IS-SW - Seminar - Simulation von Wissen

Fachbereich 2

Studiengang: Informatik

Doz: Döben-Henisch

Letzte Änderung: 9.Mai 2004,

Seite 8//8

Nachdem die Frage nach der generellen Lernfähigkeit von universellen Turingmaschinen und dazu äquivalenten Formalismen grunsätzlich positiv beantwortet werden konnte, wurde für den weiteren Fortgang die kognitive Psychologie als ein interessanter Partner für die Informatik geortet. Es wurde das Paradigma der Psychoinformatik skizziert, unter dem die Informatik methodisch gezielt die Ergebnisse der kognitiven Psychologie nutzt, genauso wie umgekehrt, die kognitive Psychologie die Methoden der Informatik nutzt, um ihre eigene Theorebildung zu verbessern.

In der ersten Überlegung nach einem möglichen Anwendungsgebiet war die Diagnose- und Therapiesituation des Arztes als mögliches interessantes Anwendungsszenarium identifiziert worden, dies abgewandelt und transformiert als die Situation eines Kindes, das lernen muss, wie man über die verschiedenen Aspekte dieser Welt spricht.

Im weiteren Verlauf der Analyse ergab sich aber noch ein weiteres Szenario, was sich für die weitere Arbeit anbietet. In diesem anderen Szenarium wird ein kognitiver Agent schrittweise aufgebaut, der mit einer definierten Testwelt kommuniziert.

Als Kontext für diese Überlegung sei hier das planearthsimulator-Projekt angenommen (siehe http://www.planetearthsimulator.org ) zusammen mit dem Konzept des smart ambient computing des kommenden gleichnamigen Masterstudienganges des Fachbereichs 2 zusammen mit Fachbereich 4.

In diesem Projekt wird angenommen (siehe nachfolgendes Schaubild), dass von beliebigen Aspekten der realen Welt ein logisches Modell (LModel) erstellt werden kann. Diese LModelle werden in einem öffentlichen Pool von Modellen vorgehalten. Über einen Server, der als Simulation Control (SC) fungiert, können vorhandene LModelle für eine Simulation ausgewählt werden. Wurde ein LModell für eine Simulation ausgewählt, dann wird ein Simulationsauftrag erstellt, der dann einem Server übermttelt wird, der als Cluster Manager (CM) fungiert. Der Clustermanager kann soviele Simulationsprozesse starten, wie für den Simulationsauftrag notwendig sind. Zusätzlich zu den LModellen, die Weltprozesse repräsentieren, können auch noch spezielle kognitive Agenten (Cognitive Agents, CAgents (CAs)) konstruiert werden. Auch diese werden in einem Pool vorgehalten. Zu jedem LModell kann mindestens ein CAgent gestartet werden.

Aus Sicht des Clustermanagers sind Simulatoren, die LModelle simulieren und Simulatoren, die CAgenten simulieren, gleichwertig; intern haben sie aber eine unterschiedliche Struktur; auch ist ihre Aufgabenstellung verschieden. Ein CAgent versucht, menschenähnliche Kommunikation so realistisch wie möglich anzunähern. Zu diesem Zweck werden alle Strukturen zur Verfügung gestellt, die dazu notwendig sind. Ein LModell dagegen repräsentiert im allgemeinen nur generische Veränderungsprozesse.

Die Verbindung zum Paradigma der Psychoinformatik ist wie folgt zu sehen: die Beziehung zwischen kognitiver Psychologie und Informstik ist nicht nur uni-direktional, sondern bi-direktional. Die Informatik wartet nicht nur

'passiv' auf Modellierungsanforderungen seitens der kognitiven Psychologie --obgleich hier natürlich eine Überfülle an Daten und partiellen Modellen vorliegt--, sondern sie kann auch --ganz analog der Rolle der Mathematik im Falle der Physik-- aktiv Modelle entwickeln, die dann die kognitive Psychologie nutzen kann, um ihre experimentellen Situationen unterstützend zu modellieren.

Phase	Experiment	Theorie
1		Kognitionspsychologisches Modell vorher
2	Kognitionspsychologisches Experiment mit menschlichen VPNs
3		Kognitionspsychologisches Modell nachher
4		Informatik Modell vorher
5	Kognitionspsychologisches Experiment mit künstlichen VPNs
6		Informatik Modell nachher
7		Kognitionspsychologisches Modell nachher

In diesem Sinne versteht sich das zuvor skizzierte Szenario als ein Meta-Modell für eine ganze Fülle möglicher konkreter Modelle für die kognitive Psychologie.

Das Ziel des weiteren Vorgehens besteht nun also darin, im Sinne des so modifizierten Paradigmas der Psychoinformatik unter Berücksichtigung des Konzepts des PlanetEarthsimulator-Projektes und des Paradigmas des smart ambient computing Schritt für Schritt sowohl einen CAgenten aufzubauen wie auch einen dazu passenden Pool von LModellen. Das Ganze kann man als eine Art Roadmap auffassen, die festlegt, welche Eigenschaften eines CAgenten wann erreicht sein sollen.

Phase	Sim/Welt	Sim/CAgent	Memory von Sim/CAgent
1	Einfaches Echo	Kann Nachrichten senden und empfangen	Leer
2	Die Welt besteht aus Objekten, die Positionen in einer Fläche einnehmen; jedes Objekt kann Eigenschaften haben	Bewegungen sind zufällig; Objekte für Nahrungsaufnahme können erkannt und konsumiert werden; Energieverlust unter einem Schwellwert führt zum Tod	Leer
Bewegungen können Gedächtnisinformtionen nutzen	Imitierendes passives Gedächtnis für Positionen und Objekte an diesen Positionen
Imitierendes und aktiv expandierendes Gedächtnis; Unterscheidung von 'registriert' und 'konstruiert'

Phase	Sim/Welt	Sim/CAgent	Memory von Sim/CAgent
3	Eine Welt als 'Stockwerk': Flure und Zimmer mit Türen, Fenstern, Möbeln, Personen, Tieren, Pflanzen.	Forts.	Zusätzlich Konzeptbildung unter Voraussetzung von Objekten mit Eigenschaften, die Positionen in einer Fläche einnehmen können; Konzepte sind abstrakt und können rekursiv sein. Objekte sind konkret und nicht rekursiv
4	Zusätzlich sprachliche Ereignisse	Zusätzlich Sprechakte	Verknüpfung von sprachlichen Ereignissen mit Konzepten durch Lernen

Dieser Entwurf einer Roadmap ist noch sehr grob. Der Aspekt der Planung, die Rolle möglicher Emotionen und die Wahrnehmung sind kaum bis garnicht spezifiziert.

Um die Roadmap umzusetzen, wird jetzt ein erstes Testprojekt definiert, das als Teilprojekt zum aktuellen Planet Earth Simulator (PES) Projekt organisiert wird.

Dieses Testprojekt wird SimWorld + SimCognitiveAgent genannt. Der gemeinsame Rahmen für SimWorld + SimCognitiveAgent ist eine Umgebung im Rahmen des MPI-Protokolls (MPI := Message Passing Interface) in der Implementierung von LAM (:= Local Area Multicomputer)(URL: http://www.lam-mpi.org/) oder MPICH (URL: http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/mpich/indexold.html )(Beide Versionen sind Teil der SuSe-Linux Distribution version 9.0).

Der MPI-Standard Version 1.1 wurde im Juni 1995 veröffentlicht. Die Erweiterungen MPI-1.2 and MPI-2 enthalten "process creation and management, one-sided communications, extended collective operations, external interfaces, I/O, and additional language bindings." Es handelt sich um eine Softwareumgebung für paralleles Rechnen auf dezidierten Parallelrechner, heterogenen Netzen wie auch speziellen Grid-Netzen. Die meisten gängigen Plattformen werden unterstützt.

Im einfachen Fall wird ein MPI-Frame geladen. Innerhalb des MPI-Frames kann man dann nahezu beliebig viele Prozesse dadurch starten, dass man eine MPI-Startdatei angibt, die eine Liste von Nodes enthält, auf der Prozesse gestartet werden sollen. Dann gibt man an welche Programme auf welchen Nodes in wievielfacher Ausfertigung gestartet werden sollen. Dann werden diese Programme vom MPI-Frame gestartet.

Jedes dieser Programme (C, C++ oder Fortran), die auf diese Weise gestartet werden sollen , muss zuvor beim Linken mit der mpi-Bibliothek gelinkt werden. Dadurch ist es möglich, in diesen Programmen alle die speziellen mpi-Funktionen für die Kommunikation und für das Rechnen im Verbund zu benutzen.

Für die ersten Testversionen eines Programms reicht es aus, den MPI-Frame auf einem lokalen Rechner (127.0.0.1) zu starten und alle Nodes auf diesem lokalen Rechner zu halten. Später kann man über die MPI-Startdatei externe Rechner mittels Namen (Auflösung über DNS-Server) angeben.

Für das Testprojekt SimWorld + SimCognitiveAgent nehmen wir an, dass ein geeigneter MPI-Frame gegeben ist und dass sowohl verschiedene Versionen von Testwelten --realisiert als SimWorld-- wie auch verschiedene Versionen von CAgents --realisiert als SimCognitiveAgent-- entwickelt werden sollen. Von daher wird das Testprojekt SimWorld + SimCognitiveAgent in zwei Teilprojekte aufgespalten:

Das Teilprojekt SimWorld wird von einer Gruppe ausserhalb des Seminars 'Simulation von Wissen' bearbeitet (KW21- KW25 2004). Hier nur der Vollständigkeit halber eine kurze Beschreibung.

Simworld ist ein Prozess im Rahmen eines MPI-Frames. Aufgrund der MPI-Bibliothek besitzt der Prozess Simworld Mechanismen, eine Kommunikation mit anderen Prozessen z.B. über TCP/IP zu realisieren. Diese Kommunikation dient dazu, sowohl die Wahrnehmung (Perception) von assoziierten kognitiven Agenten zu simulieren wie auch deren Aktivitäten (Actions). Sowohl Wahrnehmung wie auch Aktionen werden über Nachrichten (Messages) realisiert.

Bevor eine SimWorld in Aktion treten kann, muss aus einerDatei im FSL-Format (Endung .fsl) die Beschreibung einer zu simulierenden Welt eingelesen werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Parsers, der mit dem flex+bison-Parsergenerator erzeugt worden ist. Dieser Parser wurde gebaut, um die Sprache FSL-v1.1 zu definieren (FSL := Formal Systems Language). Diese Sprache wurde im Rahmen des PES-Projektes definiert, um Prozessbeschreibungen leicht implementieren zu können, die auf dem Systembegriff basieren. Der Begriff LModell (:= Logical Model) rührt daher, dass jede Beschreibung von Weltprozessen als eine Konstruktion eines logischen Modells des realen Prozesses aufgefasst wird, eine abstrahierende Konstruktion, so, wie es im Rahmen des Softwareengineerings und von Theoriebildungen generell üblich ist. So gesehen ist der Parser hier eine Abbildung von FSL-Daten in Welt-Daten:

Die Welt-Daten (World-Data) sind eine interne Datenstruktur des SimWorld-Prozesses. Diese können von dem SimWorld-Prozess beliebig geändert werden.

SimWorld (2): SimWorld-Compute: World-Data x Com-Data ---> World-Data x Com-Data

Die Veränderung der Welt-Daten soll allerdings in Abhängigkeit von möglichen Kommunikations-Daten (Com-Dat) erfolgen. Damit ist gemeint, dass z.B. ein kognitiver Agent eine Aktion gesendet hat, deren Ausführung zu überprüfen und gegebenfalls umzusetzen ist.

Die Kommunikation mit externen kognitiven Agenten wird allerdings durch eine eigene Funktion realisiert, die Evaluationsfunktion:

Dazu gehört die Verwaltung der Benutzer. Liste möglicher Benutzer, Login/Logout, Time-Outs, Rechte usw.

Wichtig ist, dass jeder angemeldete Benutzer in den Welt-Daten (World-Data) repräsentiert ist. Die SimWorld-Compute-Funktion muss wissen, welche Art von Wahrnehmung (Perception, 'View') zu einem Agenten gehört, um berechnen zu können, welche Daten der simulierten Welt in einem bestimmten Augenblick dem Agenten zugänglich sind. Ferner muss der Funktion SimWorld-Compute bekannt sein, welche Art von Aktionen ein angemeldeter Agent ausführen kann. Nur auf der Basis dieser Informationen kann die Funktion SimWorld-Compute eine Interaktion zwischen Welt und Agent realisieren.

Die Interaktion zwischen möglichen kognitiven Agenten und einer SimWorld läuft in Zyklen ab: jeder Zyklus besteht (i) aus einer Information der SimWorld an alle Agenten, was sie gerade wahrnehmen können. Dann (ii) wertet die SimWorld aus, ob die kogntiven Agenten irgendwelche Aktionen ausführen wollen. Diese (iii) werden überprüft. Falls nicht ausführbar, gibt es eine Fehlermeldung zurück, andernfalls eine Bestätigung. Danach (iv) werden die Aktionen ausgeführt.

Zahlreiche weitere Hilfs- und Verwaltungsfunktionen sind im Kontext des SimWorld-Prozesses möglich (MPI unterstützt u.a. auch eine grafische Ausgabe).

Hier ein kleiner Überblick über die Verwendung der Begriffe CAgent und ähnlicher Terme im Netz:

*) Da der Ausdruck CAgent und verwandte Begriffe schon besetzt ist --z.T. mit ganz anderen Bedeutungen als hier angezielt-- wird hier der Ausdruck CognitiveAgent eingeführt, um Verwechslungen zu vermeiden (siehe auch Anhang)