Automatic Algorithm Selection for Complex Simulation Problems

To select the most suitable simulation algorithm for a given task is often difficult. This is due to intricate interactions between model features, implementation details, and runtime environment, which may strongly affect the overall performance. The thesis consists of three parts. The first part surveys existing approaches to solve the algorithm selection problem and discusses techniques to analyze simulation algorithm performance.The second part introduces a software framework for automatic simulation algorithm selection, which is evaluated in the third part.Die Auswahl des passendsten Simulationsalgorithmus für eine bestimmte Aufgabe ist oftmals schwierig. Dies liegt an der komplexen Interaktion zwischen Modelleigenschaften, Implementierungsdetails und Laufzeitumgebung. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert. Der erste Teil befasst sich eingehend mit Vorarbeiten zur automatischen Algorithmenauswahl, sowie mit der Leistungsanalyse von Simulationsalgorithmen. Der zweite Teil der Arbeit stellt ein Rahmenwerk zur automatischen Auswahl von Simulationsalgorithmen vor, welches dann im dritten Teil evaluiert wird

A Reinforcement Learning Technique For Enhancing Human Behavior Models In A Context-based Architecture

A reinforcement-learning technique for enhancing human behavior models in a context-based learning architecture is presented. Prior to the introduction of this technique, human models built and developed in a Context-Based reasoning framework lacked learning capabilities. As such, their performance and quality of behavior was always limited by what the subject matter expert whose knowledge is modeled was able to articulate or demonstrate. Results from experiments performed show that subject matter experts are prone to making errors and at times they lack information on situations that are inherently necessary for the human models to behave appropriately and optimally in those situations. The benefits of the technique presented is two fold; 1) It shows how human models built in a context-based framework can be modified to correctly reflect the knowledge learnt in a simulator; and 2) It presents a way for subject matter experts to verify and validate the knowledge they share. The results obtained from this research show that behavior models built in a context-based framework can be enhanced by learning and reflecting the constraints in the environment. From the results obtained, it was shown that after the models are enhanced, the agents performed better based on the metrics evaluated. Furthermore, after learning, the agent was shown to recognize unknown situations and behave appropriately in previously unknown situations. The overall performance and quality of behavior of the agent improved significantly

Data efficiency in imitation learning with a focus on object manipulation

Imitation is a natural human behaviour that helps us learn new skills. Modelling this behaviour in robots, however, has many challenges. This thesis investigates the challenge of handling the expert demonstrations in an efficient way, so as to minimise the number of demonstrations required for robots to learn. To achieve this, it focuses on demonstration data efficiency at various steps of the imitation process. Specifically, it presents new methodologies that offer ways to acquire, augment and combine demonstrations in order to improve the overall imitation process. Firstly, the thesis explores an inexpensive and non-intrusive way of acquiring dexterous human demonstrations. Human hand actions are quite complex, especially when they involve object manipulation. The proposed framework tackles this by using a camera to capture the hand information and then retargeting it to a dexterous hand model. It does this by combining inverse kinematics with stochastic optimisation. The demonstrations collected with this framework can then be used in the imitation process. Secondly, the thesis presents a novel way to apply data augmentation to demonstrations. The main difficulty of augmenting demonstrations is that their trajectorial nature can make them unsuccessful. Whilst previous works require additional knowledge about the task or demonstrations to achieve this, this method performs augmentation automatically. To do this, it introduces a correction network that corrects the augmentations based on the distribution of the original experts. Lastly, the thesis investigates data efficiency in a multi-task scenario where it additionally proposes a data combination method. Its aim is to automatically divide a set of tasks into sub-behaviours. Contrary to previous works, it does this without any additional knowledge about the tasks. To achieve this, it uses both task-specific and shareable modules. This minimises negative transfer and allows for the method to be applied to various task sets with different commonalities.Open Acces

Deep latent-variable models for neural text generation

Text generation aims to produce human-like natural language output for down-stream tasks. It covers a wide range of applications like machine translation, document summarization, dialogue generation and so on. Recently deep neural network-based end-to-end architectures are known to be data-hungry, and text generated from them usually suffer from low diversity, interpretability and controllability. As a result, it is difficult to trust the output from them in real-life applications. Deep latent-variable models, by specifying the probabilistic distribution over an intermediate latent process, provide a potential way of addressing these problems while maintaining the expressive power of deep neural networks. This presentation will explain how deep latent-variable models can improve over the standard encoder-decoder model for text generation. We will start from an introduction of encoder-decoder and deep latent-variable models, then go over popular optimization strategies, and finally elaborate on how latent variable models can help improve the diversity, interpretability and data efficiency in different applications of text generation tasks.Textgenerierung zielt darauf ab, eine menschenähnliche Textausgabe in natürlicher Sprache für Anwendungen zu erzeugen. Es deckt eine breite Palette von Anwendungen ab, wie maschinelle Übersetzung, Zusammenfassung von Dokumenten, Generierung von Dialogen usw. In letzter Zeit werden dafür hauptsächlich Endto- End-Architekturen auf der Basis von tiefen neuronalen Netzwerken verwendet. Der End-to-End-Ansatz fasst alle Submodule, die früher nach komplexen handgefertigten Regeln entworfen wurden, zu einer ganzheitlichen Codierungs- Decodierungs-Architektur zusammen. Bei ausreichenden Trainingsdaten kann eine Leistung auf dem neuesten Stand der Technik erzielt werden, ohne dass sprach- und domänenabhängiges Wissen erforderlich ist. Deep-Learning-Modelle sind jedoch als extrem datenhungrig bekannt und daraus generierter Text leidet normalerweise unter geringer Diversität, Interpretierbarkeit und Kontrollierbarkeit. Infolgedessen ist es schwierig, der Ausgabe von ihnen in realen Anwendungen zu vertrauen. Tiefe Modelle mit latenten Variablen bieten durch Angabe der Wahrscheinlichkeitsverteilung über einen latenten Zwischenprozess eine potenzielle Möglichkeit, diese Probleme zu lösen und gleichzeitig die Ausdruckskraft tiefer neuronaler Netze zu erhalten. Diese Dissertation zeigt, wie tiefe Modelle mit latenten Variablen Texterzeugung verbessern gegenüber dem üblichen Encoder-Decoder-Modell. Wir beginnen mit einer Einführung in Encoder-Decoder- und Deep Latent Variable-Modelle und gehen dann auf gängige Optimierungsstrategien wie Variationsinferenz, dynamische Programmierung, Soft Relaxation und Reinforcement Learning ein. Danach präsentieren wir Folgendes: 1. Wie latente Variablen Vielfalt der Texterzeugung verbessern können, indem ganzheitliche, latente Darstellungen auf Satzebene gelernt werden. Auf diese Weise kann zunächst eine latente Darstellung ausgewählt werden, aus der verschiedene Texte generiert werden können. Wir präsentieren effektive Algorithmen, um gleichzeitig das Lernen der Repräsentation und die Texterzeugung durch Variationsinferenz zu trainieren. Um die Einschränkungen der Variationsinferenz bezüglich Uni-Modalität und Inkonsistenz anzugehen, schlagen wir eine Wake-Sleep-Variation und ein auf Transinformation basierendes Trainingsziel vor. Experimente zeigen, dass sie sowohl die übliche Variationsinferenz als auch nicht-latente Variablenmodelle bei der Dialoggenerierung übertreffen. 2. Wie latente Variablen die Steuerbarkeit und Interpretierbarkeit der Texterzeugung verbessern können, indem feinkörnigere latente Spezifikationen zum Zwischengenerierungsprozess hinzugefügt werden. Wir veranschaulichen die Verwendung latenter Variablen für Wortausrichtung, Inhaltsauswahl, Textsegmentierung und Feldsegmentkorrespondenz. Wir leiten für sie effiziente Trainingsalgorithmen ab, damit die Texterzeugung explizit gesteuert werden kann, indem die latente Variable, die durch ihre Definition vom Menschen interpretiert werden kann, manipuliert wird. 3. Überwindung der Seltenheit von Trainingsmustern durch Behandlung von nicht parallelem Text als latente Variablen. Das Training kann wie beim Standard-EM-Algorithmus durchgeführt werden, der stabil konvergiert. Wir zeigen, dass es bei der Dialoggenerierung erfolgreich angewendet werden kann und den Generierungsraum durch die Verwendung von nicht-konversativem Text erheblich bereichert