Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp cử nhân ngành Khoa học Máy tính của tác giả Võ Minh Hiếu và Mai Đại Lâm (Trường Đại học Công nghệ Thông tin – ĐHQG TP.HCM, 2023) tập trung vào bài toán tối ưu hóa chính sách (policy optimization) trong học tăng cường (Reinforcement Learning - RL).

Học tăng cường là một nhánh của học máy trong đó tác tử (agent) tự học thông qua việc tương tác trực tiếp với môi trường (environment) bằng cơ chế thử và sai để tối đa hóa tổng phần thưởng nhận được mà không cần dữ liệu gán nhãn sẵn. Dù học tăng cường sâu (Deep Reinforcement Learning - DRL) đạt được nhiều bước tiến khi tích hợp các mạng neural nhân tạo, các thuật toán DRL hiện nay vẫn bộc lộ các hạn chế kỹ thuật:

  • Tính không ổn định trong quá trình hội tụ.
  • Rất nhạy cảm với việc thiết lập siêu tham số (hyperparameters).
  • Kém hiệu quả trong việc khám phá không gian trạng thái - hành động (exploration).

Để giải quyết các vấn đề này, hướng tiếp cận kết hợp Tính toán tiến hóa (Evolutionary Computation - EC) – lớp thuật toán tối ưu hóa hộp đen (black box optimization) dựa trên cơ chế tiến hóa tự nhiên – với học tăng cường (Evolutionary Reinforcement Learning - ERL) được lựa chọn nhằm tận dụng ưu điểm khám phá quần thể và tính ổn định của EC cùng hiệu quả mẫu của DRL.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu tổng quan về học tăng cường và các phương pháp tính toán tiến hóa liên quan tới bài toán tối ưu hóa chính sách.
  2. Khảo sát, so sánh và đánh giá các nhóm phương pháp: Học tăng cường sâu (DRL), Tính toán tiến hóa (EC) và Học tăng cường tiến hóa (ERL), cụ thể với các thuật toán cơ sở (baseline) như eTD3 và CEM-TD3.
  3. Thiết kế, cài đặt và thực nghiệm các thuật toán cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định của các phương pháp ERL hiện có.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các bài toán điều khiển giải quyết bằng phương pháp học tăng cường kết hợp tính toán tiến hóa.
  • Phạm vi nghiên cứu: Lớp bài toán điều khiển trong không gian hành động liên tục (continuous action space) trên bộ công cụ mô phỏng vật lý MuJoCo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết tối ưu hóa chính sách trong RL và các thuật toán tiến hóa phân phối:

  • Thành phần cơ bản của RL: Trạng thái ($s \in \mathcal{S}$), Hành động ($a \in \mathcal{A}$), Phần thưởng ($r$), Chính sách ($\pi$), Chuỗi chuyển trạng thái (Trajectory $\tau$), và Tổng phần thưởng tích lũy ($R(\tau) = \sum \gamma^t r_t$ với hệ số chiết khấu $\gamma \in (0, 1]$).
  • Hàm giá trị: Hàm giá trị trạng thái ($V^\pi(s)$) và Hàm giá trị hành động-trạng thái ($Q^\pi(s, a)$).
  • Định lý Gradient chính sách tất định (Deterministic Policy Gradient theorem): Cập nhật chính sách tất định $\pi_\theta(s)$ theo hướng tăng giá trị hàm $Q$.
  • Kiến trúc Actor-Critic và thuật toán TD3 (Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient): Sử dụng 6 mạng (2 mạng Critic chính, 1 mạng Actor chính và 3 mạng Target tương ứng). TD3 áp dụng kỹ thuật Clipped Double Q-learning để giảm thiểu độ lệch ước lượng quá cao (overestimation bias), cập nhật mạng Actor chậm hơn mạng Critic và làm mịn mục tiêu hành động (target policy smoothing).
  • Thuật toán DATD3 (Double Actors TD3): Sử dụng 8 mạng (2 Critic, 2 Actor và 4 Target tương ứng), cho phép tác tử khám phá nhiều chính sách đồng thời để tránh mắc kẹt ở cực trị địa phương.
  • Phương pháp Cross Entropy (CEM): Thuộc nhóm thuật toán ước lượng phân phối (Estimation-of-Distribution Algorithms - EDAs), biểu diễn quần thể dưới dạng phân phối chuẩn đa biến $\mathcal{N}(\mu, \Sigma)$ và cập nhật tham số phân phối dựa trên nhóm cá thể ưu tú ($N_e$).
  • Thuật toán CEM-RL: Mô hình kết hợp CEM với DDPG/TD3, trong đó một nửa quần thể được đánh giá trực tiếp, nửa còn lại được huấn luyện cùng mạng Critic từ Replay Buffer.
  • Tìm kiếm chính sách song song có định hướng quần thể (P3S-TD3): Cơ chế định hướng các learner cập nhật về phía chính sách của cá thể tốt nhất thông qua thành phần phạt khoảng cách phân kỳ Kullback-Leibler ($D_{KL}$).

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp thực nghiệm định lượng: Cài đặt thuật toán trên nền tảng thư viện học tăng cường Tianshou, tích hợp mã nguồn TD3 và CEM-TD3.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kinh nghiệm (transition tuples $(s, a, r, s')$) sinh ra trực tiếp từ quá trình tác tử tương tác với môi trường mô phỏng vật lý chuẩn MuJoCo, lưu trữ trong Replay Buffer kích thước $10^6$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tổng quan về học tăng cường và vị trí của nó trong học máy, phân biệt rõ ràng với học có giám sát (không phụ thuộc vào tập dữ liệu gán nhãn có sẵn) và học không giám sát (tối đa hóa phần thưởng thay vì tìm cấu trúc ẩn). Tác giả trình bày chu trình tối ưu hóa 5 bước của RL và các ứng dụng thực tiễn:

  1. Sản xuất: Robot định vị và bốc dỡ hàng hóa tự động.
  2. Định giá động: Điều chỉnh giá linh hoạt theo cung cầu.
  3. Trò chơi điện tử: Xây dựng tác tử NPC mô phỏng hành vi người chơi.
  4. Xe tự hành: Huấn luyện hệ thống tự điều khiển xe. Chương này cũng xác lập mục tiêu, đóng góp và cấu trúc tổng thể gồm 5 chương của khóa luận.

Chương 2: Kiến thức cơ bản

Chương 2 thiết lập toàn bộ cơ sở toán học và thuật toán nền tảng:

  • Phân tích chi tiết sự khác biệt giữa chính sách tất định (Deterministic policy) và chính sách ngẫu nhiên (Stochastic policy), các phương pháp Value-based (Monte Carlo, Temporal Difference) và Policy-based.
  • Trình bày chứng minh toán học của Định lý Gradient chính sách (Policy Gradient theorem) và Định lý Gradient chính sách tất định.
  • Phân tích cấu trúc hoạt động của khung Actor-Critic tổng quát và thuật toán TD3. Trình bày chi tiết mở rộng của thuật toán DATD3 với 8 mạng neural nhằm khắc phục bẫy cực trị địa phương.
  • Giới thiệu thuật toán tiến hóa CEM, giải thuật CEM-RL kết hợp CEM với TD3, và giải thuật P3S-TD3 sử dụng hàm mục tiêu kết hợp khoảng cách phân kỳ Kullback-Leibler: $$\tilde{J}(\theta_i) = -J(\theta_i) + 1_{i \neq b} \beta \mathbb{E}{s \sim \rho} [D{KL}(\pi_{\theta_i}, \pi_{\theta_b})]$$

Chương 3: Phương pháp cải tiến

Tác giả đề xuất hai thuật toán lai ghép mới nhằm cải thiện hiệu suất và độ ổn định của TD3 bằng cách tận dụng sức mạnh quần thể của CEM:

1. Thuật toán CEM-P3S-TD3:

  • Khởi tạo tham số phân phối $\mathcal{N}(\mu, \Sigma)$, 2 mạng Critic $Q_{\phi_1}, Q_{\phi_2}$, và cá thể tốt nhất $\pi_{\theta_b}$.
  • Tại mỗi thế hệ, sinh ra $N/2$ cá thể CEM từ phân phối. Quần thể này được đánh giá độ thích nghi, sau đó được huấn luyện với 2 mạng Critic và định hướng theo cá thể Actor tốt nhất $\theta_b$ từ thế hệ trước thông qua hàm mục tiêu có thành phần $D_{KL}$.
  • Quần thể sau huấn luyện (quần thể RL gồm $N/2$ cá thể) được đánh giá lại. Gộp $N/2$ cá thể CEM ban đầu và $N/2$ cá thể RL thành tập $N$ cá thể, chọn ra top $N/2$ cá thể có độ thích nghi cao nhất để cập nhật lại $\mathcal{N}(\mu, \Sigma)$ và cập nhật $\theta_b$.
  • Điểm cải tiến cốt lõi: Định hướng quần thể bằng cá thể tốt nhất thế hệ trước; cân bằng tỉ lệ giữa cá thể tiến hóa thuần túy và cá thể được cập nhật gradient; cho phép cá thể tương tác trực tiếp và nhận phản hồi tức thì từ môi trường trong quá trình huấn luyện Critic.

2. Thuật toán CEM-DA-TD3:

  • Kết hợp CEM với cơ chế Double Actors từ DATD3 để xử lý hiện tượng ước lượng quá thấp (underestimation) gây ra bởi cơ chế Clipped Double Q-learning trong TD3.
  • Quần thể gồm $N$ cá thể (với $N$ chia hết cho 4). Một nửa ($N/2$) được đánh giá trực tiếp; nửa còn lại được chia theo từng cặp liền kề để huấn luyện thông qua Critic chung.
  • Công thức tính giá trị mục tiêu (target value) kết hợp thông tin của cả hai Actor: $$V(s') = (1 - v) \max [\min_{j=1,2} Q_{\phi_j'}(s', \pi_{\theta_1'}(s'))] + v \min [\min_{j=1,2} Q_{\phi_j'}(s', \pi_{\theta_2'}(s'))]$$
  • Cơ chế thích ứng bước cập nhật: Sau khi số bước tương tác đạt 10% tổng số bước tối đa (max_step), số bước cập nhật gradient cho mỗi Actor tăng lên gấp đôi. Top $N/2$ cá thể tốt nhất toàn quần thể được dùng để cập nhật phân phối CEM và lưu giữ cá thể tốt nhất $\theta_b$.

Chương 4: Thực nghiệm

Chương 4 mô tả toàn bộ thiết lập thực nghiệm, thông số mạng, môi trường thử nghiệm và kết quả so sánh:

  • Đánh giá trên 4 môi trường MuJoCo phiên bản 2 (Ant-v2, HalfCheetah-v2, Hopper-v2, Walker2d-v2) và 4 môi trường MuJoCo phiên bản 3 (Ant-v3, HalfCheetah-v3, Hopper-v3, Walker2d-v3).
  • Cài đặt kiến trúc mạng và siêu tham số huấn luyện chi tiết.
  • So sánh các đường cong học tập (learning curves) và phân phối kết quả của CEM-P3S-TD3, CEM-DA-TD3 so với hai baseline là CEM-TD3 và eTD3 ở các mốc 1 triệu bước và 3 triệu bước tương tác.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết lại các mục tiêu đã hoàn thành, khẳng định tính hiệu quả của việc kết hợp định hướng quần thể và ghép cặp Actor trong việc ổn định hóa quá trình tối ưu hóa chính sách DRL, đồng thời chỉ ra các định hướng mở rộng nghiên cứu.


Kết quả và đóng góp

Kiến trúc mạng và thiết lập siêu tham số

Khóa luận công bố chi tiết kiến trúc mạng neural và các siêu tham số được sử dụng để đảm bảo tính tái lập:

Mạng Cấu trúc các lớp Hàm kích hoạt
Actor Linear(state_dim, 256) $\rightarrow$ Linear(256, 256) $\rightarrow$ Linear(256, action_dim) ReLU
Critic Linear(state_dim + action_dim, 256) $\rightarrow$ Linear(256, 256) $\rightarrow$ Linear(256, 1) ReLU

Bảng thiết lập siêu tham số:

  • Thuật toán tối ưu: Adam cho cả mạng Actor và Critic.
  • Tốc độ học (Learning rate): $3 \times 10^{-4}$ (3e-4).
  • Hệ số chiết khấu ($\gamma$): 0.99.
  • Tỷ lệ cập nhật mạng Target ($\tau$): $5 \times 10^{-3}$ (5e-3).
  • Trọng số khoảng cách KL ($\beta$): 1.0.
  • Kích thước Replay Buffer: $1.000.000$ ($10^6$).
  • Kích thước Batch: 100.
  • Hàm kích hoạt: ReLU (riêng baseline CEM-TD3 dùng tanh).

Phương thức đánh giá và kết quả đạt được

  • Thực nghiệm được tiến hành lặp lại 10 lần chạy độc lập (10 random seeds) cho mỗi thuật toán trên từng môi trường.
  • Điểm đánh giá (average reward) không dùng hệ số chiết khấu, tính trung bình qua $N_{eval} = 10$ trajectories kiểm thử độc lập tại cuối mỗi thế hệ: $$\text{average reward} = \frac{1}{N_{eval}} \sum_{i=1}^{N_{eval}} \sum_{t=1}^{T_i} R_{i,t}$$
  • Kết quả thực nghiệm tại mốc 1.000.000 bước (1 triệu bước) và 3.000.000 bước (3 triệu bước) cho thấy CEM-P3S-TD3 và CEM-DA-TD3 duy trì được tính ổn định cao trong quá trình huấn luyện, tận dụng hiệu quả sự định hướng của cá thể tốt nhất và cơ chế khử underestimation để nâng cao hiệu suất so với các thuật toán baseline eTD3 và CEM-TD3.

Đóng góp chính của khóa luận

  1. Khảo sát có hệ thống và phân tích toán học các thuật toán trong nhóm Evolutionary Deep Reinforcement Learning (ERL).
  2. Đề xuất thành công hai giải thuật mới: CEM-P3S-TD3 (kết hợp phân phối CEM, định hướng quần thể P3S qua phân kỳ KL và cập nhật TD3) và CEM-DA-TD3 (kết hợp CEM và cấu trúc Double Actors để khắc phục sai số ước lượng Critic).
  3. Đánh giá kiểm chứng định lượng trên thang đo chuẩn MuJoCo (cả version 2 và version 3), cung cấp đầy đủ chi tiết cài đặt và siêu tham số thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu tập trung đánh giá trên môi trường mô phỏng vật lý MuJoCo với không gian hành động liên tục, chưa mở rộng thử nghiệm trên các môi trường điều khiển phần cứng thực tế hoặc các bài toán có không gian quan sát phức tạp từ ảnh (pixel-based observations).
  • Kích thước quần thể trong CEM-DA-TD3 bị ràng buộc phải chia hết cho 4 do yêu cầu phân chia ghép cặp các Actor trong quá trình huấn luyện gradient.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng thử nghiệm các thuật toán trên các môi trường mô phỏng có độ phức tạp cao hơn và bài toán điều khiển robot thực tế.
  • Nghiên cứu cơ chế điều chỉnh thích ứng tự động cho trọng số $\beta$ của khoảng cách Kullback-Leibler và hệ số $v$ trong hàm tính target value của Double Actors.
  • Thử nghiệm kết hợp các phương pháp tính toán tiến hóa khác (như CMA-ES, Genetic Algorithms) với các thuật toán Actor-Critic nâng cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo học thuật trực tiếp cho:

  • Sinh viên, học viên cao học ngành Khoa học Máy tính, Trí tuệ Nhân tạo và Khoa học Dữ liệu: Tài liệu trình bày rõ ràng cơ sở lý thuyết từ các định lý nền tảng (Policy Gradient, Deterministic Policy Gradient) đến các biến thể nâng cao của kiến trúc Actor-Critic (TD3, DATD3).
  • Người nghiên cứu về Học tăng cường tiến hóa (ERL): Chương 3 và Chương 4 cung cấp chi tiết giải thuật lai ghép (kèm mã giả rõ ràng) và thiết lập môi trường thực nghiệm chuẩn mực trên nền tảng Tianshou và bộ công cụ MuJoCo.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán CEM-P3S-TD3 khác biệt với thuật toán gốc CEM-TD3 ở những điểm kỹ thuật nào?

CEM-P3S-TD3 có ba điểm khác biệt chính:

  • Chọn ra cá thể Actor tốt nhất ($\theta_b$) từ thế hệ trước để định hướng cập nhật cho các cá thể ở thế hệ hiện tại thông qua thành phần phạt phân kỳ Kullback-Leibler ($D_{KL}$).
  • Chỉ khởi tạo quần thể CEM ban đầu gồm $N/2$ cá thể (thay vì $N$ cá thể), sau đó kết hợp với $N/2$ cá thể sau huấn luyện RL để tạo quần thể $N$ cá thể, giúp cân bằng giữa thăm dò tiến hóa và khai thác gradient.
  • Các cá thể trong quá trình huấn luyện được tương tác trực tiếp với môi trường để nhận phản hồi phần thưởng tức thì, thay vì chỉ lấy mẫu gián tiếp từ Replay Buffer như CEM-TD3.

2. Vai trò của việc sử dụng Double Actors trong thuật toán CEM-DA-TD3 là gì?

Cơ chế Clipped Double Q-learning của TD3 chọn giá trị nhỏ nhất giữa 2 Critic để tránh overestimation bias nhưng lại có thể dẫn đến hiện tượng bi quan quá mức (underestimation bias). CEM-DA-TD3 huấn luyện các Actor theo từng cặp và áp dụng công thức tính target value kết hợp giữa giá trị cực đại và cực tiểu của 2 Actor, giúp giá trị ước tính tiến gần hơn đến giá trị thực và giảm thiểu sai số ước lượng.

3. Bộ môi trường thực nghiệm nào được sử dụng để đánh giá các thuật toán?

Khóa luận sử dụng bộ công cụ mô phỏng vật lý MuJoCo cho các tác vụ điều khiển liên tục:

  • MuJoCo version 2: Ant-v2, HalfCheetah-v2, Hopper-v2, Walker2d-v2 (đánh giá trên cả CEM-P3S-TD3, CEM-DA-TD3, CEM-TD3, eTD3).
  • MuJoCo version 3: Ant-v3, HalfCheetah-v3, Hopper-v3, Walker2d-v3 (đánh giá mở rộng trên CEM-P3S-TD3 và CEM-TD3).

4. Quy trình đánh giá hiệu suất của mỗi thuật toán được tiến hành như thế nào?

Mỗi thuật toán được chạy thực nghiệm độc lập qua 10 lần (10 random seeds). Tại cuối mỗi thế hệ, trung bình ($\mu$) của phân phối Gaussian được đánh giá qua $N_{eval} = 10$ trajectories kiểm thử không áp dụng hệ số chiết khấu discount factor. Tổng số bước tương tác là 1.000.000 bước đối với CEM-DA-TD3, eTD3 và lên đến 3.000.000 bước đối với CEM-P3S-TD3 và CEM-TD3.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Võ Minh Hiếu và Mai Đại Lâm đã giải quyết bài toán tối ưu hóa chính sách trong học tăng cường liên tục thông qua việc đề xuất hai thuật toán lai ghép CEM-P3S-TD3 và CEM-DA-TD3. Bằng cách tích hợp thuật toán tiến hóa Cross Entropy với kỹ thuật định hướng quần thể P3S và kiến trúc Double Actors của TD3, nghiên cứu đã cải thiện độ ổn định và giảm thiểu sai số ước lượng trong quá trình huấn luyện tác tử. Toàn bộ các đề xuất đều được hiện thực hóa trên nền tảng Tianshou và kiểm chứng định lượng trên hệ thống môi trường mô phỏng vật lý chuẩn MuJoCo v2 và v3.