我们介绍了有关风险分析与自治系统控制之间的联系的历史概述。我们提供两个主要贡献。我们的第一个贡献是提出三个重叠的范式，以对庞大的文献进行分类：最严重的案例，风险中性和风险避免风险的范式。我们考虑对自治系统依赖手头应用的风险进行适当的评估。相比之下，仅使用预期，差异或概率来评估风险是典型的。我们的第二个贡献是统一风险和自治系统的概念。我们通过连接量化和优化从学术领域的系统行为引起的风险的方法来实现这一目标。该调查是高度多学科的。我们包括来自强化学习，随机和健壮的控制理论，运营研究和正式验证的研究。我们描述了基于模型的方法和无模型方法，重点是前者。最后，我们重点介绍了富有成果的领域，以供进一步研究。一个关键方向是将基于风险的模型和无模型的方法融合在一起，以增强系统的实时自适应能力，以改善人类和环境福利。
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Uncertainty is prevalent in engineering design, statistical learning, and decision making broadly. Due to inherent risk-averseness and ambiguity about assumptions, it is common to address uncertainty by formulating and solving conservative optimization models expressed using measure of risk and related concepts. We survey the rapid development of risk measures over the last quarter century. From its beginning in financial engineering, we recount their spread to nearly all areas of engineering and applied mathematics. Solidly rooted in convex analysis, risk measures furnish a general framework for handling uncertainty with significant computational and theoretical advantages. We describe the key facts, list several concrete algorithms, and provide an extensive list of references for further reading. The survey recalls connections with utility theory and distributionally robust optimization, points to emerging applications areas such as fair machine learning, and defines measures of reliability.
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由于数据量增加，金融业的快速变化已经彻底改变了数据处理和数据分析的技术，并带来了新的理论和计算挑战。与古典随机控制理论和解决财务决策问题的其他分析方法相比，解决模型假设的财务决策问题，强化学习（RL）的新发展能够充分利用具有更少模型假设的大量财务数据并改善复杂的金融环境中的决策。该调查纸目的旨在审查最近的资金途径的发展和使用RL方法。我们介绍了马尔可夫决策过程，这是许多常用的RL方法的设置。然后引入各种算法，重点介绍不需要任何模型假设的基于价值和基于策略的方法。连接是用神经网络进行的，以扩展框架以包含深的RL算法。我们的调查通过讨论了这些RL算法在金融中各种决策问题中的应用，包括最佳执行，投资组合优化，期权定价和对冲，市场制作，智能订单路由和Robo-Awaring。
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Virtually all machine learning tasks are characterized using some form of loss function, and "good performance" is typically stated in terms of a sufficiently small average loss, taken over the random draw of test data. While optimizing for performance on average is intuitive, convenient to analyze in theory, and easy to implement in practice, such a choice brings about trade-offs. In this work, we survey and introduce a wide variety of non-traditional criteria used to design and evaluate machine learning algorithms, place the classical paradigm within the proper historical context, and propose a view of learning problems which emphasizes the question of "what makes for a desirable loss distribution?" in place of tacit use of the expected loss.
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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.
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我们开发了一种利用无模型增强学习（RL）解决时间一致风险敏感随机优化问题的方法。具体地，我们假设代理商使用动态凸面风险措施评估一系列随机变量的风险。我们采用时间一致的动态编程原则来确定特定策略的值，并开发策略渐变更新规则。我们进一步开发了一个使用神经网络的演员批评风格算法，以优化策略。最后，我们通过将其应用于统计套利交易和障碍避免机器人控制中的优化问题来证明我们的方法的性能和灵活性。
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过去半年来，从控制和强化学习社区的真实机器人部署的安全学习方法的贡献数量急剧上升。本文提供了一种简洁的但整体审查，对利用机器学习实现的最新进展，以实现在不确定因素下的安全决策，重点是统一控制理论和加固学习研究中使用的语言和框架。我们的评论包括：基于学习的控制方法，通过学习不确定的动态，加强学习方法，鼓励安全或坚固性的加固学习方法，以及可以正式证明学习控制政策安全的方法。随着基于数据和学习的机器人控制方法继续获得牵引力，研究人员必须了解何时以及如何最好地利用它们在安全势在必行的现实情景中，例如在靠近人类的情况下操作时。我们突出了一些开放的挑战，即将在未来几年推动机器人学习领域，并强调需要逼真的物理基准的基准，以便于控制和加固学习方法之间的公平比较。
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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。
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先前关于安全加强学习的工作（RL）研究了对动态（aleatory）随机性的风险规避，并隔离地模拟了不确定性（认知）。我们提出并分析一个新框架，以共同对有限马和折现的无限马MDP中的认知和差异不确定性相关的风险进行建模。我们称此框架结合了规避风险和软性的方法RASR。我们表明，当使用EVAR或熵风险定义风险规定时，可以使用具有时间依赖性风险水平的新的动态程序公式有效地计算RASR中的最佳策略。结果，即使是在无限 - 亨特折扣环境中，最佳的规避风险政策也是确定性但依赖时间的。我们还表明，具有平均后验过渡概率的特定RASR目标减少到规避风险的RL。我们的经验结果表明，我们的新算法始终减轻EVAR和其他标准风险措施衡量的不确定性。
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我们提出了一个新的框架，以解决对风险敏感的增强学习（RL）问题，在该问题中，代理优化了时间一致的动态光谱风险度量。基于有条件诱因的概念，我们的方法构建（严格一致）评分函数在估计程序中用作惩罚者。我们的贡献是三重的：我们（i）设计了一种有效的方法来估计具有深层神经网络的动态频谱风险度量，（ii）证明，使用深层神经网络和任何任意精度，这些动态光谱风险度量可能近似于（iii）开发一种使用完整发作的风险敏感的参与者批评算法，不需要任何其他嵌套过渡。我们将概念上改进的增强学习算法与嵌套模拟方法进行了比较，并在两个设置中说明了其性能：统计套利和模拟和真实数据上的统计套利和投资组合分配。
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在这项工作中，我们证明了如何通过预期最大化算法来处理随机和风险敏感的最佳控制问题。我们展示了这种处理如何实现为两个独立的迭代程序，每个迭代程序都会产生一个独特但密切相关的密度函数序列。我们激励将这些密度解释为信念，将ERGO作为确定性最佳政策的概率代理。更正式的两个固定点迭代方案是根据代表可靠的期望最大化方法的确定性最佳策略一致的固定点得出的。我们倾向于指出我们的结果与控制范式密切相关。在此推理中的控制是指旨在将最佳控制作为概率推断的实例的方法集合。尽管所说的范式已经导致了几种强大的强化学习算法的发展，但基本问题陈述通常是由目的论论证引入的。我们认为，目前的结果表明，较早的控制作为推理框架实际上将一个步骤与所提出的迭代程序中的一个步骤隔离。在任何情况下，本疗法都为他们提供了有效性的义学论点。通过暴露基本的技术机制，我们旨在为控制作为一种推断为取代当前最佳控制范式的框架的普遍接受。为了激发提出的治疗的普遍相关性，我们在勾勒出未来算法开发的大纲之前，进一步讨论了与路径积分控制和其他研究领域的相似之处。
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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。
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策略梯度方法适用于复杂的，不理解的，通过对参数化的策略进行随机梯度下降来控制问题。不幸的是，即使对于可以通过标准动态编程技术解决的简单控制问题，策略梯度算法也会面临非凸优化问题，并且被广泛理解为仅收敛到固定点。这项工作确定了结构属性 - 通过几个经典控制问题共享 - 确保策略梯度目标函数尽管是非凸面，但没有次优的固定点。当这些条件得到加强时，该目标满足了产生收敛速率的Polyak-lojasiewicz（梯度优势）条件。当其中一些条件放松时，我们还可以在任何固定点的最佳差距上提供界限。
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Learning-enabled control systems have demonstrated impressive empirical performance on challenging control problems in robotics, but this performance comes at the cost of reduced transparency and lack of guarantees on the safety or stability of the learned controllers. In recent years, new techniques have emerged to provide these guarantees by learning certificates alongside control policies -- these certificates provide concise, data-driven proofs that guarantee the safety and stability of the learned control system. These methods not only allow the user to verify the safety of a learned controller but also provide supervision during training, allowing safety and stability requirements to influence the training process itself. In this paper, we provide a comprehensive survey of this rapidly developing field of certificate learning. We hope that this paper will serve as an accessible introduction to the theory and practice of certificate learning, both to those who wish to apply these tools to practical robotics problems and to those who wish to dive more deeply into the theory of learning for control.
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机器学习通常以经典的概率理论为前提，这意味着聚集是基于期望的。现在有多种原因可以激励人们将经典概率理论作为机器学习的数学基础。我们系统地检查了一系列强大而丰富的此类替代品，即各种称为光谱风险度量，Choquet积分或Lorentz规范。我们提出了一系列的表征结果，并演示了使这个光谱家族如此特别的原因。在此过程中，我们证明了所有连贯的风险度量的自然分层，从它们通过利用重新安排不变性Banach空间理论的结果来诱导的上层概率。我们凭经验证明了这种新的不确定性方法如何有助于解决实用的机器学习问题。
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具有很多玩家的非合作和合作游戏具有许多应用程序，但是当玩家数量增加时，通常仍然很棘手。由Lasry和Lions以及Huang，Caines和Malham \'E引入的，平均野外运动会（MFGS）依靠平均场外近似值，以使玩家数量可以成长为无穷大。解决这些游戏的传统方法通常依赖于以完全了解模型的了解来求解部分或随机微分方程。最近，增强学习（RL）似乎有望解决复杂问题。通过组合MFGS和RL，我们希望在人口规模和环境复杂性方面能够大规模解决游戏。在这项调查中，我们回顾了有关学习MFG中NASH均衡的最新文献。我们首先确定最常见的设置（静态，固定和进化）。然后，我们为经典迭代方法（基于最佳响应计算或策略评估）提供了一个通用框架，以确切的方式解决MFG。在这些算法和与马尔可夫决策过程的联系的基础上，我们解释了如何使用RL以无模型的方式学习MFG解决方案。最后，我们在基准问题上介绍了数值插图，并以某些视角得出结论。
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在钢筋学习（RL）中，代理必须探索最初未知的环境，以便学习期望的行为。当RL代理部署在现实世界环境中时，安全性是主要关注的。受约束的马尔可夫决策过程（CMDPS）可以提供长期的安全约束;但是，该代理人可能会违反探索其环境的制约因素。本文提出了一种称为显式探索，漏洞探索或转义（$ e ^ {4} $）的基于模型的RL算法，它将显式探索或利用（$ e ^ {3} $）算法扩展到强大的CMDP设置。 $ e ^ 4 $明确地分离开发，探索和逃脱CMDP，允许针对已知状态的政策改进的有针对性的政策，发现未知状态，以及安全返回到已知状态。 $ e ^ 4 $强制优化了从一组CMDP模型的最坏情况CMDP上的这些策略，该模型符合部署环境的经验观察。理论结果表明，在整个学习过程中满足安全限制的情况下，在多项式时间中找到近最优的约束政策。我们讨论了稳健约束的离线优化算法，以及如何基于经验推理和先验知识来结合未知状态过渡动态的不确定性。
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生物制药制造业是一个快速增长的行业，几乎对所有药品分支机构产生了影响。在具有许多相互依赖因素的复杂生物过程动力学的情况下，生物制造过程需要密切监测和控制，并且由于实验的高成本以及个性化的生物毒品的新颖性，因此数据非常有限。我们开发了一种新型的基于模型的增强学习框架，该框架可以在低数据表环境中实现人级控制。该模型使用动态的贝叶斯网络来捕获因素之间的因果关系，并预测不同输入的影响如何通过生物处理机制的途径传播。这使得在模型风险上既可以解释又有坚固的过程控制策略的设计。我们提出了一种计算有效的，可证明的收敛随机梯度方法，用于优化此类策略。验证是在具有多维，连续状态变量的现实应用程序上进行的。
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This paper surveys the eld of reinforcement learning from a computer-science perspective. It is written to be accessible to researchers familiar with machine learning. Both the historical basis of the eld and a broad selection of current work are summarized. Reinforcement learning is the problem faced by an agent that learns behavior through trial-and-error interactions with a dynamic environment. The work described here has a resemblance to work in psychology, but di ers considerably in the details and in the use of the word \reinforcement." The paper discusses central issues of reinforcement learning, including trading o exploration and exploitation, establishing the foundations of the eld via Markov decision theory, learning from delayed reinforcement, constructing empirical models to accelerate learning, making use of generalization and hierarchy, and coping with hidden state. It concludes with a survey of some implemented systems and an assessment of the practical utility of current methods for reinforcement learning.
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In many sequential decision-making problems one is interested in minimizing an expected cumulative cost while taking into account risk, i.e., increased awareness of events of small probability and high consequences. Accordingly, the objective of this paper is to present efficient reinforcement learning algorithms for risk-constrained Markov decision processes (MDPs), where risk is represented via a chance constraint or a constraint on the conditional value-at-risk (CVaR) of the cumulative cost. We collectively refer to such problems as percentile risk-constrained MDPs. Specifically, we first derive a formula for computing the gradient of the Lagrangian function for percentile riskconstrained MDPs. Then, we devise policy gradient and actor-critic algorithms that (1) estimate such gradient, (2) update the policy in the descent direction, and (3) update the Lagrange multiplier in the ascent direction. For these algorithms we prove convergence to locally optimal policies. Finally, we demonstrate the effectiveness of our algorithms in an optimal stopping problem and an online marketing application.
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