2022年2022年驾驶ACT_R认知行为建模 .pdf
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1、第40卷第10期2006年10月浙 江 大 学 学 报(工学版 )Journalof Zhejiang University(EngineeringScience)Vol. 40 No. 10Oct.2006收稿日期: 20050512.浙江大学学报(工学版)网址: www. journals. zju. edu. cn/ eng基金项目:国家自然科学基金资助项目(60525202) .作者简介:刘雁飞( 1968 - ) ,男,河南鹿邑人,博士生,从事ITS、 认知行为建模及普适计算方面的研究.E2mail :yliu zju. edu. cn驾驶ACT2R认知行为建模刘雁飞,吴朝晖(浙江大
2、学计算机科学与技术学院,浙江 杭州310027)摘 要:采用认知行为建模方法,建立符合真实驾驶认知行为的认知模型并应用于车辆辅助驾驶系统,达到减少交通事故的目的.基于对交通安全及驾驶行为研究发展历程的回顾,阐明认知科学是解决交通安全问题的重要理论,以及驾驶认知行为建模是驾驶任务研究的有效手段;通过对典型认知体系结构的比较和对ACT2R及其研究的分析,提出了认知体系驾驶认知行为建模方法;借助ACT2R建模工具,以高速公路驾驶超车认知行为为例,基于模型的驾驶行为预测以及基于实验的模型有效性验证,证明了认知行为建模方法具有较广的适用性和灵活性.通过对认知体系驾驶行为建模的优势分析表明,交通安全领域驾
3、驶认知行为建模的应用可以有效地建立起来并发挥重要作用.关键词:驾驶行为建模;认知体系;ACT2R中图分类号: TP15 ;N940 文献标识码: A 文章编号: 1008973X (2006) 10165706Driverbehavior modeling in ACT2R cognitive architectureL IU Yan2fei , WU Zhao2hui(College ofComputerScience andTechnology ,Zhej iang University ,Hangz hou 310027 , China )Abstract : To prevent tr
4、affic accident , cognitive behavior modeling method was adopted to construct driverbehavior model that not only conforms to real casesbut also is useful for building driver assistant systems.Retrospective analysis of researches in traffic safety and driver behavior showed that cognitive science is t
5、heessential theory for problem 2solving of traffic safety and that driver cognitive behavior modeling method isan effective tool for task studies. On the basis of comparison between differenttypical cognitive architec 2ture (CA) and analysis of the theories and researches of AC T2R , driver behavior
6、 modeling (DBM ) methodin ACT 2R was raised.As an example , a highway overtakingbehavior model in ACT 2R was presented.Predictio n of driver behavior and verificationof the model bot h indicated that the DBM in CA methodis verysuitable andflexible.The illustration of the benefitsof the method showed
7、 that it can be set up effectively and isvery effective in the field of traffic safety.Key words : driver behavior modeling ; cognitive architect ure ; AC T2R道路交通事故的频发,对人们的生命安全造成了极大的威胁,用传统的效能安全宣传和管理手段已经不足以有效解决交通事故的问题. 作为交通事故中扮演重要角色的驾驶员,其行为直接和间接地引发交通事故,因此驾驶行为的研究工作早从20 世纪 30 年代就为人们所关注,然而 ,多数早期模型关注低层面的
8、行为控制,如车道变更和车辆转弯等过程控制 . 作为综合的 、 高层的驾驶行为的驾驶认知行为研究 1,从 1964 年以来就有一些模型先后被提出 ,然而 ,由于人类对自身的了解还不深刻,特别在刻画自身认知行为方面还有许多猜测,驾驶员认知行为方面的研究在50 多年的工作中并没有取得成就性的进展 2 .计算机技术的迅速发展为认知科学的发展带来了机遇 ,作为一种建模工具他为生动刻画人类认知行为以及对认知行为模型有效性的验证方面提供了重要手段3 . 研究人员开始致力于开发联合低层控制模型和高层认知过程与决策的集成驾驶模型,这名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -
9、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 6 页 - - - - - - - - - 种驾驶模型中的高层认知组成部分使驾驶员保持清醒状态 、 紧急情况快速策略、 第一时间做出启动和停车操作 、 管理对当前操作不会立即产生影响等的驾驶任务更具有优势 4. 本文基于ACT 2R 认知体系架构 ,建立高速公路超车驾驶认知行为模型,最终在AC T2R 开发工具 CogTool 上得到实现 .1相关研究1.1 认知科学认知科学 (cognitivescience) 被称作 21 世纪智力革命的前沿学科,他研究人类认知过程、 智能和智能系统 、 大脑和心灵
10、内在运行机制;是兴起于20 世纪 70 年代的一门交叉科学;涉及哲学 (认识论 ) 、 心理学 、 信息学 、 脑神经学 、 科学语言学、 比较人类学、计算机科学 (人工智能 ) 以及其他基础科学,加上进化生物学和动物行为学等交叉而涌现出来的高度跨学科的新兴科学.认知科学依据不同的问题领域和研究方法划分为不同的研究方向,包括 :心理学 、 语言学 、 生物物理学 、 神经生理学 、 人工智能 、 广义进化论、 复杂性科学等.在过去的20 年间 ,出现了多种认知体系,典型的有 AC T2R、 SOA R 和 EPIC ,3 者的关注焦点、 适用范围以及易学易用性不尽相同,各有特点 . ACT 2
11、R 和 SOAR 都 专 注 于 解 决 问 题 的 复 杂 认知 , 而AC T2R 更易学 、 易使用 、 易安装 , Johnson 等人5 对ACT2R、 SOAR 6 以及 EPIC进行过较为系统的比较.1.2 驾驶认知行为建模发展驾驶行为模型的历史可以追溯到1938 年 Gib2son 等人提出的车辆行驶区域分析(field 2analysis)理论 . 之后的 50 年 ,虽然有一些研究工作仍在开展,但总的来说驾驶行为研究并没有得到大的发展,直到 2000 年以后 ,才又成为一个研究的热点.2001 年 ,Vaa 2在对以往驾驶行为的理论和模型进行比较分析后指出:认知和情感是驾驶
12、任务中危险情况的预测、 规避和评估的很好工具. 之后 ,Salvucci 7、 Krajzewicz 8 和 Delorme 9等人开展了认知体系结构的驾驶行为研究工作,取得了进展 . 研究表明 ,驾驶认知行为研究之最新发展得益于认知科学的迅速发展以及建模工具的进一步丰富.2AC T2R认知体系结构2. 1 ACT2R 认知体系结构的发展AC T2R 是一种认知行为体系结构,是关于人类认知过程工作机制的理论模型,研究目的在于最终揭示人类组织知识、 产生智能行为的思维运动规律.其研究进展基于神经生物学研究成果并从中得以验证 .从表面看来,AC T2R 类似编程语言平台,平台的构建基于许多心理学研
13、究的成果. AC T2R 上构造的模型反映的是人类的认知行为.AC T2R 通过语言的编程实现特定任务的认知模型构建,研究人员利用ACT 2R 内建的认知理论再加上特定任务的必要的假设和知识描述构造特定任务的 ACT 2R 上认知体系模型,通过对模型结果和实验结果的比较验证模型的有效性,再利用符合人类认知行为的模型指导工作,从而实现希望的任务预测 、 指导和控制的目的.AC T2R 理论 1976 年由Anderson 首次提出;1982 年出现第一个AC T2R 工具 ,以后 AC T2R 在理论和 工 具 开 发 方 面 得 到 进 一 步 发 展 ,先 后 发 布AC T、 ACT 2R
14、、 ACT 2R 2. 0、AC T2R 3. 0、 AC T2R4. 0等软件版本,2001 年更为成熟的AC T2R 5. 0 版本 (理论和工具) 发布 ;目前AC T2R 已经发布6. 0版本 ,并且实现对不同系统操作平台的支持.AC T2R 区别于同类其他理论的重要特征之一是已有的大量实验信息可以直接被研 究工作使用 10,这为许多研究工作提供了很好的研究环境.在 AC T2R 在心理学研究领域得到普遍应用的同时 ,其他不同的领域也都得到成功地应用,图 1 给出了 AC T2R 认知体系的一些典型应用.图1ACT2R认知体系的应用领域Fig. 1Applicationsdomains
15、 of ACT2R architecture2. 2ACT2R体系结构工作机理ACT 2R 主 要 有 基 本 模 块 ( modules ) 、 缓 冲( buffers ) 和模式匹配(patternmatcher) 3 种类型的部件组成 .AC T2R 认知体系工作原理见图2.基本模块有两种类型:感知运动模块(percep2tual2motor modules ) 和 记 忆 模 块 ( memorymod2ules) .感知运动模块负责系统与外界的交互,AC T28561浙 江 大 学 学 报 (工学版 ) 第40卷 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -
16、 - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 6 页 - - - - - - - - - 图2ACT2R认知体系工作原理Fig. 2Principleof ACT2R worksR 比较完善的感知运动模块是视觉和操作模块,目标模块 (goal modules) 也是 AC T2R 中普遍使用而在神 经 生 物 学 上 尚 未 认 定 的 感 知 运动 模 块. 在AC T2R 体系中有两类记忆模块: 说明性记忆( de2clarative memory ) 模块和过程性记忆(proceduralmemory) 模块 :说明性记忆也叫做说
17、明性知识( de2clarative knowledge ) ,由可以独立表示的小知识单元 (chunks ) 或小逻辑单元组成,是一些存在的事实;过程性 记忆也 叫 过 程 性 知 识 ( proceduralknowl 2edge),由产生过程组成,是关于怎么做事情的知识,如怎样转弯 、 怎样避开障碍等,生成过程实质上是一条当条件满足时被激发的条件反射的触发规则.缓冲是实现中心生成系统与其他基本模块交互的接口 ,AC T2R 通过缓冲访问基本模块(过程性记忆模块除外 ) ,对于所有基本模块都有专门的缓冲负责与相关模块交互,缓冲的内容标识ACT 2R 的目前状态 ;模式匹配是在知识库中搜索和
18、缓冲状态一致的生成规则 ,如果是规则匹配则被模型触发,同一时间只有一个规则被触发,触发结果修改缓冲状态从而改变系统的状态,ACT2R 认知过程实质就是生成规则的不断触发 ;AC T2R 是混合认知体系结构,他的符号化结构是一个生成系统,亚符号化结构是由很多数学公式表达的一组庞大的并行的处理,亚符号化公式控制很多符号化的处理.例如 ,如果几个生成动作都和缓冲状态相符合,亚符号化效用公式评估相应开销和相关生成的收益来决定选择最高效用的生成来执行 .同样地 ,是否(或速度情况) 能够从说明性记忆中返回事实,取决于上下文以及所使用的事实的历史情况的亚符号化返回公式. 在 AC T2R 中亚符号化机制对
19、多数学习过程也是有用的.2. 3 ACT2R 体系的神经生物学研究的基础由于 ACT 2R 是人类认知行为体系,其研究的不断深入必然与神经生物学研究的最新成果紧密相关 .图 3 为 AC T2R 各部分在人脑上的对应情况.AC T2R 的所有部分都设计成与人脑的某个功能区域对应. 如对于视觉系统在ACT 2R 中有两个内建的视觉模块分别对应于大脑背侧的“在哪里”以及大脑前侧的 “是什么”的两个区域.操作缓冲对应于运动与感知大脑皮层;目标缓冲对应于前额叶皮层的背侧区域(DL PFC) ;查询缓冲对应于前额叶皮层的前侧区域( VL PFC) . 在 AC T2R 中基本神经元被设想为实施产生规则的
20、地方,纹状体则和皮层区域相对应,负责模式匹配任务;苍白球是抑制部分,负责解决产生的冲突;视神经床对应于大部分皮层区域 ,控制产生的动作生成.美国哈佛大学与纽约大学科学家共同找出了大脑海马体(hippocamp us) 是帮助人类处理长期学习与记忆、 声光 、 味觉等事件的秘密 ,也就是所谓的 “说明性记忆” ,在 ACT 2R 体系中对应说明性记忆模块.图3ACT2R以神经生物学研究为基础Fig. 3MappingACT2R ontobrain3驾驶AC T2R认知行为模型3.1 驾驶认知行为描述驾驶认知的描述主要有3 个组成部分:驾驶任务中具体化的驾驶认知(embodied cognitio
21、n ) 、 驾驶执行的任务(task)以及完成驾驶任务驾驶员所使用的操作部件(artifact ) (图 4) ,把它们简称为ETA.3. 1. 1驾驶任务驾驶工作本身是若干基本任务以及这些基本任务组合的多任务不断地完成的过程 .Micho n 11 把驾驶任务分为3 类 :一是保持车辆正常行驶的操作处理,即控制 ;二是与环境以及其他车辆安全互动的操作技能,即监测 ;三是高层的驾驶9561第10期刘雁飞 ,等 : 驾驶 ACT 2R 认知行为建模名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -
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