苏黎世联邦理工学院与加州大学伯克利分校推出MaxInfoRL:平衡内在与外在探索的全新强化学习框架

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强化学习(Reinforcement Learning, RL)凭借在多个领域的广泛应用备受瞩目,但仍面临一些难以忽视的核心难题,制约了其潜力的全面释放。当前主流算法如PPO 往往存在样本效率低下 的问题------学习简单动作需要大量训练数据。而SACDrQ离线策略(Off-Policy)方法在一定程度上缓解了这一问题,具有较高的计算效率并在实际应用中表现稳定。然而,这些方法对稠密奖励信号 依赖较大,一旦面临稀疏奖励或局部最优情况,其性能将显著下降。这种次优表现大多源于较为基础的ε-greedyBoltzmann探索策略。尽管如此,这些算法的可扩展性和实现简便性,使得用户在一定程度上愿意接受性能上的妥协。

内在探索:强化学习的新希望

近年来,内在探索(Intrinsic Exploration)作为一种突破现有局限的新思路,展现出了巨大潜力。通过引入信息增益好奇心奖励 等内在奖励信号,RL智能体能够在未探索的区域中更高效地进行探索。一些旨在最大化信息增益的研究已在理论和实验上达到了SOTA(State-of-the-Art)水平。然而,如何在内在奖励外在奖励之间找到合理的平衡,仍是一个难题。

最近,来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)与加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的研究团队提出了MAXINFORL ,一个全新的离线策略无模型(Off-policy Model-Free)算法框架,旨在通过定向探索改进传统的Boltzmann探索策略,并在内在奖励的引导下高效完成任务。


MAXINFORL:突破探索与奖励的平衡困境

MAXINFORL 通过增强标准的Boltzmann探索策略,将信息增益作为内在奖励信号引入到RL训练中。具体来说,该算法:

  1. 优化探索策略:利用内在奖励信号引导智能体向未探索的状态-动作区域前进。
  2. 自动调优机制 :引入一种实用的自适应调优过程,简化了探索与奖励之间的权衡。
  3. 双重探索奖励 :在探索过程中引入了策略熵信息增益两个奖励信号,确保在最大化任务奖励的同时,最大化状态、奖励和动作的熵。

MAXINFORL不仅在理论上保留了SAC等最大熵RL算法的收敛性和收缩性特性,还在实践中显著提升了探索效率与任务完成速度。


信息增益与内在奖励回顾

信息增益(Information Gain)是内在奖励中的重要一环,它能够指导RL智能体以更系统的方式获取信息,而非依赖随机采样。在MAXINFORL中,信息增益被用来引导智能体进行更有针对性的探索,而非盲目地覆盖状态-动作空间。

  • ε--MAXINFORL :对ε-greedy选择机制进行了改进,将内在奖励和外在奖励统一到最优Q函数中进行学习,从而在探索与奖励之间找到平衡。
  • 探索奖励双重机制 :在强化学习策略中同时引入信息增益策略熵,实现更高效的策略学习和任务完成。

实验评估:性能全面超越基线

研究团队在多种深度强化学习基准任务中对MAXINFORL进行了全面评估:

  • 状态控制任务:与SAC算法结合使用。
  • 视觉控制任务:与DrQ算法结合使用。

结果显示:

  1. 性能稳定性:MAXINFORLSAC在所有任务中表现稳定,而其他基线算法在复杂任务中表现明显下滑。
  2. 探索效率:在需要复杂探索的环境中,MAXINFORL始终保持最佳性能,显著提升了训练速度和样本效率。
  3. 视觉任务表现:在视觉控制任务中,MAXINFORL带来了显著的性能提升,尤其在稀疏奖励环境中表现尤为突出。

结论与展望

MAXINFORL 作为一种全新的强化学习算法框架,通过将内在奖励外在奖励 有机结合,显著改进了传统离线策略的探索机制。尽管该算法在多个基准任务中取得了领先表现,但由于需要训练多个模型,计算开销较大,这一点可能在实际部署中带来一定挑战。

然而,MAXINFORL无疑为强化学习领域开辟了一条新的探索路径,为解决样本效率低稀疏奖励适应性差等核心难题提供了有力的工具。随着计算硬件的持续进步和算法架构的进一步优化,MAXINFORL或将成为下一代强化学习技术的重要基石。

https://arxiv.org/abs/2412.12098

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