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2015 | Buch

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Planbasierte Mensch-Maschine-Interaktion in multimodalen Assistenzsystemen

verfasst von: Bernd Ludwig

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Xpert.press

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Der Autor erläutert algorithmische Grundlagen der Mensch-Maschine-Interaktion. Ausgangspunkt ist dabei eine Requirements-Analyse für ein Mensch-Maschine-Interface und eine Analyse der mit diesem bearbeitbaren Tasks. Eine systematische Einordnung dieser Tasks und ihrer Bestandteile in die drei algorithmischen Fragestellungen der Planung von Abläufen, der Diagnose bzw. Klassifikation des aktuellen Task-Zustands und der Entscheidung zwischen alternativen Abläufen eröffnet den Weg dafür, entsprechende Verfahren der Künstlichen Intelligenz zu identifizieren, die für multimodale, interaktive Assistenzsysteme relevant sind. Anhand von Beispielanwendungen wird veranschaulicht, wie konkrete Assistenzsysteme durch geeignete Integration der identifizierten Verfahren realisiert werden können.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Überblick

Zusammenfassung

Assistenzsysteme sollen ihre Nutzer bei der Durchführung einer zielgerichteten Tätigkeit durch Übernahme von Teilaufgaben der Tätigkeit unterstützen. Dazu ist in unterschiedlichem Umfang je nach Tätigkeit und Konzeption des Assistenzsystems Interaktion zwischen Mensch und Maschine notwendig. Viele aktuelle Ansätze, Mensch-Maschine-Interaktion zu verstehen, konzentrieren sich auf die Analyse von in Experimenten gesammelten Dialogcorpora, also Protokollen der Interaktionen zwischen Mensch und Maschine bei der kooperativen Duchführung einer Tätigkeit. Nicht protokolliert jedoch werden die gleichzeitig durchgeführten Tätigkeiten, die dazu verwendete Information und das zur erfolgreichen Durchführung erforderliche Wissen.

Kooperatives Handeln und die dazu notwendige Interaktion sollen in dieser Monographie zusammengeführt werden. Dazu wurde ein Ansatz der Analyse von Mensch-Maschine-Interaktion entwickelt, der den der Interaktion zugrunde liegenden pragmatischen Prozess simuliert. Auf diese Weise können einzelne Interaktionsschritte aus dem Verständnis des Prozesses und der kognitiven Vorgänge heraus erklärt werden, mit Hilfe derer die Kooperationspartner diesen Prozess interpretieren und auf das gemeinsame Ziel ausgerichtet gestalten. Zweck der Entwicklung des Ansatzes ist die Konzeption eines konfigurierbaren interaktiven Assistenzsystems, das den Nutzer durch Kooperation bei der Ausführung von Vorgängen in einem Anwendungsszenario unterstützt.

Bernd Ludwig

2. Interaktive Assistenzsysteme

Zusammenfassung

Aus der pragmatischen Perspektive des Nutzers ergeben sich mehrere komplexe Anforderungen an Assistenzsysteme:

Assistenz ist zielorientiert. Ohne Zielorientierung kann das Assistenzsystem nicht prüfen, ob eine einzelne Handlung Konsequenzen hat, die später verhindern, dass der Benutzer sein Ziel erreichen kann.
Assistenz ist interaktiv. Autonome Assistenz erfordert sichere Entscheidungen bezüglich des Ziels, welche in Szenarien mit subjektiven Parametern nicht getroffen werden können.
Assistenz erfolgt über mehrere Schritte hinweg. Um das Ziel zu erreichen, müssen mehrere Teilziele, die sich gegenseitig beeinflussen, koordiniert werden.
Assistenz kann auch bei partieller Beobachtbarkeit von Situation und Nutzer geleistet werden. Ohne diese Forderung könnte Assistenz nur in vollständig kontrollierten Umgebungen geleistet werden.
Assistenz muss nichtdeterministische Aktionen behandeln können. Die tatsächlichen Effekte von Handlungen und das Verhalten der Umwelt sind nicht kontrollierbar.
Assistenz soll in der Lage sein, existierende Problemlösekomponenten zu integrieren. Dafür sprechen methodologische Gründe wie die einfachere Erweiterbarkeit und Anpassbarkeit des Assistenzsystems. Mitunter sind die einzelnen Schritte der Assistenz so komplex (z. B. Navigation), dass ohnehin spezielle Repräsentationen und Algorithmen verwendet werden müssen.

Bernd Ludwig

3. Interaktion mit Assistenzsystemen

Zusammenfassung

Die Fähigkeit zur Kommunikation mit dem Benutzer stellt ein wesentliches Charakteristikum eines leistungsfähigen Assistenzsystems dar, um die zur Lösung einer aktuellen Aufgabe notwendige Information zu erhalten. Bei der kooperativen Lösung einer Aufgabe ist also Interaktion ein integraler Bestandteil der Lösung. Insofern stellt jeder zweckrationale Dialog die Verbalisierung von (einigen) Handlungen während der Lösung der aktuellen Aufgabe dar. Diese Handlungen werden festgelegt von den in Abschn. 2.3 erläuterten kognitiven Prozessen bzw. ihren algorithmischen Realisierungen in einem Assistenzsystem. Somit drängen sich mehrere Fragen auf: Neben diese Fragen tritt noch eine weitere: Interaktion ist auch unverzichtbar, um die aktuelle Aufgabe selbst festzulegen. Der Gegenstandsbereich der Interaktion geht also über die reine Problemlösung hinaus und erfasst auch Themen, die daraus entstehen, dass die Problemlösung durch Kooperation erreicht werden soll. Damit kann aber auch die Organisation der Kooperation zur einer aktuellen Aufgabe werden, die zu lösen ist. Ergibt sich nun eine endlose Expansion von Gegenstandsbereichen, Interaktionsthemen und kognitiven Prozessen?

Bernd Ludwig

4. Wissenserwerb und -repräsentation für interaktive Assistenzsysteme

Zusammenfassung

Ohne Wissen über pragmatische Vorgänge ist interaktive Assistenz nicht denkbar. Aus dieser Überlegung ergibt sich die Frage, welche Methoden und Verfahren für den Erwerb des notwendigen Wissens geeignet sind. Dabei ist zu beachten, dass nicht nur den Forderungen der Künstlichen Intelligenz zur Berechenbarkeit, Formalisierbarkeit und Komplexität Rechnung getragen wird, sondern auch Ergebnisse zum Human Factor Engineering Berücksichtigung finden; geht es doch eben nicht darum, autonome Systeme, sondern interaktive zu konstruieren. Deshalb sind Prinzipien aus dem Bereich Human-Computer Interaction zu beachten. Voraussetzung bei der Entwicklung eines Assistenzsystems ist zunächst eine gründliche und eingehende Analyse der Aufgaben, bei denen das System Assistenz leisten soll. Sie richtig durchzuführen, ist nicht einfach. Wie immer beim Wissenserwerb für KI-Systeme müssen Praktiker aus dem Anwendungsgebiet ihr Wissen preisgeben, damit es formalisiert und zur Verarbeitung im Assistenzsystem aufbereitet werden kann.

Bernd Ludwig

5. Simulation von Handlungen in Assistenzszenarien

Zusammenfassung

Um die Lücke zwischen der Ausdrucksfähigkeit von Concurrent Task Trees und den Anforderungen von Assistenzsystemen an formale Sprachen zur Wissensrepräsentation und -verarbeitung zu schließen, ist die Frage zu diskutieren, wie die Auswirkung einer Handlung auf die beschreibende Situation formalisiert werden kann.

Erst dann, wenn diese Informationen bekannt sind, kann ein Assistenzsystem dem Nutzer über mehrere Schritte hinweg zielorientiert Unterstützung leisten.

Diese Fähigkeit eines Assistenzsystems zu erreichen, erfordert ein Vorgehen in mehreren Stufen, deren erste in diesem Kapitel dargestellt werden soll: Nach der Frage, wie Aktionen dargestellt werden, wird zu klären sein, wie ein Assistenzsystem die Ausführung einer Aktion simulieren kann. So kann es für den Nutzer „ausprobieren“, welche Wirkung eine Handlung hat – der erste Schritt hin zur Fähigkeit, diagnostizieren zu können, ob eine Aufgabe gelöst ist oder nicht. Für die Simulation und Diagnose von Aktionen und ihren Auswirkungen werden geeignete Inferenzverfahren besprochen.

Bernd Ludwig

6. Interaktive Planung in Assistenzszenarien mit unsicherer Information

Zusammenfassung

Die Übersetzung von Concurrent Task Trees in GOLOG-Programme dient letztlich dem Zweck, während der Durchführung einer Assistenzaufgabe zu überprüfen, ob einzelne Schritte, die zur Lösung eines Tasks unternommen werden, mit den im Concurrent Task Tree vorhergesehenen kompatibel sind.

Eine effektive Überprüfung ist Voraussetzung dafür, die Anforderungen an Assistenzsysteme aus Abschn. 2.4 umzusetzen. Da GOLOG, aber auch allgemeiner der Situationskalkül alleine dazu nicht ausreicht, ist eine Neukonzeption eines an konkrete Domänen adaptierbaren Assistenzsystems erforderlich. Sie soll die oben aufgeworfenen Fragen beantworten und erfolgt in vier Schritten:

Erweiterung von GOLOG um die Fähigkeit, unvollständige Information zu verarbeiten. GOLOG kann daher nach wie vor als theoretisches Fundament für die Semantik der Interpretation von Concurrent Task Trees dienen.

Erweiterung von GOLOG um die Fähigkeit, formallogisch gleichwertige Alternativen bewerten und nach dieser Bewertung auswählen zu können.

Reformulierung der GOLOG-Spezifikation einer Assistenzdomäne als Planungsproblem, so dass das Assistenzsystem eigene, auf die Lösung eines Tasks bezogene Schritte planen kann. Auf dieser Basis können dann unterschiedliche Planungsverfahren dahingehend verglichen werden, ob sie die Anforderungen an Assistenzsysteme erfüllen können.

Diskussion der Frage, wie bei der Planung Tasks trotz nichtdeterministischer Ergebnisse zur zielführenden Assistenz herangezogen werden können.

Bernd Ludwig

7. Planbasierter Dialog

Zusammenfassung

Bisher wurden Planungsverfahren aus der Künstlichen Intelligenz vorgestellt, die für die Verwendung in Assistenzsystemen geeignet erscheinen, weil sie sehr viele Anforderungen zur algorithmischen Umsetzung von Assistenz erfüllen. Nach dieser vergleichenden Diskussion ihrer Vor- und Nachteile insbesondere für die Realisierung von interaktiven Assistenzsystemen, ist es nun Ziel des aktuellen Kapitels, zu erörtern, wie Planungsalgorithmen in Assistenzsysteme integriert werden können.

Insbesondere wird es Thema dieses Kapitels sein, wie ein für die Erfordernisse interaktiver Szenarien relaxiertes Planungsverfahren mit der Ausführung von Plänen verzahnt werden kann, so dass das Assistenzsystem zielgerichtete Unterstützung über mehrere Schritte leisten kann.

Bernd Ludwig

8. Task-Analysen in der Mensch-Maschine-Interaktion

Zusammenfassung

Nachdem in den vorausgehenden Kapiteln ein algorithmisch effektiv realisierbares Modell dafür entwickelt wurde, wie sich Assistenzsysteme implementieren lassen, soll in diesem Kapitel der Aspekt der Interaktivität in den Fokus des Interesses rücken. Wenn sich ein Computer in einem derartigen zweckrationalen Diskurs engagieren soll, ergibt sich fast zwangsläufig die Frage, ob er dazu in die Lage versetzt werden kann, indem ihm Problemlösekompetenz für den Gegenstandsbereich der Interaktion verliehen wird. Dabei kann man sich einerseits darauf beschränken, diese Kompetenz ausschließlich für einen bestimmten Gegenstandsbereich zu realisieren – mit allen damit verbundenen Komplikationen, wenn die Kompetenz erweitert oder sogar der Gegenstandsbereich gewechselt werden soll. Andererseits kann man sich darum bemühen, Algorithmen zu realisieren, die ganze Klassen von Gegenstandsbereichen behandeln können, sobald ihnen das notwendige domänenrelevante Wissen zur Verfügung gestellt wird – letztlich mit dem Ziel, kognitive Prozesse beim menschlichen Problemlösen erklären zu können.

Bernd Ludwig

Backmatter

Titel: Planbasierte Mensch-Maschine-Interaktion in multimodalen Assistenzsystemen
verfasst von: Bernd Ludwig
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-44819-9
Print ISBN: 978-3-662-44818-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-44819-9