近端策略优化算法(PPO)：RL最经典的博弈对抗算法之一「AI核心算法」

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发布于 2020-12-14 10:22:13

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文章被收录于专栏：决策智能与机器学习

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作者：Abhishek Suran

转载请联系作者

提要：PPO强化学习算法解析及其TensorFlow 2.x实现过程（含代码）

在本文中，我们将尝试理解Open-AI的强化学习算法：近端策略优化算法PPO（

Proximal Policy Optimization）。在一些基本理论之后，我们将使用TensorFlow 2.x实现PPO。

为什么PPO ?

因为PPO可以方便地克服以下两个问题。

策略更新不稳定:在许多策略梯度方法中，由于步长较大，策略更新不稳定，导致错误的策略更新，当这个新的错误策略被用于学习时，会导致更糟糕的策略。如果步骤很小，那么就会导致学习的缓慢。
数据效率低:很多学习方法都是借鉴现有经验，在梯度更新后丢弃经验。这使得学习过程变慢，因为神经网络需要大量的数据来学习。

PPO的核心理念

在早期的Policy梯度法中，目标函数类似于

但现在我们不用现行Policy的日志，而是用现行Policy与旧Policy的比率.

我们也将裁剪比例，并将两者的最小值，即b/w裁剪和未裁剪。

此压缩目标将限制大型策略更新，如下所示。

因此，最后的目标包括3个部分，

第一个是Lclip，
第二个是我们的批评者网的MSE，即预测的状态值和目标的平方损失。
第三部分是熵来鼓励探索。

算法的步骤

游戏n步，存储状态，动作概率，奖励，完成变量。
基于上述经验，应用广义优势估计方法。我们将在编码部分看到这一点。
通过计算各自的损失，训练神经网络在某些时期的运行。
对完成训练的模型测试“m”轮。
如果测试片段的平均奖励大于你设定的目标奖励，那么就停止，否则就从第一步开始重复。

代码

神经网络:

在导入所需的库并初始化我们的环境之后，我们定义了神经网络，并且类似于actor评论家文章中的神经网络。
Actor-network将当前状态作为每个动作的输入和输出概率。
批评家网络输出一个状态的值。

class critic(tf.keras.Model):
  def __init__(self):
    super().__init__()
    self.d1 = tf.keras.layers.Dense(128,activation='relu')
    self.v = tf.keras.layers.Dense(1, activation = None)

  def call(self, input_data):
    x = self.d1(input_data)
    v = self.v(x)
    return v


class actor(tf.keras.Model):
  def __init__(self):
    super().__init__()
    self.d1 = tf.keras.layers.Dense(128,activation='relu')
    self.a = tf.keras.layers.Dense(2,activation='softmax')

  def call(self, input_data):
    x = self.d1(input_data)
    a = self.a(x)
    return a

行动选择:

我们定义代理类并初始化优化器和学习率。
我们还定义了一个clip_pram变量，它将用于actor丢失函数。
对于动作选择，我们将使用TensorFlow概率库，它将概率作为输入并将其转换为分布。
然后，我们使用分布来进行动作选择。

class agent():
    def __init__(self):
        self.a_opt = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=7e-3)
        self.c_opt = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=7e-3)
        self.actor = actor()
        self.critic = critic()
        self.clip_pram = 0.2


    def act(self,state):
        prob = self.actor(np.array([state]))
        prob = prob.numpy()
        dist = tfp.distributions.Categorical(probs=prob, dtype=tf.float32)
        action = dist.sample()
        return int(action.numpy()[0])

测试模型的知识:

这个功能将用来测试我们的代理的知识，并返回一集的总报酬。

def test_reward(env):
  total_reward = 0
  state = env.reset()
  done = False
  while not done:
    action = np.argmax(agentoo7.actor(np.array([state])).numpy())
    next_state, reward, done, _ = env.step(action)
    state = next_state
    total_reward += reward

  return total_reward

训练循环:

我们将循环“步骤”时间，即我们将收集“步骤”时间的经验。
下一个循环是代理与环境交互的次数，我们将体验存储在不同的列表中。
在上述循环结束后，我们计算状态的值并加到最后一个状态的值，在广义优势估计方法中进行计算。
然后用广义优势估计方法对所有列表进行处理，得到收益、优势。
接下来，我们对网络进行10轮训练。
经过培训，我们将对agent进行5集的测试环境测试。
如果测试片段的平均奖励大于你设定的目标奖励，那么就停止，否则就从第一步开始重复。

tf.random.set_seed(336699)
agentoo7 = agent()
steps = 50
ep_reward = []
total_avgr = []
target = False 
best_reward = 0
avg_rewards_list = []


for s in range(steps):
  if target == True:
          break

  done = False
  state = env.reset()
  all_aloss = []
  all_closs = []
  rewards = []
  states = []
  actions = []
  probs = []
  dones = []
  values = []
  print("new episod")

  for e in range(128):

    action = agentoo7.act(state)
    value = agentoo7.critic(np.array([state])).numpy()
    next_state, reward, done, _ = env.step(action)
    dones.append(1-done)
    rewards.append(reward)
    states.append(state)
    #actions.append(tf.one_hot(action, 2, dtype=tf.int32).numpy().tolist())
    actions.append(action)
    prob = agentoo7.actor(np.array([state]))
    probs.append(prob[0])
    values.append(value[0][0])
    state = next_state
    if done:
      env.reset()

  value = agentoo7.critic(np.array([state])).numpy()
  values.append(value[0][0])
  np.reshape(probs, (len(probs),2))
  probs = np.stack(probs, axis=0)

  states, actions,returns, adv  = preprocess1(states, actions, rewards, dones, values, 1)

  for epocs in range(10):
      al,cl = agentoo7.learn(states, actions, adv, probs, returns)
      # print(f"al{al}") 
      # print(f"cl{cl}")   

  avg_reward = np.mean([test_reward(env) for _ in range(5)])
  print(f"total test reward is {avg_reward}")
  avg_rewards_list.append(avg_reward)
  if avg_reward > best_reward:
        print('best reward=' + str(avg_reward))
        agentoo7.actor.save('model_actor_{}_{}'.format(s, avg_reward), save_format="tf")
        agentoo7.critic.save('model_critic_{}_{}'.format(s, avg_reward), save_format="tf")
        best_reward = avg_reward
  if best_reward == 200:
        target = True
  env.reset()

env.close()

估计广义优势:

我们定义了一个预处理函数，它实现了GAE方法来计算返回值和优势。
初始化变量“g”为零，lambda为0.95。
我们通过反转奖励列表来循环奖励。
计算delta为(当前操作的奖励+下一个状态的gamma *值* done变量，对于终端状态为零-当前状态的值)。
计算变量“g”为(+ gamma * lambda * done变量* g)。
计算return为(g +当前状态值)。
反向返回列表，就像我们反向计算一样。
优势被计算为(返回值)。这里我们使用值[:-1]。毕竟，我们的值列表比所有其他列表大一个，因为为了计算目的，我们将状态的值加到了最后一个状态的旁边。

def preprocess1(states, actions, rewards, done, values, gamma):
    g = 0
    lmbda = 0.95
    returns = []
    for i in reversed(range(len(rewards))):
       delta = rewards[i] + gamma * values[i + 1] * done[i] - values[i]
       g = delta + gamma * lmbda * dones[i] * g
       returns.append(g + values[i])

    returns.reverse()
    adv = np.array(returns, dtype=np.float32) - values[:-1]
    adv = (adv - np.mean(adv)) / (np.std(adv) + 1e-10)
    states = np.array(states, dtype=np.float32)
    actions = np.array(actions, dtype=np.int32)
    returns = np.array(returns, dtype=np.float32)
    return states, actions, returns, adv

学习功能:

学习函数接受(在与环境交互期间存储或计算的状态、动作、优势、概率、返回值的数组)作为输入。
我们计算当前的概率和损失。批评家的损失是MSE。
这个函数使用渐变点击来执行渐变更新。

    def learn(self, states, actions,  adv , old_probs, discnt_rewards):
        discnt_rewards = tf.reshape(discnt_rewards, (len(discnt_rewards),))
        adv = tf.reshape(adv, (len(adv),))

        old_p = old_probs

        old_p = tf.reshape(old_p, (len(old_p),2))
        with tf.GradientTape() as tape1, tf.GradientTape() as tape2:
            p = self.actor(states, training=True)
            v =  self.critic(states,training=True)
            v = tf.reshape(v, (len(v),))
            td = tf.math.subtract(discnt_rewards, v)
            c_loss = 0.5 * kls.mean_squared_error(discnt_rewards, v)
            a_loss = self.actor_loss(p, actions, adv, old_probs, c_loss)

        grads1 = tape1.gradient(a_loss, self.actor.trainable_variables)
        grads2 = tape2.gradient(c_loss, self.critic.trainable_variables)
        self.a_opt.apply_gradients(zip(grads1, self.actor.trainable_variables))
        self.c_opt.apply_gradients(zip(grads2, self.critic.trainable_variables))
        return a_loss, c_loss

演员损失:

Actor损失将当前概率、动作、优势、旧概率和批评家损失作为输入。
首先，我们计算熵和均值。
然后，我们循环遍历概率、优势和旧概率，并计算比率、剪切比率，并将它们追加到列表中。
然后，我们计算损失。注意这里的损失是负的因为我们想要进行梯度上升而不是梯度下降。

 def actor_loss(self, probs, actions, adv, old_probs, closs):

        probability = probs      
        entropy = tf.reduce_mean(tf.math.negative(tf.math.multiply(probability,tf.math.log(probability))))
        #print(probability)
        #print(entropy)
        sur1 = []
        sur2 = []

        for pb, t, op in zip(probability, adv, old_probs):
                        t =  tf.constant(t)
                        op =  tf.constant(op)
                        #print(f"t{t}")
                        #ratio = tf.math.exp(tf.math.log(pb + 1e-10) - tf.math.log(op + 1e-10))
                        ratio = tf.math.divide(pb,op)
                        #print(f"ratio{ratio}")
                        s1 = tf.math.multiply(ratio,t)
                        #print(f"s1{s1}")
                        s2 =  tf.math.multiply(tf.clip_by_value(ratio, 1.0 - self.clip_pram, 1.0 + self.clip_pram),t)
                        #print(f"s2{s2}")
                        sur1.append(s1)
                        sur2.append(s2)

        sr1 = tf.stack(sur1)
        sr2 = tf.stack(sur2)

        #closs = tf.reduce_mean(tf.math.square(td))
        loss = tf.math.negative(tf.reduce_mean(tf.math.minimum(sr1, sr2)) - closs + 0.001 * entropy)
        #print(loss)
        return loss

这就是编码。现在让我们看看你的代理不学习的原因和一些提示。

执行时需要注意的事项

在编写RL时，需要记住以下几点。

神经元的数量，隐藏层，学习速率对学习有巨大的影响。
张量和数组的形状应该是正确的。很多时候，实现是正确的，代码可以工作，但是代理没有学到任何东西，仅仅因为张量的形状是不正确的，并且当对那些张量进行操作时给出了错误的结果

相关资料

您可以在这里找到本文的完整代码：https://arxiv.org/abs/1707.06347
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原始发表：2020-12-03，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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