由于其样本的复杂性很高，截至今天，模拟对于成功应用增强学习至关重要。然而，许多现实世界中的问题都表现出过度复杂的动力学，这使其全尺度模拟在计算上很慢。在本文中，我们展示了如何将许多代理的大型网络系统分解为多个局部组件，以便我们可以构建独立和并行运行的单独模拟器。为了监视不同局部组件彼此施加的影响，这些模拟器中的每个模拟器都配备了一个经过定期训练实际轨迹的模型。我们的经验结果表明，在不同的过程之间分配仿真不仅可以在短短几个小时内训练大型多机构系统，还可以帮助减轻同时学习的负面影响。

用于分散执行的集中培训，其中代理商使用集中信息训练，但在线以分散的方式执行，在多智能体增强学习界中获得了普及。特别是，具有集中评论家和分散的演员的演员 - 批评方法是这个想法的常见实例。然而，即使它是许多算法的标准选择，也没有完全讨论和理解使用集中评论批读的影响。因此，我们正式分析集中和分散的批评批评方法，了解对评论家选择的影响。由于我们的理论使得不切实际的假设，我们还经验化地比较了广泛的环境中集中式和分散的批评方法来验证我们的理论并提供实用建议。我们展示了当前文献中集中评论家存在误解，并表明集中式评论家设计并不是严格用的，而是集中和分散的批评者具有不同的利弊，算法设计人员应该考虑到不同的利弊。

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.

Current approaches to multi-agent cooperation rely heavily on centralized mechanisms or explicit communication protocols to ensure convergence. This paper studies the problem of distributed multi-agent learning without resorting to centralized components or explicit communication. It examines the use of distribution matching to facilitate the coordination of independent agents. In the proposed scheme, each agent independently minimizes the distribution mismatch to the corresponding component of a target visitation distribution. The theoretical analysis shows that under certain conditions, each agent minimizing its individual distribution mismatch allows the convergence to the joint policy that generated the target distribution. Further, if the target distribution is from a joint policy that optimizes a cooperative task, the optimal policy for a combination of this task reward and the distribution matching reward is the same joint policy. This insight is used to formulate a practical algorithm (DM$^2$), in which each individual agent matches a target distribution derived from concurrently sampled trajectories from a joint expert policy. Experimental validation on the StarCraft domain shows that combining (1) a task reward, and (2) a distribution matching reward for expert demonstrations for the same task, allows agents to outperform a naive distributed baseline. Additional experiments probe the conditions under which expert demonstrations need to be sampled to obtain the learning benefits.

最先进的多机构增强学习（MARL）方法为各种复杂问题提供了有希望的解决方案。然而，这些方法都假定代理执行同步的原始操作执行，因此它们不能真正可扩展到长期胜利的真实世界多代理/机器人任务，这些任务固有地要求代理/机器人以异步的理由，涉及有关高级动作选择的理由。不同的时间。宏观行动分散的部分可观察到的马尔可夫决策过程（MACDEC-POMDP）是在完全合作的多代理任务中不确定的异步决策的一般形式化。在本论文中，我们首先提出了MacDec-Pomdps的一组基于价值的RL方法，其中允许代理在三个范式中使用宏观成果功能执行异步学习和决策：分散学习和控制，集中学习，集中学习和控制，以及分散执行的集中培训（CTDE）。在上述工作的基础上，我们在三个训练范式下制定了一组基于宏观行动的策略梯度算法，在该训练范式下，允许代理以异步方式直接优化其参数化策略。我们在模拟和真实的机器人中评估了我们的方法。经验结果证明了我们在大型多代理问题中的方法的优势，并验证了我们算法在学习具有宏观actions的高质量和异步溶液方面的有效性。

在过去的十年中，多智能经纪人强化学习（Marl）已经有了重大进展，但仍存在许多挑战，例如高样本复杂性和慢趋同稳定的政策，在广泛的部署之前需要克服，这是可能的。然而，在实践中，许多现实世界的环境已经部署了用于生成策略的次优或启发式方法。一个有趣的问题是如何最好地使用这些方法作为顾问，以帮助改善多代理领域的加强学习。在本文中，我们提供了一个原则的框架，用于将动作建议纳入多代理设置中的在线次优顾问。我们描述了在非传记通用随机游戏环境中提供多种智能强化代理（海军上将）的问题，并提出了两种新的基于Q学习的算法：海军上将决策（海军DM）和海军上将 - 顾问评估（Admiral-AE） ，这使我们能够通过适当地纳入顾问（Admiral-DM）的建议来改善学习，并评估顾问（Admiral-AE）的有效性。我们从理论上分析了算法，并在一般加上随机游戏中提供了关于他们学习的定点保证。此外，广泛的实验说明了这些算法：可以在各种环境中使用，具有对其他相关基线的有利相比的性能，可以扩展到大状态行动空间，并且对来自顾问的不良建议具有稳健性。

分散的学习对合作多代理增强学习（MARL）表现出了巨大的希望。但是，非平稳性仍然是分散学习的重大挑战。在论文中，我们以最简单和基本的方式解决了非平稳性问题，并提出\ textit {多代理替代Q学习}（MA2QL），在那里，代理商轮流通过Q学习来更新其Q-函数。MA2QL是完全分散合作MARL的一种\ Textit {Minimalist}方法，但理论上是基础的。我们证明，当每个代理商在每个回合都保证$ \ varepsilon $ -Convergence时，他们的联合政策会收敛到NASH平衡。实际上，MA2QL仅需要对独立Q学习（IQL）的最小变化。我们经验评估MA2QL对各种合作的多代理任务。结果表明，MA2QL始终胜过IQL，尽管这种变化很小，但它验证了MA2QL的有效性。

由于共同国家行动空间相对于代理人的数量，多代理强化学习（MARL）中的政策学习（MARL）是具有挑战性的。为了实现更高的可伸缩性，通过分解执行（CTDE）的集中式培训范式被MARL中的分解结构广泛采用。但是，我们观察到，即使在简单的矩阵游戏中，合作MARL中现有的CTDE算法也无法实现最佳性。为了理解这种现象，我们引入了一个具有政策分解（GPF-MAC）的广义多代理参与者批评的框架，该框架的特征是对分解的联合政策的学习，即，每个代理人的政策仅取决于其自己的观察行动历史。我们表明，最受欢迎的CTDE MARL算法是GPF-MAC的特殊实例，可能会陷入次优的联合政策中。为了解决这个问题，我们提出了一个新颖的转型框架，该框架将多代理的MDP重新制定为具有连续结构的特殊“单位代理” MDP，并且可以允许使用现成的单机械加固学习（SARL）算法来有效地学习相应的多代理任务。这种转换保留了SARL算法的最佳保证，以合作MARL。为了实例化此转换框架，我们提出了一个转换的PPO，称为T-PPO，该PPO可以在有限的多代理MDP中进行理论上执行最佳的策略学习，并在一系列合作的多代理任务上显示出明显的超出性能。

强化学习中的信用作业是衡量行动对未来奖励的影响的问题。特别是，这需要从运气中分离技能，即解除外部因素和随后的行动对奖励行动的影响。为实现这一目标，我们将来自因果关系的反事件的概念调整为无模型RL设置。关键思想是通过学习从轨迹中提取相关信息来应对未来事件的价值函数。我们制定了一系列政策梯度算法，这些算法使用这些未来条件的价值函数作为基准或批评，并表明它们是可怕的差异。为避免对未来信息的调理潜在偏见，我们将后视信息限制为不包含有关代理程序行为的信息。我们展示了我们对许多说明性和具有挑战性问题的算法的功效和有效性。

In this paper, we consider the inventory management (IM) problem where we need to make replenishment decisions for a large number of stock keeping units (SKUs) to balance their supply and demand. In our setting, the constraint on the shared resources (such as the inventory capacity) couples the otherwise independent control for each SKU. We formulate the problem with this structure as Shared-Resource Stochastic Game (SRSG)and propose an efficient algorithm called Context-aware Decentralized PPO (CD-PPO). Through extensive experiments, we demonstrate that CD-PPO can accelerate the learning procedure compared with standard MARL algorithms.

多代理深度增强学习（Marl）缺乏缺乏共同使用的评估任务和标准，使方法之间的比较困难。在这项工作中，我们提供了一个系统评估，并比较了三种不同类别的Marl算法（独立学习，集中式多代理政策梯度，价值分解）在各种协作多智能经纪人学习任务中。我们的实验是在不同学习任务中作为算法的预期性能的参考，我们为不同学习方法的有效性提供了见解。我们开源EPYMARL，它将Pymarl CodeBase扩展到包括其他算法，并允许灵活地配置算法实现细节，例如参数共享。最后，我们开源两种环境，用于多智能经纪研究，重点关注稀疏奖励下的协调。

我们呈现协调的近端策略优化（COPPO），该算法将原始近端策略优化（PPO）扩展到多功能代理设置。关键的想法在于多个代理之间的策略更新过程中的步骤大小的协调适应。当优化理论上接地的联合目标时，我们证明了政策改进的单调性，并基于一组近似推导了简化的优化目标。然后，我们解释了Coppo中的这种目标可以在代理商之间实现动态信用分配，从而减轻了代理政策的同时更新期间的高方差问题。最后，我们证明COPPO优于几种强大的基线，并且在典型的多代理设置下，包括最新的多代理PPO方法（即MAPPO），包括合作矩阵游戏和星际争霸II微管理任务。

随着自动驾驶行业的发展，自动驾驶汽车群体的潜在相互作用也随之增长。结合人工智能和模拟的进步，可以模拟此类组，并且可以学习控制内部汽车的安全模型。这项研究将强化学习应用于多代理停车场的问题，在那里，汽车旨在有效地停车，同时保持安全和理性。利用强大的工具和机器学习框架，我们以马尔可夫决策过程的形式与独立学习者一起设计和实施灵活的停车环境，从而利用多代理通信。我们实施了一套工具来进行大规模执行实验，从而取得了超过98.1％成功率的高达7辆汽车的模型，从而超过了现有的单代机构模型。我们还获得了与汽车在我们环境中表现出的竞争性和协作行为有关的几个结果，这些行为的密度和沟通水平各不相同。值得注意的是，我们发现了一种没有竞争的合作形式，以及一种“泄漏”的合作形式，在没有足够状态的情况下，代理商进行了协作。这种工作在自动驾驶和车队管理行业中具有许多潜在的应用，并为将强化学习应用于多机构停车场提供了几种有用的技术和基准。

在现实设置中跨多个代理的决策同步是有问题的，因为它要求代理等待其他代理人终止和交流有关终止的终止。理想情况下，代理应该学习和执行异步。这样的异步方法还允许暂时扩展的动作，这些操作可能会根据执行的情况和操作花费不同的时间。不幸的是，当前的策略梯度方法不适用于异步设置，因为他们认为代理在每个时间步骤中都同步推理了动作选择。为了允许异步学习和决策，我们制定了一组异步的多代理参与者 - 批判性方法，这些方法使代理可以在三个标准培训范式中直接优化异步策略：分散的学习，集中学习，集中学习和集中培训以进行分解执行。各种现实域中的经验结果（在模拟和硬件中）证明了我们在大型多代理问题中的优势，并验证了我们算法在学习高质量和异步解决方案方面的有效性。

增强学习算法需要大量样品；这通常会限制他们的现实应用程序在简单的任务上。在多代理任务中，这种挑战更为出色，因为操作的每个步骤都需要进行沟通，转移或资源。这项工作旨在通过基于模型的学习来提高多代理控制的数据效率。我们考虑了代理商合作并仅与邻居进行当地交流的网络系统，并提出了基于模型的政策优化框架（DMPO）。在我们的方法中，每个代理都会学习一个动态模型，以预测未来的状态并通过通信广播其预测，然后在模型推出下训练策略。为了减轻模型生成数据的偏见，我们限制了用于产生近视推出的模型使用量，从而减少了模型生成的复合误差。为了使策略更新的独立性有关，我们引入了扩展的价值函数，理论上证明了由此产生的策略梯度是与真实策略梯度的紧密近似。我们在几个智能运输系统的基准上评估了我们的算法，这些智能运输系统是连接的自动驾驶汽车控制任务（FLOW和CACC）和自适应交通信号控制（ATSC）。经验结果表明，我们的方法可以实现卓越的数据效率，并使用真实模型匹配无模型方法的性能。

Cooperative multi-agent reinforcement learning (MARL) has achieved significant results, most notably by leveraging the representation-learning abilities of deep neural networks. However, large centralized approaches quickly become infeasible as the number of agents scale, and fully decentralized approaches can miss important opportunities for information sharing and coordination. Furthermore, not all agents are equal -- in some cases, individual agents may not even have the ability to send communication to other agents or explicitly model other agents. This paper considers the case where there is a single, powerful, \emph{central agent} that can observe the entire observation space, and there are multiple, low-powered \emph{local agents} that can only receive local observations and are not able to communicate with each other. The central agent's job is to learn what message needs to be sent to different local agents based on the global observations, not by centrally solving the entire problem and sending action commands, but by determining what additional information an individual agent should receive so that it can make a better decision. In this work we present our MARL algorithm \algo, describe where it would be most applicable, and implement it in the cooperative navigation and multi-agent walker domains. Empirical results show that 1) learned communication does indeed improve system performance, 2) results generalize to heterogeneous local agents, and 3) results generalize to different reward structures.

集中式培训（CT）是许多受欢迎的多代理增强学习（MARL）方法的基础，因为它允许代理商快速学习高性能的政策。但是，CT依靠代理人从对特定州对其他代理商的行为的一次性观察中学习。由于MARL代理商在培训期间探索和更新其政策，因此这些观察结果通常会为其他代理商的行为和预期的给定行动回报提供不良的预测。因此，CT方法患有较高的差异和容易出错的估计，从而损害了学习。除非施加了强大的分解限制，否则CT方法还遭受了复杂性爆炸性增长（例如，QMIX的单调奖励函数）。我们通过一个新的半居中的MAL框架来应对这些挑战，该框架执行政策安装的培训和分散的执行。我们的方法是嵌入式增强学习算法（PERLA），是参与者批评的MARL算法的增强工具，它利用了一种新型参数共享协议和策略嵌入方法来维持对其他代理商的行为的估计。我们的理论证明，佩拉大大降低了价值估计的差异。与各种CT方法不同，Perla无缝地采用MARL算法，它可以轻松地与代理数量缩放，而无需限制性分解假设。我们展示了Perla在基准环境中的出色经验表现和有效的缩放，包括Starcraft Micromagement II和Multi-Agent Mujoco

Softmax政策的政策梯度（PG）估计与子最佳饱和初始化无效，当密度集中在次良动作时发生。从策略初始化或策略已经收敛后发生的环境的突然变化可能会出现次优策略饱和度，并且SoftMax PG估计器需要大量更新以恢复有效的策略。这种严重问题导致高样本低效率和对新情况的适应性差。为缓解此问题，我们提出了一种新的政策梯度估计，用于软MAX策略，该估计在批评中利用批评中的偏差和奖励信号中存在的噪声来逃避策略参数空间的饱和区域。我们对匪徒和古典MDP基准测试任务进行了分析和实验，表明我们的估算变得更加坚固，以便对政策饱和度更加强大。

在合作多智能体增强学习（Marl）中的代理商的创造和破坏是一个批判性的研究领域。当前的Marl算法通常认为，在整个实验中，组内的代理数量仍然是固定的。但是，在许多实际问题中，代理人可以在队友之前终止。这次早期终止问题呈现出挑战：终止的代理人必须从本集团的成功或失败中学习，这是超出其自身存在的成败。我们指代薪资奖励的传播价值作为遣返代理商作为追索的奖励作为追索权。当前的MARL方法通过将这些药剂放在吸收状态下，直到整组试剂达到终止条件，通过将这些药剂置于终止状态来处理该问题。虽然吸收状态使现有的算法和API能够在没有修改的情况下处理终止的代理，但存在实际培训效率和资源使用问题。在这项工作中，我们首先表明样本复杂性随着系统监督学习任务中的吸收状态的数量而增加，同时对变量尺寸输入更加强大。然后，我们为现有的最先进的MARL算法提出了一种新颖的架构，它使用注意而不是具有吸收状态的完全连接的层。最后，我们展示了这一新颖架构在剧集中创建或销毁的任务中的标准架构显着优于标准架构以及标准的多代理协调任务。

How can we plan efficiently in a large and complex environment when the time budget is limited? Given the original simulator of the environment, which may be computationally very demanding, we propose to learn online an approximate but much faster simulator that improves over time. To plan reliably and efficiently while the approximate simulator is learning, we develop a method that adaptively decides which simulator to use for every simulation, based on a statistic that measures the accuracy of the approximate simulator. This allows us to use the approximate simulator to replace the original simulator for faster simulations when it is accurate enough under the current context, thus trading off simulation speed and accuracy. Experimental results in two large domains show that when integrated with POMCP, our approach allows to plan with improving efficiency over time.