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強化学習arXiv:2510.00225

TGPO: 信号時相論理タスクのための時間的根拠付き方策最適化

TGPO: Temporal Grounded Policy Optimization for Signal Temporal Logic Tasks

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信号時相論理(STL)で記述された複雑な長期タスクを、時間割り当てを階層的に探索する強化学習手法で解く。

詳しい要約

1. どんなもの?

- ロボティクス/自律システムにおける複雑で long-horizon なタスクの制御方策学習のための手法 - Signal Temporal Logic (STL) で記述された一般的な STL タスクを解くことを目的とする - TGPO (Temporal Grounded Policy Optimization) という階層型フレームワークを提案 - STL を timed subgoals と invariant constraints に分解して扱う - 高レベルが時間配分を提案し、低レベルが time-conditioned policy で subgoal を達成する

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来の RL 手法は限られた STL fragment のみを対象とするか、STL robustness score を sparse terminal reward として使うにとどまっていた - TGPO は general な STL タスクを対象とする点が異なる - STL の non-Markovian 性と sparse reward という困難に対処 - 5 環境の広範な STL タスクで state-of-the-art baseline を大きく上回る - 特に高次元・long-horizon ケースで有効で、最良 baseline 比で平均 31.6% の success rate 改善

3. 技術・手法の肝は?

- STL を timed subgoals と invariant constraints に分解する階層型フレームワーク - 高レベルコンポーネントが subgoal への具体的な time allocation を提案 - 低レベルは time-conditioned policy で、dense な stage-wise reward signal を用いて順序付けられた subgoal を達成 - 推論時は複数の time allocation をサンプリングし、最も有望な assignment を選んで rollout - 複数 subgoal の複雑な STL に対し、learned critic で高レベル temporal search を Metropolis-Hastings sampling で誘導し、時間的に feasible な解へ探索を集中

4. どうやって有効だと検証した?

- 5 つの環境で実験: 低次元 navigation から manipulation、drone、quadrupedal locomotion まで - 広範な STL タスク下で state-of-the-art baseline と比較 - 特に高次元・long-horizon ケースで TGPO が大幅に優位 - 最良 baseline 比で平均 31.6% の task success rate 改善を報告

5. 議論はある?

- 要旨からは不明(限界や失敗ケース、計算コスト、Metropolis-Hastings sampling の感度などは明示されていない) - コード公開予定として https://github.com/mengyuest/TGPO が示されている

6. 次に読むべき論文は?

- STL を用いた RL の先行手法(限られた STL fragment を扱う手法や STL robustness score を sparse terminal reward とする手法) - Metropolis-Hastings sampling を用いた探索手法 - 階層型 RL(hierarchical RL)および time-conditioned policy に関する研究 - 比較対象の state-of-the-art baseline 論文(要旨では具体名が示されていないため、本文参照が必要)

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Yue Meng, Fei Chen, Chuchu Fan

分類: cs.RO, cs.AI, cs.LG, cs.LO

原文アブストラクト

Learning control policies for complex, long-horizon tasks is a central challenge in robotics and autonomous systems. Signal Temporal Logic (STL) offers a powerful and expressive language for specifying such tasks, but its non-Markovian nature and inherent sparse reward make it difficult to be solved via standard Reinforcement Learning (RL) algorithms. Prior RL approaches focus only on limited STL fragments or use STL robustness scores as sparse terminal rewards. In this paper, we propose TGPO, Temporal Grounded Policy Optimization, to solve general STL tasks. TGPO decomposes STL into timed subgoals and invariant constraints and provides a hierarchical framework to tackle the problem. The high-level component of TGPO proposes concrete time allocations for these subgoals, and the low-level time-conditioned policy learns to achieve the sequenced subgoals using a dense, stage-wise reward signal. During inference, we sample various time allocations and select the most promising assignment for the policy network to rollout the solution trajectory. To foster efficient policy learning for complex STL with multiple subgoals, we leverage the learned critic to guide the high-level temporal search via Metropolis-Hastings sampling, focusing exploration on temporally feasible solutions. We conduct experiments on five environments, ranging from low-dimensional navigation to manipulation, drone, and quadrupedal locomotion. Under a wide range of STL tasks, TGPO significantly outperforms state-of-the-art baselines (especially for high-dimensional and long-horizon cases), with an average of 31.6% improvement in task success rate compared to the best baseline. The code will be available at https://github.com/mengyuest/TGPO

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