最近的工作发现了经典的加固学习算法，贝叶斯过滤和主动推断之间的紧密联系，这使我们可以从贝叶斯后期来理解价值功能。一种替代方案但较少探索的无模型RL算法是后继表示，它以预期未来状态占领的后继矩阵来表达价值函数。在本文中，我们根据贝叶斯过滤得出了对后继表示的概率解释，从而设计了一种新型的主动推理代理体系结构，利用后继表示而不是基于模型的计划。我们证明，积极推理后继表示在计划范围和计算成本方面，与当前主动推理代理相比具有显着优势。此外，我们演示了继任代理如何推广到改变奖励功能（例如预期自由能的变体）。

主动推断是建模生物学和人造药物的行为的概率框架，该框架源于最小化自由能的原理。近年来，该框架已成功地应用于各种情况下，其目标是最大程度地提高奖励，提供可比性，有时甚至是卓越的性能与替代方法。在本文中，我们通过演示如何以及何时进行主动推理代理执行最佳奖励的动作来阐明奖励最大化和主动推断之间的联系。确切地说，我们展示了主动推理为Bellman方程提供最佳解决方案的条件 - 这种公式是基于模型的增强学习和控制的几种方法。在部分观察到的马尔可夫决策过程中，标准的主动推理方案可以为计划视野1的最佳动作产生最佳动作，但不能超越。相比之下，最近开发的递归活跃推理方案（复杂的推理）可以在任何有限的颞范围内产生最佳作用。我们通过讨论主动推理和强化学习之间更广泛的关系来补充分析。

有效计划的能力对于生物体和人造系统都是至关重要的。在认知神经科学和人工智能（AI）中广泛研究了基于模型的计划和假期，但是从不同的角度来看，以及难以调和的考虑（生物现实主义与可伸缩性）的不同意见（生物现实主义与可伸缩性）。在这里，我们介绍了一种新颖的方法来计划大型POMDP（Active Tree search（ACT）），该方法结合了神经科学中领先的计划理论的规范性特征和生物学现实主义（主动推论）和树木搜索方法的可扩展性AI。这种统一对两种方法都是有益的。一方面，使用树搜索可以使生物学接地的第一原理，主动推断的方法可应用于大规模问题。另一方面，主动推理为探索 - 开发困境提供了一种原则性的解决方案，该解决方案通常在树搜索方法中以启发性解决。我们的模拟表明，ACT成功地浏览了对基于抽样的方法，需要自适应探索的问题以及大型POMDP问题“ RockSample”的二进制树，其中ACT近似于最新的POMDP解决方案。此外，我们说明了如何使用ACT来模拟人类和其他解决大型计划问题的人类和其他动物的神经生理反应（例如，在海马和前额叶皮层）。这些数值分析表明，主动树搜索是神经科学和AI计划理论的原则性实现，既具有生物现实主义和可扩展性。

积极推断是复杂系统中的认知和行为的叙述，它在贝叶斯推论的理论地幔下举起动作，感知和学习。积极的推论已经看到学术研究中的应用越来越多，特别是在寻求模拟人类或动物行为的领域。虽然近年来，来自有效推理文献产生的一些代码已经用Python和Julia这样的开源语言编写，迄今为止，用于模拟活动推理代理的最流行的软件是SPM，Matlab库的DEM工具箱最初开发用于神经影像数据的统计分析和建模。因此，在纯粹的数字和科学学科的应用程序方面，表现出对积极推断的兴趣，因此为在开源科学计算语言中模拟了激活推论的通用，广泛可用的和用户友好的代码，这一切都表现为纯粹的数字以及跨科学学科的应用程序。像python。我们在这里呈现的Python包，Pymdp（参见https://github.com/fifer-active/pymdp）表示朝这个方向的重要一步：即，我们提供了用于模拟有源推断的第一个开源包，部分 - 可观察的马尔可夫决策过程或POMDPS。我们查看包的结构，并解释了模块化设计和定制等优点，同时提供沿着文本代码块，以便演示如何使用它以轻松地构建和运行主动推断过程。我们开发了PyMDP，以增加有效推理框架的可访问性和暴露于有多种纪律背景的研究人员，工程师和开发人员。本着开源软件的精神，我们也希望它在不断增长的积极推理界中产生新的创新，发展和合作。

Reinforcement learning (RL) gained considerable attention by creating decision-making agents that maximize rewards received from fully observable environments. However, many real-world problems are partially or noisily observable by nature, where agents do not receive the true and complete state of the environment. Such problems are formulated as partially observable Markov decision processes (POMDPs). Some studies applied RL to POMDPs by recalling previous decisions and observations or inferring the true state of the environment from received observations. Nevertheless, aggregating observations and decisions over time is impractical for environments with high-dimensional continuous state and action spaces. Moreover, so-called inference-based RL approaches require large number of samples to perform well since agents eschew uncertainty in the inferred state for the decision-making. Active inference is a framework that is naturally formulated in POMDPs and directs agents to select decisions by minimising expected free energy (EFE). This supplies reward-maximising (exploitative) behaviour in RL, with an information-seeking (exploratory) behaviour. Despite this exploratory behaviour of active inference, its usage is limited to discrete state and action spaces due to the computational difficulty of the EFE. We propose a unified principle for joint information-seeking and reward maximization that clarifies a theoretical connection between active inference and RL, unifies active inference and RL, and overcomes their aforementioned limitations. Our findings are supported by strong theoretical analysis. The proposed framework's superior exploration property is also validated by experimental results on partial observable tasks with high-dimensional continuous state and action spaces. Moreover, the results show that our model solves reward-free problems, making task reward design optional.

自由能原理及其必然的积极推论构成了一种生物启发的理论，该理论假设生物学作用保留在一个受限制的世界首选状态中，即它们最小化自由能。根据这一原则，生物学家学习了世界的生成模型和未来的计划行动，该模型将使代理保持稳态状态，以满足其偏好。该框架使自己在计算机中实现，因为它理解了使其计算负担得起的重要方面，例如变异推断和摊销计划。在这项工作中，我们研究了深度学习的工具，以设计和实现基于主动推断的人造代理，对自由能原理进行深入学习的呈现，调查工作与机器学习和主动推理领域相关，以及讨论实施过程中涉及的设计选择。该手稿探究了积极推理框架的新观点，将其理论方面扎根于更务实的事务中，为活跃推理的新手提供了实用指南，并为深度学习从业人员的起点提供了研究，以调查自由能源原则的实施。

有源推断可以被定义为具有生物可粘合模型的脑的贝叶斯建模。其主要思想依赖于自由能原理和药剂的优先偏好。代理人将选择一个导致其前后偏好的行动，以便将来的观察结果。在本文中，我们声称可以使用强化学习（RL）算法来解释有源推断，并在它们之间找到理论连接。我们扩展了预期的自由能量（EFE）的概念，这是有源推理的核心量，并要求EFE可以被视为负值函数。通过前后偏好的概念和理论连接的概念，我们提出了一种简单但新的方法来学习从专家的先前偏好。这说明可以通过有源推断的新视角来接近逆R1的问题。先前偏好学习的实验结果表明，基于EFE的奖励和应用于反向RL问题的可能性。

我们提出了连续表示的时间扩展变化，我们称其为t-SR。 T-SR通过在原始动作重复序列上构造后继表示，捕获了时间扩展动作的预期状态过渡动力学。这种时间抽象的这种形式不能学习相关任务结构的自上而下的层次结构，而是对耦合动作和动作重复的自下而上的组成。这减少了在没有学习层次政策的情况下控制中所需的决策数量。因此，T-SR直接考虑了时间扩展的动作序列的时间范围，而无需预定义或域特异性选项。我们表明，在具有动态奖励结构的环境中，T-SR能够利用后继表示的灵活性和时间扩展的动作提供的抽象。因此，在一系列稀疏的网格世界环境中，T-SR最佳地适应策略远比基于可比的无模型的强化学习方法快得多。我们还表明，T-SR学到的解决这些任务的方式要求学习的策略的始终如一的频率比非临时扩展的策略少。

In reinforcement learning the Q-values summarize the expected future rewards that the agent will attain. However, they cannot capture the epistemic uncertainty about those rewards. In this work we derive a new Bellman operator with associated fixed point we call the `knowledge values'. These K-values compress both the expected future rewards and the epistemic uncertainty into a single value, so that high uncertainty, high reward, or both, can yield high K-values. The key principle is to endow the agent with a risk-seeking utility function that is carefully tuned to balance exploration and exploitation. When the agent follows a Boltzmann policy over the K-values it yields a Bayes regret bound of $\tilde O(L \sqrt{S A T})$, where $L$ is the time horizon, $S$ is the total number of states, $A$ is the number of actions, and $T$ is the number of elapsed timesteps. We show deep connections of this approach to the soft-max and maximum-entropy strands of research in reinforcement learning.

分布式多智能经纪增强学习（Marl）算法最近引起了兴趣激增，主要是由于深神经网络（DNN）的最新进步。由于利用固定奖励模型来学习基础值函数，传统的基于模型（MB）或无模型（MF）RL算法不可直接适用于MARL问题。虽然涉及单一代理时，基于DNN的解决方案完全良好地表现出，但是这种方法无法完全推广到MARL问题的复杂性。换句话说，尽管最近的基于DNN的DNN用于多种子体环境的方法取得了卓越的性能，但它们仍然容易出现过度，对参数选择的高敏感性，以及样本低效率。本文提出了多代理自适应Kalman时间差（MAK-TD）框架及其继任者表示的基于代表的变体，称为MAK-SR。直观地说，主要目标是利用卡尔曼滤波（KF）的独特特征，如不确定性建模和在线二阶学习。提议的MAK-TD / SR框架考虑了与高维多算法环境相关联的动作空间的连续性，并利用卡尔曼时间差（KTD）来解决参数不确定性。通过利用KTD框架，SR学习过程被建模到过滤问题，其中径向基函数（RBF）估计器用于将连续空间编码为特征向量。另一方面，对于学习本地化奖励功能，我们求助于多种模型自适应估计（MMAE），处理缺乏关于观察噪声协方差和观察映射功能的先前知识。拟议的MAK-TD / SR框架通过多个实验进行评估，该实验通过Openai Gym Marl基准实施。

While reinforcement learning algorithms provide automated acquisition of optimal policies, practical application of such methods requires a number of design decisions, such as manually designing reward functions that not only define the task, but also provide sufficient shaping to accomplish it. In this paper, we view reinforcement learning as inferring policies that achieve desired outcomes, rather than as a problem of maximizing rewards. To solve this inference problem, we establish a novel variational inference formulation that allows us to derive a well-shaped reward function which can be learned directly from environment interactions. From the corresponding variational objective, we also derive a new probabilistic Bellman backup operator and use it to develop an off-policy algorithm to solve goal-directed tasks. We empirically demonstrate that this method eliminates the need to hand-craft reward functions for a suite of diverse manipulation and locomotion tasks and leads to effective goal-directed behaviors.

在RL的许多实际应用中，观察来自环境的状态过渡是昂贵的。例如，在核聚变的等离子体控制问题中，计算给定的状态对对的下一个状态需要查询昂贵的过渡功能，这可以导致许多小时的计算机模拟或美元科学研究。这种昂贵的数据收集禁止应用标准RL算法，该算法通常需要大量观察来学习。在这项工作中，我们解决了有效地学习策略的问题，同时为转换函数进行最小数量的状态动作查询。特别是，我们利用贝叶斯最优实验设计的想法，以指导选择国家行动查询以获得高效学习。我们提出了一种采集功能，该函数量化了状态动作对将提供多少信息对Markov决策过程提供的最佳解决方案。在每次迭代时，我们的算法最大限度地提高了该采集功能，选择要查询的最具信息性的状态动作对，从而产生数据有效的RL方法。我们试验各种模拟的连续控制问题，并显示我们的方法学习最佳政策，最高$ 5 $ - $ 1,000 \倍的数据，而不是基于模型的RL基线，10 ^ 3美元 - $ 10 ^ 5 \ times比无模型RL基线更少的数据。我们还提供了几种消融比较，这指出了从获得数据的原理方法产生的大量改进。

有效推论是一种数学框架，它起源于计算神经科学，作为大脑如何实现动作，感知和学习的理论。最近，已被证明是在不确定性下存在国家估算和控制问题的有希望的方法，以及一般的机器人和人工代理人的目标驱动行为的基础。在这里，我们审查了最先进的理论和对国家估计，控制，规划和学习的积极推断的实现;描述当前的成就，特别关注机器人。我们展示了相关实验，以适应，泛化和稳健性而言说明其潜力。此外，我们将这种方法与其他框架联系起来，并讨论其预期的利益和挑战：使用变分贝叶斯推理具有功能生物合理性的统一框架。

探索开发权衡是在从机器学习，生物学到经济学的田地中的自适应行为描述的核心。虽然已经采取了许多方法，但解决了这笔权衡的一种方法已经装备或建议代理商拥有内在的“探索性驱动”，其经常在最大化关于世界的代理信息增益方面实施 - 一种方法 - 这一方法已广泛研究机器学习和认知科学。在本文中，我们在数学上调查这种方法的性质和意义，并证明了这种效用最大化和信息寻求行为的组合产生了我们称之为偏见目标的完全差异目标的最小化。我们提出了在\ EMPH {证据}目标之间的自适应行为潜在的目标职能的二分法，这与文献中的知名奖励或效用最大化目标最大化，而不是寻求最小化差异的目标代理人的预期和期望的期货，并争辩说，这一新的分歧目标可以为对自适应和智能行动的探索性成分进行更加丰富的理解，以超越简单的贪婪效用最大化。

积极推论是一种统一的感知和行动理论，依赖于通过最小化自由能量来维持世界的内部模型。从行为的角度来看，有效推论代理商可以被视为自我证明的生命，以满足他们的乐观预测，即优选的结果或目标。相比之下，加固学习需要人工设计的奖励来完成任何期望的结果。尽管有效推理可以提供更自然的自我监控目标的控制，但其适用性因其在复杂环境中缩放方法的缺点而受到限制。在这项工作中，我们提出了对比主动推断的对比目标，这强烈降低了学习代理商的生成模式和规划未来行动的计算负担。我们的方法在基于图像的任务中的基于似的主动推断的情况下表现出显着优于基于似的主动推断，同时也是计算地更便宜，更容易训练。我们与能够获得人类设计奖励功能的加强学习代理，表明我们的方法与其表现完全符合。最后，我们还表明，在环境中的牵引力的情况下，对比方法显着更好地表现出明显更好，并且我们的方法能够将目标概括为背景中的变化。

动物和人工代理商都受益于支持跨任务的快速学习的国家表示，使他们能够有效地遍历其环境以获得奖励状态。在固定政策下衡量预期累积，贴现国家占用的后续代表（SR），可以在否则的马尔可维亚环境中有效地转移到不同的奖励结构，并假设生物行为和神经活动的基础方面。然而，在现实世界中，奖励可能会移动或仅用于消费一次，可能只是将位置或者代理可以简单地旨在尽可能快地到达目标状态，而不会产生人工强加的任务视野的约束。在这种情况下，最具行为相关的代表将携带有关代理人可能首先达到兴趣国的信息的信息，而不是在可能的无限时间跨度访问它们的频率。为了反映此类需求，我们介绍了第一次占用代表（FR），该代表（FR），该代表（FR）衡量预期的时间折扣首次访问状态。我们证明FR有助于探索，选择有效的路径到所需状态，允许代理在某些条件下规划由一系列子板定义的可透明的最佳轨迹，并引起避免威胁刺激的动物类似的行为。

我们介绍了一种改进政策改进的方法，该方法在基于价值的强化学习（RL）的贪婪方法与基于模型的RL的典型计划方法之间进行了插值。新方法建立在几何视野模型（GHM，也称为伽马模型）的概念上，该模型对给定策略的折现状态验证分布进行了建模。我们表明，我们可以通过仔细的基本策略GHM的仔细组成，而无需任何其他学习，可以评估任何非马尔科夫策略，以固定的概率在一组基本马尔可夫策略之间切换。然后，我们可以将广义政策改进（GPI）应用于此类非马尔科夫政策的收集，以获得新的马尔可夫政策，通常将其表现优于其先驱。我们对这种方法提供了彻底的理论分析，开发了转移和标准RL的应用，并在经验上证明了其对标准GPI的有效性，对充满挑战的深度RL连续控制任务。我们还提供了GHM培训方法的分析，证明了关于先前提出的方法的新型收敛结果，并显示了如何在深度RL设置中稳定训练这些模型。

在本文中，我们提出了一种新的马尔可夫决策过程学习分层表示的方法。我们的方法通过将状态空间划分为子集，并定义用于在分区之间执行转换的子任务。我们制定将状态空间作为优化问题分区的问题，该优化问题可以使用梯度下降给出一组采样的轨迹来解决，使我们的方法适用于大状态空间的高维问题。我们经验验证方法，通过表示它可以成功地在导航域中成功学习有用的分层表示。一旦了解到，分层表示可以用于解决给定域中的不同任务，从而概括跨任务的知识。

在这项工作中，我们提出了一种初步调查一种名为DYNA-T的新算法。在钢筋学习（RL）中，规划代理有自己的环境表示作为模型。要发现与环境互动的最佳政策，代理商会收集试验和错误时尚的经验。经验可用于学习更好的模型或直接改进价值函数和政策。通常是分离的，Dyna-Q是一种混合方法，在每次迭代，利用真实体验更新模型以及值函数，同时使用模拟数据从其模型中的应用程序进行行动。然而，规划过程是计算昂贵的并且强烈取决于国家行动空间的维度。我们建议在模拟体验上构建一个上置信树（UCT），并在在线学习过程中搜索要选择的最佳动作。我们证明了我们提出的方法对来自Open AI的三个测试平台环境的一系列初步测试的有效性。与Dyna-Q相比，Dyna-T通过选择更强大的动作选择策略来优于随机环境中的最先进的RL代理。

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。