機(jī)器之心報(bào)道

編輯：陳萍、杜偉

DeepMind 表示，他們提出的算法蒸餾（AD）是首個(gè)通過(guò)對(duì)具有模仿?lián)p失的離線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行順序建模以展示上下文強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法。同時(shí)基于觀察結(jié)果開(kāi)啟了一種可能，即任何 RL 算法都可以通過(guò)模仿學(xué)習(xí)蒸餾成足夠強(qiáng)大的序列模型如 transformer，并將這些模型轉(zhuǎn)換為上下文 RL 算法。

目前，Transformers 已經(jīng)成為序列建模的強(qiáng)大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。預(yù)訓(xùn)練 transformer 的一個(gè)顯著特性是它們有能力通過(guò)提示 conditioning 或上下文學(xué)習(xí)來(lái)適應(yīng)下游任務(wù)。經(jīng)過(guò)大型離線(xiàn)數(shù)據(jù)集上的預(yù)訓(xùn)練之后，大規(guī)模 transformers 已被證明可以高效地泛化到文本補(bǔ)全、語(yǔ)言理解和圖像生成方面的下游任務(wù)。

最近的工作表明，transformers 還可以通過(guò)將離線(xiàn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）視作順序預(yù)測(cè)問(wèn)題，進(jìn)而從離線(xiàn)數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)策略。Chen et al. (2021)的工作表明，transformers 可以通過(guò)模仿學(xué)習(xí)從離線(xiàn) RL 數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)單任務(wù)策略，隨后的工作表明 transformers 可以在同領(lǐng)域和跨領(lǐng)域設(shè)置中提取多任務(wù)策略。這些工作都展示了提取通用多任務(wù)策略的范式，即首先收集大規(guī)模和多樣化的環(huán)境交互數(shù)據(jù)集，然后通過(guò)順序建模從數(shù)據(jù)中提取策略。這類(lèi)通過(guò)模仿學(xué)習(xí)從離線(xiàn) RL 數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)策略的方法被稱(chēng)為離線(xiàn)策略蒸餾（Offline Policy Distillation）或策略蒸餾（Policy Distillation, PD）。

PD 具有簡(jiǎn)單性和可擴(kuò)展性，但它的一大缺點(diǎn)是生成的策略不會(huì)在與環(huán)境的額外交互中逐步改進(jìn)。舉例而言，谷歌的通才智能體 Multi-Game Decision Transformers 學(xué)習(xí)了一個(gè)可以玩很多 Atari 游戲的返回條件式（return-conditioned）策略，而 DeepMind 的通才智能體 Gato 通過(guò)上下文任務(wù)推理來(lái)學(xué)習(xí)一個(gè)解決多樣化環(huán)境中任務(wù)的策略。遺憾的是，這兩個(gè)智能體都不能通過(guò)試錯(cuò)來(lái)提升上下文中的策略。因此 PD 方法學(xué)習(xí)的是策略而不是強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法。

在近日 DeepMind 的一篇論文中，研究者假設(shè) PD 沒(méi)能通過(guò)試錯(cuò)得到改進(jìn)的原因是它訓(xùn)練用的數(shù)據(jù)無(wú)法顯示學(xué)習(xí)進(jìn)度。當(dāng)前方法要么從不含學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)策略（例如通過(guò)蒸餾固定專(zhuān)家策略），要么從包含學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)策略（例如 RL 智能體的重放緩沖區(qū)），但后者的上下文大?。ㄌ。o(wú)法捕獲策略改進(jìn)。

論文地址：
https:///pdf/2210.14215.pdf

研究者的主要觀察結(jié)果是，RL 算法訓(xùn)練中學(xué)習(xí)的順序性在原則上可以將強(qiáng)化學(xué)習(xí)本身建模為一個(gè)因果序列預(yù)測(cè)問(wèn)題。具體地，如果一個(gè) transformer 的上下文足夠長(zhǎng)，包含了由學(xué)習(xí)更新帶來(lái)的策略改進(jìn)，那么它不僅應(yīng)該可以表示一個(gè)固定策略，而且能夠通過(guò)關(guān)注之前 episodes 的狀態(tài)、動(dòng)作和獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)表示一個(gè)策略改進(jìn)算子。這樣開(kāi)啟了一種可能性，即任何 RL 算法都可以通過(guò)模仿學(xué)習(xí)蒸餾成足夠強(qiáng)大的序列模型如 transformer，并將這些模型轉(zhuǎn)換為上下文 RL 算法。

研究者提出了算法蒸餾（Algorithm Distillation, AD），這是一種通過(guò)優(yōu)化 RL 算法學(xué)習(xí)歷史中因果序列預(yù)測(cè)損失來(lái)學(xué)習(xí)上下文策略改進(jìn)算子的方法。如下圖 1 所示，AD 由兩部分組成。首先通過(guò)保存 RL 算法在大量單獨(dú)任務(wù)上的訓(xùn)練歷史來(lái)生成大型多任務(wù)數(shù)據(jù)集，然后 transformer 模型通過(guò)將前面的學(xué)習(xí)歷史用作其上下文來(lái)對(duì)動(dòng)作進(jìn)行因果建模。由于策略在源 RL 算法的訓(xùn)練過(guò)程中持續(xù)改進(jìn)，因此 AD 不得不學(xué)習(xí)改進(jìn)算子以便準(zhǔn)確地建模訓(xùn)練歷史中任何給定點(diǎn)的動(dòng)作。至關(guān)重要的一點(diǎn)是，transformer 上下文必須足夠大（即 across-episodic）才能捕獲訓(xùn)練數(shù)據(jù)的改進(jìn)。

研究者表示，通過(guò)使用足夠大上下文的因果 transformer 來(lái)模仿基于梯度的 RL 算法，AD 完全可以在上下文中強(qiáng)化新任務(wù)學(xué)習(xí)。研究者在很多需要探索的部分可觀察環(huán)境中評(píng)估了 AD，包括來(lái)自 DMLab 的基于像素的 Watermaze，結(jié)果表明 AD 能夠進(jìn)行上下文探索、時(shí)序信度分配和泛化。此外，AD 學(xué)習(xí)到的算法比生成 transformer 訓(xùn)練源數(shù)據(jù)的算法更加高效。

最后值得關(guān)注的是，AD 是首個(gè)通過(guò)對(duì)具有模仿?lián)p失的離線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行順序建模以展示上下文強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法。

方法

在生命周期內(nèi)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體需要在執(zhí)行復(fù)雜的動(dòng)作方面表現(xiàn)良好。對(duì)智能體而言，不管它所處的環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和執(zhí)行情況如何，都可以被視為是在過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成的?？捎萌缦滦问奖硎荆?/span>

研究者同時(shí)將「長(zhǎng)期歷史條件， long history-conditioned」策略看作一種算法，得出：

其中?(A)表示動(dòng)作空間 A 上的概率分布空間。公式 (3) 表明，該算法可以在環(huán)境中展開(kāi)，以生成觀察、獎(jiǎng)勵(lì)和動(dòng)作序列。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該研究將算法用 P 表示，將環(huán)境（即任務(wù)）用的學(xué)習(xí)歷史都是由算法表示，這樣對(duì)于任何給定任務(wù)生成的?？梢缘玫?/span>

研究者用大寫(xiě)拉丁字母表示隨機(jī)變量，例如 O、A、R 及其對(duì)應(yīng)的小寫(xiě)形式 o，α，r。通過(guò)將算法視為長(zhǎng)期歷史條件策略，他們假設(shè)任何生成學(xué)習(xí)歷史的算法都可以通過(guò)對(duì)動(dòng)作執(zhí)行行為克隆來(lái)轉(zhuǎn)換成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。接下來(lái)，該研究提出了一種方法，該方法提供了智能體在生命周期內(nèi)學(xué)習(xí)具有行為克隆的序列模型，以將長(zhǎng)期歷史映射到動(dòng)作分布。

實(shí)際執(zhí)行

在實(shí)踐中，該研究將算法蒸餾過(guò)程 （ algorithm distillation ，AD）實(shí)現(xiàn)為一個(gè)兩步過(guò)程。首先，通過(guò)在許多不同的任務(wù)上運(yùn)行單獨(dú)的基于梯度的 RL 算法來(lái)收集學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)集。接下來(lái)，訓(xùn)練具有多情節(jié)上下文的序列模型來(lái)預(yù)測(cè)歷史中的動(dòng)作。具體算法如下所示：

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)要求所使用的環(huán)境都支持許多任務(wù)，而這些任務(wù)不能從觀察中輕易的進(jìn)行推斷，并且情節(jié)（episodes）足夠短，可以有效地訓(xùn)練跨情節(jié)因果 transformers。這項(xiàng)工作的主要目的是調(diào)查相對(duì)于先前工作，AD 強(qiáng)化在多大程度上是在上下文中學(xué)習(xí)的。實(shí)驗(yàn)將 AD、 ED( Expert Distillation） 、RL^2 等進(jìn)行了比較。

評(píng)估 AD、ED、 RL^2 結(jié)果如圖 3 所示。該研究發(fā)現(xiàn) AD 和 RL^2 都可以在上下文中學(xué)習(xí)從訓(xùn)練分布中采樣的任務(wù)，而 ED 則不能，盡管 ED 在分布內(nèi)評(píng)估時(shí)確實(shí)比隨機(jī)猜測(cè)做得更好。

圍繞下圖 4，研究者回答了一系列問(wèn)題。AD 是否表現(xiàn)出上下文強(qiáng)化學(xué)習(xí)？結(jié)果表明 AD 上下文強(qiáng)化學(xué)習(xí)在所有環(huán)境中都能學(xué)習(xí)，相比之下，ED 在大多數(shù)情況下都無(wú)法在上下文中探索和學(xué)習(xí)。

AD 能從基于像素的觀察中學(xué)習(xí)嗎？結(jié)果表明 AD 通過(guò)上下文 RL 最大化了情景回歸，而 ED 則不能學(xué)習(xí)。

AD 是否可以學(xué)習(xí)一種比生成源數(shù)據(jù)的算法更有效的 RL 算法？結(jié)果表明 AD 的數(shù)據(jù)效率明顯高于源算法（A3C 和 DQN）。

是否可以通過(guò)演示來(lái)加速 AD？為了回答這個(gè)問(wèn)題，該研究保留測(cè)試集數(shù)據(jù)中沿源算法歷史的不同點(diǎn)采樣策略，然后，使用此策略數(shù)據(jù)預(yù)先填充 AD 和 ED 的上下文，并在 Dark Room 的環(huán)境中運(yùn)行這兩種方法，將結(jié)果繪制在圖 5 中。雖然 ED 保持了輸入策略的性能，AD 在上下文中改進(jìn)每個(gè)策略，直到它接近最優(yōu)。重要的是，輸入策略越優(yōu)化，AD 改進(jìn)它的速度就越快，直到達(dá)到最優(yōu)。

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