当国家行动对具有等效的奖励和过渡动态时，动物能够从有限的经验中迅速推断出来。另一方面，现代的强化学习系统必须通过反复试验进行艰苦的学习，以使国家行动对相当于价值 - 需要从其环境中进行过多的大量样本。已经提出了MDP同态，将观察到的环境的MDP降低到抽象的MDP，这可以实现更有效的样本策略学习。因此，当可以先验地构建合适的MDP同构时，已经实现了样本效率的令人印象深刻的提高 - 通常是通过利用执业者对环境对称性的知识来实现​​的。我们提出了一种在离散作用空间中构建同态的新方法，该方法使用部分环境动力学模型来推断哪种状态作用对导致同一状态 - 将状态行动空间的大小减少了一个等于动作空间的基数。我们称此方法等效效果抽象。在GridWorld环境中，我们从经验上证明了等效效果抽象可以提高基于模型的方法的无模型设置和计划效率的样品效率。此外，我们在Cartpole上表明，我们的方法的表现优于学习同构的现有方法，同时使用33倍的培训数据。

基于模型的强化学习有望通过学习环境中的中间模型来预测未来的相互作用，从而从与环境的互动较少的相互作用中学习最佳政策。当预测一系列相互作用时，限制预测范围的推出长度是关键的超参数，因为预测的准确性会降低远离真实体验的区域。结果，从长远来看，从长远来看，总体上更糟糕的政策。因此，超参数提供了质量和效率之间的权衡。在这项工作中，我们将调整推出长度调整为元级的顺序决策问题的问题构成了问题，该问题优化了基于模型的强化学习所学到的最终策略，鉴于环境相互作用的固定预算通过基于反馈动态调整超参数来调整超参数。从学习过程中，例如模型的准确性和互动的其余预算。我们使用无模型的深度强化学习来解决元级决策问题，并证明我们的方法在两个众所周知的强化学习环境上优于共同的启发式基准。

在本文中，我们提出了一种新的马尔可夫决策过程学习分层表示的方法。我们的方法通过将状态空间划分为子集，并定义用于在分区之间执行转换的子任务。我们制定将状态空间作为优化问题分区的问题，该优化问题可以使用梯度下降给出一组采样的轨迹来解决，使我们的方法适用于大状态空间的高维问题。我们经验验证方法，通过表示它可以成功地在导航域中成功学习有用的分层表示。一旦了解到，分层表示可以用于解决给定域中的不同任务，从而概括跨任务的知识。

我们提出了连续表示的时间扩展变化，我们称其为t-SR。 T-SR通过在原始动作重复序列上构造后继表示，捕获了时间扩展动作的预期状态过渡动力学。这种时间抽象的这种形式不能学习相关任务结构的自上而下的层次结构，而是对耦合动作和动作重复的自下而上的组成。这减少了在没有学习层次政策的情况下控制中所需的决策数量。因此，T-SR直接考虑了时间扩展的动作序列的时间范围，而无需预定义或域特异性选项。我们表明，在具有动态奖励结构的环境中，T-SR能够利用后继表示的灵活性和时间扩展的动作提供的抽象。因此，在一系列稀疏的网格世界环境中，T-SR最佳地适应策略远比基于可比的无模型的强化学习方法快得多。我们还表明，T-SR学到的解决这些任务的方式要求学习的策略的始终如一的频率比非临时扩展的策略少。

在现实世界中，通过弱势政策影响环境可能是昂贵的或非常危险的，因此妨碍了现实世界的加强学习应用。离线强化学习（RL）可以从给定数据集中学习策略，而不与环境进行交互。但是，数据集是脱机RL算法的唯一信息源，并确定学习策略的性能。我们仍然缺乏关于数据集特征如何影响不同离线RL算法的研究。因此，我们对数据集特性如何实现离散动作环境的离线RL算法的性能的全面实证分析。数据集的特点是两个度量：（1）通过轨迹质量（TQ）测量的平均数据集返回和（2）由状态 - 动作覆盖（SACO）测量的覆盖范围。我们发现，禁止政策深度Q网家族的变体需要具有高SACO的数据集来表现良好。将学习策略朝向给定数据集的算法对具有高TQ或SACO的数据集进行了良好。对于具有高TQ的数据集，行为克隆优先级或类似于最好的离线RL算法。

Safety is still one of the major research challenges in reinforcement learning (RL). In this paper, we address the problem of how to avoid safety violations of RL agents during exploration in probabilistic and partially unknown environments. Our approach combines automata learning for Markov Decision Processes (MDPs) and shield synthesis in an iterative approach. Initially, the MDP representing the environment is unknown. The agent starts exploring the environment and collects traces. From the collected traces, we passively learn MDPs that abstractly represent the safety-relevant aspects of the environment. Given a learned MDP and a safety specification, we construct a shield. For each state-action pair within a learned MDP, the shield computes exact probabilities on how likely it is that executing the action results in violating the specification from the current state within the next $k$ steps. After the shield is constructed, the shield is used during runtime and blocks any actions that induce a too large risk from the agent. The shielded agent continues to explore the environment and collects new data on the environment. Iteratively, we use the collected data to learn new MDPs with higher accuracy, resulting in turn in shields able to prevent more safety violations. We implemented our approach and present a detailed case study of a Q-learning agent exploring slippery Gridworlds. In our experiments, we show that as the agent explores more and more of the environment during training, the improved learned models lead to shields that are able to prevent many safety violations.

在实际应用中，尽管这种知识对于确定反应性控制系统与环境的精确相互作用很重要，但我们很少可以完全观察到系统的环境。因此，我们提出了一种在部分可观察到的环境中进行加固学习方法（RL）。在假设环境的行为就像是可观察到的马尔可夫决策过程，但我们对其结构或过渡概率不了解。我们的方法将Q学习与IOALERGIA结合在一起，这是一种学习马尔可夫决策过程（MDP）的方法。通过从RL代理的发作中学习环境的MDP模型，我们可以在不明确的部分可观察到的域中启用RL，而没有明确的记忆，以跟踪以前的相互作用，以处理由部分可观察性引起的歧义。相反，我们通过模拟学习环境模型上的新体验以跟踪探索状态，以抽象环境状态的形式提供其他观察结果。在我们的评估中，我们报告了方法的有效性及其有希望的性能，与六种具有复发性神经网络和固定记忆的最先进的深度RL技术相比。

在加强学习算法中纳入先前知识主要是一个开放的问题。即使有关环境动态的见解，也可以在Tabula Rasa设置中使用加固学习，并且必须从头开始探索和学习所有内容。在本文中，我们考虑利用对动作序列等价的前沿的问题：即，当不同的行动序列产生相同的效果时。我们提出了一种新的本地探索策略，以最大限度地减少碰撞并最大限度地提高新的国家审视。我们表明，通过解决凸优化问题，可以几乎没有成本计算该策略。通过在DQN中取代通常的epsilon贪婪策略，我们在具有各种动态结构的若干环境中展示了其潜力。

当加强学习以稀疏的奖励应用时，代理必须花费很长时间探索未知环境而没有任何学习信号。抽象是一种为代理提供在潜在空间中过渡的内在奖励的方法。先前的工作着重于密集的连续潜在空间，或要求用户手动提供表示形式。我们的方法是第一个自动学习基础环境的离散抽象的方法。此外，我们的方法使用端到端可训练的正规后继代表模型在任意输入空间上起作用。对于抽象状态之间的过渡，我们以选项的形式训练一组时间扩展的动作，即动作抽象。我们提出的算法，离散的国家行动抽象（DSAA），在训练这些选项之间进行迭代交换，并使用它们有效地探索更多环境以改善状态抽象。结果，我们的模型不仅对转移学习，而且在在线学习环境中有用。我们从经验上表明，与基线加强学习算法相比，我们的代理能够探索环境并更有效地解决任务。我们的代码可在\ url {https://github.com/amnonattali/dsaa}上公开获得。

当相互作用数据稀缺时，深厚的增强学习（RL）算法遭受了严重的性能下降，这限制了其现实世界的应用。最近，视觉表示学习已被证明是有效的，并且有望提高RL样品效率。这些方法通常依靠对比度学习和数据扩展来训练状态预测的过渡模型，这与在RL中使用模型的方式不同 - 基于价值的计划。因此，学到的模型可能无法与环境保持良好状态并产生一致的价值预测，尤其是当国家过渡不是确定性的情况下。为了解决这个问题，我们提出了一种称为价值一致表示学习（VCR）的新颖方法，以学习与决策直接相关的表示形式。更具体地说，VCR训练一个模型，以预测基于当前的状态（也称为“想象的状态”）和一系列动作。 VCR没有将这个想象中的状态与环境返回的真实状态保持一致，而是在两个状态上应用$ q $ - 价值头，并获得了两个行动值分布。然后将距离计算并最小化以迫使想象的状态产生与真实状态相似的动作值预测。我们为离散和连续的动作空间开发了上述想法的两个实现。我们对Atari 100K和DeepMind Control Suite基准测试进行实验，以验证其提高样品效率的有效性。已经证明，我们的方法实现了无搜索RL算法的新最新性能。

顺序决策的两种常见方法是AI计划（AIP）和强化学习（RL）。每个都有优点和缺点。 AIP是可解释的，易于与象征知识集成，并且通常是有效的，但需要前期逻辑域的规范，并且对噪声敏感； RL仅需要奖励的规范，并且对噪声是强大的，但效率低下，不容易提供外部知识。我们提出了一种综合方法，将高级计划与RL结合在一起，保留可解释性，转移和效率，同时允许对低级计划行动进行强有力的学习。我们的方法通过在AI计划问题的状态过渡模型与Markov决策过程（MDP）的抽象状态过渡系统（MDP）之间建立对应关系，从而定义了AIP操作员的分层增强学习（HRL）的选项。通过添加内在奖励来鼓励MDP和AIP过渡模型之间的一致性来学习选项。我们通过比较Minigrid和N房间环境中RL和HRL算法的性能来证明我们的综合方法的好处，从而显示了我们方法比现有方法的优势。

Model-Based Reinforcement Learning (RL) is widely believed to have the potential to improve sample efficiency by allowing an agent to synthesize large amounts of imagined experience. Experience Replay (ER) can be considered a simple kind of model, which has proved extremely effective at improving the stability and efficiency of deep RL. In principle, a learned parametric model could improve on ER by generalizing from real experience to augment the dataset with additional plausible experience. However, owing to the many design choices involved in empirically successful algorithms, it can be very hard to establish where the benefits are actually coming from. Here, we provide theoretical and empirical insight into when, and how, we can expect data generated by a learned model to be useful. First, we provide a general theorem motivating how learning a model as an intermediate step can narrow down the set of possible value functions more than learning a value function directly from data using the Bellman equation. Second, we provide an illustrative example showing empirically how a similar effect occurs in a more concrete setting with neural network function approximation. Finally, we provide extensive experiments showing the benefit of model-based learning for online RL in environments with combinatorial complexity, but factored structure that allows a learned model to generalize. In these experiments, we take care to control for other factors in order to isolate, insofar as possible, the benefit of using experience generated by a learned model relative to ER alone.

In many real-world problems, the learning agent needs to learn a problem's abstractions and solution simultaneously. However, most such abstractions need to be designed and refined by hand for different problems and domains of application. This paper presents a novel top-down approach for constructing state abstractions while carrying out reinforcement learning. Starting with state variables and a simulator, it presents a novel domain-independent approach for dynamically computing an abstraction based on the dispersion of Q-values in abstract states as the agent continues acting and learning. Extensive empirical evaluation on multiple domains and problems shows that this approach automatically learns abstractions that are finely-tuned to the problem, yield powerful sample efficiency, and result in the RL agent significantly outperforming existing approaches.

Many practical applications of reinforcement learning constrain agents to learn from a fixed batch of data which has already been gathered, without offering further possibility for data collection. In this paper, we demonstrate that due to errors introduced by extrapolation, standard offpolicy deep reinforcement learning algorithms, such as DQN and DDPG, are incapable of learning without data correlated to the distribution under the current policy, making them ineffective for this fixed batch setting. We introduce a novel class of off-policy algorithms, batch-constrained reinforcement learning, which restricts the action space in order to force the agent towards behaving close to on-policy with respect to a subset of the given data. We present the first continuous control deep reinforcement learning algorithm which can learn effectively from arbitrary, fixed batch data, and empirically demonstrate the quality of its behavior in several tasks.

在这项工作中，我们提出了一种初步调查一种名为DYNA-T的新算法。在钢筋学习（RL）中，规划代理有自己的环境表示作为模型。要发现与环境互动的最佳政策，代理商会收集试验和错误时尚的经验。经验可用于学习更好的模型或直接改进价值函数和政策。通常是分离的，Dyna-Q是一种混合方法，在每次迭代，利用真实体验更新模型以及值函数，同时使用模拟数据从其模型中的应用程序进行行动。然而，规划过程是计算昂贵的并且强烈取决于国家行动空间的维度。我们建议在模拟体验上构建一个上置信树（UCT），并在在线学习过程中搜索要选择的最佳动作。我们证明了我们提出的方法对来自Open AI的三个测试平台环境的一系列初步测试的有效性。与Dyna-Q相比，Dyna-T通过选择更强大的动作选择策略来优于随机环境中的最先进的RL代理。

在科学应用中使用强化学习（RL），如材料设计和自动化学，正在增加。然而，一个主要挑战实际上，测量系统的状态通常在科学应用中昂贵且耗时，而使用RL的策略学习需要在每次步骤之后进行测量。在这项工作中，我们将测量成本以耗旧奖励的形式明确，并提出了一个框架，使得能够从架子的深rl算法中学习选择操作和确定是否测量当前状态的策略每个时间步骤的系统。通过这种方式，该代理商学会与信息成本相比平衡信息。我们的研究结果表明，当在该制度下培训时，Dueling DQN和PPO代理商可以学习最佳的行动政策，同时制作多达50 \％的状态测量，并且经常性的神经网络可以在测量中产生大于50±50％。我们假设这些减少可以帮助降低屏障将RL应用于现实世界的科学应用。

脱机强化学习 - 从一批数据中学习策略 - 是难以努力的：如果没有制造强烈的假设，它很容易构建实体算法失败的校长。在这项工作中，我们考虑了某些现实世界问题的财产，其中离线强化学习应该有效：行动仅对一部分产生有限的行动。我们正规化并介绍此动作影响规律（AIR）财产。我们进一步提出了一种算法，该算法假定和利用AIR属性，并在MDP满足空气时绑定输出策略的子优相。最后，我们展示了我们的算法在定期保留的两个模拟环境中跨越不同的数据收集策略占据了现有的离线强度学习算法。

许多基于模型的强化学习方法（MBRL）为他们可以提供的马尔可夫决策过程（MDP）模型的准确性和学习效率提供了保证。同时，状态抽象技术允许减少MDP的大小，同时相对于原始问题保持有限的损失。因此，令人惊讶的是，在结合两种技术时，即MBRL仅观察抽象状态时，没有任何保证可用。我们的理论分析表明，抽象可以在网上收集的样本（例如在现实世界中）引入依赖性，这意味着MBRL的大多数结果不能直接扩展到此设置。这项工作的新结果表明，可以使用Martingales的浓度不平等来克服此问题，并允许将R-MAX等算法的结果扩展到以抽象为设置的算法。因此，通过抽象的模型为抽象的RL生成了第一个性能保证：基于模型的强化学习。

在许多增强学习（RL）应用中，观察空间由人类开发人员指定并受到物理实现的限制，因此可能会随时间的巨大变化（例如，观察特征的数量增加）。然而，当观察空间发生变化时，前一项策略可能由于输入特征不匹配而失败，并且另一个策略必须从头开始培训，这在计算和采样复杂性方面效率低。在理论上见解之后，我们提出了一种新颖的算法，该算法提取源任务中的潜在空间动态，并将动态模型传送到目标任务用作基于模型的常规程序。我们的算法适用于观察空间的彻底变化（例如，从向量的基于矢量的观察到图像的观察），没有任何任务映射或目标任务的任何先前知识。实证结果表明，我们的算法显着提高了目标任务中学习的效率和稳定性。

将有用的背景知识传达给加强学习（RL）代理是加速学习的重要方法。我们介绍了Rlang，这是一种特定领域的语言（DSL），用于将域知识传达给RL代理。与RL社区提出的其他现有DSL不同，该基础是决策形式主义的单个要素（例如，奖励功能或政策功能），RLANG可以指定有关马尔可夫决策过程中每个元素的信息。我们为rlang定义了精确的语法和基础语义，并提供了解析器实施，将rlang程序基于算法 - 敏捷的部分世界模型和政策，可以由RL代理利用。我们提供一系列示例RLANG程序，并演示不同的RL方法如何利用所得的知识，包括无模型和基于模型的表格算法，分层方法和深度RL算法（包括策略梯度和基于价值的方法）。