Когнитивное пространственное моделирование

УДК 528.9 004.94 ГРНТИ 28.23.24

Р.Г. Болбаков

РТУ МИРЭА

КОГНИТИВНОЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Когнитивное пространственное моделирование можно рассматривать как раздел пространственного анализа. Оно использует ряд специфических процедур пространственного анализа. Когнитивное пространственное моделирование опирается на понятие пространственного знания. Когнитивное пространственное моделирование использует логику и пространственную логику. Когнитивное пространственное компьютерное моделирование направлено на получение результата моделирования, которое человеку трудно представить, то есть оно позволяет выходить за рамки человеческих представлений. Однако результат этого моделирования воспринимаем и доступен для анализа человеком. Когнитивное пространственное моделирование использует пространственные модели, которые имеют визуальную (образную) форму представления. Это определяет важность морфологических факторов в этом моделировании. Когнитивное пространственное моделирование широко применяется при построении виртуальных моделей. В аспекте человеческого фактора когнитивное пространственное моделирование можно рассматривать как раздел психологии.

Ключевые слова: пространственный анализ, когнитивное моделирование, пространственное знание, концептуальное смешивание, логический анализ.

COGNITIVE SPATIAL MODELING

Cognitive spatial modeling can be considered as a section of spatial analysis. It uses a number of specific spatial analysis procedures. Cognitive spatial modeling is described in terms of spatial knowledge. Cognitive spatial modeling uses logic and spatial logic. Cognitive spatial computer modeling is aimed at obtaining a simulation result that is difficult for a person to imagine, that is, it allows you to go beyond the scope of human notions. However, the result of this simulation is perceptible and available for analysis by humans. Cognitive spatial modeling uses spatial models that have a visual (figurative) form ofpresentation. This determines the importance of morphological factors in this simulation. Cognitive spatial modeling is widely used in the construction of virtual models. In the aspect of the human factor, cognitive spatial modeling can be considered as a section ofpsychology. Keywords: spatial analysis, cognitive modeling, spatial knowledge, conceptual mixing, logical analysis.

Одной из основных задач пространственного анализа является решение пространственных задач и получение новых знаний. При этом дополнительно к обычным знаниям, пространственный анализ позволяет получать пространственное знание и геознание [1-3]. Пространственный анализ включает пространственное моделирование, когнитивное моделирование и разновидность когнитивного моделирования - когнитивное компьютерное моделирование. Возможности человеческого интеллекта ограниченны, поэтому компьютерное моделирование позволяет решать задачи большого объема и большой когнитивной сложности. Выбор средства моделирования зависит от поставленной задачи и от характера качества данных. Пространственный анализ осуществляет работу с образами, которые имеют визуальную форму представления. Поэтому когнитивное пространственное моделирование связано с визуальными моделями и их визуальным восприятием [4-6]. При когнитивном пространственном моделировании возникает проблема когнитивной визуальной сложности [7]. Она решаема при возможности повышения уровня интеллекта и не решаема, если человеческий интеллект принципиально такую задачу не может решить. Когнитивное пространственное моделирование является направлением, развивающим когнитивное моделирование [8-10] и когнитивные науки [11-13]. Когнитивное пространственное моделирование подразделяется на моделирование с отдельными пространственными объектами и моделирование с группами объектов. В широком смысле когнитивное пространственное моделирование - это моделирование с объектами в реальном и абстрактном пространстве, например, в пространстве параметров. В узком смысле когнитивное пространственное моделирование - это моделирование с объектами в реальном пространстве, которые имеют геометрические и морфологические характеристики. Когнитивное пространственное моделирование осуществляется с применением компьютера или человеческого интел-

R.G.Bolbakov

RTU MIREA

Введение

лекта. Человек не является прибором и он не собирает информацию, а осуществляет ее рецепцию [14, 15]. Рецепция информации осуществляется с использованием когнитивных фильтров человека. Поэтому на первом этапе необходимо оценить когнитивные факторы рецепции информации.

Когнитивные факторы рецепции информации

Когнитивное моделирование - это моделирование, которое помогает с помощью некоего когнитивного опыта получить новое, даже не существующее в голове специалиста знание и способствовать процессу получения этого знания. Система обработки информации, основанная на идеях когнитивного моделирования, помогает принимать решения при работе с большими объемами информации [16]. В пространственных визуальных моделях появляются специфические качества когнитивного восприятия пространственных моделей, которые можно расположить в порядке иерархии [17]: обозримость, воспринимаемость, интерпретируемость. Не обозримость и не воспринимаемость визуальной модели приводит к сложности, исключающей анализ образа. Но и в отдельных случаях визуальная обозримость образа может сопровождаться когнитивной сложностью, препятствующей восприятию образа. Визуальная сложность восприятия является частью когнитивной сложности, которая возникает при не обозримости, при не воспринимаемости и при не интерпретируемости визуальной модели (рис.1). Обозримость, воспринимаемость и интерпретируемость достигаются за счет использования информационных ресурсов и интеллекта человека (рис.1).

Не Не Не

обозримость воспринимаемость интерпретируемость

Рис.1. Когнитивные факторы сложности

Обозримость, воспринимаемость и интерпретируемость создают возможность когнитивного анализа пространственного образа и получения нового знания на основе этого анализа. Если любая модель не обозрима, то нарушается системное свойство целостности ее восприятия. Чтобы ознакомиться с образной информацией в виде текста, необходимо затратить много времени. При обозримости пространственного образа человек за счет когнитивных способностей быстрее получает информацию.

Представление информации о местонахождении населённых пунктов и других важных объектов на земной поверхности в виде образов карт существенно упрощает восприятие и делает обозримым ситуацию. Представление пространственных данных в виде обозримых и воспринимаемых моделей даёт возможность отобразить большое количество информации с помощью единого образа, который позволяет за короткий промежуток времени найти необходимый объект и маршрут перемещения к нему. Визуальный способ представления информации даёт возможность эффективно воспринимать и анализировать её. Если пространственный объект не обозрим или графическая модель не обозрима, то нельзя их целостно воспринять. В этой ситуации можно анализировать только ее часть, не зная, большая или меньшая эта часть по отношению ко всему образу.

Образ может быть обозримым, но не воспринимаемым из-за отсутствия механизма восприятия и чаще всего механизма декомпозиции сложного образа на простые фрагменты. Визуальная воспринимаемость часто связана с декомпозицией на основе логического, дихотомического, ассоциативного или стереотипного анализа Частным случаем стереотипного анализа является наличие образного языка и правил его применения и интерпретации.

Образ может быть обозримым и воспринимаемым, но не интерпретируемым из-за отсутствия необходимых ресурсов или из-за низкого интеллекта. Например, можно обозреть страницу текста на китайском языке или страницу текста, зашифрованного специальным кодом. При отсутствии знаний китайского языка (интеллект) нельзя воспринять этот пространственный

образ. При отсутствии знаний кода дешифрирования (информационный ресурс) нельзя воспринять шифрованный образ. Процессы обозримости, восприятия и интерпретации показаны на рис. 2-4.

На рисунке 2 показан исходный пространственный параметрический образ с наличием шумов и лишней информации. Этот образ является обозримым, но не воспринимаемым. Такая ситуация обусловлена сложным сочетанием полезной и ненужной информации. Поэтому воспринимаемость связана с декомпозицией полезной информации и фильтрацией лишней информации.

Воспринимаемостью можно назвать совокупность приемов и методов образного представления, которое позволяет либо сразу увидеть содержание, либо получить подсказку для его нахождения. На рис. 3 показана декомпозиция полезной информации на составляющие. На этом рисунке исключены лишние объекты на основе когнитивного анализа и ситуационного анализа.

На основе анализа предметной области и когнитивного анализа осуществляется композиция разрозненных фрагментов рисунка 3 в единое целое (рис. 4). Эта композиция и есть интерпретируемость исходного образа на рис. 2. В ходе композиции части 5-8 интегрированы в единое целое. Части 1-4 идентифицированы и объединены на основе связей.

Если удачно представить входные данные в виде когнитивного образа, то его содержание может быть найдено без сложных вычислений с помощью ассоциаций человека. Для того чтобы представить пространственный объект в виде пространственной модели подойдет не любой графический образ, а только такой, в котором можно удачно сопоставить каждое из условий задачи отдельной части изображения. Это явление называется информационным соответствием [18-20]. Смоделированный графический образ должен позволять лицу, принимающему решение, использовать свойства выбранного абстрактного изображения для визуального решения. На рис.4 получилась маркетинговая схема работы с клиентами.

В этом случае также применялся когнитивный анализ. Таким образом, когнитивные факторы сложности препятствуют интерпретации пространственных образов. Преодоление такой сложности осуществляют на основе когнитивного анализа в сочетании с анализом предметной области и использованием информационного языка пространственных образов

Когнитивное пространственное моделирование использует когнитивную графику, пространственные отношения, геометрию, методы качественных пространственных рассуждений. Пространственные отношения [21, 22] являются отправной точкой когнитивного моделирования с группами объектов. Они являются одним из источников формирования пространственных знаний.

Когнитивное пространственное моделирование осуществляют основе отношений форм для одиночных объектов и на основе отношений взаимного расположения для групп объектов Когнитивное пространственное моделирование осуществляют на основе математической логики, вероятностной логики, пространственной логики и когнитивной логики [23].

Концептуальное смешивание как вид когнитивного моделирования

Концептуальное смешивание называют по-другому «концептуальной интеграцией» или

Рис. 2. Обозримый исходный параметрический образ или результат обозримости полезной и избыточной информации

Рис. 3. Воспринимаемость Рис. 4. Интерпретируемость как декомпозиция полезной пространственного образа

информации на рис. 2 как композиция рис. 3

«приложением представления». Оно относится к области теорией познания и первоначально возникало в психологии. В рамках этой психологической теории в реальной ситуации элементы и жизненные отношения из различных ситуаций «смешиваются» в подсознательном процессе мышления. Это смешивание создает некий композиционный образ типа гештальта, который человек воспринимает как целостность. Перенос этой теории в область пространственного анализа и пространственного моделирования дает развитие концептуального смешивания как специальной когнитивной технологии.

В терминах геоинформатики теория концептуального смешивания (conceptual blending theory) [24, 25] является групповой технологией когнитивного пространственного моделирования. Концептуальное смешивание имеет корни в психологии и в области когнитивной семантики [26]. Методически начальное концептуальное смешивание связано с теорией психологических фреймов. В компьютерном моделировании оно связано с фреймами как носителями знания и моделями искусственного интеллекта. В пространственном анализе оно связано с пространственными информационными единицам как носителями пространственного знания.

Когнитивное пространственное моделирование связано с теорией пространственного анализа, теорией множеств, логикой и геоинформатикой. Более детально когнитивное пространственное моделирование связано с теорией дихотомического анализа. Когнитивное пространственное моделирование решает задачу извлечения неявного знания [27].

Различают прямую и обратную задачи когнитивного пространственного моделирования. Прямая задача состоит в том, что имеется сложный пространственный образ, который можно разбить разными способами на простые образы и желательно свести к некому образному алфавиту или совокупности информационных единиц. Когнитивный фактор в прямой задаче состоит в том, чтобы разбиение создало по возможности смысловые простые образы, которые бы находились в комплементарных отношениях друг с другом.

Обратная задача когнитивного пространственного моделирования состоит в том, что имеются совокупность графических образов и ситуация. Необходимо отразить пространственную ситуацию в виде сложного пространственного образа как синтеза простых образов. Когнитивный фактор в обратной задаче состоит в том, чтобы композиция простых образов создало адекватное отображение смысла ситуации, а простые образы находились бы в комплементарных отношениях друг с другом. Из этого вытекает, что при когнитивном пространственном моделировании обязательно надо принимать во внимание фактор комлементарности [28]. Модель прямой и обратной задачи в когнитивном пространственном моделировании представлена на рис. 5. Это моделирование с группами объектов. На первом этапе при решении прямой задачи используют пространственные отношения.

Сложный пространственный образ Пространственные ОТНОШе-

ния служат основой разбиения сложного пространственного образа на подобразы. Дальнейшая декомпозиция идет до семантических информационных единиц, имеющих графическую форму представления. При этом разбиение идет таким образом, что графические единицы в результате разбиения являются комплементарными, то есть не противоречат друг другу. На этом решение прямой задачи заканчивается.

Вторая задача является независимой. Различие между ними в том, что решение прямой задачи заканчивается получением набора комплементарных единиц, которые могут быть частью алфавита. Начало обратной задачи состоит в том, что она первоначально использует весть алфавит, отбирая из него только те пространственные образы, которые семантически отражают некую ситуацию. Это напоминает формирование картографической композиции (географической карты) на основе наборов допустимых условных знаков. Стрелки на рис.5 показывают направления когнитивного моделирования. На рис.6 приведены три пространственных образа: А, В, С.

Пространственная композиция

Рис. 5. Схема решения прямой и обратной задачи при пространственном когнитивном моделировании

Рис.6. Исходные пространственные образы

Рис.7. Взаимное пространст- Рис.8. Разность про-венное положение образов сгранственных образов

При пространственном когнитивном моделировании важно взаимное положение образов в едином пространстве. Оно существенно влияет на результат моделирования. На рис.7 показано положение образов в едином пространстве. Оно задает пространственные отношения между ними.

На рис.8 показан результат пространственного моделирования между образами по схеме

Разность пространственных образов не коммутативна. По существу такое моделирование является морфологическим. Когнитивное пространственное моделирование меняет не только морфологическую составляющую образа, но и семантическую. Это обусловлено тем, что каждому образу соответствует своя семантика. Концептуальное смешивание может менять морфологическую и содержательную составляющие знания. Морфологическая составляющая меняется легко с помощью компьютерных процедур моделирования. Семантическая составляющая меняется только на основе когнитивного моделирования. Когнитивное моделирование в большей степени не коммутативно. Поэтому важным фактором является схема расположения и схема взаимодействия слоев. Функция наложения согласно схеме расположения и схеме взаимодействия осуществляет когнитивное моделирование. Новые области создаются там, где существуют пространственные отношения между объектами. Все линии разделяются в местах пересечения. Эти новые функции сохраняются в выходном слое - исходный входной слой не изменяется. Атрибуты объектов в оверлейном слое назначаются соответствующим новым объектам в выходном слое вместе с исходными атрибутами из входного слоя

Концептуальное смешивание помимо оверлея связано с процедурами стратификации [29], дихотомического анализа [30] и оппозиционного анализа [31]. Стратификация и дихотомический анализ предшествуют концептуальному смешиванию и в отдельных случаях являются условием его применения. Оппозиционный анализ применяют после концептуального смешивания. Он дополняет эту технологию. Можно констатировать, что когнитивное, концептуальное смешивание и дихотомический анализ - являются комплементарными технологиями и составляют раздел когнитивного анализа. Концептуальное смешивание является инструментом когнитивного моделирования и получения пространственных знаний и геознаний.

Заключение

Когнитивное пространственное моделирование является новой областью исследований в когнитивных науках. Особенность этого метода требует повышенное внимание уделять морфологии и стратификации. Непредсказуемость результата в ходе когнитивного смешивания. Когнитивный анализ результатов смешивания. Создание на основе когнитивного анализа стереотипов и накопление опыта. Использование человеческого опыта в моделировании является признаком когнитивности такого вида моделирования. Концептуальное смешивание в области пространственного знания и геознания является синтезом операций с пространственными отношениями и логических операций. Это повышает верифицируемость результатов пространственного анализа и достоверность геознания. Концептуальное смешивание является развитием методов пространственного анализа. Применение концептуального смешивания расширяет класс задач пространственного анализа и управления. Оно позволяет оперативно принимать меры в чрезвычайных ситуациях. Концептуальное смешивание решает задачи обновления баз геоданных и обновления инфраструктур пространственных данных. В тоже время в этой области есть серьезные пробелы по части влияния систем координат на координатное смешивание и влияние ошибок при концептуальном смешивании. Пространственный анализ работает не абстрактными множествами, а с реальными объектами, которые содержат ошибки измерений и вычислений. Это составляет основу дальнейших исследований в этой области.

Литература

1. Tversky B. Levels and structure of spatial knowledge //Cognitive mapping: Past, present and

А-В-С.

future. 2000. Р. 24-43.

2. Цветков В.Я. Пространственные знания // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 7. С. 43-47.

3. Савиных В.П. Геознание. - М.: МАКС Пресс, 2016. 132 с.

4. Башлыков А. Когнитивная графика как средство образного представления информации в человеко-машинных системах управления сложными объектами //Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2008. № 12. С. 15-24.

5. Берестнева О.Г., Дзюра А.Е. Когнитивная графика в социально психологических исследованиях //Современные проблемы науки и образования. 2012. № 3. С. 163-163.

6. Шорыгин С.М. Визуальное моделирование в информационных технологиях // Перспективы науки и образования. 2014. № 6. С. 19-25.

7. Кудж С.А., Цветков В.Я. Факторы когнитивной сложности // ИТНОУ: Информационные технологии в науке, образовании и управлении. 2018. № 6. С. 34-41.

8. Болбаков Р.Г. Анализ когнитивности в науке и образовании // Перспективы науки и образования. 2014. № 4. С. 15-19.

9. Номоконов И.Б. Когнитивное моделирование в диагностики // Славянский форум. 2017. № 4 (18). С. 50-56.

10. Tsvetkov V.Ya. Cognitive information models // Life Science Journal. 2014. N. 11 (4). P. 468-471.

11. Varela F.J., Thompson E., Rosch E. The embodied mind: Cognitive science and human experience. - MIT press, 2017.

12.Ручкин В.Н., Романчук В.А., Фулин В.А. Когнитология и искусственный интеллект. -Рязань: РГУ, 2012. 262 с.

13. Виттих В.А. Когнитология развивающихся систем // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. № 10. С. 45-50.

14. Цветков В.Я. Рецепция информации // Образовательные ресурсы и технологии. 2016. № 1 (13). С. 121-129.

15. Номоконова О.Ю. Рецепция информации при медицинской диагностике // Славянский форум. 2015. № 4 (10). С. 238-243.

16. Чехарин Е.Е. Большие данные: большие проблемы // Перспективы науки и образования. 2016. № 3. С. 7-11.

17. Tsvetkov V^. Spatial Information Models // European researcher. 2013. N. 10-1 (60). P. 2386-2392.

18. Номоконова О.Ю. Виды информационных соответствий // Славянский форум. 2018. № 2 (20). С. 44-49

19. Ожерельева Т.А. Информационное соответствие и информационный морфизм в информационном поле // ИТНОУ: Информационные технологии в науке, образовании и управлении. 2017. № 4. С. 86-92.

20. Цветков В.Я. Информационное соответствие // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 1-3. С. 454-455.

21. Бахарева Н.А. Пространственные отношения как фактор оценки земель // ИТНОУ: Информационные технологии в науке, образовании и управлении. 2018. № 6. С. 61-69.

22. Цветков В.Я. Виды пространственных отношений // Успехи современного естествознания. 2013. № 5. С. 138-140.

23. Розенберг И.Н., Цветков В.Я. Когнитивная и пространственная логика в ситуационных центрах // Наука и технологии железных дорог. 2019. № 2 (10). С. 3-16.

24. Guhe, Markus, Alison Pease, Alan Smaill, Maricarmen Martinez, Martin Schmidtb, Helmar Gust, Kai-Uwe Kuhnberger and Ulf Krumnack (2011). A computational account of conceptual blending in basic mathematics. Cognitive Systems Research Volume 12, Issues 3-4, September-December 2011, pp. 249-265 Special Issue on Complex Cognition/

25. Савиных В.П. Концептуальное смешивание в геознании // Славянский форум. 2017. № 2 (16). С. 19-24.

26. Болдырев Н.Н. Когнитивная семантика. Введение в когнитивную лингвистику. - Тамбов: ТГУ, 2014. 236 с.

27. Цветков В.Я. Анализ неявного знания // Перспективы науки и образования. 2014. № 1 (7). С. 56-60.

28. Щенников А.Н. Неопределенность и комплементарность // Славянский форум. 2018.

№ 4 (22). С. 85-90.

29. Майоров А.А. Стратификация в геоинформатике // Славянский форум. 2017. №-2 (16). С. 45-51.

30. Tsvetkov V.Ya. Dichotomous Systemic Analysis // Life Science Journal. 2014. N. 11 (6). P. 586-590.

31. Ожерельева Т.А. Оппозиционный анализ информационных моделей // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 11-5. С. 746-749.

Сведения об авторе

Роман Геннадьевич Болбаков

канд. тех. наук, доц.

зам. зав. каф. инструментального и прикладного программного обеспечения Института информационных технологий РТУ МИРЭА Россия, Москва Эл. почта: antaros05@ya.ru

Information about author

Roman G. Bolbakov

Associate Professor, Ph.D. Assistant professor

Deputy Head of the Tool and Applied Software

Department Institute of Information

RTUMIREA

Moscow, Russia

E-mail: antaros05@ya.ru

УДК 004.5; 378.1 Т.А. Ожерельева

ГРНТИ 28.23.23 МФЮА

КОГНИТИВНАЯ РЕПРЕЗЕНТАЦИЯ

Статья исследует состояние и развитие когнитивной репрезентации и ментальной репрезентации. Когнитивная и ментальная репрезентации возникли в психологии. Статья исследует отношение философии сознания и когнитивной науки. Дуализм и монизм являются двумя подходами на проблему разума и тела. Они исследуются в аспекте когнитивной науки. Дается анализ физикалистской и нередуктивную физикалистской позиции. Отмечено, что умственные способности не могут быть сведены к простому языку. Отсюда ментальная репрезентация не сводима к формальным моделям. Статья показывает различие между ментальной репрезентацией и когнитивной репрезентаций. Статья показывает различие между ментальными символами и когнитивными символами. Исследуется вычислительная теория разума. Исследуются разногласия между коннекционистами и классиками вычислительной теории разума. Статья показывает ошибочность точки зрения того, что коннекционизм влечет отсутствие пропозициональной установки.

Ключевые слова: когнитивная наука, репрезентативные теории представление, репрезентация, вычислительная теория, язык образов, философия сознания, язык гипотезы мышления, ментальные образы, ментальное содержание, репрезентационная теория разума, вычислительная теория разума.

TA. Ozhereleva

Moscow Financial Law Academy

COGNITIVE REPRESENTATION

The article explores the state and development of cognitive representation and mental representation. Cognitive and mental representations arose in psychology. The article explores the relationship between the philosophy of consciousness and cognitive science. Dualism and monism are two approaches to the problem of mind and body. They are investigated in the aspect of cognitive science. The article analyzes the physicalist and non-reductive physicalist positions. The article emphasizes that mental abilities cannot be reduced to simple language. Hence, mental representation is not reducible to formal models. The article shows the difference between mental representation and cognitive representations. The article shows the difference between mental symbols and cognitive symbols. The computational theory of the mind is investigated. The article explores the differences between the connec-tionists and the classics of the computational theory of the mind. The article shows the fallacy of the point of view that connectionism entails the absence of a propositional attitude.

Keywords: cognitive science, representative theories of representation, representation, computational theory, language of images, philosophy of consciousness, language of hypotheses of thinking, mental images, mental content, representative theory of mind, computational theory of mind.