强化学习 之 Deep Q Network
参考
1、深度强化学习（一）： Deep Q Network(DQN)（两个网络的区别）
2、深度强化学习——DQN（工作流程图、误差计算方法）
DQN简介
DQN是一种融合了神经网络和 Q learning 的方法，因为传统表格形式的强化学习有这样一个瓶颈：当问题过于复杂，状态过多时，全用表格来存储它们是不现实的。
使用神经网络，我们就可以将状态和动作当成神经网络的输入， 然后经过神经网络分析后得到动作的 Q 值，这样我们就没必要在表格中记录 Q 值，而是直接使用神经网络生成 Q 值。
还有一种形式的是这样，我们也可以只输入状态值，输出所有的动作值，然后按照 Q learning 的原则，直接选择拥有最大值的动作当做下一步要做的动作。
算法原理
流程结构
实现步骤
1.初始化记忆库D和容量N，初始化Q的估计值、真实值等参数
2.在每一轮训练中，首先初始化状态序列 和 预处理序列，并在训练中的每一步进行如下操作：
（1）根据贪婪度epsilon概率选择下一步的动作action
（2）在当前状态state采用行动action后，得到下一状态state’和反馈reward
（3）保存这一步的记忆到记忆库D中
（4）当积累一定的步数记忆后，从记忆库D中随机抽取一定数量的记忆作为样本并进行学习，以及更新网络参数
（5）将本次训练的将下一个 state_ 作为 下次循环训练的起始 state
代码架构
# 定义DeepQNetwork类，用于实现神经网络结构
RL = DeepQNetwork(env.n_actions, env.n_features,
learning_rate=0.01,
reward_decay=0.9,
e_greedy=0.9,
replace_target_iter=200, # 每 200 步替换一次 target_net 的参数
memory_size=2000, # 记忆上限
# output_graph=True # 是否输出 tensorboard 文件
)
# 用来控制什么时候学习
step = 0
for episode in range(300):
# initial observation
observation = env.reset()
while True:
# 刷新环境
env.render()
# DQN 根据观测值选择行为
action = RL.choose_action(observation)
# 环境根据行为给出下一个 state, reward, 是否终止
observation_, reward, done = env.step(action)
# DQN 存储记忆
RL.store_transition(observation, action, reward, observation_)
# 控制学习起始时间和频率 (先累积一些记忆再开始学习)
if (step > 200) and (step % 5 == 0):
RL.learn()
# 将下一个 state_ 变为 下次循环的 state
observation = observation_
# 如果终止, 就跳出循环
if done:
break
step += 1
神经网络分析
在DQN中，搭建两个神经网络：
其中，target_net 用于预测 q_target 值（Q真实），他不会及时更新参数。它是 eval_net 的一个历史版本，拥有 eval_net 很久之前的一组参数，而且这组参数被固定一段时间，然后再被 eval_net 的新参数所替换。
eval_net 用于预测 q_eval（Q预测），这个神经网络拥有最新的神经网络参数，之后定期使用eval_net更新target_net。
不过这两个神经网络结构是完全一样的，只是里面的参数不一样，如下图：
1.初始化参数
self.n_actions = n_actions
self.n_features = n_features
self.lr = learning_rate
self.gamma = reward_decay
self.epsilon_max = e_greedy
self.replace_target_iter = replace_target_iter # 每隔replace_target_iter步，更新 target_net
self.memory_size = memory_size # 记忆上限
self.batch_size = batch_size # 每次更新时从 memory 里面取多少记忆出来
self.epsilon_increment = e_greedy_increment # epsilon 的增量
self.epsilon = 0 if e_greedy_increment is not None else self.epsilon_max # 是否开启探索模式, 并逐步减少探索次数
# 记录学习次数 (用于判断是否更换 target_net 参数)
self.learn_step_counter = 0
# 初始化全 0 记忆 [s, a, r, s_]
self.memory = np.zeros((self.memory_size, n_features*2+2))
2.建立 evaluate_net
# 用来接收 observation (即state)
self.s = tf.placeholder(tf.float32, [None, self.n_features], name='s')
# 用来接收 q_target 的值
self.q_target = tf.placeholder(tf.float32, [None, self.n_actions], name='Q_target')
with tf.variable_scope('eval_net'):
# 配置神经网络各层参数
# c_names(collections_names) 是在更新 target_net 参数时会用到
# 此处即 eval_net_params 中储存所有的 eval_net 的参数
c_names, n_l1, w_initializer, b_initializer = \
['eval_net_params', tf.GraphKeys.GLOBAL_VARIABLES], 10, tf.random_normal_initializer(0., 0.3), tf.constant_initializer(0.1)
# eval_net 的第一层. collections 是在更新 target_net 参数时会用到
with tf.variable_scope('l1'):
w1 = tf.get_variable('w1', [self.n_features, n_l1], initializer=w_initializer, collections=c_names)
b1 = tf.get_variable('b1', [1, n_l1], initializer=b_initializer, collections=c_names)
l1 = tf.nn.relu(tf.matmul(self.s, w1) + b1)
# eval_net 的第二层. collections 是在更新 target_net 参数时会用到
with tf.variable_scope('l2'):
w2 = tf.get_variable('w2', [n_l1, self.n_actions], initializer=w_initializer, collections=c_names)
b2 = tf.get_variable('b2', [1, self.n_actions], initializer=b_initializer, collections=c_names)
self.q_eval = tf.matmul(l1, w2) + b2
# 误差，训练
with tf.variable_scope('loss'):
self.loss = tf.reduce_mean(tf.squared_difference(self.q_target, self.q_eval))
with tf.variable_scope('train'):
self._train_op = tf.train.RMSPropOptimizer(self.lr).minimize(self.loss)
3.建立target_net
# 接收下个 observation
self.s_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, self.n_features], name='s_')
with tf.variable_scope('target_net'):
# 此处即 target_net_params 中储存所有的 target_net 的参数
c_names = ['target_net_params', tf.GraphKeys.GLOBAL_VARIABLES]
with tf.variable_scope('l1'):
w1 = tf.get_variable('w1', [self.n_features, n_l1], initializer=w_initializer, collections=c_names)
b1 = tf.get_variable('b1', [1, n_l1], initializer=b_initializer, collections=c_names)
l1 = tf.nn.relu(tf.matmul(self.s_, w1) + b1)
with tf.variable_scope('l2'):
w2 = tf.get_variable('w2', [n_l1, self.n_actions], initializer=w_initializer, collections=c_names)
b2 = tf.get_variable('b2', [1, self.n_actions], initializer=b_initializer, collections=c_names)
self.q_next = tf.matmul(l1, w2) + b2
4.存储训练中每一步的记忆
def store_transition(self, s, a, r, s_):
if not hasattr(self, 'memory_counter'):
self.memory_counter = 0 # 记录记忆库最新一条的索引
# np.hstack(): 按水平方向（列顺序）堆叠数组构成一个新的数组
transition = np.hstack((s, [a, r], s_)) # 记录一条 [s, a, r, s_] 记录
# 总 memory 大小是固定的, 如果超出总大小, 旧 memory 就被新 memory 替换
index = self.memory_counter % self.memory_size
self.memory[index, :] = transition # 替换过程
self.memory_counter += 1
5.选择行为action
def choose_action(self, observation):
# 统一 observation 的 shape (1, size_of_observation)
observation = observation[np.newaxis, :]
if np.random.uniform() < self.epsilon:
# 让 eval_net 神经网络生成所有 action 的值, 并选择值最大的 action
actions_value = self.sess.run(self.q_eval, feed_dict={self.s: observation})
action = np.argmax(actions_value)
else:
action = np.random.randint(0, self.n_actions)
return action
6.学习
q_next, q_eval 包含所有 action 的值，而我们需要的只是已经选择好的 action 的值，其他的并不需要。所以我们将其他的 action 值全变成 0，将用到的 action 误差值 反向传递回去，作为更新凭据。
比如 q_target - q_eval = [1, 0, 0] - [-1, 0, 0] = [2, 0, 0]。
其中，q_eval = [-1, 0, 0] 表示这一个记忆中有我选用过 action 0，而 action 0 带来的 Q(s, a0) = -1，所以其他的 Q(s, a1) = Q(s, a2) = 0。
而 q_target = [1, 0, 0] 表示这个记忆中的 r+gamma*maxQ(s_) = 1，而且不管在 s_ 上我们取了哪个 action，我们都需要对应上 q_eval 中的 action 位置，所以就将 1 放在了 action 0 的位置。
计算方法：
为了更方面让程序运算，将 q_eval 全部赋值给 q_target，这时 q_target - q_eval 全为 0。
然后，再根据 batch_memory 当中的 action 这个 column 来给 q_target 中的对应的 memory-action 位置来修改赋值，使新的赋值为 reward + gamma * maxQ(s_),这样 q_target - q_eval 就可以变成我们所需的样子。
举例：
假如在这个 batch 中，我们有2个提取的记忆，根据每个记忆可以生产3个 action 的值:
q_eval =
[[1, 2, 3],
[4, 5, 6]]
设置：
q_target = q_eval =
[[1, 2, 3],
[4, 5, 6]]
然后根据 memory 当中的具体 action 位置，来修改 q_target 对应 action 上的值：
比如在:
记忆 0 的 q_target 计算值是 -1, 而且我用了 action 0;
记忆 1 的 q_target 计算值是 -2, 而且我用了 action 2:
则
q_target =
[[-1, 2, 3],
[4, 5, -2]]
所以 (q_target - q_eval) 就变成了:
[[(-1)-(1), 0, 0],
[0, 0, (-2)-(6)]]
最后我们将这个 (q_target - q_eval) 当成误差，反向传递会神经网络。
其中，所有为 0 的 action 值是当时没有选择的 action，之前有选择的 action 才有不为0的值。而我们只反向传递之前选择的 action 的值。
def learn(self):
# 检查是否替换 target_net 参数
if self.learn_step_counter % self.replace_target_iter == 0:
self.sess.run(self.replace_target_op)
print('\ntarget_params_replaced\n')
# 从 memory 中随机抽取 batch_size 这么多记忆
if self.memory_counter > self.memory_size:
sample_index = np.random.choice(self.memory_size, size=self.batch_size)
else:
sample_index = np.random.choice(self.memory_counter, size=self.batch_size)
batch_memory = self.memory[sample_index, :]
# 获取 q_next (target_net 产生了 q) 和 q_eval(eval_net 产生的 q)
q_next, q_eval = self.sess.run(
[self.q_next, self.q_eval],
feed_dict={
self.s_: batch_memory[:, -self.n_features:],
self.s: batch_memory[:, :self.n_features]
})
# 重要步骤
q_target = q_eval.copy()
batch_index = np.arange(self.batch_size, dtype=np.int32)
eval_act_index = batch_memory[:, self.n_features].astype(int)
reward = batch_memory[:, self.n_features + 1]
q_target[batch_index, eval_act_index] = reward + self.gamma * np.max(q_next, axis=1)
# 训练 eval_net
_, self.cost = self.sess.run([self._train_op, self.loss],
feed_dict={self.s: batch_memory[:, :self.n_features],
self.q_target: q_target}
)
self.cost_his.append(self.cost) # 记录 cost 误差
# 逐渐增加 epsilon, 降低行为的随机性
self.epsilon = self.epsilon + self.epsilon_increment if self.epsilon < self.epsilon_max else self.epsilon_max
self.learn_step_counter += 1
7.误差曲线
def plot_cost(self):
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(np.arange(len(self.cost_his)), self.cost_his)
plt.ylabel('Cost')
plt.xlabel('training steps')
plt.show()