[NOTE in progress] Distributed Optimization and Statistical Learning via ADMM - Boyd

本文是关于Boyd等人所著的“分布式优化与统计学习通过ADMM”的阅读笔记。ADMM起源于70年代,与Douglas-Rachford分裂法等方法密切相关。随着大数据时代的到来,ADMM因其适用于大规模优化问题的分布式解决而备受关注。ADMM结合了双分解和增广拉格朗日方法,尤其适合于特征或样本的并行分解。尽管在纯串行模式下,ADMM的收敛速度也较快,通常在几十次迭代后达到满意精度。

Reading notes of the paper "Distributed Optimization and Statistical Learning via ADMM" by Boyd, Parikh, Chu, Peleato and Eckstein.

Introduction

  • ADMM : developped in the 70s with roots in the 50s. Proved to be highly related to other methods like Douglas-Rachford splitting, Spingarn's method of partial inverse, Proximal methods, etc
  • Why ADMM today: with the arriving of the big data era and the need of ML algorithms, ADMM is proved to be well suited to solve large scale optimization problems, distributionally. 
  • What big data brings to us: with big data, simple methods can be shown as very effective to solve complex pb
  • ADMM can be seen as a blend of Dual Decomposition and Augmented Lagrangian Methods. The latter is more robust and has a better convergence but cannot be decompose directly as in DD.
  • ADMM can decompose by example or by features. [To be explored in later chapters]
  • Note that even used in serial mode, ADMM is still comparable to others methods and often converge in tens of iterations.

Precursors

  • What is conjugate function exactly?
  • Dual ascent and Dual subgradient methods. If the stepsize is chosen appropriately and some other assumptions hold. They converge.
  • Why augemented lagrangian:
    • More robust, less assumption(strict convexity, finiteness of f) : in pratice some convergence assumptions are not met for dual ascent, the constraint may be affine (e.x. Min x s.t. x>10) and the dual pb become unbounded.
    • For equality constraints, augmented version has a faster convergence. This can be viewed from the penalty method's point of view.
  • Dual Decomposition: relax the connecting contraints so that the pb can be decomposed. This naturally invovles parallel computation.
  • The pho in Augmented Lag is actually the ste
为了复现论文《Hierarchical multi-robot navigation and formation in unknown environments via deep reinforcement learning and distributed optimization》中的实验与算法,需要从以下几个方面入手,结合深度强化学习(Deep Reinforcement Learning, DRL)和分布式优化方法,构建多机器人系统的分层导航与编队框架。 ### 1. 理解论文的架构与核心思想 论文提出了一种分层控制架构,其中高层负责路径规划和编队策略的学习,底层负责局部避障与运动控制。该架构结合了深度强化学习用于环境感知和策略学习,以及分布式优化用于多机器人之间的协调[^1]。 - **高层控制**:使用深度强化学习模型(如PPO、DDPG、SAC等)训练机器人在未知环境中进行路径规划和编队。 - **底层控制**:采用分布式优化方法(如ADMM、Consensus-Based Bundle Algorithm, CBBA)进行任务分配和局部路径优化。 ### 2. 环境与平台搭建 复现该论文实验,首先需要构建仿真环境。推荐使用以下工具: - **仿真平台**:ROS(Robot Operating System) + Gazebo 或 PyBullet - **强化学习框架**:RLlib(基于Ray)、Stable Baselines3、或TensorFlow/PyTorch自定义模型 - **分布式优化库**:CVXPY、CasADi(用于CBBA或ADMM实现) ### 3. 高层策略:深度强化学习模块 高层策略的目标是让每个机器人学习如何在未知环境中导航并维持编队。可以按照以下步骤构建: #### (1) 状态空间与动作空间设计 - **状态空间**:包括机器人当前位置、目标位置、邻近障碍物信息、其他机器人位置等。 - **动作空间**:连续控制指令(如速度、方向)或离散动作(如移动方向)。 #### (2) 强化学习算法选择 建议使用**PPO(Proximal Policy Optimization)**或**SAC(Soft Actor-Critic)**,因其在连续动作空间中表现稳定且训练效率高。 #### (3) 奖励函数设计 - 正向奖励:靠近目标、保持编队结构 - 负向奖励:碰撞障碍、偏离编队、能量消耗 ```python def reward_function(state, action, next_state): reward = 0 # 靠近目标 reward += -np.linalg.norm(next_state['target_pos'] - next_state['robot_pos']) # 碰撞惩罚 if next_state['collision']: reward -= 100 # 编队一致性 reward += -np.mean([np.linalg.norm(robot_pos - formation_pos) for robot_pos, formation_pos in zip(next_state['robots_pos'], next_state['formation'])]) return reward ``` ### 4. 底层策略:分布式优化模块 底层负责在多个机器人之间进行任务分配和路径协调,确保整体系统的稳定性和效率。 #### (1) 任务分配算法 使用**CBBA(Consensus-Based Bundle Algorithm)**来解决多机器人任务分配问题。CBBA能够在分布式系统中实现高效的资源分配和路径协调。 #### (2) 路径规划与避障 结合A*、RRT等传统路径规划算法与强化学习策略,实现动态避障和路径优化。 #### (3) 分布式通信模型 使用ROS中的`multirobot_coordinator`包或自定义的ROS话题/服务进行机器人间通信,确保信息同步和一致性。 ### 5. 实验复现步骤 1. **环境搭建**:配置ROS、Gazebo、Python强化学习框架。 2. **高层策略训练**:使用PPO/SAC训练单个机器人在未知环境中导航的能力。 3. **多智能体扩展**:将单智能体策略扩展至多智能体,引入编队约束。 4. **底层优化实现**:实现CBBA或其他分布式优化算法进行任务分配。 5. **联合仿真测试**:在Gazebo中进行多机器人协同导航与编队实验。 6. **性能评估**:使用成功率、路径长度、能耗、编队误差等指标评估系统性能。 ### 6. 潜在挑战与优化方向 - **训练稳定性**:多智能体强化学习训练容易不稳定,建议使用参数共享、课程学习(Curriculum Learning)等策略。 - **通信延迟与丢包**:在真实系统中需考虑通信不确定性,可引入鲁棒通信协议或预测机制。 - **计算资源限制**:分布式优化可能带来计算负担,建议使用边缘计算或异步通信机制。 ---
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