强化学习原理源码解读002：DQN

目录

　　Policy based方法 vs Value based方法

　　策略网络

　　算法总体流程

　　如何通过对回归任务的优化来更新Q网络

　　为什么不可以同时更新Q网络和目标网络

　　为什么要使用带有探索策略的Q函数

　　探索策略的数学表达

　　ReplayBuffer的作用

　　Q值被高估的问题

　　源码实现

　　参考资料

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DQN是Deep Q Network的缩写，由Google Deep mind 团队提出。

Policy based方法 vs Value based方法

 

上一篇文章中提到的Policy Gradient属于Policy based的RL学习方法。

本文介绍的DQN属于Value based的RL学习方法。

两者区别：

Policy based是直接对累计奖励值进行最大化求解，在实做过程中，在很多任务中是训练不出比较好的智能体的；

而Value based方法是不直接对累计奖励值进行最大化求解，而是设置一个价值函数（状态或动作）来评价当前智能体到最后获得奖励值的期望，通过这种评价，再建立优化方案，从而达到对总体较优累计奖励值的求解。状态价值函数（State value）记为，动作价值函数（State-action value）记为。

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策略网络

self.fc1 = nn.Linear(4, 128)

self.fc2 = nn.Linear(128, 128)

self.fc3 = nn.Linear(128, 2)

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算法总体流程

 

我们针对其中的几个要点进行展开：

■如何通过对回归任务的优化来更新Q网络

■为什么不可以同时更新Q网络和目标网络

■为什么要使用带有探索策略的Q函数

■探索策略的数学表达

■ReplayBuffer的作用

■Q值被高估的问题

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如何通过对回归任务的优化来更新Q网络

假设我们收集到的某一笔数据为。

原始Q网络计算在状态下执行动作，产生输出。

目标Q网络计算在状态下执行动作，产生输出。

那么，就根据构建适用于回归的损失函数，更新时只更新原始Q网络，一段时间之后使用原始Q网络的参数覆盖目标Q网络 。 

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为什么不可以同时更新Q网络和目标网络

实验表明，同时更新两个网络会出现学习不稳定的情况。

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为什么要使用带有探索策略的Q函数

当我们使用Q函数的时候，我们的π完全依赖于Q函数，穷举每一个a，看哪一个可以让Q最大。

这和policy Gradient不一样，在做PG的时候，我们输出是随机的，我们输出一个动作的分布，然后采样一个动作，所以在PG里每一次采取的动作是有随机性的。

很显然，刚开始估出来的Q函数是可靠的，假设有一个动作得到过奖励，那未来会一直采样这个动作。

例子1：你去了一个餐厅，点了一盘椒麻鸡，感觉好吃，以后去这个餐厅就一直点椒麻鸡，就不去探索是不是有更好吃的东西了。

例子2：玩贪吃蛇时，某一次向上走吃到了一个星星，那他以后就一直认为向上走是最好的，以至于很快就撞墙死掉。

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探索策略的数学表达

列举两种方式：

方式一：Epsilon-Greedy

 

ε会随着时间的推移，逐渐变小。因为刚开始的时候需要更多的探索，当Q学习得比较不错的时候，就可以减少探索的概率。

方式二：Boltzmann Exploration

 

刚开始是一个均匀分布，后来价值高的动作采样到的概率越来越高。

其实还有比较高级的Noisy Net的方式

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ReplayBuffer的作用

现在有一个智能体π和环境做互动来收集数据，我们会把所有的数据放在一个buffer里面，假设里面可以存5w个资料，每一笔资料就是一个四元组。

这里面的数据，可能来自于不同的策略。这个buffer只有在装满之后才会把旧的资料丢弃。

更新Q函数时，就从buffer中随机抽一个batch，然后去训练更新。

现在其实就变成了off-policy的，因为我们的Q本来要观察π的价值的，但是存在buffer里的经验，不是统统来自于π，有一些是过去的π遗留下来的。

好处：

1.在做强化学习的时候，往往耗时的是在于和环境做互动，训练的过程往往速度比较快，用了buffer可以减少和环境做互动的次数，因为在做训练的时候，经验不需要统统来自某一个π，一些过去的经验也可以放在buffer里被使用很多次。

2.在训练网络的时候，我们希望一个batch里面的数据越不同越好，如果batch里的数据都是同样性质的，训练下去是容易坏掉的。

问题：我们明明是要观察π的价值，里面混杂了一些不是π的经验，到底有没有关系？

一个简单的解释：这些π差的并不多，太老会自动舍弃的，所以没有关系。

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Q值被高估的问题

在算target的时候，我们实际上在做的事情是，看哪一个a可以得到最大的Q值，就把他加上去作为target，假设有某一个动作他得到的值是被高估的，所以很大概率会选到那些值被高估的动作的值当做max的结果，再加上r_t当做target，所以target总会太大。

解决方法：

最简单的方式就是对target的乘以一个小数

复杂的做法：

Double DQN

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源码实现

 代码

import gym
import collections
import random
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as plt

#Hyperparameters
learning_rate = 0.0005
gamma         = 0.98
buffer_limit  = 50000
batch_size    = 32

class ReplayBuffer():
    def __init__(self):
        self.buffer = collections.deque(maxlen=buffer_limit)

    def put(self, transition):
        self.buffer.append(transition)

    def sample(self, n):
        mini_batch = random.sample(self.buffer, n)
        s_lst, a_lst, r_lst, s_prime_lst, done_mask_lst = [], [], [], [], []

        for transition in mini_batch:
            s, a, r, s_prime, done_mask = transition
            s_lst.append(s)
            a_lst.append([a])
            r_lst.append([r])
            s_prime_lst.append(s_prime)
            done_mask_lst.append([done_mask])

        return torch.tensor(s_lst, dtype=torch.float), torch.tensor(a_lst), 
               torch.tensor(r_lst), torch.tensor(s_prime_lst, dtype=torch.float), 
               torch.tensor(done_mask_lst)

    def size(self):
        return len(self.buffer)

class Qnet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Qnet, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(4, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 128)
        self.fc3 = nn.Linear(128, 2)

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    def sample_action(self, obs, epsilon):
        out = self.forward(obs)
        coin = random.random()
        if coin < epsilon:
            return random.randint(0,1)
        else :
            return out.argmax().item()

def train(q, q_target, memory, optimizer):
    for i in range(10):
        s,a,r,s_prime,done_mask = memory.sample(batch_size)

        q_out = q(s)
        q_a = q_out.gather(1,a)
        max_q_prime = q_target(s_prime).max(1)[0].unsqueeze(1)
        target = r + gamma * max_q_prime * done_mask
        loss = F.smooth_l1_loss(q_a, target)

        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

def main():
    env = gym.make('CartPole-v1')
    q = Qnet()
    q_target = Qnet()
    q_target.load_state_dict(q.state_dict())
    memory = ReplayBuffer()
    x = []
    y = []

    print_interval = 20
    score = 0.0
    optimizer = optim.Adam(q.parameters(), lr=learning_rate)

    for n_epi in range(5000):
        epsilon = max(0.01, 0.08 - 0.01*(n_epi/200)) #Linear annealing from 8% to 1%
        s = env.reset()
        done = False

        while not done:
            a = q.sample_action(torch.from_numpy(s).float(), epsilon)
            s_prime, r, done, info = env.step(a)
            done_mask = 0.0 if done else 1.0
            memory.put((s,a,r/100.0,s_prime, done_mask))
            s = s_prime

            score += r
            if done:
                break

        if memory.size()>2000 and score<500*print_interval:
            train(q, q_target, memory, optimizer)

        if n_epi%print_interval==0 and n_epi!=0:
            q_target.load_state_dict(q.state_dict())
            x.append(n_epi)
            y.append(score / print_interval)
            print("n_episode :{}, score : {:.1f}, n_buffer : {}, eps : {:.1f}%".format(
                                                            n_epi, score/print_interval, memory.size(), epsilon*100))
            score = 0.0
    env.close()

    env.close()

    plt.plot(x, y)
    plt.savefig('pic_saved/res_dqn.jpg')
    plt.show()


if __name__ == '__main__':
    main()

 

效果如下图所示，横坐标表示训练轮数，纵坐标表示智能体平均得分，游戏满分500分

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参考资料

https://github.com/seungeunrho/minimalRL

https://www.bilibili.com/video/BV1UE411G78S?from=search&seid=10996250814942853843

 

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