The challenge of complexity for cognitive systems

Complex cognition addresses research on (a) high-level cognitive processes – mainly problem solving, reasoning, and decision making – and their interaction with more basic processes such as perception, learning, motivation and emotion and (b) cognitive processes which take place in a complex, typically dynamic, environment. Our focus is on AI systems and cognitive models dealing with complexity and on psychological findings which can inspire or challenge cognitive systems research. In this overview we first motivate why we have to go beyond models for rather simple cognitive processes and reductionist experiments. Afterwards, we give a characterization of complexity from our perspective. We introduce the triad of cognitive science methods – analytical, empirical, and engineering methods – which in our opinion have all to be utilized to tackle complex cognition. Afterwards we highlight three aspects of complex cognition – complex problem solving, dynamic decision making, and learning of concepts, skills and strategies. We conclude with some reflections about and challenges for future research

REBA: A Refinement-Based Architecture for Knowledge Representation and Reasoning in Robotics

This paper describes an architecture for robots that combines the complementary strengths of probabilistic graphical models and declarative programming to represent and reason with logic-based and probabilistic descriptions of uncertainty and domain knowledge. An action language is extended to support non-boolean fluents and non-deterministic causal laws. This action language is used to describe tightly-coupled transition diagrams at two levels of granularity, with a fine-resolution transition diagram defined as a refinement of a coarse-resolution transition diagram of the domain. The coarse-resolution system description, and a history that includes (prioritized) defaults, are translated into an Answer Set Prolog (ASP) program. For any given goal, inference in the ASP program provides a plan of abstract actions. To implement each such abstract action, the robot automatically zooms to the part of the fine-resolution transition diagram relevant to this action. A probabilistic representation of the uncertainty in sensing and actuation is then included in this zoomed fine-resolution system description, and used to construct a partially observable Markov decision process (POMDP). The policy obtained by solving the POMDP is invoked repeatedly to implement the abstract action as a sequence of concrete actions, with the corresponding observations being recorded in the coarse-resolution history and used for subsequent reasoning. The architecture is evaluated in simulation and on a mobile robot moving objects in an indoor domain, to show that it supports reasoning with violation of defaults, noisy observations and unreliable actions, in complex domains.Comment: 72 pages, 14 figure

Multi-agent evolutionary systems for the generation of complex virtual worlds

Modern films, games and virtual reality applications are dependent on convincing computer graphics. Highly complex models are a requirement for the successful delivery of many scenes and environments. While workflows such as rendering, compositing and animation have been streamlined to accommodate increasing demands, modelling complex models is still a laborious task. This paper introduces the computational benefits of an Interactive Genetic Algorithm (IGA) to computer graphics modelling while compensating the effects of user fatigue, a common issue with Interactive Evolutionary Computation. An intelligent agent is used in conjunction with an IGA that offers the potential to reduce the effects of user fatigue by learning from the choices made by the human designer and directing the search accordingly. This workflow accelerates the layout and distribution of basic elements to form complex models. It captures the designer's intent through interaction, and encourages playful discovery

Distributed Planning for Self-Organizing Production Systems

Für automatisierte Produktionsanlagen gibt es einen fundamentalen Tradeoff zwischen Effizienz und Flexibilität. In den meisten Fällen sind die Abläufe nicht nur durch den physischen Aufbau der Produktionsanlage, sondern auch durch die spezielle zugeschnittene Programmierung der Anlagensteuerung fest vorgegeben. Änderungen müssen aufwändig in einer Vielzahl von Systemen nachgezogen werden. Das macht die Herstellung kleiner Stückzahlen unrentabel. In dieser Dissertation wird ein Ansatz entwickelt, um eine automatische Anpassung des Verhaltens von Produktionsanlagen an wechselnde Aufträge und Rahmenbedingungen zu erreichen. Dabei kommt das Prinzip der Selbstorganisation durch verteilte Planung zum Einsatz. Die aufeinander aufbauenden Ergebnisse der Dissertation sind wie folgt: 1. Es wird ein Modell von Produktionsanlagen entwickelt, dass nahtlos von der detaillierten Betrachtung physikalischer Produktionsprozesse bis hin zu Lieferbeziehungen zwischen Unternehmen skaliert. Im Vergleich zu existierenden Modellen von Produktionsanlagen werden weniger limitierende Annahmen gestellt. In diesem Sinne ist der Modellierungsansatz ein Kandidat für eine häufig geforderte "Theorie der Produktion". 2. Für die so modellierten Szenarien wird ein Algorithmus zur Optimierung der nebenläufigen Abläufe entwickelt. Der Algorithmus verbindet Techniken für die kombinatorische und die kontinuierliche Optimierung: Je nach Detailgrad und Ausgestaltung des modellierten Szenarios kann der identische Algorithmus kombinatorische Fertigungsfeinplanung (Scheduling) vornehmen, weltweite Lieferbeziehungen unter Einbezug von Unsicherheiten und Risiko optimieren und physikalische Prozesse prädiktiv regeln. Dafür werden Techniken der Monte-Carlo Baumsuche (die auch bei Deepminds Alpha Go zum Einsatz kommen) weiterentwickelt. Durch Ausnutzung zusätzlicher Struktur in den Modellen skaliert der Ansatz auch auf große Szenarien. 3. Der Planungsalgorithmus wird auf die verteilte Optimierung durch unabhängige Agenten übertragen. Dafür wird die sogenannte "Nutzen-Propagation" als Koordinations-Mechanismus entwickelt. Diese ist von der Belief-Propagation zur Inferenz in Probabilistischen Graphischen Modellen inspiriert. Jeder teilnehmende Agent hat einen lokalen Handlungsraum, in dem er den Systemzustand beobachten und handelnd eingreifen kann. Die Agenten sind an der Maximierung der Gesamtwohlfahrt über alle Agenten hinweg interessiert. Die dafür notwendige Kooperation entsteht über den Austausch von Nachrichten zwischen benachbarten Agenten. Die Nachrichten beschreiben den erwarteten Nutzen für ein angenommenes Verhalten im Handlungsraum beider Agenten. 4. Es wird eine Beschreibung der wiederverwendbaren Fähigkeiten von Maschinen und Anlagen auf Basis formaler Beschreibungslogiken entwickelt. Ausgehend von den beschriebenen Fähigkeiten, sowie der vorliegenden Aufträge mit ihren notwendigen Produktionsschritten, werden ausführbare Aktionen abgeleitet. Die ausführbaren Aktionen, mit wohldefinierten Vorbedingungen und Effekten, kapseln benötigte Parametrierungen, programmierte Abläufe und die Synchronisation von Maschinen zur Laufzeit. Die Ergebnisse zusammenfassend werden Grundlagen für flexible automatisierte Produktionssysteme geschaffen -- in einer Werkshalle, aber auch über Standorte und Organisationen verteilt -- welche die ihnen innewohnenden Freiheitsgrade durch Planung zur Laufzeit und agentenbasierte Koordination gezielt einsetzen können. Der Bezug zur Praxis wird durch Anwendungsbeispiele hergestellt. Die Machbarkeit des Ansatzes wurde mit realen Maschinen im Rahmen des EU-Projekts SkillPro und in einer Simulationsumgebung mit weiteren Szenarien demonstriert