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Forschung

Digitalität, Datenwissenschaften und Algorithmen

Die Entwicklung autonomer intelligenter Systeme und immer leistungsstärkerer Computer- und Softwaretechnologien sowie die rasch fortschreitende Digitalisierung aller Lebensbereiche und die damit einhergehende Sammlung und Verwertung immer größerer Datenmengen können als die wohl weitreichendste technologische Veränderung in den ersten Dekaden des 21. Jahrhunderts bezeichnet werden. Mit den Chancen und Herausforderungen, die mit diesen Entwicklungen einhergehen, beschäftigen sich WissenschaftlerInnen der JMU im Rahmen des Profilbereichs „Digitalität, Datenwissenschaften und Algorithmen“. Dieser Profilbereich strahlt über eine 2019 und 2020 definierte Zentrumsstruktur in alle Fakultäten aus. Grundlage dabei ist das im Aufbau befindliche Center for Artificial Intelligence and Data Science (CAIDAS), das im Rahmen der Hightech Agenda Bayern den datenwissenschaftlichen Knoten des Bayerischen KI-Netzwerks bildet. Die große Bedeutung der Datenwissenschaften für die Fachwissenschaften wird durch die Bereitstellung von Tandemprofessuren durch die Fakultäten belegt, mit denen den Forschenden in den Geistes-, Gesellschafts-, Natur- und Lebenswissenschaften KI-Methoden bereitgestellt werden, die sie in die Lage versetzen Forschungsthemen zu adressieren, die bislang aufgrund zu großer oder zu heterogener Datenmengen, z. B. bei der Bildanalyse, nicht erfolgversprechend verfolgt werden konnten.

Die Anfänge der Arbeiten zu Themen der Künstlichen Intelligenz an der Fakultät für Mathematik und Informatik der JMU reichen fast 30 Jahre zurück. Inzwischen stehen u. a. Fragestellungen zu Datenanalytik, Algorithmen, autonomen Systemen und Virtual Reality im Vordergrund. Der aus der klassischen Informatik hervorgegangene Forschungsschwerpunkt „Computing, Systems and Networks“ hat sich dabei der Erforschung adaptiver, flexibler und dynamischer Strukturen in Netzen und Clouds verschrieben. Die Arbeiten des Forschungsschwerpunkts „Data Science and Artificial Intelligence“ betreffen Untersuchungen der Text-, Wissens- und Informationsextraktion sowie Bild- und Nutzeranalysen. Die Würzburger Raumfahrt-InformatikerInnen befassen sich insbesondere mit den Themenfeldern Autonomie, Selbstorganisation, verteilte Systeme und Formationen im Zusammenhang mit Klein-Satelliten, mit starkem Bezug zum Einsatz von KI-Methoden. Der zugehörige Forschungsschwerpunkt „Aerospace and Robotics“ bildet ein bundesweites Alleinstellungsmerkmal. Im Schwerpunkt „Human-Centered Computing“ wird an Forschungsfragen rund um die Schnittstellen zwischen menschlichen Nutzern und informatischen Systemen gearbeitet, wobei ein besonderer Fokus auf den hoch interaktiven Systemen der Virtual, Augmented und Mixed Reality unter Einbeziehung von KI-Methoden liegt.

Zu diesem Forschungsprofilbereich tragen die WissenschaftlerInnen im Forschungsschwerpunkt „Optimization and Control“ der Mathematik zu Fragen der Kontroll- und Regelungstheorie dynamischer Systeme, dem wissenschaftlichen Rechnen (scientific computing) und inversen Problemen bei. Im Schwerpunkt „Analysis“ stehen harmonische und komplexe Analysis, numerische Methoden partieller Differentialgleichungen sowie asymptotische Analysis und Modelle im Vordergrund. Darüber hinaus adressiert der Forschungsschwerpunkt „Didaktik in der Mathematik“ Themen der Modellierung, der Anwendung digitaler Technologien, die interdisziplinäre Integration sowie fachdidaktische Fragen.

Der interdisziplinäre Austausch zwischen Mathematik und Informatik wird durch den im Aufbau befindlichen Schwerpunkt „Hybrid Intelligence: Foundations, Exploration and Realization“ verstärkt, der sich mit Techniken der Künstlichen Intelligenz beschäftigt, die unterschiedliche Aspekte des maschinellen Lernens, der Datenanalyse und mathematischer Modelle vereinen. Im Themenfeld „Psychologie intelligenter interaktiver Systeme“ forschen WissenschaftlerInnen der Fakultät für Humanwissenschaften zu Fragen der Künstlichen Intelligenz aus psychologisch-lebenswissenschaftlicher Perspektive.

Das Verarbeiten großer Datenmengen ist auch integraler Bestandteil von Arbeiten in den Natur- und Lebenswissenschaften. Im Forschungsschwerpunkt „Astronomie“ der Fakultät für Physik und Astronomie untersuchen WissenschaftlerInnen das Hochenergie-Universum, nichtstellare Himmelsobjekte, nichtthermische physikalische Prozesse sowie dunkle Materie und deren kosmologische Evolution. Hierzu ebenso wie zu Arbeiten in der Medizin und am Center für Computational and Theoretical Biology wurden Kooperationen mit WissenschaftlerInnen des CAIDAS zu KI-Methoden gestartet. Darüber hinaus eröffnen KI-Methoden beispielsweise neue Technologien für die globale Erdbeobachtung, die automatisierte Erfassung der Artenvielfalt und Ökosystemveränderungen.

Durch KI-Verfahren werden auch bislang nicht zugängliche Fragestellungen des Forschungsschwerpunkts „Digitalität und Multimodalität“ der Philosophischen Fakultät erschlossen. In enger Kooperation mit Forschungsarbeiten am CAIDAS befassen sich die WissenschaftlerInnen der „Digital Humanities“ mit quantitativen Analyseverfahren aus dem Bereich des Text Mining sowie Methoden der Verarbeitung natürlicher Sprache. An der Schnittstelle zum Profilbereich „Globale Herausforderungen“ liegt der Forschungsschwerpunkt „From Data to Knowledge – Methods – Narratives – Actors“, der die Gewinnung, Verarbeitung und Kommunikation von geographisch-geowissenschaftlichen, historischen, gesellschaftlichen und literarischen Daten verbindet.

Der Forschungsschwerpunkt „Bildung und Kommunikation in einer digitalen Welt“ der Humanwissenschaftlichen Fakultät verknüpft die Forschungsprofilbereiche „Digitalität, Datenwissenschaften und Algorithmen“ mit den Profilbereichen „Kulturelle Sphären“ und „Institutionen, Normen und Verhalten“. In der unüberschaubaren Menge digital verfügbarer Informationen müssen relevante und fundierte Informationen gefunden und manipulierte Daten identifiziert werden. Ein kompetenter Umgang mit Informationen aus dem Internet wie auch die Wissensrezeption und Lernszenarien mit digitalen Medien allgemein erfordern ein Verständnis der digitalen Erfahrungskontexte sowie der psychologischen und sozialen Prozesse, die durch die Digitalisierung ausgelöst werden. Hierzu kooperieren WissenschaftlerInnen aus der Pädagogik mit PsychologInnen und MedienwissenschaftlerInnen mit InformatikerInnen.

Die Digitalisierung sowie die Entwicklung neuer Technologien wie Rapid Prototyping verändern die Arbeitsweise vieler Unternehmen grundlegend. Der Schwerpunkt „Digitale Transformation“ der Wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät erforscht Herausforderungen und Chancen der Digitalisierung für die Gesellschaft mit Fokus auf gesamt- und betriebswirtschaftlichen Fragestellungen. Er befasst sich außerdem mit der Entwicklung von Methoden für eine datenbasierte Entscheidungsunterstützung sowie mit organisatorischen und strategischen Aspekten der digitalen Transformation. Der zunehmende Einsatz von Verfahren der Künstlichen Intelligenz erfordert die Behandlung juristischer und ethischer Fragestellungen. Im Forschungsschwerpunkt „Freiheit, Sicherheit und Recht im Zeitalter der Digitalisierung und Globalisierung“ der Juristischen Fakultät werden die Konsequenzen dieser Entwicklungen für Recht und Gesetz sowie für die Rechtsfindung untersucht. Einen weiteren Schwerpunkt bilden die Verhaltenspflichten privatrechtlich organisierter Unternehmen in der globalen Lieferkette. Gleichzeitig eröffnen diese gesellschaftlichen und technologischen Veränderungen grundlegende philosophische und theologische Fragen. Die kritische Reflexion dieser Entwicklungen ist Gegenstand aktueller Arbeiten im Forschungsschwerpunkt „Systematische Theologie“ der Katholisch-Theologischen Fakultät.