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強化学習arXiv:2610.22056

LLMによる強化学習のための進捗報酬モデル

Progress Reward Model for Reinforcement Learning via Large Language Models

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複雑なタスクをLLMでサブタスクに分解し、進捗関数に基づく密な報酬を生成することで、スパース報酬の強化学習を効率化するフレームワークを提案した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 長期的タスクで疎な報酬に苦しむ従来RLの限界を、LLMで補う枠組み。 - 高レベル計画と低レベル報酬生成を統合したPRM4RLを提案。 - 複雑タスクを単純なsubtask列に分解し、subtask指向のfine-grained progress functionで進捗を監視。 - potential-based reward shapingに着想を得て、progress functionからProgress Reward Model (PRM)を構築しdense rewardを生成。 - ロボティクス制御タスクでLLMベースのplanningやreward手法を上回りstate-of-the-artを達成。

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 従来RLはlong-termかつsparse rewardのタスクで著しく制限される。 - 近年のLLM活用はworld knowledgeをtask planningやreward生成に用いるが、planning系はpre-defined skill libraryに依存しlow-level control policyを最適化できない。 - reward系はタスク複雑性ゆえに大量のhuman feedbackや網羅的探索を要する。 - 提案はtask planningとdense rewardを統合し、理論的な最適性・収束保証を伴う点が先行研究と異なる。

3. 技術・手法の肝は?

- 高レベル計画: 複雑タスクを一連の単純なsubtaskに分解。 - subtask-oriented, fine-grained progress functionを設計し、タスク実行の進捗を監視。 - 低レベル報酬生成: potential-based reward shapingに着想を得て、progress functionからProgress Reward Model (PRM)を構築。 - PRMによりdense rewardを生成し、理論的に裏付けられた最適性と収束保証を提供、効果的なpolicy optimizationを可能にする。

4. どうやって有効だと検証した?

- ロボティクス制御タスクでの実験を実施。 - 提案手法がLLMベースのplanning手法およびreward手法の両方を上回ることを示す。 - state-of-the-art performanceを達成。 - コードはhttps://github.com/deng-ai-lab/PRM4RLで公開。

5. 議論はある?

- 要旨からは不明。 - 理論的な最適性と収束保証が示される一方、その前提条件や限界、失敗事例、計算コスト、LLM依存性などの議論は要旨に記載がない。

6. 次に読むべき論文は?

- LLM-based planning手法(要旨で比較対象として言及)。 - LLM-based reward手法(要旨で比較対象として言及)。 - potential-based reward shaping(PRMの着想元として言及)。 - 同分野の定番として、sparse reward下のlong-horizon RLやhierarchical RL、LLMを活用したreward designに関する研究。

※ 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: Xiuhui Zhang, Ning Gao, Xingyu Jiang, Yihui Chen, Yuheng Pan, Mohan Zhang, Yue Deng

分類: cs.AI

原文アブストラクト

Traditional reinforcement learning (RL) algorithms face significant limitations in handling long-term tasks with sparse rewards. Recent advancements have leveraged large language models (LLMs) to enhance RL by utilizing their world knowledge for task planning and reward generation. However, planning-based approaches often depend on pre-defined skill libraries and fail to optimize low-level control policies, while reward-based methods require extensive human feedback or exhaustive searching due to the complexity of tasks. In this paper, we propose the Progress Reward Model for RL (PRM4RL), a novel framework that integrates task planning and dense reward to enhance RL. For high-level planning, a complex task is decomposed into a series of simple manageable subtasks, with a subtask-oriented, fine-grained progress function designed to monitor task execution progress. For low-level reward generation, inspired by potential-based reward shaping, we use the progress function to construct a Progress Reward Model (PRM), providing theoretically grounded optimality and convergence guarantees, thereby enabling effective policy optimization. Experimental results on robotics control tasks demonstrate that our approach outperforms both LLM-based planning and reward methods, achieving state-of-the-art performance. Code is available at https://github.com/deng-ai-lab/PRM4RL.

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