dqn系列梳理_强化学习--从DQN到PPO， 流程详解

说在前面

本文只讲述强化学习常见算法的实现流程， 不涉及原理推倒， 原理上的东西， 推荐看李宏毅老师的强化学习课程。

本文包括:

Nature DQN, Double DQN, Prioritized Replay DQN, Dueling DQN, Policy Gradient, Actor-Critic, DDPG, PPO算法的流程。

本文流程是基于莫凡的RL代码进行梳理。

(建议同时打开两个页面，一边看流程图， 一边看流程说明)

Nature DQN

1、将环境信息s输入到eval网络， 输出为action的Q值，选择最大Q值对应的action， 或者随机生成一个action(所谓的探索)，将action输入环境， 得到奖励r和下一个环境信息s_， 存储当前环境s, 选择的action, 得到的奖励r这4个信息, 然后再将s_输入到eval网络， 循环步骤1， 直到存储了一定量的[(s, a, r, s_), …]， 注意这个过程中eval网络没有更新。

2、从存储的[(s, a, r, s_), …]中sample出一部分(s, a, r, s_) ，将sample出来的多个s做为batch输入到eval 网络， 得到batch的action的Q值q_eval， 然后根据sample出来的action选出其在q_eval中对应的Q值q_action_eval(对应gather过程)。

3、将sample出来的多个s_做为batch输入到target网络(eval与target有相同的网络结构)， 得到batch的action的Q值q_next, 取q_next中最大的Q值(dim=1)并乘以一个系数gamma， 然后再加上sample出来的奖励r， 得到q_target。

4、计算loss：loss 为第2步的结果q_action_eval与第3步的结果q_target的MSE， 然后根据loss反向传播更新eval网络。

5、循环1到4步骤， 每过一定的步数后，将eval网络的权重更新到target网络上。

Double DQN

Double DQN 大部分和Nature DQN是一样的， 只是在计算q_target的时候不一样：

Nature DQN计算q_target时， 直接将sample的s_输入到target网络， 得到动作的Q值， 选出最大Q值。

而Double DQN 计算q_target，是先将sample的s_输入到target网络， 得到动作的Q值q_next， 同时将sample的s_输入到eval网络，得到动作的Q值q_eval`， 选出其最大Q值对应的动作， 再通过这个动作找到对应q_next中的Q值(图中蓝色线表示的部分)也就是说用当前的Q网络来选择动作，用目标Q网络来计算目标Q值

Prioritized Replay DQN

Prioritized Replay DQN 与DQN不同的地方：

1、在于对记忆的选取是按照TD error相关的， TD error较大的记忆被选择的概率也会大一些，用sumtree这种二叉树比较容易实现这个功能。

2、loss由

改成

其中

是第j个样本的优先级权重。

下面介绍Sumtree是如何实现的：

Sumtree：设记忆量为capacity = 8， 也就是只能存储8条信息，sumtree实现上会使用2* capacity -1个节点去存储，其中最下面capacity个叶子节点存储capacity条记忆的优先级值，上面的每个节点值只是自己两个孩子节点值的和。

第一次batch sample并更新：假设batch为4， sample到7， 9， 11， 14节点(第一次因为优先级全是1， sample到的节点概率是一样的， 后面会讲解到如何进行sample)，并假设这个batch经过DQN出来的td_error算出优先级为

[0.23729765, 0.30110887, 0.3370803, 0.2293545]

简写为[0.23, 0.30, 0.33. 0.22]，则此时更新suntree树如下：

存储新的记忆：每learn一步后， 又会和环境互动一步，然后存储一步记忆， 记忆是在叶子节点循环存储的， 因首次存储时已经循环完一遍， 那么本次存储就循环到7号节点(7号节点为存储记忆的第一个节点， 0-6号只是算加和)， 存储新记忆时， 使用的优先值为所有记忆有限值的最大值， 这里为便是1了，图如下：

那么上面batch sample, updata, store新记忆这三个步骤循环， 就是Prioritized Replay DQN了。

如何batch sample呢？

假设batch=4, 当前的sumtree如下图：

先将总的优先级值5.85分为4份为：

(0, 1.4625), (1.4625, 2.925), (2.925, 4.3875), (4.3875, 5.85),

然后在每个区间随机选一个值， 假设选的分别是：1.01，1.98， 3.50， 5.11， 那么 1.01比左边3.30小， 则选3.30， 然后又比左边2小， 则选2，然后比左边1大，则选右边8号节点的1做为样本1。1.98同理选到8号节点为样本2。

来看看3.50：比3.30大， 选2.55， 但此时3.50要减去3.30剩0.20， 0.20再去和5号节点比，小于1.33，选1.33， 然后又小于0.33，最终则选择11号节点为样本3。同理可选到13号节点为样本4.

其实这种算法的直观解释是：叶子节点的值(优先级)表示的是区间长度(如上图最下面的两排区间表示)， 值越大区间长度就越长， 落在这个区间的概率就越大，1.01落在区间(1,2)，那么选的就是8号节点， 3.50落在区间 (3.3,3.63) ，所以选择的就是节点11。

Dueling DQN

Dueling DQN仅仅涉及神经网络的中间结构的改进， 这里就不讲解了。

Policy Gradient

Policy Gradient是一个回合完了才会learn， 也就是更新网络。

1、将环境信息s输入到NN网络， 经过softmax后输出为action的概率(经过softmax后概率之和为1)，选择概率比较大的对应的action， ，将action输入环境， 得到奖励r和下一个环境信息s_， 存储当前环境s, 选择的action, 得到的奖励r这4个信息, 然后再将s_输入到eval网络， 循环步骤1， 直到一个回合结束， 注意这个过程中NN网络没有更新。

2、回合结束后：

i. 将存储的所有s组合为一个batch输入到NN，经过softmax后输出为actions的概率actions_prob。

ii.将存储的所有action组合为actions， 然后将actions 转化为one hot形式actions_label(当前动作的位置为1(概率)， 其他位置为0， 也就相当于是label了)。

iii. 将存储的奖励r经过如下公式：

R[i] = r[i]+ σ*r[i+1]+ σ2 * r[i+2]+……+ σt-i * r[t]

得到R = [R[0], R[1],…,R[t],…,R[T]]

iv. 求loss, loss = mean(cross_entropy(actions_prob, actions_label) * R)

v. 更新NN网络。

3、循环1和2。

Actor-Critic

Actor用来选动作， critic用来评估选出来的动作作用在环境上后， 得到的状态是好是坏。

1、将环境信息s输入到actor网络NN1， 输出为action的概率action_prob，选择较大概率对应的action，将action输入环境， 得到奖励r和下一个环境信息s_。

2、将s和s_分别输入到critic网络NN2， 得到输出v和v_ (评估状态的好坏)。

3、计算td_error = r + gamma * v_ - v

4、计算actor的loss = mean(td_error * (log(第一步action对应的那个概率action_prob)))， 并反向传播更新actor网络NN1。

5、 计算critic的loss=square(td_error), 并反向传播更新critic网络NN2。

6、循环1-5。

DDPG

1、将环境信息s输入到actor eval网络， 输出为action， 将action输入环境， 得到奖励r和下一个环境信息s_， 存储当前环境s, 选择的action, 得到的奖励r这4个信息, 然后再将s_输入到actor eval网络， 循环步骤1， 直到存储了一定量的记忆[(s, a, r, s_), …]， 注意这个过程中actor eval网络没有更新。

2、从第一步中存储的记忆中sample出部分[(s, a, r, s_), …]

3、将sample出来的s输入到actor eval网络中得到action, 再将此action与s输入到critic eval网络中得到q值。

4、求a_loss = mean(q)， 反向传播更新actor eval网络(注：虽然a_loss是通过actor eval网络和critic eval网络最终求得， 但是此处只更新actor eval网络)。

5、重复步骤3， 得到更新actor eval网络后算出来的q值。

6、将sample出来的s_输入到actor target网络得到action_。

7、将sample出来的s_和第6步得到的action_一起输入critic target网络， 得到q_值。

8、计算q_target = sample出来的r + gamma * q_ 。

9、计算c_loss = MSE(第5步的结果q， q_target) 。

10、通过c_loss反向传播更新critic eval网络(注：虽然c_loss是通过actor eval、critic eval、actor target、critic target四个网络最终求得， 但是此处只更新critic eval网络)

11、循环1-10步骤， 在一定步骤后更新actor target、critic target网络，更新方式为：

W(actor target) = W(actor eval) * μ + W(actor target) * (1- μ)

W(critic target) = W(critic eval) * μ + W(critic target) * (1- μ)

也就是说actor target、critic target网络权重只是小步幅更新。

PPO

这里只介绍莫凡的简单实现， openai官网在实现上网络架构不太一样，比莫凡实现的要复杂一些，等熟读openai官网代码后再作专门解析。

1、将环境信息s输入到actor-new网络， 得到两个值， 一个是mu， 一个是sigma， 然后将这两个值分别当作正态分布的均值和方差构建正态分布(意义是表示action的分布)，然后通过这个正态分布sample出来一个action， 再输入到环境中得到奖励r和下一步的状态s_，然后存储[(s,a,r),…], 再将s_输入到actor-new网络，循环步骤1， 直到存储了一定量的[(s, a, r), …]， 注意这个过程中actor-new网络没有更新。

2、将1循环完最后一步得到的s_输入到critic-NN网络中， 得到状态的v_值， 然后计算折扣奖励：

R[t] = r[t] + γ*r[t+1] + γ2 * r[t+1] + … + γT-t+1 * r[T-1] + γT-t * v_， 得到R = [R[0], R[1],…,R[t],…,R[T]]，其中T为最后一个时间步。

3、将存储的所有s组合输入到critic-NN网络中， 得到所有状态的V_值， 计算At = R – V_ (论文公式10， openai官网代码则实现的是论文公式11和12)

4、求c_loss = mean(square(At )), 然后反向传播更新critic-NN网络。

5、将存储的所有s组合输入actor-old和actor-new网络(网络结构一样)， 分别得到正态分布Normal1和Normal2， 将存储的所有action组合为actions输入到正态分布Normal1和Normal2， 得到每个actions对应的prob1和prob2， 然后用prob2除以prob1得到important weight, 也就是ratio。

6、根据论文公式7计算a_loss = mean(min((ration* At, clip(ratio, 1-ξ, 1+ξ)* At))), 然后反向传播， 更新actor-new网络。

7、循环5-6步骤， 一定步后， 循环结束， 用actor-new网络权重来更新actor-old网络(莫凡代码是在循环开始前更新的， 效果是一样的)。

8、循环1-7步骤。

OVER...