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去偏的基于模型表示:面向样本高效连续控制 Debiased Model-based Representations for Sample-efficient Continuous Control

Jiafei Lyu, Zichuan Lin, Scott Fujimoto, Kai Yang, Yangkun Chen, Saiyong Yang, Zongqing Lu, Deheng Ye 📅 2026-05-12 👍 9 2026-07-13 08:36
互信息最大化 基于模型的表示学习 强化学习 经验回放 连续控制

DR.Q 通过最大化表示互信息和衰减式优先回放,给基于模型的Q学习表示去偏,单套超参横扫73个连续控制任务。

前置知识

马尔可夫决策过程与Actor-Critic

MDP用五元组 $(\mathcal{S},\mathcal{A},r,\gamma,P)$ 描述环境,目标是学得策略 $\pi:\mathcal{S}\to\mathcal{A}$ 使累积折扣回报 $\sum_t\gamma^t r_t$ 最大。Q函数 $Q^\pi(s,a)=\mathbb{E}[\sum_t\gamma^t r_t\mid s_0,a_0]$ 衡量某状态-动作对的价值。Actor-Critic把策略(actor)和价值(critic)解耦训练,本文DR.Q采用经典TD3风格的deterministic actor加双critic加clipped double Q-learning(CDQ)的目标。

DR.Q的actor和critic直接消费由encoder输出的 $z_s$ 和 $z_{sa}$,所有样本效率和最终表现都建立在actor-critic能否稳定训练之上;理解Q-learning的overestimation问题是看懂CDQ和Huber loss设计的前提。

基于模型的表示学习(Model-based Representations)

传统世界模型在原始状态空间学习 $g(s,a)\to s'$,而基于模型的表示则在潜空间训练状态编码器 $f:\mathcal{S}\to z_s$ 和状态-动作编码器 $g(z_s,a)\to z_{sa}$,并最小化潜空间动力学一致性损失 $\mathbb{E}[\|z_{sa}-z_{s'}\|_2^2]+(\hat r - r)^2$。由于潜空间还送给actor和critic,所以它把模型基RL的丰富学习信号与免模型RL的训练效率结合起来,MR.Q (Fujimoto et al., 2025) 是这条路的代表方法。

DR.Q 正是建立在MR.Q框架之上;要理解DR.Q的InfoNCE损失和faded PER如何"去偏",必须先知道先前方法只用MSE对齐潜变量这一关键设计。

InfoNCE 与互信息下界

直接计算高维随机变量的互信息 $I(X;Y)$ 需要难解的积分,常用替代是最小化InfoNCE损失 $\mathcal{L}_{\text{InfoNCE}}=-\sum_i\log\frac{\exp(\cos(z_{sa}^i,z_{s'}^i)/\tau)}{\sum_k\exp(\cos(z_{sa}^i,z_{s'}^k)/\tau)}$,它满足 $I(X;Y)\ge\log N-\mathcal{L}_{\text{InfoNCE}}$,其中 $\cos(\cdot,\cdot)$ 是余弦相似度,$\tau$ 是温度系数。批次内其他样本被当作负样本。

DR.Q 用来"去偏"表示的核心组件就是 InfoNCE 损失,它让 $z_{sa}$ 和 $z_{s'}$ 不仅数值接近,还共享更多分布层面的信息。读者需要知道 InfoNCE 是互信息的下界、最大似然的对比解释以及温度参数的影响。

优先经验回放 (PER) 与首因偏差 (primacy bias)

PER (Schaul et al., 2015) 按TD误差 $|\delta(i)|^\alpha$ 加权采样,让"令人惊讶"的样本更频繁被训练。LAP (Fujimoto et al., 2020) 是PER的改进版,移除IS ratio并设最小优先级为1。首因偏差指智能体倾向于过拟合replay buffer里早期(差的)经验,导致策略偏移后训练不稳定。FoG (Kang et al., 2025) 等用衰减机制让旧经验权重指数下降 $P(i)\propto(1-\epsilon)^i$。

DR.Q 的第二个创新是faded PER——把LAP的TD误差权重乘以 $(1-\epsilon)^i$ 衰减,并加 $\epsilon_{low}$ 下限阈值。理解PER、forget机制各自的优缺点是看懂faded PER动机的关键。

研究动机

近年来基于模型的表示学习 (MR.Q、TD7) 通过在潜空间里最小化 $\|z_{sa}-z_{s'}\|_2^2$ 来学习状态-动作和下一状态的表示,已经在样本效率上取得显著进展。然而这类方法存在两个长期被忽视的偏差来源。其一,仅最小化欧氏距离并不保证两个表示共享更多"信息"——本文Theorem 4.1 用反证法构造了 $Z_{sa}=X$、$Z_{s'}=X+\epsilon$(噪声项独立于 $X$)的反例,发现MSE变大时 $I(Z_{sa};Z_{s'})$ 反而变小;同时 $Z_{sa}=X$、$Z_{s'}=kX$($k$ 放大)时MSE和互信息可以同向变化,说明MSE和互信息之间没有确定联系。后果是模型可能通过"假对齐"让冗余维度数值接近、关键维度被忽视,表征变得biased。其二,replay buffer里早期(差的)经验若按PER的TD误差被反复采样,会把智能体锚定在过时的策略分布上,导致首因偏差(primacy bias),尤其在高维HumanoidBench任务中恶化严重。

本文的目标是本文目标是设计一种通用(单一超参集合、单一算法配置)的off-policy连续控制算法DR.Q,在73个跨MuJoCo、DMC suite、HumanoidBench(带/不带灵巧手)、DMC-Visual的任务上一致匹配或超过当前最强的通用基线(尤其是MR.Q、SimBaV2、TDMPC2、FoG)。具体在论文中要解决两件事:(1) 让学习到的潜空间表示既数值接近又互信息高,避免因表征偏差拖累下游Q学习;(2) 改进采样策略,让"既新又有大TD误差"的样本被频繁采到,旧经验被自然压制。

与已有工作不同的是,已有模型基表示方法(MR.Q、TD7)沿用Dreamer、TDMPC等模型基RL的"潜空间动力学一致性 MSE"目标,从未单独审视MSE和互信息的解耦关系;先前的对比/互信息方法(URL、CURL)又大多用于表征预训练,未和actor-critic联合优化。本文第一个切入角度是把"最大化 $I(z_{sa};z_{s'})$ "显式写进encoder损失,作为MSE之外的辅助项,并用InfoNCE做实用下界。第二个切入角度是把PER和指数衰减forget机制融合成faded PER,且理论分析证明旧样本的期望采样次数被严格上界。这是首个把"互信息 + 衰减采样"同时引入基于模型的Q学习表示的工作,区别于FoG的纯衰减、CrossQ的无PER、SimBaV2的架构改动路线。

核心方法

DR.Q 沿用 MR.Q 的两阶段训练框架:先在潜空间训练表示encoder,再在encoder输出之上做 actor-critic。直觉上可以把表示学习视为"给Q学习提供一个干净的潜变量"。整个encoder 接收当前状态 $s$ 和下一步状态 $s'$,由 $f_\omega:\mathcal{S}\to z_s$ 编码状态、$g_\omega(z_s,a)\to z_{sa}$ 编码状态-动作、线性预测器 $M(z_{sa})\to (\hat r,\hat z_{s'})$ 输出奖励和下一状态表示。损失由三部分组成:(1) 奖励预测的两热编码交叉熵 $\mathcal{L}_{\text{reward}}$;(2) 潜空间动力学一致性 MSE $\mathcal{L}_{\text{dynamics}}=\mathbb{E}[\|\hat z_{s'}-\text{SG}(\tilde z_{s'})\|^2]$;(3) 本文新加的 InfoNCE 损失 $\mathcal{L}_I$,在 $H=5$ 步潜空间展开上同时优化三者的加权和。采样端把LAP的 $|\delta(i)|^\alpha$ 乘以 $(1-\epsilon)^i$ 衰减,再用 $\epsilon_{low}$ clip,形成faded PER。

核心创新包含两个去偏机制。其一,最大化表示互信息:MR.Q 只最小化 $\|z_{sa}-z_{s'}\|_2^2$,DR.Q 在同一目标上额外减去 InfoNCE 损失,等价于最大化 $I(z_{sa};z_{s'})$,证明(Theorem 4.1 反证 + Lemma 4.2)该互信息项严格减小条件熵 $H(z_{s'}|z_{sa})$,使潜动力学更确定,从而收紧DeepMDP对Q误差的上界。其二,faded PER:用 $P(i)\propto|\delta(i)|^\alpha\max(\epsilon_{low},(1-\epsilon)^i)$ 把"新且惊讶"的样本放大,"旧或平淡"的样本压缩;Theorem 4.3 证明旧经验期望采样次数 $E[n_i]\le N/(1+C(1-\epsilon)^{k-i})$,远小于 $N$。两者本质区别于MR.Q:DR.Q显式建模"信息量"和"时间新鲜度"两个偏差来源,而MR.Q和TD7只做潜空间MSE + 普通PER。

方法步骤详情

训练流程如Algorithm 1。初始化策略 $\pi_\phi$、双critic $Q_{\theta_1},Q_{\theta_2}$、线性MDP预测器 $M$、encoder $f_\omega,g_\omega$ 及对应target网络。每步用 $a=\text{clip}(\pi_{\phi'}(z_s)+\psi,-1,1)$($\psi\sim\mathcal{N}(0,0.2^2)$)选动作并存入replay buffer。预热 $T_{\text{explore}}=10^4$ 步后开始训练。每 $T_{\text{target}}=250$ 步做一次 target 更新,随后做 $T_{\text{target}}$ 次encoder更新:用faded PER从buffer采 $N=256$ 条,按 $H=5$ 步展开计算 $\mathcal{L}_{\text{DR.Q}}^{\text{enc}}=\sum_{t=1}^{H}[\lambda_r\mathcal{L}_{\text{reward}}(\hat r_t,r_t)+\lambda_d\mathcal{L}_{\text{dynamics}}(\hat z_{s',t},\tilde z_{s',t})+\lambda_m\mathcal{L}_I(\hat z_{s',t},\tilde z_{s',t})]$,其中 $\lambda_r=0.1,\lambda_d=1,\lambda_m=0.1$。InfoNCE 在batch内将其他样本当负样本,用余弦相似度 $\cos(\hat z_{s'}^i,\tilde z_{s'}^i)/\tau$($\tau$ 调温度)。每步还更新critic(Huber损失、$H_Q=3$ 步return、CDQ取 $\min_j Q_{\theta'_j}$ 作为target)和actor(最小化 $-\frac{1}{2}\sum_{i=1,2}Q_{\theta_i}(g_\omega(z_s,a_\pi))$),并用新TD误差更新LAP优先级。

技术新颖性

技术新颖性集中在三个层次。(1) 理论:第一次显式证明最小化 MSE 不一定增加互信息,并提出用 InfoNCE 同时优化两条目标,Lemma 4.2 把"高互信息 ⇒ 低条件熵"和DeepMDP/MR.Q 的Q误差上界连起来。(2) 算法:把faded PER写成 $|\delta(i)|^\alpha\max(\epsilon_{low},(1-\epsilon)^i)$ 的简洁形式,并证其采样次数有界、且对老经验不会高于新经验。(3) 工程:单一超参集合覆盖了 73 个差异巨大的任务(包括图像输入的DMC-Visual),用UTD=1和简单的AdamW优化器,没有layer norm、target值归一化、参数重置等繁复trick。表4明确显示SimBaV2、FoG在HumanoidBench上其实需要切换clip DQ/avg DQ、调整batch size和reset step,DR.Q则全程固定。t-SNE可视化(Figure 16)进一步佐证其表示在潜空间更连续、聚类更集中。

Overall framework of DR.Q. DR.Q introduces an auxiliary loss for maximizing the mutual information between the state-action representation zsa and the next state representation zs′ rather than merely minimizing the latent dynamics consistency loss. Meanwhile, DR.Q improves the sampling strategy by combining the prioritized experience replay with the experience forget mechanism.
Figure 2: Overall framework of DR.Q. DR.Q introduces an auxiliary loss for maximizing the mutual information between the state-action representation zsa and the next state representation zs′ rather than merely minimizing the latent dynamics consistency loss. Meanwhile, DR.Q improves the sampling strategy by combining the prioritized experience replay with the experience forget mechanism.

实验结果

DR.Q在四个套件上一致匹配或超过最强通用基线。MuJoCo(5任务,1M步):DR.Q平均归一分1.608,仅次于SimBaV2的1.617,但Ant-v4上8138、Humanoid-v4上11239都刷新最高分;唯一明显短板是Hopper-v4仅2504(SimBaV2为4054),作者承认这是统一超参的副作用。DMC-Easy(21任务,500K步):DR.Q IQM 0.937、Mean 0.886全面领先,hopper-hop 384(对比TDMPC2 425、MR.Q 251)显示在低维控制上的优势。DMC-Hard(7任务,dog+humanoid):DR.Q IQM 0.917/Mean 0.842,dog-run 721首创1M步超过700,humanoid-run 465(SimBaV2 194、FoG 292)接近翻倍,比SimBaV2高约15.5%。HumanoidBench w/o hand(14任务,1M步):DR.Q IQM 0.864/Mean 0.825,超过FoG的0.846/0.802;h1-reach 8101远高于MR.Q 4902、TDMPC2 2654。HumanoidBench w/ hand(14任务,obs dim最高达308):DR.Q IQM 0.452、Mean 0.534,相对FoG提升约58.9%,h1hand-sit-hard 891、h1hand-walk 512都几乎达到第二名SimBaV2的两倍。DMC-Visual(12任务,图像输入):DR.Q IQM 0.494,比MR.Q 0.322高约26.8%;visual-dog-stand 700(对比MR.Q 216)是最显著单项。消融(Figure 4)显示去掉InfoNCE在humanoid-walk等高维任务上掉点明显;仅用forget(等价于FoG的replay部分)或仅用LAP都会损失性能,验证faded PER组合的必要性。图15的扩展状态实验进一步说明注入50维高斯噪声后,DR.Q性能几乎不退化而MR.Q在dog-run、h1hand-walk等任务显著掉点,证明InfoNCE对冗余维度更鲁棒。

The complete list of Gym MuJoCo tasks.
Table 1: The complete list of Gym MuJoCo tasks.
The full list of DMC suite tasks (with vector inputs).
Table 2: The full list of DMC suite tasks (with vector inputs).
A full list of HumanoidBench tasks. Random means the return of the random policy, and Success means the task success return.
Table 3: A full list of HumanoidBench tasks. Random means the return of the random policy, and Success means the task success return.
Comparison of DR.Q against baseline methods. CDQ denotes the clipped double Q-learning, and AvgQ is the average Q-learning that take mean of two critics.
Table 4: Comparison of DR.Q against baseline methods. CDQ denotes the clipped double Q-learning, and AvgQ is the average Q-learning that take mean of two critics.
DR.Q hyperparameters. We keep all these hyperparameters fixed across all benchmark tasks.
Table 5: DR.Q hyperparameters. We keep all these hyperparameters fixed across all benchmark tasks.
Full comparison results on Gym MuJoCo tasks.
Table 6: Full comparison results on Gym MuJoCo tasks.
Full performance comparison results in DMC-Easy tasks.
Table 7: Full performance comparison results in DMC-Easy tasks.
Full performance comparison on DMC-Hard tasks.
Table 8: Full performance comparison on DMC-Hard tasks.
Full comparison results on HumanoidBench without dexterous hands.
Table 9: Full comparison results on HumanoidBench without dexterous hands.
Benchmark summary. We aggregate results from three continuous control benchmarks and 73 tasks.
Figure 1: Benchmark summary. We aggregate results from three continuous control benchmarks and 73 tasks.
Sample efficiency comparison. We select 16 representative tasks out of 73 tasks. All results are averaged across 10 random seeds.
Figure 3: Sample efficiency comparison. We select 16 representative tasks out of 73 tasks. All results are averaged across 10 random seeds.
Ablation study on InfoNCE loss (Top) and sampling strategies (bottom).
Figure 4: Ablation study on InfoNCE loss (Top) and sampling strategies (bottom).
Full learning curves on Gym MuJoCo tasks.
Figure 5: Full learning curves on Gym MuJoCo tasks.
Full learning curves on DMC suite easy tasks.
Figure 6: Full learning curves on DMC suite easy tasks.
Full learning curves on DMC suite hard tasks.
Figure 7: Full learning curves on DMC suite hard tasks.
Full learning curves on HumanoidBench (w/o hand) tasks.
Figure 8: Full learning curves on HumanoidBench (w/o hand) tasks.
Full learning curves on HumanoidBench (w/ hand) tasks.
Figure 9: Full learning curves on HumanoidBench (w/ hand) tasks.
Extended experiments with visual inputs.
Figure 10: Extended experiments with visual inputs.
Extended ablation study on InfoNCE loss.
Figure 11: Extended ablation study on InfoNCE loss.
Extended ablation study on sampling strategies.
Figure 12: Extended ablation study on sampling strategies.
Ablation study on the latent dynamics loss term.
Figure 13: Ablation study on the latent dynamics loss term.
Performance comparison of DR.Q against MR.Q with modified hyperparameters.
Figure 14: Performance comparison of DR.Q against MR.Q with modified hyperparameters.
Comparison between DR.Q and MR.Q under extended state inputs.
Figure 15: Comparison between DR.Q and MR.Q under extended state inputs.
查看结构化数据
任务指标本文基线提升
DMC-Hard (7 tasks aggregate) IQM / Mean (normalized) 0.917 / 0.842 SimBaV2 0.808/0.729, MR.Q 0.796/0.723, FoG 0.880/0.787 +15.5% over SimBaV2 (Mean); +15.5% (IQM)
HumanoidBench w/ hand (14 tasks aggregate) IQM / Mean (success-normalized) 0.452 / 0.534 FoG 0.254/0.336, MR.Q 0.286/0.385, SimBaV2 0.298/0.417 +58.9% over FoG (Mean)
DMC-Visual (12 tasks aggregate) IQM / Mean (normalized) 0.494 / 0.501 MR.Q 0.322/0.395, TDMPC2 0.154/0.269, DreamerV3 0.168/0.247 +26.8% over MR.Q (Mean)
HumanoidBench w/o hand (14 tasks aggregate) IQM / Mean 0.864 / 0.825 FoG 0.846/0.802, SimBaV2 0.799/0.776, TDMPC2 0.734/0.710 +2.9% over FoG (Mean)
DMC-Easy (21 tasks aggregate) IQM / Mean 0.937 / 0.886 MR.Q 0.936/0.874, TDMPC2 0.941/0.889, SimBaV2 0.933/0.874 基本持平,在hopper-hop等任务领先MR.Q +133
Gym MuJoCo (5 tasks aggregate) IQM / Mean (TD3-normalized) 1.691 / 1.608 SimBaV2 1.637/1.617, MR.Q 1.499/1.465, FoG 1.242/1.196 Humanoid-v4 11239、Ant-v4 8138创最高分

局限与改进

作者在论文Limitations小节明确承认四点。(1) Hopper-v4上DR.Q仅2504分,远低于SimBaV2的4054,原因是统一超参缺乏任务特化,比如MR.Q和FoG同样在此任务较弱。(2) 图像输入的humanoid-run任务所有方法都接近0分(DR.Q得1),作者指出DrQv2需要15M步才有意义的结果,本文只跑1M步。(3) InfoNCE + Faded PER 带来额外计算与一个1D forget权重数组存储,但作者声称UTD=1仍比SimBaV2/FoG高效。(4) DR.Q不适合硬探索任务或非马尔可夫环境,且未在Atari等离散动作上验证。我自己的观察:图15扩展50维噪声的实验显示冗余维度对MR.Q打击明显而对DR.Q影响小,这间接说明InfoNCE对表示的信息量"筛选"有效;但作者没有给出互信息 $I(z_{sa};z_{s'})$ 的实际数值估计,理论优势如何转化为数值层面可量化的指标并不直观;faded PER的两个超参 $\epsilon$ 和 $\epsilon_{low}$ 文中给出固定值0.0001和0.1,未做sensitivity study,存在调参风险。

独立分析的弱点

独立分析三个潜在弱点。弱点一:单超参策略的代价。DR.Q在Hopper-v4上明显掉分(2504 vs SimBaV2 4054),说明固定超参在奖励稀疏/终止敏感的短视任务上欠拟合;改进方向可借鉴FoG的"forget and grow"思路,在不同benchmark上动态调节encoder horizon $H$、InfoNCE权重 $\lambda_m$ 或者faded PER的 $\epsilon$。弱点二:InfoNCE的负样本策略比较朴素。论文里用同一batch内其他样本做负样本,最大N=256,碰到状态分布高度多模态的高维HumanoidBench任务(h1hand 308维)时可能不足;可以引入memory bank或者MoCo-style的动量队列来扩充负样本规模,进一步抬高互信息下界。弱点三:faded PER 假设 $\epsilon_{low}=0.1$ 截断,但理论上仍然可能让"老但极重要"的transition过早退出采样,比如图17的visual-dog-stand和h1-run里,蓝色点(TD×forget权重)显示某些早期大TD样本被压到很低;改进方向是引入时序差分式自适应阈值(类似 PER中的rank-based priority)或者在TD误差大时自动放松 $\epsilon_{low}$。

未来方向

作者在Conclusion里直接指出三条主线:在Atari等离散动作任务上验证、把InfoNCE替换为更紧的互信息下界(比如非线性MINE或 CLUB上界)、把DR.Q作为新通用基线扩展到语言或多模态RL。我补充的延伸方向:(1) 把InfoNCE推广到状态-动作表示和隐式policy的互信息上,借鉴BYOL-Explore的bootstrap思路,让表示学习真正捕获"决策相关"信息而非仅动力学信息;(2) 借鉴MAD-TD模型增强数据方案,把faded PER的旧经验与TDMPC2 latent imagination的synthetic rollouts混用,可能在低数据下进一步提升样本效率;(3) 联合训练世界模型并把DreamerV3风格的actor-critic嵌入DR.Q encoder,得到纯offline-to-online或sim-to-real版本;(4) 在更大规模HumanoidBench子任务(h1hand-21维action)上做few-shot fine-tuning研究,验证DR.Q表示的迁移性。

复现评估

作者开源了代码、模型权重和训练日志在 https://github.com/dmksjfl/DR.Q。数据维度在表1-3中完整列出(MuJoCo 5个、DMC 28个、HumanoidBench 28个、DMC-Visual 12个,obs/action dim涵盖3维cartpole到308维h1hand-bookshelf)。所有任务跑10个随机种子(部分3-15),95%置信区间通过rliable计算。算力方面,文章没有给出显式GPU小时数,但UTD=1、batch=256、replay buffer=1M、encoder hidden=750和H=5步展开是相对轻量的,理论上单张RTX 4090可在数小时内完成1M步训练;视觉DMC版本加上encoder后稍重但仍比TDMPC2经济。复现难度评估:中等——超参虽固定,但需要分别配置三个benchmark的env wrapper(尤其HumanoidBench需要Unitree H1 XML和Dexterous hands)。本工作的实验设计没有调过任务级超参,跨套件迁移性好,但faded PER的两个超参($\epsilon, \epsilon_{low}$)和InfoNCE温度 $\tau$ 在新任务上可能仍需小范围搜索。