We consider the problem of multi-agent navigation and collision avoidance when observations are limited to the local neighborhood of each agent. We propose InforMARL, a novel architecture for multi-agent reinforcement learning (MARL) which uses local information intelligently to compute paths for all the agents in a decentralized manner. Specifically, InforMARL aggregates information about the local neighborhood of agents for both the actor and the critic using a graph neural network and can be used in conjunction with any standard MARL algorithm. We show that (1) in training, InforMARL has better sample efficiency and performance than baseline approaches, despite using less information, and (2) in testing, it scales well to environments with arbitrary numbers of agents and obstacles.

在人工多智能体系中，学习协作政策的能力是基于代理商的沟通技巧，他们必须能够编码从环境中收到的信息，并学习如何与手头任务所要求的其他代理分享它。我们介绍了一个深度加强学习方法，连接驱动的通信（CDC），促进了多种子体协作行为的出现，仅通过经验。代理被建模为加权图的节点，其状态相关的边缘编码可以交换的对方式。我们介绍了一种依赖于图形的关注机制，可以控制代理的传入消息如何加权。此机制完全核对图表所表示的系统的当前状态，并在捕获信息如何在图中流动的扩散过程中构建。图形拓扑未被假定已知先验，但在代理人的观察中动态依赖于代理人，并以端到端的方式与注意机制和政策同时学习。我们的经验结果表明，CDC能够学习有效的协作政策，并可以在合作导航任务上过度执行竞争学习算法。

Reinforcement learning in multi-agent scenarios is important for real-world applications but presents challenges beyond those seen in singleagent settings. We present an actor-critic algorithm that trains decentralized policies in multiagent settings, using centrally computed critics that share an attention mechanism which selects relevant information for each agent at every timestep. This attention mechanism enables more effective and scalable learning in complex multiagent environments, when compared to recent approaches. Our approach is applicable not only to cooperative settings with shared rewards, but also individualized reward settings, including adversarial settings, as well as settings that do not provide global states, and it makes no assumptions about the action spaces of the agents. As such, it is flexible enough to be applied to most multi-agent learning problems.

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。

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.

This work considers the problem of learning cooperative policies in complex, partially observable domains without explicit communication. We extend three classes of single-agent deep reinforcement learning algorithms based on policy gradient, temporal-difference error, and actor-critic methods to cooperative multi-agent systems. We introduce a set of cooperative control tasks that includes tasks with discrete and continuous actions, as well as tasks that involve hundreds of agents. The three approaches are evaluated against each other using different neural architectures, training procedures, and reward structures. Using deep reinforcement learning with a curriculum learning scheme, our approach can solve problems that were previously considered intractable by most multi-agent reinforcement learning algorithms. We show that policy gradient methods tend to outperform both temporal-difference and actor-critic methods when using feed-forward neural architectures. We also show that recurrent policies, while more difficult to train, outperform feed-forward policies on our evaluation tasks.

流动性和流量的许多方案都涉及多种不同的代理，需要合作以找到共同解决方案。行为计划的最新进展使用强化学习以寻找有效和绩效行为策略。但是，随着自动驾驶汽车和车辆对X通信变得越来越成熟，只有使用单身独立代理的解决方案在道路上留下了潜在的性能增长。多代理增强学习（MARL）是一个研究领域，旨在为彼此相互作用的多种代理找到最佳解决方案。这项工作旨在将该领域的概述介绍给研究人员的自主行动能力。我们首先解释Marl并介绍重要的概念。然后，我们讨论基于Marl算法的主要范式，并概述每个范式中最先进的方法和思想。在这种背景下，我们调查了MAL在自动移动性场景中的应用程序，并概述了现有的场景和实现。

我们展示了通过大规模多代理端到端增强学习的大射击可转移到真正的四轮压力机的无人驾驶群体控制器的可能性。我们培训由神经网络参数化的政策，该政策能够以完全分散的方式控制群体中的各个无人机。我们的政策，在具有现实的四轮流物理学的模拟环境中训练，展示了先进的植绒行为，在紧张的地层中执行侵略性的操作，同时避免彼此的碰撞，破裂和重新建立地层，以避免与移动障碍的碰撞，并有效地协调追求障碍，并有效地协调追求逃避任务。在模拟中，我们分析了培训制度的不同模型架构和参数影响神经群的最终表现。我们展示了在模拟中学习的模型的成功部署到高度资源受限的物理四体体执行站保持和目标交换行为。在Propers网站上提供代码和视频演示，在https://sites.google.com/view/swarm-rl上获得。

分散的多代理导航的代理缺乏世界知识，无法可靠地制定安全和（接近）最佳计划。他们将决定基于邻居的可观察状态，这隐藏了邻居的导航意图。我们提出了通过机构间沟通的增强分散导航，以提高其绩效和援助代理，以做出合理的导航决策。在这方面，我们提出了一种新颖的增强学习方法，用于使用选择性间隔沟通来避免多代理碰撞。我们的网络学会决定“何时”并与“谁”交流，以端到端的方式索取其他信息。我们将沟通选择作为链接预测问题，在该问题中，如果可以观察到的信息，网络可以预测是否需要通信。传达的信息增加了观察到的邻居信息以选择合适的导航计划。随着机器人的邻居数量的变化，我们使用多头自发项机制来编码邻居信息并创建固定长度的观察向量。我们验证我们提出的方法在挑战模拟基准中实现了多个机器人之间的安全有效导航。通过学习的通信，我们的网络的性能比在各种指标（例如到目标和碰撞频率）中的现有分散方法的表现要好得多。此外，我们展示了网络有效地学会在高复杂性情况下进行必要时进行交流。

我们开发了一个多功能辅助救援学习（MARL）方法，以了解目标跟踪的可扩展控制策略。我们的方法可以处理任意数量的追求者和目标;我们显示出现的任务，该任务包括高达1000追踪跟踪1000个目标。我们使用分散的部分可观察的马尔可夫决策过程框架来模拟追求者作为接受偏见观察（范围和轴承）的代理，了解使用固定的未知政策的目标。注意机制用于参数化代理的价值函数;这种机制允许我们处理任意数量的目标。熵 - 正规的脱助政策RL方法用于培训随机政策，我们讨论如何在追求者之间实现对冲行为，尽管有完全分散的控制执行，但仍然导致合作较弱的合作形式。我们进一步开发了一个掩蔽启发式，允许训练较少的问题，少量追求目标和在更大的问题上执行。进行彻底的仿真实验，消融研究和对现有技术算法的比较，以研究对不同数量的代理和目标性能的方法和鲁棒性的可扩展性。

本文考虑了多智能经纪人强化学习（MARL）任务，代理商在集会结束时获得共享全球奖励。这种奖励的延迟性质影响了代理商在中间时间步骤中评估其行动质量的能力。本文侧重于开发学习焦点奖励的时间重新分布的方法，以获得密集奖励信号。解决这些MARL问题需要解决两个挑战：识别（1）沿着集发作（沿时间）的长度相对重要性，以及（2）在任何单一时间步骤（代理商中）的相对重要性。在本文中，我们介绍了奖励中的奖励再分配，在整容多智能体加固学习（Arel）中奖励再分配，以解决这两个挑战。 Arel使用注意机制来表征沿着轨迹（时间关注）对状态转换的动作的影响，以及每个代理在每个时间步骤（代理人注意）的影响。 Arel预测的重新分配奖励是密集的，可以与任何给定的MARL算法集成。我们评估了粒子世界环境的具有挑战性的任务和星际争霸多功能挑战。 arel导致粒子世界的奖励较高，并改善星际争端的胜利率与三个最先进的奖励再分配方法相比。我们的代码可在https://github.com/baicenxiao/arel获得。

允许代理商通过沟通共享信息对于解决多代理增强学习中的复杂任务至关重要。在这项工作中，我们考虑了给定通信协议是否可以表达任意政策的问题。通过观察许多现有协议可以看作是图神经网络（GNN）的实例，我们证明了联合动作选择与节点标记的等效性。通过证明其表达能力的标准GNN方法，我们从现有的GNN文献中汲取了限制，并考虑使用以下方式增强剂观察：（1）独特的代理ID和（2）随机噪声。我们提供了有关这些方法如何产生普遍表达性交流的理论分析，并证明它们能够针对相同代理的任意行动集。从经验上讲，这些增强被发现可以改善需要表达性交流的任务的性能，而通常发现最佳通信协议是任务依赖性的。

深度强化学习（DRL）赋予了各种人工智能领域，包括模式识别，机器人技术，推荐系统和游戏。同样，图神经网络（GNN）也证明了它们在图形结构数据的监督学习方面的出色表现。最近，GNN与DRL用于图形结构环境的融合引起了很多关注。本文对这些混合动力作品进行了全面评论。这些作品可以分为两类：（1）算法增强，其中DRL和GNN相互补充以获得更好的实用性； （2）特定于应用程序的增强，其中DRL和GNN相互支持。这种融合有效地解决了工程和生命科学方面的各种复杂问题。基于审查，我们进一步分析了融合这两个领域的适用性和好处，尤其是在提高通用性和降低计算复杂性方面。最后，集成DRL和GNN的关键挑战以及潜在的未来研究方向被突出显示，这将引起更广泛的机器学习社区的关注。

近端策略优化（PPO）是一种普遍存在的上利期内学习算法，但在多代理设置中的非政策学习算法所使用的算法明显少得多。这通常是由于认为PPO的样品效率明显低于多代理系统中的销售方法。在这项工作中，我们仔细研究了合作多代理设置中PPO的性能。我们表明，基于PPO的多代理算法在四个受欢迎的多代理测试台上取得了令人惊讶的出色表现：粒子世界环境，星际争霸多代理挑战，哈纳比挑战赛和Google Research Football，并具有最少的超参数调谐任何特定领域的算法修改或架构。重要的是，与强大的非政策方法相比，PPO通常在最终奖励和样本效率中都能取得竞争性或优越的结果。最后，通过消融研究，我们分析了对PPO的经验表现至关重要的实施和高参数因素，并就这些因素提供了具体的实用建议。我们的结果表明，在使用这些实践时，简单的基于PPO的方法在合作多代理增强学习中是强大的基线。源代码可在https://github.com/marlbenchmark/on-policy上发布。

We explore deep reinforcement learning methods for multi-agent domains. We begin by analyzing the difficulty of traditional algorithms in the multi-agent case: Q-learning is challenged by an inherent non-stationarity of the environment, while policy gradient suffers from a variance that increases as the number of agents grows. We then present an adaptation of actor-critic methods that considers action policies of other agents and is able to successfully learn policies that require complex multiagent coordination. Additionally, we introduce a training regimen utilizing an ensemble of policies for each agent that leads to more robust multi-agent policies. We show the strength of our approach compared to existing methods in cooperative as well as competitive scenarios, where agent populations are able to discover various physical and informational coordination strategies.

大型人口系统的分析和控制对研究和工程的各个领域引起了极大的兴趣，从机器人群的流行病学到经济学和金融。一种越来越流行和有效的方法来实现多代理系统中的顺序决策，这是通过多机构增强学习，因为它允许对高度复杂的系统进行自动和无模型的分析。但是，可伸缩性的关键问题使控制和增强学习算法的设计变得复杂，尤其是在具有大量代理的系统中。尽管强化学习在许多情况下都发现了经验成功，但许多代理商的问题很快就变得棘手了，需要特别考虑。在这项调查中，我们将阐明当前的方法，以通过多代理强化学习以及通过诸如平均场游戏，集体智能或复杂的网络理论等研究领域进行仔细理解和分析大型人口系统。这些经典独立的主题领域提供了多种理解或建模大型人口系统的方法，这可能非常适合将来的可拖动MARL算法制定。最后，我们调查了大规模控制的潜在应用领域，并确定了实用系统中学习算法的富有成果的未来应用。我们希望我们的调查可以为理论和应用科学的初级和高级研究人员提供洞察力和未来的方向。

多目标自组织追求（SOP）问题已广泛应用，并被认为是一个充满挑战的分布式系统的自组织游戏，在该系统中，智能代理在其中合作追求具有部分观察的多个动态目标。这项工作为分散的多机构系统提出了一个框架，以提高智能代理的搜索和追求能力。我们将一个自组织的系统建模为可观察到的马尔可夫游戏（POMG），具有权力下放，部分观察和非通信的特征。然后将拟议的分布式算法：模糊自组织合作协同进化（FSC2）杠杆化，以解决多目标SOP中的三个挑战：分布式自组织搜索（SOS），分布式任务分配和分布式单目标追踪。 FSC2包括一种协调的多代理深钢筋学习方法，该方法使均匀的代理能够学习天然SOS模式。此外，我们提出了一种基于模糊的分布式任务分配方法，该方法将多目标SOP分解为几个单目标追求问题。合作进化原则用于协调每个单一目标问题的分布式追随者。因此，可以缓解POMG中固有的部分观察和分布式决策的不确定性。实验结果表明，在所有三个子任务中，分布式不传动的多机构协调都具有部分观察结果，而2048 FSC2代理可以执行有效的多目标SOP，其捕获率几乎为100％。

我们研究了流行的集中训练和分散执行（CTDE）范式中的多机器人发臭导航问题。当每个机器人考虑其路径而不明确地与其他机器人明确分享观察时，这一问题挑战了，可能导致深度加强学习（DRL）中的非静止问题。典型的CTDE算法将联合动作值函数分解为个别函数，以支持合作并实现分散的执行。这种分解涉及限制（例如，单调性），其限制在个体中的新行为的出现，因为从联合动作值开始训练。相比之下，我们为CTDE提出了一种新颖的架构，该架构使用集中式状态值网络来计算联合状态值，该值用于在代理的基于值的更新中注入全局状态信息。因此，考虑到环境的整体状态，每个模型计算其权重的梯度更新。我们的想法遵循Dueling Networks作为联合状态值的单独估计的独立估计，具有提高采样效率的优点，同时提供每个机器人信息，无论全局状态是否为（或不是）有价值的。具有2 4和8个机器人的机器人导航任务的实验，确认了我们对先前CTDE方法的方法的卓越性能（例如，VDN，QMIX）。

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。

独立的强化学习算法没有理论保证，用于在多代理设置中找到最佳策略。然而，在实践中，先前的作品报告了在某些域中的独立算法和其他方面的良好性能。此外，文献中缺乏对独立算法的优势和弱点的全面研究。在本文中，我们对四个Pettingzoo环境进行了独立算法的性能的实证比较，这些环境跨越了三种主要类别的多助理环境，即合作，竞争和混合。我们表明，在完全可观察的环境中，独立的算法可以在协作和竞争环境中与多代理算法进行同步。对于混合环境，我们表明通过独立算法培训的代理商学会单独执行，但未能学会与盟友合作并与敌人竞争。我们还表明，添加重复性提高了合作部分可观察环境中独立算法的学习。