18|强化学习前沿:离线强化学习之CQL
H 博士 & 袁从德

你好!欢迎来到强化学习的第十八讲。这节课我们深入学习离线强化学习的另一个代表算法——CQL。
通过本节课的学习,你将能够:
深入理解 CQL 算法的设计哲学:为何要引入保守性正则项?它是如何抑制 Q 值过高估计、缓解分布偏移问题的?
CQL 算法详解
在强化学习的实际落地进程中,如何高效盘活已收集的大规模数据集是一项关键挑战。离线强化学习算法的核心使命,便是从静态数据集中学习有效策略,且无需与环境开展实时交互。但在实践应用中,离线强化学习方法始终面临一个突出难题:标准的离策略(off-policy)强化学习方法往往会因数据集与学习策略之间的价值分布漂移而失效,这一问题在数据分布复杂或具有多模态特性的场景中表现得尤为明显。
为攻克这一难题,2020 年 Aviral Kumar 在其研究论文《Conservative Q-Learning for Offline Reinforcement Learning》中提出了保守 Q 学习(Conservative Q-learning, CQL)方法。该方法通过学习一个保守的 Q 函数,确保策略在该 Q 函数下的期望值能够成为其真实价值期望的下界,进而从根本上缓解价值分布漂移带来的负面影响。
这一创新设计不仅为离线强化学习的稳定性提供了理论支撑,更通过对 Q 函数的保守性约束,为复杂数据场景下的策略学习筑牢了可靠性基础,有效填补了传统离策略方法在离线场景中的性能短板。
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1. CQL算法是离线强化学习的代表算法,通过引入保守性正则项来抑制Q值过高估计、缓解分布偏移问题。 2. 该算法通过学习一个保守的Q函数,确保策略在该Q函数下的期望值能够成为其真实价值期望的下界,从根本上缓解价值分布漂移带来的负面影响。 3. CQL算法的核心技术设计围绕“如何构建合理的保守性约束”展开,具体包括对Q值的正则化约束与目标函数的整体设计。 4. 保守性约束Q值是CQL的核心思想,通过对Q值进行保守性约束,限制估计的Q值在某个合理的范围内,确保估计值函数更加保守,降低分布偏移带来的不良影响。 5. CQL的目标函数形式为在标准Q学习目标函数的基础上,添加了保守性正则化项,通过调整正则化系数,可以灵活调节保守程度,实现最优的策略学习效果. 6. CQL算法的代理类包含了对Q网络、策略网络、优化器、经验回放、熵调节等方面的实现和参数设置。 7. 代理类中的学习方法包括了更新策略网络、更新alpha、更新Q网络、软更新目标网络等步骤,涵盖了算法的核心学习过程。 8. 代理类中的动作选择方法包括了根据状态选择动作、根据策略网络输出选择动作等步骤,展示了算法在实际环境中的应用。 9. CQL算法通过保守性Q值估计,缓解了离线强化学习中的分布偏移和值函数过估计问题,具有在高风险、数据稀缺或交互成本极高的领域发挥作用的潜力。
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