10.01.2020

#unchAIn, Teil 3: Was ist Machine Learning und Deep Learning?

Für die Artikelreihe "#unchAIn - Demystifying AI" kooperiert der brutkasten mit dem Expertinnen-Netzwerk Ms. AI, um Vorurteile rund um Künstliche Intelligenz zu entmystifizieren. Expertinnen beantworten dazu die großen Fragen rund um das Thema KI. Teil 3: Was ist Machine Learning und Deep Learning?
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Künstliche Intelligenz (KI): Was ist Machine Learning? Was ist der Unterschied zu Deep Learning?
(c) Adobe Stock - zapp2photo

KI (Künstliche Intelligenz) ist das vielleicht wichtigste Tech-Thema unserer Zeit. Es gibt wohl keinen Bereich des politischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Lebens, der nicht das Potenzial hat, von KI grundlegend verändert zu werden. Gleichzeitig gibt es bei diesem Thema viele Falschinformation und überzogene Erwartungen. Für das Projekt „#unchAIn – Demystifying AI“ kooperiert der brutkasten mit dem internationalen Expertinnen-Netzwerk Miss AI, um gängige, teils falsche Vorstellungen zu entmystifizieren. Expertinnen und Experten der jeweiligen Felder – von Philosophinnen über Wissenschaftlerinnen bis zu Managerinnen – beantworten dabei in einer mehrteiligen Artikelreihe die großen Fragen zum Thema Künstliche Intelligenz, Machine Learning, Deep Learning und Co.

+++Mehr zum Thema AI & DeepTech+++

Im ersten Teil der Serie behandelten wir die Frage, was eigentlich Intelligenz (ganz allgemein) ist. Im zweiten ging es darum, ob Maschinen das menschliche Gehirn 1:1 kopieren können. Im dritten Teil widmen wir uns nun zwei der gängigsten Tech-Begriffe im Zusammenhang mit KI: Was ist Machine Learning? Und was ist Deep Learning? Und wie unterscheiden sich die beiden? Die Programmiererin und Mathematikerin Donata Petrelli un der Chatbot-Pionier Denis Rothman wählten bei der Beantwortung dieser Fragen sehr unterschiedliche Zugänge.


Bisher in der Serie „#unchAIn – Demystifying AI“ erschienen:


Was ist Machine Learning?

Petrelli: Die meisten haben als Kind wohl das Spiel „Blinde Kuh“ gespielt? Man ist mit verbundenen Augen in einem ausreichend großen Raum und muss es schaffen, die anderen im Raum zu finden und zu erkennen. Dabei hat das Kind mit verbundenen Augen keine Hinweise darauf, wo die anderen Kinder sind. Wenn es sich durch den Raum bewegt, muss es durch Tasten und Probieren die Umgebung verstehen, und letztlich die Mitspieler finden und erkennen. Machine Learning ist genau so ein Prozess, wie ihn das Kind mit verbundenen Augen im Raum durchführt.

Und um es etwas technischer zu definieren: Das maschinelle Lernen macht heute einen großen Teil des Bereichs Künstliche Intelligenz aus. Es umfasst mehrere Methoden zur Analyse und Erkennung von Daten und deren Beziehungen zueinander – oft zu Vorhersagezwecken. Alle diese Verfahren haben das Ziel, ohne initiale Kenntnisse sondern durch Erfahrung, eine Umgebung mit ihren Elementen und den Beziehungen zwischen ihnen, zu erkennen. Zu den bekanntesten Verfahren gehört das Modell der künstlichen neuronalen Netze, die die Struktur des menschlichen Gehrins simulieren.

Rothman: Machine Learning ist ein Teilbereich der Künstlichen Intelligenz. Nicht Machine Learning-basierte Algorithmen sind im Allgemeinen regelbasiert. Also etwa:

wenn X dann Y

Sowohl X als auch Y enthalten dabei viele Werte wie etwa ein Set von Daten. Das maschinelle Lernen kann die richtigen Werte „lernen“, um ein Ergebnis zu produzieren. Dabei gibt es keine Regel! Wir wollen etwa die Lösung finden für die Gleichung:

Y=aX + b

Wir müssen also die Werte von a und b finden, um die Gleichung lösen zu können. Daher probieren wir alle möglichen Werte von a und b aus. Das passiert oftmals nach dem Zufallsprinzip, um zu sehen, welche Werte am besten passen. Da wir leistungsstarke Computer haben, funktioniert das auch. Wir benutzen dazu viele Arten von Algorithmen, etwa Clustering und Regression. Jeder Algorithmus f sucht dabei nach den richtigen Werten, nach dem Prinzip:

f(Y)=aX+b

Die jeweiligen Algorithmen können dann jeweils für bestimmte Aufgaben genutzt werden, etwa eine Vorhersage, ob es nächste Woche regnen wird oder was die beste Route ist, um von Ort A nach Ort B zu gelangen usw.

Und was ist der Unterschied zu Deep Learning?

Rothman: Deep Learning ist wiederum ein Teilbereich des maschinellen Lernens. Es erweitert das Prinzip um „Layers“. Man kann es in Fällen nutzen, wo die Ermittlung des Werts Y schon deutlich komplexer ist. Nehmen wir dazu wieder eine Funktion f heran, wo es nun aber viele Schritte gibt:

f(Y)= f5(f4(Xf(3Xf(2Xf(X))

Das wirkt etwas verrückt? Als Mensch macht man das aber jeden Tag. Wenn man etwa gebeten wird, ein Gesicht in einem Bild mit 30 Gesichtern zu finden (wie z.B. auf einem Klassenfoto), dann macht man (unbewusst) ungefähr folgendes:

  1. Man versucht, die Gesichter vom Hintergrund zu isolieren.
  2. Dann sieht man sich die Form der Gesichter an.
  3. Dann die Farbe der Gesichter.
  4. Dann auch die Größe einer Person.
  5. Dann trifft man endlich eine Entscheidung und sagt: „Das ist die Person, die ich suche!“

Deep Learning tut dies automatisch, indem es die jeweils richtigen Werte von a und b findet, um jede Schicht von f(Y)=aX + b zu ermitteln.

Petrelli: Deep Learning ist eine Verstärkung der Methoden des Machine Learning, insbesondere der neuronalen Netze. In diesem Fall ist das Modell ausgefeilter, da die Resultate das Ergebnis der Ausarbeitung strukturierter Konzepte sind, die sich aus den Basis-Konzepten ableiten.

Um eine Analogie zu bringen: Die Gewinnung von Informationen durch ein Deep Learning-Modell im Vergleich zu einem Machine Learning-Modell ist wie jene eines Erwachsenen verglichen mit jener eines Kindes, das noch weitere Entwicklungsstufen vor sich hat.

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REEDuce-Gründerin Birgit van Duyvenbode (Mitte) bei der Eröffnung der neuen Schilf-Lärmschutzwand | (c) Strabag

An der A1 Westautobahn bei Völlerndorf nahe St. Pölten geht eine neue Lärmschutzanlage in Betrieb. Statt auf herkömmliche Materialien wie Beton oder Aluminium setzt diese auf Schilf, Thermoholz und Lehm. Dahinter steckt das Wiener Startup REEDuce rund um Gründerin und CEO Birgit van Duyvenbode. Gemeinsam mit der Asfinag und dem Baukonzern Strabag wurde die Technologie nun auf einem rund einen Kilometer langen Autobahnabschnitt umgesetzt.

REEDuce-Geschäftsführerin Birgit van Duyvenbode, Infrastrukturminister Peter Hanke und ASFINAG-Vorstand Hartwig Hufnagl bei der Präsentation der neuen Schilf-Lärmschutzwand an der A1.

4.000 Schilfbündel für einen Kilometer Lärmschutz

Die Anlage entstand im Zuge der Sanierung der A1 zwischen St. Pölten und Völlerndorf. Auf einer Fläche von rund 2.690 Quadratmetern wurden Lärmschutzelemente mit einem Rahmen aus thermisch behandeltem Holz, einer Lehmfüllung und beidseitiger Schilfabdeckung verbaut.

Das verwendete Schilf stammt aus dem Raum Neusiedler See. Für den rund einen Kilometer langen Abschnitt wurden insgesamt 4.000 Schilfbündel benötigt. Das entspricht etwa 1,5 Prozent der gesamten österreichischen Schilfernte. Die Nutzung des Rohstoffs soll gleichzeitig zur Pflege des Ökosystems am Neusiedler See beitragen.

Anders als konventionelle Lärmschutzwände soll die Konstruktion nach Angaben von REEDuce vollständig kreislauffähig sein. Zugleich soll sie dieselben technischen Anforderungen hinsichtlich Lärmschutz und Haltbarkeit erfüllen, wie herkömmliche Systeme.

„Mit dem ersten Autobahn-Kilometer unserer Lärmschutzwand aus Schilf, Thermoholz und Lehm erreichen wir einen wichtigen Meilenstein“, sagt Gründerin van Duyvenbode. Die Technologie zeige, dass Lärmschutz und Umweltschutz gemeinsam funktionieren können.

Von der Idee des Vaters zum Startup

Der Ursprung der Idee reicht bis ins Jahr 2008 zurück. Damals entwickelte das Sägewerk von van Duyvenbodes Vater im Rahmen eines EU-Forschungsprojekts eine ökologische Lärmschutzwand, die an der A22 bei Langenzersdorf errichtet wurde. Die Gründerin griff die Idee später auf und entwickelte die Technologie unter dem Namen REEDuce weiter.

Bereits Anfang 2022 berichtete brutkasten über das Startup. 2023 wurde REEDuce bei der #glaubandich Challenge zum „Startup des Jahres“ gekürt. Im selben Jahr folgte ein erstes Pilotprojekt mit der Asfinag: An der S33 bei Herzogenburg wurde eine 16 Meter lange Testwand errichtet, um die Technologie unter realen Bedingungen zu erproben.

Mit der neuen Anlage an der A1 kommt die weiterentwickelte Technologie nun in deutlich größerem Umfang zum Einsatz. Für die Asfinag ist das Projekt zugleich eine Möglichkeit, weitere Erfahrungen mit der Bauweise aus regionalen Naturmaterialien zu sammeln.

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