HIERARQUICAL NEURO-FUZZY MODELS BASED ON REINFORCEMENT LEARNING FOR INTELLIGENT AGENTS

• Main Author: KARLA TEREZA FIGUEIREDO LEITE
• Other Authors: MARLEY MARIA BERNARDES REBUZZI VELLASCO
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2003
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=3729@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=3729@2

COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR === Esta tese investiga modelos híbridos neuro-fuzzy para aprendizado automático de ações efetuadas por agentes. O objetivo dos modelos é dotar um agente de inteligência, tornando-o capaz de, através da interação com o seu ambiente, adquirir e armazenar o conhecimento e raciocinar (inferir uma ação). O aprendizado desses modelos é realizado através de processo não-supervisionado denominado Aprendizado por Reforço (RL: Reinforcement Learning). Esta nova proposta de modelos neuro-fuzzy apresenta as seguintes características: aprendizado automático da estrutura do modelo; auto-ajuste dos parâmetros associados à estrutura; capacidade de aprender a ação a ser tomada quando o agente está em um determinado estado do ambiente; possibilidade de lidar com um número maior de entradas do que os sistemas neuro-fuzzy tradicionais; e geração de regras lingüísticas com hierarquia. O trabalho envolveu três etapas principais: levantamento bibliográfico e estudo de modelos de aprendizado; definição e implementação de dois novos modelos neuro-fuzzy hierárquicos baseados em RL; e estudo de casos. O levantamento bibliográfico e o estudo de modelos de aprendizado foi feito a partir dos modelos usados em agentes (com o objetivo de ampliar a ação autônoma) e em espaço de estados grande e/ou contínuo. A definição dos dois novos modelos neuro-fuzzy foi motivada pela importância de se estender a capacidade autônoma de agentes através do quesito inteligência, em particular a capacidade de aprendizado. Os modelos foram concebidos a partir do estudo das limitações existentes nos modelos atuais e das características desejáveis para sistemas de aprendizado baseados em RL, em particular quando aplicados a ambientes contínuos e/ou ambientes considerados de grande dimensão. Tais ambientes apresentam uma característica denominada curse of dimensionality que inviabiliza a aplicação direta de métodos tradicionais de RL. Assim sendo, a decisão de se usar uma metodologia de particionamento recursivo, já explorada com excelentes resultados em Souza (1999), que reduz significativamente as limitações dos sistemas neuro-fuzzy existentes, foi de fundamental importância para este trabalho. Optou-se pelos particionamentos BSP e Quadtree/Politree, gerando os dois modelos RL-NFHB (Reinforcement Learning - Neuro-Fuzzy Hierárquico BSP) e RL-NFHP (Reinforcement Learning - Neuro-Fuzzy Hierárquico Politree). Estes dois novos modelos são derivados dos modelos neuro-fuzzy hierárquicos NFHB e NFHQ (Souza, 1999) que utilizam aprendizado supervisionado. Com o uso desses métodos de particionamento, associados ao Reinforcement Learning, obteve-se uma nova classe de Sistemas Neuro-Fuzzy (SNF) que executam, além do aprendizado da estrutura, o aprendizado autônomo das ações a serem tomadas por um agente. Essas características representam um importante diferencial em relação aos sistemas de aprendizado de agentes inteligentes existentes. No estudo de casos, os dois modelos foram testados em 3 aplicações benckmark e uma aplicação em robótica. As aplicações benchmark são referentes a 3 problemas de sistemas de controle: o carro na montanha (mountain cart problem), estacionamento do carro (cart-centering problem) e o pêndulo invertido. A aplicação em robótica utilizou o modelo Khepera. A implementação dos modelos RL-NFHB e RL- NFHP foi feita em linguagem Java em microcomputadores com plataforma Windows 2000. Os testes efetuados demonstram que estes novos modelos se ajustam bem a problemas de sistemas de controle e robótica, apresentando boa generalização e gerando sua própria estrutura hierárquica de regras com interpretação lingüística. Além disso, o aprendizado automático do ambiente dota o agente de inteligência - (base de conhecimento, raciocínio e aprendizado), característica que aumenta a capacidade autônoma deste agente. A área de sistemas neuro-fuzzy hie === This thesis investigates neuro-fuzzy hybrid models for automatic learning of actions taken by agents. The objective of these models is to provide an agent with intelligence, making it capable of acquiring and retaining knowledge and of reasoning (infer an action) by interacting with its environment. Learning in these models is performed by a non-supervised process, called Reinforcement Learning. These novel neuro-fuzzy models have the following characteristics: automatic learning of the model structure; auto-adjustment of parameters associated with the structure; capability of learning the action to be taken when the agent is on a given environment state; possibility of dealing with a larger number of inputs than those of traditional neuro-fuzzy systems; and the generation of hierarchical linguistic rules. This work comprised three main stages: bibliographic survey and study of learning models; definition and implementation of two new hierarchical neurofuzzy models based on Reinforcement Learning; and case studies. The bibliographic survey and the study of learning models considered learning models employed in agents (aiming to enhance the autonomous action) and in large and/or continuous state spaces. The definition of the two new neuro-fuzzy models was motivated by the importance of extending the autonomous capacity of agents through its intelligence, particularly the learning capacity. The models were conceived from the study of the existing limitations in current models, as well as the desirable characteristics for RL-based learning systems, particularly, when applied to continuous and/or high dimension environments. These environments present a characteristic called curse of dimensionality, which makes impracticable the direct application of the traditional RL- methods. Therefore, the decision of using a recursive partitioning methodology (already explored with excellent results in Souza, 1999), which significantly reduces the existing neuro-fuzzy systems limitations, was crucial to this work. The BSP (Binary Space Partitioning) and the Quadtree/Politree partitioning were then chosen, generating the RL-NFHB (Reinforcement Learning - Hierarchical Neuro- Fuzzy BSP) and RL-NFHP (Reinforcement Learning - Hierarchical Neuro-Fuzzy Politree) models. These two new models are derived from the hierarchical neuro-fuzzy models NFHB and NFHQ (Souza, 1999), which use supervised learning. By using these partitioning methods, together with the Reinforcement Learning methodology, a new class of Neuro-Fuzzy Systems (SNF) was obtained, which executes, in addition to structure learning, the autonomous learning of the actions to be taken by an agent. These characteristics represent an important differential when compared to the existing intelligent agents learning systems. In the case studies, the two models were tested in three benchmark applications and one application in robotics. The benchmark applications refer to 3 problems of control systems : the mountain cart problem, cart-centering problem, and the inverted pendulum. The application in robotics made use of the Khepera model. The RL-NFHB and RL-NFHP models were implemented using the Java language in Windows 2000 platform microcomputers. The experiments demonstrate that these new models are suitable for problems of control systems and robotics, presenting a good generalization and generating their own hierarchical structure of rules with linguistic interpretation. Moreover, the automatic environment learning endows the agent with intelligence (knowledge base, reasoning and learning). These are characteristics that increase the autonomous capacity of this agent. The hierarchical neuro-fuzzy systems field was also enhanced by the introduction of reinforcement learning, allowing the learning of hierarchical rules and actions to take place within the same process.