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如何理解POMDP中的状态估计与最优策略的求解?

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悬赏园豆:100 [待解决问题]

如题,求解POMDP问题时,一般需要通过贝叶斯理论公式,根据上一时刻的动作a、当前时刻的观测状态o、系统可能状态Sopp,计算状态转移概率函数和观测状态概率函数,从而更新置信状态。

看到一种one-step lookahead(作者称之为一步前瞻在线规划算法)方法是用最大化即时期望奖励R(b, a)对应的动作决定策略π,也就是不考虑未来的长期收益而只考虑下一步?并且将立即回报函数r(o' , s', s, a)改为能够一定程度上衡量未来收益的回报,从而将POMDP动态规划求最优值函数 V(b)= max/ min b·α 的形式 转化为线性规划 π (b) = arg max/ arg min R(b, a) , a∈A,因此只需进行一次迭代计算 ↓

其中R(b, a)=∑(s∈S) ∑(s∈S ' ) ∑(o∈O) b(s) τ(s', s, a) z(o', s ', a) r(o' , s', s, a)

τ(s', s, a) 为状态转移概率函数 z(o', s ', a)为观测状态概率函数 r(o' , s', s, a)为立即回报函数
R(b, a)为置信b下执行a的立即期望回报 π* (b)为策略

这种方法有理论依据吗?它的优缺点是什么呢?

另外,如果从得到的置信状态概率分布b(Sopp)中,贪婪选择其中最有可能(概率最大)的对应的状态,来作为系统的真实状态,似乎对应了一种叫做MLS(Most Likely State)最有可能状态算法?即S_true = arg max( b (Sopp) ) Sopp∈S , 从而转换为一个完全可观测的决策规划问题,并用相应领域的一些一般方法来解决,而不是上述的将POMDP动态规划问题转化为线性规划的方法或者其他POMDP求解算法,请问这种方法又可行吗?貌似能以牺牲一小部分的精度和性能为代价而大幅降低复杂度与求解时间?

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您提到的最大化即时期望奖励R(b, a)对应的动作决定策略π的方法是基于动态规划的思想,通过迭代计算来求解POMDP的最优策略。这个方法的主要优点是可以处理高维度的POMDP问题,缺点是需要大量的计算资源。这种方法有一定的理论依据,它的收敛性和求解算法的精度已经被证明。具体来说,它是一种值迭代算法,通过一次次更新状态估计和最优策略来逐步逼近最优解。这种方法可以解决高维度的POMDP问题,但需要大量的计算资源,因为每次迭代都需要进行一次完整的状态转移计算和期望回报计算,这些计算在面临高维度时非常耗时。

POMDP中的状态估计是指对系统当前状态的不确定性进行估计,即计算置信度分布。最优策略的求解是指找到一个策略,使得在当前状态下,能够获得最大的长期期望奖励。这个过程需要考虑不确定性因素,即需要考虑置信度分布。

题主方法是一种基于线性规划的POMDP求解方法,其理论依据是基于POMDP的Bellman方程,将其转化为线性规划问题。其优点是计算速度快,适用于小规模的POMDP问题。缺点是只能得到最优策略,而无法得到其他次优策略,并且对于大规模的POMDP问题,其计算复杂度较高。

附加问题:从得到的置信状态概率分布b(Sopp)中,贪婪选择其中最有可能(概率最大)的对应的状态来作为系统的真实状态,从而转换为一个完全可观测的决策规划问题,并用相应领域的一些一般方法来解决,确实可以大幅降低复杂度而忽略一小部分性能。
1.这种方法忽略了不确定性因素,可能会导致决策结果不够准确。因此,这种方法适用于对决策结果要求不高、对不确定性因素要求较低的场景。
2.在POMDP中,状态的不确定性是一个重要的因素,因此将其忽略可能会导致无法得到最优的决策结果。
3.如果将置信状态概率分布中概率最大的状态作为系统的真实状态进行决策规划,那么需要考虑到这个状态的可行性和可观测性。有些状态可能在当前情况下不可观测,或者不可行,此时需要进行额外的处理。

总之,将POMDP问题转化为线性规划的方法是一种有效的求解POMDP问题的方法,但需要大量的计算资源。从得到的置信状态概率分布b(Sopp)中,贪婪选择其中最有可能(概率最大)的对应的状态来作为系统的真实状态,从而转换为一个完全可观测的决策规划问题,并用相应领域的一些一般方法来解决,也可以解决POMDP问题,但是精度可能会受到影响,尤其是当系统的随机性较强时。在实际应用中,应根据具体问题和系统特征选择合适的方法来求解POMDP问题。

lanedm | 园豆:2381 (老鸟四级) | 2023-06-05 08:28
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POMDP(部分可观察的马尔可夫决策过程)是一类强化学习问题,在该问题中,智能体面临不完全观测和部分隐含状态的环境。POMDP的解决方案涉及状态估计和最优策略求解两个主要步骤。

状态估计:POMDP中的状态估计是通过贝叶斯滤波来更新置信状态。在每个时间步骤,基于上一个时间步骤的动作和当前的观测状态,通过贝叶斯理论计算置信状态的后验概率分布。这包括计算状态转移概率函数和观测状态概率函数,以获得对当前状态的估计。状态估计为最优策略的求解提供了关键的信息。

最优策略求解:最优策略是指在每个时间步骤中选择能够最大化长期奖励的动作序列。POMDP问题通常使用动态规划方法来求解最优策略。传统的动态规划方法在POMDP中不可行,因为需要对所有可能的状态和观测进行穷举,这在大型问题中是不可行的。因此,常用的方法是基于近似的值迭代或策略迭代算法。一种常见的方法是基于将POMDP问题转化为线性规划问题的方法,其中通过最大化即时期望奖励来选择动作决策策略。

对于您提到的方法,使用一步前瞻在线规划算法将POMDP问题转化为线性规划问题是一种常见的做法。这种方法的理论基础是基于贝叶斯决策理论和动态规划的近似方法。通过将问题转化为线性规划问题,可以通过解线性规划来找到最优的动作策略。这种方法的优点是计算相对高效,特别适用于小规模的POMDP问题。然而,对于大规模问题,这种方法可能会面临计算复杂性的挑战,并且可能无法获得全局最优解。

关于从置信状态概率分布中选择概率最大的状态作为系统的真实状态的方法,这是一种可行的近似方法,也被称为最大后验估计(MAP)估计。它假设最有可能的状态是真实状态,并使用该状态来进行决策。这种方法的优点是简化了问题,使其变为一个完全可观测的决策问题,而不需要进行复杂的POMDP求解。然而,这种方法的缺点是可能会忽略其他可能的状态,因此在某些情况下可能会导致决策的子优解。此外,这种方法对于存在噪声或不确定性的情况可能不够鲁棒。

总之,POMDP问题的求解是一个具有挑战性的任务。传统方法涉及状态估计和最优策略求解。将POMDP问题转化为线性规划问题是一种常用的方法,适用于小规模问题。使用最大后验估计来简化问题也是一种可行的近似方法,但需要注意其可能的局限性。在实际应用中,选择合适的方法取决于问题的规模、复杂度和性能要求。

Technologyforgood | 园豆:6772 (大侠五级) | 2023-06-05 21:48
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这里先回答你的第一个问题。关于一步前瞻在线规划算法的理论依据,可以参考以下资料:

  • Kaelbling, L. P., Littman, M. L., & Cassandra, A. R. (1998). Planning and acting in partially observable stochastic domains. Artificial intelligence, 101(1-2), 99-134.
  • Littman, M. L. (1995). Learning policies for partially observable environments: Scaling up. The proceedings of the Twelfth International Conference on Machine Learning, 362-370.

这些资料中介绍了一些用于求解POMDP问题的方法,其中也包括了一步前瞻在线规划算法。该算法的主要思想是在每一步中都针对当前状态计算最优动作,并执行该动作。因此,它的确只考虑了下一步的最优动作,并没有考虑未来的长期收益。但是,由于POMDP问题本身就具有不确定性,因此不能完全避免未来收益的影响。为了解决这个问题,一些学者在回报函数上进行了改进,使其能够更好地反映未来收益。

至于一步前瞻在线规划算法的优缺点,我简要地总结一下:

优点:

  • 可以直接处理连续时间和连续空间上的POMDP问题。
  • 在处理实时控制等需要快速反应的应用时,具有较高的计算效率。

缺点:

  • 无法处理具有长期依赖的问题,因为它只能看到一步之后的状态和动作。
  • 由于对未来收益的处理仍然存在不确定性,所以并不能保证总是得到最优的策略。

至于你的第二个问题,一些研究者确实使用了最有可能状态算法来解决POMDP问题。这种算法主要是通过对置信分布进行采样来获取最有可能的状态,然后使用该状态来执行决策。这种方法的确可以降低求解复杂度和时间,但是需要注意的是,采样过程中可能会造成一定的误差。此外,最有可能状态算法也无法处理具有长期依赖的问题。因此,具体是否使用该算法需要根据具体问题进行权衡。

小九九呀 | 园豆:383 (菜鸟二级) | 2023-06-17 20:03
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