安全是自主系统的关键组成部分，仍然是现实世界中要使用的基于学习的政策的挑战。特别是，由于不安全的行为，使用强化学习学习的政策通常无法推广到新的环境。在本文中，我们提出了SIM到LAB到实验室，以弥合现实差距，并提供概率保证的安全意见政策分配。为了提高安全性，我们采用双重政策设置，其中通过累积任务奖励对绩效政策进行培训，并通过根据汉密尔顿 - 雅各布（Hamilton-Jacobi）（HJ）达到可达性分析来培训备用（安全）政策。在SIM到LAB转移中，我们采用监督控制方案来掩盖探索过程中不安全的行动；在实验室到实验室的转移中，我们利用大约正确的（PAC） - 贝斯框架来提供有关在看不见环境中政策的预期性能和安全性的下限。此外，从HJ可达性分析继承，界限说明了每个环境中最坏情况安全性的期望。我们从经验上研究了两种类型的室内环境中的自我视频导航框架，具有不同程度的光真实性。我们还通过具有四足机器人的真实室内空间中的硬件实验来证明强大的概括性能。有关补充材料，请参见https://sites.google.com/princeton.edu/sim-to-lab-to-real。

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。

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。

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。

当任何安全违规可能导致灾难性失败时，赛车要求每个车辆都能在其物质范围内驾驶。在这项工作中，我们研究了自主赛车的安全强化学习（RL）的问题，使用车辆的自我摄像机视图和速度作为输入。鉴于任务的性质，自主代理需要能够1）识别并避免复杂的车辆动态下的不安全场景，而2）在快速变化的环境中使子第二决定。为了满足这些标准，我们建议纳入汉密尔顿 - 雅各（HJ）可达性理论，是一般非线性系统的安全验证方法，进入受约束的马尔可夫决策过程（CMDP）框架。 HJ可达性不仅提供了一种了解安全的控制理论方法，还可以实现低延迟安全验证。尽管HJ可达性传统上不可扩展到高维系统，但我们证明了具有神经逼近的，可以直接在视觉上下文中学习HJ安全值 - 迄今为止通过该方法研究的最高尺寸问题。我们在最近发布的高保真自主赛车环境中评估了我们在几个基准任务中的方法，包括安全健身房和学习（L2R）。与安全健身房的其他受约束的RL基线相比，我们的方法非常少的限制性违规，并在L2R基准任务上实现了新的最先进结果。我们在以下匿名纸质网站提供额外可视化代理行为：https://sites.google.com/view/safeautomouracing/home

移动机器人的成功操作要求它们迅速适应环境变化。为了为移动机器人开发自适应决策工具，我们提出了一种新颖的算法，该算法将元强化学习（META-RL）与模型预测控制（MPC）相结合。我们的方法采用额外的元元素算法作为基线，以使用MPC生成的过渡样本来训练策略，当机器人检测到某些事件可以通过MPC有效处理的某些事件，并明确使用机器人动力学。我们方法的关键思想是以随机和事件触发的方式在元学习策略和MPC控制器之间进行切换，以弥补由有限的预测范围引起的次优MPC动作。在元测试期间，将停用MPC模块，以显着减少运动控制中的计算时间。我们进一步提出了一种在线适应方案，该方案使机器人能够在单个轨迹中推断并适应新任务。通过使用（i）障碍物的合成运动和（ii）现实世界的行人运动数据，使用非线性汽车样的车辆模型来证明我们方法的性能。模拟结果表明，我们的方法在学习效率和导航质量方面优于其他算法。

在许多情况下，增强学习（RL）已被证明是有效的。但是，通常需要探索足够多的国家行动对，其中一些对不安全。因此，其应用于安全至关重要的系统仍然是一个挑战。解决安全性的越来越普遍的方法涉及将RL动作投射到安全的一组动作上的安全层。反过来，此类框架的困难是如何有效地将RL与安全层搭配以提高学习绩效。在本文中，我们将安全性作为基于型号的RL框架中的可区分强大控制式 - 助推器功能层。此外，我们还提出了一种模块化学习基本奖励驱动的任务的方法，独立于安全限制。我们证明，这种方法既可以确保安全性，又可以有效地指导一系列实验中的训练期间的探索，包括以模块化的方式学习奖励时，包括零拍传递。

在没有高保真模拟环境的情况下，学习有效的加强学习（RL）政策可以解决现实世界中的复杂任务。在大多数情况下，我们只有具有简化动力学的不完善的模拟器，这不可避免地导致RL策略学习中的SIM到巨大差距。最近出现的离线RL领域为直接从预先收集的历史数据中学习政策提供了另一种可能性。但是，为了达到合理的性能，现有的离线RL算法需要不切实际的离线数据，并具有足够的州行动空间覆盖范围进行培训。这提出了一个新问题：是否有可能通过在线RL中的不完美模拟器中的离线RL中的有限数据中的学习结合到无限制的探索，以解决两种方法的缺点？在这项研究中，我们提出了动态感知的混合离线和对线增强学习（H2O）框架，以为这个问题提供肯定的答案。 H2O引入了动态感知的政策评估方案，该方案可以自适应地惩罚Q函数在模拟的状态行动对上具有较大的动态差距，同时也允许从固定的现实世界数据集中学习。通过广泛的模拟和现实世界任务以及理论分析，我们证明了H2O与其他跨域在线和离线RL算法相对于其他跨域的表现。 H2O提供了全新的脱机脱机RL范式，该范式可能会阐明未来的RL算法设计，以解决实用的现实世界任务。

随着我们日常环境中机器人的存在越来越多，提高社交技能至关重要。尽管如此，社会机器人技术仍然面临许多挑战。一种瓶颈是，由于社会规范的强烈取决于环境，因此需要经常适应机器人行为。例如，与办公室的工人相比，机器人应更仔细地在医院的患者周围进行仔细的导航。在这项工作中，我们将元强化学习（META-RL）作为潜在解决方案进行了研究。在这里，机器人行为是通过强化学习来学习的，需要选择奖励功能，以便机器人学习适合给定环境的行为。我们建议使用一种变异元过程，该过程迅速使机器人的行为适应新的奖励功能。结果，给定一个新的环境，可以快速评估不同的奖励功能，并选择适当的奖励功能。该过程学习奖励函数的矢量表示和可以在这种表示形式下进行条件的元政策。从新的奖励函数中进行观察，该过程确定了其表示形式，并条件元元素对其进行了条件。在研究程序的功能时，我们意识到它遭受了后塌陷的困扰，在表示表示中只有一个尺寸的子集编码有用的信息，从而导致性能降低。我们的第二个贡献是径向基函数（RBF）层，部分减轻了这种负面影响。 RBF层将表示形式提升到较高的维空间，这对于元容器更容易利用。我们证明了RBF层的兴趣以及在四个机器人模拟任务上对社会机器人技术的使用元素使用。

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。

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

Safety comes first in many real-world applications involving autonomous agents. Despite a large number of reinforcement learning (RL) methods focusing on safety-critical tasks, there is still a lack of high-quality evaluation of those algorithms that adheres to safety constraints at each decision step under complex and unknown dynamics. In this paper, we revisit prior work in this scope from the perspective of state-wise safe RL and categorize them as projection-based, recovery-based, and optimization-based approaches, respectively. Furthermore, we propose Unrolling Safety Layer (USL), a joint method that combines safety optimization and safety projection. This novel technique explicitly enforces hard constraints via the deep unrolling architecture and enjoys structural advantages in navigating the trade-off between reward improvement and constraint satisfaction. To facilitate further research in this area, we reproduce related algorithms in a unified pipeline and incorporate them into SafeRL-Kit, a toolkit that provides off-the-shelf interfaces and evaluation utilities for safety-critical tasks. We then perform a comparative study of the involved algorithms on six benchmarks ranging from robotic control to autonomous driving. The empirical results provide an insight into their applicability and robustness in learning zero-cost-return policies without task-dependent handcrafting. The project page is available at https://sites.google.com/view/saferlkit.

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。

安全的加强学习（RL）旨在学习在将其部署到关键安全应用程序中之前满足某些约束的政策。以前的原始双重风格方法遭受了不稳定性问题的困扰，并且缺乏最佳保证。本文从概率推断的角度克服了问题。我们在政策学习过程中介绍了一种新颖的期望最大化方法来自然纳入约束：1）在凸优化（E-step）后，可以以封闭形式计算可证明的最佳非参数变异分布； 2）基于最佳变异分布（M-step），在信任区域内改进了策略参数。提出的算法将安全的RL问题分解为凸优化阶段和监督学习阶段，从而产生了更稳定的培训性能。对连续机器人任务进行的广泛实验表明，所提出的方法比基线获得了更好的约束满意度和更好的样品效率。该代码可在https://github.com/liuzuxin/cvpo-safe-rl上找到。

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.

安全探索对于使用风险敏感环境中的强化学习（RL）至关重要。最近的工作了解衡量违反限制概率的风险措施，然后可以使用安全性来实现安全性。然而，学习这种风险措施需要与环境的重大互动，从而在学习期间违反违规程度过多。此外，这些措施不易转移到新环境。我们将安全探索作为离线Meta RL问题，目的是利用一系列环境中的安全和不安全行为的例子，以快速将学习风险措施与以前看不见的动态的新环境。然后，我们向安全适应（MESA）提出元学习，这是一个荟萃学习安全RL的风险措施的方法。跨5个连续控制域的仿真实验表明，MESA可以从一系列不同的环境中利用脱机数据，以减少未经调整环境中的约束违规，同时保持任务性能。有关代码和补充材料，请参阅https://tinyurl.com/safe-meta-rl。

深度学习的兴起导致机器人研究中的范式转变，有利于需要大量数据的方法。在物理平台上生成这样的数据集是昂贵的。因此，最先进的方法在模拟中学习，其中数据生成快速以及廉价并随后将知识转移到真实机器人（SIM-to-Real）。尽管变得越来越真实，但所有模拟器都是基于模型的施工，因此不可避免地不完善。这提出了如何修改模拟器以促进学习机器人控制政策的问题，并克服模拟与现实之间的不匹配，通常称为“现实差距”。我们对机器人学的SIM-Teal研究提供了全面的审查，专注于名为“域随机化”的技术，这是一种从随机仿真学习的方法。

使用深层生成模型从离线演示中提取策略原始的方法已显示出有望加速增强学习（RL）的新任务。直觉上，这些方法还应该有助于培训宣传员，因为它们可以执行有用的技能。但是，我们确定这些技术没有能力用于安全政策学习的能力，因为它们忽略了负面的经历（例如，不安全或不成功），只专注于积极的经验，这会损害他们安全地将新任务推广到新任务的能力。相反，我们将LettentsAfetyConteDlecting绘制在来自许多任务的演示数据集中，包括负面经验和积极经验，对litentsafetycontastect进行了原则性的对比培训。使用此较晚变量，我们的RL框架，安全技能先验（更安全）提取了特定于任务的安全原始技能，以安全，成功地将其推广到新任务。在推论阶段，接受培训的政策学会学会将安全技能纳入成功的政策。从理论上讲，我们描述了为什么更安全的行为能够实施安全的政策学习，并证明其在受游戏操作启发的几种复杂的至关重要的机器人握把任务上，在这种情况下，Saferoutperforms成功和安全方面的最先进的原始学习方法。

在本文中，我们研究了加强学习问题的安全政策的学习。这是，我们的目标是控制我们不知道过渡概率的马尔可夫决策过程（MDP），但我们通过经验访问样品轨迹。我们将安全性定义为在操作时间内具有高概率的期望安全集中的代理。因此，我们考虑受限制的MDP，其中限制是概率。由于没有直接的方式来优化关于加强学习框架中的概率约束的政策，因此我们提出了对问题的遍历松弛。拟议的放松的优点是三倍。 （i）安全保障在集界任务的情况下保持，并且它们保持在一个给定的时间范围内，以继续进行任务。 （ii）如果政策的参数化足够丰富，则约束优化问题尽管其非凸起具有任意小的二元间隙。 （iii）可以使用标准策略梯度结果和随机近似工具容易地计算与安全学习问题相关的拉格朗日的梯度。利用这些优势，我们建立了原始双算法能够找到安全和最佳的政策。我们在连续域中的导航任务中测试所提出的方法。数值结果表明，我们的算法能够将策略动态调整到环境和所需的安全水平。

有效的探索是深度强化学习的关键挑战。几种方法，例如行为先验，能够利用离线数据，以便在复杂任务上有效加速加强学习。但是，如果手动的任务与所证明的任务过度偏离，则此类方法的有效性是有限的。在我们的工作中，我们建议从离线数据中学习功能，这些功能由更加多样化的任务共享，例如动作与定向之间的相关性。因此，我们介绍了无国有先验，该先验直接在显示的轨迹中直接建模时间一致性，并且即使在对简单任务收集的数据进行培训时，也能够在复杂的任务中推动探索。此外，我们通过从政策和行动之前的概率混合物中动态采样动作，引入了一种新颖的集成方案，用于非政策强化学习中的动作研究。我们将我们的方法与强大的基线相提并论，并提供了经验证据，表明它可以在稀疏奖励环境下的长途持续控制任务中加速加强学习。