книги из ГПНТБ / Автоматы и разумное поведение. Опыт моделирования

дований Кларксон: «Протоколом» называется дословная за­ пись мыслей и действий субъекта, думающего или решаю­ щего задачу вслух. Эта методика дает нам подробное описа­ ние того, что делает человек, и, следовательно, позволяет избежать трудностей, присущих методике бесед и заполне­ ния анкет, в которых человека просят объяснить, почему он производит то или иное действие» [33, стр. 361]. Подчерк­ нутая здесь направленность исследования на описание внеш­ него поведения, на фиксацию только наблюдаемого «что делается» и является характерной чертой рассматриваемо­ го подхода в целом.

Составление описания. Гипотезы. Третий этап исследо­ ваний состоит в выяснении операционной структуры изу­ чаемой деятельности и проводится путем анализа имеющих­ ся протоколов. В большинстве случаев проанализировать сложную деятельность достаточно трудно, так как описание необходимо представить в возможно более компактной и конструктивной форме. Как правило, оказывается возмож­ ным выделить в изучаемой деятельности более или менее крупные «блоки» операций. Это, однако, составляет лишь небольшую часть всей работы. Основное ее содержание сво­ дится к установлению «тонкой» структуры блоков. Здесь исследователь сталкивается с анализом сложной и гибко организованной системы операций, содержащей большое количество логических функций, условных переходов, про­ цедур поиска и т. п. При формализации такой системы ис­ следователю постоянно приходится выдвигать гипотезы от­ носительно конкретного вида тех или иных зависимостей, числовых значений вводимых им параметров, коэффициен­ тов и т. п. В ходе исследования отдельные гипотезы могут уточняться или отбрасываться. Основанием для этого слу­ жит постоянное обращение к анализу протоколов. Зачастую также приходится возвращаться к предыдущему этапу и организовывать новые целенаправленные наблюдения за поведением человека, дополняя таким образом анализируе­ мый материал и получая основания для выдвижения новых и коррекции уже имеющихся гипотез. Результатом таких действий является построение некоторого варианта описа­ ния, удовлетворяющего исследователя. Это описание имеет две важных особенности.

Первая из них состоит в том, что построенное описание неизбежно содержит в себе некоторые произвольные или недостаточно обоснованные моменты. Иначе говоря, описа­ ние имеет гипотетический характер. Если это не так и ис­ следователь построил адекватное описание в виде строго доказательной дедуктивной конструкции, то это означает прежде всего, что он имел дело с достаточно простой задачей и следует подумать, нельзя лп решить ее более простыми

способами. В самом деле, невозможность использования кор­ ректного математического аппарата описания является од­ ним из основных признаков сложности, а разрабатываемые нами методы ИР предназначены прежде всего для решения сложных задач. Гипотетический характер описания являет­ ся, таким образом, практически неизбежной особенностью работ, основанных на анализе протоколов поведения. В свя­ зи с этим можно сказать, что содержанием третьего этапа является именно построение рабочей гипотезы относительно операционной структуры рассматриваемого поведения.

Вторая особенность полученного описания также связана со сложностью рассматриваемого поведения человека. Она состоит в том, что в ходе построения описания и связанного с этим выдвижения различных предположений и гипотез исследователь, начиная с некоторого момента, как правило, теряет представление об общих свойствах развиваемой им системы в целом. Окончательное описание является, так сказать, «локально продуманной» системой. Это означает, что исследователь может проанализировать и предсказать свойства ее ограниченных частей. Что же касается системы в целом, то ее поведение не может быть изучено без исполь­ зования некоторых специальных средств. Как уже упомина­ лось ранее, эта особенность в общем случае может быть сформулирована в следующем виде: достаточно интересная гипотеза о сложной системе сама является сложной систе­ мой. Неизбежной поэтому является организация некоторого эмпирического исследования разработанной гипотезы. Для того чтобы это исследование стало возможным, необходимо представить гипотезу в виде такой действующей модели, ко­ торая может явиться непосредственным объектом экспери­ ментального изучения. Решение задачи моделирования гипо­ тезы составляет следующий, четвертый, этап работы. Прежде чем перейти к его описанию, остановимся еще на некоторых особенностях третьего этапа.

«Разрывы» в описании. Решая ту или иную конкретную задачу, человек, как правило, использует уже имеющийся у него опыт решения задач аналогичного типа. Это тем более справедливо, если испытуемым является специалист в опре­ деленной области. Такой специалист применяет при решении задачи сложные совокупности решающих правил, выработан­ ных им в ходе практической деятельности, зачастую плохо сформулированных или даже неосознаваемых им. Часть этих правил находит явное выражение в действиях или высказы­ ваниях испытуемого при решении задачи и соответственно фиксируется в протоколе. Некоторые же правила не верба­ лизуются, а определяют поведение человека, не будучи сами выражены в явной форме. В этих случаях при последующем анализе протоколов выявляются «разрывы» в описании ре-

шения задачи. Для заполнения таких «разрывов» исполь­ зуются различные приемы. Один из них состоит в следую­ щем.

Сталкиваясь с «догадкой» испытуемого, со «скачком» в его рассуждениях, т. е. с «разрывом», исследователь запол­ няет его собственной догадкой, собственным эвристическим предположением. Этот шаг часто сопровождается замечания­ ми, например, такого типа: «испытуемый ведет себя так, будто решает такую-то систему уравнений». При этом не за­

в описание общей операционной структуры поведения и вы­ ступает в этом описании как очередная гипотеза, подлежа­ щая проверке. Посмотрим, к чему может привести исполь­ зование такого приема.

Если догадка исследователя оказалась удачной и блок,

вкоторый она включена, функционирует удовлетворительно при решении различных задач рассматриваемого класса, то эта догадка, естественно, включается в окончательный вари­ ант описания. Если выдвинутая исследователем догадка окажется неудачной, то, как и в предыдущем случае, это выявится только при экспериментальном исследовании цело­ стной модели гипотезы (описания). При плохом совпадении поведения модели с поведением испытуемого исследователю придется возвратиться к рассмотрению сделанного им не­ обоснованного предположения и исследовать его более тщательно. Чрезвычайно важной поэтому является фиксация

входе построения описания всех тех мест, где его элементы носят предположительный характер. Опасность состоит в том, что эвристические предположения исследователя могут оказаться незамеченными и незафиксированными им самим. В этом случае они могут стать таким источником ошибок, который очень трудно обнаружить в ходе дальнейшего ис­ следования и который может привести к неудаче всей ра­ боты.

Другой прием «заполнения разрывов» связан с проведе­ нием направленных дополнительных экспериментов с испы-

.туемым. Характер последних определяется спецификой рас­ сматриваемой деятельности, однако общая феноменологи­ ческая ориентированность исследования в этом случае сохраняется. Универсальных рецептов организации таких экспериментов не существует, многое зависит здесь от на­ ходчивости и изобретательности исследователя. Приведем пример. При построении модели инвестиции было обнару­ жено, что многие решения по выбору ценных бумаг были сформулированы банковским служащим до начала работы над конкретной задачей, т. е. на основе имеющегося у не­ го опыта. Естественно, эти решения не были отражены и в

протоколах. Для того чтобы выявить структуру таких реше­ ний, был использован следующий остроумный прием. Служа­ щему предложили читать вслух статьи из выписываемой им специальной литературы и вслух же комментировать содер­ жащиеся в них факты и мысли. Все высказывания служаще­ го тщательно протоколировались. Анализ протоколов позво­ лил выявить ряд важных решающих правил, лежащих в основе деятельности этого специалиста при решении им кон­ кретных задач. Мы видим, таким образом, что «заполнение разрывов» было выполнено в этом случае на основе после­ довательного использования основной методики протоколи­ рования.

С отказом от последовательного использования методики протоколирования связан еще один прием «заполнения раз­ рывов». Столкнувшись с «разрывом», исследователь задает себе вопрос о том, почему человек в данных условиях вы­ полнил данное действие. И ответ на это «почему» исследова­ тель ищет в структуре внутренних, реализующихся в мозге человека, процессов переработки информации. Исследование таких процессов может, безусловно, привести к построению нужного описания и к заполнению «разрыва». Необходимо лишь иметь в виду, что оно предполагает переход на другой

«комбинированных» работ представляет определенный инте­ рес, и мы вернемся к нему впоследствии, обсудив более по­ дробно особенности подходов, связанных с моделированием процессов и «механизмов» мышления человека.

Моделирование гипотез. Следующий этап построения ав­ томата, который нам необходимо рассмотреть, связан с по­ строением действующей модели гипотезы-описания, разра­ ботанной на основе анализа протоколов. Цель такого моде­ лирования ясна из предыдущего обсуждения. Можно сказать, что если гипотеза представляет собой сложную си­ стему взаимосвязанных высказываний и предположений, то модель гипотезы есть некоторая система, в которой автома­ тизирован вывод следствий из составляющих гипотезу совокупностей высказываний. Для того чтобы выявить спе­ цифику такого моделирования и разобраться в возникающих здесь трудностях, рассмотрим более подробно содержание работ, связанных с построением модели, и уточним смысл некоторых из используемых понятий.

Прежде всего отметим, что обсуждаемый прием — моде­ лирование гипотез — рассматривается многими исследовате­ лями как необходимый элемент, дополняющий традицион­ ную гипотетико-индуктивную схему исследований в тех случаях, когда она применяется для изучения сложных

систем. В рамках интересующей нас проблематики модели­ рование гипотез может осуществляться по двум различным схемам, особенности которых мы сейчас и рассмотрим.

Концептуальные и действующие модели гипотез. В на­ стоящее время существуют различные подходы к определе­ нию понятия модели. Из множества возможных классифика­

вующие) . В концептуальной модели основные свойства моде­ лируемого объекта отражены с помощью совокупности вы­ сказываний в некотором определенном языке, содержащем необходимый и достаточный для данных целей набор поня­ тий. Концептуальные модели могут строиться и с помощью слов естественного языка. Эти модели являются статически­ ми в том смысле, что неспособны сами по себе изменять свои внутренние состояния и взаимодействовать с какими-либо внешними объектами. Легко видеть, что в рассматриваемом нами случае гипотеза относительно операционной структу­ ры поведения человека, построенная на основе анализа про­ токолов, является концептуальной моделью.

Действующая модель является некоторой автономной си­ стемой, способной изменять собственные внутренние состоя­ ния, или окружающую ее среду без непосредственного вмешательства человека. Действующие модели могут быть построены, например, в виде физических устройств — и тогда они способны взаимодействовать с объектами реального ми­ ра; в виде вычислительных систем — их поведение в этом случае связано с изменением условных сред, например с преобразованием числовых массивов. Будучи в достаточ­ ной степени автономной системой, действующая модель мо­ жет явиться объектом наблюдения и эмпирического исследо­ вания. Именно поэтому и необходимо представление прове­ ряемой гипотезы в виде действующей модели.

Таким образом, говоря о моделировании гипотезы, мы имеем в виду, по существу, построение действующей модели объекта на основе концептуальной модели этого же объекта.

Всегда ли возможно решение такой задачи? Для того 'чтобы ответить на этот вопрос, необходимо более подробно рассмотреть понятия конструктивности описания.

Конструктивность описания. Понятие конструктивности в настоящее время определено недостаточно. Мы не будем здесь анализировать это понятие в полном объеме, а огра­ ничимся лишь такой его содержательной интерпретацией, которая необходима для дальнейшего изложения.

Рассмотрим простой пример. Пусть некоторый математи­

предполагается, что операции возведения в квадрат и вычи­ тания мы выполнять умеем. Если будут предложены конк­ ретные значения а и Ь, то мы сможем определить значение X. Таким образом, описание а? — Ь2 как бы содержит в себе инструкцию по выполнению действий, необходимых для определения X. Такое описание будем называть конструк­ тивным. Пусть, далее, нам дано то же описание и требуется построить автомат, вычисляющий X при некоторых а и Ъ. Если существуют автоматические устройства, выполняющие все необходимые операции (возведение в квадрат и т. п.), то искомый автомат мы построить сможем. Будем говорить, что п в этом случае описание а2 — Ъ2 оказалось конструктивным. Здесь конструктивность описания зависела не от наглей спо­ собности выполнять нужные действия, а от наличпя устройств, выполняющих их автоматически. Это указывает на важное свойство понятия конструктивности — его относи­ тельность.

Существенно также, что упоминавшиеся операции опре­ делены строго и недвусмысленно: мы знаем, например, что возвести данное число в квадрат можно единственным спо­ собом.

Таким образом, рассмотренное в примере описание содер­ жит указания по выполнению определенных действий, опе­ раций. Существуют описания и другого рода, однако именно класс описаний, содержащих инструкции к действиям, явля­ ется наиболее важным для нашего рассмотрения. В даль­ нейшем мы будем иметь в виду описания именно этого класса.

Для того чтобы более точно определить понятие кон­ структивности, рассмотрим некоторую систему операций S. Будем считать, что в S входит конечное число операций и правила выполнения каждой из них зафиксированы. Назо­ вем операции S средствами реализации. Описание будет конструктивным относительно S в том случае, если все вхо­ дящие в него указания могут быть единственным образом выполнены с помощью операций, составляющих S.

Итак, решение задачи построения действующей модели объекта на основе его концептуальной модели-гипотезы воз­ можно в том случае, если последняя представлена в виде описания, конструктивного относительно средств реализации модели, Выше упоминалось, что действующая модель объек­ та может быть построена с помощью различных средств. Те или иные конкретные средства моделирования определят и ту совокупность операций, которую сможет реализовать мо­ дель. Так, например, модель может быть построена в виде программы для ЦВМ с помощью определенного алгоритми­ ческого языка. В этом случае совокупность операций данно­ го языка и составит имеющиеся в распоряжении исследова-

теля средства реализации. Так, для языка типа АЛГОЛ это будут операции безусловного и условного переходов, при­ сваивания, вычисления в циклах и т. п. Если модель строит­ ся в виде электронного устройства, то средства реализации будут определены возможностями и характеристиками ис­ пользуемых элементов и блоков аппаратуры. Так, в них могут входить операции усиления, дифференцирования и т. п.

Таким образом, выбирая конкретный способ построения модели, мы определяем тем самым набор «изобразительных средств», совокупность конкретных операций, с помощью которых следует реализовать описание. Естественно, это возможно только в тех случаях, когда язык описания, его «изобразительные средства» определенным образом согласо­ ваны со средствами реализации действующей модели, когда возможен «перевод» одних в другие. Требование такой со­ гласованности, «переводимости» мы и формулируем в виде требования конструктивности описания относительно средств моделирования.

Итак, мы можем уточнить обсуждаемую схему процесса построения моделей поведения, отметив следующую ее осо­ бенность. Исследователь, приступающий к составлению опи­ сания поведения испытуемого (п. 3 схемы), должен предва­ рительно выбрать форму и технические средства построения действующей модели поведения и разработать описание в ви­ де, конструктивном относительно избранных средств реали­ зации.

В настоящее время наиболее распространено построение действующих моделей в виде программ для ЦВМ. Соответ­ ственно и описания поведения строятся в виде, удобном для их последующей алгоритмизации. Как правило, уже на на­ чальных этапах составления описаний исследователи широ­ ко применяют представления и язык, ориентированные на последующее использование вычислительных машин. Этот подход хорошо иллюстрирует уже цитированная нами рабо­ та по построению модели процесса доверительной инвести­ ции. Описание здесь строится в виде набора блок-схем, ха-

'рактеризующих процессы оперирования с имеющимися в не­ которой памяти информационными списками, и процессы выбора определенных решающих правил с помощью фикси­ рованного набора инструкций. На основе блок-схемного опи­ сания строится программа для ЦВМ.

Сшироким использованием языка вычислительных ма­ шин 'связано также то обстоятельство, что, анализируя дея­ тельность человека, современный исследователь видит в ней преждр всего операции запоминания и выборки, преобразо­ вания списков, поиска нужной информации и т. п. Вычисли­ тельные машины действительно являются высокоэффектив­ ным средством моделирования, и с их помощью осуществлен

значительный прогресс в рассматриваемой нами области ИР. Определенная опасность существует, однако, в связи с тем, что, ориентируясь на использование ЦВМ, исследователи за­ частую сознательно или неосознанно сужают круг исполь­ зуемых ими представлений и, как следствие, обнаруживают в деятельности человека прежде всего то, что легко и удобно представить с помощью существующих вычислительных средств. В отношении ряда задач такой подход может ока­ заться неэффективным и даже задержать развитие исследо­ ваний, как это произошло, например, при поиске методов сокращения полного перебора вариантов (а идея перебора явно «подсказана» способом организации информационных процессов в машинах) при решении задач типа шахматных. Существующие методы построения действующих вычисли­ тельных моделей зачастую оказываются неэффективными и в тех случаях, когда решение задачи требует одновремен­ ной переработки информации сразу по многим каналам. Та­ ким образом, в каждом конкретном случае выбор способа построения действующей модели и, следовательно, языка описания объекта является весьма ответственным этапом, и принятие решения здесь должно основываться на тща­ тельном анализе специфики решаемой задачи.

Требование конструктивности описания па практике уда­ ется выполнить далеко не всегда. В связи со сложностью исследуемого поведения описание часто содержит фрагмен­ ты, заданные неконструктивно. Это приводит к тому, что на основе данного описания может быть построена не един­ ственная действующая модель. В самом деле, сталкиваясь с неконструктивным фрагментом, исследователь вынужден каким-то образом ликвидировать имеющиеся в нем неопределенностп для того, чтобы продолжать работу. При этом он выдвигает дополнительные предположения, упрощает описа­ ние и т. п. Как правило, эти операции можно выполнить раз­ личными способами. В зависимости от способа действующая модель будет реализована по-разному. Рассматриваемая си­ туация в определенном смысле аналогична «заполнению раз­ рывов» в описании. Так же, как и при «заполнении разры­ вов», введение новых предположений и упрощений может оказаться удачным в большей или меньшей степени, что может быть выявлено на этапе исследования поведения мо­ дели. Как и раньше, чрезвычайно важной является тщатель­ ная фиксация всех принимаемых эвристических предположе­ ний с тем, чтобы в случае необходимости можно было вернуться к их более подробному рассмотрению и коррекции.

Итак, мы рассмотрели некоторые особенности четвертого этапа исследований, связанного с построением действующих моделей гипотез. Заметим, что термин «моделирование гипо­ тезы» в данном контексте, вообще говоря, не корректен. По-

нятие моделирования является более широким и содержа­ тельным, чем процедуры, составляющие описанный этап. Возможно, точнее было бы говорить о специфичных преобра­ зованиях, даже о перекодировании моделей-гипотез. Учиты­ вая, однако, определенное удобство и достаточную распро­ страненность этого термина, мы и в дальнейшем будем использовать выражение «моделирование гипотезы», обозна­ чая им процессы построения действующей модели объекта на основе его концептуальной, статической модели гипотезы.

Исследование моделей. Рассмотрим наконец последний, пятый, этап построения модели поведения, связанный с экс­ периментальным исследованием разработанной действующей модели гипотезы. Основная задача этого этапа состоит в том, чтобы убедиться в пригодности модели для решения постав­ ленной перед ней задачи. Ответ на этот вопрос можно полу­ чить, подавая на входы модели различные совокупности исходных данных и наблюдая ее выходные реакции. Мы не будем останавливаться на обсуждении особенностей этого процесса, поскольку он в значительной мере определяется спецификой решаемых задач.

Если поведение модели удовлетворяет предъявляемым требованиям, то ее построение можно считать законченным, и дальнейшая судьба модели определяется способами ее практической эксплуатации. Иначе говоря, с этого момента модель может рассматриваться как автомат, способный вы­ полнять определенные функции человека, что и являлось конечной целью предпринятой разработки. Такая формули­ ровка цели, как уже не раз указывалось, характерна для работ в области ИР.

На практике, однако, редко случается, чтобы исследова­ ние модели показало ее абсолютную непригодность или, на­ оборот, идеальное соответствие требованиям. Чаще всего исследователь обнаруживает, что в некоторых ситуациях мо­ дель оказывается не в состоянии найти нужное решение или вырабатываемое решение не удовлетворяет введенным зара­ н е е критериям. Обнаружение таких недостатков вынуждает исследователя вернуться к рассмотрению выполненных эта­ пов работы в поисках возможных источников ошибок. Крат­ ко рассмотрим основные приемы такого поиска.

Локализация ошибки. Для сложных моделей решение за­ дачи локализации ошибки часто связано с существенными трудностями. В отдельных случаях удается локализовать ошибку только на основе тщательного анализа характера на­ рушений в работе модели. Более общим приемом является сравнение поведения модели с поведением человека, зафик­

выбирает действие, отличное от выполненного человеком. Анализ причин такого «расхождения» может привести к об­ наружению искомой ошибки.

Однако не всегда факт «расхождения» свидетельствует о наличии ошибки в модели. Это бывает в тех случаях, когда ситуация допускает несколько равноценных решений и дей­ ствие модели является «оправданным», несмотря на его отли­ чие от соответствующего действия человека. В качестве

на некотором этапе человек и машина используют стратегии случайного поиска. Совпадение решений здесь весьма мало­ вероятно, однако действие модели оказывается правомерным.

Понятно, что возникшее в некоторый момент расхожде­ ние может привести к еще большим расхождениям в после­ дующие моменты. В ходе решения задачи различия могут накапливаться, так что через некоторое время сравнение становится невозможным. Для того чтобы продолжить поиск ошибки, целесообразно использовать стратегию «возвраще­ ния модели на шаг назад» [62, стр. 279]. В нашем случае эта стратегия состоит в следующем. Сравниваются последова­ тельные действия человека и модели. При обнаружении их расхождения проводится анализ его причин. При этом либо выявляется ошибка в модели, либо действие модели при­ знается правомерным. В последнем случае восстанавливается состояние модели, предшествовавшее выбору данного дей­ ствия, и в него вносятся изменения таким образом, чтобы модель выполнила другое действие, соответствующее дей­ ствию человека. Затем сравнение продолжается. Необходимо отметить, что реализация описанной стратегии может потре­ бовать изменения большого числа параметров модели и всег­ да связана с выполнением достаточно сложных информа­ ционных преобразований. Поэтому ее использование целесо­ образно планировать заранее, с тем, чтобы «встраивать» в модель необходимые управляющие устройства.

Критерии сравнения. Особые проблемы связаны также с выбором критериев для сравнения поведения человека и модели. В самом деле, значительная часть протоколов, фик­ сирующих деятельность человека, представляет собой запись

вербальное поведение. Кроме того, в ходе решения задач человек зачастую выполняет действия, не связанные непо­ средственно с поиском решения, а также действия, воспроиз­ ведение которых в модели по тем или иным причинам неце­ лесообразно (например, характеризующиеся явной избыточ­ ностью или неоптимальностью). Протокол, таким образом, содержит «сырой» материал, использование которого для