Multi-objective sequential decision making

par Weijia Wang

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Michèle Sebag et de Marc Shoenauer.

Soutenue le 11-07-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Informatique de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de TAO (laboratoire) .

  • Titre traduit

    La prise de décisions séquentielles multi-objectif


  • Résumé

    La présente thèse porte sur l'étude de prise de décisions séquentielles multi-Objectif (MOSDM). La motivation de ce travail est double. D'un côté, la prise de décision, par exemple, dans les domaines de robotique et de planification, concerne l'optimisation séquentielle. De l'autre côté, nombreuses applications dans le monde réel sont plus naturellement formulés en termes d'optimisation multi-Objectif (MOO). La méthode proposée dans la thèse adapte le cadre bien connue de recherche Monte-Carlo arborescente (MCTS) à l'optimisation multi-Objectif, dans lequel multiple séquences de décision optimales sont développées dans un seul arbre de recherche. Le principal défi est de proposer une nouvelle récompense, capable de guider l'exploration de l'arbre bien que le problème de MOO n'applique pas un ordre total entre les solutions. La contribution principale de cette thèse est de proposer et d'étudier expérimentalement ces deux récompenses : l'indicateur de hypervolume et la récompense de dominance Pareto, qui sont inspirées de la littérature de MOO et basés sur une archive de solutions antérieures (archives Pareto). L'étude montre la complémentarité de ces deux récompenses. L'indicateur de hypervolume souffre de sa complexité algorithmique. Cependant, cet indicateur fournit des informations à grains fins de la qualité des solutions à l'égard de l'archive actuelle. Bien au contraire, la complexité de la récompense de dominance Pareto est linéaire, mais cette récompense fournit des informations de plus en plus rare au long de la recherche. Les preuves de principe de l'approche sont donnés sur les problèmes articiaux et les défis internationaux, et confirment la valeur de l'approche. En particulier, MOMCTS est capable de découvrir les politiques se trouvant dans les régions non-Convexes du front Pareto, qui contraste avec l'état de l'art: les algorithmes d'apprentissage par renforcement multi-Objectif existants sont basés sur scalarization linéaire et donc ne sont pas capables de explorer ces régions non-Convexes. Enfin, MOMCTS a fait honorablement la concurrence avec l'état de l'art sur la compétition internationale de MOPTSP 2013.


  • Résumé

    This thesis is concerned with multi-Objective sequential decision making (MOSDM). The motivation is twofold. On the one hand, many decision problems in the domains of e.g., robotics, scheduling or games, involve the optimization of sequences of decisions. On the other hand, many real-World applications are most naturally formulated in terms of multi-Objective optimization (MOO). The proposed approach extends the well-Known Monte-Carlo tree search (MCTS) framework to the MOO setting, with the goal of discovering several optimal sequences of decisions through growing a single search tree. The main challenge is to propose a new reward, able to guide the exploration of the tree although the MOO setting does not enforce a total order among solutions. The main contribution of the thesis is to propose and experimentally study two such rewards, inspired from the MOO literature and assessing a solution with respect to the archive of previous solutions (Pareto archive): the hypervolume indicator and the Pareto dominance reward. The study shows the complementarity of these two criteria. The hypervolume indicator suffers from its known computational complexity; however the proposed extension thereof provides fine-Grained information about the quality of solutions with respect to the current archive. Quite the contrary, the Pareto-Dominance reward is linear but it provides increasingly rare information. Proofs of principle of the approach are given on artificial problems and challenges, and confirm the merits of the approach. In particular, MOMCTS is able to discover policies lying in non-Convex regions of the Pareto front, contrasting with the state of the art: existing Multi-Objective Reinforcement Learning algorithms are based on linear scalarization and thus fail to sample such non-Convex regions. Finally MOMCTS honorably competes with the state of the art on the 2013 MOPTSP competition.


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