许多增强学习（RL）环境包括独立实体，这些实体稀疏地互动。在这种环境中，RL代理商在任何特定情况下对其他实体的影响仅受限。我们在这项工作中的想法是，通过了解代理人可以通过其行动的何时以及何时何地效力，可以有效地指导。为实现这一目标，我们根据条件互信息介绍\ emph {情况依赖性因果影响}，并表明它可以可靠地检测影响的态度。然后，我们提出了几种方法将这种措施集成到RL算法中，以改善探索和禁止政策学习。所有修改的算法都显示出机器人操纵任务的数据效率强劲增加。

Adequately assigning credit to actions for future outcomes based on their contributions is a long-standing open challenge in Reinforcement Learning. The assumptions of the most commonly used credit assignment method are disadvantageous in tasks where the effects of decisions are not immediately evident. Furthermore, this method can only evaluate actions that have been selected by the agent, making it highly inefficient. Still, no alternative methods have been widely adopted in the field. Hindsight Credit Assignment is a promising, but still unexplored candidate, which aims to solve the problems of both long-term and counterfactual credit assignment. In this thesis, we empirically investigate Hindsight Credit Assignment to identify its main benefits, and key points to improve. Then, we apply it to factored state representations, and in particular to state representations based on the causal structure of the environment. In this setting, we propose a variant of Hindsight Credit Assignment that effectively exploits a given causal structure. We show that our modification greatly decreases the workload of Hindsight Credit Assignment, making it more efficient and enabling it to outperform the baseline credit assignment method on various tasks. This opens the way to other methods based on given or learned causal structures.

作为在人类智能中获得可推广的解决方案的关键组成部分，推理为加强学习（RL）代理人对各种目标的概括提供了巨大的潜力，这是通过汇总部分到全部的论点并发现因果关系的。但是，如何发现和代表因果关系仍然是阻碍因果RL发展的巨大差距。在本文中，我们使用因果图（CG）增强目标条件的RL（GCRL），该结构是基于对象和事件之间的关系建立的。我们在小新生中将GCRL问题提出为变异的可能性最大化，将CG作为潜在变量。为了优化派生目标，我们提出了一个具有理论性能的框架，可以保证在两个步骤之间交替：使用介入数据来估计CG的后验；使用CG学习可推广的模型和可解释的政策。由于缺乏在推理下验证概括能力的公共基准测试，我们设计了九个任务，然后从经验上显示了对这些任务上五个基准的拟议方法的有效性。进一步的理论分析表明，我们的绩效提高归因于因果发现，过渡建模和政策培训的良性周期，这与广泛消融研究中的实验证据相吻合。

Dealing with sparse rewards is one of the biggest challenges in Reinforcement Learning (RL). We present a novel technique called Hindsight Experience Replay which allows sample-efficient learning from rewards which are sparse and binary and therefore avoid the need for complicated reward engineering. It can be combined with an arbitrary off-policy RL algorithm and may be seen as a form of implicit curriculum. We demonstrate our approach on the task of manipulating objects with a robotic arm. In particular, we run experiments on three different tasks: pushing, sliding, and pick-and-place, in each case using only binary rewards indicating whether or not the task is completed. Our ablation studies show that Hindsight Experience Replay is a crucial ingredient which makes training possible in these challenging environments. We show that our policies trained on a physics simulation can be deployed on a physical robot and successfully complete the task. The video presenting our experiments is available at https://goo.gl/SMrQnI.

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

设计人工代理商是一个长期的梦想，可以通过内在动机有效地探索其环境，这类似于孩子们的表演方式。尽管最新的本质上动机增强学习（RL）的进步，但在物体操纵方案中的样本效率探索仍然是一个重大挑战，因为大多数相关信息都在于稀疏的代理对象和对象对象相互作用。在本文中，我们建议使用结构化的世界模型将关系电感偏置纳入控制回路中，以实现组成多对象环境中的样品效率和相互作用富含的探索。通过计划未来的新颖性结构化世界模型，我们的方法生成了自由播放的行为，这些行为早期就开始与对象交互，并随着时间的推移发展更复杂的行为。我们的方法不仅仅是使用模型来计算固有的奖励，我们的方法表明，良好模型和良好探索之间的自我增强周期也开辟了另一条途径：通过基于模型的计划，零击向下游任务。在完全固有的任务不足探索阶段之后，我们的方法解决了诸如堆叠，翻转，拾取和地点之类的挑战性下游任务，并投掷，这些任务概括为看不见的数字和对象的安排，而无需任何其他培训。

通过加强学习（RL）掌握机器人操纵技巧通常需要设计奖励功能。该地区的最新进展表明，使用稀疏奖励，即仅在成功完成任务时奖励代理，可能会导致更好的政策。但是，在这种情况下，国家行动空间探索更困难。最近的RL与稀疏奖励学习的方法已经为任务提供了高质量的人类演示，但这些可能是昂贵的，耗时甚至不可能获得的。在本文中，我们提出了一种不需要人类示范的新颖有效方法。我们观察到，每个机器人操纵任务都可以被视为涉及从被操纵对象的角度来看运动的任务，即，对象可以了解如何自己达到目标状态。为了利用这个想法，我们介绍了一个框架，最初使用现实物理模拟器获得对象运动策略。然后，此策略用于生成辅助奖励，称为模拟的机器人演示奖励（SLDRS），使我们能够学习机器人操纵策略。拟议的方法已在增加复杂性的13个任务中进行了评估，与替代算法相比，可以实现更高的成功率和更快的学习率。 SLDRS对多对象堆叠和非刚性物体操作等任务特别有益。

While reinforcement learning algorithms provide automated acquisition of optimal policies, practical application of such methods requires a number of design decisions, such as manually designing reward functions that not only define the task, but also provide sufficient shaping to accomplish it. In this paper, we view reinforcement learning as inferring policies that achieve desired outcomes, rather than as a problem of maximizing rewards. To solve this inference problem, we establish a novel variational inference formulation that allows us to derive a well-shaped reward function which can be learned directly from environment interactions. From the corresponding variational objective, we also derive a new probabilistic Bellman backup operator and use it to develop an off-policy algorithm to solve goal-directed tasks. We empirically demonstrate that this method eliminates the need to hand-craft reward functions for a suite of diverse manipulation and locomotion tasks and leads to effective goal-directed behaviors.

我们研究了复杂几何物体的机器人堆叠问题。我们提出了一个挑战和多样化的这些物体，这些物体被精心设计，以便要求超出简单的“拾取”解决方案之外的策略。我们的方法是加强学习（RL）方法与基于视觉的互动政策蒸馏和模拟到现实转移相结合。我们的学习政策可以有效地处理现实世界中的多个对象组合，并展示各种各样的堆叠技能。在一个大型的实验研究中，我们调查在模拟中学习这种基于视觉的基于视觉的代理的选择，以及对真实机器人的最佳转移产生了什么影响。然后，我们利用这些策略收集的数据并通过离线RL改善它们。我们工作的视频和博客文章作为补充材料提供。

有效的探索是深度强化学习的关键挑战。几种方法，例如行为先验，能够利用离线数据，以便在复杂任务上有效加速加强学习。但是，如果手动的任务与所证明的任务过度偏离，则此类方法的有效性是有限的。在我们的工作中，我们建议从离线数据中学习功能，这些功能由更加多样化的任务共享，例如动作与定向之间的相关性。因此，我们介绍了无国有先验，该先验直接在显示的轨迹中直接建模时间一致性，并且即使在对简单任务收集的数据进行培训时，也能够在复杂的任务中推动探索。此外，我们通过从政策和行动之前的概率混合物中动态采样动作，引入了一种新颖的集成方案，用于非政策强化学习中的动作研究。我们将我们的方法与强大的基线相提并论，并提供了经验证据，表明它可以在稀疏奖励环境下的长途持续控制任务中加速加强学习。

精确学习动力学模型是基于模型的增强学习（MBRL）的重要目标，但是大多数MBRL方法都学习了一个易于虚假相关性的密集动力学模型，因此对看不见的状态的推广不佳。在本文中，我们引入了与任务无关的状态抽象（CDL）的因果动力学学习，该学习首先学习了理论上证明的因果动力学模型，该模型消除了状态变量和动作之间不必要的依赖性，从而很好地推广到了看不见的状态。然后可以从学习的动力学中得出状态抽象，这不仅提高了样本效率，而且还适用于与现有状态抽象方法更广泛的任务范围。在两个模拟环境和下游任务上进行了评估，所提出的方法学到的动力学模型和政策都可以很好地推广到看不见的状态，而派生的态度抽象则提高了样本效率，而没有它。

需要长马计划和持续控制能力的问题对现有的强化学习剂构成了重大挑战。在本文中，我们介绍了一种新型的分层增强学习代理，该学习代理将延时的技能与持续控制的技能与远期模型联系起来，以象征性的分离环境的计划进行计划。我们认为我们的代理商符合符号效应的多样化技能。我们制定了一种客观且相应的算法，该算法通过已知的抽象来通过内在动机来无监督学习各种技能。这些技能是通过符号前向模型共同学习的，该模型捕获了国家抽象中技能执行的影响。训练后，我们可以使用向前模型来利用符号动作的技能来进行长途计划，并随后使用学识渊博的连续行动控制技能执行计划。拟议的算法学习了技能和前瞻性模型，可用于解决复杂的任务，这些任务既需要连续控制和长效计划功能，却具有很高的成功率。它与其他平坦和分层的增强学习基线代理相比，并通过真正的机器人成功证明。

Adversarial imitation learning (AIL) has become a popular alternative to supervised imitation learning that reduces the distribution shift suffered by the latter. However, AIL requires effective exploration during an online reinforcement learning phase. In this work, we show that the standard, naive approach to exploration can manifest as a suboptimal local maximum if a policy learned with AIL sufficiently matches the expert distribution without fully learning the desired task. This can be particularly catastrophic for manipulation tasks, where the difference between an expert and a non-expert state-action pair is often subtle. We present Learning from Guided Play (LfGP), a framework in which we leverage expert demonstrations of multiple exploratory, auxiliary tasks in addition to a main task. The addition of these auxiliary tasks forces the agent to explore states and actions that standard AIL may learn to ignore. Additionally, this particular formulation allows for the reusability of expert data between main tasks. Our experimental results in a challenging multitask robotic manipulation domain indicate that LfGP significantly outperforms both AIL and behaviour cloning, while also being more expert sample efficient than these baselines. To explain this performance gap, we provide further analysis of a toy problem that highlights the coupling between a local maximum and poor exploration, and also visualize the differences between the learned models from AIL and LfGP.

强化学习是机器人抓握的一种有前途的方法，因为它可以在困难的情况下学习有效的掌握和掌握政策。但是，由于问题的高维度，用精致的机器人手来实现类似人类的操纵能力是具有挑战性的。尽管可以采用奖励成型或专家示范等补救措施来克服这个问题，但它们通常导致过分简化和有偏见的政策。我们介绍了Dext-Gen，这是一种在稀疏奖励环境中灵巧抓握的强化学习框架，适用于各种抓手，并学习无偏见和复杂的政策。通过平滑方向表示实现了抓地力和物体的完全方向控制。我们的方法具有合理的培训时间，并提供了包括所需先验知识的选项。模拟实验证明了框架对不同方案的有效性和适应性。

有效推论是一种数学框架，它起源于计算神经科学，作为大脑如何实现动作，感知和学习的理论。最近，已被证明是在不确定性下存在国家估算和控制问题的有希望的方法，以及一般的机器人和人工代理人的目标驱动行为的基础。在这里，我们审查了最先进的理论和对国家估计，控制，规划和学习的积极推断的实现;描述当前的成就，特别关注机器人。我们展示了相关实验，以适应，泛化和稳健性而言说明其潜力。此外，我们将这种方法与其他框架联系起来，并讨论其预期的利益和挑战：使用变分贝叶斯推理具有功能生物合理性的统一框架。

等级强化学习（HRL）对挑战长地平线任务的采样有效学习具有巨大潜力。特别是，让更高的级别将子站分配给较低级别​​，以便在难题上快速学习。然而，这种基于基于亚级的方法是设计的静态强化学习环境，从而与超出了代理的立即控制的动态元素，即使它们在现实世界中普遍存在。在本文中，我们使用定时子站（HITS）引入分层加强学习，这是一个HRL算法，使代理能够通过不仅指定要达到目标状态而且何时来调整其对动态环境的时序。我们讨论如何在这种定时的子原方面与较低级别进行通信导致更高水平的更稳定的学习问题。我们在一系列标准基准和三个新的挑战动态强化学习环境中的实验表明，我们的方法能够采用样本高效的学习，其中现有的最先进的基于亚群的HRL方法未能学习稳定的解决方案。

增强学习（RL）研究领域非常活跃，并具有重要的新贡献；特别是考虑到深RL（DRL）的新兴领域。但是，仍然需要解决许多科学和技术挑战，其中我们可以提及抽象行动的能力或在稀疏回报环境中探索环境的难以通过内在动机（IM）来解决的。我们建议通过基于信息理论的新分类法调查这些研究工作：我们在计算上重新审视了惊喜，新颖性和技能学习的概念。这使我们能够确定方法的优势和缺点，并展示当前的研究前景。我们的分析表明，新颖性和惊喜可以帮助建立可转移技能的层次结构，从而进一步抽象环境并使勘探过程更加健壮。

多目标增强学习被广泛应用于计划和机器人操纵中。多进球强化学习的两个主要挑战是稀疏的奖励和样本效率低下。 Hindsight Experience重播（她）旨在通过进球重新标记来应对这两个挑战。但是，与她相关的作品仍然需要数百万个样本和庞大的计算。在本文中，我们提出了多步事化经验重播（MHER），并根据$ n $ step Relabeling合并了多步重新标记的回报，以提高样品效率。尽管$ n $ step Relableling具有优势，但我们从理论上和实验上证明了$ n $ step Relabeling引入的非政策$ n $步骤偏置可能会导致许多环境的性能差。为了解决上述问题，提出了两种偏差降低的MHER算法，Mher（$ \ lambda $）和基于模型的Mher（Mmher）。 Mher（$ \ lambda $）利用$ \ lambda $返回，而Mmher从基于模型的价值扩展中受益。对众多多目标机器人任务的实验结果表明，我们的解决方案可以成功减轻$ n $ n $步骤的偏见，并获得比她的样本效率明显更高，并且课程引导她，而她几乎没有其他计算。

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。

目标条件层次结构增强学习（HRL）是扩大强化学习（RL）技术的有前途的方法。但是，由于高级的动作空间，即目标空间很大。在大型目标空间中进行搜索对于高级子观念和低级政策学习都构成了困难。在本文中，我们表明，可以使用邻接约束来限制从整个目标空间到当前状态的$ k $步骤相邻区域的高级动作空间，从而有效缓解此问题。从理论上讲，我们证明在确定性的马尔可夫决策过程（MDP）中，所提出的邻接约束保留了最佳的层次结构策略，而在随机MDP中，邻接约束诱导了由MDP的过渡结构确定的有界状态价值次数。我们进一步表明，可以通过培训可以区分邻近和非贴种亚目标的邻接网络来实际实现此约束。对离散和连续控制任务的实验结果，包括挑战性的机器人运动和操纵任务，表明合并邻接性约束可显着提高最先进的目标条件条件的HRL方法的性能。