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MARL 基础与集中训练分散执行

其他智能体在学习,环境从单个智能体看是非平稳的;团队奖励下每个智能体的贡献难以分辨。CTDE 在训练时使用全局信息、执行时只用局部观测。本章讲 MADDPG、MAPPO、QMIX 与价值分解。

多智能体把 RL 的困难升级为两个新问题:

  • 非平稳性:其他智能体也在学习。从单个智能体的视角,环境的转移函数 PP 与对手策略在随训练变化——马尔可夫性、收敛性、价值函数的意义都要重新审视。"最优策略"依赖于对手是谁、对手会怎么变。
  • 信用分配:团队共享一个奖励时,每个智能体的贡献难以分辨——赢了是谁的功劳?全局奖励对所有智能体一样,个体从中学不到"我该做什么"。

CTDE(Centralized Training with Decentralized Execution)是应对这两个困难的主流架构:训练时用全局信息(所有智能体的观测与动作),执行时每个智能体只用局部观测。

  • 训练时用全局信息 → 解决非平稳性(critic 看到全局状态,价值函数不必建模其他智能体的变化)与信用分配(全局 critic 能分辨个体贡献);
  • 执行时只用局部观测 → 部署不需要中心节点与全局通信(真实多机器人、游戏客户端皆如此)。

这是把"训练与执行的信息不对称"制度化:信息不平等可以接受,只要执行时不依赖。

MADDPG(Lowe et al., 2017):DDPG 的多智能体版——每个智能体有自己的确定性 actor(只用局部观测),critic 用全局状态 + 所有智能体的动作训练。CTDE 的最直接实现。

MAPPO(Yu et al., 2022):PPO 的多智能体版——局部 actor + 全局 critic + GAE。实证结论:在合作任务上 MAPPO 常优于 off-policy 方法,且实现简单(PPO 的稳定性优势在多智能体的非平稳噪声下更值钱,→ TRPO 与 PPO)。

IPPO(独立学习):每个智能体独立跑 PPO,完全不用全局信息。意外强大的基线——CTDE 的全局 critic 并不总是必要,独立学习在不少合作任务上与 CTDE 相当。先跑 IPPO,再看全局 critic 值不值,是经验法则。

价值函数方法的多智能体版本要回答:联合价值 QtotQ_{\text{tot}} 如何从个体价值 QiQ_i 组合?(价值分解,value decomposition。)

  • VDN(Value Decomposition Networks):Qtot=∑iQiQ_{\text{tot}} = \sum_i Q_i,线性可加——太局限;
  • QMIX(Rashid et al., 2018):Qtot=fmix(Q1,…,Qn;sglobal)Q_{\text{tot}} = f_{\text{mix}}(Q_1, \dots, Q_n; s_{\text{global}}),其中 fmixf_{\text{mix}} 是单调网络(对每个 QiQ_i 的偏导非负)。单调性保证:个体贪心 = 联合贪心(IGM,individual-global-max)——执行时每个智能体对自己的 QiQ_i 贪心,联合起来就是全局最优(近似)。

单调性约束的代价:QMIX 表示不了联合价值上"非单调"的交互(一个智能体的最优动作依赖另一个智能体选什么,如需要"一个按住、一个拿"的协作),这类任务上 QMIX 有原理性上限。QPLEX、QTRAN 等方法放松单调性,代价是复杂与不稳定。

  • 独立学习(IPPO)是意外强大的基线
  • QMIX 的单调性约束限制了可表示的联合价值
  • MAPPO 在合作任务上常优于 off-policy 方法