Robocikowo>ROBOCIKOWO
Trening

Intrinsic Motivation

2004AktywnyOpublikowany
Paradygmat uczenia ze wzmocnieniem, w którym agent kieruje się wewnętrznie generowaną nagrodą (ciekawość, nowość, kompetencja), by eksplorować i uczyć się bez gęstej nagrody zewnętrznej.
Kluczowa innowacja
Przeniesienie źródła nagrody do wnętrza agenta: zamiast polegać wyłącznie na rzadkiej nagrodzie zewnętrznej, agent generuje własny sygnał nagrody (ciekawość, nowość, kompetencja, empowerment), co umożliwia eksplorację i uczenie bez gęstego nadzoru.
Kategoria
Trening
Poziom abstrakcji
Paradygmat
Poziom operacji
TreningŚrodowisko agentowe
Zastosowania
Eksploracja w środowiskach z rzadką nagrodą (sparse-reward RL)Uczenie bez nagrody zewnętrznej (self-supervised exploration)Rozwojowa robotyka i otwarte uczenie (developmental robotics)Eksploracyjny pre-trening politykAutomatyczne budowanie programu nauki (automatic curriculum)

Jak działa

Agent oblicza wewnętrzny sygnał nagrody r_int na podstawie własnego stanu wiedzy lub kompetencji, a następnie optymalizuje politykę względem sumy nagrody wewnętrznej i (opcjonalnie) zewnętrznej. W podejściach opartych na wiedzy r_int jest proporcjonalne do błędu predykcji modelu świata lub do nowości stanu — agent jest nagradzany za odwiedzanie stanów, których jeszcze nie potrafi przewidzieć. W podejściach kompetencyjnych nagrodą jest tempo poprawy (learning progress), co kieruje agenta ku obszarom, w których najszybciej się uczy. Miary informacyjno-teoretyczne, takie jak empowerment, nagradzają stany maksymalizujące wpływ agenta na przyszłość (pojemność kanału akcja→przyszły stan). W miarę uczenia sygnał wewnętrzny zwykle wygasa, bo stany przestają być nowe lub trudne do przewidzenia.

Rozwiązany problem

Rozwiązuje problem eksploracji w środowiskach z rzadką lub nieobecną nagrodą zewnętrzną, gdzie standardowe RL nie ma czego maksymalizować i uczenie się zatrzymuje. Dostarcza sygnału napędzającego eksplorację i zdobywanie umiejętności nawet bez jawnego celu z otoczenia.

Komponenty

Wewnętrzny sygnał nagrodyŹródło sygnału uczącego niezależne od otoczenia

Wyliczana wewnętrznie nagroda r_int dodawana do (lub zastępująca) nagrodę zewnętrzną, kierująca optymalizacją polityki.

Model świata / predyktorDostarcza miary nowości / nieprzewidywalności

Model przewidujący kolejny stan lub jego cechy; błąd predykcji zasila nagrodę w podejściach opartych na wiedzy (prediction error, nowość).

Estymator postępu w uczeniuKieruje eksplorację ku obszarom szybkiego uczenia

Mierzy tempo poprawy kompetencji agenta i nagradza obszary o wysokim postępie (podejście kompetencyjne).

Miara empowermentNagradza kontrolę nad środowiskiem bez zewnętrznego celu

Informacyjno-teoretyczny cel nagradzający stany maksymalizujące wpływ agenta na przyszłość (pojemność kanału akcja→przyszły stan).

Implementacja

Pułapki implementacyjne
Problem zaszumionego telewizora (noisy-TV)Wysoka

Metody oparte na błędzie predykcji lub nowości utykają na nieredukowalnie stochastycznych bodźcach, generując nieskończoną nagrodę wewnętrzną.

Rozwiązanie:Zastosować RND lub sygnały oparte na postępie w uczeniu/kompetencji zamiast surowego błędu predykcji.
Niestacjonarność nagrody wewnętrznejŚrednia

Nagroda wewnętrzna maleje w miarę uczenia, co utrudnia estymację funkcji wartości.

Rozwiązanie:Normalizacja nagrody oraz osobne głowy wartości dla nagrody wewnętrznej i zewnętrznej.
Zła kalibracja wagi nagrody wewnętrznejŚrednia

Zbyt wysoki współczynnik dominuje nad zadaniem, zbyt niski sprawia, że eksploracja jest ignorowana.

Rozwiązanie:Strojenie współczynnika β, normalizacja i opcjonalne wygaszanie w czasie.

Ewolucja

Oryginalny paper · 2004 · NeurIPS 2004 · Satinder Singh
Intrinsically Motivated Reinforcement Learning
Satinder Singh, Andrew G. Barto, Nuttapong Chentanez
1990
Wczesna komputerowa ciekawość (Schmidhuber)
Punkt przełomowy

Schmidhuber wprowadza ciekawość i nudę jako wewnętrzną nagrodę w kontrolerach budujących model świata.

2004
Intrinsically Motivated Reinforcement Learning
Punkt przełomowy

Singh, Barto i Chentanez formalizują motywację wewnętrzną w ramach uczenia ze wzmocnieniem.

2007
Typologia obliczeniowych podejść (Oudeyer & Kaplan)
Punkt przełomowy

Oudeyer i Kaplan porządkują podejścia na oparte na wiedzy, kompetencji i morfologii.

2010
Formalna teoria kreatywności (Schmidhuber)

Nagrodą wewnętrzną staje się postęp w kompresji obserwowanych danych (compression progress).

2017
Intrinsic Curiosity Module (Pathak i in.)
Punkt przełomowy

Nagroda z błędu predykcji w przestrzeni cech napędza eksplorację w głębokim RL.

2018
Random Network Distillation (Burda i in.)

Nagroda z błędu predykcji wobec losowej, zamrożonej sieci — odporniejsza na problem zaszumionego telewizora.

Hiperparametry (konfigurowalne osie)

Waga nagrody wewnętrznejKrytyczna

Współczynnik skalujący nagrodę wewnętrzną względem zewnętrznej (często oznaczany β). Decyduje o tym, jak mocno eksploracja dominuje nad zadaniem.

β ∈ [0.01, 1.0]typowy zakres strojenia
Typ sygnału wewnętrznegoWysoka

Rodzaj sygnału: błąd predykcji, nowość/zliczanie, postęp w uczeniu (kompetencja) lub empowerment.

Normalizacja nagrodyŚrednia

Sposób radzenia sobie z niestacjonarną skalą nagrody wewnętrznej, która zmienia się w trakcie uczenia.

Harmonogram wygaszaniaŚrednia

Opcjonalne wygaszanie nagrody wewnętrznej w czasie, by na późniejszym etapie przeważała nagroda zewnętrzna.

Wymagania sprzętowe

Podstawowe

Paradygmat projektowania nagrody i algorytmiki RL; koszt obliczeniowy dziedziczy po bazowym algorytmie i modelu, bez zależności od konkretnego typu sprzętu.