《電子技術應用》
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強化學習評估指標的系統性分析與優化研究
電子技術應用
安棟1,王媛媛2,宋寧寧3,戴超2,劉知音2
1.華北計算機系統工程研究所;2.中國信息安全研究院有限公司;3.中國電子信息產業集團有限公司
摘要: 強化學習評估指標作為衡量智能體性能與指導算法優化的核心工具,在實際應用中面臨指標單一性、環境依賴性及可解釋性缺失等關鍵挑戰。系統性分析了現有評估指標的分類框架,提出基于性能、學習過程、策略、魯棒性和效率的多維度指標體系,并探討其在不同任務場景(如稀疏獎勵、高維狀態空間)下的適用性與局限性。研究指出,傳統指標在復雜環境中易忽略安全性、效率及人類偏好對齊等需求,需結合任務特性設計融合多目標的評估方法。針對未來研究,提出需聚焦多目標帕累托優化、基于人類反饋的獎勵建模、稀疏獎勵環境下的探索效率量化等方向,以提升評估的全面性、可解釋性。通過理論與實際案例結合,為強化學習評估體系的規范化與跨領域適配提供了方法論支持,推動其在復雜場景中的高效落地。
中圖分類號:TP181 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256451
中文引用格式: 安棟,王媛媛,宋寧寧,等. 強化學習評估指標的系統性分析與優化研究[J]. 電子技術應用,2025,51(10):17-23.
英文引用格式: An Dong,Wang Yuanyuan,Song Ningning,et al. Systematic analysis and optimization research on reinforcement learning evaluation metrics[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(10):17-23.
Systematic analysis and optimization research on reinforcement learning evaluation metrics
An Dong1,Wang Yuanyuan2,Song Ningning3,Dai Chao2,Liu Zhiyin2
1.National Computer System Engineering Research Institute of China;2.China Information Security Research Academy Co.,Ltd.;3.China Electronics Corporation
Abstract: Reinforcement learning evaluation metrics, serving as core tools for measuring the performance of agents and guiding algorithm optimization, face key challenges such as the singularity of metrics, environmental dependence, and the lack of interpretability in practical applications. This paper systematically analyzes the classification framework of existing evaluation metrics, proposes a multi-dimensional metric system based on performance, learning process, strategy, robustness, and efficiency, and explores its applicability and limitations in different task scenarios (such as sparse reward and high-dimensional state space). The study indicates that traditional metrics are prone to overlooking the requirements of safety, efficiency, and alignment with human preferences in complex environments, and there is a need to design evaluation methods that integrate multiple objectives in combination with the characteristics of tasks. For future research, this paper suggests focusing on directions such as multi-objective Pareto optimization, reward modeling based on human feedback, and the quantification of exploration efficiency in sparse reward environments, so as to enhance the comprehensiveness and interpretability of evaluations. By combining theoretical analysis with practical cases, this paper provides methodological support for the standardization of the reinforcement learning evaluation system and its adaptation across different fields, thus promoting its efficient implementation in complex scenarios.
Key words : reinforcement learning;evaluation metrics;explainability;reward

引言

強化學習作為機器學習的重要分支,通過智能體與環境的交互學習最優策略,已在游戲智能[1-2]、機器人控制[3-4]、自動駕駛[5]、生物醫療[6]等領域取得了顯著成果。強化學習越來越被重視,圖1通過每年發表論文數量展示強化學習領域的增長趨勢(數據來自 Web of Science?)。

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圖1 強化學習領域論文發表數量年度增長趨勢

然而,盡管強化學習在理論和應用上取得了顯著進展,但是由于交互學習過程中的復雜性和動態性,強化學習的評估方法仍然面臨諸多挑戰。評估指標不僅是衡量模型表現的工具,更是優化算法、選擇策略以及推動實際應用落地的關鍵。當前強化學習評估指標的設計和選擇主要存在以下問題:

(1) 指標單一性:大多數研究過度依賴于回合獎勵等單一指標。例如,在許多游戲場景中,僅僅關注最終得分這一指標,就可能忽略了許多其他重要的方面。從安全性角度來看,智能體在追求高分的過程中可能會采取一些看似有效但風險極高的策略,這些策略在實際應用中可能是不可接受的。而在效率方面,單一的回合獎勵指標也無法全面反映智能體達成目標的速度以及資源消耗情況。此外,不同任務可能還涉及公平性、穩定性等多種維度,單一指標難以涵蓋這些多維性能,從而可能導致對智能體能力的評估出現偏差。

(2) 環境依賴性:在高維的環境狀態空間中,傳統的評估指標往往難以準確捕捉智能體的表現。這是因為高維狀態空間意味著智能體面臨更多的可能性和不確定性,簡單的指標可能無法充分考慮這些因素的影響。在這樣的任務中,智能體可能需要經過很長一段時間或者一系列復雜的操作才能獲得獎勵。而且很多現有的評估指標在高維狀態空間中可能會失效,它們可能會錯誤地評估智能體的探索能力或者過早地下結論,認為智能體表現不佳,實際上智能體可能只是尚未找到正確的路徑,這就會導致評估結果的不準確性。

(3) 可解釋性缺失:現有指標與人類偏好或領域知識對齊的困難限制了模型的實際應用。在許多實際應用場景中,決策者需要理解智能體為何做出特定的決策,但是現有的評估指標通常只提供一個數值結果,缺乏對這個結果背后原因的解釋。例如,在醫療領域的強化學習應用中,醫生希望了解智能體推薦某種治療方案的原因,而不是僅知道推薦的結果是基于某個評估指標得出的。如果不能將評估指標與醫學領域的專業知識相結合,那么即使智能體表現很好,也很難獲得醫生的信任。而且,不同的領域有不同的偏好和要求,如金融領域可能更注重風險控制,制造業可能更關注生產效率的提升,現有指標難以根據這些不同的偏好進行靈活調整,從而影響了強化學習模型在這些領域的推廣和應用。

針對上述問題,本文旨在對強化學習領域中的評估指標予以系統回顧,剖析其于不同任務場景里的適用性,同時探討其潛在的局限性。借由對現存文獻的梳理整合,本文歸結了評估指標的主要類別及其設計宗旨,并依據實際應用場景指明了選取評估指標時應當思量的關鍵要素。本文的相關研究不但為強化學習的研究者給予了全方位的參照,而且為評估方法的創新及優化給予了理論支撐,進而促進強化學習技術在實際應用當中的進一步發展與落地。


本文詳細內容請下載:

http://www.jysgc.com/resource/share/2000006800


作者信息:

安棟1,王媛媛2,宋寧寧3,戴超2,劉知音2

(1.華北計算機系統工程研究所,北京 100083;

2.中國信息安全研究院有限公司,北京 102209;

3.中國電子信息產業集團有限公司,廣東 深圳 518057)


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