CC BY
84
УДК 316.4:004.81 А.Л. МАШКОВА
доцент, кафедра «Информационные системы»,
Госуниверситет-УНПК
E-mail: [email protected]
UDC 316.4: 004.81 A.L. MASHKOVA
Assistant professor, Department of Information Systems,
State university-ESPC E-mail: [email protected]
КОГНИТИВНАЯ АРХИТЕКТУРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО АГЕНТА В ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЯХ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
COGNITIVE ARCHITECTURE OF AN INTELLIGENT AGENT IN SIMULATION MODELS OF SOCIAL AND ECONOMIC PROCESSES
Статья посвящена актуальному междисциплинарному исследованию на стыке психологии, социологии и компьютерного моделирования. Предлагается новый подход к когнитивному описанию поведения человека в агентных моделях социальных процессов в соответствии с концепцией TOTE, разработанной в рамках необихейвиористического течения в зарубежной психологии. Взаимодействие человека с социальной средой формализуется в виде системы Образов и Планов. Рассматривается применение когнитивной архитектуры агента в имитационной модели миграционных процессов в малом городе.
Ключевые слова: когнитивное моделирование, необихейвиоризм, социальные процессы и явления, интеллектуальный агент.
The article is devoted to the interdisciplinary research at the intersection of psychology, sociology and computer modeling. A new approach to cognitive description of human behavior in agent-based models of social processes in accordance with the neobehaviouristic concept TOTE is shown. Human interaction with the social environment is formalized as a system of Images and Plans. The application of cognitive architecture agent is given in the simulation model of migration processes in a small town.
Keywords: cognitive modelling, neobehaviourism, social process, intelligent agent.
Построение универсальной модели поведения человека относится к числу важнейших научно-технических задач. Модели поведения представляют интерес как с позиций компьютерных наук (создание «искусственного интеллекта»), так и с точки зрения психологии и медицины, а также ряда гуманитарных дисциплин: экономики, социологии, политологии. Подходы к изучению такого комплексного явления, как человеческое поведение, существенно различаются. Большинство разработок в области искусственного интеллекта носит прикладной характер и имеет целью построение робастных систем технического назначения и экспертных систем, моделирующих процесс рассуждения, но не поведения человека. Медики и психологи ограничиваются качественным описанием отдельных аспектов восприятия и поведения индивидов, оставляя в стороне проблемы структуризации и компьютерного моделирования полученных закономерностей.
Для исследования социально-экономических процессов требуются когнитивные модели, сочетающие адекватность отражения важных для исследуемого явления поведенческих характеристик индивида с вычислительной сложностью, доступной для современных компьютеров [1]. Широкое распространение на рынке получают агентные имитационные модели, изучающие влияние поведения отдельных индивидов на динамику сложных организационных систем [5,7]. В связи с этим
перед разработчиками агентных моделей и систем имитационного моделирования стоит ряд новых научно-технических задач, важнейшей из которых является построение когнитивных моделей поведения человека как субъекта социальных, экономических и политических процессов.
Теоретические основы создания когнитивной архитектуры агента
Разработка когнитивной архитектуры интеллектуального агента является частной задачей по отношению к проблеме создания универсальной модели поведения и включает лишь те характеристики индивида, которые значимы для исследуемого явления. В основе предлагаемой когнитивной архитектуры интеллектуального агента лежит модель поведения ТОТЕ, предложенная Д. Миллером, Ю. Галентером, К. Прибрамом в рамках теории необихейвиоризма [2].
План - это всякий иерархически построенный процесс в организме, способный контролировать порядок, в котором должна совершаться какая-либо последовательность операций. Когда человек выполняет План, он делает это шаг за шагом, завершая одну его часть и переходя к следующей. Для организма План представляет собой то же самое, что программа для ЭВМ. Впервые иерархическая структура Плана была применена для моделирования человеческих процессов мышления на
© А. Л. Машкова © A.L. Mashkova
скоростных вычислительных устройствах Ньюэллом, Шоу и Саймоном.
Образ - это все накопленные и организованные знания человека о себе самом и о мире, в котором он существует. Образ включает все оценки и факты, приобретенные и организованные человеком при помощи тех понятий, образов и отношений, которые он смог выработать [2].
Формулировки Планов у человека должны включать часть Образа, поскольку то, что человек в состоянии выполнить данные планы, должно являться частью его Образа о самом себе. Знания должны быть включены в План, так как в противном случае План не может служить основой для руководства поведением. Следовательно, Образы могут составлять часть Плана. Можно внести изменения в Образы только путем выполнения Планов по сбору, накоплению и переработке информации. Изменения в Планы вносятся только на основании информации из Образов.
Схема Test-Operate—Test—Exist представляет собой сжатое описание связи между Образом и выполняемыми действиями из Плана. Фаза Test (проба) включает определение знаний, необходимых для сравнения, а фаза Operate (действие) - действия, которые организм выполняет в соответствии с полученными знаниями.
Планирование может рассматриваться как составление перечня проб, которые необходимо произвести [2]. Когда имеется отчетливый Образ желаемого результата, его можно использовать для создания условий, которые необходимо опробовать, и, будучи организованными в нужной последовательности, эти пробы составляют в стратегию возможного Плана.
Когнитивная архитектура агента в социально-экономическом процессе
При имитационном моделировании социально-экономических процессов значимыми являются следующие Образы агентов [3]:
1. Объективный Образ Мира, представляющий среду агентной модели. Каждый агент встраивается в Объективный Образ Мира через набор связей с его составляющими.
2. Объективный Образ Агента, включающий информацию о личных и социальных характеристиках агента. К личным характеристикам относятся пол, возраст, уровень интеллекта и способностей. Наиболее важными социальными характеристиками являются семейное положение, образование, квалификация. Сочетание различных характеристик определяет социальное состояние агента.
3. Субъективный Образ Мира, присущий отдельному агенту, отражается в модели через набор субъективных оценок уровня жизни
4. Субъективный Образ Агента. В реальном мире представление человека о самом себе включает широкий спектр знаний, умений, предпочтений и шаблонов поведения. Различие между объективными и субъективными характеристиками человека является существенной чертой реального мира и потому не
может игнорироваться при исследовании социально-экономических явлений.
Изменение Образов происходит по мере реализации Планов двух уровней: уровня агента и уровня системы [3,4]. Планы первого уровня реализуют процессы, в которых участвует отдельный агент:
- демографические (рождение, взросление, вступление в брак, развод, смерть);
- образовательные (поступление в образовательное учреждение, обучение в нем и его окончание);
- трудоустройства (поиск работы, увольнение);
- миграции (переезд в другой город или страну);
- социальный протест (организация или присоединение к законному или противозаконному протесту против существующего политического строя).
Поскольку в реальном мире социальные процессы происходят стихийно, корректная реализация Планов первого уровня является необходимым условием для построения адекватного прогноза социально-экономической ситуации [3,4].
Планы второго уровня отражают возможности воздействия на социальную ситуацию со стороны государства. К подобным Планам относятся программы поддержки регионов, увеличение или снижение социальных пособий, создание новых рабочих мест и др.
Применение когнитивной архитектуры агента при построении имитационных
моделей социально-экономических явлений
Когнитивная архитектура интеллектуального агента нашла применение в разработанных автором агент-ных моделях миграционной ситуации в малом городе, динамики языковой ситуации в России и за рубежом, прогнозирование потребности в кадрах на градообразующем предприятии [3,4].
Рассмотрим в качестве примера использование предложенной когнитивной архитектуры в агентной модели миграционных процессов. Миграционные процессы по своей сути являются социальными, однако на их протекание существенное влияние оказывают биологические и экономические факторы. В статье [3] выделены основные факторы, влияющие на миграционные процессы, и предложены способы их формализации, оценки и учета при построении прогноза. В качестве инструментария моделирования было выбрано имитационное агентное моделирование [5,7]. Каждый агент обладает набором характеристик, позволяющим ему производить оценку и сравнение различных параметров уровня жизни и принимать решение о смене места жительства (система Субъективных Образов). С другой стороны, изменение состояния каждого агента оказывает влияние на внешнюю среду. Фактически, наиболее значимые в исследовании параметры среды - направление и структура миграционных потоков - складываются из отдельных агентов (система Объективных Образов) [3,4].
Информационное обеспечение агентной модели миграционных процессов включает минимальный набор характеристик агента и внешнего мира, не-
обходимый для построения перечисленных Образов и реализации Планов. Структура информационного обеспечения агентной модели представлена на рисунке 1 в виде инфологической модели, построенной в соответствии с требованиями стандарта ЦМЬ [6]. Основными элементами инфологической модели являются сущности (Агент, Домохозяйство, Рабочее место, Образовательное место, Жилое помещение) и взаимосвязи между ними.
Система Образов, отражающая миграционную ситуацию в регионе, изменяется по мере выполнения Планов. Планы являются агрегированным выражением важных событий, происходящих в жизни человека и влияющих на его цели, возможности и оценки. Планы реализуются в виде алгоритмов событийной модели, которая складывается из четырех взаимосвязанных блоков [3].
1. Блок «Демография» включает события: Взросление, Достижение пенсионного возраста, Вступление в брак, Рождение ребенка, Уход в декрет, Выход из декрета, Развод, Выход на пенсию, Смерть.
2. Блок «Образование и трудоустройство», в который входят события: Выбор образовательного учреждения (ОУ), Поступление в ОУ, Окончание ОУ, Мобилизация на военную службу, Демобилизация, Трудоустройство.
3. Блок «Рынок жилья» состоит из событий Аренда жилья, моделирующего поиск жилого помещения домохозяйством, не имеющим собственной жилой площади, и Закрепление жилого помещения за домохозяйством, в котором воспроизводится перераспределение жилых помещений в результате изменения состава домохозяйств, обусловленного событиями Вступление в брак, Развод, Смерть.
4. Блок «Принятие решения», в рамках которого происходит пересчет оценок уровня жизни в небольшом городе, ожидаемого уровня жизни в большом городе и уровня накопленного недовольства под влия-
нием событий из блоков «Демография», «Рынок жилья» и «Образование и трудоустройство».
Большинство событий взаимосвязаны в рамках одного блока. Так, в блоке «Образование и трудоустройство» за событием Поступление в ОУ следует его окончание через определенный промежуток времени и после этого Мобилизация на военную службу или Постановка агента на биржу труда. Однако возможно планирование событий одного блока в рамках другого. Например, за событием Выход на пенсию (блок «Демография») следует планирование события Добавление рабочего места на биржу труда (блок «Образование и трудоустройство»). Наиболее тесные взаимосвязи с другими блоками имеет блок «Принятие решения». Событие Пересчет оценок может быть инициировано из событий Вступление в брак, Уход в декрет, Выход из декрета, Развод, Выход на пенсию, Смерть (блок «Демография»), а также из событий Трудоустройство и Увольнение (блок «Образование и трудоустройство») [3].
Поскольку Планы тесно связаны с Образами, по мере реализации алгоритмов событийной модели изменяются значения атрибутов сущностей инфологической модели, таким образом формируются измененные объективные и субъективные Образы.
Выводы
Сфера использования когнитивной архитектуры интеллектуального агента охватывает социальные, экономические и политические модели, что доказывает ее универсальность. Дальнейшие исследования будут направлены как на совершенствование структуры когнитивной архитектуры интеллектуального агента путем интеграции в нее принципов и закономерностей, выявленных в рамках эмпирических исследований человеческого поведения, так и на расширение набора основанных на ней прикладных агентных моделей.
_ДэУЖГцД' ПВО_
^Hovep доыомоаяклЕа ^Ноиер до.1 oxojs клЕа-'родгтеги' ^■■Уровень itkjsw доуоииЁЯГстна ^Уровень сеязеу
к — ' -
I
Д55Т тхугэе-
Жулое novsi|EH'-=
^■Hwep эоппца ^ДОЖИООЗ» ЕТЕО-ЕП5ДгП5-| •^■Даыотоздаствозк тец ^UrK уровень дакода дги иъеуа ^MVh уровень дакода дги nocyier
1
Агент
'Iw4 .к ji V ev.O
^Нс-чер агента ■-,
%1-Ьыер д-э^ок-аз; fc"ES
^Vecf с-зхде-^■Гсп ^■jeyeiris попиннге-^Зо-|капь ны й стат^ ^Укны» {»разова-Кг ^Сле-^агьнссть %([ ваг ,фк еа_|кя ^■УВ
рабочего ыеста {]DpäJSOE£T=ni:Hjro уеста
P^ofjee vecno ^Hwep рабочего уеста ^Уровеньiap£oTHoi платы 0 1 ^Состорнге (ш.и.н"п-аоанято} ^Tp=6vevaü спе^уагьность ^Треб^ЕУЫ? урове)-ь жраз-жанге1 ^■Мук трей^еиыу УЕ ^■МУН. трей^еиый WZ.
у^я
С*)рагоБа-=г=-:-е veno ^■" l-fci'vep к^ед оеетэпь но" о ^Урова- ь yje&oro Едекга
^"Бкд фодяктноа коч уер-еадаг} ^■Конкурсный УВ
Рис. 1. Инфологическая модель миграционных процессов.
Библиографический список
1. Дюркгейм Э. Социология. Ее предмет, метод, предназначение. М.: Канон+РООИ Реабилитация, 2006.
2. Миллер Д., Галантер Ю., Прибрам К. Планы и структура поведения. В кн.: История зарубежной психологии. М.: МГУ, 1986.
3. Савина А.Л. Алгоритмические аспекты построения агентной модели миграционных потоков. Пятая всероссийская научно-практическая конференция «Имитационное моделирование. Теория и практика» ИММОД 2011; 1:255-259.
4. Савина А.Л. Математическая модель принятия решений агентами в имитационной модели миграционных потоков. Информационные системы и технологии 2011: 6: 66-72.
5. Савина О.А. Имитационное моделирование экономических систем и процессов. Орел: ОрелГТУ, 2004.
6. Якобсон А., Буч Г., Рамбо Дж. Унифицированный процесс разработки программного обеспечения. СПб: Питер, 2002.
7. Epstein, J., AxtellR. Growing Artificial Societies: Social Science From the Bottom Up. MIT Press/Brookings Institution, 1996.
References
1. Durkgame E. Sociology. Its subject and method. М.: Kanon+RООI Reabilitation, 2006.
2. MillerD., Galanter J., Pribram K. Plans and structure of behaviour. In: History of foreign psycology. М.: МGU, 1986.
3. Savina A.L. Algorithms in agent model of migration processes. The fifth scientific conference «Simulation modeling. Theory and pactice» IMMOD 2011; 1:255-259.
4. Savina A.L. Mathematical model of agent's decision making in a simulation model of migration flows. Information systems and technologies 2011: 6: 66-72.
5. Savina O.A. Simulation modeling of economical systems and processes. Orel: OrelGTU, 2004.
6. Jacobson А., Buch G., Rambo J. Unified process of software development. SPb: Piter, 2002.
7. Epstein, J., AxtellR. Growing Artificial Societies: Social Science From the Bottom Up. MIT Press/Brookings Institution, 1996.
