О моделировании мышления

М.Н.Вайнцвайг, М.П.Полякова

Институт проблем передачи информации РАН

101447 Москва, Б.Каретный пер., 19 . wainzwei@iitp.ru

Ключевые слова: мышление, поведение, память, ассоциации, моделирование, языки.

Abstract

In the paper we propose a model of thinking mechanism, describing both the recursive scheme of behavior control processes, and construction of physical device capable to implement these processes in real time. The scheme embraces processes for perception, analysis and estimation of input data, and those for motivation and learning.

1. Введение

Построение моделей мышления, включающих в себя как рекурсивную схему процессов получения и анализа информации о мире, постановки целей и задач, обучения и организации поведения, так и физическое устройство, способное выполнять эти процессы в реальном времени, было и остается одной из важнейших задач информатики и биоинформатики.

Начальные шаги в этом направлении были сделаны в работах [1-5]. Настояшая работа посвящена развитию ранее предложенных моделей.

2. Основные понятия.

Рассмотрим пространство вида X´ t´ W, где X - наше обычное 3-х мерное евклидово пространство, t - время, W - набор параметров, характеризующих состояния точек пространства-времени.

Мир будем рассматривать как фазовую траекторию или график функции W=W(X,t), однозначно задающей в каждый момент времени состояние каждой точки пространства. Мир, отнесенный к определенному пространственно-временному базису, будем называть ситуацией. Класс ситуаций, обладающих заданным свойством, будем называть обобщенной ситуацией, а экстремум изменения в пространстве-времени того или иного свойства ситуации (ее особенность) будем называть событием.

Мыслящей системой (для краткости - системой) будем называть связную ограниченную область мира, характеризуемую тем, что совокупность состояний соответствующих ей точек пространства поддерживаются во времени в определенных рамках (жизни) за счет организации определенной последовательности действий - целесообразного поведения.

С системой постоянно связан определяемый положением ее органов чувств субъективный базис, задающий субъективную ситуацию, характеризующую состояния точек мира относительно текущего положения системы, принимаемого за начало отсчета. Поскольку система является частью мира, то субъективная ситуация характеризует как состояние внешнего мира, так и внутреннее состояние самой системы, служа основной переменной, используемой при описании ее знаний о мире. При этом очевидно, что субъективная ситуация однозначно связана с моментом времени t.

Формирование поведения системы, направлено на максимизацию параметра, условно называемого ресурсом жизнеобеспеченности, который интегрально оценивает такие свойства субъективной ситуации, как комфортность жизни системы, ее удаленность от критических состояний, возможность продолжения рода и пр. При этом явно используется лишь оценка производной ресурса по времени, выступающая либо в виде эмоций - ощущений удовольствия или неудовольствия, сопровождающих те или иные события, либо в виде величин целей – эмоций, ожидаемых при выполнении событий.

Действия системы представляют собой события, доступные ее непосредственному управлению. Они могут быть внешними - выполняемыми с помощью эффекторов и приводящими к перемещению системы в пространстве или изменению состояний ближайшего ее окружения, и внутренними - обеспечивающими формирование внешних действий. Выполнение тех и других, как правило, требует определенных затрат ресурса.

Мысленный переход системы из субъективной ситуации s1 в субъективную ситуацию s2 соответствует линейному преобразованию базиса s (во времени - переносу, в пространстве - переносу и/или повороту). Реально такой переход всегда происходит по некоторому пути, характеризуемому последовательностью событий, и может включать в себя действия системы, затраты ресурса на выполнение которых определяют сложность пути.

Метацель системы - максимизация ресурса посредством организации соответствующего поведения – построения оптимальной последовательности внешних и внутренних действий с учетом затрат на их выполнение.

3. Цели и эмоции.

Организация поведения происходит в рамках процедуры постановки и достижения целей. При этом цель рассматривается как несовершившееся событие, для которого определена величина цели, т.е. эмоции, возникающие в результате его совершения. Разность между величиной цели и оценкой сложности пути ее достижения определяет величину побуждения к достижению цели.

Возникновение и удержание цели G всегда обусловлено выполнением определенных свойств PG субъективной ситуации s. Если G достигается или s перестает удовлетворять свойствам PG , то цель G снимается.

Цели подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные цели возникают как события приведения к норме значений тех или иных отражаемых интерорецепцией жизненно важных параметров - температуры тела, давления крови, количества в ней кислорода или сахара и пр. С этими параметрами непосредственно связаны первичные эмоции. Так, отклонение значений этих параметров от нормы вызывает отрицательные эмоции, а их приближение к норме – положительные.

Вторичные цели (достижение которых вызывает вторичные эмоции) возникают в результате обучения как подцели первичных целей, т.е. как события, лежащие на обобщенных (см. ниже) путях достижения первичных целей.

4. Знания системы

Процесс постановки и достижения целей базируется на знаниях системы о мире (в частности, о себе), основу которых составляют:

1) знания о конкретных ситуациях и

2) гипотезы (или законы).

Знания о конкретных ситуациях представляют собой структурные описания свойств ситуаций и происходящих в мире событий, заданных в субъективном базисе системы. Эти описания отражают:

- результаты анализа получаемых с помощью органов чувств текущих картин возбуждения рецептивных полей (зрительных, тактильных, слуховых и пр.),

- выполняемые системой внешние и внутренние действия,

- получаемые ею эмоции, стоящие цели и пр.

Гипотезы (законы) представляют собой описания соотношений или правил, применимых (для гипотез - предположительно) в произвольных ситуациях, при подстановке в которые знаний о конкретных ситуациях появляется возможность, строя следствия, делать предсказания о ходе дальнейших событий и принимать решения о выполнении тех или иных внешних или внутренних действий.

Частично гипотезы и законы заложены в систему изначально в виде правил (или механизмов) инстинктивного поведения; в основном же они строятся путем обобщения знаний о конкретных ситуациях.

5. Язык представления знаний

Описания конкретных ситуаций и законов представляются в терминах понятий некоторого внутреннего языка, который должен единообразно описывать как свойства ситуаций и события, информация о которых получается с помощью органов чувств и соответствует определенным областям пространства-времени, так и результаты их обобщения. Выражения этого языка должны, в частности, представлять взаимосвязи характеристик разного рода предметов, траекторий их движения и изменения, где каждый предмет (при соответствующем уровне разрешения) интерпретируется как связная кусочно-однородная область пространства, имеющая контрастные и кусочно-гладкие границы.

Формирование выражений языка требует четкой согласованности механизмов анализа входной информации, исходно представленной текущими картинами возбуждения рецептивных полей, с ее представлением и обработкой внутри ассоциативной памяти, обеспечивающей реализацию в реальном времени таких функций как:

- распознавание тех или иных свойств текущих ситуаций инвариантно к изменениям ракурсов их наблюдения;

- итеративное вычисление статистики выполнения частичных структур и соотношений, приводящее к формированию гипотез и законов;

- выяснение условий применимости и применение законов, следствием чего может быть предсказание хода будущих событий или принятие решений о выполнении тех или иных внешних или внутренних действий.

Используемый в модели фрагмент языка представления знаний, основан на понятии объекта пространства-времени (для краткости - объект).

Конкретный объект однозначно связан с моментом времени t.

Каждый объект P=P(R,W,r,Q) характеризует некоторую связную и ограниченную (например, сферическую) область мира, где:
R радиус области,
W – ее интегральные характеристики,
r – канонический пространственно-временной базис объекта (начало которого для определенности считается совпадающим с центром области),
Q – набор его подобъектов Qi (если они есть), вместе с соответствующими линейными преобразованиями Bi(r) базиса r.

Таким образом, в общем случае объект представляется некоторой структурой подобъектов, в зависимости от сложности которой он может рассматриваться как более или менее детальное описание некоторой ситуации.

6. Правила оптимального поведения

Одним из основных является вопрос о том, в каком виде должны строиться законы, чтобы их можно было эффективно использовать при поиске оптимальных последовательностей действий.

Обычно считают, что такой поиск должен основывается на переборе и оценке последовательных применений законов типа причинно-следственной связи, описывающих переходы из одних ситуаций в другие в зависимости от выполнения тех или иных условий или действий. Поскольку в каждой ситуации, как правило, применимо несколько законов, то поиск оптимальной последовательности действий, становится в этом случае np-полной задачей, когда объем перебора экспоненциально ростет с длиной последовательности. В то же время известно, что у человека, по крайней мере, на сознательном уровне, такого перебора никогда нет - он как бы заранее знает, как решать даже относительно новую задачу.

Это становится возможным, если вместо законов указанного выше типа использовать так называемые правила оптимального поведения (или правила оптимальной постановки подцелей), позволяющие по свойствам начальных ситуаций и свойствам целей ставить подцели, автоматически лежащие на близких к оптимальным путях к целям. Подцель в этом случае может рассматриваться и как самостоятельная цель, и как обобщенная ситуация, из которой могут достигаться другие цели. Частными случаями правил оптимального поведения могут быть правила постановки целей, позволяющие ставить цели в зависимости лишь от свойств данной ситуации, а также правила выполнения действий, где действия рассматривается как подцели, достижение которых в ситуации с данным свойством приводит к непосредственному достижению цели. Заметим, что генетически заложенные в систему инстинкты, по существу являются примерами правил оптимального поведения.

Организация поведения на основе правил оптимального поведения состоит в том, что, если сформирована некоторая цель, то итеративное применение правил постановки подцелей к промежуточным ситуациям и целям, полученным на предшествующих шагах применения, обеспечивает постепенную конкретизацию плана ее достижения - заполнение ведущего к ней пути все более конкретными подцелями, пока таковыми не окажутся действия системы.

Естественно считать, что правила оптимального поведения представляют собой один из основных типов законов, на построение которых в значительной мере и должен быть направлен процесс обучения. Обобщение должно при этом касаться последовательностей событий, характеризующих пути перехода из одних ситуаций в другие, с учетом сложностей этих путей.

7. Ассоциации

В основе процедур обобщения и принятия решений лежит одна и та же операция ассоциации – сопоставления входного и хранящихся в памяти описаний, в результате которой:

а) для каждого хранящегося в памяти описания строится след ассоциации, выделяющий подмножество элементов, по которым устанавливается оптимальное (полное или частичное) соответствие с входным описанием, где критерием оптимальности служит структурная и пространственно-временная близость прообразов элементов этих описаний с учетом их важности;

б) вычисляется величина ассоциации - мера близости описаний.

8. Обобщение

Обобщение описаний базируется на процедуре ассоциативной кластеризации, выполняемой на фоне последовательных ассоциаций. В основе этой процедуры лежит итеративное увеличение весов тех подобъектов хранящихся в памяти описаний, которые принадлежат следам ассоциаций. Увеличение весов производится пропорционально величинам ассоциаций и важностям как самих описаний, так и их подобъектов. В результате обобщенные описания строятся в виде структур подобъектов, являющихся подструктурами множеств достаточно важных объектов, подобъекты которых также имеют достаточно высокую важность.

При построении правил оптимального поведения в качестве объектов используются пути, ведущие из одних обобщенных ситуаций в другие. Важности путей при этом считаются обратно пропорциональными их сложностям, в результате чего кластеры, соответствующие обобщенным путям, состоят из последовательностей важных событий (подцелей), характеризующих множества достаточно простых путей. Эти кластеры и следует использовать в качестве правил постановки подцелей.

9. Архитектура системы

Приведенное выше рассмотрение процессов работы со знаниями позволяет выделить следующие блоки модели:

Результатом ассоциативной обработки является:

а) итеративная коррекция статистики и обобщение хранящихся в памяти структурных описаний,

б) формирование ответов памяти:

Заключение

В предложенной модели естественным образом проводится разбиение информационных процессов на сознательные и бессознательные. Первым соответствует прохождение информации через поле внимания и ее запоминание, вторым - ее обработка входным анализатором и ассоциативными механизмами памяти. Поступление ответов памяти в поле внимания естественно интерпретировать как единственный доступный оптимизации тип внутренних действий системы, поскольку, заносясь в память, последовательности таких ответов могут при вспоминании сопоставляться между собой, анализироваться и обобщаться, что позволяет обеспечить оптимизацию не только внешнего, но и внутреннего поведения.

Список литературы

  1. Вайнцвайг М.Н. Обучающаяся система искусственного интеллекта с ассоциативной памятью. Вычислительные машины и искусственный интеллект, N2. Братислава. 1982.
  2. Богоцкая Н.В., Вайнцвайг М.Н., Диментман А.М., Лосев И.С. Ассоциативные алгоритмы обобщения. Изв.АН СССР. Техн. кибернетика N1. 1985.
  3. Вайнцвайг М.Н., Полякова М.П. Механизм мышления и моделирование его работы в реальном времени. Сб. Интеллектуальные процессы и их моделирование. М. Наука. 1987.
  4. Вайнцвайг М.Н., Полякова М.П. Архитектура мыслящей системы и нейронные сети. Сб. Интеллектуальные процессы и их моделирование. Информационные сети. с. 132-151. ИППИ РАН, Москва. 1994.
  5. Вайнцвайг М.Н., Полякова М.П. Модель системы автономного поведения. Новости искусственного интеллекта. Переславль-Залесский. 1994, N4, с.91-100.