Robust Preference Learning-based Reinforcement Learning

par Riad Akrour

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Michèle Sebag et de Marc Schoenauer.

Soutenue le 30-09-2014

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

  • Titre traduit

    Apprentissage par renforcement robuste reposant sur l'apprentissage par préférences


  • Résumé

    Les contributions de la thèse sont centrées sur la prise de décisions séquentielles et plus spécialement sur l'Apprentissage par Renforcement (AR). Prenant sa source de l'apprentissage statistique au même titre que l'apprentissage supervisé et non-supervisé, l'AR a gagné en popularité ces deux dernières décennies en raisons de percées aussi bien applicatives que théoriques. L'AR suppose que l'agent (apprenant) ainsi que son environnement suivent un processus de décision stochastique Markovien sur un espace d'états et d'actions. Le processus est dit de décision parce que l'agent est appelé à choisir à chaque pas de temps du processus l'action à prendre. Il est dit stochastique parce que le choix d'une action donnée en un état donné n'implique pas le passage systématique à un état particulier mais définit plutôt une distribution sur l'espace d'états. Il est dit Markovien parce que cette distribution ne dépend que de l'état et de l'action courante. En conséquence d'un choix d'action, l'agent reçoit une récompense. Le but de l'AR est alors de résoudre le problème d'optimisation retournant le comportement qui assure à l'agent une récompense maximale tout au long de son interaction avec l'environnement. D'un point de vue pratique, un large éventail de problèmes peuvent être transformés en un problème d'AR, du Backgammon (cf. TD-Gammon, l'une des premières grandes réussites de l'AR et de l'apprentissage statistique en général, donnant lieu à un joueur expert de classe internationale) à des problèmes de décision dans le monde industriel ou médical. Seulement, le problème d'optimisation résolu par l'AR dépend de la définition préalable d'une fonction de récompense adéquate nécessitant une expertise certaine du domaine d'intérêt mais aussi du fonctionnement interne des algorithmes d'AR. En ce sens, la première contribution de la thèse a été de proposer un nouveau cadre d'apprentissage, allégeant les prérequis exigés à l'utilisateur. Ainsi, ce dernier n'a plus besoin de connaître la solution exacte du problème mais seulement de pouvoir désigner entre deux comportements, celui qui s'approche le plus de la solution. L'apprentissage se déroule en interaction entre l'utilisateur et l'agent. Cette interaction s'articule autour des trois points suivants : i) L'agent exhibe un nouveau comportement ii) l'expert le compare au meilleur comportement jusqu'à présent iii) l'agent utilise ce retour pour mettre à jour son modèle des préférences puis choisit le prochain comportement à démontrer. Afin de réduire le nombre d'interactions nécessaires entre l'utilisateur et l'agent pour que ce dernier trouve le comportement optimal, la seconde contribution de la thèse a été de définir un critère théoriquement justifié faisant le compromis entre les désirs parfois contradictoires de prendre en compte les préférences de l'utilisateur tout en exhibant des comportements suffisamment différents de ceux déjà proposés. La dernière contribution de la thèse est d'assurer la robustesse de l'algorithme face aux éventuelles erreurs d'appréciation de l'utilisateur. Ce qui arrive souvent en pratique, spécialement au début de l'interaction, quand tous les comportements proposés par l'agent sont loin de la solution attendue.


  • Résumé

    The thesis contributions resolves around sequential decision taking and more precisely Reinforcement Learning (RL). Taking its root in Machine Learning in the same way as supervised and unsupervised learning, RL quickly grow in popularity within the last two decades due to a handful of achievements on both the theoretical and applicative front. RL supposes that the learning agent and its environment follow a stochastic Markovian decision process over a state and action space. The process is said of decision as the agent is asked to choose at each time step an action to take. It is said stochastic as the effect of selecting a given action in a given state does not systematically yield the same state but rather defines a distribution over the state space. It is said to be Markovian as this distribution only depends on the current state-action pair. Consequently to the choice of an action, the agent receives a reward. The RL goal is then to solve the underlying optimization problem of finding the behaviour that maximizes the sum of rewards all along the interaction of the agent with its environment. From an applicative point of view, a large spectrum of problems can be cast onto an RL one, from Backgammon (TD-Gammon, was one of Machine Learning first success giving rise to a world class player of advanced level) to decision problems in the industrial and medical world. However, the optimization problem solved by RL depends on the prevous definition of a reward function that requires a certain level of domain expertise and also knowledge of the internal quirks of RL algorithms. As such, the first contribution of the thesis was to propose a learning framework that lightens the requirements made to the user. The latter does not need anymore to know the exact solution of the problem but to only be able to choose between two behaviours exhibited by the agent, the one that matches more closely the solution. Learning is interactive between the agent and the user and resolves around the three main following points: i) The agent demonstrates a behaviour ii) The user compares it w.r.t. to the current best one iii) The agent uses this feedback to update its preference model of the user and uses it to find the next behaviour to demonstrate. To reduce the number of required interactions before finding the optimal behaviour, the second contribution of the thesis was to define a theoretically sound criterion making the trade-off between the sometimes contradicting desires of complying with the user's preferences and demonstrating sufficiently different behaviours. The last contribution was to ensure the robustness of the algorithm w.r.t. the feedback errors that the user might make. Which happens more often than not in practice, especially at the initial phase of the interaction, when all the behaviours are far from the expected solution.

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