Learning efficient and interpretable policies has been a challenging task in reinforcement learning (RL), particularly in the visual RL setting with complex scenes. While neural networks have achieved competitive performance, the resulting policies are often over-parameterized black boxes that are difficult to interpret and deploy efficiently. More recent symbolic RL frameworks have shown that high-level domain-specific programming logic can be designed to handle both policy learning and symbolic planning. However, these approaches rely on coded primitives with little feature learning, and when applied to high-dimensional visual scenes, they can suffer from scalability issues and perform poorly when images have complex object interactions. To address these challenges, we propose \textit{Differentiable Symbolic Expression Search} (DiffSES), a novel symbolic learning approach that discovers discrete symbolic policies using partially differentiable optimization. By using object-level abstractions instead of raw pixel-level inputs, DiffSES is able to leverage the simplicity and scalability advantages of symbolic expressions, while also incorporating the strengths of neural networks for feature learning and optimization. Our experiments demonstrate that DiffSES is able to generate symbolic policies that are simpler and more and scalable than state-of-the-art symbolic RL methods, with a reduced amount of symbolic prior knowledge.

虽然深增强学习已成为连续决策问题的有希望的机器学习方法，但对于自动驾驶或医疗应用等高利害域来说仍然不够成熟。在这种情况下，学习的政策需要例如可解释，因此可以在任何部署之前检查它（例如，出于安全性和验证原因）。本调查概述了各种方法，以实现加固学习（RL）的更高可解释性。为此，我们将解释性（作为模型的财产区分开来和解释性（作为HOC操作后的讲话，通过代理的干预），并在RL的背景下讨论它们，并强调前概念。特别是，我们认为可译文的RL可能会拥抱不同的刻面：可解释的投入，可解释（转型/奖励）模型和可解释的决策。根据该计划，我们总结和分析了与可解释的RL相关的最近工作，重点是过去10年来发表的论文。我们还简要讨论了一些相关的研究领域并指向一些潜在的有前途的研究方向。

Reinforcement Learning (RL) is a popular machine learning paradigm where intelligent agents interact with the environment to fulfill a long-term goal. Driven by the resurgence of deep learning, Deep RL (DRL) has witnessed great success over a wide spectrum of complex control tasks. Despite the encouraging results achieved, the deep neural network-based backbone is widely deemed as a black box that impedes practitioners to trust and employ trained agents in realistic scenarios where high security and reliability are essential. To alleviate this issue, a large volume of literature devoted to shedding light on the inner workings of the intelligent agents has been proposed, by constructing intrinsic interpretability or post-hoc explainability. In this survey, we provide a comprehensive review of existing works on eXplainable RL (XRL) and introduce a new taxonomy where prior works are clearly categorized into model-explaining, reward-explaining, state-explaining, and task-explaining methods. We also review and highlight RL methods that conversely leverage human knowledge to promote learning efficiency and performance of agents while this kind of method is often ignored in XRL field. Some challenges and opportunities in XRL are discussed. This survey intends to provide a high-level summarization of XRL and to motivate future research on more effective XRL solutions. Corresponding open source codes are collected and categorized at https://github.com/Plankson/awesome-explainable-reinforcement-learning.

Deep reinforcement learning is poised to revolutionise the field of AI and represents a step towards building autonomous systems with a higher level understanding of the visual world. Currently, deep learning is enabling reinforcement learning to scale to problems that were previously intractable, such as learning to play video games directly from pixels. Deep reinforcement learning algorithms are also applied to robotics, allowing control policies for robots to be learned directly from camera inputs in the real world. In this survey, we begin with an introduction to the general field of reinforcement learning, then progress to the main streams of value-based and policybased methods. Our survey will cover central algorithms in deep reinforcement learning, including the deep Q-network, trust region policy optimisation, and asynchronous advantage actor-critic. In parallel, we highlight the unique advantages of deep neural networks, focusing on visual understanding via reinforcement learning. To conclude, we describe several current areas of research within the field.

强化学习和最近的深度增强学习是解决如Markov决策过程建模的顺序决策问题的流行方法。问题和选择算法和超参数的RL建模需要仔细考虑，因为不同的配置可能需要完全不同的性能。这些考虑因素主要是RL专家的任务;然而，RL在研究人员和系统设计师不是RL专家的其他领域中逐渐变得流行。此外，许多建模决策，例如定义状态和动作空间，批次的大小和批量更新的频率以及时间戳的数量通常是手动进行的。由于这些原因，RL框架的自动化不同组成部分具有重要意义，近年来它引起了很多关注。自动RL提供了一个框架，其中RL的不同组件包括MDP建模，算法选择和超参数优化是自动建模和定义的。在本文中，我们探讨了可以在自动化RL中使用的文献和目前的工作。此外，我们讨论了Autorl中的挑战，打开问题和研究方向。

深入学习的强化学习（RL）的结合导致了一系列令人印象深刻的壮举，许多相信（深）RL提供了一般能力的代理。然而，RL代理商的成功往往对培训过程中的设计选择非常敏感，这可能需要繁琐和易于易于的手动调整。这使得利用RL对新问题充满挑战，同时也限制了其全部潜力。在许多其他机器学习领域，AutomL已经示出了可以自动化这样的设计选择，并且在应用于RL时也会产生有希望的初始结果。然而，自动化强化学习（AutorL）不仅涉及Automl的标准应用，而且还包括RL独特的额外挑战，其自然地产生了不同的方法。因此，Autorl已成为RL中的一个重要研究领域，提供来自RNA设计的各种应用中的承诺，以便玩游戏等游戏。鉴于RL中考虑的方法和环境的多样性，在不同的子领域进行了大部分研究，从Meta学习到进化。在这项调查中，我们寻求统一自动的领域，我们提供常见的分类法，详细讨论每个区域并对研究人员来说是一个兴趣的开放问题。

With the development of deep representation learning, the domain of reinforcement learning (RL) has become a powerful learning framework now capable of learning complex policies in high dimensional environments. This review summarises deep reinforcement learning (DRL) algorithms and provides a taxonomy of automated driving tasks where (D)RL methods have been employed, while addressing key computational challenges in real world deployment of autonomous driving agents. It also delineates adjacent domains such as behavior cloning, imitation learning, inverse reinforcement learning that are related but are not classical RL algorithms. The role of simulators in training agents, methods to validate, test and robustify existing solutions in RL are discussed.

深度强化学习（DRL）赋予了各种人工智能领域，包括模式识别，机器人技术，推荐系统和游戏。同样，图神经网络（GNN）也证明了它们在图形结构数据的监督学习方面的出色表现。最近，GNN与DRL用于图形结构环境的融合引起了很多关注。本文对这些混合动力作品进行了全面评论。这些作品可以分为两类：（1）算法增强，其中DRL和GNN相互补充以获得更好的实用性； （2）特定于应用程序的增强，其中DRL和GNN相互支持。这种融合有效地解决了工程和生命科学方面的各种复杂问题。基于审查，我们进一步分析了融合这两个领域的适用性和好处，尤其是在提高通用性和降低计算复杂性方面。最后，集成DRL和GNN的关键挑战以及潜在的未来研究方向被突出显示，这将引起更广泛的机器学习社区的关注。

尽管深度强化学习（RL）最近取得了许多成功，但其方法仍然效率低下，这使得在数据方面解决了昂贵的许多问题。我们的目标是通过利用未标记的数据中的丰富监督信号来进行学习状态表示，以解决这一问题。本文介绍了三种不同的表示算法，可以访问传统RL算法使用的数据源的不同子集使用：（i）GRICA受到独立组件分析（ICA）的启发，并训练深层神经网络以输出统计独立的独立特征。输入。 Grica通过最大程度地减少每个功能与其他功能之间的相互信息来做到这一点。此外，格里卡仅需要未分类的环境状态。 （ii）潜在表示预测（LARP）还需要更多的上下文：除了要求状态作为输入外，它还需要先前的状态和连接它们的动作。该方法通过预测当前状态和行动的环境的下一个状态来学习状态表示。预测器与图形搜索算法一起使用。 （iii）重新培训通过训练深层神经网络来学习国家表示，以学习奖励功能的平滑版本。该表示形式用于预处理输入到深度RL，而奖励预测指标用于奖励成型。此方法仅需要环境中的状态奖励对学习表示表示。我们发现，每种方法都有其优势和缺点，并从我们的实验中得出结论，包括无监督的代表性学习在RL解决问题的管道中可以加快学习的速度。

蒙特卡洛树搜索（MCT）是设计游戏机器人或解决顺序决策问题的强大方法。该方法依赖于平衡探索和开发的智能树搜索。MCT以模拟的形式进行随机抽样，并存储动作的统计数据，以在每个随后的迭代中做出更有教育的选择。然而，该方法已成为组合游戏的最新技术，但是，在更复杂的游戏（例如那些具有较高的分支因素或实时系列的游戏）以及各种实用领域（例如，运输，日程安排或安全性）有效的MCT应用程序通常需要其与问题有关的修改或与其他技术集成。这种特定领域的修改和混合方法是本调查的主要重点。最后一项主要的MCT调查已于2012年发布。自发布以来出现的贡献特别感兴趣。

符号回归是识别拟合从黑盒过程中观察到的输出的数学表达式的过程。它通常认为是一个离散的优化问题是NP - 硬。解决问题的前提方法包括神经引导的搜索（例如，使用强化学习）和遗传编程。在这项工作中，我们介绍了一种混合神经引导/基因编程方法来象征性回归和其他组合优化问题。我们提出了一种神经引导组件，用于种子随机重启遗传编程组件的起始群体，逐渐学习更好的起始群体。在许多常见的基准任务中从数据集中恢复底层表达式，我们的方法使用相同的实验设置恢复比最近发布的顶部执行模型更多的表达式65％。我们证明在没有对神经引导的组件上的不相互依存的情况下运行许多遗传编程一代，而不是比两个更强烈地耦合的替代配方更好地对象征性回归更好地执行符号回归。最后，我们介绍了一组新的22个符号回归基准问题，而现有的基准难度增加。源代码在www.github.com/brendenpetersen/deep-symbolic -optimization提供。

加固学习算法可以解决动态决策和最优控制问题。通过连续值的状态和输入变量，强化学习算法必须依赖函数近似器来表示值函数和策略映射。常用的数值近似器，如神经网络或基础函数扩展，具有两个主要缺点：它们是黑匣子型号，可以对学习的映射有很小的洞察力，并且他们需要广泛的试验和错误调整它们的超参数。在本文中，我们通过使用符号回归提出了一种以分析表达式的形式构建平滑值函数的新方法。我们介绍了三种离线方法，用于基于状态转换模型查找值函数：符号值迭代，符号策略迭代，以及Bellman方程的直接解决方案。该方法在四个非线性控制问题上说明：速度控制摩擦力控制，单键和双连杆摆动，和磁操作。结果表明，该价值函数产生良好的策略，并紧凑，数学上易行，易于插入其他算法。这使得它们可能适用于进一步分析闭环系统。使用神经网络的替代方法的比较表明，我们的方法优于基于神经网络的方法。

背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。

Starcraft II（SC2）对强化学习（RL）提出了巨大的挑战，其中主要困难包括巨大的状态空间，不同的动作空间和长期的视野。在这项工作中，我们研究了《星际争霸II》全长游戏的一系列RL技术。我们研究了涉及提取的宏观活动和神经网络的层次结构的层次RL方法。我们研究了课程转移培训程序，并在具有4个GPU和48个CPU线的单台计算机上训练代理。在64x64地图并使用限制性单元上，我们对内置AI的获胜率达到99％。通过课程转移学习算法和战斗模型的混合物，我们在最困难的非作战水平内置AI（7级）中获得了93％的胜利率。在本文的扩展版本中，我们改进了架构，以针对作弊水平训练代理商，并在8级，9级和10级AIS上达到胜利率，为96％，97％和94 ％， 分别。我们的代码在https://github.com/liuruoze/hiernet-sc2上。为了为我们的工作以及研究和开源社区提供基线，我们将其复制了一个缩放版本的Mini-Alphastar（MAS）。 MAS的最新版本为1.07，可以在具有564个动作的原始动作空间上进行培训。它旨在通过使超参数可调节来在单个普通机器上进行训练。然后，我们使用相同的资源将我们的工作与MAS进行比较，并表明我们的方法更有效。迷你α的代码在https://github.com/liuruoze/mini-alphastar上。我们希望我们的研究能够阐明对SC2和其他大型游戏有效增强学习的未来研究。

深度强化学习（DRL）和深度多机构的强化学习（MARL）在包括游戏AI，自动驾驶汽车，机器人技术等各种领域取得了巨大的成功。但是，众所周知，DRL和Deep MARL代理的样本效率低下，即使对于相对简单的问题设置，通常也需要数百万个相互作用，从而阻止了在实地场景中的广泛应用和部署。背后的一个瓶颈挑战是众所周知的探索问题，即如何有效地探索环境和收集信息丰富的经验，从而使政策学习受益于最佳研究。在稀疏的奖励，吵闹的干扰，长距离和非平稳的共同学习者的复杂环境中，这个问题变得更加具有挑战性。在本文中，我们对单格和多代理RL的现有勘探方法进行了全面的调查。我们通过确定有效探索的几个关键挑战开始调查。除了上述两个主要分支外，我们还包括其他具有不同思想和技术的著名探索方法。除了算法分析外，我们还对一组常用基准的DRL进行了全面和统一的经验比较。根据我们的算法和实证研究，我们终于总结了DRL和Deep Marl中探索的公开问题，并指出了一些未来的方向。

自2015年首次介绍以来，深入增强学习（DRL）方案的使用已大大增加。尽管在许多不同的应用中使用了使用，但他们仍然存在缺乏可解释性的问题。面包缺乏对研究人员和公众使用DRL解决方案的使用。为了解决这个问题，已经出现了可解释的人工智能（XAI）领域。这是各种不同的方法，它们希望打开DRL黑框，范围从使用可解释的符号决策树到诸如Shapley值之类的数值方法。这篇评论研究了使用哪些方法以及使用了哪些应用程序。这样做是为了确定哪些模型最适合每个应用程序，或者是否未充分利用方法。

最近，深增强学习（DRL）方法在各种域中的任务方面取得了令人印象深刻的性能。然而，用DRL方法产生的神经网络政策不是人为可解释的，并且通常难以推广到新颖的情景。为了解决这些问题，事先作品探索学习更具可诠释和构建的概括的程序政策。然而，这些作品要么采用有限的政策表示（例如，决策树，状态机或预定义的程序模板）或需要更强的监督（例如输入/输出状态对或专家演示）。我们提出了一个框架，而是学习合成一个程序，该程序详细介绍了以灵活和表现力的方式解决任务的过程，仅来自奖励信号。为了减轻学习难以从头开始诱发所需的代理行为的难度，我们建议首先了解一个程序嵌入空间，以不传达的方式连续参加各种行为，然后搜索嵌入空间以产生程序最大化给定任务的返回。实验结果表明，所提出的框架不仅可以可靠地综合任务解决方案，而且在产生可解释和更广泛的政策的同时优于DRL和程序合成基线。我们还可以证明所提出的两级学习计划的必要性，并分析了学习计划嵌入的各种方法。

在过去的十年中，深入的强化学习（DRL）算法已经越来越多地使用，以解决各种决策问题，例如自动驾驶和机器人技术。但是，这些算法在部署在安全至关重要的环境中时面临着巨大的挑战，因为它们经常表现出错误的行为，可能导致潜在的关键错误。评估DRL代理的安全性的一种方法是测试它们，以检测可能导致执行过程中严重失败的故障。这就提出了一个问题，即我们如何有效测试DRL政策以确保其正确性和遵守安全要求。测试DRL代理的大多数现有作品都使用扰动代理的对抗性攻击。但是，这种攻击通常会导致环境的不切实际状态。他们的主要目标是测试DRL代理的鲁棒性，而不是测试代理商在要求方面的合规性。由于DRL环境的巨大状态空间，测试执行的高成本以及DRL算法的黑盒性质，因此不可能对DRL代理进行详尽的测试。在本文中，我们提出了一种基于搜索的强化学习代理（Starla）的测试方法，以通过有效地在有限的测试预算中寻找无法执行的代理执行，以测试DRL代理的策略。我们使用机器学习模型和专用的遗传算法来缩小搜索错误的搜索。我们将Starla应用于深Q学习剂，该Qualla被广泛用作基准测试，并表明它通过检测到与代理商策略相关的更多故障来大大优于随机测试。我们还研究了如何使用我们的搜索结果提取表征DRL代理的错误事件的规则。这些规则可用于了解代理失败的条件，从而评估其部署风险。

尽管在现实生活中取得了巨大成功，但深度加固学习（DRL）仍遭受三个关键问题，这是数据效率，缺乏可解释性和可转移性。最近的研究表明，将符号知识嵌入DRL是有希望解决这些挑战。灵感来自于此，我们介绍了一种具有象征性选项的新型深度加强学习框架。此框架具有循环培训程序，可通过规划自动从交互式轨迹中学到的行动模型和符号选项来指导政策的改进。学习的象征选项减轻了专家领域知识的密集要求，并提供了政策的内在可意识性。此外，通过使用动作模型规划，可以进一步提高可转移和数据效率。为了验证这一框架的有效性，我们分别对两个域名，蒙特沙姆的复仇和办公室世界进行实验。结果证明了可比性，提高了数据效率，可解释性和可转移性。

近年来，随着新颖的策略和应用，神经网络一直在迅速扩展。然而，尽管不可避免地会针对关键应用程序来解决这些挑战，例如神经网络技术诸如神经网络技术中仍未解决诸如神经网络技术的挑战。已经尝试通过用符号表示来表示和嵌入域知识来克服神经网络计算中的挑战。因此，出现了神经符号学习（Nesyl）概念，其中结合了符号表示的各个方面，并将常识带入神经网络（Nesyl）。在可解释性，推理和解释性至关重要的领域中，例如视频和图像字幕，提问和推理，健康信息学和基因组学，Nesyl表现出了有希望的结果。这篇综述介绍了一项有关最先进的Nesyl方法的全面调查，其原理，机器和深度学习算法的进步，诸如Opthalmology之类的应用以及最重要的是该新兴领域的未来观点。