在安全关键设置中运行的自治系统的控制器必须考虑随机扰动。这种干扰通常被建模为过程噪声，并且常见的假设是底层分布是已知的和/或高斯的。然而，在实践中，这些假设可能是不现实的并且可以导致真正噪声分布的近似值。我们提出了一种新的规划方法，不依赖于噪声分布的任何明确表示。特别是，我们解决了计算控制器的控制器，该控制器提供了安全地到达目标的概率保证。首先，我们将连续系统摘要进入一个离散状态模型，通过状态之间的概率转换捕获噪声。作为关键贡献，我们根据噪声的有限数量的样本来调整这些过渡概率的方案方法中的工具。我们在所谓的间隔马尔可夫决策过程（IMDP）的转换概率间隔中捕获这些界限。该IMDP在过渡概率中的不确定性稳健，并且可以通过样本的数量来控制概率间隔的紧张性。我们使用最先进的验证技术在IMDP上提供保证，并计算这些保证对自主系统的控制器。即使IMDP有数百万个州或过渡，也表明了我们方法的实际适用性。

我们研究了由测量和过程噪声引起的不确定性的动态系统的规划问题。测量噪声导致系统状态可观察性有限，并且过程噪声在给定控制的结果中导致不确定性。问题是找到一个控制器，保证系统在有限时间内达到所需的目标状态，同时避免障碍物，至少需要一些所需的概率。由于噪音，此问题不承认一般的精确算法或闭合性解决方案。我们的主要贡献是一种新颖的规划方案，采用卡尔曼滤波作为状态估计器，以获得动态系统的有限状态抽象，我们将作为马尔可夫决策过程（MDP）正式化。通过延长概率间隔的MDP，我们可以增强模型对近似过渡概率的数值不精确的鲁棒性。对于这种所谓的间隔MDP（IMDP），我们采用最先进的验证技术来有效地计算最大化目标状态概率的计划。我们展示了抽象的正确性，并提供了几种优化，旨在平衡计划的质量和方法的可扩展性。我们展示我们的方法能够处理具有6维状态的系统，该系统导致具有数万个状态和数百万个过渡的IMDP。

Capturing uncertainty in models of complex dynamical systems is crucial to designing safe controllers. Stochastic noise causes aleatoric uncertainty, whereas imprecise knowledge of model parameters leads to epistemic uncertainty. Several approaches use formal abstractions to synthesize policies that satisfy temporal specifications related to safety and reachability. However, the underlying models exclusively capture aleatoric but not epistemic uncertainty, and thus require that model parameters are known precisely. Our contribution to overcoming this restriction is a novel abstraction-based controller synthesis method for continuous-state models with stochastic noise and uncertain parameters. By sampling techniques and robust analysis, we capture both aleatoric and epistemic uncertainty, with a user-specified confidence level, in the transition probability intervals of a so-called interval Markov decision process (iMDP). We synthesize an optimal policy on this iMDP, which translates (with the specified confidence level) to a feedback controller for the continuous model with the same performance guarantees. Our experimental benchmarks confirm that accounting for epistemic uncertainty leads to controllers that are more robust against variations in parameter values.

Automated synthesis of provably correct controllers for cyber-physical systems is crucial for deploying these systems in safety-critical scenarios. However, their hybrid features and stochastic or unknown behaviours make this synthesis problem challenging. In this paper, we propose a method for synthesizing controllers for Markov jump linear systems (MJLSs), a particular class of cyber-physical systems, that certifiably satisfy a requirement expressed as a specification in probabilistic computation tree logic (PCTL). An MJLS consists of a finite set of linear dynamics with unknown additive disturbances, where jumps between these modes are governed by a Markov decision process (MDP). We consider both the case where the transition function of this MDP is given by probability intervals or where it is completely unknown. Our approach is based on generating a finite-state abstraction which captures both the discrete and the continuous behaviour of the original system. We formalise such abstraction as an interval Markov decision process (iMDP): intervals of transition probabilities are computed using sampling techniques from the so-called "scenario approach", resulting in a probabilistically sound approximation of the MJLS. This iMDP abstracts both the jump dynamics between modes, as well as the continuous dynamics within the modes. To demonstrate the efficacy of our technique, we apply our method to multiple realistic benchmark problems, in particular, temperature control, and aerial vehicle delivery problems.

在安全关键方案中利用自主系统需要在存在影响系统动态的不确定性和黑匣子组件存在下验证其行为。在本文中，我们开发了一个框架，用于验证部分可观察到的离散时间动态系统，从给定的输入输出数据集中具有针对时间逻辑规范的未暗模式可分散的动态系统。验证框架采用高斯进程（GP）回归，以了解数据集中的未知动态，并将连续空间系统抽象为有限状态，不确定的马尔可夫决策过程（MDP）。这种抽象依赖于通过使用可重复的内核Hilbert空间分析以及通过离散化引起的不确定性来捕获由于GP回归中的错误而捕获不确定性的过渡概率间隔。该框架利用现有的模型检查工具来验证对给定时间逻辑规范的不确定MDP抽象。我们建立将验证结果扩展到潜在部分可观察系统的抽象结果的正确性。我们表明框架的计算复杂性在数据集和离散抽象的大小中是多项式。复杂性分析说明了验证结果质量与处理较大数据集和更精细抽象的计算负担之间的权衡。最后，我们展示了我们的学习和验证框架在具有线性，非线性和切换动力系统的几种案例研究中的功效。

深度加强学习是一种越来越流行的技术，用于综合政策以控制代理商与其环境的互动。正式验证此类策略是否正确并安全执行，并且安全地执行兴趣。通过建立现有工作来验证深神经网络和连续状态动态系统的现有工作，已经在这方面取得了进展。在本文中，我们解决了验证深度加强学习的概率政策的问题，这些政策用于例如解决对抗性环境，破坏对称和管理权衡。我们提出了一种基于间隔马尔可夫决策过程的抽象方法，它会产生策略的执行上的概率保证，并使用抽象解释，混合整数线性编程，基于熵的细化和概率模型检查来构建和解决这些模型的概率保证。我们实施了我们的方法，并说明了它在选择加强学习基准的效力。

We study the problem of learning controllers for discrete-time non-linear stochastic dynamical systems with formal reach-avoid guarantees. This work presents the first method for providing formal reach-avoid guarantees, which combine and generalize stability and safety guarantees, with a tolerable probability threshold $p\in[0,1]$ over the infinite time horizon. Our method leverages advances in machine learning literature and it represents formal certificates as neural networks. In particular, we learn a certificate in the form of a reach-avoid supermartingale (RASM), a novel notion that we introduce in this work. Our RASMs provide reachability and avoidance guarantees by imposing constraints on what can be viewed as a stochastic extension of level sets of Lyapunov functions for deterministic systems. Our approach solves several important problems -- it can be used to learn a control policy from scratch, to verify a reach-avoid specification for a fixed control policy, or to fine-tune a pre-trained policy if it does not satisfy the reach-avoid specification. We validate our approach on $3$ stochastic non-linear reinforcement learning tasks.

在线强化学习（RL）中的挑战之一是代理人需要促进对环境的探索和对样品的利用来优化其行为。无论我们是否优化遗憾，采样复杂性，状态空间覆盖范围或模型估计，我们都需要攻击不同的勘探开发权衡。在本文中，我们建议在分离方法组成的探索 - 剥削问题：1）“客观特定”算法（自适应）规定哪些样本以收集到哪些状态，似乎它可以访问a生成模型（即环境的模拟器）; 2）负责尽可能快地生成规定样品的“客观无关的”样品收集勘探策略。建立最近在随机最短路径问题中进行探索的方法，我们首先提供一种算法，它给出了每个状态动作对所需的样本$ B（S，a）$的样本数量，需要$ \ tilde {o} （bd + d ^ {3/2} s ^ 2 a）收集$ b = \ sum_ {s，a} b（s，a）$所需样本的$时间步骤，以$ s $各国，$ a $行动和直径$ d $。然后我们展示了这种通用探索算法如何与“客观特定的”策略配对，这些策略规定了解决各种设置的样本要求 - 例如，模型估计，稀疏奖励发现，无需无成本勘探沟通MDP - 我们获得改进或新颖的样本复杂性保证。

神经网络（NNS）已成功地用于代表复杂动力学系统的状态演变。这样的模型，称为NN动态模型（NNDMS），使用NN的迭代噪声预测来估计随时间推移系统轨迹的分布。尽管它们的准确性，但对NNDMS的安全分析仍然是一个具有挑战性的问题，并且在很大程度上尚未探索。为了解决这个问题，在本文中，我们介绍了一种为NNDM提供安全保证的方法。我们的方法基于随机屏障函数，其与安全性的关系类似于Lyapunov功能的稳定性。我们首先展示了通过凸优化问题合成NNDMS随机屏障函数的方法，该问题又为系统的安全概率提供了下限。我们方法中的一个关键步骤是，NNS的最新凸近似结果的利用是找到零件线性边界，这允许将屏障函数合成问题作为一个方形优化程序的制定。如果获得的安全概率高于所需的阈值，则该系统将获得认证。否则，我们引入了一种生成控制系统的方法，该系统以最小的侵入性方式稳健地最大化安全概率。我们利用屏障函数的凸属性来提出最佳控制合成问题作为线性程序。实验结果说明了该方法的功效。即，他们表明该方法可以扩展到具有多层和数百个神经元的多维NNDM，并且控制器可以显着提高安全性概率。

This paper studies systematic exploration for reinforcement learning with rich observations and function approximation. We introduce a new model called contextual decision processes, that unifies and generalizes most prior settings. Our first contribution is a complexity measure, the Bellman rank , that we show enables tractable learning of near-optimal behavior in these processes and is naturally small for many well-studied reinforcement learning settings. Our second contribution is a new reinforcement learning algorithm that engages in systematic exploration to learn contextual decision processes with low Bellman rank. Our algorithm provably learns near-optimal behavior with a number of samples that is polynomial in all relevant parameters but independent of the number of unique observations. The approach uses Bellman error minimization with optimistic exploration and provides new insights into efficient exploration for reinforcement learning with function approximation.

在本文中，我们研究了加强学习问题的安全政策的学习。这是，我们的目标是控制我们不知道过渡概率的马尔可夫决策过程（MDP），但我们通过经验访问样品轨迹。我们将安全性定义为在操作时间内具有高概率的期望安全集中的代理。因此，我们考虑受限制的MDP，其中限制是概率。由于没有直接的方式来优化关于加强学习框架中的概率约束的政策，因此我们提出了对问题的遍历松弛。拟议的放松的优点是三倍。 （i）安全保障在集界任务的情况下保持，并且它们保持在一个给定的时间范围内，以继续进行任务。 （ii）如果政策的参数化足够丰富，则约束优化问题尽管其非凸起具有任意小的二元间隙。 （iii）可以使用标准策略梯度结果和随机近似工具容易地计算与安全学习问题相关的拉格朗日的梯度。利用这些优势，我们建立了原始双算法能够找到安全和最佳的政策。我们在连续域中的导航任务中测试所提出的方法。数值结果表明，我们的算法能够将策略动态调整到环境和所需的安全水平。

过去半年来，从控制和强化学习社区的真实机器人部署的安全学习方法的贡献数量急剧上升。本文提供了一种简洁的但整体审查，对利用机器学习实现的最新进展，以实现在不确定因素下的安全决策，重点是统一控制理论和加固学习研究中使用的语言和框架。我们的评论包括：基于学习的控制方法，通过学习不确定的动态，加强学习方法，鼓励安全或坚固性的加固学习方法，以及可以正式证明学习控制政策安全的方法。随着基于数据和学习的机器人控制方法继续获得牵引力，研究人员必须了解何时以及如何最好地利用它们在安全势在必行的现实情景中，例如在靠近人类的情况下操作时。我们突出了一些开放的挑战，即将在未来几年推动机器人学习领域，并强调需要逼真的物理基准的基准，以便于控制和加固学习方法之间的公平比较。

强化学习（RL）是一种有希望的方法，对现实世界的应用程序取得有限，因为确保安全探索或促进充分利用是控制具有未知模型和测量不确定性的机器人系统的挑战。这种学习问题对于连续空间（状态空间和动作空间）的复杂任务变得更加棘手。在本文中，我们提出了一种由几个方面组成的基于学习的控制框架：（1）线性时间逻辑（LTL）被利用，以便于可以通过无限视野的复杂任务转换为新颖的自动化结构; （2）我们为RL-Agent提出了一种创新的奖励计划，正式保证，使全球最佳政策最大化满足LTL规范的概率; （3）基于奖励塑造技术，我们开发了利用自动机构结构的好处进行了模块化的政策梯度架构来分解整体任务，并促进学习控制器的性能; （4）通过纳入高斯过程（GPS）来估计不确定的动态系统，我们使用指数控制屏障功能（ECBF）综合基于模型的保障措施来解决高阶相对度的问题。此外，我们利用LTL自动化和ECBF的性质来构建引导过程，以进一步提高勘探效率。最后，我们通过多个机器人环境展示了框架的有效性。我们展示了这种基于ECBF的模块化深RL算法在训练期间实现了近乎完美的成功率和保护安全性，并且在训练期间具有很高的概率信心。

我们介绍了一种普遍的策略，可实现有效的多目标勘探。它依赖于adagoal，一种基于简单约束优化问题的新的目标选择方案，其自适应地针对目标状态，这既不是太困难也不是根据代理目前的知识达到的。我们展示了Adagoal如何用于解决学习$ \ epsilon $ -optimal的目标条件的政策，以便在$ L $ S_0 $ S_0 $奖励中获得的每一个目标状态，以便在$ S_0 $中获取。免费马尔可夫决策过程。在标准的表格外壳中，我们的算法需要$ \ tilde {o}（l ^ 3 s a \ epsilon ^ { - 2}）$探索步骤，这几乎很少最佳。我们还容易在线性混合Markov决策过程中实例化Adagoal，其产生具有线性函数近似的第一目标导向的PAC保证。除了强大的理论保证之外，迈克纳队以现有方法的高级别算法结构为锚定，为目标条件的深度加固学习。

安全政策改进（SPI）是在安全关键应用中脱机加强学习的重要技术，因为它以很高的可能性改善了行为政策。我们根据如何利用国家行动对的不确定性将各种SPI方法分为两组。为了关注软SPIBB（通过软基线自举的安全政策改进）算法，我们表明他们对被证明安全的主张不坚持。基于这一发现，我们开发了适应性，Adv-Soft SpibB算法，并证明它们是可以安全的。在两个基准上进行的广泛实验中，启发式适应性较低的SPOBB在所有SPIBB算法中都能表现出最佳性能。我们还检查了可证明的安全算法的安全保证，并表明有大量数据是必要的，以使安全界限在实践中变得有用。

在钢筋学习（RL）中，代理必须探索最初未知的环境，以便学习期望的行为。当RL代理部署在现实世界环境中时，安全性是主要关注的。受约束的马尔可夫决策过程（CMDPS）可以提供长期的安全约束;但是，该代理人可能会违反探索其环境的制约因素。本文提出了一种称为显式探索，漏洞探索或转义（$ e ^ {4} $）的基于模型的RL算法，它将显式探索或利用（$ e ^ {3} $）算法扩展到强大的CMDP设置。 $ e ^ 4 $明确地分离开发，探索和逃脱CMDP，允许针对已知状态的政策改进的有针对性的政策，发现未知状态，以及安全返回到已知状态。 $ e ^ 4 $强制优化了从一组CMDP模型的最坏情况CMDP上的这些策略，该模型符合部署环境的经验观察。理论结果表明，在整个学习过程中满足安全限制的情况下，在多项式时间中找到近最优的约束政策。我们讨论了稳健约束的离线优化算法，以及如何基于经验推理和先验知识来结合未知状态过渡动态的不确定性。

马尔可夫决策过程（MDP）是在顺序决策中常用的正式模型。 MDP捕获了可能出现的随机性，例如，通过过渡函数中的概率从不精确的执行器中捕获。但是，在数据驱动的应用程序中，从（有限）数据中得出精确的概率引入了可能导致意外或不良结果的统计错误。不确定的MDP（UMDP）不需要精确的概率，而是在过渡中使用所谓的不确定性集，占此类有限的数据。正式验证社区中的工具有效地计算了强大的政策，这些政策在不确定性集中最坏的情况下，可以证明遵守正式规格，例如安全限制。我们不断地以强大的学习方法与将专用的贝叶斯推理方案与强大策略的计算结合在一起的任何时间学习方法中不断学习MDP的过渡概率。特别是，我们的方法（1）将概率近似为间隔，（2）适应可能与中间模型不一致的新数据，并且可以随时停止（3），以在UMDP上计算强大的策略，以忠实地捕获稳健的策略到目前为止的数据。我们展示了我们的方法的有效性，并将其与在几个基准的实验评估中对UMDP计算出的UMDP进行了比较。

Partially observable Markov decision processes (POMDPs) provide a flexible representation for real-world decision and control problems. However, POMDPs are notoriously difficult to solve, especially when the state and observation spaces are continuous or hybrid, which is often the case for physical systems. While recent online sampling-based POMDP algorithms that plan with observation likelihood weighting have shown practical effectiveness, a general theory characterizing the approximation error of the particle filtering techniques that these algorithms use has not previously been proposed. Our main contribution is bounding the error between any POMDP and its corresponding finite sample particle belief MDP (PB-MDP) approximation. This fundamental bridge between PB-MDPs and POMDPs allows us to adapt any sampling-based MDP algorithm to a POMDP by solving the corresponding particle belief MDP, thereby extending the convergence guarantees of the MDP algorithm to the POMDP. Practically, this is implemented by using the particle filter belief transition model as the generative model for the MDP solver. While this requires access to the observation density model from the POMDP, it only increases the transition sampling complexity of the MDP solver by a factor of $\mathcal{O}(C)$, where $C$ is the number of particles. Thus, when combined with sparse sampling MDP algorithms, this approach can yield algorithms for POMDPs that have no direct theoretical dependence on the size of the state and observation spaces. In addition to our theoretical contribution, we perform five numerical experiments on benchmark POMDPs to demonstrate that a simple MDP algorithm adapted using PB-MDP approximation, Sparse-PFT, achieves performance competitive with other leading continuous observation POMDP solvers.

安全限制和最优性很重要，但有时控制器有时相互冲突的标准。虽然这些标准通常与不同的工具单独解决以维持正式保障，但在惩罚失败时，加强学习的常见做法是惩罚，以惩罚为单纯的启发式。我们严格地检查了安全性和最优性与惩罚的关系，并对安全价值函数进行了足够的条件：对给定任务的最佳价值函数，并强制执行安全约束。我们通过强大的二元性证明，揭示这种关系的结构，表明始终存在一个有限的惩罚，引起安全值功能。这种惩罚并不是独特的，但大不束缚：更大的惩罚不会伤害最优性。虽然通常无法计算最低所需的惩罚，但我们揭示了清晰的惩罚，奖励，折扣因素和动态互动的结构。这种洞察力建议实用，理论引导的启发式设计奖励功能，用于控制安全性很重要的控制问题。

强化学习算法的实用性由于相对于问题大小的规模差而受到限制，因为学习$ \ epsilon $ -optimal策略的样本复杂性为$ \ tilde {\ omega} \ left（| s | s || a || a || a || a | h^3 / \ eps^2 \ right）$在MDP的最坏情况下，带有状态空间$ S $，ACTION SPACE $ A $和HORIZON $ H $。我们考虑一类显示出低级结构的MDP，其中潜在特征未知。我们认为，价值迭代和低级别矩阵估计的自然组合导致估计误差在地平线上呈指数增长。然后，我们提供了一种新算法以及统计保证，即有效利用了对生成模型的访问，实现了$ \ tilde {o} \ left的样本复杂度（d^5（d^5（| s |+| a |）\），我们有效利用低级结构。对于等级$ d $设置的Mathrm {Poly}（h）/\ EPS^2 \ right）$，相对于$ | s |，| a | $和$ \ eps $的缩放，这是最小值的最佳。与线性和低级别MDP的文献相反，我们不需要已知的功能映射，我们的算法在计算上很简单，并且我们的结果长期存在。我们的结果提供了有关MDP对过渡内核与最佳动作值函数所需的最小低级结构假设的见解。