強化學(xué)習(xí)環(huán)境研究，智能體玩游戲為什么厲害

強化學(xué)習(xí)作為一種常用的訓(xùn)練智能體的方法，能夠完成很多復(fù)雜的任務(wù)。在強化學(xué)習(xí)中，智能體的策略是通過將獎勵函數(shù)最大化訓(xùn)練的。獎勵在智能體之外，各個環(huán)境中的獎勵各不相同。深度學(xué)習(xí)的成功大多是有密集并且有效的獎勵函數(shù)，例如電子游戲中不斷增加的“分?jǐn)?shù)”。然而，設(shè)計一個良好的獎勵函數(shù)需要付出大量精力。另一種方法是生成內(nèi)部獎勵，即由智能體自身生成的獎勵。內(nèi)部獎勵包括“好奇心”（把預(yù)測錯誤當(dāng)做獎勵信號）和“訪問數(shù)目”（不鼓勵智能體訪問同樣的狀態(tài)）。這些內(nèi)部獎勵正是為了填補稀疏的外部獎勵之間的空白。

但是，如果某個場景沒有任何外部獎勵怎么辦？這并不奇怪。發(fā)展心理學(xué)認(rèn)為，內(nèi)部獎勵（例如好奇心）是發(fā)展早期的重要驅(qū)動力：嬰兒在探索世界時并不會帶有過多的目的。的確，有證據(jù)表明，在某一環(huán)境中只用內(nèi)部獎勵對智能體進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練可以讓它們在新環(huán)境、新任務(wù)中調(diào)整得更快。但目前為止，目前還沒有系統(tǒng)的針對完全內(nèi)部獎勵學(xué)習(xí)的研究。

在這篇論文中，我們對各類模擬環(huán)境中智能體的內(nèi)部獎勵進(jìn)行了大規(guī)模實證研究。特別是我們選擇了Pathak等人提出的動態(tài)好奇心模型中的內(nèi)部獎勵，因為它可擴(kuò)展，并且可并行計算，可以說是大型試驗的理想工具。研究的核心是給定智能體當(dāng)前的狀態(tài)，觀察內(nèi)部獎勵會在預(yù)測下一個動作時出現(xiàn)哪些錯誤。在研究中我們一共調(diào)查了54種環(huán)境：包括電子游戲，物理引擎模擬和虛擬3D導(dǎo)航任務(wù)。如圖1：

圖1

為了更好地理解好奇心驅(qū)動的學(xué)習(xí)，我們接著研究了決定其表現(xiàn)的關(guān)鍵因素。在高維原始觀察空間中（例如圖像）對未來狀態(tài)做預(yù)測是非常有挑戰(zhàn)性的工作，而且最近的研究表明，在輔助特征空間中的動態(tài)學(xué)習(xí)有助于提升結(jié)果。不過，如何選擇這樣的嵌入空間非常重要，目前還沒有確切的結(jié)論。經(jīng)過系統(tǒng)的研究，我們檢查了對智能體觀察的不同編碼方法有何作用。為了保證訓(xùn)練的穩(wěn)定性，我們需要選擇好的特征空間，一個好的特征空間可以讓預(yù)測更容易，并且過濾掉與觀察環(huán)境無關(guān)的因素。但是對好奇心驅(qū)動的特征空間來說，都需要有哪些特征呢？

緊湊：在較低維度并且過濾掉與觀察空間不相關(guān)的部分之后，特征會更容易建模。

高效：特征應(yīng)該包含所有重要的信息。否則，智能體在探索到相關(guān)信息后不會得到獎勵。

穩(wěn)定：非靜態(tài)獎勵讓強化智能體學(xué)習(xí)起來有了難度。在基于動態(tài)的好奇心驅(qū)動環(huán)境中，非靜態(tài)的來源有兩個：前動態(tài)模型隨著時間不短發(fā)展，因為它在訓(xùn)練時特征也在發(fā)生變化。前者是內(nèi)部的，而后者應(yīng)該盡量減小。

我們發(fā)現(xiàn)，在很多流行的強化學(xué)習(xí)中，用隨機網(wǎng)絡(luò)對觀察內(nèi)容編碼是非常簡單且高效的技術(shù)。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)雖然隨機特征可以在訓(xùn)練中表現(xiàn)良好，但是學(xué)習(xí)過的特征似乎比它更好。

除此之外，我們發(fā)現(xiàn)重要的一點是，游戲會將“done”作為結(jié)束的信號。如果沒有這一結(jié)束信號，很多雅達(dá)利游戲就變得很容易。例如，如果智能體活著，那么每一步的獎勵就是+1，如果死了就是0。比方在“打磚塊”游戲里，智能體要盡可能“活”得長一點，保持較高分?jǐn)?shù)。如果得到了負(fù)獎勵，智能體會盡可能快速結(jié)束游戲。

知道了這一點，我們在研究時就不應(yīng)該對智能體抱有偏見。在有限的設(shè)置中，避免死亡只是智能體的另一種應(yīng)對方式，它只是為了不那么無聊。所以我們刪除了“done”，將智能體的得分與死亡信號分離開。實際上，我們的確發(fā)現(xiàn)，智能體在游戲中避免死亡是因為從游戲開頭總能遇到很多重復(fù)場景，它們已經(jīng)能很好地預(yù)測下一步動作了，所以智能體會盡可能保持“生存”。這一發(fā)現(xiàn)在此前是被忽略的。

實驗

對48種雅達(dá)利環(huán)境進(jìn)行分析的主要目的有三：

在沒有外部獎勵的游戲中，運行一個完全靠好奇心驅(qū)動的智能體時究竟發(fā)生了什么？

你能讓智能體做出哪些行為？

這些行為中，不同的特征學(xué)習(xí)變量有哪些影響？

為了回答這些問題，我們從一系列雅達(dá)利游戲開始。一種檢驗完全使用好奇心的智能體表現(xiàn)得如何的方法是看它能獲得多少外部獎勵。我們最終得到了8種游戲的平均外部獎勵分?jǐn)?shù)（除去最右的馬里奧）：

可以看出，大多數(shù)曲線都呈上升趨勢，這說明一個完全靠好奇心驅(qū)動的智能體可以通過學(xué)習(xí)獲得外部獎勵，即使沒有在訓(xùn)練時運用外部獎勵。

除此之外，我們還在上圖中比較了馬里奧兄弟不同的特征學(xué)習(xí)表現(xiàn)。更多實驗結(jié)果請查看原論文的附錄。

討論

在這項研究中，我們對好奇心驅(qū)動的強化學(xué)習(xí)環(huán)境做了大量研究，包括雅達(dá)利游戲、超級瑪麗兄弟、虛擬3D、多人乒乓球等。其中對多種不同的特征空間進(jìn)行了調(diào)查，包括隨機特征、像素、逆向動力學(xué)以及自動編碼器，并且評估了它們對陌生環(huán)境的泛化能力。

我們證明，經(jīng)過訓(xùn)練的智能體可以靠好奇心獎勵學(xué)習(xí)到有用的行為，它們可以不用獎勵玩雅達(dá)利游戲；馬里奧可以在沒有獎勵的情況下過11關(guān)；可以生成行走和玩雜技的動作；在雙人對戰(zhàn)的乒乓球游戲中可以生成對打模式。但是這也不總是成立的，在某些雅達(dá)利游戲中，它們的探索與外部獎勵不符。

另外，這一結(jié)果也證明了，在由人類設(shè)計的環(huán)境中，外部獎勵的目的可能是讓目標(biāo)物體進(jìn)行創(chuàng)新。游戲設(shè)計者創(chuàng)建的環(huán)境正是為了引導(dǎo)用戶。

但是，這里存在一個比較嚴(yán)肅的潛在限制是處理隨機動態(tài)，如果環(huán)境的轉(zhuǎn)換是隨機的，那么即使有一個完美的動態(tài)模型，獎勵也會成為過渡熵，智能體將會尋找熵值較高的過渡轉(zhuǎn)換。即使環(huán)境不是完全隨機的，不了學(xué)習(xí)算法造成的不可預(yù)測性、不良模型類別或局部觀察也會導(dǎo)致同樣問題。

未來，我們將證明我們可以利用無標(biāo)簽的環(huán)境來提高任務(wù)的性能。