论文译稿

《TD-MPC2》中文译稿:面向连续控制的可扩展、稳健世界模型

ICLR 2024 论文 arXiv v2 中文译稿,含完整正文、10幅正文原图、附录A、E、H及对应图表与公式。

世界模型图谱 · 编辑整理基于已收录来源
本文目录 · 21 节

版本与译文说明

原题:TD-MPC2: Scalable, Robust World Models for Continuous Control(TD-MPC2:面向连续控制的可扩展、稳健世界模型)。作者:Nicklas Hansen、Hao Su、Xiaolong Wang,加利福尼亚大学圣迭戈分校;Su与Wang为共同指导作者。论文标注发表于ICLR 2024,本译稿固定采用2024年3月21日的arXiv v2。原始预印本首次提交于2023年10月25日。译者:世界模型图谱。

翻译范围为摘要、正文第1—6节、致谢及附录A、E、H,保留10幅正文原图、附录E图17,以及表1、7、8、9和对应公式。完整参考文献、附录B—D、F—G、I—K仍从原文阅读;正文对这些未译附录的指引按原文保留。附录H的架构代码按相同记号整理为组件及尺寸表,SimNorm代码按执行顺序译写。

正文中的“我们”均指原作者,比较结果与研究展望保留发表时语境。文中的DreamerV3基线指该实验采用的历史实现与设置,不能自动等同于本站译介的Nature 2025正式版。本站未独立复现这些实验。固定版本的arXiv许可链接为CC BY 4.0;译文为翻译及排版改编,也采用CC BY 4.0。原图保留图内文字、完整面板及比例,来源与署名集中于文末。

摘要

TD-MPC是一种基于模型的强化学习算法,在学到的隐式、无解码器世界模型的潜在空间中进行局部轨迹优化。本文提出TD-MPC2,对TD-MPC作出一系列改进。我们在覆盖4类不同任务域的104个在线强化学习任务中,展示TD-MPC2显著改善了相对基线的表现,以一组超参数持续取得较强结果。我们还表明,智能体能力随模型与数据规模增长,并成功训练了一个3.17亿参数的智能体,执行跨越多个任务域、身体与动作空间的80个任务。最后讨论大型TD-MPC2智能体带来的经验、机会与风险。视频、模型、数据与代码见原项目页。

图1:整体结果。右侧展示同一组超参数下,104个连续控制任务上的比较;其中Locomotion与Pick YCB是已有任务域中的困难子集,不能再次相加为总任务数。左侧展示一个3.17亿参数智能体执行跨领域、身体及动作空间的80项任务时的规模结果。

图1:整体结果。右侧展示同一组超参数下,104个连续控制任务上的比较;其中Locomotion与Pick YCB是已有任务域中的困难子集,不能再次相加为总任务数。左侧展示一个3.17亿参数智能体执行跨领域、身体及动作空间的80项任务时的规模结果。

1 引言

在互联网规模数据上训练大模型,已经产生能执行广泛语言与视觉任务的通用模型(Brown等,2020;He等,2022;Kirillov等,2023)。成功很大程度上来自海量数据,以及能随模型和数据规模可靠扩展的架构。研究者已把这种范式扩展到机器人,但从包含多种质量的大型未整理数据集中,通过低层动作学习多样控制任务、跨越不同身体的通用具身智能体,仍未实现。

我们认为,当前方法存在两个主要问题:一是行为克隆依赖接近专家水平的轨迹,严重限制可用数据;二是缺少可处理大规模未整理数据的可扩展连续控制算法。强化学习本来适合从这类数据中提取专家行为,但大多数算法为单任务设计,依赖逐任务超参数,又没有原则性的调参方法。能消化大型多任务数据的算法,必须对动作维度、探索难度和奖励分布等任务差异保持稳健。

图2:任务示例。TD-MPC2使用同一组超参数执行104项任务,从左到右为DMControl、Meta-World、ManiSkill2、MyoSuite;全部任务可视化见原文附录B。

图2:任务示例。TD-MPC2使用同一组超参数执行104项任务,从左到右为DMControl、Meta-World、ManiSkill2、MyoSuite;全部任务可视化见原文附录B。

TD-MPC2是朝这一目标迈出的一步:它面向包含多个任务域、身体、动作空间的大型混合质量数据,学习通用世界模型,数据可以来自从随机到熟练程度各异的行为策略,而不需要逐任务调参。它基于TD-MPC,在学到的隐式、无解码器世界模型潜在空间进行局部轨迹优化。以往TD-MPC家族虽已有很强的经验表现,但多局限于单任务,较少关注规模扩展。

如图1,简单增加TD-MPC的模型与数据规模,往往反而降低智能体表现,这在强化学习文献中并不少见。TD-MPC2则随规模提高持续改善能力。关键贡献有两个方面:重新审视核心设计、提高算法稳健性;谨慎设计能容纳多种身体与动作空间数据的架构,不依赖领域知识。得到的算法能以一组超参数用于不同单任务、多任务连续控制问题。

我们在DMControl、Meta-World、ManiSkill2、MyoSuite共104个连续控制任务上评估,包括最高39维动作空间、图像观察、稀疏奖励、多物体操作、生理学准确的肌肉骨骼控制,以及Dog、Humanoid等复杂运动。TD-MPC2以同一组超参数持续优于已有基于模型和无模型方法。图1中Locomotion与Pick YCB分别是DMControl、ManiSkill2的困难子集。我们还训练一个3.17亿参数世界模型执行80个多领域任务,并公开300多个模型检查点、数据集、训练及评估代码,最后讨论经验、机会与风险。

2 背景

强化学习希望通过与环境交互学习策略,环境形式化为马尔可夫决策过程(MDP)。本文关注连续动作空间的无限跨度MDP,以(S,A,T,R,γ)表示:s∈S为状态,a∈A为动作,T:S×A→S为转移函数,R:S×A→ℝ为任务奖励,γ为折扣因子。目标是找到控制策略π:S→A,使期望折扣奖励总和Eπ[Σₜ₌₀∞γᵗrₜ]最大,其中rₜ=R(sₜ,π(sₜ))。我们学习环境的世界模型,再用模型规划动作。

模型预测控制(MPC)是基于模型控制的一般框架,通过优化有限长度动作序列aₜ:ₜ₊H,使跨度H内回报最大或成本最小:π(sₜ)=argmax_aₜ:ₜ₊H E[Σᵢ₌₀ᴴγᵗ⁺ⁱR(sₜ₊ᵢ,aₜ₊ᵢ)]。(1)候选轨迹的回报由学到的模型模拟估计。这样的策略只在时间上局部最优,不能保证、也不太可能直接解决完整强化学习问题。TD-MPC2使用学到的终端价值函数,对跨度H之后的回报作自举估计,以处理这一局限。

3 TD-MPC2

TD-MPC2以TD-MPC为基础,在隐式世界模型的潜在空间进行局部轨迹优化。我们提出的一系列改进,使算法具有较强稳健性,能对所有任务采用同一组超参数,并将世界模型参数扩展到此前约300倍。下文介绍算法,附录A列出完整主要改进。

3.1 学习隐式世界模型

用重建、即解码目标学习生成式环境模型很有吸引力,因为学习信号丰富。然而,准确预测长时间跨度的原始未来观察,例如图像或本体感觉特征,很困难,也不一定带来有效控制。TD-MPC2不通过重建显式建模动力学,而是希望学到最大限度有用的模型:在动作序列条件下准确预测结果,即回报。

具体而言,我们结合联合嵌入预测、奖励预测与时序差分学习,从环境交互中学习以控制为中心的隐式世界模型,不解码观察。我们认为,这种表述是以适度模型规模建模大型数据集的关键。随后可在MPC框架下通过局部轨迹优化做决策。

图3:TD-MPC2架构。观察s被编码为归一化潜在表示z,模型循环预测动作â、奖励r̂与终端价值q̂,而不解码未来观察。

图3:TD-MPC2架构。观察s被编码为归一化潜在表示z,模型循环预测动作â、奖励r̂与终端价值q̂,而不解码未来观察。

式(2):TD-MPC2的五个组件
组件关系式作用
编码器z=h(s,e)把观察映射到潜在表示
潜在动力学z′=d(z,a,e)建模潜在前向动力学
奖励r̂=R(z,a,e)预测一次转移的奖励r
终端价值q̂=Q(z,a,e)预测折扣奖励总和,即回报
策略先验â=p(z,e)预测使Q最大的动作a*

s、a分别为状态和动作,z为潜在表示,e为多任务模型中的可学习任务嵌入。为简洁,后文除必要处省略e。策略先验p引导基于采样的轨迹优化器,并降低TD学习的计算成本。在线交互时,TD-MPC2维护含轨迹的回放缓冲B,迭代从B采样更新世界模型,再用模型规划以采集新数据。

模型目标。h、d、R、Q联合最小化:ℒ(θ)=E_(s,a,r,s′)₀:ᴴ∼B[Σₜ₌₀ᴴλᵗ{‖z′ₜ−sg(h(s′ₜ))‖₂²+CE(r̂ₜ,rₜ)+CE(q̂ₜ,qₜ)}]。(3)三项分别对应联合嵌入预测、奖励预测与价值预测。sg为停止梯度,qₜ≔rₜ+γQ̄(z′ₜ,p(z′ₜ))为TD目标,λ∈(0,1]降低更远时间步的权重。用于计算目标的Q̄是Q的指数移动平均。

任务奖励规模可能差异很大,因此TD-MPC2把奖励和价值预测写成对数变换空间中的离散回归,即多类分类;以rₜ、qₜ为软目标,最小化交叉熵。该方法参考Bellemare等(2017)、Kumar等(2023)、Hafner等(2023)。

策略目标。先验p是随机最大熵策略,原文将其目标写为最大化:ℒ_p(θ)=E_(s,a)₀:ᴴ∼B[Σₜ₌₀ᴴλᵗ{αQ(zₜ,p(zₜ))−βℋ(p(·|zₜ))}],zₜ₊₁=d(zₜ,aₜ),z₀=h(s₀)。(4)ℋ为p的熵,可闭式计算;梯度仅作用于p。数值估计与熵在不同数据集和训练阶段的规模可能变化很大,必须平衡,以避免熵过早坍塌。常见方法固定α、β之一,按熵目标或移动统计调整另一个。我们用移动统计调整α,经验上两种选择没有显著结果差异。

架构。所有组件使用MLP,中间线性层后接LayerNorm和Mish。为缓解梯度爆炸,将z分成L组固定维度的单纯形,用softmax归一化。相比离散表示或挤压函数,单纯形表示无需强制硬约束,就能自然偏向稀疏性,称为SimNorm。令每组维度为V,则z°=[g₁,…,g_L],每组gᵢ=softmax(zᵢ:ᵢ₊V/τ)。(5)方括号表示拼接,τ>0控制表示稀疏程度。实验将展示它对训练稳定性的重要性。

为降低TD目标偏差,我们用式(3)训练Q函数集合,对每个Q维护指数移动平均Q̄。实际使用5个Q函数,计算目标时随机取两个目标Q,再取其中较小值。

3.2 带策略先验的模型预测控制

TD-MPC2在学到的世界模型中规划,得到闭环控制策略。我们采用MPC进行局部轨迹优化,以模型预测路径积分(MPPI)为无梯度优化器,采样动作序列并用潜在轨迹滚动评估。每个决策步估计时间变化、对角协方差多元高斯分布的参数μ*、σ*,使期望回报最大:

(μ*,σ*)=argmax_(μ,σ) E_(aₜ,…,aₜ₊H)∼𝒩(μ,σ²)[γᴴQ(zₜ₊H,aₜ₊H)+Σ_h₌ₜᴴ⁻¹γʰR(z_h,a_h)]。(6)原式的索引与折扣记号在此保留,μ、σ∈ℝᴴˣᵐ,动作空间A⊂ℝᵐ。

反复从该高斯分布采样序列、评估期望回报、按加权平均更新μ和σ,求解式(6)。终端价值把H以后的回报自举进来,从而估计第2节完整强化学习目标。固定次数迭代后,只在环境执行第一个动作aₜ∼𝒩(μ*ₜ,σ*ₜ)。为加快收敛,一部分动作序列来自策略先验p;每步规划还用上一步解平移一位,作为热启动。更多规划细节见Hansen等(2022)。

3.3 训练通用 TD-MPC2 智能体

前述算法解释了单任务表现;要跨任务域、身体与动作空间训练一个大型通用智能体,还需回答:如何表示任务语义,如何在不依赖领域知识时容纳不同观察和动作空间,以及如何利用已学模型少样本适配新任务。

可学习任务嵌入。多任务智能体需要利用任务相似性的共同表示,同时保留测试时区分任务的能力。若有自然语言指令等任务或领域知识,e可以编码这些信息;一般情形不能假设这些知识存在,则从数据学习嵌入及隐含任务关系。TD-MPC2的五个组件都接受固定维度任务嵌入e,与其他参数联合训练。为提高稳定性,约束e的L2范数≤1;实验中也产生更语义连贯的嵌入。微调新任务时,可以用相近任务的嵌入初始化,也可以随机初始化。

动作屏蔽。面对不同观察、动作空间,TD-MPC2把全部模型输入和输出补零到各自最大维度,并在训练及推理时,屏蔽策略先验预测中的无效动作维度。这使无效维度的预测误差不影响TD目标,也避免较小动作空间的任务因额外维度而虚增策略熵。规划时同样只在有效维度采样动作。

4 实验

我们评估DMControl、Meta-World、ManiSkill2、MyoSuite共104项连续控制任务,包括最高39维动作、稀疏奖励、多物体操作、肌肉骨骼控制和复杂运动,难度跨度很大;另含10项基于图像观察的DMControl任务。我们公开300多个模型检查点、数据集、训练和评估代码。

  • 比较已有方法:在样本高效的连续控制上,与SAC、DreamerV3、TD-MPC相比如何?
  • 规模扩展:算法改进能否随模型与数据增长改善能力,一个智能体能否跨任务、身体、动作空间学习多样技能?
  • 分析:各设计怎样影响结果,规划贡献多大,任务嵌入是否有语义,大型多任务模型能否适配新任务?

主要基线为最大熵无模型actor–critic算法SAC;用生成式模型滚动训练无模型策略的DreamerV3;以及在隐式、非生成世界模型中规划的原始TD-MPC。视觉强化学习还与CURL、DrQ-v2比较,前者为SAC增加对比辅助目标,后者使用数据增强。SAC与TD-MPC采用逐任务超参数,TD-MPC2使用共同设置。

SAC、TD-MPC的批大小为512,TD-MPC2为256已能稳定学习;DreamerV3的更新/数据比(UTD)为512,TD-MPC2默认1。除非另作说明,TD-MPC2使用约500万参数模型;作为参照,DreamerV3基线约2000万可学习参数。实现设置详见附录H。

4.1 结果:与已有方法比较

图4:104项任务的单任务在线强化学习。横轴为环境步数,DMControl纵轴为回合回报,其余为成功率。TD-MPC2使用共同超参数设置,在这些任务域表现出更高数据效率和渐近表现。曲线为3个种子的均值与95%置信区间。

图4:104项任务的单任务在线强化学习。横轴为环境步数,DMControl纵轴为回合回报,其余为成功率。TD-MPC2使用共同超参数设置,在这些任务域表现出更高数据效率和渐近表现。曲线为3个种子的均值与95%置信区间。

我们先比较在线强化学习中104项任务的数据效率,汇总见图4。TD-MPC2在各任务域优于此前方法。MyoSuite尤其值得关注,因为在所报告实验之前,我们没有在这一基准运行TD-MPC2实验。高维运动和多物体操作等困难任务见图5、6。

图5:高维运动任务。Humanoid动作维度21,Dog为38,显示回报随环境步数变化。论文报告SAC、DreamerV3在Dog上容易数值不稳定,在Humanoid上数据效率低于TD-MPC2。均为3个种子的均值及95%置信区间。完整单任务结果见原文附录D。

图5:高维运动任务。Humanoid动作维度21,Dog为38,显示回报随环境步数变化。论文报告SAC、DreamerV3在Dog上容易数值不稳定,在Humanoid上数据效率低于TD-MPC2。均为3个种子的均值及95%置信区间。完整单任务结果见原文附录D。

图6:ManiSkill2的5项物体操作任务,纵轴为成功率。Pick YCB涉及YCB数据集的全部74个对象。TD-MPC2在困难任务中表现较强,曲线为3个种子的均值及95%置信区间。

图6:ManiSkill2的5项物体操作任务,纵轴为成功率。Pick YCB涉及YCB数据集的全部74个对象。TD-MPC2在困难任务中表现较强,曲线为3个种子的均值及95%置信区间。

这些任务中,TD-MPC2以共同超参数大幅超过基线。TD-MPC有时因梯度爆炸而发散,TD-MPC2仍稳定;逐任务梯度可视化见附录G。DreamerV3偶尔在Dog任务数值不稳定,并在抬起、抓取、堆叠等精细物体操作中整体较困难。完整结果见原文附录D。

4.1 结果:大规模多任务与模型扩展

为展示改进支持世界模型扩展,我们在80项多样任务上评估100万至3.17亿参数的5种多任务模型。任务跨领域、目标、身体与动作空间。训练数据来自240个单任务TD-MPC2智能体的回放缓冲,共5.45亿条转移,因此覆盖从随机到专家的不同质量行为。任务集由Meta-World全部50项任务,以及DMControl的30项任务组成,后者包含19项原任务和11项新任务。还单列DMControl 30项任务、3.45亿转移的规模结果。

得益于算法设计,扩大规模很直接:为提高收敛速度,批大小取单任务实验的4倍,即1024,其余超参数不变。图7展示规模结果。汇总分数是Meta-World各任务成功率与DMControl归一化到[0,100]回报的平均。两组数据上,能力持续随模型增大而提高;最大3.17亿参数模型尚未显露饱和,因此我们预计继续增大会改善结果。我们没有制定规模定律,但归一化分数似乎随参数量的对数线性增长。

图7:大规模多任务世界模型。左侧为80任务和30任务数据集上,归一化分数随模型规模的变化;右侧为80任务模型学得的任务嵌入的T-SNE可视化,红色为DMControl,绿色为Meta-World。全部坐标、数值与任务标签保留。

图7:大规模多任务世界模型。左侧为80任务和30任务数据集上,归一化分数随模型规模的变化;右侧为80任务模型学得的任务嵌入的T-SNE可视化,红色为DMControl,绿色为Meta-World。全部坐标、数值与任务标签保留。

表1:80任务数据集上的近似训练成本。单位为单张Nvidia GeForce RTX 3090上的GPU天,末列为训练结束的归一化分数。
参数量(百万)GPU天分数
13.716.0
54.249.5
195.357.1
481268.0
3173370.6

为理解多任务学习为何有效,我们检查图7的任务嵌入。Door Open与Door Close等语义相近任务在空间中靠近。不过,嵌入相似性似乎更贴近身体、对象等任务动力学,而不是walk、run这样的目标;这也符合动力学与控制密切相关的直觉。

4.1 结果:少样本、消融与视觉控制

少样本学习。虽然本文主要关注规模与稳健性,也探索预训练世界模型对未见任务的微调。先在DMControl、Meta-World共70项任务上预训练一个1900万参数模型,再对10项留出任务分别用在线强化学习微调整个模型,两个任务域各5项。微调从空回放缓冲开始,不改超参数。图8显示,在低数据区间,即2万环境步,约比从头学习改善两倍。这是有潜力的初步结果,新任务世界模型微调仍是开放研究问题,细节及曲线见附录E。2万步对应DMControl的20回合或Meta-World的100回合。

图8:少样本微调。1900万参数模型先在70项任务训练,再为10项留出任务分别在线微调2万环境步。3个种子汇总:从头学习24.0,微调47.0。

图8:少样本微调。1900万参数模型先在70项任务训练,再为10项留出任务分别在线微调2万环境步。3个种子汇总:从头学习24.0,微调47.0。

消融。我们分析actor选择、归一化、回归目标与Q函数数量,在3项最困难的在线任务及80任务大规模多任务训练中评估。图9表明,每项改进都对两种设置的稳健性与较强表现作出有意义贡献,设计的重要性关系也较一致。附录F还分析任务嵌入归一化,结果显示归一化嵌入对稳定训练有适度重要性,并使任务关系更有意义。

图9:主要消融。曲线为Dog Run、Humanoid Walk、Pick YCB三项任务汇总,3个随机种子均值与95%置信区间;柱状图为1900万参数、80任务模型的归一化分数。红色表示默认配置。更多消融见原文附录D、F。

图9:主要消融。曲线为Dog Run、Humanoid Walk、Pick YCB三项任务汇总,3个随机种子均值与95%置信区间;柱状图为1900万参数、80任务模型的归一化分数。红色表示默认配置。更多消融见原文附录D、F。

视觉强化学习。本文主要考虑使用本体感觉状态的高维连续控制,但也可更换输入模态。将编码器改为浅层卷积编码器后,在难度不同的10项DMControl图像任务上比较,图10显示TD-MPC2与表现最好的DrQ-v2、DreamerV3相当,而无须改动超参数。

图10:10项基于图像的DMControl任务,横轴为环境步数,纵轴为回合回报。TD-MPC2表现与强基线相当,曲线为3个随机种子的均值及95%置信区间。

图10:10项基于图像的DMControl任务,横轴为环境步数,纵轴为回合回报。TD-MPC2表现与强基线相当,曲线为3个随机种子的均值及95%置信区间。

5 经验、机会与风险

经验。强化学习算法长期对架构、超参数、任务特征甚至随机种子非常敏感,也缺少原则性的调参方法,因此深度强化学习的成功应用常需大型专家团队和大量计算。TD-MPC2与一些同期方法希望通过提高开源算法稳健性,降低小型学术团队、从业者及个人使用强化学习的门槛。我们相信,稳健性仍将深刻影响领域发展。一个关键经验是,社区还没有找到真正开箱即用、掌握一切的算法。DreamerV3在Atari、Minecraft等离散动作困难任务表现强,而TD-MPC2在困难连续控制上明显更好;扩展到离散动作仍是开放问题。

机会。规模结果展示了把大规模多任务世界模型用作通用模型的路径。多任务世界模型仍研究较少,已有工作暗示,TD-MPC2的隐式模型可能比重建方法更适合视觉变化大的任务。我们设想,未来隐式模型能零样本执行已见身体上的多样任务,微调到新身体,并与视觉语言模型结合,把高级认知与低层物理交互连接起来。结果有潜力,但这种泛化可能需要比当前多几个数量级的任务。

TD-MPC2虽依赖奖励,也可把奖励广义理解为任务完成度量。现实中已有成功标签、人类偏好、干预,或既有表征中当前观察与目标的嵌入距离等信号;但利用它们进行大规模预训练仍是开放问题。为加快研究,我们发布300多个模型,其中包括12个多任务模型,以及数据和代码。

风险。通用世界模型仍面临挑战:任务奖励设定不当可能产生难以预见的后果;在没有额外安全检查时,让学习模型不受约束地自主控制实体机器人,可能导致灾难性失败;一些应用所需的大规模数据,对小团队而言可能贵到无法取得,造成权力集中。缓解这些问题都需要新的研究。

致谢

本项目部分由NSF CAREER Award(2240160)、NSF TILOS AI Institute(2112665)、NSF CCF-2112665(TILOS)、NSF 1730158 CI-New:Cognitive Hardware and Software Ecosystem Community Infrastructure(CHASE-CI)、NSF ACI-1541349 CC*DNI Pacific Research Platform资助,并获Qualcomm捐赠支持。

附录 A:主要改进汇总

架构。TD-MPC2各组件在层间使用LayerNorm与Mish,潜在状态z用SimNorm,使表示倾向稀疏并保持较小L2范数。默认训练5个Q,每个Q第一层后加1% Dropout;TD目标取随机选出的两个目标Q的最小值。原TD-MPC不使用LayerNorm,采用ELU,不约束潜在状态,有时导致梯度爆炸;只训练2个Q,也不用Dropout。默认模型由约100万参数增至约500万,净增约400万;但图7表明,单纯放大TD-MPC并不能持续提高表现,TD-MPC2则可以。

策略先验。TD-MPC2用最大熵强化学习训练随机先验;TD-MPC则训练确定策略,再向动作加入高斯噪声。精心调节的高斯噪声调度与最大熵先验结果可比,但最大熵更容易采用与任务无关的超参数。多动作空间任务中,只对有效维度计算熵。

规划。总体沿用TD-MPC,但去掉迭代间动量,结果相当、实现更简单;代码层优化使规划吞吐约提高两倍。

模型目标。TD-MPC2在对数变换空间对奖励、价值作离散回归,使用软交叉熵,使这两项损失的规模不依赖任务奖励大小。TD-MPC使用连续回归,在奖励较大任务可能不稳定;单任务中可用移动统计归一奖励缓解,但很难设计稳健的多任务归一方案。联合嵌入仍保留连续回归,因为SimNorm已归一潜在表示,而高维空间离散回归成本很高,每维都需要N个分箱。

多任务模型。引入所有组件均使用的归一化可学习任务嵌入,以补零和动作屏蔽容纳多种观察、动作空间;训练大量任务,再通过在线强化学习微调到跨身体的留出任务。原TD-MPC只研究少量、共享观察与动作空间的多任务学习,也不研究多任务模型微调。

算法与实现简化。移除MPPI动量,以均匀采样代替优先经验回放,不显著改变结果;使用多工作进程采样的更快回放缓冲,并通过Q集合向量化等代码优化提高训练和规划吞吐。虽然架构更大,TD-MPC2的墙钟时间与TD-MPC相当。

附录 E:少样本实验结果

我们将70项任务训练的1900万参数模型,分别微调到10个留出任务,单任务曲线见图17。与相近容量、从头训练的基线比较数据效率。不过,1900万参数从头训练的表现,与同样从头训练的500万模型相近。少样本结果显示微调效果有一定任务依赖;还需要更多研究确定原因是任务相似性,还是预训练智能体在源任务表现不佳。我们推测两者都可能影响结果。

为未见任务微调时,用预训练数据中语义相近任务的嵌入初始化新任务e。表7列出配对;没有实验其他初始化方案或任务配对。

图17:少样本学习。将70任务预训练的1900万参数TD-MPC2模型微调到10项留出任务;DMControl纵轴为归一化回合回报,Meta-World为成功率。2万步对应前者20回合、后者100回合。曲线与阴影为3个种子的均值与95%置信区间。

图17:少样本学习。将70任务预训练的1900万参数TD-MPC2模型微调到10项留出任务;DMControl纵轴为归一化回合回报,Meta-World为成功率。2万步对应前者20回合、后者100回合。曲线与阴影为3个种子的均值与95%置信区间。

表7:少样本微调的任务嵌入初始化。任务名保留原基准名称,未测试其他初始化或配对。
目标任务源任务
Walker RunWalker Walk
Cheetah RunCheetah Run Backwards
Hopper HopHopper Stand
Pendulum SwingupPendulum Spin
Reacher HardReacher Easy
Bin PickingBin Picking
Box CloseAssembly
Door LockDoor Open
Door UnlockDoor Open
Hand InsertSweep Into

附录 H:架构与实现细节

全部组件为MLP。编码器h随模型规模有2—5层,其余组件为3层MLP。中间层为线性层、LayerNorm、Mish,潜在表示归一为单纯形嵌入,Q额外使用Dropout。下表按原文类似PyTorch的代码记号,保留默认500万参数配置。原代码中S表示输入维度,T用于任务相关维度记号,A为动作空间;单任务去掉任务嵌入。原文参数计数给定S=39、任务数80、A=6,任务嵌入输出维度为96。

默认5M配置:按原架构代码整理
组件结构或层宽其他设置
任务嵌入Embedding(T,96,max_norm=1)任务向量最大范数1
状态编码器S+T → 256 → 512中间Mish,输出SimNorm
动力学512+T+A → 512 → 512 → 512前两层Mish,输出SimNorm
奖励512+T+A → 512 → 512 → 101中间Mish,末层Linear
策略512+T → 512 → 512 → 2A中间Mish,末层带偏置
Q函数集合5×(512+T+A → 512 → 512 → 101)首层Dropout=0.01,中间Mish,末层带偏置

译注:上表尺寸表达式中的T沿用原代码。原代码文字把T称为任务数,但任务嵌入的输出维度为96;这两个量不能在自行实现时直接混用。此处保留原文记号,同时将已明确的任务数和嵌入维度分别列出。

原文给定配置的精确参数计数
组件参数数
编码器167,936
动力学843,264
奖励631,397
策略582,668
Q函数3,156,985
任务7,680
总计5,389,930

超参数。不同任务使用同一组配置,见表8;部分实际数值由共同启发式自动设定。TD-MPC与SAC沿用Hansen等(2022)的设置,DreamerV3使用固定设置。

表8:TD-MPC2超参数。部分参数由启发式自动设定。
部分超参数取值
规划跨度H3
规划迭代数6;动作维度≥20时再加2
规划种群大小512
规划策略先验样本数24
规划精英数64
规划最小标准差0.05
规划最大标准差2
规划温度0.5
规划动量No
策略先验最小log标准差−10
策略先验最大log标准差2
回放缓冲容量1,000,000
回放缓冲采样均匀
架构5M编码器维度256
架构5MMLP维度512
架构5M潜在状态维度512
架构5M任务嵌入维度96
架构5M任务嵌入范数1
架构5M激活LayerNorm+Mish
架构5MQ函数Dropout1%
架构5MQ函数数5
架构5M奖励/价值分箱数101
架构5MSimNorm维度V8
架构5MSimNorm温度τ1
优化更新/数据比1
优化批大小256
优化联合嵌入系数20
优化奖励预测系数0.1
优化价值预测系数0.1
优化时间系数λ0.5
优化Q移动平均系数0.99
优化策略先验熵系数1×10⁻⁴
优化策略先验损失归一化移动的5%、95%分位数
优化优化器Adam
优化学习率3×10⁻⁴
优化编码器学习率1×10⁻⁴
优化梯度裁剪范数20
优化折扣因子启发式
优化初始采集步数启发式

附录 H:启发式、模型配置与 SimNorm

折扣因子按γ=clip(((T/5)−1)/(T/5),[0.95,0.995])设置。(7)这里T为动作重复后预期回合长度。DMControl的T=500,对应常用γ=0.99。短回合任务取较低折扣,长回合任务取较高折扣。本文任务均为固定回合长度的无限跨度MDP;多任务训练对各任务分别按该规则设折扣。回合长度可变或未知时,建议用经验平均长度、合理估计,或直接γ=0.99。为公平,TD-MPC与SAC也用相同折扣。

开始任何梯度更新前的初始环境采集步数为S=max(5T,1000)。(8)T仍为动作重复后预期回合长度。我们未实验其他启发式或常数,但推测它能在不同回合长度下为模型学习提供足够缓冲数据。

多任务实验的模型从100万到3.17亿参数。通过改变全连接宽度、潜在状态维度、编码器层数和Q函数数量扩大规模;除此之外,不改架构与超参数。具体配置见表9,所有规模计算TD目标时仍随机取两个Q;未实验其他模型配置。

表9:多任务模型配置。5M为单任务在线强化学习默认配置。
配置1M5M(默认)19M48M317M
编码器维度256256102417924096
MLP维度384512102417924096
潜在状态维度1285127687681376
编码器层数22345
Q函数数25558
任务嵌入维度9696969696

单纯形归一化SimNorm把z分成L组固定维度向量,各组经softmax成为单纯形。它自然偏向稀疏,但不施加离散或其他硬约束。可把它理解为VQ-VAE向量类别表示的“软”版本:VQ-VAE每组用独热离散编码,SimNorm每组为总和1的连续值;这类似softmax对argmax的松弛。实验不调整温度,但温度提供在两种极端间变化的机制。原文随后写道,τ→∞会得到独热编码,τ=0会得到均匀常量编码、阻碍信息传播。

译注:上一句极限方向与原文式(5)的softmax(z/τ)不一致。按该公式,对非并列最大值,τ→0⁺趋向独热选择,τ→∞趋向均匀分布。原论文文字按原样译出,此处单独说明,不把修正混入作者结论。

SimNorm代码执行顺序:记录z原形状;将最后一维重排为若干个维度V=8的分组;对每组最后一维作softmax;再恢复原形状。组数L可由V和z维度推得。softmax可选地由温度τ调节,每组变成单纯形。

附录 H:视觉输入与基线实现

视觉强化学习。图10实验将默认MLP编码器换为4层浅卷积编码器,图像64×64,并按此前工作施加随机平移增强。较低分辨率用于降低计算并与基线公平比较;此前研究已展示TD-MPC支持9×224×224输入。

TD-MPC基线使用官方实现nicklashansen/tdmpc,默认世界模型约100万参数,逐任务超参数。在DMControl和Meta-World有推荐值时沿用;Dog、Humanoid需调整规划迭代、潜在维度、批大小和学习率。完整列表见原论文。

DreamerV3基线使用danijar/dreamerv3官方重实现,沿用作者对DMControl本体感觉控制的建议,使用S尺寸、约2000万参数,以及UTD=512;全部任务都采用相同尺寸与UTD,完整超参数见原论文。

SAC基线沿用TD-MPC论文的选择,使用denisyarats/pytorch_sac实现,有作者推荐参数时采用;Dog、Humanoid调整潜在维度、学习率和批大小。完整列表见相应论文。

原文与来源

图片:Nicklas Hansen、Hao Su、Xiaolong Wang · TD-MPC2(2024)· CC BY 4.0 · 原图未改动

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