把网络深度扩展到1000层,能提升自监督强化学习吗?

对比式强化学习扩展到1024层,目标达成性能提升2至50倍,但依赖算法与在线设定。

直接答案

能,但有条件。在既无奖励也无示范的无监督目标条件设定中,论文显示把对比式强化学习网络从常见的4层加深到64层、部分任务到1024层,可使模拟的移动与操作任务的目标达成性能提升约2至50倍。这种提升并不普遍:它取决于自监督对比式强化学习算法,表现为在随环境而异的关键深度处跃升,并且在论文测试的离线设定中没有延续。

1篇文献引用

本文由 WisPaper 驱动的搜索和论文分析生成。

没有奖励时,智能体必须自己找到目标

论文研究的是无监督目标条件设定。智能体既没有示范,也没有奖励函数;它必须从零开始探索,并学习最大化到达指定目标的概率。性能以智能体在1000个时间步中停留在目标附近的时间步数衡量,单个报告分数取训练最后五个轮次的平均值。

这一设定决定了如何理解下文每个数字。这里的提升意味着在模拟中停留在指定目标附近的时间更长,而不是奖励驱动的分数;而且智能体必须通过自身探索发现行为,而不是模仿示范者。

深度指联合扩展的Dense层数量

论文把网络深度定义为所有残差块中Dense层的总数。每个残差块重复四个单元,每个单元由Dense层、Layer Normalization和Swish激活组成,残差连接加在残差块最后一次激活之后。在全部主要实验中,深度指actor网络和两个critic编码器网络,三者一起扩展;只有后面一项消融实验把它们分开。

基线是4层MLP,这也是JaxGCRL基准和相关先前工作使用的深度。研究随后测试8、16、32和64层,并在最难的人形迷宫任务上扩展到256层和1024层。要稳定训练这么深的网络,需要残差连接、层归一化和Swish激活;消融实验报告,去掉层归一化后性能明显变差,用ReLU扩展也会妨碍可扩展性。

不同任务的提升从2倍到50倍

与4层模型相比,更深的网络在机器人操作任务上带来2至5倍提升,在Ant U4-Maze和Ant U5-Maze等长时程迷宫任务上带来超过20倍提升,在人形任务上带来超过50倍提升。论文的表格给出了具体差距:Arm Push Easy从308个到达目标时间步升到762(2.5倍),Ant U4-Maze从11.4升到286(25倍),Humanoid从12.6升到649(52倍),Humanoid Big Maze从0.06升到59(1051倍)。

作者指出,观测维度最大的任务受益最多。与外部基线相比,扩展后的对比式强化学习在10个环境中的8个优于SAC、SAC+HER、TD3+HER、GCBC和GCSL。例外是人形迷宫环境中的SAC,它早期样本效率更高,不过扩展后的对比式强化学习最终达到相当的性能。

性能在随环境而异的关键深度处跃升

提升并不平滑。性能不是逐渐改善,而是在达到某个关键深度阈值后出现明显跃升,这个阈值随环境变化,从Ant Big Maze的8层到Humanoid U-Maze的64层。在人形迷宫上,256层和1024层还出现进一步跃升。

作者把这些跃升与质上不同的学习行为联系起来。4层的人形智能体会倒下或朝目标扑过去;到16层,它能直立走进目标;在Humanoid U-Maze中,64层时它挣扎并摔倒;到256层,它向前折叠成有杠杆作用的姿势把自己推过墙,并转为坐姿越过障碍物。论文称,据其所知,这是首个在humanoid环境中记录到这类行为的目标条件方法。

深度对对比式强化学习的帮助大于宽度或其他算法

论文比较了扩展宽度与扩展深度。先前工作提示宽度可以提升性能,但在这里深度带来更有力的提升;在Humanoid环境中,报告的比较在参数量相当时更支持深度。

深度扩展也与算法绑定。SAC、SAC+HER和TD3+HER在超过四层后没有收益,这与先前发现一致;GCSL和GCBC在Humanoid和Ant Big Maze上无法取得有意义的性能。一个例外是Arm Push Easy上的GCBC,它随深度提升。作者由此认为,自监督对比式强化学习算法对这一效应至关重要。另一项使用准度量CMD-1架构的测试发现,扩展收益并不限于单一网络参数化,但它在Ant U5-Maze上的糟糕表现说明,要实现一致的扩展还需要更多工作。

actor与critic扩展在不同任务中作用不同

一项消融实验分别扩展actor和critic。在Arm Push Easy中,扩展critic更有效;在Ant Big Maze中,actor更重要;在Humanoid中,两者都需要扩展。作者将此解读为actor和critic的扩展在对比式强化学习中相互补充。

对想复现这些提升的人来说,这是一个实际区别:把所有部分一起扩展的总方案并非在每个环境中都同等重要,论文自己的网格显示,只加深actor或只加深critic都可能留下可观的性能空间。

离线目标条件强化学习收益很小

正面结果来自在线训练。在OGBench上的初步离线实验中,论文几乎没有发现证据表明加深对比式强化学习网络能提升性能。在把actor保持在4层或8层、只扩展critic深度,以及对critic编码器最后几层做冷初始化的消融中,基线4层网络仍常常取得最高成功率。

另一项在三个OGBench环境上的离线测试报告,深度从4扩展到64时,三个环境中有两个性能大幅下降,antmaze-medium-stitch-v0略有改善。离线GCBC在antmaze-medium-stitch上确实随深度扩展,而行为克隆和QRL结果为负。作者把让方法适配离线目标条件强化学习列为未来工作。

计算成本决定采用深度的优先级

论文自述的主要限制是扩展深度会带来计算成本。这把结果重新定位为一种权衡而非免费收益:报告的最大提升,例如Humanoid上的52倍和Humanoid Big Maze上的1051倍,来自最深的网络;而1024层的运行需要把actor保持在512层,因为actor损失在训练开始时爆炸。

因此最有用的解读取决于任务和设定。如果任务是观测维度较大的在线无监督目标条件问题,且算法是对比式强化学习,那么深度就是论文指出的杠杆,需要关注关键阈值,而不是期待平滑回报。如果设定是离线,或者算法是基于TD或基于模仿的基线,论文的证据不支持期待同样的跃升。

本文引用的文献

1

1000 Layer Networks for Self-Supervised RL: Scaling Depth Can Enable New Goal-Reaching Capabilities

把对比式强化学习网络深度从4层增加到64层、并在人形迷宫上增加到1024层,可使模拟的移动与操作任务的目标达成性能提升2至50倍,提升表现为在随环境而异的关键深度处跃升。