上一篇中引出了深度强化学习这个大坑,本篇浅浅填一下~~~~
目录
6. 深度强化学习概述
6.1. 基本概念
6.2. 发展历史
6.3. 基本公式
6.4. Python实现
6.5. 运行原理
6.5.1. 核心要素
6.5.2. 运行原理
6.5.3. 典型算法
6.5.4. Python实现代码
6.6. 优缺点
6.6.1. 优点
6.6.2. 缺点
6.7. 游戏AI中的应用实例
6. 深度强化学习概述
6.1. 基本概念
深度强化学习(Deep Reinforcement Learning, DRL)是强化学习(Reinforcement Learning, RL)与深度学习(Deep Learning)的结合。
在强化学习中,智能体(Agent)通过与环境(Environment)的交互来学习如何完成任务。
它通过学习策略(Policy)来最大化从环境中获得的累积奖励(Reward)。
深度学习在这里用于估计策略或值函数(Value Function),使得强化学习能够在高维空间(如图像或语音)中进行有效的决策。
6.2. 发展历史
深度强化学习的发展可以追溯到2013年DeepMind发表的DQN(Deep Q-Network)论文,该论文首次展示了深度学习模型可以在强化学习任务中成功应用,并实现了在Atari游戏上的超人类表现。
此后,DRL在AlphaGo等项目中大放异彩,进一步推动了其研究和应用。
6.3. 基本公式
- 策略(Policy):π(a|s),表示在状态s下采取动作a的概率。
- 状态值函数(State Value Function):Vπ(s),表示从状态s开始,遵循策略π的期望回报。
- 动作值函数(Action Value Function):Qπ(s, a),表示在状态s下采取动作a,然后遵循策略π的期望回报。
- 贝尔曼方程(Bellman Equation):
- Vπ(s) = E[R(s,a) + γVπ(s') | s0=s]
- Qπ(s, a) = E[R(s,a) + γmax_a' Qπ(s', a') | s0=s, a0=a]
其中,R是奖励,γ是折扣因子,s'是下一个状态。
6.4. Python实现
以下是一个简单的深度Q网络实现示例,使用PyTorch框架:
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import numpy as np
import random class DQN(nn.Module): def __init__(self, input_size, output_size): super(DQN, self).__init__() self.fc1 = nn.Linear(input_size, 24) self.fc2 = nn.Linear(24, 24) self.fc3 = nn.Linear(24, output_size) def forward(self, x): x = torch.relu(self.fc1(x)) x = torch.relu(self.fc2(x)) return self.fc3(x) class Agent: def __init__(self, input_size, output_size): self.network = DQN(input_size, output_size) self.optimizer = optim.Adam(self.network.parameters(), lr=0.001) self.loss_fn = nn.MSELoss() self.replay_memory = [] self.gamma = 0.99 self.epsilon = 1.0 self.epsilon_decay = 0.995 self.epsilon_min = 0.01 def act(self, state): if random.random() < self.epsilon: return random.randint(0, output_size-1) else: with torch.no_grad(): return self.network(state).argmax().item() def replay(self, batch_size): minibatch = random.sample(self.replay_memory, batch_size) states, actions, rewards, next_states, dones = zip(*minibatch) states = torch.tensor(states) actions = torch.tensor(actions) rewards = torch.tensor(rewards) next_states = torch.tensor(next_states) dones = torch.tensor(dones) q_vals = self.network(states).collect() next_q_vals = self.network(next_states).max(dim=1)[0].detach() expected_q_vals = rewards + self.gamma * next_q_vals * (1 - dones) loss = self.loss_fn(q_vals[range(len(actions)), actions], expected_q_vals) self.optimizer.zero_grad() loss.backward() self.optimizer.step() self.epsilon = max(self.epsilon_min, self.epsilon * self.epsilon_decay) # 实例化环境、代理等,并运行训练循环
6.5. 运行原理
在游戏AI中,DRL允许AI智能体通过与环境互动,学习并优化其行为策略,以最大化累积奖励。
6.5.1. 核心要素
DRL的核心要素包括:
- 智能体(Agent):执行动作的主体,通过与环境互动来学习。
- 环境(Environment):智能体所处的外部世界,可以是游戏世界、物理模拟器或现实世界的一部分。
- 状态(State):环境的当前快照,包含智能体决策所需的所有信息。
- 动作(Action):智能体在特定状态下可以采取的行为。
- 奖励(Reward):环境对智能体动作的反馈,用于衡量动作的好坏。
- 策略(Policy):从状态到动作的映射,指导智能体在给定状态下应采取何种动作。
6.5.2. 运行原理
- 观察(Observations):智能体在每个时间步骤上从环境中获取状态信息。
- 选择动作(Action Selection):根据当前状态和策略选择执行的动作。
- 执行动作(Action Execution):智能体执行选定的动作,环境状态随之改变。
- 接收奖励(Reward Reception):环境根据智能体的动作给出奖励信号。
- 更新策略(Policy Update):智能体根据奖励信号更新其策略,以最大化累积奖励。
6.5.3. 典型算法
在游戏AI中,常用的DRL算法包括:
- 深度Q网络(DQN):使用神经网络来近似Q值函数,通过迭代更新Q值来学习最优策略。
- 策略梯度方法(Policy Gradient Methods):直接优化策略函数,如PPO(Proximal Policy Optimization)算法,通过最小化目标策略和原策略的对数似然差来优化策略。
- Actor-Critic方法:结合值函数和策略函数,一方面估计状态-动作值函数,另一方面优化策略函数,如DDPG(Deep Deterministic Policy Gradient)算法。
6.5.4. Python实现代码
下面是一个简化的Python代码示例,展示了游戏AI使用深度强化学习的完整运行原理。这个例子使用了一个非常简单的环境(比如一个格子世界),智能体(Agent)的目标是移动到这个格子的终点。我们将使用DQN(深度Q网络)作为我们的强化学习算法。
import numpy as np
import random
from collections import deque
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense
from keras.optimizers import Adam class DQNAgent: def __init__(self, state_size, action_size): self.state_size = state_size self.action_size = action_size self.memory = deque(maxlen=2000) self.gamma = 0.95 # discount rate self.epsilon = 1.0 # exploration rate self.epsilon_min = 0.01 self.epsilon_decay = 0.995 self.learning_rate = 0.001 self.model = self._build_model() def _build_model(self): # Neural Net for Deep-Q learning Model model = Sequential() model.add(Dense(24, input_dim=self.state_size, activation='relu')) model.add(Dense(24, activation='relu')) model.add(Dense(self.action_size, activation='linear')) model.compile(loss='mse', optimizer=Adam(lr=self.learning_rate)) return model def remember(self, state, action, reward, next_state, done): self.memory.append((state, action, reward, next_state, done)) def act(self, state): if np.random.rand() <= self.epsilon: return random.randrange(self.action_size) act_values = self.model(state) return np.argmax(act_values[0]) # returns action def replay(self, batch_size): minibatch = random.sample(self.memory, batch_size) for state, action, reward, next_state, done in minibatch: target = reward if not done: target = (reward + self.gamma * np.amax(self.model.predict(next_state)[0])) target_f = self.model.predict(state) target_f[0][action] = target self.model.fit(state, target_f, epochs=1, verbose=0) if self.epsilon > self.epsilon_min: self.epsilon *= self.epsilon_decay class GridEnvironment: def __init__(self): self.state_size = 10 # assuming a simple grid world of size 10 self.action_size = 4 # move left, right, up, down def reset(self): return np.array([0] * self.state_size) # start state def step(self, action, state): # simple grid world logic if action == 0: # move left next_state = np.array(state - 1 if state > 0 else 0) elif action == 1: # move right next_state = np.array(state + 1 if state < self.state_size - 1 else self.state_size - 1) # add more actions as needed... reward = 1 if next_state == self.state_size - 1 else 0 # reward for reaching the end done = True if next_state == self.state_size - 1 else False return next_state, reward, done # Initialize environment and agent
env = GridEnvironment()
agent = DQNAgent(env.state_size, env.action_size) # Training loop
batch_size = 32
epochs = 1000 for e in range(epochs): state = env.reset() state = np.reshape(state, [1, env.state_size]) for time_t in range(50): # max steps per epoch action = agent.act(state) next_state, reward, done = env.step(action, state[0]) reward = reward if not done else -10 # penalty for ending the game next_state = np.reshape(next_state, [1, env.state_size]) agent.remember(state, action, reward, next_state, done) state = next_state if done: print("epoch: {}/{}, score: {}, e: {:.2}" .format(e, epochs, time_t, agent.epsilon)) break if len(agent.memory) > batch_size: agent.replay(batch_size)
这段代码定义了一个简单的格子世界环境和一个使用DQN的深度强化学习智能体。
智能体通过与环境互动来学习如何达到格子的终点,并在此过程中优化其策略。
代码包括初始化环境和智能体、定义智能体的动作、对智能体动作的反馈奖励、观察、选择动作、接收奖励以及更新策略的所有步骤。
6.6. 优缺点
6.6.1. 优点
- 自主学习能力:DRL允许智能体通过与环境互动自主学习并优化策略,无需显式编程复杂的规则。
- 适应性:能够适应不同的环境变化,具有一定的泛化能力。
- 解决复杂任务:可以处理高维、非线性状态和动作空间的问题,适用于复杂的游戏任务。
- 提高游戏体验:通过模拟人类的学习过程,可以创造更有趣、更挑战性的游戏。
- 发现创新策略:在游戏、机器人控制等领域,DRL能够发现人类未曾预见的创新策略。
6.6.2. 缺点
- 训练时间长:深度学习模型通常需要大量的样本和计算资源,特别是对于复杂的任务,训练可能非常耗时。
- 不稳定收敛:强化学习的回报往往不稳定,可能导致训练过程不稳定或收敛困难。
- 解释性较差:由于决策过程依赖于黑箱模型,理解模型如何做出决策有时较难。
- 过度拟合:没有足够的探索,模型可能会过度依赖已有的经验,导致在新环境中表现不佳。
- 需要大量标注数据:尽管是无监督学习,但在某些领域仍需辅助指导,如预训练的策略网络。
- 伦理问题:在某些领域,如自动驾驶和金融交易中,DRL可能面临伦理问题,如如何处理紧急情况、避免不当行为等。
6.7. 游戏AI中的应用实例
深度强化学习已被广泛应用于各种游戏中,如Atari游戏、围棋(AlphaGo)、星际争霸II(AlphaStar)等。在这些应用中,DRL模型通过学习游戏中的策略,逐渐提高游戏水平,并最终达到或超过人类玩家的水平。
在实际应用中,需要根据具体游戏的特点设计状态表示、奖励函数等,以及选择合适的DRL算法进行训练。
以下是一个使用PyTorch实现的简单深度Q网络(DQN)代码,用于训练一个智能体在玩一个简单的游戏(比如CartPole)时的策略。
请注意,为了运行此代码,你需要先安装gym
和pytorch
库。
import gym
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import random
from collections import deque class DQN(nn.Module): def __init__(self, input_size, output_size): super(DQN, self).__init__() self.fc1 = nn.Linear(input_size, 24) self.fc2 = nn.Linear(24, 24) self.fc3 = nn.Linear(24, output_size) def forward(self, x): x = torch.relu(self.fc1(x)) x = torch.relu(self.fc2(x)) return self.fc3(x) class Agent: def __init__(self, state_size, action_size): self.state_size = state_size self.action_size = action_size self.memory = deque(maxlen=2000) self.model = DQN(state_size, action_size) self.optimizer = optim.Adam(self.model.parameters(), lr=0.001) self.loss_fn = nn.MSELoss() self.gamma = 0.99 self.epsilon = 1.0 self.epsilon_decay = 0.995 self.epsilon_min = 0.01 def act(self, state): if random.random() < self.epsilon: return random.randint(0, self.action_size - 1) else: with torch.no_grad(): state = torch.FloatTensor(state).unsqueeze(0) action_values = self.model(state) return action_values.argmax().item() def replay(self, batch_size): if len(self.memory) < batch_size: return minibatch = random.sample(self.memory, batch_size) state_batch, action_batch, reward_batch, next_state_batch, done_batch = zip(*minibatch) state_batch = torch.FloatTensor(state_batch) action_batch = torch.LongTensor(action_batch) reward_batch = torch.FloatTensor(reward_batch) next_state_batch = torch.FloatTensor(next_state_batch) done_batch = torch.BoolTensor(done_batch) q_vals = self.model(state_batch).collect() next_q_vals = self.model(next_state_batch).max(dim=1)[0].detach() expected_q_vals = reward_batch + self.gamma * next_q_vals * (1 - done_batch) loss = self.loss_fn(q_vals[range(len(action_batch)), action_batch], expected_q_vals) self.optimizer.zero_grad() loss.backward() self.optimizer.step() self.epsilon = max(self.epsilon_min, self.epsilon * self.epsilon_decay) def remember(self, state, action, reward, next_state, done): self.memory.append((state, action, reward, next_state, done)) # Initialize gym environment and the agent
env = gym.make('CartPole-v1')
state_size = env.observation_space.shape[0]
action_size = env.action_space.n
agent = Agent(state_size, action_size) # Training loop
num_episodes = 1000
for e in range(num_episodes): state = env.reset() for timestep in range(1000): action = agent.act(state) next_state, reward, done, _ = env.step(action) agent.remember(state, action, reward, next_state, done) state = next_state if done: print("episode: {}/{}, score: {}, e: {:.2}" .format(e, num_episodes, timestep, agent.epsilon)) break agent.replay(32)
这段代码首先定义了一个简单的DQN网络,然后定义了一个Agent类,该类包含了DQN模型、优化器、损失函数以及一些用于训练和决策的方法。
在训练循环中,智能体通过与环境交互来学习如何玩游戏。每当智能体采取一个动作,它都会记住这个经验(状态、动作、奖励、下一个状态、是否结束),并定期使用这些经验来更新它的模型。
这个代码是基于CartPole游戏开发的。CartPole是OpenAI Gym库中的一个经典控制问题,用于测试强化学习算法。在CartPole游戏中,目标是通过左右移动一个底部装有单摆的小车,来保持单摆竖直向上。如果单摆偏离垂直位置太远,或者小车移动出屏幕,游戏就会结束。
在提供的代码中,通过定义一个DQN(深度Q网络)模型和一个Agent类,实现了智能体与环境(CartPole游戏)的交互,并通过强化学习的方法(如经验回放和ε-贪心策略)来训练智能体,使其学会如何玩CartPole游戏。
值得注意的是,虽然原始问题可能询问的是类似贪吃蛇这样的经典游戏,但提供的代码实际上是针对CartPole游戏的一个实现示例。这可能是因为CartPole游戏因其简单性和易于实现,在强化学习领域被广泛用作测试基准。而贪吃蛇游戏虽然也是一个经典的游戏,但其实现可能涉及更复杂的游戏逻辑和图形界面处理,因此在强化学习的入门示例中可能较少见到。不过,使用Pygame等库也可以实现贪吃蛇游戏的图形界面和基本逻辑。