Robocikowo>ROBOCIKOWO
Trening

Curiosity-driven Exploration

2017AktywnyOpublikowano: 24 października 2026Aktualizacja: 24 października 2026Opublikowany
Strategia eksploracji w uczeniu ze wzmocnieniem, w której agent jest nagradzany wewnętrznie za odwiedzanie stanów trudnych do przewidzenia (błąd predykcji jako nagroda).
Kluczowa innowacja
Zastąpienie ręcznie projektowanej eksploracji wewnętrzną nagrodą generowaną przez sam model (błąd predykcji), co pozwala agentowi uczyć się w środowiskach z rzadką nagrodą lub bez nagrody zewnętrznej.
Kategoria
Trening
Poziom abstrakcji
Wzorzec
Poziom operacji
Trening
Zastosowania
Uczenie ze wzmocnieniem w środowiskach o rzadkiej nagrodzieGry wideo o trudnej eksploracji (np. Montezuma's Revenge)Eksploracja bez nagrody zewnętrznejRobotyka i nauka umiejętności manipulacyjnychPretrening i uczenie reprezentacji przez interakcję ze środowiskiem

Jak działa

Agent utrzymuje wyuczony model predykcyjny środowiska. Na każdym kroku model przewiduje pewną wielkość (np. cechy następnego stanu na podstawie bieżącego stanu i akcji), a różnica między predykcją a obserwacją — błąd predykcji — jest używana jako wewnętrzna nagroda dodawana do (ewentualnej) nagrody zewnętrznej. W module Intrinsic Curiosity Module (Pathak i in., 2017) stosuje się model odwrotny (inverse model), który uczy się przewidywać akcję z pary stanów, aby wyznaczyć przestrzeń cech odporną na nieprzewidywalne, nieistotne elementy środowiska; model prosty (forward model) przewiduje w tej przestrzeni cech następny stan, a jego błąd to nagroda ciekawości. W metodzie Random Network Distillation (Burda i in., 2018) nagroda to błąd sieci-predyktora uczącej się odtwarzać wyjście stałej, losowo zainicjowanej sieci-celu; stany rzadko odwiedzane dają wysoki błąd, a więc wysoką nagrodę. W miarę nauki model coraz lepiej przewiduje odwiedzane stany, więc nagroda ciekawości dla nich maleje, naturalnie przesuwając eksplorację ku nieznanym obszarom.

Rozwiązany problem

W wielu zadaniach uczenia ze wzmocnieniem nagroda zewnętrzna jest rzadka, opóźniona lub całkowicie nieobecna, przez co klasyczne metody eksploracji (np. epsilon-greedy) nie znajdują wartościowych zachowań. Eksploracja napędzana ciekawością dostarcza gęstego, samodzielnie generowanego sygnału, który kieruje agenta ku nowym stanom i umożliwia naukę mimo braku informacji zwrotnej od środowiska.

Komponenty

Nagroda wewnętrzna (błąd predykcji)Dostarcza gęstego sygnału eksploracyjnego

Sygnał nagrody generowany przez samego agenta, proporcjonalny do błędu predykcji modelu; dodawany do nagrody zewnętrznej.

Model prosty (forward model)Źródło sygnału ciekawości

Przewiduje następny stan (lub jego cechy) na podstawie bieżącego stanu i akcji; jego błąd stanowi nagrodę ciekawości.

Koder cech / model odwrotnyFiltruje nieistotne źródła nieprzewidywalności

W ICM model odwrotny przewiduje akcję z pary kolejnych stanów, ucząc przestrzeń cech odporną na nieprzewidywalne, nieistotne elementy środowiska.

Random Network Distillation (RND)Zamiast modelu dynamiki używa błędu predykcji wyjścia stałej, losowej sieci-celu.
Pseudo-liczniki / count-basedNagroda wynika z estymowanej częstości odwiedzin stanu.

Oficjalna

Implementacja

Pułapki implementacyjne
Problem „zaszumionego telewizora” (noisy-TV)Wysoka

Agent napędzany błędem predykcji może utknąć przy źródłach nieredukowalnej losowości (np. ekran z szumem), bo są trwale nieprzewidywalne i dają stale wysoką nagrodę.

Rozwiązanie:Liczenie błędu w wyuczonej przestrzeni cech (ICM) lub względem stałej sieci losowej (RND) zamiast w surowej obserwacji.
Niestacjonarność i zanik nagrody wewnętrznejŚrednia

Nagroda ciekawości maleje w miarę uczenia modelu, co utrudnia stabilne skalowanie i może wygaszać eksplorację.

Rozwiązanie:Normalizacja nagrody (np. przez bieżące odchylenie standardowe) i dostrojenie współczynnika wagi nagrody wewnętrznej.

Ewolucja

Oryginalny paper · 2017 · ICML 2017 · Deepak Pathak
Curiosity-driven Exploration by Self-supervised Prediction
Deepak Pathak, Pulkit Agrawal, Alexei A. Efros, Trevor Darrell
1991
Formalizacja motywacji wewnętrznej i ciekawości
Punkt przełomowy

Jürgen Schmidhuber proponuje ciekawość opartą na błędzie predykcji modelu świata jako wewnętrzną motywację kontrolera.

2015
Ciekawość w głębokim RL (modele predykcyjne)

Stadie, Levine i Abbeel stosują błąd głębokiego modelu predykcyjnego jako premię eksploracyjną w Atari.

2016
Zliczanie i informacja jako motywacja wewnętrzna

Prace VIME (Houthooft i in.) oraz pseudo-liczniki (Bellemare i in.) ujednolicają eksplorację opartą na zliczaniu i motywacji wewnętrznej.

2017
Intrinsic Curiosity Module (ICM)
Punkt przełomowy

Pathak i in. wprowadzają ICM z modelem odwrotnym wyznaczającym przestrzeń cech, co uodparnia ciekawość na nieistotną losowość środowiska.

2018
Random Network Distillation i badanie na dużą skalę
Punkt przełomowy

Burda i in. wprowadzają RND (pierwsze przekroczenie ludzkiego wyniku w Montezuma's Revenge przy czystej ciekawości) oraz publikują badanie czysto ciekawościowego uczenia na 54 środowiskach.

Hiperparametry (konfigurowalne osie)

Waga nagrody wewnętrznejWysoka

Współczynnik skalujący nagrodę ciekawości względem nagrody zewnętrznej (często oznaczany β lub η).

Reprezentacja cechWysoka

Przestrzeń, w której liczony jest błąd predykcji (surowe piksele, cechy losowe, cechy wyuczone przez model odwrotny, VAE).

Normalizacja nagrodyŚrednia

Normalizacja niestacjonarnej nagrody wewnętrznej (np. przez bieżące odchylenie standardowe), kluczowa dla stabilności RND.