[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]最近有位小伙伴在后臺留言提問：端到端算法是怎樣訓練的？是模仿學習、強化學習和離線強化學習這三類嗎？其實端到端（end-to-end）算法在自動駕駛、智能體決策系統(tǒng)里，確實會用到模仿學習（包括行為克隆、逆最優(yōu)控制／逆強化學習等）、強化學習（RL），以及近年來越來越受關(guān)注的離線強化學習（OfflineRL/BatchRL）這三類。

什么是“端到端”訓練？

端到端（end-to-end）在自動駕駛中的應用越來越多，所謂端到端，就是指系統(tǒng)直接把最原始的感知輸入（比如攝像頭圖像、傳感器數(shù)據(jù)等）映射到最終控制輸出（比如車輛的轉(zhuǎn)向、加減速、剎車等動作）。不像傳統(tǒng)的自動駕駛把“感知→識別→規(guī)劃→控制”拆成好幾個模塊，每個模塊各自工作，端到端是把這些步驟合并到一個整體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)／模型。

端到端示意圖，圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

這樣做的好處是流程簡單、模型整體可優(yōu)化、理論上可以在足夠多數(shù)據(jù)+合適訓練方法下能學到復雜映射邏輯。但對數(shù)據(jù)量、訓練方法、泛化能力要求較高。既然只要有足夠的數(shù)據(jù)就可以訓練出足夠聰明的端到端，那該用什么方式教它？這些方式又有什么優(yōu)缺點呢？

模仿學習（ImitationLearning）

模仿學習，也稱示范學習（learningfromdemonstration），是端到端訓練里最直觀、應用最廣的一類方法。它的核心思想是，假設(shè)你已經(jīng)有專家（人類駕駛員/經(jīng)驗控制系統(tǒng)/優(yōu)秀策略）做的一系列“狀態(tài)-動作”的示范，模型就可以根據(jù)這些示范去學習。

在模仿學習里，比較經(jīng)典的做法是行為克隆（BehaviorCloning,BC）。也就是把專家數(shù)據(jù)當成訓練集，把狀態(tài)作為輸入，把專家對應的動作作為“標簽／groundtruth”，用回歸或分類方式訓練網(wǎng)絡(luò)。

為了讓模型不只是簡單復制動作，還能理解“為什么”這么做，也會用到“逆最優(yōu)控制／逆強化學習”（
InverseOptimalControl/InverseReinforcementLearning,IRL）這類方式，這樣可以從專家行為中反推“獎勵函數(shù)”（即專家為什么做出這些動作、背后的目標是什么），然后再基于這個獎勵函數(shù)訓練policy。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

優(yōu)點和挑戰(zhàn)

模仿學習/行為克隆最大的優(yōu)點就是簡單直接、數(shù)據(jù)利用高效。它可以將復雜的策略學習問題轉(zhuǎn)化為標準的監(jiān)督學習任務，從而充分利用大量高質(zhì)量的專家示范數(shù)據(jù)，快速學會一個在數(shù)據(jù)分布內(nèi)表現(xiàn)合理的策略。在專家行為覆蓋充分、環(huán)境動態(tài)相對穩(wěn)定的場景下，這種方法能取得非常不錯的效果。

模仿學習/行為克隆帶來的問題也不少。模仿學習泛化能力與魯棒性較差，如果模型遇到專家示范里如罕見、危險或者極端情景（緊急剎車、非常規(guī)轉(zhuǎn)向、路況突變等等）等從未出現(xiàn)過的情況，模型因為訓練時沒見過類似場景，也沒有示范動作，可能無法判斷該怎么做。

行為克隆會忽略決策過程的“序列性/時序相關(guān)性”，它把每一幀狀態(tài)與動作當獨立樣本對待，而現(xiàn)實中動作之間高度相關(guān)、且一個動作會影響未來狀態(tài)。這樣做容易導致所謂的分布偏移問題，當系統(tǒng)因為一點錯誤偏離了專家軌跡，就可能越偏越遠。

強化學習（ReinforcementLearning）

端到端訓練中另一種廣泛使用的方法是強化學習（RL）。不同于模仿學習依賴專家示范/標簽數(shù)據(jù)，RL是通過智能體（agent）與環(huán)境交互做動作、觀察結(jié)果、得到“獎勵”或“懲罰”，從而形成一個學習策略（policy），最終可以使長期累積的獎勵最大化。

當將強化學習與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，就發(fā)展出了深度強化學習（DeepRL/DRL）。DRL能夠直接將高維的原始感知輸入（如圖像、激光雷達點云）映射到動作或控制信號，從而實現(xiàn)從感知到?jīng)Q策的端到端學習。這種強大的表征和學習能力，使其在處理自動駕駛、機器人控制等具有復雜輸入和連續(xù)決策需求的任務時，展現(xiàn)出巨大的潛力。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

優(yōu)點和挑戰(zhàn)

用強化學習訓練端到端模型，有一個明顯好處，那就是它理論上不依賴“專家示范”，而是通過“試錯+獎勵機制”，探索出一個新的，甚至是“專家都沒見過”的策略；在面對復雜、多變、動態(tài)環(huán)境時，有可能獲得比單純模仿更靈活、更強魯棒性的策略。

但想讓強化學習真的落地并不容易。對于RL來說，給出一個能真實反映安全、效率、舒適、法規(guī)等綜合目標的獎勵函數(shù)非常難。如果獎勵函數(shù)設(shè)計不合理，RL容易學出一些奇怪但獎勵高的策略。

RL的訓練過程還依賴大量與環(huán)境的交互和試錯，導致數(shù)據(jù)采集、仿真與訓練的計算成本和時耗都非常高。若直接在真實車輛上部署訓練，則會因為智能體在探索初期產(chǎn)生的策略極不穩(wěn)定，導致危險行為甚至事故的發(fā)生。即便在模擬器中訓練，也存在“模擬?真實”的差異（sim-to-realgap）。

端到端RL的可解釋性也比較差，因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部沒有清晰的人類可理解模塊（如“檢測行人→判斷優(yōu)先級→規(guī)劃軌跡→控制”），而是一整個黑箱映射。這樣在出現(xiàn)錯誤或異常行為時，很難追溯到具體的原因。

離線強化學習（OfflineRL/BatchRL）

近年來，有技術(shù)方案中提出離線強化學習（OfflineRL，也叫BatchRL）的方法，以解決將RL用于現(xiàn)實系統(tǒng)（自動駕駛、醫(yī)療、機器人）時面臨的安全/資源/實際交互等難題。離線RL的基本設(shè)定是不讓模型在訓練時與真實環(huán)境互動。而是先收集一批類似于專家示范數(shù)據(jù)或日志的歷史交互數(shù)據(jù)，然后用這些靜態(tài)數(shù)據(jù)訓練一個策略。訓練過程中不再需要交互。

離線RL可被視為一種結(jié)合了數(shù)據(jù)驅(qū)動與策略優(yōu)化的混合方案。它既像模仿學習那樣利用靜態(tài)的歷史交互數(shù)據(jù)進行訓練，避免了在線試錯的安全風險與成本；同時又保留了傳統(tǒng)強化學習的核心機制，通過對數(shù)據(jù)中的狀態(tài)與動作價值進行估計與優(yōu)化，使策略能夠在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進一步提升性能。這種形式使得它能在保證安全的前提下，嘗試學習出比行為克隆更優(yōu)、更魯棒的策略。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

優(yōu)點和挑戰(zhàn)

離線RL的最大優(yōu)勢是安全性和可用已有數(shù)據(jù)，并可以減少對真實世界探索的依賴，對于自動駕駛、醫(yī)療、金融、機器人等高風險領(lǐng)域尤為適用。它將RL的潛力與現(xiàn)實約束結(jié)合起來，是一個很有前景的發(fā)展方向。

但因為其訓練時不能再探索新狀態(tài)／動作，只能依賴數(shù)據(jù)集中已有的狀態(tài)／動作組合，這就帶來“分布偏移”（distributionshift）的問題。也就是說，當訓練出來的策略在現(xiàn)實中使用時，可能遇到數(shù)據(jù)集中沒有覆蓋到的狀態(tài)／動作，從而表現(xiàn)不可靠。為了解決這個問題，有技術(shù)方案中提出引入各種約束／正則／不確定性懲罰／動作空間限制／模型-基方法等機制，從而約束模型行為。

其他學習方法

1）自監(jiān)督學習（Self-SupervisedLearning）

對于自動駕駛這種依賴大量視覺／傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量極大，但手工標注不僅費時成本也高。于是有技術(shù)方案中引入自監(jiān)督學習思路，讓系統(tǒng)先從大量未標注的原始數(shù)據(jù)中學習有意義的特征／表示，再用于downstream的端到端控制／決策任務，這樣可以減少對人工標注的依賴。

2）“教師-學生”（Teacher-Student）／特權(quán)信息蒸餾

這種方法被稱為教師—學生框架。其采用分階段訓練的思路，先利用仿真或數(shù)據(jù)中才可獲得的信息（如精確地圖、物體真實狀態(tài)等），訓練一個強大的“教師”模型，使其掌握決策與規(guī)劃能力；接著訓練一個“學生”模型，它僅能使用實際車輛可獲取的傳感器輸入信息（如攝像頭圖像、雷達點云），通過模仿教師模型的決策輸出，間接學習到教師的推理能力。

這樣可以把現(xiàn)實中可獲取的信息+強模型決策能力結(jié)合起來，降低了直接從原始感知信號進行端到端策略學習的難度，是提升系統(tǒng)性能與可靠性的重要途徑。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

3）混合／混合階段訓練（Hybrid/StagedTraining）

訓練端到端模型可以不單靠一種訓練方式，也可以組合多種方式，如先用模仿學習或自監(jiān)督學習做“預訓練／初始化”（
pre-training/behaviorcloning/feature-learning），然后再用強化學習或離線RL在此基礎(chǔ)上fine-tune／優(yōu)化策略。在這樣的“混合訓練pipeline”中，可以兼顧“模仿專家行為”的初步安全／合理性，以及“探索和優(yōu)化策略”的靈活性／魯棒性。

4）進化／進化式學習方法（如Neuroevolution）

除了基于梯度下降的反向傳播與強化學習，還有一種值得關(guān)注的技術(shù)路徑是進化算法在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的應用，即神經(jīng)進化。該方法不依賴梯度計算，而是通過模擬自然進化中的種群生成、變異、交叉與適者生存機制，迭代地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、參數(shù)或行為策略。這種梯度無關(guān)的優(yōu)化方式，能夠處理不可導或獎勵稀疏的復雜環(huán)境，具備一定的魯棒性與探索優(yōu)勢。雖然在當前自動駕駛端到端系統(tǒng)中并非主流方案，但它為應對傳統(tǒng)方法難以解決的優(yōu)化問題提供了一種補充思路。

最后的話

對于端到端而言，訓練算法的選擇固然重要，但想讓車輛學會安全、可靠的駕駛能力，更取決于數(shù)據(jù)質(zhì)量、訓練策略、場景覆蓋與運行監(jiān)控等要素。這些因素有時會比模型結(jié)構(gòu)本身更重要。

審核編輯 黃宇