Razonamiento espacio-temporal

El razonamiento espacio-temporal es un área de la inteligencia artificial que se nutre de los campos de las ciencias de la computación, la ciencia cognitiva y la psicología cognitiva. El objetivo teórico —en el ámbito cognitivo— implica la representación y el razonamiento sobre el conocimiento espacio-temporal en la mente. El objetivo aplicado —en el ámbito informático— conlleva el desarrollo de sistemas de control de alto nivel para autómatas destinados a navegación robótica, así como la comprensión del tiempo y el espacio.

Influencia de la psicología cognitiva

Un hallazgo convergente en la psicología cognitiva es que la relación de conexión es la primera relación espacial que adquieren los bebés humanos, seguida por la comprensión de las relaciones de orientación y de distancia. Las relaciones internas entre estos tres tipos de relaciones espaciales pueden explicarse de manera computacional y sistemática dentro de la teoría del prisma cognitivo de la siguiente forma:

1. La relación de conexión es primitiva
2. Una relación de orientación es una relación de comparación de distancias: el hecho de que tú estés frente a mí puede interpretarse como que estás más cerca de mi parte frontal que de mis otros lados
3. Una relación de distancia es una relación de conexión que utiliza un tercer objeto: el hecho de que estés a un metro de distancia de mí puede interpretarse como un objeto de un metro de longitud conectado simultáneamente contigo y conmigo

Representaciones fragmentarias de cálculos temporales

Sin abordar las relaciones internas entre las relaciones espaciales, los investigadores de IA aportaron numerosas representaciones fragmentarias. Ejemplos de cálculos temporales incluyen el álgebra de intervalos de Allen y el álgebra de puntos de Vilain y Kautz. Las operaciones espaciales más destacadas son los cálculos mereotopológicos, el cálculo de puntos cardinales de Frank, el cálculo de doble cruz de Freksa, los cálculos de 4 y 9 intersecciones de Egenhofer y Franzosa, el cálculo de vaivén de Ligozat, varios cálculos de conexión de regiones (RCC) y el álgebra de relaciones de puntos orientados.

Se han diseñado cálculos espacio-temporales que combinan información espacial y temporal. Por ejemplo, el cálculo de restricciones espacio-temporales (STCC) de Gerevini y Nebel combina el álgebra de intervalos de Allen con RCC-8. Asimismo, el cálculo de trayectorias cualitativas (QTC) permite razonar sobre objetos en movimiento.

Abstracción cuantitativa

La literatura ha puesto énfasis en el razonamiento espacio-temporal cualitativo, que se basa en abstracciones cualitativas de los aspectos temporales y espaciales del conocimiento de sentido común que sustenta nuestra perspectiva humana de la realidad física. Desde un punto de vista metodológico, los cálculos cualitativos restringen el vocabulario de teorías matemáticas complejas que tratan sobre entidades temporales o espaciales, de modo que aspectos específicos de dichas teorías puedan abordarse mediante fragmentos decidibles que utilizan lenguajes cualitativos simples (no métricos).

A diferencia de las teorías matemáticas o físicas sobre el espacio y el tiempo, los cálculos de restricciones cualitativas permiten realizar razonamientos de bajo coste computacional sobre entidades situadas en el espacio y el tiempo. Por ello, la expresividad limitada de los cálculos de formalismos de representación cualitativa resulta ventajosa cuando es necesario integrar tales tareas de razonamiento en aplicaciones. Por ejemplo, algunos de estos cálculos pueden implementarse para gestionar consultas espaciales en sistemas de información geográfica (SIG) de manera eficiente, mientras que otros pueden utilizarse para la navegación y la comunicación con un sistema móvil robótico.

Álgebra de relaciones

La mayoría de estos cálculos pueden formalizarse como álgebras de relaciones abstractos, permitiendo así realizar el razonamiento a un nivel simbólico. Para calcular soluciones de una red de restricciones, el algoritmo de consistencia de caminos constituye una herramienta importante.

Software

• GQR: solucionador de redes de restricciones para cálculos como RCC-5, RCC-8, el álgebra de intervalos de Allen, el álgebra de puntos, el cálculo de direcciones cardinales, etc.
• qualreas: un marco de trabajo Python para el razonamiento cualitativo sobre redes de álgebras de relaciones, tales como RCC-8, el álgebra de intervalos de Allen y el álgebra de Allen integrada con puntos temporales y situada en un modelo de tiempo de ramificación izquierda o derecha.

Véase también

• Corteza cerebral
• Razonamiento de sentido común
• Razonamiento diagramático
• Habilidad espacial
• Lógica temporal
• Pensamiento visual

Referencias

Bibliografía

• Renz, J.; Nebel, B. (2007). «Qualitative Spatial Reasoning using Constraint Calculi». En Aiello, M.; Pratt-Hartmann, I.; van Benthem, J., eds. Handbook of Spatial Logics. Springer. ISBN 9781402055867. Archivado desde el original el 27 de junio de 2007. Consultado el 1 de marzo de 2007. 
• Dong, T. (2008). «A Comment on RCC: From RCC to RCC⁺⁺». Journal of Philosophical Logic 34 (2): 319-352. JSTOR 41217909. S2CID 6243376. doi:10.1007/s10992-007-9074-y. 
• Vilain, M.; Kautz, H.; van Beek, P. (1987). «Constraint propagation algorithms for temporal reasoning: A Revised Report». Readings in qualitative reasoning about physical systems. Morgan Kaufmann Publishers. ISBN 1-55860-095-7. 
• Dong, T. (2012). Recognizing Variable Environment -- The Theory of Cognitive Prism. Studies in Computational Intelligence 388. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg. ISBN 9783642240577. 

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Razonamiento espacio-temporal.