سیستم دینامیکی شناختی و کاربرد آن در مهندسی

چکیده 

یکی از شگفتی‌های جهان مغز انسان و موجودات ذهنمند است.اهمیت مطالعه این شگفتی در دنیای مهندسی در کنار زیبایی ذاتی آن، از این جهت است که توانمندی هایی از موجودات ذهنمند که ناشی از مغز است، در سیستم های مهندسی پیاده‌سازی شود. هدف و ایده، الگو برداری و مدلسازی از مغز و قابلیت شناخت در این موجودات است تا سیستم مانند این موجودات، در مواجهه با پیچیدگی‌های فراوان محیط قابلیت اعتماد بالاتری داشته باشد. در این راستا سیستم‌های دینامیکی شناختی معرفی شدند، که خود شاخه‌ای از سیستم‌های دینامیکی هستند که با الهام از نحوه‌ی کار کردن غشای مغز و با هدف افزودن قابلیت‌های شناختی همچون توجه، حافظه، یادگیری و برنامه‌ریزی، طراحی شده‌اند. چگونگی رخ دادن این هدف در دنیای مهندسی بررسی خواهد شد و سپس این سیستم‌ها و اجزای تشکیل دهنده آنها شرح داده‌ می‌شود. در انتها به کاربرد‌های این نوع سیستم‌ها و رباتیک شناختی اشاره شده و تاریخچه‌ای از این موضوع بیان شده‌است. 

امروزه یکی از موضوعات جذاب دنیای علم، مطالعه نحوه یادگیری و تصمیم‌گیری در انسان می‌باشد. چون انسان در کنار هوشمندی زیاد، توانایی بسیار خوبی در تعامل با محیط، از جمله عدم قطعیت‌های فراوان را داراست. 

مطالعات در قالب علم شناخت منجربه ساخت مدل از نحوه‌ی فکر کردن و ذهن انسان شده‌است. هم‌اکنون این مدل‌ها در بسیاری از گرایش‌های علمی، مورد استفاده و بهره‌برداری واقع شده‌اند. 

شبکه‌های عصبی مصنوعی، یکی از این الگوبرداری‌هایی است که دنیای مهندسی به خود دیده است. تاثیرگذاری این مباحث در مهندسی کنترل هم‌اکنون انکار ناپذیر است. 

یکی از مدل‌سازی‌ها و مطالعات در حوزه‌ی شناخت قرن 21 میلادی، اصول فوستر می‌باشد. این اصول به برخی از پایه‌ای ترین قسمت‌های شناخت و ذهن اشاره دارد. پیاده‌سازی این اصول در دنیای مهندسی، سیستم‌های جدیدی را بوجود آورده‌است که به آنها سیستم‌های دینامیکی شناختی می‌گویند. در ادامه مقدمهای از علوم شناختی گفته شده تا بتوان بهتر سیستم‌های دینامیکی شناختی را بررسی کرد. 

علوم‌شناختی اشاره به یک حوزه‌ی میان رشته‌ای دارد که به طور مشخص شامل شش رشته‌ انسان‌شناسی، علوم اعصاب، زبان‌شناسی، هوش‌مصنوعی و فلسفه ذهن می‌شود. هدف مشترکی که این شش رشته را ذیل یک عنوان قرار داده‌است، مطالعه ذهن و شناخت در انسان و هر موجود ذهنمند است.هدف از این علم این است که اولا قابلیت‌های شناختی که در موجودات زنده وجود دارد به شکل علمی تعریف و تدوین شود و سپس مکانیسم‌هایی که در مغز باعث بوجود آمدن چنین قابلیت‌هایی بوده اند، شناسایی شوند. وقتی این مکانیسم‌ها شناخته‌شدند به زبان ریاضی ترجمه و به شکل کمی مشخص و سپس مدلسازی می‌شوند. در ادامه به بررسی سیستم‌های شناختی پرداخته شده و بیان شده که چگونه از علم شناخت این سیستم‌ها، متولد شده اند. 

بخش بزرگی از پردازش اطلاعات در ناحیه غشای مغز رخ می‌دهد که بر اساس نظر محققان نقش کلیدی در شناخت ایفا می‌کند. تحقیقات نشان دهنده‌ی این است که قسمت‌های مختلف غشا مغز با یک سیستم و رمز گشایی یکسان کار و با اطلاعات برخورد می‌کند. در ادامه تحقیقات اصولی جامع‌تر و ساختاریافته‌تر از شناخت ارائه شد که پایه و اساس سیستم‌های دینامیکی شناختی را تشکیل داده است. یکی از این تعاریف مهم، مربوط به اصول فوستر است. 

در تعرف فوستر شناخت بر پایه پنج بلوک اساسی یعنی، چرخه ادراک و عمل، حافظه، توجه، هوشمندی و زبان بیان شده‌است. از دید مهندسی این بلوک ها منجربه بوجود آمدن سیستمی می‌شود که به آن سیستم دینامیکی شناختی می‌گویند. در حقیقت سیستم دینامیکی شناختی بعد از اضافه کردن توانایی ‌های شناختی به سیستم دینامیکی مصنوعی بوجود آمده‌است و نوعی سیستم دینامیکی محسوب می‌شود. همچنین اضافه کردن توانایی‌های شناختی به سیستم‌های تکنیکی فیزیکی در محیط واقعی، همچون ربات‌ها و کارخانجات، سیستم‌هایی تشکیل داده که، قابل اعتمادتر، انعطاف‌پذیرتر، تطبیق‌پذیرتر و مقاوم‌تر باشد. 

از جهت پیاده سازی برای این که سیستم دینامیکی، شناختی نامیده‌ شود، باید کمینه توانایی‌های شناخت را در خود داشته‌باشد. این توانایی‌ها در پایین آمده‌اند. 

  1. حافظه و یادگیری 
  1. هوشمندی و برنامه‌ریزی 
  1. توجه 
  1. تعامل بامحیط 

این چهار توانایی در سیسیم دینامیکی شناختی مطابق با شکل زیر، از طریق ساختار حلقه بسته ادراک و عمل پیاده‌سازی شده‌است. 

وظیفه این بخش تولید بهره اطلاعاتی از محیط است که بهره آن در این چرخه و با هر سیکل، افزایش بیابد. در این چرخه داده از محیط توسط بخش ادراک پردازش شده و به بخش عمل وارد می‌شود. در پاسخ به پسخورد بخش ادراک، عملگر متناسب با محیط عمل می‌کند و چرخه کامل می‌شود. در عمل بخش ادراک عمل را کنترل کرده و بخش عمل بر روی بخش ادراک با تاثیر در محیط، تغییر ایجاد می‌کند. 

قسمت ادراک شامل حافظه، یادگیری و توجه می‌باشد و قسمت عمل دربرگیرنده توانایی برنامه‌ریزی، هوشمندی و کنترل است. 

حافظه نقش رمز گشایی سیگنال‌های ورودی، ذخیره اطلاعات بدست آمده و بازیابی آنها متناسب با یک سرنخ یا نشانه در محیط را داراست. در برخی کاربردها حافظه عمل پیشبینی را هم برای قسمت عمل انجام می‌دهد. 

توجه نقش تخصیص امکانات محاسباتی سیستم در مواجهه با محدودیت‌های محاسباتی را دارد و در نهایت هوشمندی نقش تصمیم‌گیری در حظور اغتشاش و یا عدم قطعیت را بازی می‌کند. طراحی این بلوک‌ها در کنار هم ضروری است و بررسی کاربرد‌های ادغام شناخت در مهندسی از لحاظ عملی بسیار مهم است. در ادامه به برخی کاربرد‌های سیستم‌های دینامیکی شناختی اشاره خواهد شد. و همچنین مثال‌هایی از سیستم‌های تکنیکی‌ای که شناخت در آن ادغام شده است، بیان می‌شود.