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时变动力学下基于模型的强化学习控制
Model-Based Reinforcement Learning for Control under Time-Varying Dynamics

作者: Klemens Iten, Bruce Lee, Chenhao Li 等6人
arXiv: 2604.02260v1
分类: cs.LG, cs.RO
📝 论文摘要
基于学习的控制方法通常假设系统动态是平稳的,这一假设在实际系统中常因漂移、磨损或运行条件变化而被打破。我们研究了时变动态下的强化学习控制问题。考虑一种持续基于模型的强化学习场景:智能体需反复学习并控制一个动态系统,其状态转移规律会随任务周期不断演变。我们采用高斯过程动态模型,在频率主义变差预算假设下对该问题进行分析。研究表明,持续的非平稳性要求显式限制过时数据的影响,以保持校准后的不确定性度量和有效的动态遗憾保证。基于这些发现,我们提出了一种实用的乐观基于模型强化学习算法,该算法配备自适应数据缓冲机制,并在具有非平稳动态的连续控制基准测试中展现出更优性能。

📊 核心分析

🎯 研究动机
• 解决基于学习的控制方法通常假设系统动态是平稳的(stationary)的问题,该假设在现实世界中常因漂移(drift)、磨损或运行条件变化而被违反。 • 研究背景是:在动态随时间变化(time-varying)的情况下进行强化学习控制,考虑一个持续(continual)的、基于模型的强化学习场景,其中智能体反复学习和控制一个其转移动态(transition dynamics)在多个回合(episodes)中演化的动态系统。
🔧 核心方法
• 使用基于高斯过程(Gaussian Process)的动态模型对问题进行理论分析,并在频率学派(frequentist)的变分预算(variation-budget)假设下进行。 • 提出一种实用的、基于乐观(optimistic)模型的强化学习算法,该算法包含自适应数据缓冲区(adaptive data buffer)机制,以限制过时数据(outdated data)的影响。
💡 核心创新
• **核心理论洞察**:明确指出持续的非平稳性(persistent non-stationarity)要求必须显式地限制过时数据的影响,以维持校准的不确定性(calibrated uncertainty)和有意义的动态遗憾(dynamic regret)保证。这是对传统平稳假设下方法的根本性挑战。 • **算法创新**:将上述理论洞察转化为实践,设计了具有自适应数据缓冲区机制的乐观模型强化学习算法。该机制能主动管理历史数据,动态地丢弃或减弱与当前动态模型不相关的旧数据,从而在非平稳环境中实现更优的性能。 • **问题设定**:在持续学习(continual learning)和变分预算框架下,形式化地研究了动态随时间变化的基于模型的强化学习问题,为分析此类问题提供了新的理论框架。
🏆 总体贡献
• **理论贡献**:在频率学派的变分预算假设下,分析了非平稳动态对基于高斯过程的模型强化学习的影响,揭示了过时数据对不确定性校准和遗憾界的危害,并提供了相应的理论保证。 • **算法贡献**:提出了一种新颖的、实用的算法,通过自适应数据缓冲区机制有效应对动态变化,提升了在非平稳环境中的控制性能。 • **实证贡献**:在具有非平稳动态的连续控制基准测试(continuous control benchmarks)上验证了所提算法的优越性能,证明了其有效性。 • **领域贡献**:推动了强化学习在更符合现实(非平稳、持续变化)的系统动态设定下的研究,为实际应用(如机器人、工业控制)提供了更鲁棒的方法思路。