Das Problem der längsten Pfade mit Künstlicher Intelligenz lösen

Die Mathematikerin Celina Strasser versuchte in ihrer Masterarbeit das Problem der längsten Pfade mittels Reinforcement Learning, einer Methode aus der Künstlichen Intelligenz, zu lösen. Für ihre Arbeit wurde sie mit dem Würdigungspreis des BMBWF 2024 ausgezeichnet.

Das Problem der längsten Pfade lässt sich, so Celina Strasser, für Lai:innen am besten mit dem Beispiel einer Sightseeing Tour erklären: Man stellt sich dabei eine Besichtigungstour durch eine Stadt mit 10 Stationen vor. Längste Pfade sind nun alle Wege, bei denen kein Punkt zweimal aufgesucht wird und die dennoch möglichst viele verbundene Punkte enthalten. In ihrer Bachelorarbeit für das Studium Technische Mathematik hat sich Celina Strasser damit beschäftigt, welche „längsten Pfade“ es durch diese Stationen gibt und ob es dabei einen Sightseeing-Spot gibt, der bei allen längsten Pfaden vorkommt. Übertragen auf die Sprache der Mathematik handelt es sich bei den Sightseeing-Spots um Knoten; die Kanten stellen die Verbindungen dazwischen dar.

Ähnlich war nun auch die Aufgabenstellung bei ihrer Masterarbeit. Dafür hat sie einen KI-Algorithmus entwickelt, der mittels Reinforcement Learning das Problem der längsten Pfade zu lösen versucht. Wir fragen nach, ob ihr das Lösen von diesen schwierigen Problemen gelungen ist und erfahren: „Leichtere Aufgaben ließen sich ohne Probleme lösen. Bei den komplexen längsten Pfaden konnten wir allerdings keine Ergebnisse erzielen, da auch die Berechnung sehr zeitaufwändig war. Wir wissen aber nun, dass der Grundansatz sehr gut dafür geeignet ist, um graphentheoretische Probleme zu lösen.“ Die Methode des Reinforcement Learnings bedingt dabei, dass, je größer der Graph und je komplizierter die Aufgabenstellung ist, desto länger auch die Berechnung dauert, denn: „Man übergibt den Graph dem Neuronalen Netzwerk, welches mit der Analyse beginnt. An deren Ende steht ein Feedback. Anlehnend daran werden automatisch Anpassungen im Graph vorgenommen und die Analyse startet erneut. Bei einer entsprechenden Größe der Graphen wird die Berechnung sehr zeitintensiv.“

Celina Strasser hat ihr Masterstudium Mathematics im Oktober 2023 abgeschlossen. Bereits ein Jahr davor war sie schon bei der STRABAG BRVZ GmbH im Rahmen ihres Pflichtpraktikums tätig: „Am letzten Tag meines Praktikums lag dann auch schon mein Arbeitsvertrag am Tisch“, erzählt sie uns. Heute ist Celina Strasser dort als Business and Data Analystin im Projektbezogenen Risikomanagementsystem tätig. Das kann man sich so vorstellen: „Als Baukonzern bekommt die STRABAG täglich große Datenmengen, die aus verschiedenen Quellen stammen, verschieden aufbereitet sind und in weiterer Folge verarbeitet werden müssen. Wir sind dafür verantwortlich ein Datenbankmodell zu entwickeln, mit welchem wir Dashboards erstellen, in denen Zahlen und Daten – beispielsweise für Führungskräfte oder für operativ Tätige auf der Baustelle – aufbereitet werden.“ Künstliche Intelligenz könnte in dem Bereich auch zukünftig eine größere Rolle spielen: „Aus bisherigen Daten sollen sich zukünftige Entwicklungen über eine Zeitperiode hinweg voraussagen lassen können.“

Die Mathematik begeistert Celina Strasser schon seit ihrer Schulzeit am Porcia-Gymnasium Spittal/Drau. Dass sie in die Wirtschaft gehen wolle, war ihr schon bald während des Studiums klar: „Ich war nie eine theoretische Mathematikerin. Mir hat die Anwendung, also zum Beispiel das Programmieren und Optimieren, immer mehr Spaß bereitet.“ An der Mathematik findet sie das Eintauchen in komplexe Zusammenhänge besonders schön: „Wenn ein Lösungsweg am Ende einer langen Rechnung aufgeht, dann ist das ein Glückserlebnis.“ Dass dafür auch Durchhaltevermögen und hie und da Frustrationstoleranz nötig waren, lernte Celina Strasser, wie übrigens auch ihre Studienkollegin, bereits am Anfang des Studiums. „Wir Mädels haben zu zweit gestartet und auch zu zweit abgeschlossen. Gleichzeitig haben eine deutlich größere Anzahl an männlichen Kommilitonen das Studium im Laufe der 5 Jahre abgebrochen“, erzählt sie mit einem Augenzwinkern.