Abstracting Imperfect Information Away from Two-Player Zero-Sum Games

In their seminal work, Nayyar et al. (2013) showed that imperfect information can be abstracted away from common-payoff games by having players publicly announce their policies as they play. This insight underpins sound solvers and decision-time planning algorithms for common-payoff games. Unfortunately, a naive application of the same insight to two-player zero-sum games fails because Nash equilibria of the game with public policy announcements may not correspond to Nash equilibria of the original game. As a consequence, existing sound decision-time planning algorithms require complicated additional mechanisms that have unappealing properties. The main contribution of this work is showing that certain regularized equilibria do not possess the aforementioned non-correspondence problem -- thus, computing them can be treated as perfect information problems. Because these regularized equilibria can be made arbitrarily close to Nash equilibria, our result opens the door to a new perspective on solving two-player zero-sum games and, in particular, yields a simplified framework for decision-time planning in two-player zero-sum games, void of the unappealing properties that plague existing decision-time planning approaches

Agent abstraction in multi-agent reinforcement learning

Cette thèse est organisée en deux chapitres. Le premier chapitre sert d’introduction aux concepts et idées utilisés dans le deuxième chapitre (l’article). Le premier chapitre est divisé en trois sections. Dans la première section, nous introduisons l’apprentissage par renforcement en tant que paradigme d’apprentissage automatique et montrons comment ses problèmes sont formalisés à l’aide de processus décisionnels de Markov. Nous formalisons les buts sous forme de rendements attendus et montrons comment les équations de Bellman utilisent la formulation récursive du rendement pour établir une relation entre les valeurs de deux états successifs sous la politique de l’agent. Après cela, nous soutenons que la résolution des équations d’optimalité de Bellman est insoluble et introduisons des algorithmes basés sur des valeurs tels que la programmation dynamique, les méthodes de Monte Carlo et les méthodes de différence temporelle qui se rapprochent de la solution optimale à l’aide de l’itération de politique généralisée. L’approximation de fonctions est ensuite proposée comme moyen de traiter les grands espaces d’états. Nous discutons également de la manière dont les méthodes basées sur les politiques optimisent directement la politique sans optimiser la fonction de valeur. Dans la deuxième section, nous introduisons les jeux de Markov comme une extension des processus décisionnels de Markov pour plusieurs agents. Nous couvrons les différents cadres formés par les différentes structures de récompense et donnons les dilemmes sociaux séquentiels comme exemple du cadre d’incitation mixte. En fin de compte, nous introduisons différentes structures d’information telles que l’apprentissage centralisé qui peuvent aider à faire face à la non-stationnarité in- duite par l’adversaire. Enfin, dans la troisième section, nous donnons un bref aperçu des types d’abstraction d’état et introduisons les métriques de bisimulation comme un concept inspiré de l’abstraction de non-pertinence du modèle qui mesure la similarité entre les états. Dans le deuxième chapitre (l’article), nous approfondissons finalement l’abstraction d’agent en tant que métrique de bisimulation et dérivons un facteur de compression que nous pouvons appliquer à la diplomatie pour révéler l’agence supérieure sur les unités de joueur.This thesis is organized into two chapters. The first chapter serves as an introduction to the concepts and ideas used in the second chapter (the article). The first chapter is divided into three sections. In the first section, we introduce Reinforcement Learning as a Machine Learning paradigm and show how its problems are formalized using Markov Decision Processes. We formalize goals as expected returns and show how the Bellman equations use the recursive formulation of return to establish a relation between the values of two successive states under the agent’s policy. After that, we argue that solving the Bellman optimality equations is intractable and introduce value-based algorithms such as Dynamic Programming, Monte Carlo methods, and Temporal Difference methods that approximate the optimal solution using Generalized Policy Iteration. Function approximation is then proposed as a way of dealing with large state spaces. We also discuss how policy-based methods optimize the policy directly without optimizing the value function. In the second section, we introduce Markov Games as an extension of Markov Decision Processes for multiple agents. We cover the different settings formed by the different reward structures and give Sequential Social Dilemmas as an example of the mixed-incentive setting. In the end, we introduce different information structures such as centralized learning that can help deal with the opponent-induced non-stationarity. Finally, in the third section, we give a brief overview of state abstraction types and introduce bisimulation metrics as a concept inspired by model-irrelevance abstraction that measures the similarity between states. In the second chapter (the article), we ultimately delve into agent abstraction as a bisimulation metric and derive a compression factor that we can apply to Diplomacy to reveal the higher agency over the player units

Emergence and resilience in multi-agent reinforcement learning

Our world represents an enormous multi-agent system (MAS), consisting of a plethora of agents that make decisions under uncertainty to achieve certain goals. The interaction of agents constantly affects our world in various ways, leading to the emergence of interesting phenomena like life forms and civilizations that can last for many years while withstanding various kinds of disturbances. Building artificial MAS that are able to adapt and survive similarly to natural MAS is a major goal in artificial intelligence as a wide range of potential real-world applications like autonomous driving, multi-robot warehouses, and cyber-physical production systems can be straightforwardly modeled as MAS. Multi-agent reinforcement learning (MARL) is a promising approach to build such systems which has achieved remarkable progress in recent years. However, state-of-the-art MARL commonly assumes very idealized conditions to optimize performance in best-case scenarios while neglecting further aspects that are relevant to the real world. In this thesis, we address emergence and resilience in MARL which are important aspects to build artificial MAS that adapt and survive as effectively as natural MAS do. We first focus on emergent cooperation from local interaction of self-interested agents and introduce a peer incentivization approach based on mutual acknowledgments. We then propose to exploit emergent phenomena to further improve coordination in large cooperative MAS via decentralized planning or hierarchical value function factorization. To maintain multi-agent coordination in the presence of partial changes similar to classic distributed systems, we present adversarial methods to improve and evaluate resilience in MARL. Finally, we briefly cover a selection of further topics that are relevant to advance MARL towards real-world applicability.Unsere Welt stellt ein riesiges Multiagentensystem (MAS) dar, welches aus einer Vielzahl von Agenten besteht, die unter Unsicherheit Entscheidungen treffen müssen, um bestimmte Ziele zu erreichen. Die Interaktion der Agenten beeinflusst unsere Welt stets auf unterschiedliche Art und Weise, wodurch interessante emergente Phänomene wie beispielsweise Lebensformen und Zivilisationen entstehen, die über viele Jahre Bestand haben und dabei unterschiedliche Arten von Störungen überwinden können. Die Entwicklung von künstlichen MAS, die ähnlich anpassungs- und überlebensfähig wie natürliche MAS sind, ist eines der Hauptziele in der künstlichen Intelligenz, da viele potentielle Anwendungen wie zum Beispiel das autonome Fahren, die multi-robotergesteuerte Verwaltung von Lagerhallen oder der Betrieb von cyber-phyischen Produktionssystemen, direkt als MAS formuliert werden können. Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) ist ein vielversprechender Ansatz, mit dem in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt wurden, um solche Systeme zu entwickeln. Allerdings geht der Stand der Forschung aktuell von sehr idealisierten Annahmen aus, um die Effektivität ausschließlich für Szenarien im besten Fall zu optimieren. Dabei werden weiterführende Aspekte, die für die echte Welt relevant sind, größtenteils außer Acht gelassen. In dieser Arbeit werden die Aspekte Emergenz und Resilienz in MARL betrachtet, welche wichtig für die Entwicklung von anpassungs- und überlebensfähigen künstlichen MAS sind. Es wird zunächst die Entstehung von emergenter Kooperation durch lokale Interaktion von selbstinteressierten Agenten untersucht. Dazu wird ein Ansatz zur Peer-Incentivierung vorgestellt, welcher auf gegenseitiger Anerkennung basiert. Anschließend werden Ansätze zur Nutzung emergenter Phänomene für die Koordinationsverbesserung in großen kooperativen MAS präsentiert, die dezentrale Planungsverfahren oder hierarchische Faktorisierung von Evaluationsfunktionen nutzen. Zur Aufrechterhaltung der Multiagentenkoordination bei partiellen Veränderungen, ähnlich wie in klassischen verteilten Systemen, werden Methoden des Adversarial Learning vorgestellt, um die Resilienz in MARL zu verbessern und zu evaluieren. Abschließend wird kurz eine Auswahl von weiteren Themen behandelt, die für die Einsatzfähigkeit von MARL in der echten Welt relevant sind

A Strong Duality Result for Constrained POMDPs with Multiple Cooperative Agents

The work studies the problem of decentralized constrained POMDPs in a team-setting where multiple nonstrategic agents have asymmetric information. Using an extension of Sion's Minimax theorem for functions with positive infinity and results on weak-convergence of measures, strong duality is established for the setting of infinite-horizon expected total discounted costs when the observations lie in a countable space, the actions are chosen from a finite space, the constraint costs are bounded, and the objective cost is bounded from below