在現實世界中，存在許多難以用數學方法指定的約束條件。然而，對于強化學習(RL)的現實部署來說，RL agent意識到這些約束條件是至關重要的，這樣它們才能安全地行動。在這項工作中，我們考慮了學習約束的問題，從一個遵守約束的行為的示范。我們通過實驗驗證了我們的方法，并證明了我們的框架能夠成功地學習agent所尊重的最有可能的約束。我們進一步證明，這些習得的約束是可轉移到新個體的，這些新個體可能具有不同的形態和/或獎賞功能。在這方面，之前的工作要么主要局限于表格(離散)設置、特定類型的約束，要么假設環境的過渡動力學。相比之下，我們的框架能夠在完全無模型的環境中學習高維中的任意文本{馬爾可夫}約束。代碼可在:\url{//github.com/shehryar-malik/icrl}。
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模仿學習試圖通過利用專家行為來規避為訓練主體設計適當的獎勵功能的困難。在以Markov Decision Processes (MDP)建模的環境中，大多數現有的模仿算法都取決于在同一MDP中是否有專家演示，而在該MDP中要學習新的模仿策略。在本文中，我們研究了當專家和代理MDP存在差異時如何模擬任務的問題。這些跨領域的差異可能包括不同的動力學、觀點或形態;我們提出了一個新的框架來學習這些領域的響應。重要的是，與之前的工作相比，我們使用只包含專家領域狀態的未配對和未對齊軌跡來學習這種對應關系。我們利用狀態空間和領域未知的潛在空間上的循環一致性約束來做到這一點。此外，我們通過一個歸一化的位置估計函數加強狀態的時間位置的一致性，以對齊兩個領域的軌跡。一旦找到了這種對應關系，我們就可以直接將一個領域的演示轉移到另一個領域，并將其用于模仿。在許多具有挑戰性的領域進行的實驗證明了我們的方法的有效性。
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最近最優傳輸(OT)理論在機器學習中的幾個應用都依賴于正則化，尤其是熵和Sinkhorn算法。由于矩陣向量乘積在Sinkhorn算法中是普遍存在的，一些工作已經提出使用低秩因子來近似其迭代中出現的核矩陣。另一種方法是在OT問題中考慮的可行耦合集上施加低非負秩約束，不需要對代價或核矩陣進行逼近。這條路線首先由forrow2018探索，他提出了一種為平方歐氏地面成本量身定制的算法，使用了一個代理目標，可以通過正則化的Wasserstein重心機制來解決。在此基礎上，我們引入了一種通用方法，旨在完全通用性地解決具有任意代價的低非負秩約束下的OT問題。我們的算法依賴于低秩耦合的顯式分解，將其作為由公共邊際連接的子耦合因子的乘積; 與NMF方法類似，我們交替更新這些因素。證明了該算法的非漸近平穩收斂性，并通過基準實驗證明了該算法的有效性。
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模仿學習使智能體能夠重用和適應他人來之不易的專業知識，為學習行為中的幾個關鍵挑戰提供了解決方案。雖然在現實世界中很容易觀察行為，但可能無法訪問底層操作。我們提出了一種新的方法，僅從觀測中進行模仿，在具有挑戰性的連續控制任務中達到與專家相當的性能，同時在與任務無關的觀測存在時也表現出魯棒性。我們的方法叫做FORM(“未來觀察獎勵模型”)，它來自逆RL目標，并使用專家行為模型進行模擬，該模型是通過對專家觀察的生成模型學習而來的，不需要地面的真實行動。我們的研究表明，在DeepMind Control Suite基準上，FORM的性能與強基線IRL方法(GAIL)相當，而在存在與任務無關的特征時，FORM的性能優于GAIL。
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強化學習
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Density Constrained Reinforcement Learning
Authors: Zengyi Qin, Yuxiao Chen, Chuchu Fan
//www.zhuanzhi.ai/paper/4fa1ffa9d790da75a55a7f6e0aef8821
我們從一個新的角度研究約束強化學習(CRL)，通過直接設置狀態密度函數的約束，而不是以往研究中考慮的值函數。狀態密度具有清晰的物理和數學解釋，并能夠表達各種各樣的約束，如資源限制和安全要求。密度約束還可以避免設計和調優成本功能的耗時過程，這些成本功能是基于價值功能的約束來編碼系統規范所需要的。利用密度函數與Q函數之間的對偶性，提出了一種求解密度約束的RL問題的有效算法，保證了約束條件的滿足。我們證明了當策略更新不完美時，所提出的算法收斂到一個有界誤差的接近最優解。我們使用一組全面的實驗來證明我們的方法相對于最先進的CRL方法的優勢，包括廣泛的密度約束任務和標準的CRL基準測試，如Safety-Gym。
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在為許多現實世界的問題指定獎勵方面的困難導致人們越來越關注從人的反饋中學習獎勵，比如演示。然而，通常有許多不同的獎勵功能來解釋人類的反饋，這讓智能體不確定什么是真正的獎勵功能。雖然大多數策略優化方法通過優化預期性能來處理這種不確定性，但許多應用需要規避風險行為。我們推導了一種新的策略梯度式魯棒優化方法PG-BROIL，它優化了平衡預期性能和風險的軟魯棒目標。據我們所知，PG-BROIL是第一個對獎勵假設分布魯棒的策略優化算法，該假設可以擴展到連續的MDPs。結果表明，PG-BROIL可以產生一系列從風險中性到風險厭惡的行為，并通過對沖不確定性從模糊的演示中學習，而不是尋求唯一識別演示者的獎勵功能時，表現優于最先進的模仿學習算法。
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在不依賴下游任務的情況下評估學習表征的質量仍然是表示學習的挑戰之一。在這項工作中，我們提出幾何成分分析(GeomCA)算法，評估表示空間的幾何和拓撲性質。GeomCA可以應用于任何維度的表示，獨立于生成它們的模型。我們通過分析從各種場景中獲得的表征來證明其適用性，如對比學習模型、生成模型和監督學習模型。
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促進行為多樣性對于解決具有非傳遞性的動態博弈至關重要，因為這些博弈的策略存在周期性，而且沒有一致的贏家（例如，剪刀石頭布）。然而，在定義多樣性和構建具有多樣性意識的學習動態方面缺乏嚴格的處理。這項工作提供了游戲中行為多樣性的幾何解釋，并引入了一種基于決定點過程（DPP）的新的多樣性度量。通過將多樣性度量納入最佳響應動態，我們開發了多樣化的策略空間響應機制，用于解決正常形式的博弈和開放式博弈。我們證明了不同最佳響應的唯一性和我們算法在兩人博弈上的收斂性。重要的是，我們證明了最大化基于DPP的多樣性度量保證了擴大由代理策略混合跨越的凸多面體。為了驗證我們的多樣性感知求解器，我們在數十個顯示出強非傳遞性的博弈上進行了測試。結果表明，通過找到有效和多樣化的策略，可以實現比最先進的求解器更低的可利用性。
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當演示專家的潛在獎勵功能在任何時候都不能被觀察到時，我們解決了在連續控制的背景下模仿學習算法的超參數(HPs)調優的問題。關于模仿學習的大量文獻大多認為這種獎勵功能適用于HP選擇，但這并不是一個現實的設置。事實上，如果有這種獎勵功能，就可以直接用于策略訓練，而不需要模仿。為了解決這個幾乎被忽略的問題，我們提出了一些外部獎勵的可能代理。我們對其進行了廣泛的實證研究(跨越9個環境的超過10000個代理商)，并對選擇HP提出了實用的建議。我們的結果表明，雖然模仿學習算法對HP選擇很敏感，但通常可以通過獎勵功能的代理來選擇足夠好的HP。
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元強化學習(Meta - reinforcement learning, Meta - rl)從以前的任務中提取知識，實現對新任務的快速適應。盡管最近取得了一些進展，但對元強化學習的有效探索仍然是稀疏獎勵任務中的一個關鍵挑戰，因為它需要在元訓練和適應中快速找到與任務相關的信息性經驗。針對這一挑戰，我們明確建模了一個元強化學習的探索策略學習問題，該問題與開發策略學習分離，并引入了一個新的賦權驅動的探索目標，該目標旨在最大限度地獲取信息以進行任務識別。我們得到了相應的內在獎勵，并開發了一個新的非策略元強化學習框架，通過共享任務推理知識，有效地學習獨立的上下文感知的探索和開發策略。實驗結果表明，在不同的稀疏獎勵MuJoCo運動任務和更復雜的稀疏獎勵元世界任務中，我們的meta-RL方法顯著優于最先進的基線。
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圖神經網絡(GNN)中缺乏各向異性核極大地限制了其表達能力，導致了一些眾所周知的問題，如過度平滑。為了克服這個限制，我們提出了第一個全局一致的各向異性核GNN，允許根據拓撲導出的方向流定義圖卷積。首先，通過在圖中定義矢量場，我們提出了一種方法應用方向導數和平滑投影節點特定的信息到場。然后，我們提出用拉普拉斯特征向量作為這種向量場。在Weisfeiler-Lehman 1-WL檢驗方面，我們證明了該方法可以在n維網格上泛化CNN，并證明比標準的GNN更有分辨力。我們在不同的標準基準上評估了我們的方法，發現在CIFAR10圖數據集上相對誤差減少了8%，在分子鋅數據集上相對誤差減少了11%到32%，在MolPCBA數據集上相對精度提高了1.6%。這項工作的重要成果是，它使圖網能夠以一種無監督的方式嵌入方向，從而能夠更好地表示不同物理或生物問題中的各向異性特征。
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