一种基于多步竞争网络的多智能体协作方法

多智能体高效协作是多智能体深度强化学习的重要目标,然而多智能体决策系统中存在的环境非平稳、维数灾难等问题使得这一目标难以实现。现有值分解方法可在环境平稳性和智能体拓展性之间取得较好平衡,但忽视了智能体策略网络的重要性,并且在学习联合动作值函数时未充分利用经验池中保存的完整历史轨迹。提出一种基于多智能体多步竞争网络的多智能体协作方法,在训练过程中使用智能体网络和价值网络对智能体动作评估和环境状态评估进行解耦,同时针对整条历史轨迹完成多步学习以估计时间差分目标,通过优化近似联合动作值函数的混合网络集中且端到端地训练分散的多智能体协作策略。实验结果表明,该方法在6种场景中的平均胜率均优于基于值分解网络、单调值函数分解、值函数变换分解、反事实多智能体策略梯度的多智能体协作方法,并且具有较快的收敛速度和较好的稳定性。     

引入通信与探索的多智能体强化学习QMIX算法

非平稳性问题是多智能体环境中深度学习面临的主要挑战之一,它打破了大多数单智能体强化学习算法都遵循的马尔可夫假设,使每个智能体在学习过程中都有可能会陷入由其他智能体所创建的环境而导致无终止的循环。为解决上述问题,研究了中心式训练分布式执行（CTDE）架构在强化学习中的实现方法,并分别从智能体间通信和智能体探索这两个角度入手,采用通过方差控制的强化学习算法（VBC）并引入好奇心机制来改进QMIX算法。通过星际争霸Ⅱ学习环境（SC2LE）中的微操场景对所提算法加以验证。实验结果表明,与QMIX算法相比,所提算法的性能有所提升,并且能够得到收敛速度更快的训练模型。     

基于观测空间关系提取的多智能体强化学习

针对多智能体系统（multi-agent systems,MAS）中环境具有不稳定性、智能体决策相互影响所导致的策略学习困难的问题,提出了一种名为观测空间关系提取（observation relation extraction,ORE）的方法,该方法使用一个完全图来建模MAS中智能体观测空间不同部分之间的关系,并使用注意力机制来计算智能体观测空间不同部分之间关系的重要程度。通过将该方法应用在基于值分解的多智能体强化学习算法上,提出了基于观测空间关系提取的多智能体强化学习算法。在星际争霸微观场景（StarCraft multi-agent challenge,SMAC）上的实验结果表明,与原始算法相比,带有ORE结构的值分解多智能体算法在收敛速度和最终性能方面都有更好的性能。     

基于值分布的多智能体分布式深度强化学习算法

近年来深度强化学习在一系列顺序决策问题中取得了巨大的成功,使其为复杂高维的多智能体系统提供有效优化的决策策略成为可能.然而在复杂的多智能体场景中,现有的多智能体深度强化学习算法不仅收敛速度慢,而且算法的稳定性无法保证.本文提出了基于值分布的多智能体分布式深度确定性策略梯度算法(multi-agent distribut...     

多智能体深度强化学习及其可扩展性与可迁移性研究综述

得益于深度学习强大的特征表达能力和强化学习有效的策略学习能力,深度强化学习在一系列复杂序贯决策问题中取得了令人瞩目的成就.伴随着深度强化学习在诸多单智能体任务中的成功应用,其在多智能体系统中的研究方兴未艾.近年来,多智能体深度强化学习在人工智能领域备受关注,可扩展与可迁移性已成为其中的核心研究点之一.鉴于此,首先阐释深度强化学习的发展脉络和典型算法,介绍多智能体深度强化学习的3种学习范式,分析两类多智能体强化学习的典型算法,即分解值函数方法和中心化值函数方法;然后归纳注意力机制、图神经网络等6类具有可扩展性的多智能体深度强化学习模型,梳理迁移学习和课程学习在多智能体深度强化学习可迁移性方向的研究进展;最后讨论多智能体深度强化学习的应用前景与研究方向,为未来多智能体深度强化学习的进一步发展提供可借鉴的参考.     

基于意图的多智能体深度强化学习运动规划方法

现有的多智能体运动规划任务存在缺乏有效合作方法、通信依赖要求高以及缺乏信息筛选机制等问题。针对这些问题，提出了一种基于意图的多智能体深度强化学习运动规划方法，该方法可以帮助智能体在无需显式通信的条件下无碰撞地到达目标点。首先，将意图概念引入多智能体运动规划问题，将智能体的视觉图像和历史地图相结合以预测智能体的意图，使智能体可以对其他智能体的动作做预判，从而有效协作；其次，设计了一个基于注意力机制的卷积神经网络架构，并利用该网络预测智能体的意图、选择智能体的动作，在筛选出有用的视觉输入信息的同时，减少了多智能体合作对通信的依赖；最后提出了一种基于价值的深度强化学习算法来学习运动规划策略，通过改进目标函数和Q值计算方式使策略更加稳定。在PyBullet仿真平台的6种不同的仿真场景中进行了测试，实验结果表明，相较于其他先进的多智能体运动规划方法，所提方法使多智能体团队的合作效率平均提高了10.74%,具有显著的性能优势。     

多智能体深度强化学习的若干关键科学问题

强化学习作为一种用于解决无模型序列决策问题的方法已经有数十年的历史, 但强化学习方法在处理高维变量问题时常常会面临巨大挑战. 近年来, 深度学习迅猛发展, 使得强化学习方法为复杂高维的多智能体系统提供优化的决策策略、在充满挑战的环境中高效执行目标任务成为可能. 本文综述了强化学习和深度强化学习方法的原理, 提出学习系统的闭环控制框架, 分析了多智能体深度强化学习中存在的若干重要问题和解决方法, 包括多智能体强化学习的算法结构、环境非静态和部分可观性等问题, 对所调查方法的优缺点和相关应用进行分析和讨论. 最后提供多智能体深度强化学习未来的研究方向, 为开发更强大、更易应用的多智能体强化学习控制系统提供一些思路.     

基于奖励高速路网络的多智能体强化学习中的全局信用分配算法

针对多智能体系统中联合动作空间随智能体数量的增加而产生的指数爆炸的问题,采用“中心训练-分散执行”的框架来避免联合动作空间的维数灾难并降低算法的优化代价。针对在众多的多智能体强化学习场景下,环境仅给出所有智能体的联合行为所对应的全局奖励这一问题,提出一种新的全局信用分配机制——奖励高速路网络（RHWNet）。通过在原有算法的奖励分配机制上引入奖励高速路连接,将每个智能体的值函数与全局奖励直接建立联系,进而使得每个智能体在进行策略选择时能够综合考虑全局的奖励信号与其自身实际分得的奖励值。首先,在训练过程中,通过中心化的值函数结构对每个智能体进行协调;同时,这一中心化的结构也能起到全局奖励分配的作用;然后,在中心值函数结构中引入奖励高速路链接来辅助进行全局奖励分配,从而构建出奖励高速路网络;之后,在执行阶段,每个智能体的策略仅仅依赖于其自身的值函数。在星际争霸多智能体挑战的微操作场景中的实验结果表明,相比当前较先进的反直觉的策略梯度（Coma）算法和单调Q值函数分解（QMIX）算法,该网络所提出的奖励高速路在4个复杂的地图上的测试胜率提升超过20%。更重要的是,在智能体数量较多且种类不同的3s5z和3s6z场景中,该网络在所需样本数量为QMIX和Coma等算法的30%的情况下便能取得更好的结果。     

部分可观测下基于RGMAAC算法的多智能体协同

多智能体深度强化学习(MADRL)将深度强化学习的思想和算法应用到多智能体系统的学习和控制中,是开发具有群智能体的多智能体系统的重要方法.现有的MADRL研究主要基于环境完全可观测或通信资源不受限的假设展开算法设计,然而部分可观测性是多智能体系统实际应用中客观存在的问题,例如智能体的观测范围通常是有限的,可观测的范围外不包括完整的环境信息,从而对多智能体间协同造成困难.鉴于此,针对实际场景中的部分可观测问题,基于集中式训练分布式执行的范式,将深度强化学习算法Actor-Critic扩展到多智能体系统,并增加智能体间的通信信道和门控机制,提出recurrent gated multi-agent Actor-Critic算法(RGMAAC).智能体可以基于历史动作观测记忆序列进行高效的通信交流,最终利用局部观测、历史观测记忆序列以及通过通信信道显式地由其他智能体共享的观察进行行为决策;同时,基于多智能体粒子环境设计多智能体同步且快速到达目标点任务,并分别设计2种奖励值函数和任务场景.实验结果表明,当任务场景中明确出现部分可观测问题时,RGMAAC算法训练后的智能体具有很好的表现,在稳定性...     

融合两级注意力的多机器人强化学习导航

针对多智能体强化学习中因智能体之间的复杂关系所导致的学习效率低及收敛速度慢的问题, 提出基于两级注意力机制的方法MADDPG-Attention, 在MADDPG算法的Critic网络中增加了软硬两级注意力机制, 通过注意力机制学习智能体之间的可借鉴经验, 提升智能体之间的相互学习效率. 由于单层的软注意力机制会给完全不相关的智能体也赋予学习权重, 因此采用硬注意力判断两个智能体之间学习的必要性, 裁减无关信息的智能体, 再用软注意力判断两个智能体间学习的重要性, 按重要性分布来分配学习权重, 据此向有可用经验的智能体学习. 在多智能体粒子的合作导航环境上进行测试, 实验结果表明, MADDPG-Attention算法对复杂关系的理解更为清晰, 在3种环境的导航成功率都达到了90%以上, 有效提高了学习效率, 加快了收敛速度.     

多智能体强化学习及其在足球机器人角色分配中的应用

足球机器人系统是一个典型的多智能体系统, 每个机器人球员选择动作不仅与自身的状态有关, 还要受到其他球员的影响, 因此通过强化学习来实现足球机器人决策策略需要采用组合状态和组合动作. 本文研究了基于智能体动作预测的多智能体强化学习算法, 使用朴素贝叶斯分类器来预测其他智能体的动作. 并引入策略共享机制来交换多智能体所学习的策略, 以提高多智能体强化学习的速度. 最后, 研究了所提出的方法在足球机器人动态角色分配中的应用, 实现了多机器人的分工和协作.     

增强协作多智能体强化学习中的全局信用分配机制

针对协作多智能体强化学习中的全局信用分配机制很难捕捉智能体之间的复杂协作关系及无法有效地处理非马尔可夫奖励信号的问题,提出了一种增强的协作多智能体强化学习中的全局信用分配机制。首先,设计了一种新的基于奖励高速路连接的全局信用分配结构,使得智能体在决策时能够考虑其所分得的局部奖励信号与团队的全局奖励信号;其次,通过融合多步奖励信号提出了一种能够适应非马尔可夫奖励的值函数估计方法。在星际争霸微操作实验平台上的多个复杂场景下的实验结果表明:所提方法不仅能够取得先进的性能,同时还能大大提高样本的利用率。     

A multi-agent reinforcement learning approach to robot soccer

In this paper, a multi-agent reinforcement learning method based on action prediction of other agent is proposed. In a multi-agent system, action selection of the learning agent is unavoidably impacted by other agents’ actions. Therefore, joint-state and joint-action are involved in the multi-agent reinforcement learning system. A novel agent action prediction method based on the probabilistic neural network (PNN) is proposed. PNN is used to predict the actions of other agents. Furthermore, the sharing policy mechanism is used to exchange the learning policy of multiple agents, the aim of which is to speed up the learning. Finally, the application of presented method to robot soccer is studied. Through learning, robot players can master the mapping policy from the state information to the action space. Moreover, multiple robots coordination and cooperation are well realized.     

多智能体协作的两层强化学习实现方法

提出了多智能体协作的两层强化学习方法。该方法主要通过在单个智能体中构筑两层强化学习单元来实现,将该方法应用于3个智能体协作抬起圆形物体的计算机模拟中,结果表明比采用传统强化学习方法的智能体协作得更好。     

基于多智能体强化学习的乳腺癌致病基因预测

通过分析基因突变过程, 提出利用强化学习对癌症患者由正常状态至患病状态的过程进行推断, 发现导致患者死亡的关键基因突变. 首先, 将基因视为智能体, 基于乳腺癌突变数据设计多智能体强化学习环境; 其次, 为保证智能体探索到与专家策略相同的策略和满足更多智能体快速学习, 根据演示学习理论, 分别提出两种多智能体深度Q网络: 基于行为克隆的多智能体深度Q网络和基于预训练记忆的多智能体深度Q网络; 最后, 根据训练得到的多智能体深度Q网络进行基因排序, 实现致病基因预测. 实验结果表明, 提出的多智能体强化学习方法能够挖掘出与乳腺癌发生、发展过程密切相关的致病基因.     

分层的局部合作Q-学习

多智能体Q-学习问题往往因为联合动作的个数指数级增长而变得无法解决。从研究分层强化学习入手,通过对强化学习中合作MAS的研究,在基于系统工作逻辑的研究基础上,提出了基于学习过程分层的局部合作强化学习,通过对独立Agent强化学习的知识考察,改进多Agent系统学习的效率,进一步提高了局部合作强化学习的效能。从而解决强化学习中的状态空间的维数灾难,并通过仿真足球的2vs1防守证明了算法的有效性。     

Multi-agent reinforcement learning via knowledge transfer with differentially private noise

In multi-agent reinforcement learning, transfer learning is one of the key techniques used to speed up learning performance through the exchange of knowledge among agents. However, there are three challenges associated with applying this technique to real-world problems. First, most real-world domains are partially rather than fully observable. Second, it is difficult to pre-collect knowledge in unknown domains. Third, negative transfer impedes the learning progress. We observe that differentially private mechanisms can overcome these challenges due to their randomization property. Therefore, we propose a novel differential transfer learning method for multi-agent reinforcement learning problems, characterized by the following three key features. First, our method allows agents to implement real-time knowledge transfers between each other in partially observable domains. Second, our method eliminates the constraints on the relevance of transferred knowledge, which expands the knowledge set to a large extent. Third, our method improves robustness to negative transfers by applying differentially exponential noise and relevance weights to transferred knowledge. The proposed method is the first to use the randomization property of differential privacy to stimulate the learning performance in multi-agent reinforcement learning system. We further implement extensive experiments to demonstrate the effectiveness of our proposed method.     

Multi-agent deep reinforcement learning: a survey

The advances in reinforcement learning have recorded sublime success in various domains. Although the multi-agent domain has been overshadowed by its single-agent counterpart during this progress, multi-agent reinforcement learning gains rapid traction, and the latest accomplishments address problems with real-world complexity. This article provides an overview of the current developments in the field of multi-agent deep reinforcement learning. We focus primarily on literature from recent years that combines deep reinforcement learning methods with a multi-agent scenario. To survey the works that constitute the contemporary landscape, the main contents are divided into three parts. First, we analyze the structure of training schemes that are applied to train multiple agents. Second, we consider the emergent patterns of agent behavior in cooperative, competitive and mixed scenarios. Third, we systematically enumerate challenges that exclusively arise in the multi-agent domain and review methods that are leveraged to cope with these challenges. To conclude this survey, we discuss advances, identify trends, and outline possible directions for future work in this research area.

     

基于量子计算的多Agent协作学习算法

针对多Agent协作强化学习中存在的行为和状态维数灾问题,以及行为选择上存在多个均衡解,为了收敛到最佳均衡解需要搜索策略空间和协调策略选择问题,提出了一种新颖的基于量子理论的多Agent协作学习算法。新算法借签了量子计算理论,将多Agent的行为和状态空间通过量子叠加态表示,利用量子纠缠态来协调策略选择,利用概率振幅表示行为选择概率,并用量子搜索算法来加速多Agent的学习。相应的仿真实验结果显示新算法的有效性。