Contributions to Simulation-based High-dimensional Sequential Decision Making

Contributions sur la prise de décision séquentielle basée sur des simulations dans des environnements complexes de grande dimension Ma thèse s'intitule « Contributions sur la prise de décision séquentielle basée sur des simulations dans des environnements complexes de grande dimension ». Le cadre de la thèse s'articule autour du jeu, de la planification et des processus de décision markovien. Un agent interagit avec son environnement en prenant successivement des décisions. L'agent part d'un état initial jusqu'à un état final dans lequel il ne peut plus prendre de décision. A chaque pas de temps, l'agent reçoit une observation de l'état de l'environnement. A partir de cette observation et de ses connaissances, il prend une décision qui modifie l'état de l'environnement. L'agent reçoit en conséquence une récompense et une nouvelle observation. Le but est de maximiser la somme des récompenses obtenues lors d'une simulation qui part d'un état initial jusqu'à un état final. La politique de l'agent est la fonction qui, à partir de l'historique des observations, retourne une décision. Nous travaillons dans un contexte où (i) le nombre d'états est immense, (ii) les récompenses apportent peu d'information, (iii) la probabilité d'atteindre rapidement un bon état final est faible et (iv) les connaissances a priori de l'environnement sont soit inexistantes soit difficilement exploitables. Les 2 applications présentées dans cette thèse répondent à ces contraintes : le jeu de Go et le simulateur 3D du projet européen MASH (Massive Sets of Heuristics). Afin de prendre une décision satisfaisante dans ce contexte, plusieurs solutions sont apportées :1. simuler en utilisant le compromis exploration/exploitation (MCTS)2. réduire la complexité du problème par des recherches locales (GoldenEye)3. construire une politique qui s'auto-améliore (RBGP)4. apprendre des connaissances a priori (CluVo+GMCTS) L'algorithme Monte-Carlo Tree Search (MCTS) est un algorithme qui a révolutionné le jeu de Go. A partir d'un modèle de l'environnement, MCTS construit itérativement un arbre des possibles de façon asymétrique en faisant des simulations de Monte-Carlo et dont le point de départ est l'observation courante de l'agent. L'agent alterne entre l'exploration du modèle en prenant de nouvelles décisions et l'exploitation des décisions qui obtiennent statistiquement une bonne récompense cumulée. Nous discutons de 2 moyens pour améliorer MCTS : la parallélisation et l'ajout de connaissances a priori. La parallélisation ne résout pas certaines faiblesses de MCTS ; notamment certains problèmes locaux restent des verrous. Nous proposons un algorithme (GoldenEye) qui se découpe en 2 parties : détection d'un problème local et ensuite sa résolution. L'algorithme de résolution réutilise des principes de MCTS et fait ses preuves sur une base classique de problèmes difficiles. L'ajout de connaissances à la main est laborieuse et ennuyeuse. Nous proposons une méthode appelée Racing-based Genetic Programming (RBGP) pour ajouter automatiquement de la connaissance. Le point fort de cet algorithme est qu'il valide rigoureusement l'ajout d'une connaissance a priori et il peut être utilisé non pas pour optimiser un algorithme mais pour construire une politique. Dans certaines applications telles que MASH, les simulations sont coûteuses en temps et il n'y a ni connaissance a priori ni modèle de l'environnement; l'algorithme Monte-Carlo Tree Search est donc inapplicable. Pour rendre MCTS applicable dans MASH, nous proposons une méthode pour apprendre des connaissances a priori (CluVo). Nous utilisons ensuite ces connaissances pour améliorer la rapidité de l'apprentissage de l'agent et aussi pour construire un modèle. A partir de ce modèle, nous utilisons une version adaptée de Monte-Carlo Tree Search (GMCTS). Cette méthode résout de difficiles problématiques MASH et donne de bons résultats dans une application dont le but est d'améliorer un tirage de lettres.