用Dota2“最强”算法PPO完成CarPole和四轴飞行器悬浮任务

 

【飞桨开发者说】吉祥:黑龙江哈尔滨人,毕业于桂林理工大学,检测技术与自动化装置专业,百度深度学习工程师集训营最佳学员,百度强化学习7日学员

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2019年Dota 2比赛中,OpenAI Five完胜世界冠队伍OG。

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Bill Gates在Twitter中提到:“AI机器人在Dota 2中战胜人类,是AI发展的一个里程碑事件”。

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无论AlphaGo击败围棋世界冠军还是OpenAI Five完胜世界冠队伍OG,都让大众感受到了AI的魅力,促进了AI蓬勃发展。

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那么OpenAI Five应用了什么技术,实现在Dota中完胜世界冠军的呢?那就是Proximal Policy Optimization(PPO)算法,本文重点介绍基于飞桨PARL,完成PPO算法实践的过程。

飞桨PARL开源项目地址:

https://github.com/PaddlePaddle/PARL

PPO算法将游戏中所有的状态作为数据输入,通过数据分析计算,由PPO优化的智能体Agent做出相应的动作,智能体Agent的思考过程如下图所示。

在介绍PPO算法之前,我们先了解深度强化学习中基于策略梯度的Policy Gradient算法(以下简称PG)。

PG算法介绍

 

PG算法的基本组成如下图所示:

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  • Actor:由智能体Agent产生的执行动作;

  • Env:智能体Agent的执行环境;

  • Reward Function:奖励计算方式,执行动作的评价指标。

智能体Agent在Env中不断学习,根据环境的状态State(也可以为观察到的observation,下文统一用State)来执行动作Action,过程中会根据反馈的Reward来选择效果更好的动作,实现逻辑如下图所示:

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  • 采用神经网络拟合策略函数,通过计算策略梯度来优化策略网络;

  • 通过环境产生的状态State矩阵或者向量Vector作为神经网络的输入,通过神经网络得到每个执行动作的概率,选择概率最大的执行动作。

计算原理如下图所示:

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  • 在环境Env中得到状态State,Agent通过State得出使得Reward最大的执行动作Actor;

  • Actor在环境中又得到新的State(next state) ;

  • 重复以上动作,直到Reward Fuction不成立或者达到这次循环终止条件。此时可以计算出一个轨迹的发生概率(一个episode的发生概率)。

在优化神经网络时,除了需要向网络输入数据外,还要给网络一个期望的输出(label)。

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优化的目标是策略的期望回报,即所有轨迹的回报与对应轨迹发生概率的加权和。当N足够大时,通过采样N个轨迹求平均的方式近似表达,简单理解就是所得Reward的平均值。每次都让网络来拟合之前Reward的平均值,通常优化策略越好,Reward会越高,不过也不是绝对的

计算策略梯度公式如下图所示:

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首先用函数求导的特点进行转化;然后用N次采样的平均值来近似期望;最后将展开,将与无关的项去掉,即得到最终的结果。

关于PG的经验之谈

PG是基于策略梯度求解RL的方法,按照概率分布随机选择动作,计算某个状态下所有策略的分布概率,类似于经典分类问题中,给每个类别预测一个概率,好的PG会给优良的策略分配较高的概率。

但它同时也存在一个缺点:优化是在一个完整的episode结束后,sample每一步的均值。只要最后结果很好,所有的动作全部当作好的动作来学习,因此在训练时很可能出现不稳定的情况,需要大量的数据集,保证足够多的sample次数。

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Tip 1:增加基线,使得Reward有正有负。

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Tip 2:分配适当的权重,选择在这个动作发生后的Reward总和作为动作的权重。

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Tip 3:增加折扣因子。

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PPO算法介绍

先了解强化学习常用的两种训练方式:On-policy和Off-policy。

  • On-policy:训练的agent一边互动一边学习(互动的agent就是训练的agent);

  • Off-policy:训练的agent一边看一边学习(互动的agent不是训练的agent)。

举例来说,古代杰出帝王都需要深入了解民间百姓的真实生活,这两种策略就类似帝王们获取信息的途径。皇帝可以选择微服出巡(On-policy),虽然眼见为实,但毕竟皇帝本人分身乏术,掌握情况不全;也可以选择派不同的官员去了解情况,再向皇帝汇报(Off-policy)。

在网络训练过程中,通过采样更新权重非常耗时,每更新一个参数就需要采样一次,因此我们需要把On-policy训练方式转化成Off-policy。

从中采样出来的数据的期望值,可以替换为用采样出来的数据再乘以重要性权重。

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值得注意的是,需要分布与分布差异很小才能采用这样的方式,如图所示。若当分布与分布相差较大时,需要足够多采样次数才能使他们的期望相近。

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的期望和的期望最后相差的就是一个的系数(重要性权重),如果≈,那么他们的期望就相同(这里省略推导过程)。

PPO解决了On-policy转Off-policy时分布与分布相差较大的问题。通过KL散度来计算分布与分布差异,并将KL加入PPO模型的似然函数,并采用合理适配β来惩罚KL。KL过大我们就增加β,KL小于一定值我们就减小β,PPO算法过程如下图所示:

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说明:在概率论或信息论中,通常使用KL散度( Kullback–Leibler divergence),又称相对熵(relative entropy),描述两个概率分布和差异。

Talk is cheap. Show me the code.

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基于飞桨PARL实践PPO算法

下面我们基于飞桨PARL框架,动手实践PPO算法,介绍实现CarPole和四轴飞行器悬浮任务的操作过程。

项目可在百度AI Studio平台上运行:

https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/632270

实践一:CartPole任务

基于飞桨PARL,使用PPO解决连续控制版本的CartPole问题,给小车一个力(连续量),使得车上的摆杆倒立起来。

1. 构建CartPole任务的Model、Algorithm和Agent。

构建PPO Model,需要声明Policy,定义Value的Model结构:

class PolicyModel(parl.Model):
    def __init__(self, obs_dim, act_dim, init_logvar):
        self.obs_dim = obs_dim
        self.act_dim = act_dim
        hid1_size = obs_dim * 10
        hid3_size = act_dim * 10
        hid2_size = int(np.sqrt(hid1_size * hid3_size))
        self.lr = 9e-4 / np.sqrt(hid2_size)
        self.fc1 = layers.fc(size=hid1_size, act='tanh')
        self.fc2 = layers.fc(size=hid2_size, act='tanh')
        self.fc3 = layers.fc(size=hid3_size, act='tanh')
        self.fc4 = layers.fc(size=act_dim, act='tanh')
        self.logvars = layers.create_parameter(
            shape=[act_dim],
            dtype='float32',
            default_initializer=fluid.initializer.ConstantInitializer(
                init_logvar))

    def policy(self, obs):      #策略
        hid1 = self.fc1(obs)
        hid2 = self.fc2(hid1)
        hid3 = self.fc3(hid2)
        means = self.fc4(hid3)
        logvars = self.logvars()
        return means, logvars

    def sample(self, obs):       #采样
        means, logvars = self.policy(obs)
        sampled_act = means + (
            layers.exp(logvars / 2.0) *  # stddev
            layers.gaussian_random(shape=(self.act_dim, ), dtype='float32'))
        return sampled_act
class ValueModel(parl.Model): 
    def __init__(self, obs_dim, act_dim):
        super(ValueModel, self).__init__()
        hid1_size = obs_dim * 10
        hid3_size = 5
        hid2_size = int(np.sqrt(hid1_size * hid3_size))
        self.lr = 1e-2 / np.sqrt(hid2_size)
        self.fc1 = layers.fc(size=hid1_size, act='tanh')
        self.fc2 = layers.fc(size=hid2_size, act='tanh')
        self.fc3 = layers.fc(size=hid3_size, act='tanh')
        self.fc4 = layers.fc(size=1)

    def value(self, obs):
        hid1 = self.fc1(obs)
        hid2 = self.fc2(hid1)
        hid3 = self.fc3(hid2)
        V = self.fc4(hid3)
        V = layers.squeeze(V, axes=[])
        return V


构建Agent:

class PPOAgent(parl.Agent):
    def __init__(self,algorithm,obs_dim,act_dim,kl_targ,loss_type,beta=1.0,epsilon=0.2,policy_learn_times=20,value_learn_times=10,value_batch_size=256):
        参数初始化(略)

    def build_program(self):      #在静态图下构建program,定义图的输入和输出
        self.policy_predict_program = fluid.Program()
        self.policy_sample_program = fluid.Program()
        self.policy_learn_program = fluid.Program()
        self.value_predict_program = fluid.Program()
        self.value_learn_program = fluid.Program()

    def policy_sample(self, obs):   
        #通过网络推理得到sample
        return sampled_act

    def policy_predict(self, obs):
#通过网络推理得到predict
        return means

    def value_predict(self, obs):
    #通过网络推理得到value_predict
        return value
    #用ppo算法更新policy
    def policy_learn(self, obs, actions, advantages):
        self.alg.sync_old_policy()
        all_loss, all_kl = [], []
        for _ in range(self.policy_learn_times):
            loss, kl = self._batch_policy_learn(obs, actions, advantages)
            all_loss.append(loss)
            all_kl.append(kl)

        if self.loss_type == 'KLPEN':
            # Adative KL penalty coefficient
            if kl > self.kl_targ * 2:
                self.beta = 1.5 * self.beta
            elif kl < self.kl_targ / 2:
                self.beta = self.beta / 1.5

        return np.mean(all_loss), np.mean(all_kl)
    #用ppo算法更新value
    def value_learn(self, obs, value):
        data_size = obs.shape[0]
        if self.value_learn_buffer is None:
            obs_train, value_train = obs, value
        else:
            obs_train = np.concatenate([obs, self.value_learn_buffer[0]])
            value_train = np.concatenate([value, self.value_learn_buffer[1]])
        self.value_learn_buffer = (obs, value)
        all_loss = []
        for _ in range(self.value_learn_times):
            random_ids = np.arange(obs_train.shape[0])
            np.random.shuffle(random_ids)
            shuffle_obs_train = obs_train[random_ids]
            shuffle_value_train = value_train[random_ids]
            start = 0
            while start < data_size:
                end = start + self.value_batch_size
                value_loss = self._batch_value_learn(
                    shuffle_obs_train[start:end, :],
                    shuffle_value_train[start:end])
                all_loss.append(value_loss)
                start += self.value_batch_size
        return np.mean(all_loss)

构建PPO Algorithm,此段代码无需运行,便于大家理解PPO整个过程:

class PPO(Algorithm):
    def __init__(self,model,act_dim=None,policy_lr=None,value_lr=None,epsilon=0.2):
        模型初始化略()
    def _calc_logprob(self, actions, means, logvars):
        exp_item = layers.elementwise_div(
            layers.square(actions - means), layers.exp(logvars), axis=1)
        exp_item = -0.5 * layers.reduce_sum(exp_item, dim=1)

        vars_item = -0.5 * layers.reduce_sum(logvars)
        logprob = exp_item + vars_item
        return logprob
    #计算KL
    def _calc_kl(self, means, logvars, old_means, old_logvars):
        log_det_cov_old = layers.reduce_sum(old_logvars)
        log_det_cov_new = layers.reduce_sum(logvars)
        tr_old_new = layers.reduce_sum(layers.exp(old_logvars - logvars))
        kl = 0.5 * (layers.reduce_sum(
            layers.square(means - old_means) / layers.exp(logvars), dim=1) + (
                log_det_cov_new - log_det_cov_old) + tr_old_new - self.act_dim)
        return kl
    def policy_learn(self, obs, actions, advantages, beta=None):
        old_means, old_logvars = self.old_policy_model.policy(obs)
        old_means.stop_gradient = True
        old_logvars.stop_gradient = True
        old_logprob = self._calc_logprob(actions, old_means, old_logvars)

        means, logvars = self.model.policy(obs)
        logprob = self._calc_logprob(actions, means, logvars)
        kl = self._calc_kl(means, logvars, old_means, old_logvars)
        kl = layers.reduce_mean(kl)

2. 模型训练

def main():
    env = ContinuousCartPoleEnv()
    obs_dim = env.observation_space.shape[0]
    act_dim = env.action_space.shape[0]
    obs_dim += 1  # add 1 to obs dim for time step feature  应该是为了方便引入衰减因子

    scaler = Scaler(obs_dim)

    model = PPOModel(obs_dim, act_dim)
    alg = parl.algorithms.PPO(
        model,
        act_dim=act_dim,
        policy_lr=model.policy_lr,
        value_lr=model.value_lr)
    agent = PPOAgent(
        alg, obs_dim, act_dim, kl_targ, loss_type=loss_type)

    # 运行几个episode来初始化 scaler
    collect_trajectories(env, agent, scaler, episodes=5)

    test_flag = 0
    total_steps = 0
    while total_steps < train_total_steps:
        trajectories = collect_trajectories(
            env, agent, scaler, episodes=episodes_per_batch)
        total_steps += sum([t['obs'].shape[0] for t in trajectories])
        total_train_rewards = sum([np.sum(t['rewards']) for t in trajectories])
        #产生训练数据
        train_obs, train_actions, train_advantages, train_discount_sum_rewards = build_train_data(
            trajectories, agent)
        #计算policy_loss, kl
        policy_loss, kl = agent.policy_learn(train_obs, train_actions,
                                             train_advantages)
        value_loss = agent.value_learn(train_obs, train_discount_sum_rewards)
        if total_steps // test_every_steps >= test_flag:
            while total_steps // test_every_steps >= test_flag:
                test_flag += 1
            eval_reward = run_evaluate_episode(env, agent, scaler)

[07-23 12:00:44 MainThread @:188] Steps 1001984, Evaluate reward: 23285.0

3. 实践效果

在CartPole环境下, Evaluate reward一直在上涨,达到了23285.0(训练过多可能会出现不稳定的情况)。

用Dota2“最强”算法PPO完成CarPole和四轴飞行器悬浮任务_第18张图片

完整项目地址:

https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/632270

实践二:四轴飞行器悬浮任务。

基于飞桨PARL,使用PPO实现四轴飞行器悬浮任务。您只需要获取如下文件,并在终端安装parl和rlschool后,运行python train.py,即可查看实践效果。

  • mujoco_model.py

  • mujoco_agent.py

  • scaler.py

  • train.py

.py文件获取路径:

https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/632270

实践效果

在rlschool环境下 四轴飞行器悬浮任务 Evaluate reward一直在上涨,达到了7107。

完整项目地址:

https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/632270

文章小结

  1. 在文章开篇和大家一起学习了PG(Policy Gradient)算法是如何解决连续动作空间上求解RL, PG在更新策略时的优缺点及相应的避“坑儿”技巧,如:增加基线、合理适配action的权重、增加代价因子。

  2. 接下来介绍了强化学习常用的两种模型训练方式:On-policy与Off-policy,并引出PPO算法。

  3. 最后基于飞桨PARL框架,动手实践了PPO算法,完成了CarPole和四轴飞行器悬浮两个任务。

飞桨PaddlePaddle课程链接

百度架构师手把手教深度学习:

https://aistudio.baidu.com/aistudio/course/introduce/888

强化学习7日打卡营:

https://aistudio.baidu.com/aistudio/course/introduce/1335

如在使用过程中有问题,可加入飞桨官方QQ群进行交流:1108045677。

如果您想详细了解更多飞桨的相关内容,请参阅以下文档。

官网地址:

https://www.paddlepaddle.org.cn

飞桨PARL开源项目地址:

https://github.com/PaddlePaddle/PARL

飞桨开源框架项目地址:

GitHub:

https://github.com/PaddlePaddle/Paddle

Gitee: 

https://gitee.com/paddlepaddle/Paddle

END

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