You can not select more than 25 topics Topics must start with a letter or number, can include dashes ('-') and can be up to 35 characters long.
ML-For-Beginners/8-Reinforcement/1-QLearning/translations
Jen Looper 757ff3ecca
removing empty files
3 years ago
..
README.it.md Italian translation - Chapter 9 completed. Quiz app: added italian version and updated index.js accordingly. Query string for iinks for pre/post lecture quizzes updated. Translated main README.md file 3 years ago
README.ko.md FIX : fix stacked changes for korean translation 3 years ago
README.zh-cn.md [zh-cn] Chapter 8 (#397) 3 years ago
assignment.it.md Italian translation - Chapter 8 completed 3 years ago
assignment.ko.md [WIP] Translate assignments and quizzes to Korean (#151) 3 years ago
assignment.zh-cn.md [zh-cn] Chapter 8 (#397) 3 years ago

README.zh-cn.md

强化学习和 Q-Learning 介绍

机器学习中的强化学习总结

作者 Tomomi Imura

强化学习涉及三个重要概念:代理、一些状态和每个状态的一组动作。通过在指定状态下执行一个动作,代理会得到奖励。想象一下电脑游戏超级马里奥。你是马里奥,你在一个游戏关卡中,站在悬崖边上。在你上面是一枚硬币。你是马里奥,在游戏关卡里,在特定位置......这就是你的状态。向右移动一步(一个动作)会让跌下悬崖,而且会得到一个低分。然而,按下跳跃按钮会让你活下来并得分。这是一个积极的结果,它会给你一个积极、正向的分数。

通过使用强化学习和模拟器(游戏),你可以学习如何玩游戏以最大化奖励,既能够活下去还可以获得尽可能多的积分。

强化学习简介

🎥 点击上图观看 Dmitry 讨论强化学习

课前测验

先决条件和设置

在本课中,我们将用 Python 代码做一些试验。你应该能够在你的计算机上或云中的某个地方运行本课程中的 Jupyter Notebook 代码。

你可以打开课本笔记本 并通过学习本课进行编译、运行。

注意: 如果你是从云端打开此代码,你还需要获取笔记本代码中使用的 rlboard.py 文件。将其添加到与笔记本相同的目录中。

介绍

在本课中,我们将探索 彼得与狼 的世界,其灵感来自俄罗斯作曲家 Sergei Prokofiev的音乐童话。我们将使用强化学习让彼得探索他的环境,收集美味的苹果并避免遇到狼。

强化学习RL是一种学习技术它允许我们通过运行许多实验来学习代理在某些环境中的最佳行为。这种环境中的代理应该有一些目标,由奖励函数定义。

环境

为简单起见,让我们将 Peter 的世界视为一个大小为 width x height 的方板,如下所示:

彼得的环境

该板中的每个单元格可以是:

  • 地面,彼得和其他生物可以在上面行走。
  • ,不能在上面行走。
  • ,可以休息的地方。
  • 苹果,代表彼得希望找到用来喂饱自己的食物。
  • ,这是危险的,应该避免遇到。

有一个单独的 Python 模块 rlboard.py,其中包含在此环境中工作的代码。因为这段代码对于理解我们的概念并不重要,我们将导入该模块并使用它来创建示例板(代码块 1

from rlboard import *

width, height = 8,8
m = Board(width,height)
m.randomize(seed=13)
m.plot()

这段代码会打印一张类似于上面的环境图片。

行动和策略

在我们的例子中,彼得的目标是找到苹果,同时避开狼和其他障碍物。为此,他可以四处走动,直到找到一个苹果。

因此,在任何位置,他都可以选择以下动作之一:向上、向下、向左和向右。

我们将这些动作定义为字典,并将它们映射到相应的坐标变化对。例如,向右移动 (R) 将对应于一对 (1,0)。(代码块 2

actions = { "U" : (0,-1), "D" : (0,1), "L" : (-1,0), "R" : (1,0) }
action_idx = { a : i for i,a in enumerate(actions.keys()) }

综上所述,本场景的策略和目标如下:

  • 我们的代理(彼得)的策略由一个函数定义,它返回任何给定状态下的动作。在我们的例子中,问题的状态由棋盘表示,包括玩家的当前位置。

  • 目标,强化学习的目的是学习一个好的策略,使我们能够有效地解决问题。但是,作为基准,让我们考虑称为 随机走动 的最简单策略。

随机走动

让我们首先通过实施随机走动策略来解决我们的问题。通过随机走动,我们从允许的动作中随机选择下一个动作,直到我们找到苹果(代码块 3

  1. 使用以下代码实现随机走动:

    def random_policy(m):
        return random.choice(list(actions))
    
    def walk(m,policy,start_position=None):
        n = 0 # number of steps
        # set initial position
        if start_position:
            m.human = start_position
        else:
            m.random_start()
        while True:
            if m.at() == Board.Cell.apple:
                return n # success!
            if m.at() in [Board.Cell.wolf, Board.Cell.water]:
                return -1 # eaten by wolf or drowned
            while True:
                a = actions[policy(m)]
                new_pos = m.move_pos(m.human,a)
                if m.is_valid(new_pos) and m.at(new_pos)!=Board.Cell.water:
                    m.move(a) # do the actual move
                    break
            n+=1
    
    walk(m,random_policy)
    

    walk 的调用应返回相应路径的长度,该长度可能因每次运行而不同。

  2. 多次运行该实验(例如 100 次),并打印结果统计信息(代码块 4

    def print_statistics(policy):
        s,w,n = 0,0,0
        for _ in range(100):
            z = walk(m,policy)
            if z<0:
                w+=1
            else:
                s += z
                n += 1
        print(f"Average path length = {s/n}, eaten by wolf: {w} times")
    
    print_statistics(random_policy)
    

    请注意,一条路径的平均长度约为 30-40 步,考虑到到最近苹果的平均距离约为 5-6 步,这一数字相当大。

    你还可以看到 Peter 在随机走动过程中的运动情况:

    彼得的随机走动

奖励函数

为了使我们的策略更加智能,我们需要了解哪些动作比其他动作 "更好"。为此,我们需要定义我们的目标。

可以根据奖励函数来定义目标,该函数将为每个状态返回一些分数值。数字越大,奖励函数越好。(代码块 5

move_reward = -0.1
goal_reward = 10
end_reward = -10

def reward(m,pos=None):
    pos = pos  m.human
    if not m.is_valid(pos):
        return end_reward
    x = m.at(pos)
    if x==Board.Cell.water or x == Board.Cell.wolf
        return end_reward
    if x==Board.Cell.apple
        return goal_reward
    return move_reward

关于奖励函数的一个有趣的事情是,在大多数情况下,我们只在游戏结束时才得到实质性的奖励。这意味着我们的算法应该以某种方式记住最终导致积极奖励的"好"步骤,并增加它们的重要性。同样,所有导致不良结果的举动都应该被阻拦。

Q-Learning

我们将在这里讨论的一种叫做 Q-Learning 的算法。在该算法中,策略由称为 Q-Table 的函数(或数据结构)定义。它记录了给定状态下每个动作的"优点"。

之所以称为 Q-Table是因为表格或多维数组通常表示起来很方便。由于我们的棋盘尺寸为 "width"x"height",我们可以使用形状为 "width"x"height"x"len(actions) 的 numpy 数组来表示 Q-Table代码块6

Q = np.ones((width,height,len(actions)),dtype=np.float)*1.0/len(actions)

请注意,我们将 Q-Table 的所有值初始化为一个相等的值,在我们的例子中为 "-0.25"。这对应于"随机走动"策略,因为每个状态中的所有移动都同样好。我们可以将 Q-Table 传递给 plot 函数,以便在板上可视化表格:m.plot(Q)

彼得的环境

在每个单元格的中心有一个"箭头",表示首选的移动方向。由于所有方向都相等,因此显示一个点。

现在我们需要运行这个程序,探索我们的环境,并学习更好的 Q-Table 值分布,这将使我们能够更快地找到通往苹果的路径。

Q-Learning 的本质:贝尔曼方程

一旦我们开始移动,每个动作都会有相应的奖励,即理论上我们可以根据最高的即时奖励来选择下一个动作。但是,在大多数情况,此举不会实现我们到达苹果的目标,因此我们无法立即决定哪个方向更好。

请记住,重要的不是直接结果,而是我们将在模拟结束时获得的最终结果。

为了解释这种延迟奖励,我们需要使用**动态规划** 的原则,它允许我们递归地思考问题。

假设我们现在处于状态 s,并且我们想要移动到下一个状态 s'。通过这样做,我们将收到由奖励函数定义的即时奖励 r(s,a),以及一些未来的奖励。如果我们假设我们的 Q-Table 正确反映了每个动作的“吸引力”,那么在状态 s' 我们将选择对应于 Q(s',a') 最大值的动作 a。因此,我们可以在状态 s 获得的最佳未来奖励将被定义为 maxa'Q(s',a')(这里的最大值是在状态 s' 时所有可能的动作 a' 上计算的)。

这给出了 Bellman 公式,用于计算状态 s 的 Q-Table 值,给定动作 a

这里 γ 是所谓的折扣因子,它决定了你应该在多大程度上更喜欢当前的奖励而不是未来的奖励,反之亦然。

学习算法

鉴于上面的等式,我们现在可以为我们的学习算法编写伪代码:

  • 用相同的数字为所有状态和动作初始化 Q-Table Q
  • 设置学习率α ← 1
  • 多次重复模拟
    1. 随机位置开始
    2. 重复
      1. 在状态 s 选择一个动作 a 2.通过移动到新状态 s' 来执行动作 3.如果我们遇到游戏结束的情况,或者总奖励太少——退出模拟
      2. 计算新状态下的奖励 r
      3. 根据 Bellman 方程更新 Q-Function Q(s,a)(1-α)Q(s,a)+α(r+γ maxa'Q( s',a'))
      4. ss'
      5. 更新总奖励并减少 α。

利用与探索

在上面的算法中,我们没有指定在步骤 2.1 中我们应该如何选择一个动作。如果我们随机选择动作,我们会随机探索环境,我们很可能会经常死亡以及探索我们通常不会去的区域。另一种方法是利用我们已经知道的 Q-Table 值,从而在状态 s 选择最佳动作(具有更高的 Q-Table 值)。然而,这将阻止我们探索其他状态,而且我们可能找不到最佳解决方案。

因此,最好的方法是在探索和开发之间取得平衡。这可以通过选择状态 s 的动作来完成,概率与 Q 表中的值成正比。一开始,当 Q-Table 值都相同时,它将对应于随机选择,但是随着我们对环境的了解越来越多,我们将更有可能遵循最佳路线,同时允许智能体偶尔选择未探索的路径。

Python 实现

我们现在准备实现学习算法。在我们这样做之前,我们还需要一些函数来将 Q-Table 中的任意数字转换为相应动作的概率向量。

  1. 创建一个函数 probs()

    def probs(v,eps=1e-4):
        v = vv.min()+eps
        v = v/v.sum()
        return v
    

    我们向原始向量添加了一些 eps,以避免在初始情况下被 0 除,此时向量的所有分量都相同。

通过 5000 次实验运行他们的学习算法,也称为 epochs:(代码块 8

   for epoch in range(5000):
    
        # Pick initial point
        m.random_start()
        
        # Start travelling
        n=0
        cum_reward = 0
        while True:
            x,y = m.human
            v = probs(Q[x,y])
            a = random.choices(list(actions),weights=v)[0]
            dpos = actions[a]
            m.move(dpos,check_correctness=False) # we allow player to move outside the board, which terminates episode
            r = reward(m)
            cum_reward += r
            if r==end_reward or cum_reward < -1000:
                lpath.append(n)
                break
            alpha = np.exp(-n / 10e5)
            gamma = 0.5
            ai = action_idx[a]
            Q[x,y,ai] = (1 - alpha) * Q[x,y,ai] + alpha * (r + gamma * Q[x+dpos[0], y+dpos[1]].max())
            n+=1

执行此算法后,应使用定义每个步骤不同动作的吸引力的值更新 Q-Table 。我们可以尝试通过在每个单元格上绘制一个向量来可视化 Q-Table该向量将指向所需的移动方向。为简单起见我们画一个小圆圈而不是箭头。

检查策略

由于 Q-Table 列出了每个状态下每个动作的"吸引力",因此很容易使用它来定义我们世界中的高效导航。在最简单的情况下,我们可以选择最高 Q-Table 值对应的 action代码块9

def qpolicy_strict(m):
    x,y = m.human
    v = probs(Q[x,y])
    a = list(actions)[np.argmax(v)]
    return a

walk(m,qpolicy_strict)

如果你多次尝试上面的代码,你可能会注意到它有时会"挂起",你需要按笔记本中的 STOP 按钮来中断它。发生这种情况是因为可能存在两种状态在最佳 Q 值方面"指向"彼此的情况,在这种情况下,代理最终会在这些状态之间无限期地移动。

🚀挑战

任务 1 修改 walk 函数,将路径的最大长度限制为一定的步数(比如 100并时不时地观察上面的代码返回值。

任务 2 修改 walk 函数,使其不会回到之前已经去过的地方。这将防止 walk 循环,但是,代理仍然可能最终"被困"在它无法逃脱的位置。

导航

更好的导航策略是我们在训练期间使用的,它结合了利用和探索。在这个策略中,我们将以一定的概率选择每个动作,与 Q-Table 中的值成比例。这种策略可能仍会导致代理返回到它已经探索过的位置,但是,正如你从下面的代码中看到的,它会导致到达所需位置的平均路径非常短(请记住,print_statistics 运行模拟100次代码块10

def qpolicy(m):
    x,y = m.human
    v = probs(Q[x,y])
    a = random.choices(list(actions),weights=v)[0]
    return a

print_statistics(qpolicy)

运行此代码后,你应该获得比以前小得多的平均路径长度,范围为 3-6。

调查学习过程

正如我们已经提到的,学习过程是探索和探索有关问题空间结构的知识之间的平衡。我们已经看到学习的结果(帮助代理找到到达目标的短路径的能力)有所改善,但观察平均路径长度在学习过程中的表现也很有趣:

学习内容可以概括为:

  • 平均路径长度增加。我们在这里看到的是,起初,平均路径长度增加。这可能是因为当我们对环境一无所知时,我们很可能会陷入糟糕的状态,水或狼。随着我们学习更多并开始使用这些知识,我们可以更长时间地探索环境,但我们仍然不知道苹果在哪里。

  • 随着我们了解更多,路径长度减少。一旦我们学习得足够多,代理就更容易实现目标,路径长度开始减少。然而,我们仍然对探索持开放态度,因此我们经常偏离最佳路径,并探索新的选择,使路径比最佳路径更长。

  • 长度突然增加。我们在这张图上还观察到,在某个时刻,长度突然增加。这表明该过程的随机性,我们可以在某个时候通过用新值覆盖 Q-Table 系数来"破坏" Q-Table 系数。理想情况下,这应该通过降低学习率来最小化(例如,在训练结束时,我们只调整 Q-Table 很小的一个小值)。

总的来说,重要的是要记住学习过程的成功和质量在很大程度上取决于参数,例如学习率、学习率衰减和折扣因子。这些通常称为超参数,以区别于我们在训练期间优化的参数例如Q-Table 系数)。寻找最佳超参数值的过程称为超参数优化,它值得一个单独的话题来介绍。

课后测验

作业一个更真实的世界