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RENEW:利用人类偏好学习世界模型并修复模型利用问题

文章摘要

离线强化学习中世界模型易受模型利用问题影响,现有方法成本高或限制泛化。本文提出RENEW方法,通过人类偏好直接修复模型利用,结合动力学学习与人类反馈,利用认知不确定性提高样本效率,在多个环境中验证了有效性。

来源arXiv Machine Learning作者: Logan Mondal Bhamidipaty, Mykel Kochenderfer, Subramanian Ramamoorthy
RENEW:利用人类偏好学习世界模型并修复模型利用问题
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离线强化学习(Offline Reinforcement Learning, Offline RL)是一种在固定数据集上学习策略的方法,无需与环境交互。为了提升样本效率并生成数据集之外的经验,世界模型(World Model)被广泛采用。世界模型能够模拟环境的动态,从而允许智能体在模型内进行规划或生成虚拟轨迹。然而,世界模型面临一个关键挑战:模型利用(Model Exploitation)。当数据覆盖不足时,模型会在未充分探索的区域产生不准确的预测,这些错误会被策略利用,导致次优或危险的行为。传统的解决方法有两种:一是收集更多专家演示数据,但这样成本高昂、可能不安全或不可行;二是采用保守算法,避免不确定的区域,但这会限制模型的泛化能力。

针对这一问题,来自研究团队的Logan Mondal Bhamidipaty等人提出了一种名为RENEW的新方法。RENEW的核心思想是利用人类偏好来直接修复模型利用。人类拥有强大的直观物理理解能力,能够轻易识别世界模型产生的荒谬动态幻觉(例如,物体不自然地运动)。研究者将这一过程形式化为“动力学学习从人类反馈”(Dynamics Learning from Human Feedback, DLHF)。DLHF基于Bradley-Terry偏好损失,在学习的动力学模型下对轨迹的对数似然进行优化。具体来说,人类观察模型生成的不同轨迹,并指出哪些看起来更合理。这些偏好信号用于调整模型,使其生成更符合物理规律的轨迹。

然而,直接的DLHF方法样本效率低下,需要大量人类偏好才能有效。为此,RENEW引入了认知不确定性(Epistemic Uncertainty)度量。认知不确定性衡量模型在其预测中缺乏数据的程度。RENEW利用这一度量,将微调集中在模型最容易被利用、不确定性最高的区域,从而显著减少所需的人类偏好数量。同时,这种方法还有助于限制灾难性遗忘——即在微调新任务时忘记之前学到的知识。

实验在多个环境中进行,包括Jumanji(一系列复杂的组合优化任务)和经典控制环境(如CartPole和HalfCheetah)。结果表明,尽管朴素的DLHF需要巨大的偏好预算,RENEW通过提高样本效率、限制灾难性遗忘和减少世界模型中的利用,使这一框架变得实用。总体而言,RENEW提供了初步证据,表明人类偏好可以直接用于监督世界模型的动力学,为离线模型强化学习中的利用问题提供了新的解决思路。该研究为未来将人类直觉与机器学习结合,解决数据覆盖不足导致的模型漏洞开辟了新的方向。

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要点

  • 世界模型在离线强化学习中面临模型利用问题,传统解法成本高或限制泛化。
  • 提出动力学学习从人类反馈(DLHF)框架,利用人类偏好修补模型幻觉。
  • RENEW通过认知不确定性聚焦微调,提高样本效率并减少灾难性遗忘。
  • 实验表明RENEW使偏好监督世界模型动力学成为可行方案。

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