Markov决策过程（MDP）为建模顺序决策问题提供了一种数学框架，其中许多是对安全性和安全性至关重要，例如自主驾驶和机器人控制。人工智能研究的快速发展已经创造了解决MDP的有效方法，例如深神经网络（DNN），加固学习（RL）和仿制学习（IL）。然而，这些用于解决MDP的流行模型既不彻底测试也不是严格的可靠性。我们呈现MDPFuzzer，这是求解MDP的模型的第一个Blackbox Fuzz测试框架。 MDPFuzzer通过检查目标模型是否进入异常和危险状态来形成oracelles。在模糊期间，MDPFuzzer通过测量可以减少累积奖励或形成新的状态序列来确定哪个突变状态。我们设计有效的技术来使用高斯混合模型（GMM）和动态期望 - 最大化（Dynem）来量化状态序列的“新鲜度”。我们还通过估计各种目标模型的局部敏感度，优先考虑具有泄露崩溃的高潜力。 MDPFuzzer在五种最先进的模型中进行了评估，用于解决MDP，包括监督DNN，RL，IL和多代理RL。我们的评估包括自动驾驶，飞机碰撞避免和经常用于基准测试的两个游戏的情况。在12小时的运行期间，我们在每个模型上找到超过80次碰撞触发状态序列。我们展示了鼓舞的发现，碰撞触发状态虽然正常，但与正常状态相比，诱导不同的神经元激活模式。我们进一步开发了异常行为检测器，以硬化所有评估的模型，并使用MDPFuzzer的调查结果修复它们，以显着提高其鲁棒性而不会牺牲精度。

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。

我们开发DeepTraversal，一个反馈驱动的框架来测试DNN。DeepTraversal首先启动离线阶段，以将各种形式的媒体数据映射到歧管。然后，在其在线测试阶段，DeameTraversal遍历准备的歧管空间以最大化DNN覆盖标准和触发预测误差。在我们的评估中，使用DNN执行各种任务（例如，分类，自动驾驶，机器翻译）和不同类型（图像，音频，文本）的媒体数据。DeepTraversal表现出比现有的方法相对于流行DNN覆盖标准的方法更好，并且它可以发现更大的数量和更高质量的错误触发输入。经过测试的DNN模型，经过深度干扰的调查结果，实现更好的准确性

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.

值得信赖的强化学习算法应有能力解决挑战性的现实问题，包括{Robustly}处理不确定性，满足{安全}的限制以避免灾难性的失败，以及在部署过程中{prencepentiming}以避免灾难性的失败}。这项研究旨在概述这些可信赖的强化学习的主要观点，即考虑其在鲁棒性，安全性和概括性上的内在脆弱性。特别是，我们给出严格的表述，对相应的方法进行分类，并讨论每个观点的基准。此外，我们提供了一个前景部分，以刺激有希望的未来方向，并简要讨论考虑人类反馈的外部漏洞。我们希望这项调查可以在统一的框架中将单独的研究汇合在一起，并促进强化学习的可信度。

在过去的十年中，深入的强化学习（DRL）算法已经越来越多地使用，以解决各种决策问题，例如自动驾驶和机器人技术。但是，这些算法在部署在安全至关重要的环境中时面临着巨大的挑战，因为它们经常表现出错误的行为，可能导致潜在的关键错误。评估DRL代理的安全性的一种方法是测试它们，以检测可能导致执行过程中严重失败的故障。这就提出了一个问题，即我们如何有效测试DRL政策以确保其正确性和遵守安全要求。测试DRL代理的大多数现有作品都使用扰动代理的对抗性攻击。但是，这种攻击通常会导致环境的不切实际状态。他们的主要目标是测试DRL代理的鲁棒性，而不是测试代理商在要求方面的合规性。由于DRL环境的巨大状态空间，测试执行的高成本以及DRL算法的黑盒性质，因此不可能对DRL代理进行详尽的测试。在本文中，我们提出了一种基于搜索的强化学习代理（Starla）的测试方法，以通过有效地在有限的测试预算中寻找无法执行的代理执行，以测试DRL代理的策略。我们使用机器学习模型和专用的遗传算法来缩小搜索错误的搜索。我们将Starla应用于深Q学习剂，该Qualla被广泛用作基准测试，并表明它通过检测到与代理商策略相关的更多故障来大大优于随机测试。我们还研究了如何使用我们的搜索结果提取表征DRL代理的错误事件的规则。这些规则可用于了解代理失败的条件，从而评估其部署风险。

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.

深度强化学习（DRL）和深度多机构的强化学习（MARL）在包括游戏AI，自动驾驶汽车，机器人技术等各种领域取得了巨大的成功。但是，众所周知，DRL和Deep MARL代理的样本效率低下，即使对于相对简单的问题设置，通常也需要数百万个相互作用，从而阻止了在实地场景中的广泛应用和部署。背后的一个瓶颈挑战是众所周知的探索问题，即如何有效地探索环境和收集信息丰富的经验，从而使政策学习受益于最佳研究。在稀疏的奖励，吵闹的干扰，长距离和非平稳的共同学习者的复杂环境中，这个问题变得更加具有挑战性。在本文中，我们对单格和多代理RL的现有勘探方法进行了全面的调查。我们通过确定有效探索的几个关键挑战开始调查。除了上述两个主要分支外，我们还包括其他具有不同思想和技术的著名探索方法。除了算法分析外，我们还对一组常用基准的DRL进行了全面和统一的经验比较。根据我们的算法和实证研究，我们终于总结了DRL和Deep Marl中探索的公开问题，并指出了一些未来的方向。

强化学习和最近的深度增强学习是解决如Markov决策过程建模的顺序决策问题的流行方法。问题和选择算法和超参数的RL建模需要仔细考虑，因为不同的配置可能需要完全不同的性能。这些考虑因素主要是RL专家的任务;然而，RL在研究人员和系统设计师不是RL专家的其他领域中逐渐变得流行。此外，许多建模决策，例如定义状态和动作空间，批次的大小和批量更新的频率以及时间戳的数量通常是手动进行的。由于这些原因，RL框架的自动化不同组成部分具有重要意义，近年来它引起了很多关注。自动RL提供了一个框架，其中RL的不同组件包括MDP建模，算法选择和超参数优化是自动建模和定义的。在本文中，我们探讨了可以在自动化RL中使用的文献和目前的工作。此外，我们讨论了Autorl中的挑战，打开问题和研究方向。

自动化驾驶系统（ADSS）近年来迅速进展。为确保这些系统的安全性和可靠性，在未来的群心部署之前正在进行广泛的测试。测试道路上的系统是最接近真实世界和理想的方法，但它非常昂贵。此外，使用此类现实世界测试覆盖稀有角案件是不可行的。因此，一种流行的替代方案是在一些设计精心设计的具有挑战性场景中评估广告的性能，A.k.a.基于场景的测试。高保真模拟器已广泛用于此设置中，以最大限度地提高测试的灵活性和便利性 - 如果发生的情况。虽然已经提出了许多作品，但为测试特定系统提供了各种框架/方法，但这些作品之间的比较和连接仍然缺失。为了弥合这一差距，在这项工作中，我们在高保真仿真中提供了基于场景的测试的通用制定，并对现有工作进行了文献综述。我们进一步比较了它们并呈现开放挑战以及潜在的未来研究方向。

“轨迹”是指由地理空间中的移动物体产生的迹线，通常由一系列按时间顺序排列的点表示，其中每个点由地理空间坐标集和时间戳组成。位置感应和无线通信技术的快速进步使我们能够收集和存储大量的轨迹数据。因此，许多研究人员使用轨迹数据来分析各种移动物体的移动性。在本文中，我们专注于“城市车辆轨迹”，这是指城市交通网络中车辆的轨迹，我们专注于“城市车辆轨迹分析”。城市车辆轨迹分析提供了前所未有的机会，可以了解城市交通网络中的车辆运动模式，包括以用户为中心的旅行经验和系统范围的时空模式。城市车辆轨迹数据的时空特征在结构上相互关联，因此，许多先前的研究人员使用了各种方法来理解这种结构。特别是，由于其强大的函数近似和特征表示能力，深度学习模型是由于许多研究人员的注意。因此，本文的目的是开发基于深度学习的城市车辆轨迹分析模型，以更好地了解城市交通网络的移动模式。特别是，本文重点介绍了两项研究主题，具有很高的必要性，重要性和适用性：下一个位置预测，以及合成轨迹生成。在这项研究中，我们向城市车辆轨迹分析提供了各种新型模型，使用深度学习。

Deep reinforcement learning is poised to revolutionise the field of AI and represents a step towards building autonomous systems with a higher level understanding of the visual world. Currently, deep learning is enabling reinforcement learning to scale to problems that were previously intractable, such as learning to play video games directly from pixels. Deep reinforcement learning algorithms are also applied to robotics, allowing control policies for robots to be learned directly from camera inputs in the real world. In this survey, we begin with an introduction to the general field of reinforcement learning, then progress to the main streams of value-based and policybased methods. Our survey will cover central algorithms in deep reinforcement learning, including the deep Q-network, trust region policy optimisation, and asynchronous advantage actor-critic. In parallel, we highlight the unique advantages of deep neural networks, focusing on visual understanding via reinforcement learning. To conclude, we describe several current areas of research within the field.

Safe Reinforcement Learning can be defined as the process of learning policies that maximize the expectation of the return in problems in which it is important to ensure reasonable system performance and/or respect safety constraints during the learning and/or deployment processes. We categorize and analyze two approaches of Safe Reinforcement Learning. The first is based on the modification of the optimality criterion, the classic discounted finite/infinite horizon, with a safety factor. The second is based on the modification of the exploration process through the incorporation of external knowledge or the guidance of a risk metric. We use the proposed classification to survey the existing literature, as well as suggesting future directions for Safe Reinforcement Learning.

从意外的外部扰动中恢复的能力是双模型运动的基本机动技能。有效的答复包括不仅可以恢复平衡并保持稳定性的能力，而且在平衡恢复物质不可行时，也可以保证安全的方式。对于与双式运动有关的机器人，例如人形机器人和辅助机器人设备，可帮助人类行走，设计能够提供这种稳定性和安全性的控制器可以防止机器人损坏或防止伤害相关的医疗费用。这是一个具有挑战性的任务，因为它涉及用触点产生高维，非线性和致动系统的高动态运动。尽管使用基于模型和优化方法的前进方面，但诸如广泛领域知识的要求，诸如较大的计算时间和有限的动态变化的鲁棒性仍然会使这个打开问题。在本文中，为了解决这些问题，我们开发基于学习的算法，能够为两种不同的机器人合成推送恢复控制政策：人形机器人和有助于双模型运动的辅助机器人设备。我们的工作可以分为两个密切相关的指示：1）学习人形机器人的安全下降和预防策略，2）使用机器人辅助装置学习人类的预防策略。为实现这一目标，我们介绍了一套深度加强学习（DRL）算法，以学习使用这些机器人时提高安全性的控制策略。

Transformer, originally devised for natural language processing, has also attested significant success in computer vision. Thanks to its super expressive power, researchers are investigating ways to deploy transformers to reinforcement learning (RL) and the transformer-based models have manifested their potential in representative RL benchmarks. In this paper, we collect and dissect recent advances on transforming RL by transformer (transformer-based RL or TRL), in order to explore its development trajectory and future trend. We group existing developments in two categories: architecture enhancement and trajectory optimization, and examine the main applications of TRL in robotic manipulation, text-based games, navigation and autonomous driving. For architecture enhancement, these methods consider how to apply the powerful transformer structure to RL problems under the traditional RL framework, which model agents and environments much more precisely than deep RL methods, but they are still limited by the inherent defects of traditional RL algorithms, such as bootstrapping and "deadly triad". For trajectory optimization, these methods treat RL problems as sequence modeling and train a joint state-action model over entire trajectories under the behavior cloning framework, which are able to extract policies from static datasets and fully use the long-sequence modeling capability of the transformer. Given these advancements, extensions and challenges in TRL are reviewed and proposals about future direction are discussed. We hope that this survey can provide a detailed introduction to TRL and motivate future research in this rapidly developing field.

Deep Neural Networks (DNNs) have been widely used to perform real-world tasks in cyber-physical systems such as Autonomous Driving Systems (ADS). Ensuring the correct behavior of such DNN-Enabled Systems (DES) is a crucial topic. Online testing is one of the promising modes for testing such systems with their application environments (simulated or real) in a closed loop taking into account the continuous interaction between the systems and their environments. However, the environmental variables (e.g., lighting conditions) that might change during the systems' operation in the real world, causing the DES to violate requirements (safety, functional), are often kept constant during the execution of an online test scenario due to the two major challenges: (1) the space of all possible scenarios to explore would become even larger if they changed and (2) there are typically many requirements to test simultaneously. In this paper, we present MORLOT (Many-Objective Reinforcement Learning for Online Testing), a novel online testing approach to address these challenges by combining Reinforcement Learning (RL) and many-objective search. MORLOT leverages RL to incrementally generate sequences of environmental changes while relying on many-objective search to determine the changes so that they are more likely to achieve any of the uncovered objectives. We empirically evaluate MORLOT using CARLA, a high-fidelity simulator widely used for autonomous driving research, integrated with Transfuser, a DNN-enabled ADS for end-to-end driving. The evaluation results show that MORLOT is significantly more effective and efficient than alternatives with a large effect size. In other words, MORLOT is a good option to test DES with dynamically changing environments while accounting for multiple safety requirements.

在自主驾驶场中，人类知识融合到深增强学习（DRL）通常基于在模拟环境中记录的人类示范。这限制了在现实世界交通中的概率和可行性。我们提出了一种两级DRL方法，从真实的人类驾驶中学习，实现优于纯DRL代理的性能。培训DRL代理商是在Carla的框架内完成了机器人操作系统（ROS）。对于评估，我们设计了不同的真实驾驶场景，可以将提出的两级DRL代理与纯DRL代理进行比较。在从人驾驶员中提取“良好”行为之后，例如在信号交叉口中的预期，该代理变得更有效，并且驱动更安全，这使得这种自主代理更适应人体机器人交互（HRI）流量。

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。

本文总结了DNN测试标准的八种设计要求，考虑到分配性能和实际问题。然后，我们提出了一种新的标准NLC，满足所有这些设计要求。NLC将单个DNN层视为基本计算单元（而不是单个神经元），并捕获神经元输出分布的四个关键特征。因此，NLC表示为神经覆盖，这更准确地描述神经网络如何通过近似分布而不是神经元来理解输入。我们证明NLC与跨多个任务（分类和发电）和数据格式（图像和文本）的测试套件的多样性相关。它发现DNN预测误差的能力是有前途的。由NLC引导的测试输入突变导致暴露错误行为的更高质量和多样性。

强化学习（RL）通过与环境相互作用的试验过程解决顺序决策问题。尽管RL在玩复杂的视频游戏方面取得了巨大的成功，但在现实世界中，犯错误总是不希望的。为了提高样本效率并从而降低错误，据信基于模型的增强学习（MBRL）是一个有前途的方向，它建立了环境模型，在该模型中可以进行反复试验，而无需实际成本。在这项调查中，我们对MBRL进行了审查，重点是Deep RL的最新进展。对于非壮观环境，学到的环境模型与真实环境之间始终存在概括性错误。因此，非常重要的是分析环境模型中的政策培训与实际环境中的差异，这反过来又指导了更好的模型学习，模型使用和政策培训的算法设计。此外，我们还讨论了其他形式的RL，包括离线RL，目标条件RL，多代理RL和Meta-RL的最新进展。此外，我们讨论了MBRL在现实世界任务中的适用性和优势。最后，我们通过讨论MBRL未来发展的前景来结束这项调查。我们认为，MBRL在被忽略的现实应用程序中具有巨大的潜力和优势，我们希望这项调查能够吸引更多关于MBRL的研究。