AlphaGo原来是这样运行的，一文详解多智能体强化学习

在这篇综述性文章中，作者详尽地介绍了多智能强化学习的理论基础，并阐述了解决各类多智能问题的经典算法。此外，作者还以 AlphaGo、AlphaStar为例，概述了多智能体强化学习的实际应用。

近年来，随着强化学习（reinforcement learning）在多个应用领域取得了令人瞩目的成果，并且考虑到在现实场景中通常会同时存在多个决策个体（智能体），部分研究者逐渐将眼光从单智能体领域延伸到多智能体。

本文将首先简要地介绍多智能体强化学习（multi-agent reinforcement learning, MARL）的相关理论基础，包括问题的定义、问题的建模，以及涉及到的核心思想和概念等。然后，根据具体应用中智能体之间的关系，将多智能体问题分为完全合作式、完全竞争式、混合关系式三种类型，并简要阐述解决各类多智能体问题的经典算法。最后，本文列举深度强化学习在多智能体研究工作中提出的一些方法（multi-agent deep reinforcement learning）。

1. 强化学习和多智能体强化学习

我们知道，强化学习的核心思想是“试错”（trial-and-error）：智能体通过与环境的交互，根据获得的反馈信息迭代地优化。在 RL 领域，待解决的问题通常被描述为马尔科夫决策过程。

图 1：强化学习的框架（同时也表示了马尔科夫决策过程）。图源：[1]

当同时存在多个智能体与环境交互时，整个系统就变成一个多智能体系统（multi-agent system）。每个智能体仍然是遵循着强化学习的目标，也就是是最大化能够获得的累积回报，而此时环境全局状态的改变就和所有智能体的联合动作（joint action）相关了。因此在智能体策略学习的过程中，需要考虑联合动作的影响。

1.1 多智能体问题的建模——博弈论基础

马尔科夫决策过程拓展到多智能体系统，被定义为马尔科夫博弈（又称为随机博弈，Markov/stochastic game）。当我们对博弈论有一定了解后，能够借助博弈论来对多智能体强化学习问题进行建模，并更清晰地找到求解问题的方法。

图 2：马尔科夫博弈过程。图源：[2]

在马尔科夫博弈中，所有智能体根据当前的环境状态（或者是观测值）来同时选择并执行各自的动作，该各自动作带来的联合动作影响了环境状态的转移和更新，并决定了智能体获得的奖励反馈。它可以通过元组 < S,A1,...,An,T,R1,...,Rn > 来表示，其中 S 表示状态集合，Ai 和 Ri 分别表示智能体 i 的动作集合和奖励集合，T 表示环境状态转移概率，表示损失因子。此时，某个智能体 i 获得的累积奖励的期望可以表示为：

对于马尔科夫博弈，纳什均衡（Nash equilibrium）是一个很重要的概念，它是在多个智能体中达成的一个不动点，对于其中任意一个智能体来说，无法通过采取其他的策略来获得更高的累积回报，在数学形式上可以表达为：

在该式中，π^表示智能体 i 的纳什均衡策略。

值得注意的是，纳什均衡不一定是全局最优，但它是在概率上最容易产生的结果，是在学习时较容易收敛到的状态，特别是如果当前智能体无法知道其他智能体将会采取怎样的策略。这里举个简单的例子来帮助理解，即博弈论中经典的囚徒困境。根据两个人不同的交代情况，判刑的时间是不一样的：

在这个表格中，当 A 和 B 都选择撒谎时，能够达到全局最优的回报。但是每个个体都不知道另外的个体会做出怎样的行为，对于 A 或者是来 B 说，如果改成选择坦白，则能够获得更优的回报。实际上，对于 A 或者 B 来说，此时不管另外的个体选择了哪种行为，坦白是它能够获得最优回报的选择。所以，最终会收敛到 A 和 B 都选择坦白，即囚徒困境中的纳什均衡策略。

均衡求解方法是多智能体强化学习的基本方法，它对于多智能体学习的问题，结合了强化学习的经典方法（如 Q-learning）和博弈论中的均衡概念，通过 RL 的方法来求解该均衡目标，从而完成多智能体的相关任务。这种思路在后面介绍具体的学习方法中会有所体现。

相比于单智能体系统，强化学习应用在多智能体系统中会遇到哪些问题和挑战？

环境的不稳定性：智能体在做决策的同时，其他智能体也在采取动作；环境状态的变化与所有智能体的联合动作相关；

智能体获取信息的局限性：不一定能够获得全局的信息，智能体仅能获取局部的观测信息，但无法得知其他智能体的观测信息、动作和奖励等信息；

个体的目标一致性：各智能体的目标可能是最优的全局回报；也可能是各自局部回报的最优；

可拓展性：在大规模的多智能体系统中，就会涉及到高维度的状态空间和动作空间，对于模型表达能力和真实场景中的硬件算力有一定的要求。

1.2 多智能体问题的求解——多智能体强化学习算法介绍

对于多智能体强化学习问题，一种直接的解决思路：将单智能体强化学习方法直接套用在多智能体系统中，即每个智能体把其他智能体都当做环境中的因素，仍然按照单智能体学习的方式、通过与环境的交互来更新策略；这是 independent Q-learning 方法的思想。这种学习方式固然简单也很容易实现，但忽略了其他智能体也具备决策的能力、所有个体的动作共同影响环境的状态，使得它很难稳定地学习并达到良好的效果。

在一般情况下，智能体之间可能存在的是竞争关系（非合作关系）、半竞争半合作关系（混合式）或者是完全合作关系，在这些关系模式下，个体需要考虑其他智能体决策行为的影响也是不一样的。参考综述[3]，接下来的部分将根据智能体之间的关系，按照完全竞争式、半竞争半合作、完全合作式来阐述多智能体问题的建模以及求解方法。

1.2.1 智能体之间是完全竞争关系

（编辑：应用网_阳江站长网）

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