Value-guided action planning with JEPA world models

Paper: arXiv:2601.00844

1. Motivation (研究动机)

这篇论文要解决的是一个很具体的问题:JEPA world model 可以学习“给定当前状态和动作,未来状态在 latent space 中会到哪里”,但直接把“预测 latent 与目标 latent 的欧氏距离”当作 MPC 规划代价时,这个 latent space 不一定具有任务价值语义,因此规划优化容易被局部极小值、障碍物拓扑和短视距离误导。

现有 JEPA action planning 的基本做法是:用 state encoder 把观测图像编码成表示,用 action encoder 表示动作,再用 predictor 预测执行动作后的下一步 latent;规划时,用 model predictive control (MPC) 在候选动作序列上滚动预测,并最小化预测 latent 与 goal latent 的距离。这个框架的瓶颈不在“有没有动力学模型”,而在“用什么几何来定义到达目标的代价”。如果 state embedding 的距离只是自监督预测训练的副产物,那么两个状态在图像或短期预测上接近,并不等价于从一个状态到另一个状态容易到达。带墙门的 Wall 环境就是典型例子:门两侧在图像坐标上可能很近,但如果中间有墙,真正可达路径需要绕到门口;普通 latent distance 容易把“穿墙直线距离”误当成好路径。

论文希望把 reinforcement learning 中的 goal-conditioned value function 引入 JEPA 的表示学习:学习一个 state encoder,使得两个状态 embedding 之间的距离(或 quasi-distance)近似“从当前状态到目标状态的负 value”。这样,planning cost 不再只是 representation similarity,而是接近“还需要付出多少 reaching cost 才能到达目标”的几何代理。换句话说,latent space 被塑造成一个更适合控制的地形:距离小意味着预计到达代价低,距离大意味着预计需要更长或更难的路径。

这个问题值得研究有三点原因。第一,如果 JEPA 要成为 world model,不仅要预测,还要支持 action selection;仅能做短期 latent prediction 的模型还不能被认为真正会“用模型规划”。第二,value-shaped latent space 可以让 MPC 的有限 horizon 优化获得长程信息,相当于在局部 rollout 之外额外提供一个 terminal/value cost。第三,这种方法仍然保持 JEPA 的非生成式优势:不需要重建像素,也不需要在线奖励标注,而是从 offline random trajectories 中通过 IQL-style objective 学到 goal-reaching geometry。

论文的贡献范围也很清楚:它不是提出一个大型 foundation world model,而是在简单控制任务上验证一种表示塑形原则是否能提升 JEPA planning。实验环境包括带墙门的视觉导航和随机 Maze;模型输入是图像观测(Maze 还包含速度信息),动作是位移或速度命令,评估指标是随机起点—目标对上的 planning success rate。

2. Idea (核心思想)

核心 insight 是:在 JEPA 中用于 MPC 的 latent distance 应该近似 goal-conditioned value,而不是只服务于 self-supervised prediction。若把 定义为当前状态和目标状态 embedding 距离的负值,那么最小化 planning cost 就等价于沿着 learned value landscape 选择更可能到达目标的动作序列。

本文的关键创新不是“再训练一个 value head”,而是直接把 value function 写进 representation geometry: 或把欧氏距离替换成 quasi-distance,以处理到达代价本身可能不对称的情况。训练时用 IQL/expectile regression 风格的 Bellman residual 约束 state encoder,使 embedding distance 近似 reaching cost 下的最优 goal-conditioned value。规划时仍然使用 JEPA predictor + MPC/MPPI,只是 cost 从普通 latent distance 换成 value-aware distance。

与标准 JEPA planning(如基于 或 EMA 防坍塌的 prediction-only 表示)相比,本文的本质区别在于优化目标从“预测后一个 latent 要准确”转向“用于规划的 state geometry 要和可达性/value 对齐”。与纯 RL policy execution 相比,本文也不是直接学习一个策略,而是让 JEPA world model 的表示空间更适合后续 MPC,这使它仍然保留 model-based planning 的可解释滚动预测结构。

3. Method (方法)

3.1 Overall framework:value-shaped JEPA + MPC/MPPI

Figure 0 解读:这是笔记根据论文方法重画的结构示意图,论文原文没有单独的 architecture figure。上半部分是训练:state image 经过 state encoder 得到 latent,IQL-style value-function loss 约束 近似 goal-conditioned value。下半部分是 planning:JEPA predictor 用当前 latent 和候选动作预测未来 latent,MPC/MPPI 用 value-aware distance 到 goal latent 作为代价,对动作序列采样、重加权并执行第一步动作。

标准 JEPA world model 包含三个模块:state encoder、action encoder、predictor。state encoder 把观测状态 映射到 latent ;action encoder 把动作 映射成动作表示;predictor 接收 state/action 表示并预测下一状态 latent。论文实验中 action encoder 直接设为 identity,state/action 表示在进入 predictor 前被 concatenated,predictor 是 MLP,state encoder 是卷积加 residual connections 的简单架构。

本文没有把 value learning 做成一个额外 head,而是让 state encoder 本身承担 value geometry 的角色。对任何状态—目标对 ,定义 为 embedding distance 的负值。这样做有一个直觉优势:MPC 在滚动预测多个未来 latent 后,可以直接用“离 goal latent 还有多远”作为可微/可优化的 cost;如果这个距离已经被训练成 value proxy,就比普通 latent similarity 更能表达“绕过障碍、考虑长期可达性”的方向。

3.2 Baseline losses:contrastive、regressive、prediction-only JEPA

论文先定义几类 baseline。第一类是 contrastive baseline:把训练轨迹中的 successive states 当作 positive pairs,把随机状态对当作 negative pairs,用 训练 state encoder,使相邻状态更近、随机状态更远。第二类是 regressive baseline:用 显式让 successive states 的距离接近 ,并配合 防止表示坍塌。第三类是 prediction-only JEPA:使用 或 EMA procedure 防坍塌,主要优化 JEPA prediction 目标,而不显式让 latent distance 对齐 value。

论文没有给出 contrastive/regressive loss 的完整数学展开,因此这里不能补写未说明的温度、margin 或采样细节。可以确定的是,这些 baseline 的共同弱点是“局部邻接”或“预测稳定性”不保证全局可达性:相邻状态近并不意味着跨障碍路径短,预测准确也不意味着规划 cost landscape 好优化。

3.3 IQL for JEPA:把 reaching value 写入 state embedding distance

为状态空间, 为 state encoder 参数, 为 JEPA state encoder。论文定义: 目标是使 近似 reaching cost 下的最优 goal-conditioned value function 。reaching cost 定义为: 也就是只要还没到达目标,每个时间步都付出 的代价。这样,负 value 越小或 embedding distance 越小,就表示预计越快到达目标。

给定长度为 的训练轨迹 个训练目标 ,论文最小化 mean IQL loss: 其中 表示 stop-gradient target, 且接近 ;expectile term 为: 这个式子可以理解为对 Bellman residual 做不对称二次回归。括号内部是一步 temporal-difference target:当前状态到目标的 value 应该接近“当前步 reaching cost 的负项 + 折扣后的下一状态 value”。因为 被写成负距离,优化 residual 实际上是在移动 embedding,使得从 的几何距离表达从当前状态继续行动到目标的长期代价。

训练 goals 有两种来源:轨迹最后状态,以及从 training batch 中随机采样的 goals。前者直接对应“沿轨迹走到终点”的 reaching signal,后者增加目标覆盖范围,避免 state encoder 只会把每条轨迹内部的终点组织好。论文 Discussion 强调远距离 triplets 稀疏、discounted value 的梯度在远离目标处很小,因此 goal sampling 的覆盖度会直接影响 value geometry 的全局质量。

3.4 Quasi-distance:处理非对称 goal-reaching 代价

欧氏距离天然对称:。但真实控制环境中的 goal-conditioned value 不一定对称:从 的代价可能不同于从 的代价,例如存在速度、惯性、单向动力学约束或障碍拓扑时。论文因此探索把 中的 Euclidean distance 换成 quasi-distance,并采用 Wang et al. 提出的 generic quasimetric form。

论文没有展开 quasi-distance 的具体网络公式,所以笔记不能臆造其参数化细节;可以明确的是,VF_quasi 的训练目标仍是同一个 ,只是 从对称欧氏距离替换为更有表达力的 quasi-distance。实验中,VF_quasi 在 WS、WB、Maze 三个环境均取得最高 success rate,即使某些理论 value function 可能近似对称,quasi-distance 也似乎通过增加表示函数族表达力降低了训练难度。

3.5 两种训练方式:Sep 与 joint prediction

论文比较两种 JEPA 训练策略。第一种叫 “Sep”:先只用 训练 state encoder,让 latent geometry 形成 value-aware structure;然后固定或使用该 state representation,再用 训练 action encoder 和 predictor。第二种是 joint training:所有网络一起训练,目标是 或相关组合。

实验结果显示,Sep 版本通常更好。直觉上,prediction loss 和 value geometry loss 不是完全同向:prediction loss 希望 latent 保存足够的短期动力学信息,value loss 希望 latent distance 按到达代价组织;如果强行把两个目标同时压到同一个 state encoder 上,可能会产生 representation compromise。论文还测试了一个“两个 representation spaces”的额外方案:一个空间用 pred_VCReg 做 prediction,另一个空间用 VF 做 planning cost;在 WS 上 planning accuracy 为 ,没有超过 VF 或 VF_quasi,因此作者没有把它作为主方案。

3.6 论文级 PyTorch-style pseudocode(无 released code)

代码搜索未找到开源实现。以下伪代码不是 released code 的逐行映射,而是严格按照论文给出的公式、训练流程和 MPPI/MPC 描述写成的 paper-level algorithm sketch。

import torch
import torch.nn.functional as F
 
 
def value_from_distance(encoder, states, goals, distance="euclidean"):
    z_s = encoder(states)
    z_g = encoder(goals)
    if distance == "euclidean":
        d = torch.linalg.vector_norm(z_s - z_g, dim=-1)
    elif distance == "quasimetric":
        d = quasimetric_distance(z_s, z_g)  # generic quasimetric form; paper does not expand it
    else:
        raise ValueError(distance)
    return -d
 
 
def expectile_loss(residual, tau):
    weight = torch.abs(tau - (residual < 0).float())
    return weight * residual.pow(2)
 
 
def vf_encoder_step(encoder, target_encoder, trajectories, goals, gamma=0.98, tau=0.80,
                    distance="euclidean"):
    # trajectories: [batch, T + 1, ...]
    s_t = trajectories[:, :-1]
    s_next = trajectories[:, 1:]
    # goals may combine final trajectory states and random states from the batch
    total = 0.0
    for g in goals:  # g: [batch, ...] or broadcastable goal batch
        v_curr = value_from_distance(encoder, s_t, g[:, None], distance=distance)
        with torch.no_grad():
            v_next = value_from_distance(target_encoder, s_next, g[:, None], distance=distance)
        residual = -1.0 + gamma * v_next - v_curr
        total = total + expectile_loss(residual, tau).mean()
    return total / len(goals)
 
def sep_train_value_guided_jepa(encoder, predictor, train_loader, optimizer_encoder,
                                optimizer_predictor, gamma, tau, distance):
    # Phase 1: shape state encoder geometry with the IQL-inspired value-function loss.
    for trajectories in train_loader:
        goals = [trajectories[:, -1], sample_random_goals_from_batch(trajectories)]
        loss_vf = vf_encoder_step(encoder, stop_gradient_copy(encoder), trajectories,
                                  goals, gamma=gamma, tau=tau, distance=distance)
        optimizer_encoder.zero_grad()
        loss_vf.backward()
        optimizer_encoder.step()
 
    # Phase 2: train the JEPA transition predictor on latent dynamics.
    for states, actions, next_states in make_segments(train_loader, segment_length=16):
        z_t = encoder(states).detach()
        z_next = encoder(next_states).detach()
        pred = predictor(torch.cat([z_t, actions], dim=-1))
        loss_pred = F.mse_loss(pred, z_next)  # paper names L_pred but does not specify exact metric
        optimizer_predictor.zero_grad()
        loss_pred.backward()
        optimizer_predictor.step()
 
def mppi_mpc_plan(encoder, predictor, current_state, goal_state, action_sampler,
                  horizon, num_perturbations, temperature, distance):
    z0 = encoder(current_state)
    z_goal = encoder(goal_state)
    action_sequences = action_sampler(num_perturbations, horizon)
    costs = []
    for actions in action_sequences:
        z = z0
        rollout_cost = 0.0
        for a_t in actions:
            z = predictor(torch.cat([z, a_t], dim=-1))
            rollout_cost = rollout_cost + distance_cost(z, z_goal, kind=distance)
        costs.append(rollout_cost)
    costs = torch.stack(costs)
    weights = torch.softmax(-costs / temperature, dim=0)
    improved_sequence = (weights[:, None, None] * action_sequences).sum(dim=0)
    return improved_sequence[0]

3.7 Code search and code-to-paper status

Search sourceQuery / evidenceResult
arXiv PDF/sourcepaper abstract、LaTeX source、appendix未发现 project page 或 GitHub URL;论文只说 experiments are based on an implementation of JEPA models for action planning by Sobal et al.
Web search"Value-guided action planning with JEPA world models" github, "VF_quasi" "JEPA"只找到 arXiv、作者主页、paper lists / aggregators;没有 paper-specific implementation。
GitHub CLI / APIrepo search title、repo search JEPA value guided action planning、code search exact title、code search VF_quasirepo search 返回空;code search exact title 只命中 awesome lists / news aggregators;VF_quasi 为空。
Quentin Le Lidec author page该论文条目只有 arXiv / pdf / bibtex;相邻论文若有代码会显示 code 链接侧面确认这篇 paper 当前未公开代码。

因此本笔记不设置 github / github_ref frontmatter,也不写 source-file mapping table。若未来作者释放代码,应补充 commit anchor,并重新检查 pseudocode、training config 和 paper-code discrepancy。

4. Experimental Setup (实验设置)

4.1 Datasets and environments

Figure 1 解读:Figure 1 展示 Wall datasets 中两种典型轨迹。WS 是 small action norms 设置,图中 crossing trajectory 需要通过墙上的门到达另一侧;WB 是 larger action norms 设置,动作步长更大,单条轨迹覆盖环境范围更广,但也更可能撞墙。这个环境用来测试 latent distance 是否能表达“门”带来的可达性拓扑,而不是只看欧氏图像距离。

Wall environment 是一个正方形空间,中间有墙和门,墙与门的位置在环境初始化时随机。agent 从随机起点移动到墙另一侧的随机目标;动作是二维 displacement vectors。观测是 、2 channels:一个 channel 表示 agent,一个 channel 表示 walls。训练数据生成方式参考 Sobal et al.,不是直接采样 Gaussian noise 动作,因为那会让轨迹集中在环境小区域;论文采样随机方向,并用 concentration parameter 为 的 von Mises noise 扰动方向。Wall 数据集包含 条长度 的 trajectories,并保证一半轨迹通过门。WS 中 action norm 来自均值 pixel、标准差 的 Gaussian,并 clipped 到 ;WB 中 action norm 来自均值 pixels、标准差 的 Gaussian,并 clipped 到

Figure 2 解读:Figure 2 展示 Maze environment 的状态图像,绿色点是 agent。Maze 是 grid,其中 连通格子被选为迷宫区域。与 Wall 相比,Maze 不只是绕障碍,还包含速度和惯性:规划需要在 representation 中编码 agent position 和 velocity,否则 predictor 即使看见当前位置,也难以判断下一步运动。

Maze environment 基于 Mujoco PointMaze setting。观测是彩色 、3 channels 图像;动作是 target speed commands,环境计算达到目标速度所需的 force。轨迹通过从随机位置出发、采样 norm 小于 的随机 speed vectors 生成。为了测试泛化,训练 trajectories 只来自 个 maze layouts,evaluation 使用不同 layouts。数据集包含 条长度 的 trajectories;评估时随机起点和目标至少相隔 个 cells。

4.2 Baselines and training approaches

MethodState encoder lossSep
Contrastive
Regressive +
pred_VCReg×
pred_EMAEMA procedure×
VF
VF_pred×
VF_quasi + quasi-distance
VF_quasi_pred + quasi-distance×
VF_VCReg +
VF_VCReg_pred + ×

Sep 表示先训练 state encoder 的 value/representation geometry,再训练 action encoder 和 predictor;× 表示联合训练或非分离训练。prediction-only baselines 是 pred_VCReg 和 pred_EMA;直觉 baseline 是 Contrastive / Regressive;本文主方法是 VF 与 VF_quasi。

4.3 Metrics and evaluation protocol

主要指标是 planning accuracy / success rate:随机抽取 initial states 和 goals,使用模型做 MPC planning,统计成功 plans 占比。论文在 Wall environment 上评估 个 instances,在 Maze environment 上评估 个 instances,以降低结果方差。Planning procedure 使用 MPC + MPPI optimizer。

4.4 Model and training configuration

  • Representation / model:flat representation size 为 ;predictor 是 MLP;action encoder 是 identity;state encoder 是 convolution + residual connections;state/action representations 在输入 predictor 前 concatenated。encoder 有 M parameters,predictor 有 M parameters。
  • Training segments:input trajectories 在训练时 subsampled 为长度 的 segments。
  • Optimizer:所有网络使用 base learning rate ,Adam optimizer,cosine learning rate schedule。
  • Value hyperparameters:VF-based 方法使用 ;VF_quasi-based 方法使用 。这些值来自 appendix 中的 hyperparameter optimization。
  • Planning config:Wall 的 MPPI 使用 个 Gaussian perturbations,mean 、std 、temperature ;WS planning horizon 、total planning steps ;WB horizon 、total steps 。Maze 的 MPPI 使用 个 perturbations,mean 、std 、temperature ,planning horizon 、total planning steps
  • VCReg axes:Wall 中 VCReg 沿 batch dimension 计算;Maze 中 VCReg 沿 batch 和 temporal dimensions 计算。
  • Hardware:论文未详细说明 GPU 类型、GPU 数量或训练时长,因此不能补写硬件配置。

5. Experimental Results (实验结果)

5.1 Main planning results

MethodWSWBMaze
Contrastive0.490.590.50
Regressive0.540.570.46
pred_VCReg0.550.890.54
pred_EMA0.460.430.04
VF0.630.940.49
VF_pred0.550.750.49
VF_quasi0.710.960.63
VF_quasi_pred0.610.850.43
VF_VCReg0.490.750.39
VF_VCReg_pred0.470.670.39

最重要的结果是 VF_quasi 在三个环境上都最好:WS 为 ,WB 为 ,Maze 为 。相对 prediction-only 的 pred_VCReg,VF_quasi 分别提升 ;相对欧氏 VF,VF_quasi 在 WS、WB、Maze 上分别提升 。这说明本文最有效的不是单纯加 ,而是 value-function objective 与 quasi-distance parameterization 的组合。

VF 本身在 WS 和 WB 上也强于大多数 baselines,WS 、WB ,说明 value-shaped representation 对 Wall 的拓扑障碍确实有帮助。但 VF 在 Maze 上为 ,低于 pred_VCReg 的 ;这表明在更复杂、含速度/惯性的环境中,欧氏距离表达力不足,或者 value learning 受远距离 sparse triplets 影响更严重。VF_quasi 在 Maze 上达到 ,正好支持作者关于 quasi-distance 更易训练、更有表达力的解释。

pred_EMA 表现很差,尤其 Maze 只有 ,说明普通 EMA 防坍塌 prediction representation 并不自动产生可规划几何。Regressive 和 Contrastive 也只提供弱基线;它们能利用局部邻近关系,却不能稳定表达全局 reaching value。VF_VCReg 和 VF_VCReg_pred 反而较差,说明把 VCReg diversity objective 叠到 value geometry 上可能会破坏 distance-value 对齐。

5.2 Hyperparameter ablation: and

Figure 3 解读:Figure 3 左侧展示在 时 planning accuracy 随 变化;右侧展示 VF 与 VF_quasi 在不同 下的结果,其中 VF 使用 ,VF_quasi 使用 。总体趋势是增大 可以更好捕捉远距离状态关系,但二者太接近 会引入训练不稳定,使 planning accuracy 下降。

控制 value target 对远期状态的重视程度。更高的 让模型在学习 时考虑更长 horizon,因此对跨墙门或 Maze 长路径更有意义;但如果 过高,Bellman target 的有效 horizon 变长,远距离 residual 的噪声与 bootstrap 误差也会放大。 是 expectile level,理论上接近 时更接近 IQL 中对高 value / better-than-behavior outcomes 的偏置,但实践中太高会造成不稳定。论文最终选择 VF 的 和 VF_quasi 的

5.3 Key ablations and interpretation

Sep 优于 joint prediction:VF_pred、VF_quasi_pred 和 VF_VCReg_pred 都弱于对应的 Sep 版本。VF_quasi_pred 在 WS/WB/Maze 上是 ,明显低于 VF_quasi 的 。这说明同时训练 prediction 和 value-shaped geometry 可能会让 state encoder 被两个目标拉扯;在这篇论文的模型规模和数据上,先把 state geometry 学成 value proxy,再训练 predictor 更稳定。

Quasi-distance 是最稳定的增益来源:作者指出即使理论 value function 是 symmetric,VF_quasi 也优于 VF。这可能不是因为环境 value 必然强非对称,而是因为 quasi-distance 增强了 network expressiveness,使 representation 更容易拟合 reaching value 的局部和全局结构。Maze 上 的 VF_quasi-vs-VF 提升尤其明显,说明速度/惯性和泛化到新 layouts 时,单纯欧氏 latent distance 可能过于刚性。

WB 比 WS 更容易:WB 中 action norm 更大,单条 trajectory 探索范围更广,所以训练数据包含更丰富的可达关系;同时 agent 更可能撞墙,这会暴露更多与障碍相关的 transitions。结果中 pred_VCReg 在 WB 已经达到 ,VF 达到 ,VF_quasi 达到 ;WS 的最高结果只有 ,说明小动作数据更局部,value geometry 对远距离关系的学习更困难。

5.4 Limitations and caveats

作者明确指出,当前方法学到的 value functions 仍不准确,结果并不完美。主要原因有两个。第一,训练中远距离 triplets(starting state、following state、goal)的空间被稀疏采样,模型容易只学到局部关系。第二,discounted value function 对远离目标状态的梯度很小,signal-to-noise ratio 低;这会让远距离状态之间的 geometry 更难被正确组织。作者建议未来可使用 hierarchical representation spaces:低层处理短程 transitions,高层用更粗粒度、更长程的状态抽象捕捉远距离关系。

数据分布也是限制。IQL 理论在 时强调 behavior policy support,但实践中轨迹质量、探索覆盖和 suboptimality 都会影响训练。高度 suboptimal 的 trajectories 可能让真实接近的状态在数据中表现得很远,从而干扰 value geometry;expert trajectories 更干净,但难获得且可能牺牲探索多样性。作者认为训练时用于 IQL loss 的 states 必须覆盖整个 state space,这可以通过更大数据集或更有效的数据采集策略实现。

此外,实验还停留在简单控制任务,没有报告真实机器人、复杂视觉场景、大规模 world model、计算成本或硬件训练细节。论文也没有公开 paper-specific code;因此本笔记的伪代码只能作为公式级理解,不能作为可复现实验脚本。

5.5 Overall conclusion

这篇论文的结论是:JEPA planning 的关键不只是 predictor 是否能短期预测 latent,而是 planning cost 所在的 latent geometry 是否和 goal-reaching value 对齐。IQL-inspired value-function loss 可以把 state encoder 训练成更适合 MPC 的表示,quasi-distance 进一步提升表达力,在 WS、WB、Maze 三个环境上取得最佳 success rate。方法的局限在于远距离 value learning 仍然不稳、数据覆盖要求高,并且缺少公开代码;但它清楚展示了一个值得继续扩展的方向:把 RL value structure 融入 JEPA world model 的 representation space,而不是只在规划器外部再加一个奖励模型。