Grid Cell-Inspired Fragmentation and Recall for Efficient Map Building

要約

動物やロボットは、空間の地図を作成および改良することによって環境内を移動します。
これらの地図により、家に戻るナビゲーション、計画、検索、採集などの機能が可能になります。
ここでは、神経科学からの観察、特に区画化された空間で観察されたグリッドセルマップの断片化を使用して、大空間のマッピングにおけるフラグメンテーションアンドリコール（FARMap）の概念を提案および適用します。
エージェントは、空間探索のサブ目標を設定するために使用する、サプライズベースの空間クラスタリングを介してローカル マップを構築することで、マッピングの問題を解決します。
エージェントはローカル マップを構築して使用し、観測を予測します。
驚きが大きいと、ローカルマップが切り取られる「断片化イベント」が発生します。
これらのイベントでは、最近のローカル マップが長期メモリ (LTM) に配置され、別のローカル マップが初期化されます。
破断点での観測値が、保存されているローカル マップの 1 つの観測値と一致する場合、そのマップは LTM から呼び出されます (つまり、再利用されます)。
断片化ポイントは、より大きな空間の自然なオンライン クラスタリングを誘発し、トポロジー グラフとして LTM に保存される固有の潜在的なサブ目標のセットを形成します。
エージェントは、現在のローカル マップまたは LTM 内からそれぞれ、近いおよび遠い潜在的なサブ目標のセットから次のサブ目標を選択します。
したがって、ローカル マップはローカルな探索をガイドし、LTM はグローバルな探索を促進します。
私たちは、FARMap が動物実験で観察された断片化ポイントを再現することを実証します。
私たちは、複雑な手続き的に生成された空間環境と現実的なシミュレーションで FARMap を評価し、このマッピング戦略が環境 (エージェントのステップ数と実時間) をより迅速にカバーし、パフォーマンスを損なうことなくアクティブなメモリ使用量がより効率的であることを実証します。
https://jd730.github.io/projects/FARMap/

要約(オリジナル)

Animals and robots navigate through environments by building and refining maps of space. These maps enable functions including navigation back to home, planning, search and foraging. Here, we use observations from neuroscience, specifically the observed fragmentation of grid cell map in compartmentalized spaces, to propose and apply the concept of Fragmentation-and-Recall (FARMap) in the mapping of large spaces. Agents solve the mapping problem by building local maps via a surprisal-based clustering of space, which they use to set subgoals for spatial exploration. Agents build and use a local map to predict their observations; high surprisal leads to a ‘fragmentation event’ that truncates the local map. At these events, the recent local map is placed into long-term memory (LTM) and a different local map is initialized. If observations at a fracture point match observations in one of the stored local maps, that map is recalled (and thus reused) from LTM. The fragmentation points induce a natural online clustering of the larger space, forming a set of intrinsic potential subgoals that are stored in LTM as a topological graph. Agents choose their next subgoal from the set of near and far potential subgoals from within the current local map or LTM, respectively. Thus, local maps guide exploration locally, while LTM promotes global exploration. We demonstrate that FARMap replicates the fragmentation points observed in animal studies. We evaluate FARMap on complex procedurally-generated spatial environments and realistic simulations to demonstrate that this mapping strategy much more rapidly covers the environment (number of agent steps and wall clock time) and is more efficient in active memory usage, without loss of performance. https://jd730.github.io/projects/FARMap/

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