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. 

سامانه‌های دینامیکی شناختی

  • اصول و مفاهیم اساسی سیستم های دینامیکی شناختی

در دنیای واقعی سیستم های طراحی و ساخته شده موجود همواره در معرض عدم قطعیت ها می باشند یکی از روشهای موثر برای کاهش اثر عدم قطعیت ها در سیستم های کنترلی، استفاده از روش کنترل تطبیقی است. البته در کنار این روش، شبکه های عصبی و روش های هیبریدی نیز در کنترل مورد استفاده قرار میگیرند.

کنترل کننده های تطبیقی در محیط هایی با عدم قطعیت پیشبینی شده (ساختار یافته) به خوبی عمل میکنند اما در کنترل سیستمهائی با محیط های دینامیکی غیر مدل شده، نیاز به یک عامل انسانی ضروری به نظر میرسد. این عدم توانایی در کنترل کننده ناشی از عدم توانایی سیستم در جمع آوری اطلاعات کافی و لازم به صورت خود سازمان یافته است و اگر بتوان از طریق علوم شناختی ، اطلاعات کافی و لازم را بدست آورد میتوان از این کنترل کننده ها در محیطهای با دینامیک غیر مدل شده نیز استفاده نموده و نیاز به مداخله انسان را به حداقل رساند.

بر اساس علوم عصب شناسی و روانشناسی، شناخت همان قابلیتی است که میتواند در رسیدن به اطلاعات لازم و کافی برای کنترل سیستم ها مورد استفاده قرار گرفته و با قرار گرفتن در سیستم کنترل، نیاز به مداخله انسان را کم کند.

بصورت کلی قابلیت اساسی سیستمهای کنترلی مبتنی بر شناخت، رفتار هدفمند آنها در محیط های غیر ساختار یافته و یا در محیطهای با دینامیک غیر مدل شده است.

برای بیان مفهوم سیستمهای دینامیکی شناختی ضرورت دارد که به صورت اجمالی به معرفی علوم شناختی بپردازیم.

علوم شناختی همان علمی است که به تعریف و مطالعه شناخت پرداخته است. برای دستیابی به این هدف، علوم شناختی تبدیل به علمی میان رشته ای شده و متشکل از زبان شناسی، روانشناسی، هوش مصنوعی، فلسفه، عصب شناسی و انسان شناسی شده است.

از مطالعه  در حوزه علوم شناختی تاکنون نتایج بسیار زیادی بدست آمده است که به تشریح برخی از پایه ترین آنها پرداخته میشود.

واژه شناخت در لغت نامه به معنی عمل یا پروسه دانستن است (OED). در واقع شناخت یک قابلیت در سیستم است و از زیر قابلیت هایی همچون زبان، ادراک، حافظه، توجه، احساس و استدلال ساخته شده است.

پروسه ای که در آن این قابلیت ها میتواند استفاده شود، تعامل سیستم دارای شناخت با محیط است که به این تعامل چرخه ادراک و عمل میگویند.

ادراک به معنای دریافت اطلاعات درباره محیط و عمل فرایند تولید رفتار برای تغییر محیط اطراف است. بر اساس فوستر این پروسه در مغز به صورت جزیی تر در شکل پایین به نمایش گذاشته شده است.

برای فهم بهتر پروسه به تشریح قسمت های مغز و پروسه های آن پرداخته می‌شود.

لوب پیشانی کار تمرکز، رفتار هدفمند(در مقابل رفتار عادتمندانه)، کنترل احساس و حل مسائل پیچیده را انجام می‌دهد. این قسمت همچنین مربوط به شخصیت انسان می‌شود. در ضمن قشر حرکتی هم در لوب قرار دارد. قشر حرکتی در واقع مسئولیت حرکت های ارادی را دارا می‌باشد. لوب میانه‌ای قسمت ورودی به مغز است که برای احساس لمس بدن به کار می‌رود. قشر حسی اینجا قرار می‌گیرد.  لوب گیجگاهی، عمل شنوایی، حفظ تعادل، زبان و درک مطلب را انجام می‌دهد. لوب نری هم برای پردازش تصویر به کار می‌رود.

به قسمت های غیر قشری، ارتباطی می‌گویند(Associated)، که هدف این قسمت ها پردازش سطح بالاتری است که در لوب پیشانی قضاوت، برنامه ریزی، پردازش خاطرات جدید و شخصیت اجام می‌پذیرد، در لوب میانه ای، عملیات ریاضی و استدلال فضایی صورت می‌پذیرد، لوب گیجگاهی مربوط به تشخیص چهره و لوب نری پردازش تصویر و تشخیص رنگ را به انجام می‌رساند.  

حال با دانستن قسمت های مغز به طور کلی به پروسه مغز می‌پردازیم و بررسی میکنیم که جریان اطلاعاتی در مغز چگونه حرکت می‌کند.

طبق شکل قبل داده از محیط بعد از اینکه از تالاموس(توضیح داده خواهد شد) گذشت به قشر حسی اولیه خواهد رسید. اطلاعات حسی در این قشر دریافت شده و جهت رمز‌گشایی به قشر ارتباطی یکجانبه انتقال پیدا می‌کند. در این قسمت داده ها از یک ورودی(حس) پردازش میشوند(حس ها به صورت مجزا پردازش می‌شوند) و نتیجه پردازش از تک حس ها به قسمت قشر حسی چندجانبه رفته و در این قسمت داده ها از چند ورودی و باهم پردازش می‌شوند.

سپس در قسمت قشر پیش‌پیشانی انتخاب درست حرکت صورت می‌گیرد و در قسمت قشر حرکتی پیشبین، برنامه‌ریزی حرکتی و تصمیم گیری حرکتی انجام می‌شود. سپس داده ها جهت اجرا به قشر حرکتی اولیه رسیده و سیگنال های درست برای عضلات ساخته می‌شود.

برای دست انجام شدن اهداف حرکتی، از حرکت عضلات پسخور وجود دارد. اما با توجه به تاخیر زیادی در این برگشت اطلاعات وجود دارد، مدل داخلی(Internal forward model) برای پیشبینی حرکتی استفاده شده در مغز به حرکت های خوب عضلات منجر شده است.

در ضمن، مغز در کنار تصمیم گیری چه هدفمند چه براساس عادت برای روبه‌رو شدن با عدم قطعیت‌ها یا فعالیت های اتوماتیک عملیات بیشتری از آنچه توضیح داده شد انجام می‌دهد.

یکی از این مسائل تصمیم گیری پر مخاطره یا در عدم قطعیت است.می‌توان گفت در حیوانات پیدا کردن غذا و پرهیز از درنده در طبیعت از اساس تصمیم گیری است. پروسه‌ی خطر و تحلیل آن در مغز مربوط به قسمتی به نام آمیگدالا می‌شود.

تالاموس در مغز ارتباط قوی بین قشر مغز و میان‌مغز که آمیگدالا در قسمت راست آن واقع شده است، دارد. هدف تالاموس در واقع تقویت سیگنال های حسی و حرکتی است.

وقتی تحدیدی رخ می‌دهد این تحدید وارد تالاموس شده و هم به قشر و هم به آمیگدالا می‌رود. در ضمن ارتباطی بین قشر و آمیگدالا هم وجود دارد. این پروسه در دیاگرام زیر به خوبی قابل مشاهده است.

بعد از آمیگدالا ترس ایجاد شده و به سه قسمت به شرح زیر وارد می‌شود.

PAG قسمتی از مغز است که نقش اساسی در در رفتار مرتبط با استرس داخلی همچون درد و خارجی همچون تحدید را داراست. همچنین LH یا لترال هیپوتالاموس، به سیستم عصبی اتونیک متصل است که این سیستم نقش کنترل اتوماتیک بدن همچون تنفس، کنترل دما و ضربان قلب را ایفا می‌کند. پاراونتریکولار از طرفی نقش ترشح موادی همچون کورتیسال در مواجهه با استرس را داراست که باعث افزایش قند خون می‌شود.

با ایجاد ترس در PAG تصمیم گیری هایی همچون فریز شدن صورت میگیرد و در سیستم عصبی اتونیک، اتفاقاتی همچون افزایش ضربان قلب رقم می‌خورد.

اما مغز تحدید ها را چگونه تشخیص میدهد؟ یادگیری که مغز در آن تحدید ها را یاد می‌گیرد شرطی شدن ترس نام دارد. در واقع مغز درد را از طریق سیستم عصبی تشخیص می‌دهد(بدون یادگیری) ولی تشخیص تحدید نوعی یادگیری است.

دیاگرام زیر این نوع یادگیری را تشریح می‌کند.

این پروسه با حذف درد و ماندن چاقو، رفته رفته کم می‌شود.

واکنش هایی که مغز در مواجهه با تحدید انجام می‌دهد، قابلیت مهاری سیستم شناختی است که در حین انجام تصمیم گیری های چه براساس هدف و چه براساس عادت، می‌تواند با وجود تحدید رخ دهد و باعث زنده ماندن و رشد موجود شود. اما همه‌ی عدم قطعیت های موجود از جنس تحدید نیستند. حال بررسی می‌شود که مغز چگونه با این عدم قطعیت ها مواجهه می‌کند.

در اصل بررسی می‌کنیم که مغز در مواجهه با یک دو راهی چطور رفتار می‌کند یا چه پروسه ای بعد از رمزگشایی حسی و قبل از انتخاب عمل صورت می‌گیرد.

تصمیم گیری در عدم قطعیت غیر تحدیدی بر اساس ارزشگذاری، تجربه و پیشبینی، صورت می‌گیرد. در واقع وقتی داده های حسی رمزگشایی شده و اشیاء(در انتخاب یک شیء از بین چند تا) و راه ها شکل می‌گیرند، وارد مرکزی به عنوان ارزش گذار، شده و برای هر کدام از راه ها یا اشیاء، ارزشی در نظر گرفته می‌شود. 

هر کدام از تصمیم هایی که ارزش بیشتری داشته باشد، انتخاب می‌شود. اما پروسه ارزش گذاری مربوط به دوپامین است. وقتی دوپامین ترشح می‌شود، حس شادی بوجود می‌آید و علت آن ترشح، ارزشمند می‌شود. به عنوان مثال اگر از انتخاب الف در گذشته لذتی به دست آورده باشیم، الف ارزشمند می‌شود. بر اساس شواهد موجود در محیطی که ترشح در آن رخ داده است، عمل پیشبینی در انتخاب های جدید شکل می‌گیرد. این پیشبینی در تصمیم های بر اساس هدف وجود دارد در حالی که در تصمیم های بر اساس عادت، عملا به نتیجه آن طور که در تصمیم گیری هدف مند است، فکر نمی‌شود.

در مغز، داور (Arbitrator) بر انتخاب بین تصمیم گیری بر اساس هدف و عادتمندانه، با ارزش گذاری روی عادت، تاثیر می‌گذارد. ارزش عادت با ارزشی که برای انتخاب هدف مند پیشبینی شده مقایسه می‌شود و رفتار شکل می‌گیرد.

عادت خود در چرخه ای تحت عنوان چرخه عادت شکل می‌گیرد.یکی از مهم ترین عوامل ارزش گذاری در عادت تکرار رفتار بعد از یک سرنخ یکسان است که پروسه آن به صورت شکل زیر می‌باشد

در این پروسه سرنخ به عنوان محرک و شروع کننده عادت است، در واقع سرنخ تغییر در موقعیت از دید مغز است که می‌تواند منجر به یک رفتار شود. باور در واقع پیشبینی از لذت است. این بلوک جذابیت رفتار را شکل می‌دهد. سپس روتین همان رفتار است و پاداش همان دوپامینی است که از انجام آن کار شکل می‌گیرد. باور و پاداش به تکرار رفتار کمک کرده و با تکرار زیاد روتین ارزش تصمیم عادت گونه این روتین در داور(Arbitrator) زیاد می‌شود.

پس از تحلیل ساختار و فرایند‌های مغز نتایج شگفت انگیزی بدست می‌آید که در ادامه به آن پرداخته می‌شود.

از شکل دیدیم که مغز با ساختار لایه ای خود مسائل پیچیده را در چرخه ادراک و عمل به مسائل ساده تر می‌شکند و ویژگی ها را از ویژگی ها استخراج می‌کند. در پروسه مغز پسخور جهانی و محلی وجود دارد. اهداف و رفتار سیستم شناختی انعطاف پذیر بوده و بر اساس موقعیت و تجربه تغییر می‌کند.

پروسه با ادراک شروع می‌شود. ادراک به معنای دریافت اطلاعات درباره محیط است. این کار با گرفتن داده حسی خام شروع شده و به تشخیص کلاس بندی یا مکان‌یابی اشیا می‌رسد. در اصل ادراک یک تخمین تصادفی از محیط است. سپس یادگیری از روی داده های ادراک شده شکل می‌گیرد. درواقع یادگیری فرایند تولید دانش است. دانش به دو نوع اعلامی و فرایندی تقسیم می‌شود. اعلامی همچون اطلاعات در مورد اشیا و ارتباط بین آنها و فرایندی همچون اطلاعاتی در مورد مرحله به مرحله انجام دادن یک کار. استدلال نیز فرایندی است برای بدست آوردن نتیجه از شواهد یا قوانین. همچنین برنامه ریزی در مغز انجام می‌پذیرد که به معنای تولید رفتار های در آینده است. مغز برای تخصیص منابع از توجه استفاده می‌کند و در نتیجه برای حل مسائل روش های بهینه ای استفاده می‌کند که به آن هوشمندی گفته می‌شود.  به طور کلی از ادراک تا عمل فرایند های بسیاری صورت می‌گیرد که مجموعه این‌ها تصویری از داده ورودی به خروجی است. این تصویر کنترل نام دارد.

 پس سیستم شناختی، به صورت مقاوم در محیط های غیر ساختار یافته تصمیم گیری و رفتار می‌کند و از قابلیت های حافظه و یادگیری، توجه، هوشمندی، زبان، کنترل خطر شناختی(مربوط به رفتار در مقابل خطر و ریسک) و تعامل با محیط برخوردار است. همچنین برای بدست آوردن این قابلیت ها از عملیات برنامه ریزی و استدلال استفاده می‌کند.