Kognitive Modellierung Literaturverzeichnis

Notizen
30.04.2002
Kognitive Modellierung
Vom natürlichen zum künstlichen
Kognitiven System
Dipl.-Inform. (FH) Thomas Wendt
Literaturverzeichnis
[1]
Kognitive Psychologie mit dem Computer: Opwis , Klaus;
Plötzner, Rolf. Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum
Akademischer Verlag: 1996
[2]
Dem Denken auf der Spur: Gardner, Howard. Stuttgart:
Klett-Cotta, 1989
[3]
Kognitive Psychologie: Wessells , Michael. München,
Basel: UTB für Wissenschaft, 1994
[4]
Kognitive Modellierung: Schmid, Ute; Kindsmüller, Martin
C. Heidelberg, Berlin, Oxford: Spektrum Akademischer
Verlag: 1996
[5]
Kognitive Systeme: Strohner, Hans. Opladen:
Westdeutscher Verlag, 1995
[6]
Kognitive Modellierung: Opwis , Klaus. Bern: Verlag Hans
Huber, 1992
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Dipl.-Inform. (FH) Thomas Wendt
Dipl.-Inform. (FH) Thomas Wendt
2
1
Notizen
30.04.2002
Kognitive Modellierung
n
Untersuchungsgegenstand der Kognitionspsychologie sind die
kognitiven Funktionen und Leistungen:
n
n
n
n
n
Wahrnehmung und Aufmerksamkeit
Denken und Problemlösen
Wissen und Gedächtnis
Lernen
Sprache und Sprachverstehen
n
Allen gemein ist das Paradigma der Informationsverarbeitung
n
Die Analyse dieser Leitungen und Fähigkeiten (kurz Kognitionen)
erfolgt auf zwei grundlegenden Gebieten
n
n
Wissensrepräsentation: Wie werden Informationen gespeichert, wie
können sie aus diesem Speicher wieder abgerufen werden?
Verarbeitungsprozesse: Wie kann Wissen erworben werden; wie
können auf der Basis dieses Wissens Schlussfolgerungen gezogen
bzw. Problemlösungen generiert werden
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3
Kognitive Modellierung
n
n
n
Wahrnehmung und Aufmerksamkeit
Durch den Prozess der Wahrnehmung gelangen Umweltinformationen in uns. Linien und Formen werden identifiziert und
mit Vorerfahrungen verglichen. Deckt sich das Wahrgenommene
nicht mit unseren Vorerfahrungen, belegen wir die Situation mit
Aufmerksamkeit; wir beobachten jetzt aktiv.
Denken und Problemlösen
Wurde z.B. eine Situation mit Aufmerksamkeit belegt, setzt der
Denkprozess ein und versucht, das Gegebene mit der
Vorerfahrung zu vergleichen. Wird ein Defizit – ein Problem –
festgestellt, wird nach einer Lösung gesucht.
Wissen und Gedächtnis
Die Vorerfahrungen sind in unserem Gedächtnis als
Wissensstrukturen gespeichert. Wird bei den Denkprozessen
Wissen benötigt, muss es aus dem Gedächtnis abgerufen werden.
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4
2
Notizen
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Kognitive Modellierung
n
n
Lernen
Wird eine Situation als Unbekannt eingestuft – liegt also kein
Wissen über sie vor – Lernen wird. Können wir auch noch eine
Problemlösung generieren, so lernen wir nicht nur durch äußere
Wahrnehmung, sondern auch durch die internen Denkprozesse.
Sprache
Sprechen ist eine Umkehrung der Wahrnehmung und gestatt es
uns, Informationen aus uns heraus in die Umwelt zu geben. Wir
interagieren. Die verwendeten Wörter drücken dabei unser
Sprachverstehen aus und gestatten einen Rückschluss auf die
interne Repräsentation unseres Wissens.
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Kognitive Modellierung
Interpretation des
beobachtbaren
Verhaltens
Anwendungsdomäne
Rekonstruktion
Rekonstruktion
PERSON
Mentales
Modell
Interpretation einer
Verhaltenssimulation
COMPUTER
Modell des
mentalen
Modells einer
Person
Interpretation: Wissensstruktur &
Informationsverarbeitungsprozesse
Rekonstruktion:
kognitive Prozesse
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3
Notizen
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Kognitive Modellierung
Anwendungsdomäne
Interpretation des
beobachtbaren
Verhaltens
Zielgruppe/
Bedarf/
Auftraggeber
für ein intelligentes
Programm
besitzt Vorstellung
davon, wie eine
Person/Personengruppe
in der Domäne
handeln
soll
Rekonstruktion
Computerprogramm
Rekonstruktion
COMPUTER
PERSON
Mentales
Modell
Interpretation einer
Verhaltenssimulation
Modell des
Mentalen Modells
einer Person
Interpretation : Wissensstruktur &
Informationsverarbeitungsprozesse
Simuliert bzgl.
einer
Anwendungsdomäne
das
Verhaltensschema
einer
gewünschten Person
bzw. Personentypus
Rekonstruktion :
kognitive Prozesse
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Drei fundamentale Arbeiten
1.
2.
3.
Vergleich zwischen Mensch und Elektronenrechner
von Neumann
- basierend auf Turingmaschine: Idee des gespeicherten
Programms
- Zusammenhang von Rechnerarchitektur, Daten und
Programmen (1948)
Das Gedächtnis
Atkinson und Shiffrin
- Aufbau und Funktionsweise des menschlichen Gedächtnisses
Konzepte und Kategorien
Bruner
- Informationen werden auf eine Art und Weise repräsentiert, die
nicht wirklichkeitsgetreu ist
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4
Notizen
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von Neumann – Prinzip
1.
Rechner besteht aus 4 Werken:
•
•
•
•
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Haupt- bzw. Arbeitsspeicher für Daten und Programme
Leitwerk, das Programm interpretiert
Rechenwerk, das arithmetische Operationen ausführt
Ein- und Ausgabewerk, das mit der Umwelt kommuniziert und
Sekundärspeicher, der als Langzeitspeicher fungiert
Struktur des Rechners ist unabhängig vom bearbeiteten Problem
Programm und Daten stehen im selben Speicher und können durch den
Rechner verändert werden
Hauptspeicher ist in Zellen gleicher Größe geteilt, die durch fortlaufende
Nummern adressiert sind
Das Programm besteht aus einer Folge von Befehlen, die im allgem einen
nacheinander ausgeführt werden
Von der sequentiellen Abarbeitung kann durch bedingte oder unbedingte
Sprünge zu anderen Programmteilen abgewichen werden.
Zahlen werden dual dargestellt (àBinärcode)
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Gedächtnismodell
Aufmerksamkeit
Umwelt
Kognitives System
Information
Sensorische
Gedächtnis
SG
Sensorische
Oberfläche
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Kurzzeitgedächtnis
KZG
Déjà vu
(Erklärungsversuch)
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Merken
und
Erinnern
Langzeitgedächtnis
LZG
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5
Notizen
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Gedächtnismodell
1.
2.
3.
4.
n
sensorische Oberfläche: Aufnahme von Reizen
sensorisches Gedächtnis: Speicherung der ursprüngliche Form
der Reize (Kapazität: fast unbegrenzt, Zeit: Zerfall in weniger als 1
Sekunde oder Überspeicherung)
Kurzzeitgedächtnis: enkodierte Reize werden in (wahrscheinlich)
propositionalen Strukturen (Chunks) gespeichert
(Kapazität: 7, Zeit: rund 15 Sekunden)
Langzeitgedächtnis: Chunks werden für einen langen Zeitraum
oder für immer gespeichert (Wissen)
Wissen: enkodierte und strukturierte Informationen
n
n
n
n
semantisches Wissen: Wissen über Objekte
prozedurales Wissen: Wissen über Handlungen
episodisches Wissen: Wissen über Situationen (Objekte und
Handlungen im Zusammenhang)
Metawissen: Kontrollstrukturen und Heuristiken
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Konzepte und Kategorien
1.
Repräsentation des Wissens :
n
enaktiv: Objekte werden
direkt gespeichert, wie
wahrgenommen (direkter
Mustervergleich)
n
ikonisch: repräsentiert durch
Ikonen bzw. mentale Bilder
(Mustervergleich mit einem
Ideal)
n
symbolisch: Objekte werden
durch Symbole repräsentiert,
die keine Gemeinsamkeit im
Aussehen mit dem Objekt
besitzen müssen
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Computer
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Notizen
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Konzepte und Kategorien (2)
3.
Konzept:
Ein Konzept ist eine Repräsentation (Klasse) von ähnlichen Dingen.
Ähnlich bedeutet, das diese Dinge auf bestimmte Art und Weise
miteinander in Beziehung stehen; besitzen für verschiedene Attribute die
selben Werte.
4.
5.
Darstellung von Konzepten/Kategorien:
Kategorien können als Regeln interpretiert werden, ob ein
gegebenes Objekt identifiziert und darauf reagiert werden kann
Vier Schritte der Kategorisierung:
I.
II.
III.
IV.
primitive Kategorisierung: Objekt oder Situation wird mit
Aufmerksamkeit belegt
Suche nach Hinweisreizen: Attribute, die eine Anfangskategorisierung
zulassen oder das Objekt als Unbekannt einstufen
Suche nach Bestätigungshinweisen: Bestätigungsprüfung, ob die
Anfangskategorisierung (Hypothese) richtig war
Bestätigungserreichung: Ende der Klassifizierung, Objekt wurde
eingeordnet; Reaktion erfolgt
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Konzepte und Kategorien (3)
5.
Beziehungen der Attribute untereinander sind für die Bildung von
Konzepten wichtig. Es können folgende Beziehungstypen
auftreten: (àWissensrepräsentation)
n
n
n
n
n
6.
7.
8.
Affirmativ: Ein Attribut definiert eine Kategorie.
Konjunktiv: Attribute sind konjunktiv verknüpft.
Inklusiv-disjunktiv: Definierende Attribute sind disjunktiv verknüpft.
Konditional: Zwischen den Attributen besteht eine direkte Abhängigkeit, z.B
Wenn A=x Dann B=y.
Exklusiv-konjunktiv: Konzept definiert sich durch das Fehlern bestimmter
Attributwerten.
Verwendung eines Kodierungssystem, um Kategorien in
hierarchischer Struktur anzuordnen (àWissensrepräsentation)
Konzeptbildung: erkennen der Zusammengehörigkeit von Objekten
(à Maschinelles Lernen)
Konzepterwerb: ermitteln der kritischen Attribute
(à Maschinelles Lernen)
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Notizen
30.04.2002
Systemtheorie
1.
Betrachtungsweisen für Systeme:
n
n
n
2.
konkrete Systeme: Grundlage bilden empirische Untersuchungen
abstrakte Systeme: reales System wird auf gewissen
Systemeigenschaften reduziert
fiktive Systeme: Gedankenspiele, Was-wäre-wenn-Systeme
Allgemeines System:
Ein System ist ein geordnetes Tupel S := (K,B), wobei
K die Menge der Systemkomponenten und
B die Menge der funktionalen Beziehungen (Strukturfunktionen) sind.
S ist dabei in eine Umwelt eingebettet, mit der es kommunizieren kann.
3.
Eigenschaften eines Systems
leiten sich aus den Eigenschaften der Komponenten ab
additiv: Systemeigenschaft kann als Summe der
Komponenteneigenschaften aufgefasst werden
emergent: ergeben sich aus dem Zusammenspiel verschiedene
Komponenten
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Systemtheorie (2)
4.
Verhalten gegenüber der Umwelt:
1.
2.
geschlossene Systeme: es findet kein Informationsaustausch mit der
Umwelt statt
offene Systeme: Objekte der Systemumwelt interagieren mit
Systemkomponenten
Sei U := (X,Y) die Menge aller Umweltobjekte, mit denen ein System
interagiert, wobei
X die Menge aller Eingabeobjekt (Systemeigenschaft ist Funktion dieser
Objekte)
Y die Menge aller Ausgabeobjekte (Objekt ist Funktion von
Systemeigenschaften),
dann ist Soffen := (S, U, F) mit
S ist ein gegebenes System
U eine Systemumwelt und
F die Menge der Systemfunktionen (d.h. funktionale Beziehungen zwischen
System und Umweltobjekten)
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Notizen
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Systemtheorie (3)
System
Systemkomponenten
Strukturfunktionen
Systemfunktionen
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Ausgabeobjekte Y
Eingabeobjekte X
Umwelt
Systemfunktionen
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Systemtheorie (4)
5.
Internes Systemverhalten:
Sei zt der innere Zustand eines Systems zu einem Zeitpunkt t,
dann unterscheidet man:
1.
2.
3.
6.
statische Systeme: zt+1 = zt
dynamische System : zt+1 = f(zt,xt) ∀ t ∈ ℵ ; neuer Zustand ergibt sich
durch Überführungsfunktion f aus aktuellem Zustand zt und aktueller
Eingabe xt ; Menge der durch die Überführungsfunktion m öglichen
Zustände ergibt den Zustandsraum ; Folge von Zuständen nennt man
Trajektorie
diskret oder kontinuierlich: wann tritt die Zustands überführung auf, in
Zeitsprüngen und stetig
Externes Systemverhalten:
Systemverhalten wird nach außen durch die Ergebnisfunktion g
repräsentiert
Es gelte yt = g(z t ,x t ) ∀ t ∈ ℵ
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Notizen
30.04.2002
Systemtheorie (5)
7.
Definition Dynamisches System:
Sei S dyn := (S offen,Z,f,g) mit
Soffen ist ein gegebenes offenes System
Z der Zustandsraum des Systems
f die Überführungsfunktion und
g die Ergebnisfunktion
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Systemtheorie (6)
8.
Anpassung an die Umwelt:
1.
2.
3.
starre Systeme: System reagiert nicht auf Veränderungen in der
Umwelt; Systemverhalten wird entweder fehlerhaft oder bleibt aus
adaptive Systeme: Systemfunktionen werden den neuen Bedingungen
angepasst; Richtung der Anpassung sollte eine Optimierung des
Systemverhaltens sein
Art der Anpassung:
• Elastizität: zeitweilige Veränderungen der Systemfunktionen
auf vorübergehende Schwankungen der
Umwelteinwirkungen
• Plastizität: Berücksichtigung von Zusammenhängen
innerhalb der Umwelt und zwischen Umwelt und System à
Speicherung der Zusammenhänge im Systemgedächtnis
und Beachtung dieser Zusammenhänge im
Systemverhalten
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Notizen
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Kognitive Systeme
n
Definition:
Kognitive Systeme sind solche natürlichen adaptiven Systeme, die
Informationen mit Hilfe eines Zentralnervensystems verarbeiten,
oder solche künstlichen Systeme, die eine derartige Verarbeitung
simulieren. (STROHNER)
n
Wie erhalten wir Informationen: über ein Sensorsystem für taktile,
chemische, visuelle, thermische und auditive Reize
n
Wie verarbeiten wir diese Informationen:
horizontale Informationsverarbeitung: ein Informationsprozessor
verarbeitet alle eingehenden Reize auf die selbe Art und Weise
vertikale Informationsverarbeitung: separate Module (Agenten)
verarbeiten die Reize und Kommunizieren miteinander;
Informationsverarbeitungsprozesse der Module können sich
unterscheiden
n
Wie reagieren wir auf die Information: die aus der Verarbeitung
resultierende Reaktionskette wird durch Effektoren zur Ausführung
gebracht
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Kognitive Systeme (2)
n
Problem: Sowohl die Sensoren als auch die Effektoren filtern die
Informationen bzw. Reaktionen. Von außerhalb des Systems
(Beobachter) kann man also nur durch die gefilterten Informationen
auf den dahinterliegenden Prozesse schließen.
n
Die Komponenten eines Kognitiven Systems sind:
n
n
n
Sensoren,
Effektoren und
der kognitive Informationsprozessor (KIP).
Der KIP setzt sich zusammen aus
• peripheren Prozessoren zur Transformation Reiz-interne Repräsentation
und umgekehrt und
• dem zentralen Prozessor.
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Dipl.-Inform. (FH) Thomas Wendt
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Notizen
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Kognitive Systeme (3)
Kognitives System
Situation
Informationsprozessor
Sensoren
Zentraler
Prozessor
Umweltinformationen
Effektoren
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Computermetapher
n
n
n
Grundlage ist die Symbolverarbeitung
System repräsentiert Informationen über Umwelt in Symbolen und Symbolstrukturen und
transformiert diese dann.
Prozess ist unabhängig von der Struktur und dem Aufbau der Zentralen Prozessors (v on
Neumann-Architektur)
Situation
Kognitives System
Informationsprozessor
Zentraler Prozessor
Sensoren
Umweltinformationen
Zentrale Steuereinheit
Effektoren
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Speichereinheit
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Notizen
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Gehirnmetapher
n
n
n
Grundgedanke: Modelle Kognitiver Systeme sollten nicht nur kognitiv adäquat sein
sondern auch neuronal adäquat.
Das Gehirn ist eine aktive informationsverarbeitende Einheit, die nicht nur Software
interpretiert, sondern durch ihre Struktur selbst Teil dieser Software ist.
Wissen bzw. Informationen sind direkt in der Struktur des Systems implementiert :
subsymbolisches Niveau.
Situation
Kognitives System
Informationsprozessor
Zentraler Prozessor
Sensoren
Umweltinformationen
Effektoren
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Gehirnmetapher (KNN)
Synapse
Dendriten
Eingangswichtung
(synaptische Parameter)
Zellkörper
Axon
D
e
n
d
r
i
t
e
n
W1
W2
W3
W4
...
W5
Reizschwelle
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Berechnung
effektiver Eingabe
NEURON
e()
S
a()
Axon
Zellkörper
Aktivierungsfunktion
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Notizen
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Ökosystemmetapher
n
n
n
realistische kognitive Fähigkeiten verlangen auch unbewusstes, unscharfes oder
spontanes Denken, Verarbeiten von Randinformationen und Beachtung des
situativen Kontextes
Grundgedanke: Menschen und Umwelt bilden zusammen ein System; Aufsplittung
ist nicht ohne weiteres möglich.
Ökosystem: Zusammenspiel verschiedener Objekte innerhalb einer Umwelt
1.
2.
3.
-
biologische Ökosystem: z.B. Fischpopulation in einem Teich
natürliches Ökosystem: allgemeiner, z.B. Wasserhaushalt in einer Region
künstliches Ökosystem: von Menschen erzeugtes, z.B. Aquarium, Raumstation
Grundelemente :
-
-
-
Lebewesen : Hierunter wollen wir den Menschen oder auch eine Maschine verstehen; im
allgemeinen den beteiligten Informationsprozessor. Dabei spielt dessen struktureller
Aufbau - gemessen an den anderen Metaphern - keine entscheidenden Rolle.
Innere Umwelt : Diese umfasst alle Objekte, mit denen das Lebewesen in einer aktuellen
kognitiven Beziehung steht. Während dieser Beziehung werden Informationen
ausgetauscht.
Äußere Umwelt : Hierbei sind alle anderen Umweltobjekte gemeint, die f ür die Kognition
relevant, jedoch nicht unmittelbar beteiligt sind. Die äußere Umwelt wird daher auch als
Situation bezeichnet. Ein wichtiger Bestandteil der Situation sind die
Kommunikationspartner des Systems. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie während einer
Kommunikation zugegen sind oder nicht. So kann ich zum Beispiel ein Problem lösen, in
dem ich entweder direkt mit einer Person darüber rede, oder mit dieser Person nur einen
inneren (modellhaften) Dialog f ühre.
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Ökosystemmetapher (2)
Kognitives System
Situation
System
Informationsprozessor
Sensoren
Informationen
Zentraler Prozessor
Effektoren
Kommunikationspartner
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Notizen
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Selbstreferentielle Systeme
n
„Eine besondere komplexe Struktur entsteht dann, wenn ein System über
interne Modelle von anderen Systemen verfügt, wie das bei kognitiven
Systemen von Menschen der Fall ist. Ein System, das sogar ein internes
Modell von sich selbst besitzt, ist ein selbstreferentielles System.“
(STROHNER)
Störung
Behandeltes System
Handelndes System
Sollwert
Rückkopplung
Internes Modell
Ausgeführter Plan/Handlung
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