本文研究了协同多智能体增强学习（MARL）的分布式政策梯度，在通信网络上的代理人旨在找到最佳政策，以最大限度地提高所有代理人的当地返回的平均值。由于政策梯度的非凹形性能函数，用于凸面问题的现有分布式随机优化方法不能直接用于Marl中的政策梯度。本文提出了一种具有方差减少和渐变跟踪的分布式策略梯度，以解决政策梯度的高差，并利用重要的重量来解决采样过程中的非静止问题。然后，我们在平均平均固定间隙上提供一个上限，这取决于迭代的数量，迷你批量大小，秒钟大小，问题参数和网络拓扑。我们进一步建立了样本和通信复杂性，以获得$ \ epsilon $-upprymate静止点。对MARL控制问题的数值实验进行了验证了所提出算法的有效性。

我们提出了一种新的多功能增强学习的新型政策梯度方法，其利用了两个不同的差异减少技术，并且不需要在迭代上进行大量批次。具体而言，我们提出了一种基于势头的分散策略梯度跟踪（MDPGT），其中使用新的基于动量的方差减少技术来接近具有重要性采样的本地策略梯度代理，并采用中间参数来跟踪两个连续的策略梯度代理。此外，MDPGT可证明$ \ mathcal {o}的最佳可用样本复杂性（n ^ { - 1} \ epsilon ^ {-3}）$，用于汇聚到全球平均值的$ \ epsilon $ -stationary点n $本地性能函数（可能是非旋转）。这优于在分散的无模型增强学习中的最先进的样本复杂性，并且当用单个轨迹初始化时，采样复杂性与现有的分散的政策梯度方法获得的样本复杂性匹配。我们进一步验证了高斯策略函数的理论索赔。当所需的误差容忍$ \ epsilon $足够小时，MDPGT导致线性加速，以前已经在分散的随机优化中建立，但不是为了加强学习。最后，我们在多智能体增强学习基准环境下提供了实证结果，以支持我们的理论发现。

分散的参与者 - 批评（AC）算法已被广泛用于多机构增强学习（MARL），并取得了杰出的成功。除了其经验成功之外，分散的AC算法的理论收敛性在很大程度上没有探索。现有的有限时间收敛结果是基于双环更新或两次尺度的步骤规则得出的，这在实际实施中不经常采用。在这项工作中，我们介绍了一种完全分散的AC算法，演员，评论家和全球奖励估算器以交替的方式更新，阶跃尺寸的顺序相同，即，我们采用\ emph {single-emph {single-timesscale}更新。从理论上讲，使用线性近似进行价值和奖励估计，我们表明我们的算法具有$ \ tilde {\ Mathcal {o}}}（\ epsilon^{ - 2}）$的样本复杂性，在马尔可夫式采样下与最佳复杂性相匹配双环实现（在此，$ \ tilde {\ Mathcal {o}} $隐藏了日志项）。样本复杂性可以提高到$ {\ Mathcal {o}}（\ epsilon^{ - 2}）$下的I.I.D.采样方案。建立我们的复杂性结果的核心是\ emph {我们揭示的最佳评论家变量的隐藏平滑度}。我们还提供了算法及其分析的本地动作隐私版本。最后，我们进行实验，以显示我们算法优于现有的分散AC算法的优势。

我们研究了多智能经纪增强学习的政策评估问题，其中一组代理商，共同观察到的国家和私人本地行动和奖励，协作，以通过连接的无向网络通过本地计算和通信学习给定策略的价值函数。各种大型多种代理系统中出现此问题，包括电网，智能交通系统，无线传感器网络和多代理机器人。当状态动作空间的尺寸大时，广泛使用具有线性函数近似的时间差异学习。在本文中，我们开发了一种新的分布式时间差异学习算法，量化其有限时间性能。我们的算法将分布式随机原始方法与基于同型的方法进行了自适应调整学习率的方法，以便通过从因果导轨轨迹中采用新鲜的在线样本来最小化平均投影的Bellman误差。我们明确考虑了采样的Markovian性质，并改善了从$ O（1 / \ sqrt {t}）$到〜$ o（1 / t）$的最佳已知的有限时间误差，其中$ t $迭代的总数。

多智能体增强学习（Marl）最近引起了很多研究。然而，与其单一代理对应物不同，Marl的许多理论和算法方面尚未得到很好的理解。在本文中，我们使用演员 - 评论家（AC）算法研究了自主代理的协调行为的出现。具体而言，我们提出并分析了一类协调的演员 - 批评算法（CAC），其中单独的参数化政策有一个{\ IT共享}部分（其中在所有代理中共同优化）和{\ IT个性化}部分（这是只有当地优化）。这种类型的{\它部分个性化}策略允许代理通过利用同伴的过去的经验来学习协调并适应各个任务。我们设计的灵活性允许提出的Marl-CAC算法用于{\ IT完全分散}设置中使用，其中代理商只能与其邻居通信，以及偶尔代理的{\ IT联合}设置与服务器通信，同时优化其（部分个性化）本地模型。从理论上讲，在一些标准规律性假设下，所提出的Marl-CAC算法需要$ \ mathcal {o}（\ epsilon ^ { - \ frac {5} {2}}）$样本来实现$ \ epsilon $ - 固定式解决方案（定义为目标函数梯度的平方标准的解决方案小于$ \ epsilon $）。据我们所知，这项工作为具有部分个性化策略的分散式交流算法提供了第一个有限的样本保证。

Decentralized bilevel optimization has received increasing attention recently due to its foundational role in many emerging multi-agent learning paradigms (e.g., multi-agent meta-learning and multi-agent reinforcement learning) over peer-to-peer edge networks. However, to work with the limited computation and communication capabilities of edge networks, a major challenge in developing decentralized bilevel optimization techniques is to lower sample and communication complexities. This motivates us to develop a new decentralized bilevel optimization called DIAMOND (decentralized single-timescale stochastic approximation with momentum and gradient-tracking). The contributions of this paper are as follows: i) our DIAMOND algorithm adopts a single-loop structure rather than following the natural double-loop structure of bilevel optimization, which offers low computation and implementation complexity; ii) compared to existing approaches, the DIAMOND algorithm does not require any full gradient evaluations, which further reduces both sample and computational complexities; iii) through a careful integration of momentum information and gradient tracking techniques, we show that the DIAMOND algorithm enjoys $\mathcal{O}(\epsilon^{-3/2})$ in sample and communication complexities for achieving an $\epsilon$-stationary solution, both of which are independent of the dataset sizes and significantly outperform existing works. Extensive experiments also verify our theoretical findings.

本文分析了双模的彼此优化随机算法框架。 Bilevel优化是一类表现出两级结构的问题，其目标是使具有变量的外目标函数最小化，该变量被限制为对（内部）优化问题的最佳解决方案。我们考虑内部问题的情况是不受约束的并且强烈凸起的情况，而外部问题受到约束并具有平滑的目标函数。我们提出了一种用于解决如此偏纤维问题的两次时间尺度随机近似（TTSA）算法。在算法中，使用较大步长的随机梯度更新用于内部问题，而具有较小步长的投影随机梯度更新用于外部问题。我们在各种设置下分析了TTSA算法的收敛速率：当外部问题强烈凸起（RESP。〜弱凸）时，TTSA算法查找$ \ MATHCAL {O}（k ^ { - 2/3}）$ -Optimal（resp。〜$ \ mathcal {o}（k ^ {-2/5}）$ - 静止）解决方案，其中$ k $是总迭代号。作为一个应用程序，我们表明，两个时间尺度的自然演员 - 批评批评近端策略优化算法可以被视为我们的TTSA框架的特殊情况。重要的是，与全球最优政策相比，自然演员批评算法显示以预期折扣奖励的差距，以$ \ mathcal {o}（k ^ { - 1/4}）的速率收敛。

在互联网上的多种代理环境中的新兴应用程序，如互联网，网络传感，自主系统和联合学习，呼叫分散算法，以便在计算和通信方面是资源有效的有限总和优化。在本文中，我们考虑了原型设置，其中代理正在协作地工作，以通过在预定的网络拓扑中与其邻居通信来最小化局部损失函数的总和。我们开发了一种新的算法，称为分散的随机递归梯度方法（DESTRess），用于非耦合有限和优化，它与集中式算法的最佳增量一阶Oracle（IFO）复杂性匹配，用于查找一阶静止点，同时保持通信效率。详细的理论和数值比较证实了迭代在广泛的参数制度上提高现有分散算法的资源效率。 Descress利用了多个关键算法设计思路，包括随机激活的随机递增渐变渐变更新，具有用于本地计算的迷你批次，梯度跟踪，梯度跟踪，用于额外混合（即，多个八卦轮），用于偏移通信，以及仔细选择超参数和新的分析框架可证明达到理想的计算 - 通信权衡。

培训期间的对抗性攻击能够强烈影响多功能增强学习算法的性能。因此，非常希望增加现有算法，使得消除对抗对协作网络的对抗性攻击的影响，或者至少有界限。在这项工作中，我们考虑一个完全分散的网络，每个代理商收到本地奖励并观察全球州和行动。我们提出了一种基于弹性共识的演员 - 批评算法，其中每个代理估计了团队平均奖励和价值函数，并将关联的参数向量传送到其立即邻居。我们表明，在拜占庭代理人的存在下，其估算和通信策略是完全任意的，合作社的估计值会融合到有概率一体的有界共识值，条件是在附近的最多有$ H $拜占庭代理商每个合作社和网络都是$（2h + 1）$ - 强大。此外，我们证明，合作社的政策在其团队平均目标函数的局部最大化器周围汇聚在其团队平均目标函数的概率上，这是对渐关节转移变得稳定的普发因子的政策。

我们讨论了这项工作中分散的多智能经纪增强学习（Marl）的问题。在我们的环境中，假设全局状态，行动和奖励是完全可观察的，而当地政策受到每个特工的保护，因此无法与他人分享。存在通信图，其中代理可以与其邻居交换信息。代理人使个人决定并合作达到更高的累计奖励。为此，我们首先提出了一个分散的演员 - 评论家（AC）设定。然后，策略评估和策略改进算法分别为离散和连续的状态 - 动作空间马尔可夫决策过程（MDP）设计。此外，在离散空间案件下给出了会聚分析，保证了通过在政策评估和政策改进的过程之间交替来加强政策。为了验证算法的有效性，我们设计实验并将它们与先前的算法进行比较，例如Q-Learning \ Cite {Watkins1992Q}和Maddpg \ Cite {Lowe2017Multi}。结果表明，我们的算法从学习速度和最终性能的各个方面表现出更好。此外，算法可以以违规方式执行，这大大提高了与策略算法相比的数据效率。

政策梯度（PG）算法是备受期待的强化学习对现实世界控制任务（例如机器人技术）的最佳候选人之一。但是，每当必须在物理系统上执行学习过程本身或涉及任何形式的人类计算机相互作用时，这些方法的反复试验性质就会提出安全问题。在本文中，我们解决了一种特定的安全公式，其中目标和危险都以标量奖励信号进行编码，并且学习代理被限制为从不恶化其性能，以衡量为预期的奖励总和。通过从随机优化的角度研究仅行为者的政策梯度，我们为广泛的参数政策建立了改进保证，从而将现有结果推广到高斯政策上。这与策略梯度估计器的差异的新型上限一起，使我们能够识别出具有很高概率的单调改进的元参数计划。两个关键的元参数是参数更新的步长和梯度估计的批处理大小。通过对这些元参数的联合自适应选择，我们获得了具有单调改进保证的政策梯度算法。

为了在许多因素动态影响输出轨迹的复杂随机系统上学习，希望有效利用从以前迭代中收集的历史样本中的信息来加速策略优化。经典的经验重播使代理商可以通过重复使用历史观察来记住。但是，处理所有观察结果的统一重复使用策略均忽略了不同样本的相对重要性。为了克服这一限制，我们提出了一个基于一般差异的经验重播（VRER）框架，该框架可以选择性地重复使用最相关的样本以改善策略梯度估计。这种选择性机制可以自适应地对过去的样品增加重量，这些样本更可能由当前目标分布产生。我们的理论和实证研究表明，提议的VRER可以加速学习最佳政策，并增强最先进的政策优化方法的性能。

为了在许多因素动态影响输出轨迹的复杂随机系统上学习，希望有效利用从以前迭代中收集的历史样本中的信息来加速策略优化。经典的经验重播使代理商可以通过重复使用历史观察来记住。但是，处理所有观察结果的统一重复使用策略均忽略了不同样本的相对重要性。为了克服这一限制，我们提出了一个基于一般差异的经验重播（VRER）框架，该框架可以选择性地重复使用最相关的样本以改善策略梯度估计。这种选择性机制可以自适应地对过去的样品增加重量，这些样本更可能由当前目标分布产生。我们的理论和实证研究表明，提议的VRER可以加速学习最佳政策，并增强最先进的政策优化方法的性能。

具有线性函数近似的贪婪GQ，最初在\ cite {maei2010toward}中提出，是一种基于价值的基础外算法，用于增强增强学习中的最佳控制，并且具有非线性的两个时间尺度结构，具有非convex目标函数。本文开发其有限的时间误差范围。我们表明，贪婪的GQ算法在I.I.D. \ serat和$ \ Mathcal {O}下（{\ log t}（{\ log t}）下，贪婪的算法的收敛如$ \ Mathcal {O}（{1}/{{1}/{\ sqrt {t}}）$ /{\ sqrt {t}}）$在马尔可夫设置下。我们进一步设计了使用嵌套环方法的香草贪婪-GQ算法的变体，并证明其样品复杂性为$ \ Mathcal {o}（{\ log（1/\ epsilon）\ Epsilon^epsilon^{ - 2}}}}}} ）$，与香草贪婪的GQ之一相匹配。我们的有限时间误差界限与用于一般平滑非凸优化问题的随机梯度下降算法之一匹配。我们的有限样本分析提供了理论指南，以选择在实践中选择更快的融合的步骤尺寸，并建议在收敛速度和获得的政策质量之间进行权衡。本文我们的技术提供了一种通用方法，用于对非凸的两个基于时值的强化学习算法进行有限样本分析。

我们改进了用于分析非凸优化随机梯度下降（SGD）的最新工具，以获得香草政策梯度（PG） - 加强和GPOMDP的收敛保证和样本复杂性。我们唯一的假设是预期回报是平滑的w.r.t.策略参数以及其渐变的第二个时刻满足某种\ EMPH {ABC假设}。 ABC的假设允许梯度的第二时刻绑定为\ geq 0 $次的子项优差距，$ b \ geq 0 $乘以完整批量梯度的标准和添加剂常数$ c \ geq 0 $或上述任何组合。我们表明ABC的假设比策略空间上的常用假设更为一般，以证明收敛到静止点。我们在ABC的假设下提供单个融合定理，并表明，尽管ABC假设的一般性，我们恢复了$ \ widetilde {\ mathcal {o}}（\ epsilon ^ {-4}）$样本复杂性pg 。我们的融合定理还可在选择超参数等方面提供更大的灵活性，例如步长和批量尺寸的限制$ M $。即使是单个轨迹案例（即，$ M = 1 $）适合我们的分析。我们认为，ABC假设的一般性可以为PG提供理论担保，以至于以前未考虑的更广泛的问题。

我们研究了平均奖励马尔可夫决策过程（AMDP）的问题，并开发了具有强大理论保证的新型一阶方法，以进行政策评估和优化。由于缺乏勘探，现有的彻底评估方法遭受了次优融合率以及处理不足的随机策略（例如确定性政策）的失败。为了解决这些问题，我们开发了一种新颖的差异时间差异（VRTD）方法，具有随机策略的线性函数近似以及最佳收敛保证，以及一种探索性方差降低的时间差（EVRTD）方法，用于不充分的随机策略，可相当的融合保证。我们进一步建立了政策评估偏见的线性收敛速率，这对于改善策略优化的总体样本复杂性至关重要。另一方面，与对MDP的政策梯度方法的有限样本分析相比，对AMDP的策略梯度方法的现有研究主要集中在基础马尔可夫流程的限制性假设下（例如，参见Abbasi-e， Yadkori等人，2019年），他们通常缺乏整体样本复杂性的保证。为此，我们开发了随机策略镜下降（SPMD）的平均奖励变体（LAN，2022）。我们建立了第一个$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}（\ epsilon^{ - 2}）$样品复杂性，用于在生成模型（带有UNICHAIN假设）和Markovian Noise模型（使用Ergodicicic Modele（具有核能的模型）下，使用策略梯度方法求解AMDP假设）。该界限可以进一步改进到$ \ widetilde {\ Mathcal {o}}}（\ epsilon^{ - 1}）$用于求解正则化AMDPS。我们的理论优势通过数值实验来证实。

The growing literature of Federated Learning (FL) has recently inspired Federated Reinforcement Learning (FRL) to encourage multiple agents to federatively build a better decision-making policy without sharing raw trajectories. Despite its promising applications, existing works on FRL fail to I) provide theoretical analysis on its convergence, and II) account for random system failures and adversarial attacks. Towards this end, we propose the first FRL framework the convergence of which is guaranteed and tolerant to less than half of the participating agents being random system failures or adversarial attackers. We prove that the sample efficiency of the proposed framework is guaranteed to improve with the number of agents and is able to account for such potential failures or attacks. All theoretical results are empirically verified on various RL benchmark tasks.

在本文中，我们考虑了在$ N $代理的分布式优化问题，每个都具有本地成本函数，协作最小化连接网络上的本地成本函数的平均值。为了解决问题，我们提出了一种分布式随机重新洗脱（D-RR）算法，该算法结合了经典分布式梯度下降（DGD）方法和随机重新洗脱（RR）。我们表明D-RR继承了RR的优越性，以使光滑强凸和平的非凸起目标功能。特别是，对于平稳强凸的目标函数，D-RR在平方距离方面实现$ \ Mathcal {o}（1 / T ^ 2）$汇率（这里，$ t $计算迭代总数）在迭代和独特的最小化之间。当假设客观函数是平滑的非凸块并且具有Lipschitz连续组件函数时，我们将D-RR以$ \ Mathcal {O}的速率驱动到0美元的平方标准（1 / T ^ {2 / 3}）$。这些收敛结果与集中式RR（最多常数因素）匹配。

降低策略梯度方法方差的梯度估计器已成为近年来增强学习研究的主要重点之一，因为它们允许加速估算过程。我们提出了一种称为Sharp的方差降低的策略梯度方法，该方法将二阶信息纳入随机梯度下降（SGD）中，并使用动量和时间变化的学习率。 Sharp Algorithm无参数，实现$ \ Epsilon $ - Appro-Appro-Approximate固定点，带有$ O（\ Epsilon^{ - 3}）$的轨迹数，同时使用批量的大小为$ O（1）$迭代。与以前的大多数工作不同，我们提出的算法不需要重要的抽样，这可能会损害降低方差的优势。此外，估计错误的差异会以$ o（1/t^{2/3}）$的快速速率衰减，其中$ t $是迭代的数量。我们广泛的实验评估表明，拟议算法对各种控制任务的有效性及其对实践中最新状态的优势。

我们考虑了在连续的状态行为空间中受到约束马尔可夫决策过程（CMDP）的问题，在该空间中，目标是最大程度地提高预期的累积奖励受到某些约束。我们提出了一种新型的保守自然政策梯度原始二算法（C-NPG-PD），以达到零约束违规，同时实现了目标价值函数的最新融合结果。对于一般策略参数化，我们证明了价值函数与全局最佳功能的融合到由于限制性策略类而导致的近似错误。我们甚至从$ \ Mathcal {o}（1/\ epsilon^6）$从$ \ Mathcal {o}（1/\ Epsilon^4）$提高了现有约束NPG-PD算法\ cite {ding2020}的样本复杂性。。据我们所知，这是第一项通过自然政策梯度样式算法建立零约束违规的工作，用于无限的地平线折扣CMDP。我们通过实验评估证明了提出的算法的优点。