可解釋的 Hamilton-Jacobi 可達性導引的擾動實現強健策略學習

核心概念

本文提出一種新的強健策略學習框架 HJARL,結合模型基礎的 Hamilton-Jacobi 可達性分析與對抗強化學習,生成可解釋的最壞情況或接近最壞情況的擾動,以提高策略的強健性,無需外部黑箱對抗者。

摘要

本文提出了一種新的強健策略學習框架 HJARL,結合了模型基礎的 Hamilton-Jacobi (HJ) 可達性分析與對抗強化學習。在離線階段,HJARL 計算了不同擾動水平下的 HJ 值函數,構建了一個值函數緩存。在在線訓練階段,HJARL 從值函數緩存中採樣,生成可解釋的最壞情況或接近最壞情況的擾動,用於對抗策略訓練,以提高策略的強健性。

HJARL 在兩個模擬任務和一個實際機器人實驗中進行了評估。在一對一的抓捕-逃避遊戲中,HJARL 學習的強健策略與 HJ 值函數高度一致,並在其他基準方法中表現出色。在高維四旋翼穩定任務中,HJARL 也達到了與其他強健對抗強化學習方法相當的性能。在實際的一對一抓捕-逃避遊戲中,HJARL 表現出更強的強健性。

總的來說,HJARL 提供了一種新穎的強健策略學習方法,通過利用 HJ 可達性分析生成可解釋的擾動,在保持強健性的同時,也提供了更好的可解釋性。

統計資料

在一對一抓捕-逃避遊戲中,HJARL 的捕捉率為 85.7%,優於 RARL 的 57.1% 和 RAP 的 71.4%。
在四旋翼穩定任務中,HJARL 在三種不同擾動環境下的平均步數分別為 901、677 和 638,與其他基準方法相當。

引述

"HJARL 提供了一種新穎的強健策略學習方法,通過利用 HJ 可達性分析生成可解釋的擾動,在保持強健性的同時,也提供了更好的可解釋性。"
"HJARL 在一對一抓捕-逃避遊戲中表現出更強的強健性,捕捉率達到 85.7%,優於其他基準方法。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Learning Robust Policies via Interpretable Hamilton-Jacobi Reachability-Guided Disturbances

by Hanyang Hu, ... 於 arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.19746.pdf

深入探究

如何將 HJARL 擴展到更高維的動態系統,同時保持可解釋性和強健性?

要將 HJARL 擴展到更高維的動態系統，同時保持可解釋性和強健性，可以考慮以下幾個策略：

維度約簡技術：利用維度約簡技術來降低狀態空間的維度，專注於與任務相關的關鍵狀態變量。這可以通過主成分分析（PCA）或自編碼器等方法來實現，從而在不損失重要信息的情況下簡化問題。

分層模型：採用分層模型來處理高維系統。將高維系統分解為多個低維子系統，並針對每個子系統進行 HJ reachability 分析。這樣可以在保持可解釋性的同時，減少計算複雜度。

增強學習與模型基礎方法的結合：結合增強學習和模型基礎的方法，利用 HJ reachability 分析生成的可解釋擾動來指導策略學習。這樣可以在高維空間中保持對擾動的可解釋性，並提高策略的穩健性。

使用神經網絡近似 HJ 值函數：在高維系統中，利用深度學習技術來近似 HJ 值函數。這可以通過訓練神經網絡來學習 HJ 值函數的特徵，從而在高維空間中進行有效的擾動生成。

逐步增強擾動強度：在訓練過程中，逐步增加擾動的強度，以避免在初始階段出現過強的對抗者。這可以通過設計一個平滑的學習曲線來實現，確保模型在面對擾動時能夠逐步適應。

如何設計一種更加穩定和高效的對抗訓練方法,以避免過強對抗者在初始階段的影響?

為了設計一種更加穩定和高效的對抗訓練方法，可以考慮以下幾個方面：

漸進式對抗訓練：在訓練初期，使用較弱的對抗者來進行訓練，隨著訓練的進展，逐漸增加對抗者的強度。這樣可以避免模型在初始階段受到過強對抗者的影響，從而提高訓練的穩定性。

動態調整對抗者策略：根據訓練過程中的模型表現，動態調整對抗者的策略。當模型表現良好時，可以增加對抗者的強度；而當模型表現不佳時，則降低對抗者的強度，以保持訓練的穩定性。

多樣化對抗者生成：使用多個不同的對抗者策略進行訓練，而不是依賴單一的對抗者。這樣可以增加訓練的多樣性，減少模型對特定對抗者的過擬合，從而提高穩定性。

使用正則化技術：在訓練過程中引入正則化技術，以防止模型過擬合於特定的對抗者策略。這可以通過添加懲罰項來實現，促使模型學習更具泛化能力的策略。

基於值函數的對抗者生成：利用 HJ 值函數生成的擾動作為對抗者，這樣可以確保生成的擾動在物理上是可行的，並且具有可解釋性，從而提高訓練的穩定性和效率。

HJARL 的強健策略是否可以應用於其他領域,如自動駕駛或醫療機器人?

HJARL 的強健策略確實可以應用於其他領域，如自動駕駛和醫療機器人，具體原因如下：

自動駕駛：在自動駕駛中，系統需要在面對各種不確定性（如其他車輛的行為、天氣變化等）時保持穩定性和安全性。HJARL 的強健策略可以幫助自動駕駛系統生成對抗擾動，從而提高其在複雜環境中的穩健性和安全性。

醫療機器人：在醫療機器人中，系統需要在面對不確定的患者行為和環境變化時保持高效和安全。HJARL 的可解釋性和強健性可以幫助醫療機器人更好地應對這些挑戰，從而提高其在臨床環境中的應用效果。

多智能體系統：在多智能體系統中，HJARL 可以用於設計強健的策略，以應對其他智能體的對抗行為。這在自動駕駛車隊或協作機器人中尤為重要，因為這些系統需要在不確定的環境中進行協作和競爭。

安全性和可靠性：HJARL 的強健策略可以幫助提高系統的安全性和可靠性，這在自動駕駛和醫療機器人等應用中至關重要。通過生成可解釋的擾動，系統可以更好地理解和應對潛在的風險。

跨領域應用：HJARL 的方法論可以被擴展到其他需要強健性和可解釋性的領域，如金融風險管理、智能製造等，從而促進這些領域的發展和應用。