In the learning from demonstration (LfD) paradigm, understanding and evaluating the demonstrated behaviors plays a critical role in extracting control policies for robots. Without this knowledge, a robot may infer incorrect reward functions that lead to undesirable or unsafe control policies. Recent work has proposed an LfD framework where a user provides a set of formal task specifications to guide LfD, to address the challenge of reward shaping. However, in this framework, specifications are manually ordered in a performance graph (a partial order that specifies relative importance between the specifications). The main contribution of this paper is an algorithm to learn the performance graph directly from the user-provided demonstrations, and show that the reward functions generated using the learned performance graph generate similar policies to those from manually specified performance graphs. We perform a user study that shows that priorities specified by users on behaviors in a simulated highway driving domain match the automatically inferred performance graph. This establishes that we can accurately evaluate user demonstrations with respect to task specifications without expert criteria.

我们研究了逻辑规范给出的复杂任务的学习策略问题。最近的方法从给定的规范自动生成奖励功能，并使用合适的加强学习算法来学习最大化预期奖励的策略。然而，这些方法对需要高级别计划的复杂任务奠定了差。在这项工作中，我们开发了一种称为Dirl的组成学习方法，可交织高级别的规划和强化学习。首先，Dirl将规范编码为抽象图;直观地，图的顶点和边缘分别对应于状态空间的区域和更简单的子任务。我们的方法然后结合了增强学习，以便在Dijkstra风格的规划算法内为每个边缘（子任务）学习神经网络策略，以计算图表中的高级计划。对具有连续状态和行动空间的一套具有挑战性的控制基准测试的提出方法的评估表明它优于最先进的基线。

With the development of deep representation learning, the domain of reinforcement learning (RL) has become a powerful learning framework now capable of learning complex policies in high dimensional environments. This review summarises deep reinforcement learning (DRL) algorithms and provides a taxonomy of automated driving tasks where (D)RL methods have been employed, while addressing key computational challenges in real world deployment of autonomous driving agents. It also delineates adjacent domains such as behavior cloning, imitation learning, inverse reinforcement learning that are related but are not classical RL algorithms. The role of simulators in training agents, methods to validate, test and robustify existing solutions in RL are discussed.

Reinforcement learning can enable robots to navigate to distant goals while optimizing user-specified reward functions, including preferences for following lanes, staying on paved paths, or avoiding freshly mowed grass. However, online learning from trial-and-error for real-world robots is logistically challenging, and methods that instead can utilize existing datasets of robotic navigation data could be significantly more scalable and enable broader generalization. In this paper, we present ReViND, the first offline RL system for robotic navigation that can leverage previously collected data to optimize user-specified reward functions in the real-world. We evaluate our system for off-road navigation without any additional data collection or fine-tuning, and show that it can navigate to distant goals using only offline training from this dataset, and exhibit behaviors that qualitatively differ based on the user-specified reward function.

Imitation learning techniques aim to mimic human behavior in a given task. An agent (a learning machine) is trained to perform a task from demonstrations by learning a mapping between observations and actions. The idea of teaching by imitation has been around for many years, however, the field is gaining attention recently due to advances in computing and sensing as well as rising demand for intelligent applications. The paradigm of learning by imitation is gaining popularity because it facilitates teaching complex tasks with minimal expert knowledge of the tasks. Generic imitation learning methods could potentially reduce the problem of teaching a task to that of providing demonstrations; without the need for explicit programming or designing reward functions specific to the task. Modern sensors are able to collect and transmit high volumes of data rapidly, and processors with high computational power allow fast processing that maps the sensory data to actions in a timely manner. This opens the door for many potential AI applications that require real-time perception and reaction such as humanoid robots, self-driving vehicles, human computer interaction and computer games to name a few. However, specialized algorithms are needed to effectively and robustly learn models as learning by imitation poses its own set of challenges. In this paper, we survey imitation learning methods and present design options in different steps of the learning process. We introduce a background and motivation for the field as well as highlight challenges specific to the imitation problem. Methods for designing and evaluating imitation learning tasks are categorized and reviewed. Special attention is given to learning methods in robotics and games as these domains are the most popular in the literature and provide a wide array of problems and methodologies. We extensively discuss combining imitation learning approaches using different sources and methods, as well as incorporating other motion learning methods to enhance imitation. We also discuss the potential impact on industry, present major applications and highlight current and future research directions.

解释性对于自主车辆和其他机器人系统在操作期间与人类和其他物体相互作用至关重要。人类需要了解和预测机器采取的行动，以获得可信赖和安全的合作。在这项工作中，我们的目标是开发一个可解释的模型，可以与人类领域知识和模型的固有因果关系一致地产生解释。特别是，我们专注于自主驾驶，多代理交互建模的基本构建块。我们提出了接地的关系推理（GRI）。它通过推断代理关系的相互作用图来模拟交互式系统的底层动态。我们通过将关系潜空间接地为具有专家域知识定义的语义互动行为来确保语义有意义的交互图。我们展示它可以在模拟和现实世界中建模交互式交通方案，并生成解释车辆行为的语义图。

研究表明，自治车辆（AVS）在由人类驱动因素组成的交通环境中保守，不适应当地条件和社会文化规范。众所周知，如果存在理解人类驱动程序的行为，则可以设计社会意识的AVS。我们提出了一种利用机器学习来预测人类驱动程序的行为的方法。这类似于人类如何隐含地解释道路上司机的行为，只能观察其车辆的轨迹。我们使用图形理论工具从轨迹和机器学习中提取驾驶员行为特征，以在流量和驾驶员行为中获得车辆的提取轨迹之间的计算映射。与此域中的现有方法相比，我们证明我们的方法是强大的，一般的，并且可扩展到广泛的应用程序，如自主导航。我们评估我们在美国，印度，中国和新加坡捕获的现实世界交通数据集以及模拟中的方法。

背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。

随着人工智能的兴趣，与自主代的人类相互作用变得更加频繁。有效的人类代理协作要求用户了解代理人的行为，因为未能这样做可能会导致生产率降低，滥用或挫折。代理战略摘要方法用于通过演示将代理人的策略描述为其分发用户。摘要的目标是通过在选定的世界州中展示其行为来最大限度地提高用户对代理能力的理解。虽然显示是有用的，但我们表明当特定代理的特定代理人独立生成每个摘要时，当任务时，当前方法有限。在本文中，我们提出了一种新的方法，可以通过识别代理人对最佳行动方案的国家来说强调代理政策之间的差异。我们进行用户研究，以评估分歧的综述鉴定优异代理和传达代理差异的有用性。结果表明，与使用亮点生成的概要相比，基于分歧的摘要导致用户性能提高，该概述，一种独立地为每个代理生成摘要。

我们解决了由具有不同驱动程序行为的道路代理人填充的密集模拟交通环境中的自我车辆导航问题。由于其异构行为引起的代理人的不可预测性，这种环境中的导航是挑战。我们提出了一种新的仿真技术，包括丰富现有的交通模拟器，其具有与不同程度的侵略性程度相对应的行为丰富的轨迹。我们在驾驶员行为建模算法的帮助下生成这些轨迹。然后，我们使用丰富的模拟器培训深度加强学习（DRL）策略，包括一组高级车辆控制命令，并在测试时间使用此策略来执行密集流量的本地导航。我们的政策隐含地模拟了交通代理商之间的交互，并计算了自助式驾驶员机动，例如超速，超速，编织和突然道路变化的激进驾驶员演习的安全轨迹。我们增强的行为丰富的模拟器可用于生成由对应于不同驱动程序行为和流量密度的轨迹组成的数据集，我们的行为的导航方案可以与最先进的导航算法相结合。

增强学习（RL）的潜力是通过奖励工程问题的部分瓶颈部分瓶颈。启发式试验和错误的一个替代方案是基于偏好的RL（PBRL），其中奖励函数从稀疏的人体反馈推断出来。然而，先前的PBR方法缺乏学习奖励结构的可解释性，这妨碍了评估鲁棒性和对准的能力。我们提出了一种在线，积极的偏好学习算法，用树木的本质上可解释，构成结构构建奖励功能。使用合成和人为提供的反馈，我们在若干环境中展示了树结构奖励功能的样本高效学习，然后利用增强的解释性来探索和调试进行对齐。

行人在场的运动控制算法对于开发安全可靠的自动驾驶汽车（AV）至关重要。传统运动控制算法依赖于手动设计的决策政策，这些政策忽略了AV和行人之间的相互作用。另一方面，深度强化学习的最新进展允许在没有手动设计的情况下自动学习政策。为了解决行人在场的决策问题，作者介绍了一个基于社会价值取向和深入强化学习（DRL）的框架，该框架能够以不同的驾驶方式生成决策政策。该政策是在模拟环境中使用最先进的DRL算法培训的。还引入了适合DRL训练的新型计算效率的行人模型。我们执行实验以验证我们的框架，并对使用两种不同的无模型深钢筋学习算法获得的策略进行了比较分析。模拟结果表明，开发的模型如何表现出自然的驾驶行为，例如短暂的驾驶行为，以促进行人的穿越。

将规则无缝整合到学习中（LFD）策略是启用AI代理的现实部署的关键要求。最近，信号时间逻辑（STL）已被证明是将规则作为时空约束的有效语言。这项工作使用蒙特卡洛树搜索（MCT）作为将STL规范集成到香草LFD策略中以提高约束满意度的一种手段。我们建议以STL鲁棒性值来增强MCT启发式，以使树的搜索偏向具有更高限制满意度的分支。虽然无域的方法可以应用于将STL规则在线整合到任何预训练的LFD算法中，但我们选择目标条件的生成对抗性模仿学习作为离线LFD策略。我们将提出的方法应用于规划轨迹的领域，用于在非较低机场周围的通用航空飞机。使用对现实世界数据进行训练的模拟器的结果显示了60％的性能比不使用STL启发式方法的基线LFD方法提高了性能。

行为树（BT）是一种在自主代理中（例如机器人或计算机游戏中的虚拟实体）之间在不同任务之间进行切换的方法。 BT是创建模块化和反应性的复杂系统的一种非常有效的方法。这些属性在许多应用中至关重要，这导致BT从计算机游戏编程到AI和机器人技术的许多分支。在本书中，我们将首先对BTS进行介绍，然后我们描述BTS与早期切换结构的关系，并且在许多情况下如何概括。然后，这些想法被用作一套高效且易于使用的设计原理的基础。安全性，鲁棒性和效率等属性对于自主系统很重要，我们描述了一套使用BTS的状态空间描述正式分析这些系统的工具。借助新的分析工具，我们可以对BTS如何推广早期方法的形式形式化。我们还显示了BTS在自动化计划和机器学习中的使用。最后，我们描述了一组扩展的工具，以捕获随机BT的行为，其中动作的结果由概率描述。这些工具可以计算成功概率和完成时间。

当将强化学习（RL）代理部署到物理系统中时，我们必须确保这些代理非常了解基本的约束。但是，在许多现实世界中，遵循的限制因素（例如，人类）通常很难在数学上和RL代理商上指定。为了解决这些问题，约束逆强化学习（CIRL）考虑了约束马尔可夫决策过程（CMDP）的形式主义，并通过学习约束功能来估算专家示范中的约束。作为一个新兴的研究主题，Cirl没有共同的基准测试，以前的作品通过手工制作的环境（例如，网格世界）测试了其算法。在本文中，我们在两个主要的应用域：机器人控制和自动驾驶的背景下构建了CIRL基准。我们为每个环境设计相关的约束，并经验研究不同算法基于尊重这些约束的专家轨迹恢复这些约束的能力。为了处理随机动力学，我们提出了一种差异方法，以扩展约束分布，并通过将其与基准上的其他cirl基线进行比较来证明其性能。基准，包括复制CIRL算法性能的信息，可在https://github.com/guiliang/guiliang/cirl-benchmarks-public上公开获得

本文解决了逆增强学习（IRL）的问题 - 从观察其行为中推断出代理的奖励功能。 IRL可以为学徒学习提供可概括和紧凑的代表，并能够准确推断人的偏好以帮助他们。 ％并提供更准确的预测。但是，有效的IRL具有挑战性，因为许多奖励功能可以与观察到的行为兼容。我们专注于如何利用先前的强化学习（RL）经验，以使学习这些偏好更快，更高效。我们提出了IRL算法基础（通过样本中的连续功能意图推断行为获取行为），该算法利用多任务RL预培训和后继功能，使代理商可以为跨越可能的目标建立强大的基础，从而跨越可能的目标。给定的域。当仅接触一些专家演示以优化新颖目标时，代理商会使用其基础快速有效地推断奖励功能。我们的实验表明，我们的方法非常有效地推断和优化显示出奖励功能，从而准确地从少于100个轨迹中推断出奖励功能。

强化学习（RL）已证明可以在各种任务中达到超级人类水平的表现。但是，与受监督的机器学习不同，将其推广到各种情况的学习策略仍然是现实世界中最具挑战性的问题之一。自主驾驶（AD）提供了一个多方面的实验领域，因为有必要在许多变化的道路布局和可能的交通情况大量分布中学习正确的行为，包括个人驾驶员个性和难以预测的交通事件。在本文中，我们根据可配置，灵活和性能的代码库为AD提出了一个具有挑战性的基准。我们的基准测试使用了随机场景生成器的目录，包括用于道路布局和交通变化的多种机制，不同的数值和视觉观察类型，不同的动作空间，不同的车辆模型，并允许在静态场景定义下使用。除了纯粹的算法见解外，我们面向应用程序的基准还可以更好地理解设计决策的影响，例如行动和观察空间对政策的普遍性。我们的基准旨在鼓励研究人员提出能够在各种情况下成功概括的解决方案，这是当前RL方法失败的任务。基准的代码可在https://github.com/seawee1/driver-dojo上获得。

Reinforcement learning (RL) requires skillful definition and remarkable computational efforts to solve optimization and control problems, which could impair its prospect. Introducing human guidance into reinforcement learning is a promising way to improve learning performance. In this paper, a comprehensive human guidance-based reinforcement learning framework is established. A novel prioritized experience replay mechanism that adapts to human guidance in the reinforcement learning process is proposed to boost the efficiency and performance of the reinforcement learning algorithm. To relieve the heavy workload on human participants, a behavior model is established based on an incremental online learning method to mimic human actions. We design two challenging autonomous driving tasks for evaluating the proposed algorithm. Experiments are conducted to access the training and testing performance and learning mechanism of the proposed algorithm. Comparative results against the state-of-the-art methods suggest the advantages of our algorithm in terms of learning efficiency, performance, and robustness.

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。

我们向连续状态马尔可夫决策过程（MDP）提出了一种扩散近似方法，该方法可用于解决非结构化的越野环境中的自主导航和控制。与呈现完全已知的状态转换模型的大多数决策定理计划框架相比，我们设计了一种方法，该方法消除了这种强烈假设，这些假设通常非常难以在现实中工程师。我们首先采用价值函数的二阶泰勒扩展。然后通过部分微分方程近似贝尔曼的最优性方程，其仅依赖于转换模型的第一和第二矩。通过组合价值函数的内核表示，然后设计一种有效的策略迭代算法，其策略评估步骤可以表示为特征的方程式的线性系统，其特征是由有限组支持状态。我们首先通过大量的仿真以2D美元的$ 2D $避让和2.5d $地形导航问题进行验证。结果表明，拟议的方法在几个基线上导致了卓越的性能。然后，我们开发一个系统，该系统将我们的决策框架整合，与船上感知，并在杂乱的室内和非结构化的户外环境中进行现实世界的实验。物理系统的结果进一步展示了我们在挑战现实世界环境中的方法的适用性。