强化学习调参方法/DeepRLHacks中文版

Tips to debug new algorithm

训练新强化学习的算法

1. 使用低维状态空间的环境来训练网络

• John 建议使用Pendulum problem来训练agent，因为这是一个二维状态空间的问题，两个维度就是角度与速度
• 因为这样容易可视化值函数，可以通过可视化的方式来观察：算法是否应该处在对的状态，算法是怎么学习的，学习的过程对不对
• 可视化可以帮助思考为什么算法不工作，比如是value函数太光滑之类的

2.测试算法的合理性，对于特定的算法构造对应的问题

• 比方说你的算法想要解决一个层次强化学习问题，那么让agent学习的问题应该具有明确的层次性
• 观察agent，确定agent（在不同的层次中）做了正确的事
• 不要over fit你要学习的问题，特别是这个环境的状态空间比较小的时候 ### 3.使用你最熟悉的环境来测试
• 你可以明确知道在这个环境中，大概需要多久来训练agent
• 知道rewards大概会怎么变化
• 可以明确baseline大概是在哪里，比如以前训练别的算法的数据，或者自己的启发式算法
• 比方说一个直走的腿型机器人，那么它合理的走法我们是可以想象的，所以可以观察学习过程中是否是有效的，同时可以快速地发现有哪些是奇怪的行为

Tips to debug a new task

调试网络的技巧

• 从最简单的开始，直到你能看到它有学习到东西
• 应用1: 简化你的特征空间
  • 比如说你在面对一个图像输入的强化学习任务，这可能比较难构造好的特征（比如HOG并不一定好），使用CNN可能使的网络比较难学，所以一种方法就是通过对task的理解，直接编码位置x，y，编码物品的种类，然后在简化的feature中学习
  • 直到在你的简化问题中，agent有效地学习，然后再切换到最初以图片作为输入（难的）问题

• 应用2：简化reward函数
  • 设计reward能够快速地让agent学习到正确的事，这样能够快速知道算法，实现是否是对的
  • 比如：在一个task中，我们希望让agent能够碰到物体。所以reward设计为碰到物体就给一个+1的reward，那么这样对于agent学习起来会比较难，因为可能需要做一些动作才会碰到物体，所以获得reward这件事其实是比较少发生的。所以一种简化的办法就是：使用与物体距离成反函数的reward来给予agent，那么agent获得的reward就比较密集了

Tips to frame a problem in RL

强化学习的框架性技巧

有时候不好确定feature，reward应该是怎么样的，这边有几个建议

1. 第一步，观察随机策略在这个问题里面是什么样的表现

• 看看随机的agent对你有什么启发
• 如果随机的agent能够有时候把你希望的task完成了，那么RL应该也会学习到正确的事。（策略梯度会根据reward，调整行为，学习到相应的task）
• 如果随机的agent根本就做不到对的事情，那么RL绝对做不到 ### 2. 确定给agent的输入是有效的：
• 比如你就采用agent观察的输入来做决策，如果你自己都做不到，那么RL通常也很难做大
• 比如：这是一个图片的task，你来观察处理好的输入，看看是不是把一些重要的东西处理掉了 ### 3. 确定任何东西的尺度是正取的：
• 比如：
  • observations： 均值为0，方差为1.
  • reward： 如果可能控制的话，缩放到相应的尺度
  • 通过你能得到的数据来处理

• 观察你所有的reward与observation，确定在尺度上没有特别异常 ### 4. 为学习的问题设置baseline
• 因为不确定算法大概会工作的怎么样，所以通过已有的算法来做baseline比较
  • cross entropy method
  • policy gradient method
  • Q-learning

Reproducing papers

重现算法

我们经常需要去重现算法，但是发现重现算法很难，这里有一些技巧可以考虑：

比需要的数据，使用更多的采样

policy是对的，但是没有那么明确

• 让agent学的更久
• 微调超参数，来得到更好的性能
• 可以考虑更大的batch size
  • batch size比较小，那么噪声会有比较大的影响
  • 比如在TRPO算法中，如果使用比较小的batch size，那么最终用了100k time step
  • 比如在DQN中，我们用了10k time step，1mm frame的replay buffer

Guidelines on-going training process

训练过程的指导

确保你的训练过程是正确的

1. 观察每个参数的敏感性

• 如果算法非常敏感，那么这代表这个算法不够robust，这样并不好
• 我们希望算法是通用，所以有时候出现的一些有趣的行为并不是通常的，只是因为环境的动态性 ### 2. 确定在优化过程中，用来观察的indicator是正常的
• 变化
• 确定value function是否是正确的：
  • 是否预测准确
  • 是否预测的return准确
  • 更新的大小有多大

• 一些用在DL中的技巧 ### 3. 有一个系统的环境作为测试
• 需要有纪律（坚持做）
• 观察在所有环境中，你训练的效果：
  • 有时候只在特定的环境中有效，但是在其他的环境中无效
  • 对于一个问题，容易达成over fit

• 偶尔运行一下benchmarks，来看看当前的效果 ### 4. 有时候你会认为你的算法有效，但是实际上只是随机的噪声
• 比如：在7个任务中测试3种算法，有一种算法在所有任务中都运行的很好。但是实际上，通过调整random seed，这3种算法实际上是一样的 ### 5. 尝试不同的随机数种子
• 运行多次，并取平均
• 在多个任务上，分别运行多个随机数种子，如果不这么做的话，很有可能只是在一个任务上over fit ### 6. 有些增加其实是不需要的
• 很多技巧本质上就是对某些东西做normalizing，或者只是帮助优化
• 一系列的技巧，有些技巧的目的或者影响是一样的，所以可以移去重复的，让你的算法简化（这是一个key） ### 7. 让你的算法简化 能够更泛化 ### 8. 自动化你的经验
• 不要花一整天的时间来观察代码的输出
• 将实验放在云服务上（服务器上？），然后分析结果
• 框架性地来追踪经验与结果：
  • 比如IPython
  • 存在数据库

General training strategies

通用的训练技巧

1. 白化和标准化数据（在开始前，处理所有数据）

• observation
  • 计算mean，standard deviation。然后z-transform
  • 对于所有的数据，而不是最近的数据
  • At least it'll scale down over time how fast it's changing.
  • 如果学习的过程中不断目标，那么这样会影响优化
  • 如果只是用最近的数据的mean，那么相当于每段时间的数据都在变，那么优化效果会很差（通常）

• reward
  • 缩放，不要移动
  • 影响 agent’s will to live
  • 将会改变问题

• standardize targets
  • 比如通过reward来影响

• PCA 白化？
  • could help
  • 尝试一下，看看是不是对NN有效
  • 大尺度的缩放，从（-1000，1000）到（-0.001，0.001）会使的训练很慢

2. discount factors传达到信息

• 确定的给予了多长的信度分配
• 比如：factor设置为0.99，那么相当于往后面看了100个steps，这意味着你比较注重近期利益
  • 观察相关的真实时间是一个比较有效的选择
  • 直觉的，RL通长使用离散的时间表示
  • 比如：在100step中，实际上是3秒的时间，那么你就可以观察这3秒发生了什么

3. 通过离散的方法来解决问题

• 比如在DQN中，做的frame skip
  • 那么作为一个人类，在这种情况下，你可以控制吗？
  • 看看随机探索会发生什么
  • Discretization determines how far your browning motion goes.
  • 如果需要做一系列的动作，那么应该更偏向探索
  • 针对相应的问题，选择不同的离散尺度来工作

4. 仔细地看episode的return

• 不只是mean，同时也要看min，max
  • max就是你的策略能够做的更好
  • 同时确定你的policy是否是做正确的事

• 查看episode的长度
  • 输赢只能告诉你最终的信息，但是长度的变化，能够体现输赢的速率（比如一些坚持类的游戏）
  • 有时候长度的改变就代表的学习到了
    

Policy gradient diagnostics

策略梯度诊断

1. 看entropy

• 看action的entropy：状态的entropy有时候更有用，但是很难去计算
• 如果下降很快，那么policy会很快变成确定性的，然后不会去探索
• 如果不下降，那么policy就一直是随机的
• 可以通过一些手段固定entropy：
  • KL penalty
  • Keep entropy from decreasing too quickly
  • Add entropy bonus

• 如何测量entropy
  • 对于大部分policy可以通过计算，来计算entropy
  • 如果是Gaussian，那么可以计算differential entropy
    ### 2. 看KL divergence

• 看KL divergence的更新大小
• 举例：
  • 如果KL是小于等于0.01，那么是小的
  • 如果KL是大于等于10，那么是大的 ### 3. 用baseline来解释方差

• 来看值函数是否是好的预测
  • 如果是负数，那么就可能是过拟合了
  • 那么就要去调整超参 ### 4. 初始化策略
    

• 非常重要（比监督学习更重要）
• Zero or tiny final layer to maximize entropy
  • 在开始的时候，最大随机探索

Q-learning Strategies

1. 注意你的replay buffer memory的使用情况

• 你可能需要非常大的replay buffer， 需要对此调整相应的code ### 2. 调整不同的学习率的schedule ### 3. 可能需要一段学习来收敛，或者开始学习
• 需要有耐心，比如DQN就学的很慢

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声明

英语原版地址：https://github.com/williamFalcon/DeepRLHacks
希望大家觉得有用的话，给原版点个star，我的仓库以后应该会整理自己的学习DRL中的trick和精力

一个好的特征应该能够区分出两个frame之间的区别