for Machine Learning”, Gartner, 2017
[7] A. Geron: “California Housing” Dataset, Jupyter Notebook. GitHub.com -> Link, 2018
[8] R. Fehrmann: “Connecting a Jupyter Notebook to Snowflake via Spark” -> Link, 2018
[9] E. Ma, T. Grabs: „Snowflake and Spark: Pushing Spark Query Processing to Snowflake“ -> Link, 2017
[10] Dr. D. James: „Entscheidungsmatrix „Machine Learning“, it-novum.com ->  Link, 2018
[11] Oracle Analytics@YouTube: “Oracle DV – ML Model Comparison Example”, Video -> Link
[12] J. Weakley: Machine Learning in Snowflake, Towards Data Science Blog -> Link, 2019
[13] Dr. S. Sayad: An Introduction to Data Science, Website -> Link, 2019
[14] U. Bethke: Build a Predictive Model on Snowflake in 1 day with Xpanse AI, Blog à Link, 2019
[15] Sergei Izrailev: Design Patterns for Machine Learning in Production, Präsentation H2O World, 2017
[16] K. Wähner: How to Build and Deploy Scalable Machine Learning in Production with Apache Kafka, Confluent Blog -> Link, 2017
[17] A. Rosebrock: “Building a simple Keras + deep learning REST API”, The Keras Blog -> Link, 2018
[18] Stanford Vision Lab, Stanford University, Princeton University: Image database, Website -> Link
[19] A. Rosebrock: “A scalable Keras + deep learning REST API”, Blog -> Link, 2018
[20] Google Cloud Vision API (Beta Version) -> Link, abgerufen 2018

 

 

 

 

Benjamin Aunkofer

Fehler-Rückführung mit der Backpropagation

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Dies ist Artikel 4 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Das Gradienten(abstiegs)verfahren ist der Schlüssel zum Training einzelner Neuronen bzw. deren Gewichtungen zu den Neuronen der vorherigen Schicht. Wer dieses Prinzip verstanden hat, hat bereits die halbe Miete zum Verständnis des Trainings von künstlichen neuronalen Netzen.

Der Gradientenabstieg wird häufig fälschlicherweise mit der Backpropagation gleichgesetzt, jedoch ist das nicht ganz richtig, denn die Backpropagation ist mehr als die Anwendung des Gradientenabstiegs.

Bevor wir die Backpropagation erläutern, nochmal kurz zurück zur Forward-Propagation, die die eigentliche Prädiktion über ein künstliches neuronales Netz darstellt:

Forward-Propagation

Abbildung 1: Ein simples kleines künstliches neuronales Netz mit zwei Schichten (+ Eingabeschicht) und zwei Neuronen pro Schicht.

In einem kleinen künstlichen neuronalen Netz, wie es in der Abbildung 1 dargestellt ist, und das alle Neuronen über die Sigmoid-Funktion aktiviert, wird jedes Neuron eine Nettoeingabe z berechnen…

z = w^{T} \cdot x

… und diese Nettoeingabe in die Sigmoid-Funktion einspeisen…

\phi(z) = sigmoid(z) = \frac{1}{1 + e^{-z}}

… die dann das einzelne Neuron aktiviert. Die Aktivierung erfolgt also in der mittleren Schicht (N-Schicht) wie folgt:

N_{j} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}

Die beiden Aktivierungsausgaben N werden dann als Berechnungsgrundlage für die Ausgaben der Ausgabeschicht o verwendet. Auch die Ausgabe-Neuronen berechnen ihre jeweilige Nettoeingabe z und aktivieren über Sigmoid(z).

Ausgabe eines Ausgabeknotens als Funktion der Eingänge und der Verknüpfungsgewichte für ein dreischichtiges neuronales Netz, mit nur zwei Knoten je Schicht, kann also wie folgt zusammen gefasst werden:

O_{k} = \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{jk} \cdot \frac{1}{1 + e^{- \sum (w_{ij} \cdot x_{i}) }}) }}

Abbildung 2: Forward-Propagation. Aktivierung via Sigmoid-Funktion.

Sollte dies die erste Forward-Propagation gewesen sein, wird der Output noch nicht auf den Input abgestimmt sein. Diese Abstimmung erfolgt in Form der Gewichtsanpassung im Training des neuronalen Netzes, über die zuvor erwähnte Gradientenmethode. Die Gradientenmethode ist jedoch von einem Fehler abhängig. Diesen Fehler zu bestimmen und durch das Netz zurück zu führen, das ist die Backpropagation.

Back-Propagation

Um die Gewichte entgegen des Fehlers anpassen zu können, benötigen wir einen möglichst exakten Fehler als Eingabe. Der Fehler berechnet sich an der Ausgabeschicht über eine Fehlerfunktion (Loss Function), beispielsweise über den MSE (Mean Squared Error) oder über die sogenannte Kreuzentropie (Cross Entropy). Lassen wir es in diesem Beispiel einfach bei einem simplen Vergleich zwischen dem realen Wert (Sollwert o_{real}) und der Prädiktion (Ausgabe o) bleiben:

e_{o} = o_{real} - o

Der Fehler e ist also einfach der Unterschied zwischen dem Ziel-Wert und der Prädiktion. Jedes Training ist eine Wiederholung von Prädiktion (Forward) und Gewichtsanpassung (Back). Im ersten Schritt werden üblicherweise die Gewichtungen zufällig gesetzt, jede Gewichtung unterschiedlich nach Zufallszahl. So ist die Wahrscheinlichkeit, gleich zu Beginn die “richtigen” Gewichtungen gefunden zu haben auch bei kleinen neuronalen Netzen verschwindend gering. Der Fehler wird also groß sein und kann über den Gradientenabstieg durch Gewichtsanpassung verkleinert werden.

In diesem Beispiel berechnen wir die Fehler e_{1} und e_{2} und passen danach die Gewichte w_{j,k} (w_{1,1} & w_{2,1} und w_{1,2} & w_{2,2}) der Schicht zwischen dem Hidden-Layer N und dem Output-Layer o an.

Abbildung 3: Anpassung der Gewichtungen basierend auf dem Fehler in der Ausgabe-Schicht.

Die Frage ist nun, wie die Gewichte zwischen dem Input-Layer X und dem Hidden-Layer N anzupassen sind. Es stellt sich die Frage, welchen Einfluss diese auf die Fehler in der Ausgabe-Schicht haben?

Um diese Gewichtungen anpassen zu können, benötigen wir den Fehler-Anteil der beiden Neuronen N_{1} und N_{2}. Dieser Anteil am Fehler der jeweiligen Neuronen ergibt sich direkt aus den Gewichtungen w_{j,k} zum Output-Layer:

e_{N_{1}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}}

e_{N_{2}} = e_{o1} \cdot \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} + e_{o2} \cdot \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}}

Wenn man das nun generalisiert:

    \[ e_{N} = \left(\begin{array}{rr} \frac{w_{1,1}}{w_{1,1} + w_{1,2}} & \frac{w_{1,2}}{w_{1,1} + w_{1,2}} \\ \frac{w_{2,1}}{w_{2,1} + w_{2,2}} & \frac{w_{2,2}}{w_{2,1} + w_{2,2}} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad \]

Dabei ist es recht aufwändig, die Gewichtungen stets ins Verhältnis zu setzen. Diese Berechnung können wir verkürzen, indem ganz einfach direkt nur die Gewichtungen ohne Relativierung zur Kalkulation des Fehleranteils benutzt werden. Die Relationen bleiben dabei erhalten!

    \[ e_{N} = \left(\begin{array}{rr} w_{1,1} & w_{1,2} \\ w_{2,1} & w_{2,2} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c} e_{1} \\ e_{2} \end{array}\right) \qquad \]

Oder folglich in Kurzform: e_{N} = w^{T} \cdot e_{o}

Abbildung 4: Vollständige Gewichtsanpassung auf Basis der Fehler in der Ausgabeschicht und der Fehleranteile in der verborgenden Schicht.

Und nun können, basierend auf den Fehleranteilen der verborgenden Schicht N, die Gewichtungen w_{i,j} zwischen der Eingabe-Schicht I und der verborgenden Schicht N angepasst werden, entgegen dieser Fehler e_{N}.

Die Backpropagation besteht demnach aus zwei Schritten:

  1. Fehler-Berechnung durch Abgleich der Soll-Werte mit den Prädiktionen in der Ausgabeschicht und durch Fehler-Rückführung zu den Neuronen der verborgenden Schichten (Hidden-Layer)
  2. Anpassung der Gewichte entgegen des Gradientenanstiegs der Fehlerfunktion (Loss Function)

Buchempfehlungen

Die folgenden zwei Bücher haben mir sehr beim Verständnis und beim Verständlichmachen der Backpropagation in künstlichen neuronalen Netzen geholfen.

Neuronale Netze selbst programmieren: Ein verständlicher Einstieg mit Python Deep Learning. Das umfassende Handbuch: Grundlagen, aktuelle Verfahren und Algorithmen, neue Forschungsansätze (mitp Professional)
Benjamin Aunkofer

Training eines Neurons mit dem Gradientenverfahren

/in , , , , , , , , , /by

Dies ist Artikel 3 von 6 der Artikelserie –Einstieg in Deep Learning.

Das Training von neuronalen Netzen erfolgt nach der Forward-Propagation über zwei Schritte:

  1. Fehler-Rückführung über aller aktiver Neuronen aller Netz-Schichten, so dass jedes Neuron “seinen” Einfluss auf den Ausgabefehler kennt.
  2. Anpassung der Gewichte entgegen den Gradienten der Fehlerfunktion

Beide Schritte werden in der Regel zusammen als Backpropagation bezeichnet. Machen wir erstmal einen Schritt vor und betrachten wir, wie ein Neuron seine Gewichtsverbindungen zu seinen Vorgängern anpasst.

Gradientenabstiegsverfahren

Der Gradientenabstieg ist ein generalisierbarer Algorithmus zur Optimierung, der in vielen Verfahren des maschinellen Lernens zur Anwendung kommt, jedoch ganz besonders als sogenannte Backpropagation im Deep Learning den Erfolg der künstlichen neuronalen Netze erst möglich machen konnte.

Der Gradientenabstieg lässt sich vom Prinzip her leicht erklären: Angenommen, man stünde im Gebirge im dichten Nebel. Das Tal, und somit der Weg nach Hause, ist vom Nebel verdeckt. Wohin laufen wir? Wir können das Ziel zwar nicht sehen, tasten uns jedoch so heran, dass unser Gehirn den Gradienten (den Unterschied der Höhen beider Füße) berechnet, somit die Steigung des Bodens kennt und sich entgegen dieser Steigung unser Weg fortsetzt.

Konkret funktioniert der Gradientenabstieg so: Wir starten bei einem zufälligen Theta \theta (Random Initialization). Wir berechnen die Ausgabe (Forwardpropogation) und vergleichen sie über eine Verlustfunktion (z. B. über die Funktion Mean Squared Error) mit dem tatsächlich korrekten Wert. Auf Grund der zufälligen Initialisierung haben wir eine nahe zu garantierte Falschheit der Ergebnisse und somit einen Verlust. Für die Verlustfunktion berechnen wir den Gradienten für gegebene Eingabewerte. Voraussetzung dafür ist, dass die Funktion ableitbar ist. Wir bewegen uns entgegen des Gradienten in Richtung Minimum der Verlustfunktion. Ist dieses Minimum (fast) gefunden, spricht man auch davon, dass der Lernalgorithmus konvergiert.

Das Gradientenabstiegsverfahren ist eine Möglichkeit der Gradientenverfahren, denn wollten wir maximieren, würden wir uns entlang des Gradienten bewegen, was in anderen Anwendungen sinnvoll ist.

Ob als “Cost Function” oder als “Loss Function” bezeichnet, in jedem Fall ist es eine “Error Function”, aber auf die Benennung kommen wir später zu sprechen. Jedenfalls versuchen wir die Fehlerrate zu senken! Leider sind diese Funktionen in der Praxis selten so einfach konvex (zwei Berge mit einem Tal dazwischen).

 

Aber Achtung: Denn befinden wir uns nur zwischen zwei Bergen, finden wir das Tal mit Sicherheit über den Gradienten. Befinden wir uns jedoch in einem richtigen Gebirge mit vielen Bergen und Tälern, gilt es, das richtige Tal zu finden. Bei der Optimierung der Gewichtungen von künstlichen neuronalen Netzen wollen wir die besten Gewichtungen finden, die uns zu den geringsten Ausgaben der Verlustfunktion führen. Wir suchen also das globale Minimum unter den vielen (lokalen) Minima.

Programmier-Beispiel in Python

Nachfolgend ein Beispiel des Gradientenverfahrens zur Berechnung einer Regression. Wir importieren numpy und matplotlib.pyplot und erzeugen uns künstliche Datenpunkte:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt


X = 2 * np.random.rand(1000, 1)
y = 5 + 2 * X + np.random.randn(1000, 1)

plt.figure(figsize = (15, 15))
plt.plot(X, y, "b.")
plt.axis([0, 2, 0, 15])
plt.show()

Nun wollen wir einen Lernalgorithmus über das Gradientenverfahren erstellen. Im Grunde haben wir hier es bereits mit einem linear aktivierten Neuron zutun:

Bei der linearen Regression, die wir durchführen wollen, nehmen wir zwei-dimensionale Daten (wobei wir die Regression prinzipiell auch mit x-Dimensionen durchführen können, dann hätte unser Neuron weitere Eingänge). Wir empfangen einen Bias (w_0) der stets mit einer Eingangskonstante multipliziert und somit als Wert erhalten bleibt. Der Bias ist das Alpha \alpha in einer Schulmathe-tauglichen Formel wie y = \beta \cdot x + \alpha.

Beta \beta ist die Steigung, der Gradient, der Funktion.

Sowohl \alpha als auch \beta sind uns unbekannt, versuchen wir jedoch über die Betrachtung unserer Prädiktion durch Berechnung der Formel \^y = \beta \cdot x + \alpha und den darauffolgenden Abgleich mit dem tatsächlichen y herauszufinden. Anfangs behaupten wir beispielsweise einfach, sowohl \beta als auch \alpha seien 0.00. Folglich wird \^y = \beta \cdot x + \alpha ebenfalls gleich 0.00 sein und die Fehlerfunktion (Loss Function) wird maximal sein. Dies war der erste Durchlauf des Trainings, die sogenannte erste Epoche!

Die Epochen (Durchläufe) und dazugehörige Fehlergrößen. Wenn die Fehler sinken und mit weiteren Epochen nicht mehr wesentlich besser werden, heißt es, das der Lernalogorithmus konvergiert.

Als Fehlerfunktion verwenden wir bei der Regression die MSE-Funktion (Mean Squared Error):

MSE = \sum(\^y_i - y_i)^2

Um diese Funktion wird sich nun alles drehen, denn diese beschreibt den Fehler und gibt uns auch die Auskunft darüber, ob wie stark und in welche Richtung sie ansteigt, so dass wir uns entgegen der Steigung bewegen können. Wer die Regeln der Ableitung im Kopf hat, weiß, dass die Ableitung der Formel leichter wird, wenn wir sie vorher auf halbe Werte runterskalieren. Da die Proportionen dabei erhalten bleiben und uns quadrierte Fehlerwerte unserem menschlichen Verstand sowieso nicht so viel sagen (unser Gehirn denkt nunmal nicht exponential), stört das nicht:

MSE = \frac{\frac{1}{2} \cdot \sum(\^y_i - y_i)^2}{n}

MSE = \frac{\frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2}{n}

Wenn die Mathematik der partiellen Ableitung (Ableitung einer Funktion nach jedem Gradienten) abhanden gekommen ist, bitte nochmal folgende Regeln nachschlagen, um die nachfolgende Ableitung verstehen zu können:

  • Allgemeine partielle Ableitung
  • Kettenregel

Ableitung der MSD-Funktion nach dem einen Gewicht w bzw. partiell nach jedem vorhandenen w_j:

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{\partial}{\partial w} \frac{1}{2} \cdot \sum(\^y - y_i)^2

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{\partial}{\partial w} \frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2

\frac{\partial}{\partial w_j}MSE = \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i) \cdot x_{ij}

Woher wir das x_{ij} am Ende her haben? Das ergibt sie aus der Kettenregel: Die äußere Funktion wurde abgeleitet, so wurde aus \frac{1}{2} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i)^2 dann \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i). Jedoch muss im Sinne eben dieser Kettenregel auch die innere Funktion abgeleitet werden. Da wir nach w_j ableiten, bleibt nur x_ij erhalten.

Damit können wir arbeiten! So kompliziert ist die Formel nun auch wieder nicht: \frac{2}{n} \cdot \sum(w^T \cdot x_i - y_i) \cdot x_{ij}

Mit dieser Formel können wir unsere Gewichte an den Fehler anpassen: (f\nabla ist der Gradient der Funktion!)

w_j = w_j - \nabla MSE(w_j)

Initialisieren der Gewichtungen

Die Gewichtungen \alpha und \beta müssen anfänglich mit Werten initialisiert werden. In der Regression bietet es sich an, die Gewichte anfänglich mit 0.00 zu initialisieren.

Bei vielen neuronalen Netzen, mit nicht-linearen Aktivierungsfunktionen, ist das jedoch eher ungünstig und zufällige Werte sind initial besser. Gut erprobt sind normal-verteilte Zufallswerte.

Lernrate

Nur eine Kleinigkeit haben wir bisher vergessen: Wir brauchen einen Faktor, mit dem wir anpassen. Hier wäre der Faktor 1. Das ist in der Regel viel zu groß. Dieser Faktor wird geläufig als Lernrate (Learning Rate) \eta (eta) bezeichnet:

w_j = w_j - \eta \cdot \nabla MSE(w_j)

Die Lernrate \eta ist ein Knackpunkt und der erste Parameter des Lernalgorithmus, den es anzupassen gilt, wenn das Training nicht konvergiert.

Die Lernrate \eta darf nicht zu groß klein gewählt werden, da das Training sonst zu viele Epochen benötigt. Ungeduldige erhöhen die Lernrate möglicherweise aber so sehr, dass der Lernalgorithmus im Minimum der Fehlerfunktion vorbeiläuft und diesen stets überspringt. Hier würde der Algorithmus also sozusagen konvergieren, weil nicht mehr besser werden, aber das resultierende Modell wäre weit vom Optimum entfernt.

Beginnen wir mit der Implementierung als Python-Klasse:

class LinearRegressionGD(object):
    
    def __init__(self, eta = 0.0001, n_iter = 50):
        
        self.eta = eta                  # Lernrate
        self.n_iter = n_iter            # Epochen
        
    def fit(self, X, y):
        
        self.w_ = np.zeros(1 + X.shape[1]) # <- 1 für den Bias + alle weiteren Columns für die Steigungen
                                           # In diesem Beispiel self.w_ = [0.0, 0.] = [Alpha, Beta]
                                           # Dabei initialisieren wir Alpha und Beta mit 0.00-Werten
        
        self.cost_ = []                    # Cost Function (der Verlauf der Loss Function MSE)
        
        for i in range(self.n_iter):       # Für jede Epoche...
            
            output = self.predict(X)       # Die Funktion x * Beta + Alpha ausrechnen  
                                           # Batch-Verfahren, denn wir trainieren jede Epoche mit allen X-Werten

            errors = y.flatten() - output  # y_predicted - y_real

            mse = ((errors ** 2).sum() / 2.0) / len(X)  # Loss Function MSE
            
            self.cost_.append(mse)                      # Loss Function wird Teil der Cost Function
            
            self.w_[1:] += self.eta * X.T.dot(errors)   # Anpassen des Gewichts Beta (und falls es sie gäbe: aller weiteren Gewichte)
            self.w_[0] += self.eta * errors.sum()      # Anpassen des Gewichts Alpha
            
            
            #print(output)
            #print(errors)
            #print("Beta  -> ", self.w_[1:])
            #print("Alpha -> ", self.w_[0])                   
            
        return self
        
    def predict(self, X):
        return np.dot(X, self.w_[1:]) + self.w_[0]      # y = x * Beta + Alpha

Die Klasse sollte so funktionieren, bevor wir sie verwenden, sollten wir die Input-Werte standardisieren:

x_std = (X - X.mean()) / X.std()
y_std = (y - y.mean()) / y.std()

Bei diesem Beispiel mit künstlich erzeugten Werten ist das Standardisieren bzw. das Fehlen des Standardisierens zwar nicht kritisch, aber man sollte es sich zur Gewohnheit machen. Testweise es einfach mal weglassen 🙂

Kommen wir nun zum Einsatz der Klasse, die die Regression via Gradientenabstieg absolvieren soll:

lrGD = LinearRegressionGD()  # Instanziieren
lrGD.fit(x_std, y_std)       # Trainieren (das ".fit()" entspricht dem Wording von scikit-learn, ".train()" wäre mir sonst lieber :-)

Was tut diese Instanz der Klasse LinearRegressionGD nun eigentlich?

Bildlich gesprochen, legt sie eine Gerade auf den Boden des Koordinatensystems, denn die Gewichtungen werden mit 0.00 initialisiert, y ist also gleich 0.00, egal welche Werte in x enthalten sind. Der Fehler ist dann aber sehr groß (sollte maximal sein, im Vergleich zu zukünftigen Epochen). Die Gewichte werden also angepasst, die Gerade somit besser in die Punktwolke platziert. Mit jeder Epoche wird die Gerade erneut in die Punktwolke gelegt, der Gesamtfehler (über alle x, da wir es hier mit dem Batch-Verfahren zutun haben) berechnet, die Werte angepasst… bis die vorgegebene Zahl an Epochen abgelaufen ist.

Schauen wir uns das Ergebnis des Trainings an:

plt.figure(figsize = (15, 15))
plt.plot(x_std, y_std, "b.")                                # Scatter, wie zuvor!
plt.plot(x_std, lrGD.predict(x_std), "r-", linewidth = 5)   # Regressionsgerade als Linie
plt.show()

Die Linie sieht passend aus, oder? Da wir hier nicht zu sehr in die Theorie der Regressionsanalyse abdriften möchten, lassen wir das testen und prüfen der Akkuratesse mal aus, hier möchte ich auf meinen Artikel Regressionsanalyse in Python mit Scikit-Learn verweisen.

Prüfen sollten wir hingegen mal, wie schnell der Lernalgorithmus mit der vorgegebenen Lernrate eta konvergiert:

plt.figure(figsize = (15, 15))
plt.plot(range(1, lrGD.n_iter + 1), lrGD.cost_)
plt.xlabel('Epochen')
plt.ylabel('Summe quadrierter Abweichungen')
plt.show()

Hier die Verlaufskurve der Cost Function:

Die Kurve zeigt uns, dass spätestens nach 40 Epochen kaum noch Verbesserung (im Sinne der Gesamtfehler-Minimierung) erreicht wird.

Wichtige Hinweise

Natürlich war das nun nur ein erster kleiner Einstieg und wer es verstanden hat, hat viel gewonnen. Denn erst dann kann man sich vorstellen, wie ein einzelnen Neuron eines künstlichen neuronalen Netzes grundsätzlich trainiert werden kann.

Folgendes sollte noch beachtet werden:

  • Lernrate \eta:
    Die Lernrate ist ein wichtiger Parameter. Wer das Programmier-Beispiel bei sich zum Laufen gebracht hat, einfach mal die Lernrate auf Werte zwischen 10.00 und 0.00000001 setzen, schauen was passiert 🙂
  • Globale Minima vs lokale Minima:
    Diese lineare zwei-dimensionale Regression ist ziemlich einfach. Neuronale Netze sind hingegen komplexer und haben nicht einfach nur eine simple konvexe Fehlerfunktion. Hier gibt es mehrere Hügel und Täler in der Fehlerfunktion und die Gefahr ist groß, in einem lokalen, nicht aber in einem globalen Minimum zu landen.
  • Stochastisches Gradientenverfahren:
    Wir haben hier das sogenannte Batch-Verfahren verwendet. Dieses ist grundsätzlich besser als die stochastische Methode. Denn beim Batch verwenden wir den gesamten Stapel an x-Werten für die Fehlerbestimmung. Allerdings ist dies bei großen Daten zu rechen- und speicherintensiv. Dann werden kleinere Unter-Stapel (Sub-Batches) zufällig aus den x-Werten ausgewählt, der Fehler daraus bestimmt (was nicht ganz so akkurat ist, wie als würden wir den Fehler über alle x berechnen) und der Gradient bestimmt. Dies ist schon Rechen- und Speicherkapazität, erfordert aber meistens mehr Epochen.

Buchempfehlung

Die folgenden zwei Bücher haben mir bei der Erstellung dieses Beispiels geholfen und kann ich als hilfreiche und deutlich weiterführende Lektüre empfehlen:

 

Machine Learning mit Python und Scikit-Learn und TensorFlow: Das umfassende Praxis-Handbuch für Data Science, Predictive Analytics und Deep Learning (mitp Professional) Hands-On Machine Learning with Scikit-Learn and TensorFlow: Concepts, Tools, and Techniques for Building Intelligent Systems

 

Lukas Molzberger

Über die Integration symbolischer Inferenz in tiefe neuronale Netze

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Tiefe neuronale Netze waren in den letzten Jahren eine enorme Erfolgsgeschichte. Viele Fortschritte im Bereich der KI, wie das Erkennen von Objekten, die fließende Übersetzung natürlicher Sprache oder das Spielen von GO auf Weltklasseniveau, basieren auf tiefen neuronalen Netzen. Über die Grenzen dieses Ansatzes gab es jedoch nur wenige Berichte. Eine dieser Einschränkungen ist die Unfähigkeit, aus einer kleinen Anzahl von Beispielen zu lernen. Tiefe neuronale Netze erfordern in der Regel eine Vielzahl von Trainingsbeispielen, während der Mensch aus nur einem einzigen Beispiel lernen kann. Wenn Sie eine Katze einem Kind zeigen, das noch nie zuvor eine gesehen hat, kann es eine weitere Katze anhand dieser einzigen Instanz erkennen. Tiefe neuronale Netze hingegen benötigen Hunderttausende von Bildern, um zu erlernen, wie eine Katze aussieht. Eine weitere Einschränkung ist die Unfähigkeit, Rückschlüsse aus bereits erlerntem Allgemeinwissen zu ziehen. Beim Lesen eines Textes neigen Menschen dazu, weitreichende Rückschlüsse auf mögliche Interpretationen des Textes zu ziehen. Der Mensch ist dazu in der Lage, weil er Wissen aus sehr unterschiedlichen Bereichen abrufen und auf den Text anwenden kann.

Diese Einschränkungen deuten darauf hin, dass in tiefen neuronalen Netzen noch etwas Grundsätzliches fehlt. Dieses Etwas ist die Fähigkeit, symbolische Bezüge zu Entitäten in der realen Welt herzustellen und sie in Beziehung zueinander zu setzen. Symbolische Inferenz in Form von formaler Logik ist seit Jahrzehnten der Kern der klassischen KI, hat sich jedoch als spröde und komplex in der Anwendung erwiesen. Gibt es dennoch keine Möglichkeit, tiefe neuronale Netze so zu verbessern, dass sie in der Lage sind, symbolische Informationen zu verarbeiten? Tiefe neuronale Netzwerke wurden von biologischen neuronalen Netzwerken wie dem menschlichen Gehirn inspiriert. Im Wesentlichen sind sie ein vereinfachtes Modell der Neuronen und Synapsen, die die Grundbausteine des Gehirns ausmachen. Eine solche Vereinfachung ist, dass statt mit zeitlich begrenzten Aktionspotenzialen nur mit einem Aktivierungswert gearbeitet wird. Aber was ist, wenn es nicht nur wichtig ist, ob ein Neuron aktiviert wird, sondern auch, wann genau. Was wäre, wenn der Zeitpunkt, zu dem ein Neuron feuert, einen relationalen Kontext herstellt, auf den sich diese Aktivierung bezieht? Nehmen wir zum Beispiel ein Neuron, das für ein bestimmtes Wort steht. Wäre es nicht sinnvoll, wenn dieses Neuron jedes Mal ausgelöst würde, wenn das Wort in einem Text erscheint? In diesem Fall würde das Timing der Aktionspotenziale eine wichtige Rolle spielen. Und nicht nur das Timing einer einzelnen Aktivierung, sondern auch das Timing aller eingehenden Aktionspotenziale eines Neurons relativ zueinander wäre wichtig. Dieses zeitliche Muster kann verwendet werden, um eine Beziehung zwischen diesen Eingangsaktivierungen herzustellen. Wenn beispielsweise ein Neuron, das ein bestimmtes Wort repräsentiert, eine Eingabesynapse für jeden Buchstaben in diesem Wort hat, ist es wichtig, dass das Wort Neuron nur dann ausgelöst wird, wenn die Buchstabenneuronen in der richtigen Reihenfolge zueinander abgefeuert wurden. Konzeptionell könnten diese zeitlichen Unterschiede als Relationen zwischen den Eingangssynapsen eines Neurons modelliert werden. Diese Relationen definieren auch den Zeitpunkt, zu dem das Neuron selbst im Verhältnis zu seinen Eingangsaktivierungen feuert. Aus praktischen Gründen kann es sinnvoll sein, der Aktivierung eines Neurons mehrere Slots zuzuordnen, wie z.B. den Anfang und das Ende eines Wortes. Andernfalls müssten Anfang und Ende eines Wortes als zwei getrennte Neuronen modelliert werden. Diese Relationen sind ein sehr mächtiges Konzept. Sie ermöglichen es, die hierarchische Struktur von Texten einfach zu erfassen oder verschiedene Bereiche innerhalb eines Textes miteinander in Beziehung zu setzen. In diesem Fall kann sich ein Neuron auf eine sehr lokale Information beziehen, wie z.B. einen Buchstaben, oder auf eine sehr weitreichende Information, wie z.B. das Thema eines Textes.

Eine weitere Vereinfachung im Hinblick auf biologische neuronale Netze besteht darin, dass mit Hilfe einer Aktivierungsfunktion die Feuerrate eines einzelnen Neurons angenähert wird. Zu diesem Zweck nutzen klassische neuronale Netze die Sigmoidfunktion. Die Sigmoidfunktion ist jedoch symmetrisch bezüglich großer positiver oder negativer Eingangswerte, was es sehr schwierig macht, ausssagenlogische Operationen mit Neuronen mit der Sigmoidfunktion zu modellieren. Spiking-Netzwerke hingegen haben einen klaren Schwellenwert und ignorieren alle Eingangssignale, die unterhalb dieses Schwellenwerts bleiben. Daher ist die ReLU-Funktion oder eine andere asymmetrische Funktion eine deutlich bessere Annäherung für die Feuerrate. Diese Asymmetrie ist auch für Neuronen unerlässlich, die relationale Informationen verarbeiten. Das Neuron, das ein bestimmtes Wort repräsentiert, muss nämlich für alle Zeitpunkte, an denen das Wort nicht vorkommt, völlig inaktiv bleiben.

Ebenfalls vernachlässigt wird in tiefen neuronalen Netzwerken die Tatsache, dass verschiedene Arten von Neuronen in der Großhirnrinde vorkommen. Zwei wichtige Typen sind die bedornte Pyramidenzelle, die in erster Linie eine exzitatorische Charakteristik aufweist, und die nicht bedornte Sternzelle, die eine hemmende aufweist. Die inhibitorischen Neuronen sind besonders, weil sie es ermöglichen, negative Rückkopplungsschleifen aufzubauen. Solche Rückkopplungsschleifen finden sich normalerweise nicht in einem tiefen neuronalen Netzwerk, da sie einen inneren Zustand in das Netzwerk einbringen. Betrachten wir das folgende Netzwerk mit einem hemmenden Neuron und zwei exzitatorischen Neuronen, die zwei verschiedene Bedeutungen des Wortes “August” darstellen.

Beide Bedeutungen schließen sich gegenseitig aus, so dass das Netzwerk nun zwei stabile Zustände aufweist. Diese Zustände können von weiteren Eingangssynapsen der beiden exzitatorischen Neuronen abhängen. Wenn beispielsweise das nächste Wort nach dem Wort ‘August’ ein potenzieller Nachname ist, könnte eine entsprechende Eingabesynapse für das Entitätsneuron August-(Vorname) das Gewicht dieses Zustands erhöhen. Es ist nun wahrscheinlicher, dass das Wort “August” als Vorname und nicht als Monat eingestuft wird. Aber bedenken Sie, dass beide Zustände evaluiert werden müssen. In größeren Netzwerken können viele Neuronen durch negative oder positive Rückkopplungsschleifen verbunden sein, was zu einer großen Anzahl von stabilen Zuständen im Netzwerk führen kann.

Aus diesem Grund ist ein effizienter Optimierungsprozess erforderlich, der den besten Zustand in Bezug auf eine Zielfunktion ermittelt. Diese Zielfunktion könnte darin bestehen, die Notwendigkeit der Unterdrückung stark aktivierter Neuronen zu minimieren. Diese Zustände haben jedoch den enormen Vorteil, dass sie es erlauben, unterschiedliche Interpretationen eines bestimmten Textes zu berücksichtigen. Es ist eine Art Denkprozess, in dem verschiedene Interpretationen bewertet werden und die jeweils stärkste als Ergebnis geliefert wird. Glücklicherweise lässt sich die Suche nach einem optimalen Lösungszustand recht gut optimieren.

Der Grund, warum wir in diesen Rückkopplungsschleifen hemmende Neuronen benötigen, ist, dass sonst alle gegenseitig unterdrückenden Neuronen vollständig miteinander verbunden sein müssten. Das würde zu einer quadratisch zunehmenden Anzahl von Synapsen führen.

Durch die negativen Rückkopplungsschleifen, d.h. durch einfaches Verbinden einer negativen Synapse mit einem ihrer Vorläuferneuronen, haben wir plötzlich den Bereich der nichtmonotonen Logik betreten. Die nichtmonotone Logik ist ein Teilgebiet der formalen Logik, in dem Implikationen nicht nur zu einem Modell hinzugefügt, sondern auch entfernt werden. Es wird davon ausgegangen, dass eine nichtmonotone Logik erforderlich ist, um Schlussfolgerungen für viele Common Sense Aufgaben ziehen zu können. Eines der Hauptprobleme der nichtmonotonen Logik ist, dass sie oft nicht entscheiden kann, welche Schlussfolgerungen sie ziehen soll und welche eben nicht. Einige skeptische oder leichtgläubige Schlussfolgerungen sollten nur gezogen werden, wenn keine anderen Schlussfolgerungen wahrscheinlicher sind. Hier kommt die gewichtete Natur neuronaler Netze zum Tragen. In neuronalen Netzen können nämlich eher wahrscheinliche Zustände weniger wahrscheinliche Zustände unterdrücken.

Beispielimplementierung innerhalb des Aika-Frameworks

An dieser Stelle möchte ich noch einmal das Beispielneuron für das Wort ‘der’ vom Anfang aufgreifen. Das Wort-Neuron besteht aus drei Eingabesynapsen, die sich jeweils auf die einzelnen Buchstaben des Wortes beziehen. Über die Relationen werden die Eingabesynapsen nun zueinander in eine bestimmte Beziehung gesetzt, so dass das Wort ‘der’ nur erkannt wird, wenn alle Buchstaben in der korrekten Reihenfolge auftreten.
Als Aktivierungsfunktion des Neurons wird hier der im negativen Bereich abgeschnittene (rectified) hyperbolische Tangens verwendet. Dieser hat gerade bei einem UND-verknüpfenden Neuron den Vorteil, dass er selbst bei sehr großen Werten der gewichteten Summe auf den Wert 1 begrenzt ist. Alternativ kann auch die ReLU-Funktion (Rectified Linear Unit) verwendet werden. Diese eignet sich insbesondere für ODER-verknüpfende Neuronen, da sie die Eingabewerte unverzerrt weiterleitet.
Im Gegensatz zu herkömmlichen neuronalen Netzen gibt es hier mehrere Bias Werte, einen für das gesamte Neuron (in diesem Fall auf 5.0 gesetzt) und einen für jede Synapse. Intern werden diese Werte zu einem gemeinsamen Bias aufsummiert. Es ist schon klar, dass dieses Aufteilen des Bias nicht wirklich gut zu Lernregeln wie der Delta-Rule und dem Backpropagation passt, allerdings eignen sich diese Lernverfahren eh nur sehr begrenzt für diese Art von neuronalem Netzwerk. Als Lernverfahren kommen eher von den natürlichen Mechanismen Langzeit-Potenzierung und Langzeit-Depression inspirierte Ansätze in Betracht.

Neuron buchstabeD = m.createNeuron("B-d");
	Neuron buchstabeE = m.createNeuron("B-e");
	Neuron buchstabeR = m.createNeuron("B-r");

	Neuron wortDer = Neuron.init(
                m.createNeuron("W-der"),
                5.0,
                RECTIFIED_HYPERBOLIC_TANGENT,
                EXCITATORY,
                new Synapse.Builder()
                        .setSynapseId(0)
                        .setNeuron(buchstabeD)
                        .setWeight(10.0)
                        .setBias(-10.0)
                        .setRecurrent(false),
                new Synapse.Builder()
                        .setSynapseId(1)
                        .setNeuron(buchstabeE)
                        .setWeight(10.0)
                        .setBias(-10.0)
                        .setRecurrent(false),
                new Synapse.Builder()
                        .setSynapseId(2)
                        .setNeuron(buchstabeR)
                        .setWeight(10.0)
                        .setBias(-10.0)
                        .setRecurrent(false),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(0)
                        .setTo(1)
                        .setRelation(new Equals(END, BEGIN)),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(1)
                        .setTo(2)
                        .setRelation(new Equals(END, BEGIN)),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(0)
                        .setTo(OUTPUT)
                        .setRelation(new Equals(BEGIN, BEGIN)),
                new Relation.Builder()
                        .setFrom(2)
                        .setTo(OUTPUT)
                        .setRelation(new Equals(END, END))
	);

Fazit

Obwohl tiefe neuronale Netze bereits einen langen Weg zurückgelegt haben und mittlerweile beeindruckende Ergebnisse liefern, kann es sich doch lohnen, einen weiteren Blick auf das Original, das menschliche Gehirn und seine Schaltkreise zu werfen. Wenn eine so inhärent komplexe Struktur wie das menschliche Gehirn als Blaupause für ein neuronales Modell verwendet werden soll, müssen vereinfachende Annahmen getroffen werden. Allerdings ist bei diesem Prozess Vorsicht geboten, da sonst wichtige Aspekte des Originals verloren gehen können.

Referenzen

  1. Der Aika-Algorithm
    Lukas Molzberger
  2. Neuroscience: Exploring the Brain
    Mark F. Bear, Barry W. Connors, Michael A. Paradiso
  3. Neural-Symbolic Learning and Reasoning: A Survey and Interpretation
    Tarek R. Besold, Artur d’Avila Garcez, Sebastian Bader; Howard Bowman, Pedro Domingos, Pascal Hitzler, Kai-Uwe Kuehnberger, Luis C. Lamb, ; Daniel Lowd, Priscila Machado Vieira Lima, Leo de Penning, Gadi Pinkas, Hoifung Poon, Gerson Zaverucha
  4. Deep Learning: A Critical Appraisal
    Gary Marcus
  5. Nonmonotonic Reasoning
    Gerhard Brewka, Ilkka Niemela, Mirosław Truszczynski

Benjamin Aunkofer

Dem Wettbewerb voraus mit Künstlicher Intelligenz

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Was KI schon heute kann und was bis 2020 auf deutsche Unternehmen zukommt

Künstliche Intelligenz ist für die Menschheit wichtiger als die Erfindung von Elektrizität oder die Beherrschung des Feuers – davon sind der Google-CEO Sundar Pichai und viele weitere Experten überzeugt. Doch was steckt wirklich dahinter? Welche Anwendungsfälle funktionieren schon heute? Und was kommt bis 2020 auf deutsche Unternehmen zu?

Big Data war das Buzzword der vergangenen Jahre und war – trotz mittlerweile etablierter Tools wie SAP Hana, Hadoop und weitere – betriebswirtschaftlich zum Scheitern verurteilt. Denn Big Data ist ein passiver Begriff und löst keinesfalls alltägliche Probleme in den Unternehmen.

Dabei wird völlig verkannt, dass Big Data die Vorstufe für den eigentlichen Problemlöser ist, der gemeinhin als Künstliche Intelligenz (KI) bezeichnet wird. KI ist ein Buzzword, dessen langfristiger Erfolg und Aktivismus selbst von skeptischen Experten nicht infrage gestellt wird. Daten-Ingenieure sprechen im Kontext von KI hier aktuell bevorzugt von Deep Learning; wissenschaftlich betrachtet ein Teilgebiet der KI.

Was KI schon heute kann

Deep Learning Algorithmen laufen bereits heute in Nischen-Anwendungen produktiv, beispielsweise im Bereich der Chatbots oder bei der Suche nach Informationen. Sie übernehmen ferner das Rating für die Kreditwürdigkeit und sperren Finanzkonten, wenn sie erlernte Betrugsmuster erkennen. Im Handel findet Deep Learning bereits die optimalen Einkaufsparameter sowie den besten Verkaufspreis.

Getrieben wird Deep Learning insbesondere durch prestigeträchtige Vorhaben wie das autonome Fahren, dabei werden die vielfältigen Anwendungen im Geschäftsbereich oft vergessen.

Die Grenzen von Deep Learning

Und Big Data ist das Futter für Deep Learning. Daraus resultiert auch die Grenze des Möglichen, denn für strategische Entscheidungen eignet sich KI bestenfalls für das Vorbereitung einer Datengrundlage, aus denen menschliche Entscheider eine Strategie entwickeln. KI wird zumindest in dieser Dekade nur auf operativer Ebene Entscheidungen treffen können, insbesondere in der Disposition, Instandhaltung, Logistik und im Handel auch im Vertrieb – anfänglich jeweils vor allem als Assistenzsystem für die Menschen.

Genau wie das autonome Fahren mit Assistenzsystemen beginnt, wird auch im Unternehmen immer mehr die KI das Steuer übernehmen.

Was sich hinsichtlich KI bis 2020 tun wird

Derzeit stehen wir erst am Anfang der Möglichkeiten, die Künstliche Intelligenz uns bietet. Das Markt-Wachstum für KI-Systeme und auch die Anwendungen erfolgt exponentiell. Entsprechend wird sich auch die Arbeitsweise für KI-Entwickler ändern müssen. Mit etablierten Deep Learning Frameworks, die mehrheitlich aus dem Silicon Valley stammen, zeichnet sich der Trend ab, der für die Zukunft noch weiter professionalisiert werden wird: KI-Frameworks werden Enterprise-fähig und Distributionen dieser Plattformen werden es ermöglichen, dass KI-Anwendungen als universelle Kernintelligenz für das operative Geschäft für fast alle Unternehmen binnen weniger Monate implementierbar sein werden.

Wir können bis 2020 also mit einer Alexa oder Cortana für das Unternehmen rechnen, die Unternehmensprozesse optimiert, Risiken berichtet und alle alltäglichen Fragen des Geschäftsführers beantwortet – in menschlich-verbal formulierten Sätzen.

Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz zur Auswertung von Geschäfts- oder Maschinendaten ist auch das Leit-Thema der zweitägigen Data Leader Days 2018 in Berlin. Am 14. November 2018 sprechen renommierte Data Leader über Anwendungsfälle, Erfolge und Chancen mit Geschäfts- und Finanzdaten. Der 15. November 2018 konzentriert sich auf Automotive- und Maschinendaten mit hochrangigen Anwendern aus der produzierenden Industrie und der Automobilzuliefererindustrie. Seien Sie dabei und nutzen Sie die Chance, sich mit führenden KI-Anwendern auszutauschen.

htwberlin

Kiano – visuelle Exploration mit Deep Learning

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Kiano – eine iOS-App zur visuellen Exploration und Suche der eigenen Fotos.

Menschen haben kein Problem, komplexe Bilder zu verstehen, es fällt ihnen aber schwer, gezielt Bilder in großen Bildersammlungen (wieder) zu finden. Da die Anzahl von Bildern, insbesondere auch auf Smartphones zusehends zunimmt – mehrere tausend Bilder pro Gerät sind keine Seltenheit, wird die Suche nach bestimmten Bildern immer schwieriger. Ist bei einem gesuchten Foto dessen Aufnahmedatum unbekannt, so kann es sehr lange dauern, bis es gefunden ist. Werden dem Nutzer zu viele Bilder auf einmal präsentiert, so geht der Überblick schnell verloren. Aus diesem Grund besteht eine typische Bildsuche heutzutage meist im endlosen Scrollen über viele Bildschirmseiten mit langen Bilderlisten.

Dieser Artikel stellt das Prinzip und die Funktionsweise der neuen iOS-App “Kiano” vor, die es Nutzern ermöglicht, alle ihre Bilder explorativ mittels visuellem Browsen zu erkunden. Der Name “Kiano” steht hierbei für “Keep Images Arranged & Neatly Organized”. Mit der App ist es außerdem möglich, zu einem Beispielbild gezielt nach ähnlichen Fotos auf dem Gerät zu suchen.

Um Bilder visuell durchsuch- und sortierbar zu machen, werden sogenannte Merkmalsvektoren bzw. Featurevektoren verwendet, die Aussehen und Inhalt von Bildern kompakt repräsentieren können. Zu einem Bild lassen sich ähnliche Bilder finden, indem die Bilder bestimmt werden, deren Featurevektoren eine geringe Distanz zum Featurevektor des Suchbildes haben.

Werden Bilder zweidimensional so angeordnet, dass die Featurevektoren benachbarter Bilder sehr ähnlich sind, so erhält man eine visuell sortierte Bilderlandkarte. Bei einer visuell sortierten Anordnung der Bilder fällt es Menschen deutlich leichter, mehr Bilder gleichzeitig zu erfassen, als dies im unsortierten Fall möglich wäre. Durch die graduelle Veränderung der Bildinhalte wird es möglich, über diese Karte visuell zu navigieren.

Generierung von Featurevektoren zur Bildbeschreibung

Convolutional Neural Networks (CNNs) sind nicht nur in der Lage, Bilder mit hoher Genauigkeit zu klassifizieren, d.h. zu erkennen, welches Objekt – entsprechend einer Menge von gelernten Objektkategorien auf einem Bild zu sehen ist, die Aktivierungen der Netzwerkschichten lassen sich auch als universelle Featurevektoren zur Bildbeschreibung nutzen. Während die vorderen Netzwerkschichten von CNNs einfache visuelle Bildmerkmale wie Farben und einfache Muster detektieren, repräsentieren die Ausgangsschichten des Netzwerks die semantischen Informationen bezüglich der gelernten Objektkategorien. Die Zwischenschichten des Netzwerks sind weniger von den Objektkategorien abhängig und können somit als generelle abstrakte Repräsentationen des Inhalts der Bilder angesehen werden. Hierbei ist es möglich, bereits fertig trainierte Klassifikationsnetzwerke für die Featureextraktion wiederzuverwenden. In der Visual Computing Gruppe der HTW Berlin wurden umfangreiche Evaluierungen durchgeführt, um zu bestimmen, welche Netzwerkschichten von welchen CNNs mit welchen zusätzlichen Transformationen zu verwenden sind, um aus Netzwerkaktivierungen Feature-Vektoren zu erzeugen, die sehr gut für die Suche nach beliebigen Bildern geeignet sind.

Beste Ergebnisse hinsichtlich der Suchgenauigkeit (der Mean Average Precision) wurden mit einem Deep Residual Learning Network (ResNet-200) erzielt. Die 2048 Aktivierungen vor dem vollvernetzten letzten Layer werden als initiale Featurevektoren verwendet, wobei sich die Suchgenauigkeit durch eine L1-Normierung, gefolgt von einer PCA-Transformation (Principal Component Analysis) sogar noch verbessern lässt. Hierdurch ist es möglich, die Featurevektoren auf eine Größe von nur 64 Bytes zu reduzieren. Leider ist die rechnerische Komplexität der Bestimmung dieser hochwertigen Featurevektoren zu groß, um sie auf mobilen Geräten verwenden zu können. Eine gute Alternative stellen die Mobilenets dar, die sich durch eine erheblich reduzierte Komplexität auszeichnen. Als Kompromiss zwischen Klassifikationsgenauigkeit und Komplexität wurde für die Kiano-App das Mobilenet_v2_0.5_128 verwendet. Die mit diesem Netzwerk bestimmten Featurevektoren wurden ebenfalls auf eine Größe von 64 Bytes reduziert.

Die aus CNNs erzeugten Featurevektoren sind gut für die Suche nach Bildern mit ähnlichem Inhalt geeignet. Für die Suche nach Bilder, mit ähnlichen visuellen Eigenschaften (z.B. die auftretenden Farben oder deren örtlichen Verteilung) sind diese Featurevektoren nur bedingt geeignet. Hierfür eignen sich klassische sogenannte “Low-Level”-Featurevektoren besser. Da für eine ansprechende und leicht erfassbare Bildsortierung auch eine Übereinstimmung dieser visuellen Bildattribute wichtig ist, kommt bei Kiano ein weiterer Featurevektor zum Einsatz, mit dem sich diese “primitiven” visuellen Bildattribute beschreiben lassen. Dieser Featurevektor hat eine Größe von 50 Bytes. Bei Kiano kann der Nutzer in den Einstellungen wählen, ob bei der visuellen Sortierung und Bildsuche größerer Wert auf den Bildinhalt oder die visuelle Erscheinung eines Bildes gelegt werden soll.

Visuelle Bildsortierung

Werden Bilder entsprechend ihrer Ähnlichkeiten sortiert angeordnet, so können mehrere hundert Bilder gleichzeitig wahrgenommen bzw. erfasst werden. Dies hilft, Regionen interessanter Bildern leichter zu erkennen und gesuchte Bilder schneller zu entdecken. Die Möglichkeit, viele Bilder gleichzeitig präsentieren zu können, ist neben Bildverwaltungssystemen besonders auch für E-Commerce-Anwendungen interessant.

Herkömmliche Dimensionsreduktionsverfahren, die hochdimensionale Featurevektoren auf zwei Dimensionen projizieren, sind für die Bildsortierung ungeeignet, da sie die Bilder so anordnen, dass Lücken und Bildüberlappungen entstehen. Sollen Bilder sortiert auf einem dichten regelmäßigen 2D-Raster angeordnet werden, kommen als Verfahren nur selbstorganisierende Karten oder selbstsortierende Karten in Frage.

Eine selbstorganisierende Karte (Self Organizing Map / SOM) ist ein künstliches neuronales Netzwerk, das durch unbeaufsichtigtes Lernen trainiert wird, um eine niedrigdimensionale, diskrete Darstellung der Daten des Eingangsraums als sogenannte Karte (Map) zu erzeugen. Im Gegensatz zu anderen künstlichen neuronalen Netzen, werden SOMs nicht durch Fehlerkorrektur, sondern durch ein Wettbewerbsverfahren trainiert, wobei eine Nachbarschaftsfunktion verwendet wird, um die lokalen Ähnlichkeiten der Eingangsdaten zu bewahren.

Eine selbstorganisierende Karte besteht aus Knoten, denen einerseits ein Gewichtsvektor der gleichen Dimensionalität wie die Eingangsdaten und anderseits eine Position auf der 2D-Karte zugeordnet sind. Die SOM-Knoten sind als zweidimensionales Rechteckgitter angeordnet. Das vom der SOM erzeugte Mapping ist diskret, da jeder Eingangsvektor einem bestimmten Knoten zugeordnet wird. Zu Beginn werden die Gewichtsvektoren aller Knoten mit Zufallswerten initialisiert. Wird ein hochdimensionaler Eingangsvektor in das Netz eingespeist, so wird dessen euklidischer Abstand zu allen Gewichtsvektoren berechnet. Der Knoten, dessen Gewichtsvektor dem Eingangsvektor am ähnlichsten ist, wird als Best Matching Unit (BMU) bezeichnet. Die Gewichte des BMU und seiner auf der Karte örtlich benachbarten Knoten werden an den Eingangsvektor angepasst. Dieser Vorgang wird iterativ wiederholt. Das Ausmaß dieser Anpassung nimmt im Laufe der Iterationen und der örtlichen Entfernung zum BMU-Knoten ab.

Um SOMs an die Bildsortierung anzupassen, sind zwei Modifikationen notwendig. Jeder Knoten darf nicht von mehr als einem Featurevektor (der ein Bild repräsentiert) ausgewählt werden. Eine Mehrfachauswahl würde zu einer Überlappung der Bilder führen. Aus diesem Grund muss die Anzahl der SOM-Knoten mindestens so groß wie die Anzahl der Bilder sein. Eine sinnvolle Erweiterung einer SOM verwendet ein Gitter, bei dem gegenüberliegende Kanten verbunden sind. Werden diese Torus-förmigen Karten für große SOMs verwendet, kann der Eindruck einer endlosen Karte erzeugt werden, wie es in Kiano umgesetzt ist. Ein Problem der SOMs ist ihre hohe rechnerische Komplexität, die quadratisch mit der Anzahl der zu sortierenden Bilder wächst, wodurch die maximale Anzahl an zu sortierenden Bildern beschränkt wird. Eine Lösung stellt eine selbstsortierende Karte (Self Sorting Map / SSM) dar, deren Komplexität nur n log(n) beträgt.

Selbstsortierende Karten beginnen mit einer zufälligen Positionierung der Bilder auf der Karte. Diese Karte wird dann in 4×4-Blöcke aufgeteilt und für jeden Block wird der Mittelwert der zugehörigen Featurevektoren bestimmt. Als nächstes werden aus 2×2 benachbarten Blöcken jeweils vier korrespondierende Bild-Featurevektoren untersucht und ihre zugehörigen Bilder gegebenenfalls getauscht. Aus den 4! = 24 Anordnungsmöglichkeiten wird diejenige gewählt, die die Summe der quadrierten Differenzen zwischen den jeweiligen Featurevektoren und den Featuremittelwerten der Blöcke minimiert. Nach mehreren Iterationen wird jeder Block in vier kleinere Blöcke halber Breite und Höhe aufgeteilt und wiederum in der beschriebenen Weise überprüft, wie die Bildpositionen dieser kleineren Blöcke getauscht werden sollten. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Blockgröße auf 1×1 Bild reduziert ist.

In der Visual-Computing Gruppe der HTW Berlin wurde untersucht, wie die Sortierqualität des SSM-Algorithmus verbessert werden kann. Anstatt die Mittelwerte der Featurevektoren als konstanten Durchschnittsvektor für den gesamten Block zu berechnen, verwenden wir gleitende Tiefpassfilter, die sich effizient mittels Integralbildern berechnen lassen. Hierdurch entstehen weichere Übergänge auf der sortierten Bilderkarte. Weiterhin wird die Blockgröße nicht für mehrere Iterationen konstant gehalten, sondern kontinuierlich zusammen mit dem Radius des Filterkernels reduziert. Durch die Verwendung von optimierten Algorithmen von “Linear Assignment” Algorithmen wird es weiterhin möglich, den optimalen Positionstausch nicht nur für jeweils vier Featurevektoren bzw. Bildern sondern für eine deutlich größere Anzahl zu überprüfen. All diese Maßnahmen führen zu einer deutlich verbesserten Sortierungsqualität bei gleicher Komplexität.

Effiziente Umsetzung für iOS

Wie so oft, liegen die softwaretechnischen Herausforderungen an ganz anderen Stellen, als man zunächst vermutet. Für eine effiziente Implementierung der zuvor beschriebenen Algorithmen, insbesondere der SSM, stellte es sich heraus, dass die Programmiersprache Swift, in der iOS Apps normaler Weise entwickelt werden, erheblich mehr Rechenzeit benötigt, als eine Umsetzung in der Sprache C. Im Zuge der stetigen Weiterentwicklung von Swift und dessen Compiler mag sich die Lücke zu C zwar immer weiter schließen, zum Zeitpunkt der Umsetzung war die Implementierung in C aber um einen Faktor vier schneller als in Swift. Hierbei liegt die Vermutung nahe, dass der Zugriff auf und das Umsortieren von Featurevektoren als native C-Arrays deutlich effektiver passiert, als bei der Verwendung von Swift-Arrays. Da Swift-Arrays Value-Type sind, kommt es in Swift vermutlich zu unnötigen Kopieroperationen der Fließkommazahlen in den einzelnen Featurevektoren.

Die Berechnung des Mobilenet-Anteils der Featurevektoren konnte sehr komfortabel mit Apples CoreML Machine Learning Framework umgesetzt werden. Hierbei ist zu beachten, dass es sich wie oben beschrieben, nicht um eine Klassifikation handelt, sondern um das Abgreifen der Aktivierungen einer tieferen Schicht. Für Klassifikationen findet man praktisch sofort nutzbare Beispiele, für den Zugriff auf die Aktivierungen waren jedoch Anpassungen notwendig, die bei der Portierung eines vortrainierten Mobilenet nach CoreML vorgenommen wurden. Das stellte sich als erheblich einfacher heraus, als der Versuch, auf die tieferen Schichten eines Klassifizierungsnetzes in CoreML zuzugreifen.

Für die Verwaltung der Bilder, ihrer Featurevektoren und ihrer Position in der sortieren Karte wird in Kiano eine eigene Datenstruktur verwendet, die es zu persistieren gilt. Es ist dem Nutzer ja nicht zuzumuten, bei jedem Start der App auf die Berechnung aller Featurevektoren zu warten. Die Strategie ist es hierbei, bereits bekannte Bilder zu identifizieren und deren Features nur dann neu zu berechnen, falls sich das Bild verändert hat. Die über Appels Photos Framework zur Verfügung gestellten local Identifier identifizieren dabei die Bilder. Veränderungen werden über das Modifikationsdatum eines Bildes detektiert. Die größte Herausforderung ist hierbei das Zeichnen der Karte. Die Benutzerinteraktion soll schnell und flüssig erscheinen, auf Animationen wie das Nachlaufen der Karte beim Verschieben möchte man nicht verzichten. Die Umsetzung geschieht hierbei nicht in OpenGL ES, welches ab iOS 12 ohnehin als deprecated bezeichnet wird. Auf der anderen Seite wird aber auch nicht der „Standardweg“ des Überschreibens der draw-Methode einer Ableitung von UIView gewählt. Letztes führt bekanntlich zu Performanceeinbußen. Insbesondere deshalb, weil das System sehr oft Backing-Images der Ansichten erstellt. Um die Kontrolle über das Neuzeichnen zu behalten, wird in Kiano ein eigenes Backing-Image implementiert, das auf Ebene des Core Animation Frameworks dem View als Layer zugweisen wird. Diesem Layer kann dann sehr komfortabel eine 3D-Transformation zugewiesen werden und man profitiert von der GPU-Beschleunigung, ohne OpenGL ES direkt verwenden zu müssen.

 

Trotz der Verwendung eines Core Animation Layers ist das Zeichnen der Karte immer noch sehr zeitaufwendig. Das liegt an der Tatsache, dass je nach Zoomstufe tausende von Bildern darzustellen sind, die alle über das Photos Framework angefordert werden müssen. Das Nadelöhr ist dann weniger das Zeichnen, als die Zeit, die vergeht, bis einem das Bild zur Verfügung gestellt wird. Diese Vorgänge sind praktisch alle nebenläufig. Zur Erinnerung: Ein Foto kann in der iCloud liegen und zum Zeitpunkt der Anfrage noch gar nicht (oder noch nicht in geeigneter Auflösung) heruntergeladen sein. Netzwerkbedingt gibt es keine Vorhersage, wann oder ob überhaupt das Bild zur Verfügung gestellt wird. In Kiano werden zum einen Bilder in sehr kleiner Auflösung gecached, zum anderen wird beim Navigieren auf der Karte im Hintergrund ein neues Kartenteil als Backing-Image vorbereitet, das dem Nutzer nach Fertigstellung angezeigt wird. Die vorberechneten Kartenteile sind dabei drei Mal so breit und drei Mal so hoch wie das Display, so dass man diese „Hintergrundaktivität“ beim Verschieben der Karte in der Regel nicht bemerkt. Nur wenn die Bewegung zu schnell wird oder die Bilder zu langsam „geliefert“ werden, erkennt man schwarze Flächen, die sich dann verzögert mit Bildern füllen.

Vergleichbares passiert beim Hineinzoomen in die Karte. Der Nutzer sieht zunächst eine vergrößerte und damit unscharfe Version des aktuellen Kartenteils, während im Hintergrund ein Kartenteil in höherer Auflösung und mit weniger Bildern vorbereitet wird. In der Summe geht Kiano hier einen Kompromiss ein. Die Pixeldichte der Geräte würde eine schärfere Darstellung der Bilder auf der Karte erlauben. Allerdings müssten dann die Bilder in so höher Auflösung angefordert werden, dass eine flüssige Kartennavigation nicht mehr möglich wäre. So sieht der Nutzer in der Regel eine Karte mit Bildern in halber Auflösung gemessen an den physikalischen Pixeln seines Displays.

Ein anfangs unterschätzter Arbeitsaufwand bei der Umsetzung von Kiano liegt darin begründet, dass sich die Photo Library des Nutzers jederzeit während der Benutzung der App verändern kann. Bilder können durch Synchronisationen mit der iCloud oder mit iTunes verschwinden, sich in andere Alben bewegen, oder neue können auftauchen. Der Nutzer kann Bildschirmfotos machen. Das Photos Framework stellt komfortable Benachrichtigungen für solche Events zur Verfügung. Der Implementierung obliegt es dabei aber herauszubekommen, ob die Karte neu zu sortieren ist oder nicht, ob das gerade anzeigte Bild überhaupt noch existiert und was zu tun ist, wenn es verschwunden ist.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass natürlich die Umsetzung der Algorithmen und die Darstellung dessen auf einer Karte zu den spannendsten Teilen der Arbeiten an Kiano zählen, dass aber der Umgang mit einer sich dynamisch ändernden Datenbasis nicht unterschätzt werden sollte.

Autoren

Prof. Dr. Klaus JungProf. Dr. Klaus Jung studierte Physik an der TU Berlin, wo er im Bereich der Mathematischen Physik promovierte. Bis 2008 arbeitete er als Leiter F&E bei der Firma LuraTech im Bereich der Dokumentenverarbeitung und Langzeitarchivierung. In der JPEG-Gruppe leitete er die deutsche Delegation bei der Standardisierung von JPEG2000. Seit 2008 ist er Professor für Medieninformatik an der HTW Berlin mit dem Schwerpunkt „Visual Computing“.

Prof. Dr. Kai Uwe Barthel

Prof. Dr. Kai Uwe Barthel studierte Elektrotechnik an der TU Berlin, bevor er Assistent am Institut für Nachrichtentechnik wurde und im Bereich Bildkompression promovierte. Seit 2001 ist er Professor der HTW Berlin. Hauptforschungsbereiche sind visuelle Bildsuche und automatisches Bildverstehen. 2009 gründete er die pixolution GmbH www.pixolution.de, ein Unternehmen, das Technologien für die visuelle Bildsuche anbietet.