Kognitiivinen mallintaminen 1. Kognitiiviset arkkitehtuurit ACT-R

Transkriptio

1 Kognitiivinen mallintaminen 1 Kognitiiviset arkkitehtuurit ACT-R

2 Kognitiiviset arkkitehtuurit Mielen(tai jonkin älykkään toimijan) mahdollisimman yleisiä piirteitä ja rakenteellista organisaatiota kuvaava malli. Arkkitehtuurit pyrkivät kuvaamaan kokonaisuutta, siinä missä mallit voivat keskittyvätjohonkinrajoitettuunkognitionosaan/ominaisuuteen. Kuvaavat yleisiä periaatteita, joiden pohjalle malleja voi rakentaa. Saman arkkitehtuurin pohjalta voi kyhätä hyvinkin erilaisia malleja eri tarkoituksiin. Historiallisestidigitaalisentietokoneenns. Von Neumann arkkitehtuurion toiminutpohjanakomputationaalisillemielenteorioille. Muisti Toiminta Keskusyksikkö Aistit Mieli on tietokone ajatuksen mukainen arkkitehtuuri

3 Kognitiiviset arkkitehtuurit Karkeasti voidaan jakaa kahteen tyyppiin(informaatioprosessoinnin tyypin mukaan) Symboliset, digitaalisen tietokoneen motivoimat Informaatio esitetään symboleilla, prosessoidaan algoritmeilla Produktiosysteemit Information processing theory Representaatiomallit Assosiatiiviset Kognitio kuvataan aktivaatioina assosiatiivisessa verkossa Neuroverkot Hyödyntää systeemin ei-symbolisia, emergenttejä ominaisuuksia. Monissa nykyisissä arkkitehtuureissa(act-r, SOAR) yhdistyy molempia piirteitä. -> Hybridiarkkitehtuuri.

4 Produktiosysteemit Produktiosysteemi on sovelluskohteesta riippumaton päätöksenteon ja järkeilyn malli. Pohjana monissa symbolisissa arkkitehtuureissa (SOAR ACT-R), eksperttisysteemeissä yms. Määrittää säännöt (produktiot), jonka mukaan systeemi käyttäytyy kussakin tilanteessa.

5 Produktiosysteemin rakenne Kaksi muistivarastoa Työmuisti (tietoa nykytilasta) Produktiomuisti (sääntöjä, miten toimia jossain tilassa.) Työmuisti Lautasella on hauki Hauki on kala Nälkä on ikävää Produktiomuisti JOS lautasella on hauki, NIIN syö hauki sekä päivitä työmuistiin: lautanen on tyhjä Säännöt voivat määrittää ulkoisia toimintoja ja/tai muuttaa muistivarastojen sisältöä.

6 Produktiosysteemit Työmuisti on tietokanta, joka on joukko toisistaan riippumattomia propositioita p 1,p 2,p 3,... esim. shorter(anna, beth) Sääntömuisti sisältää päättelysääntöjä, jotka ovat muotoa p 1 p 2... act 1 act 2...

7 Produktiosäännöt Sääntöjä sanotaan produktioiksi. Ne määrittelevät ehdollisia toimintoja: IF(ehto ok) THEN (tee jotain) Jos työmuistin sisältö on esimerkiksi shorter(anna, beth) voidaan soveltaa produktiosääntöä: IF: THEN: shorter(anna,beth) delete shorter(anna,beth) add taller(beth,anna) Nyt työmuistin uusi sisältö on taller(beth, anna)

8 Produktiosysteemit Produktiosysteemintoimintakoostuuperäkkäisistäsykleistä. Jokaisessa syklissä: 1. Systeemi etsii ne säännöt, joiden ehdot toteutuvat työmuistin sisällön perusteella. (match phase) 2. Tämän jälkeen systeemi valitsee (jollain tavalla) näistä yhden (conflict resolution). Sanotaan, että kyseinen produktio laukeaa (fires). 3. Jokaisessa syklissä suoritetaan lauenneen produktion määrittelemä toiminta.

9 Produktiosysteemit Produktiosysteemiin voidaan lisätä tavoitteita kuvaavia meta-produktioita, jotka ohjaavat ongelmanratkaisua. Konfliktinratkaisuun (conflict resolution) voidaan käyttää erilaisia taktiikoita. Voidaan esim. valita aina spesifein sääntö sääntö, joka hyödyntää uusimpia työmuistin faktoja sääntö, jota ei vielä ole käytetty

10 Esimerkki Oletetaan seuraava sääntömuisti, ja sallitaan jokaista sääntöä käytettävän vain kerran: 1. IF: nisäkäs(x) THEN: lisää jalat(x,4) 2. IF: nisäkäs(x) & ihminen(x) THEN: lisää jalat(x,2) & poista nisäkäs(x) 3. IF: jalat(x,2) THEN: lisää seisoo(x) 4. IF: jalat(x) THEN: lisää kävelee(x) Oletetaan työmuisti: { kotieläin(lehmä), ihminen(pekka), nisäkäs(pekka)}

11 1. syklissä etsitään sopivat säännöt: 1. IF: nisäkäs(x) THEN: lisää jalat(x,4) 2. IF: nisäkäs(x) & ihminen(x) THEN: lisää jalat(x,2), poista nisäkäs(x) Työmuisti: { kotieläin(lehmä), ihminen(pekka), nisäkäs(pekka)} Säännöt 1 ja 2 muodostavat konfliktin, joka ratkaistaan tässä valitsemalla tarkempi sääntö. Suoritettavat toiminnot: lisää jalat(pekka,2), poista nisäkäs(x)

12 Uusi työmuisti: {kotieläin(lehmä), ihminen(pekka), jalat(pekka,2) } Sääntömuisti, josta käytetyt säännöt on poistettu: 1. IF: nisäkäs(x) THEN: lisää jalat(x,4) 3. IF: jalat(x,2) THEN: lisää seisoo(x) 4. IF: seisoo(x) THEN: lisää kävelee(x)

13 2. syklissä valitaan sääntö 3 jolloin toiminto on: lisää seisoo(pekka) Uusi työmuisti: {kotieläin(lehmä), ihminen(pekka), jalat(pekka,2), seisoo(pekka)} Produktiosysteemin toiminta jatkuu sykleittäin, kunnes sopivia produktioita ei enää löydy tai päästään haluttuun lopputilaan.

14 Oppiminen Systeemi "oppii" muodostamalla päättelyketjuista uusia produktioita. Edellisessä esimerkissä esimerkiksi päättely: IF: nisäkäs(x) & ihminen(x) THEN: jalat(x,2) IF: jalat(x,2) THEN: seisoo(x) IF: seisoo(x) THEN: kävelee(x) voi päättelyketjun suorituksen jälkeen automatisoitua produktioksi: IF: nisäkäs(x) & ihminen(x) THEN: kävelee(x)

15 ACT-R The Adaptive Control of Thought Rational Ihmisen kognition rakennetta kuvaava teoria, motivaationa psykologian tulokset. Käytännössäohjelmointiympäristö(LISP), jossaarkkitehtuurinkehyson valmiina. Riittää koodata ongelmakohtaiset asiat ACT-R skripteillä

16 ACT-R Arkkitehtuuri pyrkii jäljittelemään ihmiskognition piirteitä kvantitatiivisesti (reaktioajat, tarkkuus, oppiminen, neurologiset tulokset ) Arkkitehtuurin rakenne riittää tuottamaan yleensä kvalitatiivisesti oikeansuuntaista käytöstä. Kvantitatiivinen taso saavutetaan sovittamalla parametreja koetuloksiin.

17 ACT-R Malleja sovellettu hyvin monipuolisesti

18 ACT-R (rakenne) Arkkitehtuuri koostuu moduuleista (työmuisti, sääntömuisti, ympäristöä havainnoivat osat etc.) Bufferit kontrolloivat tiedonvälitystä moduulien välillä Produktiosysteemi valitsee säännöt, joiden ehdot vastaavat bufferien sisältöjä.

19 ACT-R Hybridiarkkitehtuuri: produktiosysteemisymbolinen, muiden moduulien sisäinen toiminta pääasiassa eisymbolista rinnakkaislaskentaa. Produktiosysteemi koordinoi kokonaisuuden toimintaa. Produktiosysteemi saa tietoa muista moduleista bufferienvälityksellä. Bufferisisältääkulloinkinvain pienen osan kokonaistiedosta. Produktiosysteemin suoritus etenee 50ms sykleissä (ihmiskognition aikaskaala). Teoria ei kiinnitä moduulien määrää(voidaan lisätä erikoistuneita kognitiivisia palasia tarpeen mukaan)

20

21 Moduulit Moduulien sisäinen suoritus ei-symbolista ja rinnakkaista. Moduulit ovat itsenäisiä ja voivat tehdä asioita samanaikaisesti toisistaan riippumatta. Havainto/motorinen moduuli toimivat siltana ulkomaailmaan Havaintomoduuli koostuu kahdesta palasta 1. Tieto objektin lokaatiosta 2. Tieto objektin ominaisuuksista Voidaan etsiä havaintoja lokaation tai ominaisuuden perusteella-> mahdollistaa pop-out efektin

22 Moduulit Tavoitemoduuli (intentional module, goal buffer) Pitää kirjaa mitä ollaan tekemässä Pitää kirjaa välitavoitteista Tavoitteet oleellisia oikean toiminnan valitsemiseen.

23 Muistimoduuli (tietomuisti) Systeemin tuntemat faktat ovat koodattu muistimoduuliin. Ihmismuisti ei kuitenkaan ole täydellinen asiat eivälttämättäpalaudumieleenonnistuneesti, eivätkä välittömästi. ACT-R:ssä muistiin koodatuilla faktoilla on jokin (muuttuva) aktivaatioarvo, joka määrittää kuinka helpostitietoon saatavilla. Usein käytetty tieto on helpommin saatavissa kuinharvemminhyödynnetty.

24 Muistimoduuli Muistissa olevan tiedon aktivaatiotaso määrittyy sen yleisestä hyödyllisyydestä menneisyydessä, sekä sen elementtien assosiaatioiden voimakkuudesta kontekstiin. A i + = Bi WjSji j B i : muistijäljeniaktivaationperustaso W j : attention alaistenkohteiden(esim. näkökentänobjektit) painokertoimet. (Yleensä 1/n, missä n on kohteiden lukumäärä) S ji : kohteiden(j) assosiaatiotmuistijälkeen(i)

25 Muistimoduuli Esim. Aktivaatiotaso tiedolle = 12, kun havaitaan 8+4 A i = B i + j W j S ji

26 Muistimoduuli Muistijäljen aktivaatio määrittää todennäköisyyden onnistuneeseen palautukseen(lisäksi aktivaation tulee ylittää jokin minimi kynnysarvo) Palautukseen kuluva aika määräytyy myös aktivaatiosta Aktivaation perustaso on edellisistä harjoituskerroista kuluneiden aikojen (t j ) funktio

27 Muistimoduuli A i = B i + j W j S ji EntätermiS ji? Havainnon j assosiaatio muistijälkeen i pienenee sen mukaan, kuinka moneen muuhun muistijälkeen se lisäksi on assosioitunut: S ji = S ln( fan) Esim: muistikoe lauseilla muotoa: X on Y:ssä, missä henkilö X ja paikka Y voi liittyä yhteen tai kolmeen lauseeseen.

28 Reaktioajat muistikokeessa: Pisteet: empiirinen tulos. viiva: ACT-R ennuste

29 Produktiomuisti Produktiosäännöille määritellään utiliteetti P: todennäköisyys, että produktio(i) vie tavoitteeseen (onnistuneiden suoritusten osuus menneisyydessä) G: tavoitteen palkintoarvo C: produktioon liittyvä kustannus Utiliteettiin liittyy lisäksi satunnaisvariaatiota syklistä toiseen. Valitaan aina se produktio, jonka utiliteetti on suurin

30 Produktiomuisti Toistojen lisääntyessä parhaiten toimineen produktiosäännön utiliteetti kasvaa. Satunnaisvariaatiolla saadaan ihmisen tekemiseen liittyvä epäsäännöllisyys huomioitua. Produktiosääntöjä ketjuttamalla luodaan mahdollisuuksien mukaan uusia sääntöjä, joilla tavoitteeseen päästään nopeammin

31 ACT-R sovelluksia Useita satoja artikkeleita esim. Tietokoneavusteinen matematiikan opetus koululaisille Käyttöliittymien ja niiden oppimisen mallinnus (esim. Lennonohjausjärjestelmät) Neurologiset kokeet(fmri:n BOLD signaali voidaan yhdistää vastaavan moduulin aktivaatioon.) Autoilua ensi luennolla