当相互作用数据稀缺时，深厚的增强学习（RL）算法遭受了严重的性能下降，这限制了其现实世界的应用。最近，视觉表示学习已被证明是有效的，并且有望提高RL样品效率。这些方法通常依靠对比度学习和数据扩展来训练状态预测的过渡模型，这与在RL中使用模型的方式不同 - 基于价值的计划。因此，学到的模型可能无法与环境保持良好状态并产生一致的价值预测，尤其是当国家过渡不是确定性的情况下。为了解决这个问题，我们提出了一种称为价值一致表示学习（VCR）的新颖方法，以学习与决策直接相关的表示形式。更具体地说，VCR训练一个模型，以预测基于当前的状态（也称为“想象的状态”）和一系列动作。 VCR没有将这个想象中的状态与环境返回的真实状态保持一致，而是在两个状态上应用$ q $ - 价值头，并获得了两个行动值分布。然后将距离计算并最小化以迫使想象的状态产生与真实状态相似的动作值预测。我们为离散和连续的动作空间开发了上述想法的两个实现。我们对Atari 100K和DeepMind Control Suite基准测试进行实验，以验证其提高样品效率的有效性。已经证明，我们的方法实现了无搜索RL算法的新最新性能。
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We present CURL: Contrastive Unsupervised Representations for Reinforcement Learning. CURL extracts high-level features from raw pixels using contrastive learning and performs offpolicy control on top of the extracted features. CURL outperforms prior pixel-based methods, both model-based and model-free, on complex tasks in the DeepMind Control Suite and Atari Games showing 1.9x and 1.2x performance gains at the 100K environment and interaction steps benchmarks respectively. On the DeepMind Control Suite, CURL is the first image-based algorithm to nearly match the sample-efficiency of methods that use state-based features. Our code is open-sourced and available at https://www. github.com/MishaLaskin/curl.
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强化学习在许多应用中取得了巨大的成功。然而，样本效率仍然是一个关键挑战，突出的方法需要训练数百万（甚至数十亿）的环境步骤。最近，基于样本的基于图像的RL算法存在显着进展;然而，Atari游戏基准上的一致人级表现仍然是一个难以捉摸的目标。我们提出了一种在Muzero上建立了基于模式的基于模型的Visual RL算法，我们名称为高效零。我们的方法达到了194.3％的人类性能和Atari 100K基准的109.0％的中位数，只有两个小时的实时游戏体验，并且在DMControl 100k基准测试中的某些任务中优于状态萨克。这是第一次算法在atari游戏中实现超级人类性能，具有如此少的数据。高效零的性能也在2亿帧的比赛中靠近DQN的性能，而我们使用的数据减少了500倍。高效零的低样本复杂性和高性能可以使RL更接近现实世界的适用性。我们以易于理解的方式实现我们的算法，它可以在https://github.com/yewr/effionszero中获得。我们希望它将加速更广泛社区中MCT的RL算法的研究。
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We propose a simple data augmentation technique that can be applied to standard model-free reinforcement learning algorithms, enabling robust learning directly from pixels without the need for auxiliary losses or pre-training. The approach leverages input perturbations commonly used in computer vision tasks to transform input examples, as well as regularizing the value function and policy. Existing model-free approaches, such as Soft Actor-Critic (SAC) [22], are not able to train deep networks effectively from image pixels. However, the addition of our augmentation method dramatically improves SAC's performance, enabling it to reach state-of-the-art performance on the DeepMind control suite, surpassing model-based [23,38,24] methods and recently proposed contrastive learning [50]. Our approach, which we dub DrQ: Data-regularized Q, can be combined with any model-free reinforcement learning algorithm. We further demonstrate this by applying it to DQN [43] and significantly improve its data-efficiency on the Atari 100k [31] benchmark. An implementation can be found at https://sites. google.com/view/data-regularized-q.
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大多数强化学习算法都利用了经验重播缓冲液，以反复对代理商过去观察到的样本进行训练。这样可以防止灾难性的遗忘，但是仅仅对每个样本都分配了同等的重要性是一种天真的策略。在本文中，我们提出了一种根据样本可以从样本中学到多少样本确定样本优先级的方法。我们将样本的学习能力定义为随着时间的推移，与该样品相关的训练损失的稳定减少。我们开发了一种算法，以优先考虑具有较高学习能力的样本，同时将优先级较低，为那些难以学习的样本，通常是由噪声或随机性引起的。我们从经验上表明，我们的方法比随机抽样更强大，而且比仅在训练损失方面优先排序更好，即时间差损失，这是在香草优先的经验重播中使用的。
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我们研究自我监督学习（SSL）是否可以从像素中改善在线增强学习（RL）。我们扩展了对比度增强学习框架（例如卷曲），该框架共同优化了SSL和RL损失，并进行了大量的实验，并具有各种自我监督的损失。我们的观察结果表明，现有的RL的SSL框架未能在使用相同数量的数据和增强时利用图像增强来实现对基准的有意义的改进。我们进一步执行进化搜索，以找到RL的多个自我监督损失的最佳组合，但是发现即使是这种损失组合也无法有意义地超越仅利用精心设计的图像增强的方法。通常，在现有框架下使用自制损失降低了RL性能。我们在多个不同环境中评估了该方法，包括现实世界的机器人环境，并确认没有任何单一的自我监督损失或图像增强方法可以主导所有环境，并且当前的SSL和RL联合优化框架是有限的。最后，我们从经验上研究了SSL + RL的预训练框架以及使用不同方法学到的表示的特性。
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Off-policy reinforcement learning (RL) using a fixed offline dataset of logged interactions is an important consideration in real world applications. This paper studies offline RL using the DQN Replay Dataset comprising the entire replay experience of a DQN agent on 60 Atari 2600 games. We demonstrate that recent off-policy deep RL algorithms, even when trained solely on this fixed dataset, outperform the fully-trained DQN agent. To enhance generalization in the offline setting, we present Random Ensemble Mixture (REM), a robust Q-learning algorithm that enforces optimal Bellman consistency on random convex combinations of multiple Q-value estimates. Offline REM trained on the DQN Replay Dataset surpasses strong RL baselines. Ablation studies highlight the role of offline dataset size and diversity as well as the algorithm choice in our positive results. Overall, the results here present an optimistic view that robust RL algorithms used on sufficiently large and diverse offline datasets can lead to high quality policies. To provide a testbed for offline RL and reproduce our results, the DQN Replay Dataset is released at offline-rl.github.io.
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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。
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数据驱动的模型预测控制比无模型方法具有两个关键优势：通过模型学习提高样本效率的潜力，并且作为计划增加的计算预算的更好性能。但是，在漫长的视野上进行计划既昂贵又挑战，以获得准确的环境模型。在这项工作中，我们结合了无模型和基于模型的方法的优势。我们在短范围内使用学习的面向任务的潜在动力学模型进行局部轨迹优化，并使用学习的终端值函数来估计长期回报，这两者都是通过时间差异学习共同学习的。我们的TD-MPC方法比在DMCONTROL和META-WORLD的状态和基于图像的连续控制任务上实现了卓越的样本效率和渐近性能。代码和视频结果可在https://nicklashansen.github.io/td-mpc上获得。
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The deep reinforcement learning community has made several independent improvements to the DQN algorithm. However, it is unclear which of these extensions are complementary and can be fruitfully combined. This paper examines six extensions to the DQN algorithm and empirically studies their combination. Our experiments show that the combination provides state-of-the-art performance on the Atari 2600 benchmark, both in terms of data efficiency and final performance. We also provide results from a detailed ablation study that shows the contribution of each component to overall performance.
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2021-11-15
基于像素的控制的学习表示，最近在加固学习中获得了重大关注。已经提出了广泛的方法来实现高效学习，导致类似于完整状态设置中的复杂性。然而，超越仔细策划的像素数据集（以居中作物，适当的照明，清晰的背景等）仍然具有挑战性。在本文中，我们采用更困难的环境，纳入背景干扰者，作为解决这一挑战的第一步。我们提出了一种简单的基线方法，可以学习有意义的表示，没有基于度量的学习，没有数据增强，没有世界模型学习，也没有对比学习。然后，我们分析何时何种以及为什么先前提出的方法可能会失败或减少与此更难设置中的基线相同的表现，以及为什么我们应该仔细考虑扩展在井策良好环境之外的这种方法。我们的研究结果表明，基于奖励密度，问题的规划地平线，任务 - 无关组件等的规划等的粮食基准，对评估算法至关重要。基于这些观察，我们提出了在评估基准任务的算法时考虑不同的指标。我们希望在调查如何最佳地将RL应用于现实世界任务时激励研究人员对重新思考代表学习来激发研究人员。
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我们研究离线元加强学习，这是一种实用的强化学习范式，从离线数据中学习以适应新任务。离线数据的分布由行为政策和任务共同确定。现有的离线元强化学习算法无法区分这些因素，从而使任务表示不稳定，不稳定行为策略。为了解决这个问题，我们为任务表示形式提出了一个对比度学习框架，这些框架对培训和测试中行为策略的分布不匹配是可靠的。我们设计了双层编码器结构，使用相互信息最大化来形式化任务表示学习，得出对比度学习目标，并引入了几种方法以近似负面对的真实分布。对各种离线元强化学习基准的实验证明了我们方法比先前方法的优势，尤其是在对分布外行为策略的概括方面。该代码可在https://github.com/pku-ai-ged/corro中找到。
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Transformer在学习视觉和语言表示方面取得了巨大的成功，这在各种下游任务中都是一般的。在视觉控制中，可以在不同控制任务之间转移的可转移状态表示对于减少训练样本量很重要。但是，将变压器移植到样品有效的视觉控制仍然是一个具有挑战性且未解决的问题。为此，我们提出了一种新颖的控制变压器（CTRLFORMER），具有先前艺术所没有的许多吸引人的好处。首先，CTRLFORMER共同学习视觉令牌和政策令牌之间的自我注意事项机制，在不同的控制任务之间可以学习和转移多任务表示无灾难性遗忘。其次，我们仔细设计了一种对比的增强学习范式来训练Ctrlformer，从而使其能够达到高样本效率，这在控制问题中很重要。例如，在DMControl基准测试中，与最近的高级方法不同，该方法在使用100K样品转移学习后通过在“ Cartpole”任务中产生零分数而失败，CTRLFORMER可以在维持100K样本的同时获得最先进的分数先前任务的性能。代码和模型已在我们的项目主页中发布。
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深度强化学习（RL）导致了许多最近和开创性的进步。但是，这些进步通常以培训的基础体系结构的规模增加以及用于训练它们的RL算法的复杂性提高，而均以增加规模的成本。这些增长反过来又使研究人员更难迅速原型新想法或复制已发表的RL算法。为了解决这些问题，这项工作描述了ACME，这是一个用于构建新型RL算法的框架，这些框架是专门设计的，用于启用使用简单的模块化组件构建的代理，这些组件可以在各种执行范围内使用。尽管ACME的主要目标是为算法开发提供一个框架，但第二个目标是提供重要或最先进算法的简单参考实现。这些实现既是对我们的设计决策的验证，也是对RL研究中可重复性的重要贡献。在这项工作中，我们描述了ACME内部做出的主要设计决策，并提供了有关如何使用其组件来实施各种算法的进一步详细信息。我们的实验为许多常见和最先进的算法提供了基准，并显示了如何为更大且更复杂的环境扩展这些算法。这突出了ACME的主要优点之一，即它可用于实现大型，分布式的RL算法，这些算法可以以较大的尺度运行，同时仍保持该实现的固有可读性。这项工作提出了第二篇文章的版本，恰好与模块化的增加相吻合，对离线，模仿和从演示算法学习以及作为ACME的一部分实现的各种新代理。
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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.
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Learned world models summarize an agent's experience to facilitate learning complex behaviors. While learning world models from high-dimensional sensory inputs is becoming feasible through deep learning, there are many potential ways for deriving behaviors from them. We present Dreamer, a reinforcement learning agent that solves long-horizon tasks from images purely by latent imagination. We efficiently learn behaviors by propagating analytic gradients of learned state values back through trajectories imagined in the compact state space of a learned world model. On 20 challenging visual control tasks, Dreamer exceeds existing approaches in data-efficiency, computation time, and final performance.
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这项工作探讨了如何从具有深度加强学习方法的基于图像的观测中学习鲁棒和最广泛的状态表示。解决了在现有的Bisimulation度量工作中的计算复杂性，严格假设和表示崩溃挑战，我们设计了简单的状态表示（SIMSR）运算符，该操作员实现了等效功能，同时通过与Bisimulation度量进行比较来降低顺序的复杂性。SIMSR使我们能够设计一种基于随机逼近的方法，该方法几乎可以从观察到潜在表示空间的观察中学习映射函数（编码器）。除了理论分析外，我们在Visual Mujoco任务中尝试并与最近的最先进解决方案进行了实验。结果表明，我们的模型通常达到更好的性能，具有更好的鲁棒性和良好的概率。
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我们在马尔可夫决策过程的状态空间上提出了一种新的行为距离，并展示使用该距离作为塑造深度加强学习代理的学习言论的有效手段。虽然由于高计算成本和基于样本的算法缺乏缺乏样本的距离，但是，虽然现有的国家相似性通常难以在规模上学习，但我们的新距离解决了这两个问题。除了提供详细的理论分析外，我们还提供了学习该距离的经验证据，与价值函数产生的结构化和信息化表示，包括对街机学习环境基准的强劲结果。
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从像素中学习控制很难进行加固学习（RL）代理，因为表示和政策学习是交织在一起的。以前的方法通过辅助表示任务来解决这个问题，但他们要么不考虑问题的时间方面，要么仅考虑单步过渡。取而代之的是，我们提出了层次结构$ k $ -Step Letent（HKSL），这是一项辅助任务，通过向前模型的层次结构来学习表示形式，该层次结构以不同的步骤跳过的不同幅度运行，同时也学习在层次结构中的级别之间进行交流。我们在30个机器人控制任务的套件中评估了HKSL，发现HKSL要么比几个当前基线更快地达到更高的发作回报或收敛到最高性能。此外，我们发现，HKSL层次结构中的水平可以学会专注于代理行动的长期或短期后果，从而为下游控制政策提供更有信息的表示。最后，我们确定层次结构级别之间的通信渠道基于通信过程的两侧组织信息，从而提高了样本效率。
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自成立以来，建立在广泛任务中表现出色的普通代理的任务一直是强化学习的重要目标。这个问题一直是对Alarge工作体系的研究的主题，并且经常通过观察Atari 57基准中包含的广泛范围环境的分数来衡量的性能。 Agent57是所有57场比赛中第一个超过人类基准的代理商，但这是以数据效率差的代价，需要实现近800亿帧的经验。以Agent57为起点，我们采用了各种各样的形式，以降低超过人类基线所需的经验200倍。在减少数据制度和Propose有效的解决方案时，我们遇到了一系列不稳定性和瓶颈，以构建更强大，更有效的代理。我们还使用诸如Muesli和Muzero之类的高性能方法证明了竞争性的性能。 TOOUR方法的四个关键组成部分是（1）近似信任区域方法，该方法可以从TheOnline网络中稳定引导，（2）损失和优先级的归一化方案，在学习具有广泛量表的一组值函数时，可以提高鲁棒性， （3）改进的体系结构采用了NFNET的技术技术来利用更深的网络而无需标准化层，并且（4）政策蒸馏方法可使瞬时贪婪的策略加班。
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