全信息理论及其信息转换是一种面向智能研究的理论, 全信息情感理论及其信息情感交互是一种面向心智研究的理论.建立了确定性需求模型, 提出需求影响下的认知-情感交互机理, 在信息-情绪层将信息的三维结构(全信息理论)、情绪的三维结构(PAD模型)和需求结合起来, 依据西米诺夫的情绪动机信息理论, 建立信息-情绪交互模型, 提出了一种情绪和认知状态的形成及其迁移机理的计算方法.依据基本情绪与PAD值的对应关系, 分析了情绪状态从惊奇到喜悦的迁移过程, 揭示了在信息-情绪层全信息和情感的产生、运行、转换、迁移的内在机制和变化规律.
Comprehensive information theory and information transition are for research-oriented theory of intelligent, comprehensive information emotional theory and information emotion interaction are for research of human mind. This paper purposed a new mental calculation model-need influence from cognitive-emotional interaction mechanism, established a model of certainty need. The emotional-informational layer combined three-dimensional structure of information (Comprehensive Information Theory), emotions (PAD model) and expected information, According to Siminov's emotional motivation theory, we established information-emotion interaction model, based on the correspondence between basic emotions and PAD, we analyzed the formation and migration of emotional state mechanism, emotional state from surprise to the joy during migration process, the formation of information-emotional needs, the internal mechanism of cognitive and emotional conversion, migration, variation theory system.
心智是心理和智能的综合体, 泛指人类的全部精神活动, 包括情绪、情感、需求、意志、感觉、知觉、表象、学习、记忆、思维和直觉等[1], 这些活动主要包括3个方面：需求(意志)活动、认知活动和情感活动, 即人们通常讲的知、情、意.
需求是个体心智活动的最基本动力源泉, 是个体在生存中感到某种欠缺而力求获得满足的内心状态, 需求(包括动机、意图、愿望和信念等不同层次需求及其变化)不仅决定着认知和情感活动的开始和结束, 对认知和情感产生引领作用, 而且在认知过程和情感体验中发挥着重要的影响, 决定着认知和情感状态的类型、强度、迁移和转换.
1 需求模型依据马斯洛的需求层次理论[2], 结合二元心理的多层次需求-认知-情感模型[3], 可将需求分为外需求、内需求和目标需求3类, 外需求主要是针对物质方面的需求, 人们的衣食住行等生理本能需求都属于这一类；内需求主要指内部产生的心理和精神方面的需求, 它与人的生存环境和社会需求有关, 满足人们的精神方面的需要；目标需求是外需求和内需求的综合体, 属于有预期的自我价值和目标的实现.
人的每一次需求总会经历着从产生、维持和消失的过程, 建立需求模型就是对需求进行分析和数学处理, 对于确定性需求可引入需求系数、需求函数和需求矩阵等数学方法进行描述，而对于不确定性需求可引入随机或模糊数学的方法来处理.
图 1是几种常见的需求曲线.曲线1为常量需求; 曲线2、3是线性需求, 表示主体对事物的需求随时间而持续增长或下降；曲线4表示为突峰式需求曲线, 需求在某个时间点快速增加, 需求满足后就快速下降, 回到起始位置, 如人的很多生理需求就近似这种曲线.除此之外, 还有碗式曲线和锯齿状曲线等多种组合需求曲线.
|
图 1 几种常见的需求曲线 |
用需求系数来表示曲线1：N(t)=C(常量)；
引入需求函数来描述需求系数的变化, 曲线2、3可用线性函数来表示：
|
(1) |
曲线4可用正态方程来表示：
|
(2) |
为了描述人们需求的多样性, 引入需求矩阵表示人们的多种需求及其相互关系.
|
(3) |
引入需求系数、函数和矩阵之后, 就可以用有关数学理论对需求进行各种计算.
2 全信息情感理论2.1 多层次二元心智计算模型心智活动是人类大脑的特有功能, 人类可以从极不相同的角度或者粒度(尺度)空间上观察和分析同一问题, 从一个粒度空间跳到另一个粒度空间, 往返自如, 这正是人类心智活动的魅力所在.通过深入研究发现人类心智活动的核心机理就是需求-认知-情感的交互作用, 科学的建立需求-认知-情感交互模型, 研究在同一层次内的需求-认知-情感的交互(心理状态的形成)和不同层次空间的迁移(心理状态的迁移)机理将是必须解决的核心问题.
依据多层次二元心智计算模型可知，人类的心智活动主要由两个维度(上下维度和内外维度)共同决定的.在上下维度，自下而上的数据驱动和自上而下的模式驱动决定产生满足各种需求的认知意向；里外维度是指人类的外知心理和内知心理的交互作用，主要解决外在认知心理与人的内在心理感受之间的交互问题，人类心智的这种上与下、内与外沟通的精妙之处，是人类心智活动的精髓所在.
2.2 信息-情绪交互模型图 2为需求-信息-情绪交互机理模型.外界信息通过感知觉分别进入情感通道和认知通道, 并产生相应的需求动机, 表现出相应的需求信息和情绪, 人类的情感主要受外界信息(客观环境及其他人)的刺激后产生, 并受到自身内部需求机制的影响.当人的感觉器官接受来自外界的各种刺激, 包括光、声音、气味等, 通过生理唤醒人脑可直接提取刺激中的情绪因素Ea与过去的情绪经验Eo进行对比参照、分类识别直接产生相应的反应情绪, 反应情绪是直接通过感觉产生的；另外, 人类的情绪还受到自身内部需求机制的影响, 在信息-情绪层次上, 需求主要包括需求的信息序列和情绪序列, 在不同的环境条件下人类会从需求序列中产生相应的优势需求In、En, 通过分解器形成语法、语义和语用信息Inisyn、Inisem、Iniprag和Enia、Enip、Enid；与此同时, 外界信息通过知觉进入认知通道, 经相应处理后形成的后验信息Ia与需求信息In进行比较, 通过生理唤醒、认知唤醒和优势度推动着相应的PAD参数的改变, 形成相应的情绪反应.
|
图 2 需求-信息-情绪交互机理模型 |
依据著名的西米诺夫的情绪-信息动机理论[4], 需求、情绪与信息的关系为
|
(4) |
其中：E为生成的情绪, N为需求系数, 直接影响对信息的敏感度, N随着需求的变化而变化, In为主体所期望获得的信息, Ia为所得信息, 依据需求、信息和情绪的全信息假设[4], 式(4) 应表示为
|
(5) |
其中：Nssp、(In-Ia)ssp、ΔEssp分别为需求、信息偏差和情绪增量的全信息计算形式, 依据情绪的全信息假设和PAD三维模型的关系, 有
|
(6) |
刘烨等[5]的研究表明, 情绪PAD三维模型中的P(愉悦度)、A(激活度)和D(优势度)存在着弱相关, 相互之间的影响较小, 即PAD三维参量是相互独立的情绪参量, 可以进行单独计算, 即
|
(7) |
|
(8) |
|
(9) |
式(7)~式(9) 表明, 在需求一定的情况下, 激活度由事物的形式(或结构)信息的偏差产生, 愉悦度由事物的意义(或内容)信息偏差产生, 优势度由事物的效用(价值)信息偏差产生, 认知主体在全信息分解的过程中产生了相应的情绪反应, 而这种情绪反应是不同步的, 首先由形式信息偏差产生反应情绪, 然后由意义信息偏差产生认知情绪, 而后由效用信息偏差产生预期情绪, 这就是情绪的三阶段计算模型.
为了简化计算, 暂时不考虑需求的全信息表示, 仅用一个固定的需求系数, 并假设情绪的三维PAD参数为可叠加的连续函数, 需求、认知和情绪交互作用经过i+1次情绪体验后有
|
(10) |
其中:Eaai+1、Eapi+1、Eadi+1分别为第i+1次体验后的情绪激活度、愉悦度和优势度, Eoai、Eopi、Eodi分别为第i+1次体验时的先验情绪激活度、愉悦度和优势度, Iasyni+1、Iasemi+1、Iapragi+1分别为第i+1次体验后获得的语法信息量、语义信息量和语用信息量；Insyni+1、Insemi+1、Inpragi+1分别为第i+1次所期望获得的语法信息量、语义信息量和语用信息量；Ni+1为第i+1次体验的需求系数.
(10) 式可简写为
|
(11) |
其中
|
(12) |
|
(13) |
其中:Eopadi为第i+1次体验时的先验情绪PAD值, Eapadi+1为第i+1次体验后的情绪PAD值, ΔEpadi+1第i+1次体验的情绪PAD增量值. F′称为情绪个性算子, 表示主体对事物过去的认知产生的情绪体验特征提取模式, 根据日常经验, F′可取“平均求和”, 也可能是“就近提取”或“最大全情绪提取”等, 如果F′是“平均求和”, 则有
|
(14) |
式(11)~式(14) 表示主体对事物X的情绪状态及其动态变化情况, 描述了主体对事物情绪状态的形成过程, 同时也说明了情绪状态迁移的内在机理, 这种迭代算法在计算机中非常容易实现, 是基于情绪PAD三维模型进行情绪计算的基础.
F′表示情绪个性运算算子, 不同情绪个性的人对过去记忆信息的处理(如提取)可能是完全不同的, 这就解释了对于同一个事物不同的人会产生不同的情绪反应.
下面定义主体的心情状态：如果主体一段时间遇到n件事情Xi(i=1, 2, …, n), 每件事情Xi(事物、事件、活动等)对主体情绪产生的影响按式(11) 计算, 主体的心情状态就是n事件分别对主体情绪影响的累加和, 即一个人一段时间的心情状态表示为
|
(15) |
式(15) 表明, 如果遇到高兴事情的PAD参数累加和大于不高兴的事情的PAD参数累加和, Es就会表现出正面的情绪状态；如果不高兴的事情大于高兴的事情, 则会表现出负面的情绪状态.式(15) 揭示了主体心情的形成机理.
下面讨论情绪状态的迁移过程, 考虑到主体的心情, 式(11) 为
|
(16) |
式(16) 表明, 主体获得某事物各种信息后的情绪反应或情绪变化, 由3个方面的因素决定：一是主体当时的心情状态Es, 二是主体过去关于该事物情绪积累, 即对过去情绪记忆的提取或计算, 三是当前情绪PAD的增量, 其中需求的变化反映在第3项中.
由此看出心情对情绪状态的影响, 当Es=0时, 式(16) 变为式(11), 心情对情绪无影响；当Es＞0时, 由于心情的影响, 主体对事物的情绪发生正向迁移；当Es＜0时, 主体对事物的情绪发生负向迁移，这一结论与心理学中的心境一致性相吻合.
依据全信息情感理论第二定理, 需求影响下的情绪与认知的交互作用[4]为
|
(17) |
其中：En为期望情绪量, N′为情绪需求系数, 受情绪需求的控制, 随情绪需求的变化而变化, 直接影响对情绪的敏感度, Ea为后验情绪量, I为情绪驱动所产生的信息量.引入时间序列, 同时假设某事物的三维全信息参数为可叠加的连续函数, 经过i+1次情绪体验后得
|
(18) |
其中:ΔIosyni、ΔIosemi、ΔIopragi分别为第i+1次体验时的先验语法信息量、语义信息量和语用信息量；N′i+1为第i+1次的情绪需求系数.
式(18) 可简写为
|
(19) |
其中
|
(20) |
|
(21) |
在信息-情绪层, 信息加工处理主要包括感觉、注意、观察、记忆(存储)、提取和表象, 主要计算方法为比较、选择等.式(18)~式(21) 表示主体在对事物X的感知过程中全信息的形成及其动态变化进程, 说明了全信息各状态迁移的内在机理, 如注意、观察与好奇心的形成就与此有关, 是基于全信息情感理论进行认知计算的基础.
F为全信息个性运算算子, 根据日常经验, F可以为“求和”、“最近提取”、“最大全信息提取”等, 即可以是记忆的存储和提取, 也可以是对记忆的计算和处理.
研究发现, 情绪状态、认知状态的形成主要依靠生理能量和心理能量的交互作用, 人们的心理状态有时以认知状态为主, 有时则以情绪状态为主, 认知对情绪的影响是向外发散的, 形成了若干个相互独立的参量, 而情绪对认知的反作用则是向内集聚的过程.在反应情绪之后, 随着认知和预期情绪的到来, 就会产生新的关于事物的意义和效用信息, 从而改变事物信息的结构而产生新的全信息.
3 信息-情绪交互模型的应用刘烨等[5]提供14个基本情绪范畴的PAD值, 如表 1所示.依据全信息情感理论中的有关定理就可以计算出相应的PAD值, 及其对应的14种基本情绪.研究表明, PAD值与人的相关生理参数存在映射关系, 通过测试相关生理参数就可以推断所处的情绪状态.
|
表 1 14个基本情绪范畴的PAD值 |
下面讨论需求影响下的认知对情绪的作用, 以平静状态下的某人突然获得某事件各种不同类型的信息(语法、语义、语用信息), 产生从惊奇到喜悦的情绪变化来说明全信息情感理论的应用.
在t=t1时, 无需求或没有获得新的信息, ΔEpad1=0, 主体处于平静状态, 此时
|
当t=t2时, 从平静到惊奇.主体获得某事物的语法信息和语义信息大大超出预期的数值, 即
|
此时, In2→0, N2也较小, 主要由事物的后验信息量Ia2产生相应的三维PAD数值, 然后依据表 1产生对应的情绪，即
|
当t=t3时, 从惊奇到喜悦.主体获得事物的语义信息和语用信息大大增加, 需求系数也会相应增加, 在认知唤醒引导下优势度被触发, 而语法信息的作用大大降低, 生理唤醒有所下降, 由式(11) 计算ΔEpad3, 将Eapad3=(2.77, 1.21, 1.42) 代入得
|
尽管此时需求系数可能也在增加, 但主要还是语义和语用偏差信息量(In3-Ia3)sem, (Ia3-Ia3)prag的增加激活了喜悦的产生. 图 3为情绪从惊奇到喜悦PAD值变化曲线.
|
图 3 情绪从惊奇到喜悦PAD值变化曲线 |
通过深入研究发现：人类心智活动的核心机理就是需求影响下的认知-情感的交互作用, 人类可以在不同粒度或层次上形成对事物的不同认知和情绪、情感体验.全信息情感理论以全信息理论的相关定义、度量标准为基础[6], 依据心理学和认知科学的相关研究成果, 区分不同类型情感和认知间的相互作用, 建立了需求引领下的多层认知-情感交互模型；在信息-情绪层次, 对信息、情绪和需求进行了数学描述, 引入运算算子, 全信息情感理论为分析人类的心智活动提供了一个新的架构和视角.但由于心智活动是一个具有多层次、自组织、自相似、混沌和非线性的复杂系统, 同时又具有随机、模糊、未确知等不确定性, 这种框架和体系仅仅是初步的还很不完善, 需要数学、心理学、信息科学和智能科学等多领域专家的密切合作.人类的研究实践必将证明：全信息理论及其信息转换是一种面向智能研究的理论[7], 全信息情感理论及其信息情感交互是一种面向心智研究的理论[4].
| [1] | 史忠植. 智能科学[M]. 2版. 北京: 清华大学出版社, 2013. |
| [2] | [美].亚伯拉罕 · 马斯洛.动机与人格[M].3版. 北京: 中国人民大学出版社,2007. |
| [3] |
浦江. 基于二元心理的多层次需求—认知—情感计算模型研究[J]. 徐州工程学院学报:自然科学版, 2013, 28(4): 50–56.
Pu Jiang. Multi-levelneeds-cognitive-affective computing model based on binary psychology[J].Journal of Xuzhou Institute of Technology: Natural Sciences Edition, 2013, 28(4): 50–56. |
| [4] |
浦江. 全信息情感理论——一种认知情感交互机理的假说[J]. 智能系统学报, 2013, 8(2): 105–112.
Pu Jiang. Comprehensive information emotional theory-a hypothesis of cognitive-emotional interaction mechanism[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2013, 8(2): 105–112. |
| [5] |
刘烨, 陶霖密, 傅小兰. 基于情绪图片的PAD情感状态模型分析[J]. 中国图象图形学报A, 2009, 14(5): 753–758.
Liu Ye, Tao Linmi, Fu Xiaolan. The analysis of PAD emotional state model based on emotion pictures[J].Journal of Image and Graphics, 2009, 14(5): 753–758. |
| [6] | 钟义信. 信息科学原理[M]. 3版. 北京: 北京邮电大学出版社, 2002. |
| [7] |
钟义信. 面向智能研究的全信息理论——纪念Shannon信息论50周年[J]. 北京邮电大学学报, 1998, 21(4): 3–8.
Zhong Yixin. Intelligence oriented comprehen-sive inpormationtheory-in memory of the 50th anniversary of Shannon information theory[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 1998, 21(4): 3–8. |