We study the problem of offline imitation learning in Markov decision processes (MDPs), where the goal is to learn a well-performing policy given a dataset of state-action pairs generated by an expert policy. Complementing a recent line of work on this topic that assumes the expert belongs to a tractable class of known policies, we approach this problem from a new angle and leverage a different type of structural assumption about the environment. Specifically, for the class of linear $Q^π$-realizable MDPs, we introduce a new algorithm called saddle-point offline imitation learning (\SPOIL), which is guaranteed to match the performance of any expert up to an additive error $\varepsilon$ with access to $\mathcal{O}(\varepsilon^{-2})$ samples. Moreover, we extend this result to possibly nonlinear $Q^π$-realizable MDPs at the cost of a worse sample complexity of order $\mathcal{O}(\varepsilon^{-4})$. Finally, our analysis suggests a new loss function for training critic networks from expert data in deep imitation learning. Empirical evaluations on standard benchmarks demonstrate that the neural net implementation of \SPOIL is superior to behavior cloning and competitive with state-of-the-art algorithms.


翻译:我们研究了马尔可夫决策过程(MDPs)中的离线模仿学习问题,其目标是在给定由专家策略生成的状态-动作对数据集的情况下,学习一个表现良好的策略。近期一系列相关工作假设专家属于一类已知的可处理策略类别,与此互补的是,我们从新角度切入该问题,并利用关于环境的不同类型结构假设。具体而言,针对线性$Q^π$可实现的MDP类别,我们提出了一种名为鞍点离线模仿学习(\SPOIL)的新算法,该算法保证在访问$\mathcal{O}(\varepsilon^{-2})$个样本的情况下,能以加性误差$\varepsilon$匹配任何专家的性能。此外,我们将此结果推广至可能非线性的$Q^π$可实现的MDPs,代价是样本复杂度劣化为$\mathcal{O}(\varepsilon^{-4})$量级。最后,我们的分析提出了一种新的损失函数,用于在深度模仿学习中根据专家数据训练评论家网络。在标准基准测试上的实证评估表明,\SPOIL的神经网络实现优于行为克隆方法,并与最先进的算法具有竞争力。

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模仿学习是学习尝试模仿专家行为从而获取最佳性能的一系列任务。目前主流方法包括监督式模仿学习、随机混合迭代学习和数据聚合模拟学习等方法。模仿学习(Imitation Learning)背后的原理是是通过隐含地给学习器关于这个世界的先验信息,比如执行、学习人类行为。在模仿学习任务中,智能体(agent)为了学习到策略从而尽可能像人类专家那样执行一种行为,它会寻找一种最佳的方式来使用由该专家示范的训练集(输入-输出对)。当智能体学习人类行为时,虽然我们也需要使用模仿学习,但实时的行为模拟成本会非常高。与之相反,吴恩达提出的学徒学习(Apprenticeship learning)执行的是存粹的贪婪/利用(exploitative)策略,并使用强化学习方法遍历所有的(状态和行为)轨迹(trajectories)来学习近优化策略。它需要极难的计略(maneuvers),而且几乎不可能从未观察到的状态还原。模仿学习能够处理这些未探索到的状态,所以可为自动驾驶这样的许多任务提供更可靠的通用框架。
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