Kognitiiviset arkkitehtuurit ja symbolinen mallinnus Luento Cog241 kurssille Lassi A. Liikkanen Kognitiotiede, HY Luennon sisältö 1. Arkkitehtuurien idea 2. Demo 3. Sovelluksia 4. Arviointia
Symbolisen mallintamisen spesifi konteksti Lähellä klassisen tekoälyn agentteja mutta... Tavoitteena simulaation psykologinen realismi Historia Symbolinen paradigma ja klassinen tekoäly kulkivat pitkään käsi kädessä Ongelmanratkaisun mallintaminen Tunnetuimpia Newell, Shaw ja Simon Aloittivat 50 luvulla shakin ja logiikan parissa Myöhemmin ongelmanratkaisun ja etsinnän metafora yleistettiin General Problem Solver (1973) oli eräänlainen arkkitehtuurien kantamuoto
Historia 2 Symbolinen paradigma alkoi kuitenkin erkanemaan GOFAI:sta Oikeat ongelmat olivat epätarkasti määriteltyjä Niiden ratkaiseminen perustui laajoihin tietovarastoihin, ei hienostuneihin algoritmeihin (karrikoidusti) Tietojenkäsittelijät kiinnostuivat optimoinnista ja ongelmanratkaisusta pragmaattisesti Kognitiotieteilijät alkoivat kehittää pidemmälle psykologisesti relevantteja, laajempia malleja ongelmanratkaisusta arkkitehtuurit Kognitiiviset arkkitehtuurit Symbolisen mallintamisen ja kognitiotieteen lippulaiva Jos on olemassa kognitiotieteellinen lähestymistapa, niin se on tämä... Arkkitehtuurien idea on yhdistää useita kognitiivisten mekanismien malleja yhdeksi kokonaisuudeksi vrt. Unified theory of cognition (Newell 1990) Käsitys: arkkitehtuuri + sisältö toiminta
Arkkitehtuurien etuja Kognitiivisten teorioiden täsmällinen muotoilu Monimutkaisten teorioiden seurausten ja odottamien piirteiden tuominen esille Teorioiden vertaileva testaus Toimiiko malli ylipäänsä Miten malli suhteutuu ihmisen toimintaan Arkkitehtuurit... Mallinnetaan intentionaalista agenttia. Realistisempi käsitys moniulotteisesta kognitiosta Lisää selittäviä tekijöitä Kognitiivisen psykologian selittävät käsitteistä Simuloidaan tietokoneella esitetty teoria Ero kognitiiviseen malliin? Arkkitehtuuri ~ ohjelmointikieli, infrastruktuuri Tapa tehdä asioita, oletuksia ja valmiita ratkaisuja Malli on arkkitehtuurin sovellus (vrt. standalone mallit)
Arkkitehtuurien piirteitä Oppiminen Havaitseminen Tavoitteellinen toiminta Emootiot Muistin toiminta Mutta olennaisinta on Tietorakenteet ~ muistisisällöt Tehtäväkohtainen tieto ihmiselle tyypillisissä tehtävissä välttämätöntä Tunnettuja arkkitehtuureja Geneeriset SOAR (Allen Newell ja Paul Rosenblom, 1983) Tällä hetkellä versio 9 (Lerdahl, Laird, Rosenblom) ACT (John R. Anderson, 1973, 1976; 1983; 1993) HAM ACTE ACT* ACT R 6 v1.2 PSI ja MicroPSI (Dörner; Bach et al, 2000)
Arkkitehtuureja Erikoistuneet EPIC (David Kieras ja David Meyer) KLM CogTool (Bonnie John) GOMS, Ja monia muita: AMBR, D COG, Copycat, DUAL.. Arkkitehtuurin rakentaminen makrotasolla Tietotyyppien ohjelmointi: Prosoduraalinen paradigma ja produktiosäännöt X Y Hyödyntää klassisia tekoälykieliä ACT R: LISP, mutta portattu myös Javalle ja Pythonille SOAR : Java Käytännössä valmiita moduleita joista valitaan halutut Ohjelmointiteknisistä syistä mukana myös moduleita joilla ei psykologista vastinetta
ACT R perusoletukset Monimutkaisektin tehtävät ratkaistaan dekomposition ja tarkan tehtäväkohtaisen tiedon avulla Tarkkaavaisuus samaistetaan sen hetkiseen tavoitteeseen (goal) joka ratkaisee miten mitä tietoa tarvitaan Kaksi tietotyyppiä Deklaratiivinen faktat (Pariisi on Ranskan pääkaupunki) Proseduraalinen taidot (miten avataan ovi) Deklaratiivinen tieto opitaan kokemuksen ja harjoittelun avulla Arkkitehtuurin toteuttaminen Vaikka arkkitehtuurit ovat lähtökohtaisesti symbolisia, voidaan niihin sisällyttää konnektionistisia osia Hermoverkot subsymboliset rakenteet (ACT R) Esim. muistirakenteen simuloinnissa luontevampi valinta (vrt. Anderson, 1983)
Mallin toiminta Tietotyyppien yhteistoiminta Toteuttaa erilaisia ongelmanratkaisutapoja Heikot ja vahvat menetelmä Huom huom. psykologia vs. tietojenkäsittelytiede Etsintäalgoritmit informoimaton rekursio Heuristiikat kokemus Yleistettävyyden ongelma vahvuus/heikkous Kassakaappi esimerkki Oppiminen arkkitehtuurissa Uuden tiedon hankinta on kognition fundamentaali piirre joka pitää toteuttaa Toteuttaminen kuitenkin yllättävän hankalaa, SOAR: Yksinkertaista: opettaminen Assosiaatioparit Yksinkertaisten yhteyksien oppiminen listamaisesti [ 8 x 8 ] = [ 64] (deklarat. tieto) Monimutkaista: oppiminen K: Mikä on Ranskan pääkaupunki? Ongelmanratkaisija kohtaa ongelman vailla ratkaisua Uuden tiedon ongelma, miten muodostaa uusi oikea produktiosääntö Oppiminen etenee vaiheittain: Tunnistus, muistista haku, oppiminen
Esimerkkejä arkkitehtuurien rakenteista Esimerkki: MicroPSI http://www.micropsi.org/webdoc/space/more+screenshots
Esimerkki: MicroPSI Esimerkki: EPIC
Esimerkki: ACT R Esimerkki: SOAR
Esimerkki: SOAR ACT R sovellusalueita
SOAR ja ACT R demot Näitä ennen pseudo ohjelmointitehtävänä Hanoin tornin ratkaiseminen Pareittain protokollan avulla 10 min Tavoite: pinotut R, G ja B laatat A tapista C tappiin, suhteellinen järjestys ei saa muuttua A B C Arkkitehtuurien sovelluksia Tekoälynä robottien ohjaamisessa esim. MiniPSI http://www.micropsi.org/ webdoc/space/minipsi/
Arkkitehtuurien arviointi Pragmaattinen validiteetti: Onnistuuko malli ylipäänsä ongelmanratkaisussa Psykologinen validiteetti: Verrataan mallin toimintaa kokeelliseen dataan Esim. reaktioajat, ongelmanratkaisun eteneminen (GPS; Newell ja Simon, 1973) Arkkitehtuurien nykytila SOAR ja ACT R arkkitehtuureja kehitetään edelleen Arkkitehtuurit ovat modulaarisia ja niihin lisätään uusia komponentteja esim. sensoristen toimintojen representoimiseksi ACT R pyrkii ottamaan huomioon myös kognitiivisen neurotieteen havaintoja esim: Execution (Thalamus) Goal Buffer (DLPFC) Visual Buffer (Parietal) Manual Buffer (Motor) Uusia versioita vanhoista arkkitehtuureista ilmestyy esim. CogTool HCI käyttöön
Arkkitehtuurien sovelluksia Monimutkainen arkkitehtuuri mahdollistaa monien kognitiivisten toimintojen mallintamisen Esim. pesäpallon lyönti, lentokoneen ohjaaminen Kompleksisen kognition mallintaminen muista vielä haastavampaa Esim. biologiselta relevantiltaan vaihtelevat neuroverkkomallit Arkkitehtuurien sovelluksia Anderson et al. (2007) ovat pyrkineet esittämään todisteita ACT R teorian neuropsykologisen validiteetin puolesta ja yhdistämään teoriansa moduleita fmri tuloksiin An information processing model, based on the ACT R theory, is described that predicts the BOLD response in these regions This research has also shown that an information processing model can be used to make predictions about the BOLD responses in these regions. We have stepped back a bit from the details of an ACT R model (unlike Anderson, 2005) in part to make it somewhat clearer how to map a generic informationprocessing model onto the BOLD response.
Arkkitehtuurien kritiikkiä Arkkitehtuurin oletusten kritiikki Kaikki yksittäisiä komponentteja voidaan kritisoida tiettyjen teorioiden tai tulosten vastaiseksi Yksittäisten mallien kritiikki Onko yksikään malli psykologisesti hyväksyttävissä? Liika geneerisuus Fysikaalisten symbolisysteemien hypoteesi ei ehkä pidä kaikilla domaineilla paikkaansa Toisaalta arkkitehtuurissa myös paljon modulaarisuutta Huono sopivuus kokeellisiin tuloksiin Lewis, 2001 Kognitiiviset mallit ja teoriat Kaksi lähestymistapaa teorianmuodostukseen Mallit ja teoriat Käsitteellisesti Malli yleisesti viittaa laajaan teoriaan Laskennallinen malli kognitiosta tyypillisesti teoriaa rajatumpi Psychol ogical Connectio nist Symb olic AI
Mallintamisen ongelmia Malleissa voidaan pragmaattisella ratkaista helposti joitakin ongelmia, jotka ovat psykologisesti vaikeita Vrt. Perinteinen GOFAI kritiikki (esim. McDermott, 1976) Mutta mallintamisessa jotkin ihmisille itsestäänselvät asiat on vaikeaa ratkaista Mm. aikuisten ihmisten valtava määrä opittua tietoa Esimerkki 1: yleinen kognitiivinen malli Aihepiiristä, jossa teoria on monimutkainen muttei tarkasti mallinnettu: Työmuisti: Jonides et al. (2008) The Mind and Brain of Short Term Memory. Ann.Rev.Psy. Teoreettinen integraatio kokeellisista tutkimuksista, aiemmista malleista ja metaanalyyseista Työmuisti yhtenä merkittävän kognition osana vs. Työmuistin ominaisuudet kuten ne yleensä työmuistitutkimuksissa havaitaan
Esimerkki Työmuistin osa alueista olemassa malleja, samoin niiden erilaisista funktioista, mutta niiden alue rajattu Pitkäkestoisen muistin vaikutus työmuistin toimintaan (erit. vapaa palautus) on vaikea mallintaa, sillä haku tietokanta on suuri Tätä ei siis ole tehty, mutta Google osoittaa, että tällaisen tietomäärän käsittely olisi mahdollista Löydettävä sopiva organisaatoi
Esimerkki 2: sovellettu symbolinen malli Muististan haun mallintaminen osana luovaa uusien ideoiden kehittely prosessia Search for Ideas in Associative Memory (SIAM) on sosiokognitiivinen malli, siitä miten pitkäkestoisesta muistista haetaan informaatiota ideoiden kehittelyn lähtökohdaksi Nijstad 2000, Nijstad & Stroebe 2006 Taustalla yhden varaston työmuistimalli SAM (Raaijmakers & Shiffrin, 1981) START Interpret problem and assembly search cue c yes Abandon k? Notice failure no no Find knowledge k using c Is k new? yes Generate idea i based on k Is i new? no no yes End search? Notice failure Memorize and outputi yes TERMINATE Memory retrieval Idea production
Yhteenvetoa symbolisista malleista ja arkkitehtuureista Arkkitehtuurit ovat ympäristöjä mallintamiseen Ohjelmointiympäristöjä valmiine oletuksineen Arkkitehtuuri vastaa (rajoituksin) teoreettista viitekehystä (framework) ei mallinnus kontekstissa Malleja on olemassa myös ilman arkkitehtuuria tai laskennallista instanssia Teoreettinen malli tai teoria Heuristinen malli taas on luonnos teoriasta, ajattelun apuväline eikä vielä valmis teoria Lisätietoa Verkossa paljon helposti lähesstyttävää tietoa WIKI http://en.wikipedia.org/wiki/cognitive_architecture Monissa tapauksissa koko arkkitehtuuri saatavilla vapaasti omalle koneelle, esim:
Arkkitehtuurit verkossa ACT R http://act r.psy.cmu.edu/ EPIC http://ai.eecs.umich.edu/people/kieras/epic.html MicroPSI http://www.micropsi.org/ SOAR http://sitemaker.umich.edu/soar/home http://ai.eecs.umich.edu/soar/sitemaker/docs/misc /GentleIntroduction 2006.pdf CogTool http://www.cs.cmu.edu/~bej/cogtool/index.html Lisätietoja CMU järjestää vuosittain summer schoolia jossa ACT R:ää voi opiskella (kuva 2007)