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读书笔记--人工认知系统导论阅读总结与感悟

读书笔记--人工认知系统导论阅读总结与感悟

《人工认知系统导论》主要涉及了人工智能领域的相关概念、理论、方法和技术。全书首先对人工认知系统建模的关键、认知是什么?智能体是什么?认知科学的三范式,认知科学和人工智能的关系等,然后在后续的章节中详细探讨了认知系统的六大属性,即自治性、具身化、学习与发展、记忆与预测、知识与表征以及社会认知等核心议题。作为一般人工智能的科普书,帮助了广大读者了解认知科学、人工智能和人工智能认知系统等相关概念。全书总结如下。

一、认知系统建模的四个方面

1.计算和仿生的变化范围,从自然系统中汲取灵感。
2.生物模型的抽象层次,复制自然系统时的忠实度有多高。
3.大脑、身体和环境的相互依赖关系,系统应对环境的不确定性和未知性。
4.远因和近因的区分(为什么和怎么做),认知的目的和认知系统实现目的并获得认知能力的机制。

二、什么是认知

认知是系统对周围世界发生的事件做出推断的能力,取决于认知的目的,以及认知在物理系统中如何实现。
认知是一个自治的系统感知周围环境、从经验中学习、预测事件结果、采取行动追求目标并适应不断变化的环境的过程。具有自治、知觉、学习、预测、行动和适应等六个属性,重点关注自治性、具身化、发展、学习、记忆、预测、知识和表征、社会认知等概念。

三、什么是智能体

智能体(Agent):任何表现出认知能力的系统,智能体和认知系统有时可互换使用。具有以下功能属性和非功能特性。
智能体的功能属性
1.接受目标,制定预测性策略来实现这些目标,并将这些策略付诸实践。
2.以不同程度的自治性运行
3.与其他智能体交互--合作、协作和沟通
4.解读其他智能体意图,并预测其行动
5.感知并解释意料之中和意料之外的事件
6.评估行动的必要性,并预测自身行动及其他智能体行动结果
7.选择行动方案、执行,然后评估结果
8.通过调整当前及预期行动,实时适应不断变化的环境
9.从经验中学习,调整未来选择和执行行动的方式
10.当认知表现退化时能及时发现,确定其原因并采取纠正措施
智能体的非功能特性(元功能特征):可信性、可靠性、可用性、通用性、健壮性、容错性和安全性等。

四、认知系统建模的抽象层次

戴维.马尔提出的系统理解和建模方法,分为三个层次,从上往下依次如下,层次之间松散耦合:
1.计算理论:目标、逻辑、策略与模型
2.表征及算法:表征及转换
3.硬件实现:物理实现
斯科特.凯尔索提出的系统建模方法,适合于非线性动力系统的建模方法,包括三个层面,层级之间紧密耦合,三个层次同等重要,同时考虑。
1.边界约束层:目标、任务。
2.集体变量层:描述系统的行为,协调状态。
3.组件层:构成已实现的物理系统。

五、什么是认知科学

认知科学是一门研究人类认知如何工作的交叉学科,它涵盖了认知心理学、神经科学、语言学、认识论和人工智能等多个领域。本质是理解和解释认知的基本过程。起源于诺贝特.维纳的《控制论》,解决控制与通信问题。

六、认知科学的三个范式。

1.认知主义范式:知识在智能体之间直接传递时认知主义的主要特征,知识是用符合来表征,符合系统是模式和过程的集合,包括对象、符合结构(模式、表达式)、符合系统、过程等。但对发展能力表述的不好,原则上独立于身体。
2.涌现系统范式:远因目标是保持自治性,包括联接主义系统、动力系统和生成系统等三种方法,联接主义对应抽象层次更低的模型,动力系统对应抽象层次更高的模型,动力系统有个时间的概念,随着时间的变化,系统状态变量和控制参数变量决定时间导数,生成系统是对认知目的是什么及为什么某些特征是重要的,提出强有力的主张,原则上依赖于身体。
3.混合型系统范式:上述两种范式的结合,世界上的物体与事件可以通过智能体的感知、行动和感知结果直接的对应关系来表征,同时,智能体理解外部世界的能力取决于其与外部世界灵活交互的能力,交互成为一种在知觉与行动之间建立习得性关联的组织机制。
架构解决了系统的概念形式和实用性功能两方面的问题,关注内部的内聚性和自成体系的完整性。架构描述的系统必须既是在整体的系统层次运行,是认知智能体能够与其周围世界进行有效的交互,又在组件层次运行,展现出所有部分应如何组合以创建整体系统--一个内聚ide整体。

七、人工智能与认知科学的关系

人工智能是一门研究如何制造智能机器的学科,起源于认知主义,它包括机器学习、自然语言处理、计算机视觉等多个领域。这些年发展过程中,人工智能偏向于统计机器学习等更偏重于实用便利和纯计算算法技术问题,但随着通用人工智能的兴起,使得人工认知又回归了认知主义认知科学的本源研究。

八、认知的六大属性

1.自治性
自治:是生物的一种组织特征,智能体能够利用自己的能力管理与世界的交互,保持生存,相当于在没有他人太多帮助的情况下自行运作,系统行为不受环境决定的程度以及系统因此决定自身目标的程度,即自我决定的程度。
2.具身化
具身化认知表示认知是具身化的,表示认知在很大程度上取决于智能体物理身体的特征,身体对智能体的认知加工中起到了重要的因果作用和物理构成作用。具身化有多种方式,即认知系统的生理机能、进化历史、实践活动及社会文化状况,他们以这样那样的方式反映了知觉与行动的相互依赖。有不同类型的具身化,如历史具身化、物理具身化、类生物体具身化、生物体具身化、社会具身化等。
3.发展与学习
发展是认知系统涌现范式的一个关键方面,认知本身可以被看作是一个发展的过程,发展取决于动机,动机决定了行动目标,并为实现这些目标提供驱动力,动机意味着存在一个引导或支配发展的价值体系,主要有社会动机和探索性动机,为整个生命周期的行动提供驱动力。社会动机将个体置于由其他人构成的大环境中,为其提供舒适、安全与满足感,个体可以从中学习新技能、发现新事物,并交流交换信息,包括归属感需求、自我保持及与他人的认知一致性;探索性动机有发现世界的新奇性和规律性,以及发现自己行动能力的潜力。发展有两种重要的形式,分别为模仿和社会交互。
发展与学习是相互关联的,如果没有学习能力,发展就无从谈起,但二者有所不同,发展有时会对现有能力进行抑制,有时涉及到改进之前的性能下降,发展是智能体为扩充行动储备库并延展其前瞻性能力的时间跨度所经历的过程;学习是通过神经系统合成行为能力的不断变化而不断转变行为的过程,主要有监督学习、强化学习和无监督学习三种。
4.记忆与预测
记忆与知识之间有很强的相似性,记忆和知识在某种意义上是等同的,都是包含了与世界交互过程中产生的经验。记忆与过去密切相关,有助于知识的持久化,形成经验宝库,系统需要通过记忆进行学习、发展、适应、识别、规划、思考和推理,记忆的功能是保存通过学习和发展获得的成果,确保当认知系统适应新环境时,不会失去其在之前已经适应的环境中获得的有效行动能力;同时,记忆与未来密切相关,用于预测未来,将记忆看作是一种让认知智能体能够为行动做准备的机制,而不是只关注眼前。记忆的类型有陈述性记忆、程序性记忆、语义记忆、情景记忆、长时记忆、短时记忆、工作记忆、模态记忆、非模态记忆、符号记忆、亚符号记忆、异联想记忆和自联想记忆。另外,伴随着记忆过程,还存在着遗忘,作为智能体的最显著特征之一,这就要求我们反复记忆。
5.知识与表征
记忆和知识有明确的联系,知识类型有陈述性知识、程序性知识、情景知识、语义知识、事实知识和技能知识等。在认知主义视角看来,知识是程序性知识,符合性的,即知识是内容、符号,并赋予有效性;在涌现系统视角看来,知识是内容和过程,作为预测和回忆的机制,是过程的体现,记忆有效工作时涌现的内容,记忆和知识时二元性的,相当于同一事物互补的两个方面;同时,知识需要表征,表征是内部状态(一般是符号形式封装)与其在现实世界中的对应物之间的直接的一对一映射,这种映射是通过知觉过程建立的,其实到目前未知,都没有找到一种合适的方法来明确什么是表征,以及如何表征。
6.社会认知
社会认知是与其他认知智能体的有效社会交互,取决于智能体理解各种视觉数据的能力,这些视觉数据传递了有关其他智能体的活动和意图的信息,提供了自适应社会行为和非语言交流的能力。总之,认知发展是一场发现之旅,发现什么是重要的东西,使得其可以前瞻性的采取行动,从而帮助自己和他人,并借此建构对世界的理解,这种理解使之能够在自治性和牺牲部分自治性以保护其赖以生存的社会环境之间进行有效的权衡。

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