Введение

Область искусственного интеллекта: пространственно-временное рассуждение в информационных технологиях.

Пространственно-временное рассуждение – это область искусственного интеллекта, опирающаяся на такие дисциплины, как информатика, когнитивная наука и когнитивная психология. Теоретическая цель – с точки зрения когнитивных наук – заключается в представлении и логическом анализе пространственно-временных знаний. Практическая цель – с точки зрения вычислительной техники – состоит в разработке высокоуровневых систем управления для автоматов, обеспечивающих навигацию и понимание времени и пространства.

Влияние когнитивной психологии

Сходящимся результатом в когнитивной психологии является то, что отношение соединенности является первым пространственным отношением, которое усваивают человеческие дети, за которым следует понимание отношений ориентации и отношений расстояния. Внутренние связи между тремя типами пространственных отношений могут быть вычислительно и систематически объяснены в рамках теории когнитивной призмы следующим образом: (1) отношение соединенности является базовым; (2) отношение ориентации является отношением сравнения расстояний: то, что вы находитесь передо мной, можно интерпретировать как то, что вы ближе к моей передней стороне, чем к другим моим сторонам; (3) отношение расстояния является отношением соединенности с использованием третьего объекта: то, что вы находитесь в одном метре от меня, можно интерпретировать как объект длиной в один метр, соединенный одновременно со мной и с вами.

Фрагментарные изображения временных калькулов

Не обращаясь к внутренним связям между пространственными отношениями, исследователи в области ИИ разработали множество фрагментарных представлений. Примеры временных исчислений включают интервальную алгебру Аллена и точечное исчисление Вилена и Кауца. Наиболее заметными пространственными исчислениями являются мереотопологические исчисления, исчисление кардинальных направлений Франка, исчисление двойного креста Фрексы, 4-х и 9-и пересечений Эгенхофера и Францозы, исчисление "flip-flop" Лигозата, различные исчисления связей областей (RCC) и алгебра отношений ориентированных точек. В последнее время были разработаны пространственно-временные исчисления, объединяющие пространственную и временную информацию. Например, пространственно-временное исчисление ограничений (STCC), предложенное Геревини и Небелем, сочетает интервальную алгебру Аллена с RCC 8. Более того, качественное исчисление траекторий (QTC) позволяет рассуждать о движущихся объектах.

Количественная абстракция

В литературе основной акцент делается на качественном пространственно-временном рассуждении, основанном на качественных абстракциях временных и пространственных аспектов здравого смысла, формирующих наше человеческое восприятие физической реальности. С методологической точки зрения, калькулы качественных ограничений сужают словарный запас богатых математических теорий, работающих с временными или пространственными сущностями, позволяя рассматривать конкретные аспекты этих теорий в рамках разрешимых фрагментов, используя простые качественные (неметрические) языки. В отличие от математических или физических теорий пространства и времени, калькулы качественных ограничений обеспечивают относительно недорогие вычисления, касающиеся сущностей, расположенных в пространстве и времени. Поэтому ограниченная выразительность формализмов качественного представления является преимуществом, если такие задачи рассуждения необходимо интегрировать в приложения. Например, некоторые из этих калькул могут быть реализованы для эффективной обработки пространственных запросов в ГИС, а другие – для навигации и взаимодействия с мобильным роботом.

Алгебра отношений

Большинство из этих исчислений могут быть формализованы как абстрактные алгебры отношений, что позволяет проводить рассуждения на символическом уровне. Для вычисления решений сети ограничений алгоритм обеспечения путевой согласованности является важным инструментом.

Программное обеспечение

GQR, решатель сетей ограничений для исчислений, таких как RCC 5, RCC 8, интервальная алгебра Аллена, точечная алгебра, исчисление кардинальных направлений и другие. Qualreas – это Python-фреймворк для качественного рассуждения над сетями алгебр отношений, таких как RCC 8, интервальная алгебра Аллена и алгебра Аллена, интегрированная с точками времени и расположенная либо в левом, либо в правом ветвящемся времени.