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在許多現實世界的應用中，多主體決策是一個普遍存在的問題，如自動駕駛、多人視頻游戲和機器人團隊運動。多智能體學習的主要挑戰包括其他智能體行為的不確定性，以及由聯合觀察、行動和策略空間的高維性導致的維數災難。由于未知的智能體意圖和意外的、可能的對抗性行為，這些挑戰在對抗性場景中進一步加劇。本文提出了魯棒和可擴展的多智能體學習方法，目標是高效地構建可以在對抗性場景中魯棒運行的自主智能體。通過觀察智能體的行為準確推斷其意圖的能力是魯棒決策的關鍵。在這種情況下，一個挑戰是對手實際行為的高度不確定性，包括潛在的欺騙，這可能與先驗行為模型有很大的不同。捕捉自我主體和對手之間的交互以及對雙方主體可用信息的推理，對于建模這種欺騙行為至關重要。本文采用博弈論對手建模方法解決了這一意圖識別問題，該方法基于一種新的多樣性驅動的信念空間集合訓練技術，用于實現對欺騙的魯棒性**。為了將集成方法擴展到具有多個智能體的場景，本文提出了一種可擴展的多智能體學習技術，該技術通過稀疏注意力機制促進了接近最優的聯合策略學習。該機制的結果是集中的參數更新，這大大提高了采樣效率**。此外，本文還提出了一種新的隱式集成訓練方法，該方法利用多任務學習和深度生成策略分布，以較低的計算和內存成本獲得更好的魯棒性。將魯棒的意圖識別和可擴展的多智能體學習結合起來，可以實現魯棒的、可擴展的離線策略學習。然而，完全自主的智能體還需要能夠不斷地從新的環境和對等智能體中學習(并適應)。因此，本文還提出了一種安全的適應方法，既能適應新的對手，又能在對抗場景中對任何可能的對手剝削保持低可利用性。本文的貢獻有助于構建自主代理，使其能夠在具有不確定性的競爭多智能體場景下做出魯棒的決策，并通過計算效率學習安全地適應以前未見的對等智能體。

本文介紹了在一系列背景下進行因果參數推理的程序，包括觀察性研究、完全隨機化設計、配對實驗和協變量自適應設計。首先，我們討論了凸優化在匹配觀測研究中進行方向推斷和靈敏度分析的應用。我們設計了一種算法，使信噪比最大化，同時考慮了未觀察到的混雜。我們分析算法輸出的漸近分布行為，以發展因果效應的漸近有效假設檢驗。由此產生的程序在廣泛的程序類上達到最大的設計靈敏度。其次，我們研究了特征信息在完全隨機實驗中對效應進行高精度推斷的作用。本文構建了一種基于線性回歸的校正技術，該技術構造了估計量的漸近方差的上界。該校準程序適用于任何可能是半參數有效的填補估計器，并自動證明所產生的非線性回歸調整估計器至少與均值之差一樣漸近精確;在模型錯誤規范下，非線性回歸調整估計器先前沒有保證的一個特性。第三，我們引入了高斯預軸:一種構建檢驗統計量的算法技術，即使在零中違反隨機化假設的對稱性時，隨機化推理仍保持漸近有效。我們證明了基于預軸統計量的隨機化檢驗在銳利的零值下是有限樣本精確的，而在弱零值下它們漸近地控制了錯誤拒絕的概率。這允許形成具有同聲傳譯的處理效應的置信區域，作為齊次相加處理效應的精確置信區域和異質相加處理效應的漸近置信區域;從而統一費雪和內曼推理的許多實驗設計，包括重隨機實驗。第四，我們構建了重采樣算法的嵌套層次結構，該算法利用了超總體、固定協變量和有限總體模型中的概率結構，以促進完全隨機設計中各種統計數據的非參數推斷。重采樣算法通過利用回歸調整和最優傳輸的現代結果擴展了經典的自舉范例，在固定協變量和有限人口模型下實現了顯著的增益。

由于物理世界是復雜的、模糊的、不可預測的，自主的智能體必須被設計成表現出人類水平的靈活性和通用性——遠遠超出我們顯式編程的能力。這種自主的實現不僅能夠可靠地解決特定的問題，而且還能夠預測可能出現的錯誤，以便制定戰略、適應和持續學習。要想做出如此豐富而復雜的決策，就需要在自主學習生命周期的所有階段重新思考智能的基礎。

在本論文中，我們開發了新的基于學習的方法，以實現自主系統的動態、彈性和穩健決策。通過解決在所有階段出現的關鍵挑戰，從用于訓練的數據，到在這些數據上學習的模型，再到算法，以可靠地適應部署期間的意外事件，來推進野外的魯棒決策。我們首先探索如何通過計算設計豐富的合成環境，能夠模擬連續的難以收集的、分布外的邊緣情況，在訓練和評估期間易于使用。利用這個豐富的數據基礎，我們隨后創建了高效、富有表現力的學習模型，以及優化其表示的必要算法，并克服了代表性不足和具有挑戰性的數據中的不平衡。最后，使用經過訓練的模型，我們將轉向部署設置，在該設置中，我們仍然應該預期我們的系統將面臨在訓練中從未遇到過的全新場景。為此，我們開發了自適應和不確定性感知算法來估計模型的不確定性，并利用它的存在來實現一般化的決策，即使是在存在意外事件的情況下。

現代深度強化學習(RL)算法，盡管處于人工智能能力的最前沿，但通常需要大量的訓練樣本才能達到與人類相當的性能水平。這種嚴重的數據效率低下是深度RL實際應用的主要障礙:在沒有模擬器的情況下，深度RL幾乎不可能應用于任何領域。為了解決這種關鍵數據效率低下的問題，在本論文中，我們致力于設計能夠快速適應新環境的元學習智能體。與標準的強化學習相比，元學習在特定的環境分布上進行學習，從這些環境中采樣特定的任務，并直接優化元學習器，以提高策略改進的速度。通過利用與感興趣任務具有共同子結構的任務分布，元學習器可以調整自己的歸納偏見，使其能夠在測試時快速適應。

本論文的重點是設計元學習算法，利用記憶作為驅動快速適應新環境的主要機制。具有情景間記憶的元學習是一類元學習方法，利用基于特定環境的整個交互歷史的記憶架構來產生策略。因此，在特定任務中驅動策略改進的學習動態被包含在序列模型的計算過程中，本質上把學習算法的設計交給了體系結構。雖然概念簡單，但使用情景間記憶的元學習非常有效，仍然是最先進的方法。我們提出并討論了幾種通過記憶進行元學習的技術。

論文的第一部分集中在“具身”類環境，其中一個主體在一個類似自然世界的環境中有物理表現。我們利用這種高度結構化的環境集來設計具有快速記憶、規劃和狀態推斷能力的整體嵌入式代理體系結構。在論文的第二部分，我們將重點放在沒有強公共子結構的一般環境中應用的方法。首先，我們重新檢查元學習代理與環境的交互模式:提出用一個并行執行框架來取代典型的順序處理交互歷史，其中多個智能體并行地在環境中行動。接下來，我們討論了一個通用的和強大的序列模型的使用片段間存儲器，門控transformer，展示了性能和數據效率的巨大改進。最后，我們開發了一種方法，可以顯著降低(元)強化學習設置中transformer模型的訓練成本和作用延遲，目的是(1)使它們在研究社區中更廣泛地使用，(2)解鎖它們在實時和延遲受限的應用中使用，如機器人。

//www.ml.cmu.edu/research/phd-dissertation-pdfs/eparisot_phd_mld_2021.pdf

在新環境中有效的自主導航對于智能體達到更復雜的自主水平至關重要。我們對改善攜帶輕型光電傳感器有效載荷的車輛在未知環境中的自主導航和估計感興趣。由于傳感的限制，在非瑣碎的新環境中，世界的許多幾何結構還沒有被觀察到，導致了嚴重的幾何模糊性。盡管收集額外的幾何信息可以減少模糊性，但這樣做往往與任務的目標相抵觸。我們建議將對象層面的語義信息和幾何信息結合起來，以切實改善導航和估計。

在這篇論文中，我們提出了在新環境中改善自主導航的三個貢獻。首先，我們通過將有用的導航行為編碼在由部分占有率和對象級地圖告知的抽樣分布中，來提高新環境中的導航效率。我們認識到，在有效導航時，在有限的視角下，對象層面的估計是具有挑戰性的，因此我們還開發了兩種在線建立對象層面表征的方法。在我們的第二個貢獻中，我們通過引入額外的紋理測量和語義類形狀先驗，提高了帶有橢圓體表征的對象級SLAM的視點效率。最后，在我們的第三個貢獻中，我們提出了一種新的深度學習的三維對象估計方法，利用間接的圖像空間注釋和類內形狀一致性來實現從單一的RGB圖像的三維對象估計。

摘要

無人駕駛飛行器 (UAV) 在過去十年中受到無人機硬件和監管框架的快速創新推動，被設想用于為未來社會多種服務應用。從下一代無線網絡的角度來看，無人機不僅有望充當被動蜂窩連接用戶的角色，而且還可以作為無人機輔助網絡的一部分，作為連接的主動推動者。用例范圍從貨物的“最后一英里”交付、客運、基礎設施檢查、環境監測和測量到智能農業的推動者。它們快速靈活的部署使它們在地面通信基礎設施不堪重負或被破壞的情況下特別有用，例如在自然災害和搜救情況下。在擴展永久性網絡基礎設施不可行或經濟上不可行的偏遠地區，無人機可以為目前沒有移動互聯網的世界一半人口提供移動互聯網接入。

圖 1.1 無人機提供通信服務和支撐固定基礎設施的應用示例。

圖 1.2 無人機分類。

無人機在所有潛在應用場景中的決定性優勢是它們的移動性。為了充分利用它們的能力，靈活高效的路徑規劃方法是必要的。本論文的重點是探索機器學習 (ML)，特別是強化學習 (RL)，作為解決無人機移動管理挑戰的一類有前途的解決方案。隨著近年來RL與神經網絡相結合的研究進展，deep RL是為數不多的能夠直接解決通信場景下無人機控制與部署復雜任務的框架之一，因為這些問題通常是NP-hard優化問題，且受到非凸性的嚴重影響。此外，深度 RL 提供了以直接方式平衡無人機輔助網絡的多個目標的可能性，它在先驗或模型信息的可用性方面非常靈活，而深度 RL 推理在計算上是高效的。

中小型無人機路徑規劃的一個關鍵限制是它們的最大活動任務時間受到機載電池能量密度的限制。當用作向地面用戶提供數據服務的空中基站 (BS) 時，自主無人機需要共同優化其飛行時間和系統的通信性能目標。論文的第一部分探討了使用深度 Q 學習來控制空中 BS，該 BS 從地面用戶那里收集數據，同時集成專用著陸點，無人機可以在著陸點著陸，從而在繼續為用戶服務的同時在其軌跡上節省能源。深度 Q 學習允許無人機在沒有任何關于環境或任務的明確信息的情況下找到有效的軌跡。

圖 3.1 空中 BS 移動決策是根據無人機的當前狀態做出的，即位置和電池電量。 UAV 完全不知道環境的先驗知識，即不知道著陸點（LS）的存在或位置、用戶位置、信道模型或最終 UAV 著陸位置。雖然 LS 提供了節能的可能性，但 UAV BS 可能不得不為某些用戶犧牲一些 QoS。

雖然 RL 范式為解決無人機輔助網絡中的優化問題提供了許多優勢，但仍然存在一些實際挑戰，尤其是在無人機可以學習的訓練數據需求的背景下。在現實世界中收集訓練數據是一個昂貴且耗時的過程，而在傳統的 RL 方法中，如果任務參數發生變化，則需要重復冗長的訓練過程，例如無人機的電池容量。在本論文中，我們通過提出一種深度 RL 算法來解決這個問題，該算法將訓練擴展到來自分布式物聯網 (IoT) 設備的無人機數據收集任務的隨機實例，如果任務參數發生變化，則無需重新訓練。與傳統方法相比，結果是一個復雜得多的問題，因為需要同時找到數千個任務實例的解決方案。這可以通過利用任務密集城市環境的智能處理地圖信息來實現。我們將此設置擴展到協作多無人機案例，其中出現機群協作的額外挑戰，以及大型、復雜和現實的城市環境挑戰。

圖 4.7 同一智能體適應設備數量和設備位置差異以及飛行時間限制的圖示，顯示了曼哈頓場景中已使用和可用的飛行時間以及收集和可用的總數據。

圖 5.8 軌跡圖說明傳播條件的變化對已經訓練好的智能體的影響。圖 5.8a 顯示了在智能體訓練時使用路徑損耗指數的原始行為。圖 5.8b 顯示了相同智能體在其他情況不變的情況下，路徑損耗指數略低。

論文的以下部分探討了無人機輔助通信和機器人技術，這是兩個通常不相交的研究界。 RL 范式的固有靈活性為提出可在多個無人機路徑規劃實例中工作的解決方案提供了機會，例如物聯網數據收集和覆蓋路徑規劃 (CPP)，這是一個經典的機器人問題。最后，在本文的最后一部分，研究了基于模型輔助學習框架的另一種解決RL算法訓練數據需求挑戰的方法。在這種方法中，UAV首先學習真實環境的模型，然后利用學習的模型生成模擬訓練數據，大大減少了對昂貴的真實世界數據的需求。

盡管最近在深度學習方面取得了進展，但大多數方法仍然采用豎井式的解決方案，即為每個單獨的任務訓練一個單獨的神經網絡。然而，許多現實世界的問題需要同時解決許多任務。例如，一輛自動駕駛汽車應該能夠檢測場景中的所有物體，對其進行定位，估計其距離和軌跡等，以便在其周圍環境中安全導航。類似地，用于商業應用的圖像識別系統應該能夠標記產品、檢索類似的商品、提出個性化的建議等，以便為客戶提供盡可能好的服務。這類問題促使研究人員建立多任務學習模型。多任務學習的核心思想是并行學習多個任務，同時共享學習到的表示。與單任務情況相比，多任務網絡具有許多實際的優點，單任務情況下，每個單獨的任務由自己的網絡單獨解決。首先，由于層的共享，產生的內存占用大大減少。其次，由于它們避免在共享層中重復計算特征，每個任務一次，它們顯示出提高的推理速度。第三，如果相關的任務共享互補信息，或者作為一個正則化器，它們有可能提高性能。

在構建多任務學習模型時，我們面臨著兩個重要的挑戰。首先，我們需要想出能夠處理多個任務的神經網絡架構。其次，我們需要為共同學習任務制定新的訓練方案。特別是，由于我們并行地優化多個目標，一個或多個任務可能會開始主導權重更新過程，從而阻礙模型學習其他任務。在這份手稿中，我們在視覺場景理解的背景下鉆研了這兩個問題。我們提出了兩種新的模型類型來解決體系結構問題。首先，我們探索了分支多任務網絡，其中神經網絡的更深層次逐漸成長為更具體的任務。我們介紹了一種有原則的方法來自動構建這樣的分支多任務網絡。構造過程將可以用一組相似特征來解決的任務組合在一起，同時在任務相似性和網絡復雜性之間進行權衡。通過這種方式，我們的方法生成的模型可以在性能和計算資源量之間做出更好的權衡。

其次，我們提出了一種新的神經網絡結構，用于聯合處理多個密集的預測任務。其關鍵思想是從多個尺度上對其他任務的預測中提取有用信息，從而提高對每個任務的預測。包含多個尺度的動機是基于這樣的觀察:在某個尺度上具有高相似性的任務不能保證在其他尺度上保持這種行為，反之亦然。在密集標記的兩個流行基準上進行的廣泛實驗表明，與之前的工作不同，我們的模型提供了多任務學習的全部潛力，即更小的內存占用，減少的計算數量，以及更好的性能w.r.t.單任務學習。此外，我們還考慮了多任務學習優化問題。我們首先分析幾種平衡任務學習的現有技術。令人驚訝的是，我們發現了這些工作之間的一些差異。我們假設，這可能是由于多任務學習缺乏標準化的基準，不同的基準受益于特定的策略。基于這個結果，我們然后分離最有希望的元素，并提出一組啟發式方法來平衡任務。啟發式具有實際性質，并在不同的基準測試中產生更魯棒的性能。

在最后一章中，我們從另一個角度來考慮場景理解的問題。文獻中描述的許多模型都受益于有監督的預訓練。在這種情況下，在轉移到感興趣的任務之前，模型首先在一個更大的帶注釋的數據集(如ImageNet)上進行預訓練。這使得模型能夠很好地執行，即使是在只有少量標記示例的數據集上。不幸的是，有監督的預訓練依賴于帶注釋的數據集本身，這限制了它的適用性。為了解決這個問題，研究人員開始探索自監督學習方法。我們以對比學習為基礎來回顧最近流行的作品。首先，我們展示了現有的方法，如MoCo可以在不同的數據集上獲得穩健的結果，包括以場景為中心的數據、長尾數據和特定領域的數據。其次，我們通過增加額外的不變性來改進學習的表示。這一結果直接有利于許多下游任務，如語義分割、檢測等。最后，我們證明了通過自監督學習所獲得的改進也可以轉化為多任務學習網絡。綜上所述，本文提出了幾個重要的貢獻，以改進多任務學習模型的視覺場景理解。創新集中在改進神經網絡結構、優化過程和訓練前方面。所有方法都經過了各種基準測試。該代碼公開發布://github.com/SimonVandenhende。

近年來，人工智能研究取得了驚人的發展和進步。這些進步主要是在三個方面取得的:計算機視覺、自然語言處理和機器人技術。例如，圖像識別被廣泛認為是計算機視覺的圣杯，而語言建模和翻譯一直是自然語言處理的基本任務。然而，許多實際應用程序和任務需要解決的不僅僅是這些特定于領域的問題，而是需要解決涉及所有三個領域的問題。一個自主系統不僅需要能夠識別圖像中的物體，而且還需要解釋自然語言的描述或命令，并理解它們如何與它所感知的視覺觀察相關聯。此外，機器人需要利用這些信息進行決策，并決定為了完成任務而采取哪些物理行動。在本文的第一部分，我提出了一種學習如何將自然語言與三維形狀聯系起來的方法，使系統能夠將文本描述中描述的“圓”等詞與三維物體中的圓的幾何屬性進行連接。為了將這兩種模式聯系起來，我們依賴一個跨模態嵌入空間來進行多模態推理，并在沒有細粒度、屬性級分類注釋的情況下學習這個空間。通過學習如何將這兩種模態聯系起來，我們可以執行諸如文本到形狀的檢索和形狀操作等任務，還可以實現新的任務，如文本到形狀的生成。在本論文的第二部分，我們允許主體被具體化，并探索一個依賴于所有三個領域(計算機視覺、自然語言和機器人)的任務:機器人導航通過遵循自然語言指令。不再依賴于固定的圖像或3D對象數據集，代理程序現在位于一個物理環境中，并使用機載相機捕捉自己對空間的視覺觀察。為了在視覺、語言和機器人物理狀態之間建立聯系，我們提出了一個使用拓撲圖執行規劃和控制的系統。這種基本的抽象允許主體將語言指令的部分與環境的相關空間區域聯系起來，并將一系列視覺觀察與物理動作和行動聯系起來。

//searchworks.stanford.edu/view/13876455

賦予機器以感知三維世界的能力，就像我們人類一樣，是人工智能領域一個基本且長期存在的主題。給定不同類型的視覺輸入，如二維/三維傳感器獲取的圖像或點云，一個重要的目標是理解三維環境的幾何結構和語義。傳統的方法通常利用手工特征來估計物體或場景的形狀和語義。然而，他們很難推廣到新的對象和場景，并努力克服關鍵問題造成的視覺遮擋。相比之下，我們的目標是理解場景和其中的對象，通過學習一般和魯棒的表示使用深度神經網絡，訓練在大規模的真實世界3D數據。為了實現這些目標，本文從單視圖或多視圖的物體級三維形狀估計到場景級語義理解三個方面做出了核心貢獻。

在第3章中，我們從一張圖像開始估計一個物體的完整三維形狀。利用幾何細節恢復密集的三維圖形，提出一種強大的編碼器解碼器結構，并結合對抗式學習，從大型三維對象庫中學習可行的幾何先驗。在第4章中，我們建立了一個更通用的框架來從任意數量的圖像中精確地估計物體的三維形狀。通過引入一種新的基于注意力的聚合模塊和兩階段的訓練算法，我們的框架能夠集成可變數量的輸入視圖，預測穩健且一致的物體三維形狀。在第5章中，我們將我們的研究擴展到三維場景，這通常是一個復雜的個體對象的集合。現實世界的3D場景，例如點云，通常是雜亂的，無結構的，閉塞的和不完整的。在借鑒以往基于點的網絡工作的基礎上，我們引入了一種全新的端到端管道來同時識別、檢測和分割三維點云中的所有對象。

總的來說，本文開發了一系列新穎的數據驅動算法，讓機器感知我們真實的3D環境，可以說是在推動人工智能和機器理解的邊界。

//ora.ox.ac.uk/objects/uuid:5f9cd30d-0ee7-412d-ba49-44f5fd76bf28