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LernzieleVereinheitlichte Theorien der Kognition

Kognitive Architekturen

Einfuhrung in die Kognitive Modellierung mitACT-R

Sven Brussow Daniel Holt

Psychologisches InstitutUniversitat Heidelberg

Wintersemester 2007/2008

17. Oktober 2007

Sven Brussow, Daniel Holt



Just as the identification of the atom wasthe enabling condition for much scientificprogress at the subatomic and superatomiclevels, so we believe that the currentformulation in ACT-R enables similarprogress in the study of cognition.

[Anderson and Lebiere, 1998, 13]Sven Brussow, Daniel Holt



Lernziele fur diese Sitzung




Lernziele fur diese Sitzung

• Was ist Kognition?

• Was ist die Kognitive Wende?

• Was sind vereinheitlichte (unified) Theorien der Kognition?

• Was sind Produktionssysteme?

• Was ist eine (Kognitive) Architektur?

• Was ist ein Modell?

• Was ist ACT-R?




Vereinheitlichte Theorien der Kognition(Unified Theories of Cognition)




Kognition

cognıtıo, onıs f (co-?) (cognosco) 1. das Kennenlernen: a)(durch die Sinne)(nahere) Bekanntschaft mit e-r Pers. od. Sache; b) (geistig) das Erkennen,Erkenntnis, Erforschung, theoretische Kenntnis; Vorstellung, Begriff 2.. . . (Langenscheidt Universal-Worterbuch Latein)

Kognition (lat. cognoscere: erkennen) ist die von einem verhaltenssteuerndenSubsystem (bei hoher entwickelten Lebewesen das Gehirn) zurVerhaltenssteuerung ausgefuhrte Informationsumgestaltung. (Wikipedia)

Cognition is not just a process in the head, but also an interactionwith the outside world. ([Taatgen et al., 2006])




Die Kognitive Wende (1)

Hauptverdienst des Behaviorismus:

• Einfuhrung rigoroser wissenschaftlicher Methodik in diePsychologie

• Weiterentwicklung von Lerntheorie und ihre Anwendung (z.B.fur die Verhaltenstherapie)

Aber! Die fehlende Berucksichtigung der Kognition in derPraxis fuhrte zu Erklarungsnoten, z.B. bei

• Aufmerksamkeitseinbußen unter Stress

• Umgang mit kompliziertem Gerat und technischen Anlagen

• Naturlicher Sprache





Der Enstehungsprozess der kognitiven Psychologie (ca. 1950-1970)ist durch drei Einflussgroßen bestimmt:∗

1 Forschung zur menschlichen Leistungsfahigkeit wahrend des 2.Weltkrieges (Angewandte Psychologie)

2 Fortschritte in der Computerwissenschaft, insbesondere derkunstlichen Intelligenz (KI)

3 Noam Chomsky† und seine Methoden zur Analysemenschlicher Sprache

∗vgl. [Anderson, 2005, 10-11]†[Chomsky, 1957]





• Die Kognitive Wende machte also die Kognition neben demVerhalten wieder zum Untersuchungsgegenstand derPsychologie.

• Aber! Die Idee des Geistes (mind) spiegelt sich in derAnnahme hochspezialisierter Komponenten ohne klarenZusammenhang wider z.B. fur

• Verarbeitung visueller Objekte vs. Positionen/Orte• Verarbeitung prozeduralen und deklarativen Wissens• Sprache• Arithmetik• kategoriales Wissen

vgl. [Anderson et al., 2004, 1036]Sven Brussow, Daniel Holt



”how is it all put back together?”

[Anderson et al., 2004, 1036]Sven Brussow, Daniel Holt



1973

Theoretical life in psychology seemed just a forever-longsequence of dichotomies. What’s more, there neverseemed to be any real resolution. That wasn’t my notionof how psychology would get to a real theory even in thelong term.‡

What is needed is to view man as an informationprocessing system. [. . . ] The first suggestion is toconstruct complete processing models rather than thepartial ones we now do.§

‡[Newell, 1990, 2]§[Newell, 1973b, 300]




1990

Psychology has arrived at the possibility of unifiedtheories of cognition – theories that gain their power bypositing a single system of mechanisms that operatetogether to produce the full range of human cognition.

[Newell, 1990, 1]Sven Brussow, Daniel Holt



1990

A single system (mind) produces all aspects of behavior.It is one mind that minds them all. Even if the mind hasparts, modules, components, or whatever, they all meshtogether to produce behavior.




Newell beschreibt drei Schritte hin zu einer vereinheitlichtenTheorie der Kognition:

1 Konstruktion von kompletten Verarbeitungsmodellen

2 Auswahl bestimmter Aufgaben und Analyse aller beteiligtenpsychologischen Phanomene

3 Anwendung eines Modells eines einzelnen Phaomens auf vieleverschiedene Situationen in denen das Phanomen auftritt




Drei Schritte hin zu einer vereinheitlichten Theorie derKognition

Schritt 1: Konstruktion von komplettenVerarbeitungsmodellen




Produktionssysteme (1)

Allen Newell versteht Produktionssysteme als detailierte Modellemenschlicher Kontrollstruktur und als Ausweg aus der misslichenLage, in der sich die Psychologie 1973 in seinen Augen befindet.

At the moment I know of only one model of the humancontrol processes, that of production systems [. . . ].

[Newell, 1973b, 301]Sven Brussow, Daniel Holt



Produktionssysteme (2) – Symbolsysteme

• Ein Produktionssystem ist ein physikalisches Symbolsystem(Physical Symbol System).

• Die Physical Symbol System Hypothesis besagt:

A physical symbol system has the necessary and sufficientmeans for general intelligent action.

[Simon, 1969]Sven Brussow, Daniel Holt



Produktionssysteme (3) – Symbolsysteme





• Ein Produktionssystem besteht aus einer Menge vonProduktionen.

• Jede Produktion besteht aus einer Bedingung (Wenn) undeiner Aktion (Dann).

• Die Bedingung einer Produktion bestimmt denWahrheitsgehalt eines Informationselements.

• Die Produktion, deren Bedingung fur ein Element wahr ist,fuhrt ihre Aktion aus (sie feuert).

• Dieser Prozess terminiert, wenn keine Bedingung zutrifft, oderdie Aktion eine Stoppanweisung enthallt.

• Den wechselseitigen Prozess des Uberprufens von Bedingungenund Ausfuhrens von Aktionen nennt man recognize-act cycle.

vgl. [Newell, 1973a, 463]Sven Brussow, Daniel Holt




IF the goal is to classify a personand he is unmarried

THEN classify him as a bachelor

IF the goal is to add two digits d1 and d2 in a columnand d1 + d2 = d3

THEN set as a subgoal to write d3 in the column





Ein Produktionssystem bildet ein kognitivesInformationsverbeitungsmodell einer kognitiven Aufgabe oder aucheiner Reihe von kognitiven Aufgaben.

Produktionssysteme sind die Basis vieler kognitiverArchitekturen (Soar, EPIC, CAPS, ACT-R).




Exkurs: Konnektionismus (1)

Neben Produktionssystemen gibt es auch kognitive Architekturen,die auf Konnektionistischen Netzwerken beruhen.

• Wissen wird verteilt in einem Netzwerkvon Knotenpunkten reprasentiert, inspiertvon der Neuronen-Metapher.

• Einzelne Knoten haben (oft) keine eigeneBedeutung, erst ein Muster von Knotenund deren Vernetzungsstruktur(subsymbolische Reprasentation).




Exkurs: Konnektionismus (2)

• Verarbeitung erfolgt durch dieGegenseitige Beeinflussung vonKnotenaktivierungen und Anderung vonVerbindungsstarken.

• Im Gegensatz dazu verwendenProduktionsysteme symbolischeReprasentationen und Regeln zurVerarbeitung.

• Konnektionistische Systeme sind sehrgut fur basale Prozesse wie z.B.Wahrnehmung geeignet, mitProduktionssystemen laßt sich hohereKognition (Denken, Sprache) ofteinfacher modellieren.





Schritt 2: Auswahl bestimmter Aufgaben und Analyse allerbeteiligten psychologischen Phanomene




Psychologische Theorien: Das Potenzgesetz des Lernens

Der Logarithmus der Reaktionszeit fur eine bestimmte Aufgabenimmt linear zum Logarithmus der Anzahl der durchgefuhrtenAufgaben ab.

Dies gilt fur eine Reihe von Aufgaben z.B:

• Reaktionszeit Aufgaben (z.B. Stroop Test)

• Motorische Aufgaben

• Wahrnehmungsaufgaben

• Gedachtnis- bzw. Wortabruftests

• hohere kognitive Aufgaben (Spiele)




Das Potenzgesetz des Lernens: Tn = T1n−a

T1 Zeit die Aufgabe auszufuhren beim ersten VersuchTn Zeit die Aufgabe auszufuhren nach n Versuchenn Anzahl der Versuchea ≈ 0.4




Psychologische Theorien: Fitts Gesetz

• Die Zeit, wie lange es dauert, schnell auf ein Ziel zu zeigen,lasst sich prazise vorhersagen.

• Die Zeit berechnet sich aus Distanz zum Ziel und Große desZiels.

• Hierbei spielt es keine Rolle, ob man dazu den den Finger,Fuß, Bein, die Maus, einem Strohhalm zwischen den Zahnenbenutzt.

Anwendungsbeispiel: Der Tastendruck auf einer Tastatur dauertverschieden lang. Tasten direkt unter den Fingern kann manschneller drucken.

[Fitts, 1954]Sven Brussow, Daniel Holt



Psychologische Theorien: Fitts Gesetz

vgl. [Newell, 1990, 4]Sven Brussow, Daniel Holt



Klassische Rechnerarchitektur: Dem modernen Computer liegtdas Konzept der Von-Neumann-Architektur zugrunde.




Rechnerarchitektur vs. Kognitive Architektur

• Eine Rechnerarchitektur lasst sich auf einem Chipimplementieren.

• Programmierer konnen auf der Basis einer implementiertenArchitektur Betriebssysteme oder andere Software entwickeln.

• Eine kognitive Architektur zu entwickeln bedeutet eineTheorie aufzustellen, die erklart wie Kognition arbeitet (vgl.Potenzgesetz des Lernens, Fitts Gesetz).




Rechnerarchitektur vs. Kognitive Architektur

This difference in purpose is the same as the differencebetween artificial and natural languages. An artificiallanguage is defined by its grammar, while a grammar fora natural language is a theory of the structure of thatlanguage.

[Taatgen, 1999, 27]Sven Brussow, Daniel Holt



Model Human Processor (MHP) nach Card, Moran+Newell (1983)




Executive-Process Interactive Control (EPIC)

[Meyer and Kieras, 1997]Sven Brussow, Daniel Holt



MicroPsi

MicroPsi Basiert auf der Psi Theorie von Dietrich DornerSven Brussow, Daniel Holt




Schritt 3: Anwendung eines Modells eines einzelnenPhaomens auf viele verschiedene Situationen in denen das

Phanomen auftritt




vgl. http://act-r.psy.cmu.edu/about/Sven Brussow, Daniel Holt

http://act-r.psy.cmu.edu/about/



• Ein Modell wird in der Sprache der kognitiven Architekturgeschrieben, vergleichbar mit der Erstellung eines Programmsin der Sprache einer Rechnerarchitektur.

• Hierbei werden bestimmte Annahmen uber eine Domane(Visuelle Suche, Fahrverhalten, Sprachverarbeitung etc.)formuliert.

• Simuliert ein Modell eine Aufgabe innerhalb der Domanekorrekt, wird die Aufgabe modifiziert und das Modell mitdieser erneut konfrontiert.

• Ein Modell muss auch in der veranderten Situationmenschliches Verhalten abbilden!




Zusammenfassung: Kognitive Architekturen (KA)

• Eine KA ist eine rechnergestutzte Plattform fur kognitiveAufgaben.

• Eine KA sollte geeignete Reprasentationsformate,Schlussfolgerungs- und Lernmechanismen zur Verfugungstellen, die die die Modellierung von kognitiven Prozessenbzw. menschlichem Verhalten vereinfachen.

• Eine KA sollte die Modellierungsmoglichkeiten soweiteinschranken, dass nur Modelle moglich sind, die auchkognitiv plausibel sind. Modelle, die menschlichem Verhaltenwidersprechen, sollten nicht moglich sein.

vgl. [Taatgen et al., 2006, 29]Sven Brussow, Daniel Holt



Adaptive Control of Thought - Rational (ACT-R)

[Anderson and Lebiere, 1998][Anderson et al., 2004]




ACT-R

• ACT-R ist eine Simulationsumgebung zur Erstellungkognitiver Modelle, die in der Lage ist menschliches Verhaltenvorherzusagen und zu erklaren.

• ACT-R erzeugt Daten, die direkt mit menschlichen Daten ausExperimenten verglichen werden konnen.

vgl. [Taatgen et al., 2006, 29] und [Bothell, 2007]Sven Brussow, Daniel Holt



ACT-R




Literatur

Anderson, J. R. (2005).

Cognitive Psychology and its Implications.Worth Publishers, New York, NY, 6th edition.

Anderson, J. R., Bothell, D., Byrne, M. D., Douglass, S., Lebiere, C., and Qin, Y. (2004).

An integrated theory of the mind.Psychological Review, 111(4):1036–1060.

Anderson, J. R. and Lebiere, C. (1998).

The Atomic Components of Thought.Lawrence Erlbaum, Mahwah, NJ.

Bothell, D. (2007).

ACT-R 6.0 reference manual.

Chomsky, N. (1957).

Syntactic Structures.Mouton, Den Haag.

Fitts, P. M. (1954).

The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement.Journal of Experimental Psychology, 47(6):381–391.

Meyer, D. E. and Kieras, D. E. (1997).

A computational theory of executive cognitive processes and multiple task performance: Part 1. basicmechanisms.Psychological Review, 104(1):3–65.

Newell, A. (1973a).

Production systems: Models of control structures.




In Chase, W. G., editor, Visual Information Processing, pages 463–526. Academic Press, New York, NY.

Newell, A. (1973b).

You can’t play 20 questions with nature and win: Projective comments on the papers of this symposium.In Chase, W. G., editor, Visual Information Processing, pages 283–308. Academic Press, New York, NY.

Newell, A. (1990).

Unified Theories of Cognition.Harvard University Press, Cambridge, MA.

Simon, H. (1969).

The Sciences of the Artificial.MIT Press, Cambridge, MA.

Taatgen, N. A. (1999).

Learning without Limits: From Problem Solving towards a Unified Theory of Learning.PhD thesis, University of Groningen, Netherlands.

Taatgen, N. A., Lebiere, C., and Anderson, J. R. (2006).

Modeling paradigms in ACT-R.In Sun, R., editor, Cognition and Multi-Agent Interaction: From Cognitive Modeling to Social Simulation,pages 29–52. Cambridge University Press.


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