莫烦python简历_强化学习传说：第一章 模仿学习

Hello，大家好，这里是糖葫芦喵喵~！

经过了几个月的奋斗，大家是不是对炼丹已经有所体会了呢？从今天起我们要进入机器学习的一个非常引人注目的领域——强化学习(reinforcement learning)啦！强化学习部分理论较强，不是很好理解。但是不要怕，相信只要读懂了代码就能够理解了！那么，从这里开始为大家带来伯克利深度强化学习CS294 Fall 2017以及斯坦福强化学习CS234 2017的Assginment解析，还请大家多多指教~！

那么，继续我们的炼丹旅程吧~！

Part 0 CS294与CS234 Assignment简介与环境准备

1. CS294

在Fall 2017的课程组织上有了非常重大的改进！(以前喵喵是不会直接推荐这门课程的，现在强烈推荐！)

CS294 Fall 2017 基本可以分为DRL介绍+模仿学习、model free、model based、Exploration+迁移+多任务+Meta-learning等四大部分。课程需要有一点强化学习和机器学习基础，建议先看完

CS294一共有四个很有趣的assignment，分别是：模仿学习(行为克隆和DAgger)、策略梯度(AC算法)、DQN和基于模型的Model Predictive Control(MPC)。assignment代码量不大，但是很具有探索性，能够在帮助你理解相关算法的同时让你对强化学习环境

2. CS234

CS234: Reinforcement Learning，是斯坦福大学的强化学习课程，该课程从强化学习介绍与基础知识(MDP、MC、TD)开始，主要讲解了model free、Exploration和策略梯度。前半部分和

CS234有三个assignment，分别是：R-max。其中assignment 1恰好是CS294 assignment所没有体现的部分，可以作为补充。assignment 2 的DQN框架写的很漂亮(虽然一部分是借鉴CS294的2333)，值得详细阅读！

3. 环境准备

建议使用ubuntu，windows[all]模式未安装成功(简易模式无法进行atari实验)。

首先安装以下包：

apt-get install -y python-numpy python-dev cmake zlib1g-dev libjpeg-dev xvfb libav-tools xorg-dev python-opengl libboost-all-dev libsdl2-dev swig

然后安装Gym：

pip install gym[all]

Joint dynamics with Contact)是一个模拟机器人，生物力学，图形和动画等领域的物理引擎。建议使用linux，CS294要求安装版本为mjpro131 linux。

MuJoCo需要注册才能免费使用30天，请尽量保证在30天内完成作业。注册后通过邮箱接收到mjkey.txt，将这个文件放在mjpro131同级目录下即可。具体位置可参考示例：

/home/username/.mujoco/mjpro131

/home/username/.mujoco/mjkey.txt

其中username是你的用户名(用过linux应该都能明白吧)，.mujoco可以手动建立一个。mjpro131是你下载并解压的MuJoCo文件夹，mjkey.txt是注册接收的key。、

至此，复杂的环境配置完毕，可以尝试运行一些demo看看有没有问题。

4. 文章组织与学习资料

喵喵这里为了便于理解，打乱了两门课程的作业顺序，分别按照模仿学习(CS294 assignment 1)、值迭代和策略迭代(CS234 assignment 1 部分)、DQN(CS294 assignment 3 \ CS234 assignment 2)、策略梯度(CS294 assignment 2)和基于模型的强化学习(CS294 assignment 4和CS234 assignment 1 部分)的顺序进行讲解。

推荐学习资料：

喵喵的代码实现：Observerspy/CS294​github.comObserverspy/CS234​github.com

强化学习原理与技术详解：强化学习知识大讲堂

CS234 2017 课件：某云链接：1dFPlzvr 密码：rsai

开篇讲了这么多，现在让我们愉悦地开始第一个作业模仿学习(CS294 assignment 1)吧！

Part 1 Behavioral Cloning

Behavioral Cloning，行为克隆，其实本质上就是一个标准的监督学习过程，如下图所示：

显然我们是要学习一个输入是观测o，输出是动作a的策略网络。所谓策略就是在给定当前(观测)状态下你所做出的动作选择。于是，明确了我们的数据(观测o，动作a)，整个监督学习任务就很清晰了。

我们的实验一共有6个任务：

Hopper，Ant，HalfCheetah，Humanoid，Reacher，Walker2d。

如果你环境配置好了运行demo.bash就能看到6个任务的效果了：单足跳的UMA，四条腿的蚂蚁，两条腿的豹子， 跌跌撞撞的人，够小球的机械臂，两条腿的神奇生物。

先不吐槽这些神奇生物，我们先来运行专家策略run_expert.py生成训练数据，对6个任务分别生成20个rollouts的数据用于训练(每个rollouts默认走1000步，当然有的任务不到1000步就结束了，具体任务具体分析即可)。所以我们拥有20000个训练数据啦！

专家策略的return均值和标准差如下：

Hopper-v1(input_dim: 11, output_dim: 3)

mean return 3776.51785877 std of return 3.45247967435

Ant-v1 (input_dim: 111, output_dim: 8)

mean return 4832.13478595 std of return 86.6941336401

HalfCheetah-v1 (input_dim: 17, output_dim: 6)

mean return 4132.24798316 std of return 74.760867223

Humanoid-v1 (input_dim: 376, output_dim: 17)

mean return 10401.7386441 std of return 40.9353971034 need more iter

Reacher-v1 (input_dim: 11, output_dim: 2, max_step = 50)

mean return -4.16785312879 std of return 1.74762339869

Walker2d-v1 (input_dim: 17, output_dim: 6)

mean return 5515.55381623 std of return 37.8541602931

然后就是模型，这里喵喵随便弄了一个三层的网络，结构如下：

with tf.name_scope('layer1'):

hidden1 = tf.contrib.layers.fully_connected(self.input_placeholder,

num_outputs=128, activation_fn=tf.nn.relu)

with tf.name_scope('layer2'):

hidden2 = tf.contrib.layers.fully_connected(hidden1,

num_outputs=256, activation_fn=tf.nn.relu)

with tf.name_scope('layer3'):

hidden3 = tf.contrib.layers.fully_connected(hidden2,

num_outputs=64, activation_fn=tf.nn.relu)

with tf.name_scope('output'):

pred = tf.contrib.layers.fully_connected(hidden3,

num_outputs=Config.n_classes, activation_fn=None)

参数设置：

epoch=20，itera(迭代次数，为了和DAgger对比)=20，batch_size = 256，lr = 0.0005

每一次itera后我们都以学习到的策略运行20个rollouts，并记录returns的均值AverageReturn和标准差StdReturn。

(题外话：其实CS294整个作业下来有两个工具类特别好用，就是logz.py和plot.py，记录画图一气呵成，已经成为喵喵的常备工具了233

画图如下：(其中hopper-big是将网络第二层节点数提高到512个)

毕竟其实只训练了itera * epoch = 400(epoch)，所以效果也就这样了(为了和DAgger对比)。对比专家策略，也就Ant和HalfCheetah任务勉强接近，其他任务基本上可以说差得很远了，当总epoch更大时Ant和HalfCheetah任务效果更好一些。当然，在我们提高网络节点数量，增强模型表达能力的时候，我们还是可以看到有一个明显的提升的(Hopper)。

Part 2 DAgger

看来上述简单的方法不太行，问题出在哪里呢？

我们的训练数据分布记为

，我们通过模型学习到的策略记为

。当我们执行我们学习到的策略得到的实际数据分布应为

，这个分布通常与

不一致，除非实际数据分布和训练数据分布完美的一致。因此，我们的Behavioral Cloning在某些任务下很快就偏移了：

那么为了解决这个问题，一个很简单的想法就是让

能去贴近

。那么，我们每次在执行完策略

后对获得的观测

重新人为给出标记

不就行了？这样我们把新获得的数据加入到原来的data中重新训练，不断地让

去贴近

。这就是我们的DAgger算法思想：

很简单，只是比Behavioral Cloning多了两步：

1. 从已抽取的data中训练策略网络

2. 运行学习策略

后获得的

3. 对获得的

执行专家策略得到其label：

；

4. 将获得的(

,

) 加入data重新训练策略。

核心部分实现：

for _ in range(10):

_, o = run_env(env, nn, session) #执行学习到的策略，获得新的观测o

observations.extend(o)

action = policy_fn(o) #对新观测的o执行专家策略,获得a作为label

actions.extend(action)

参数设置：

网络结构同上，epoch=20，itera=20，batch_size = 256，lr = 0.0005

初始依然是20 rollouts数据，每个itera加入10 rollouts的新数据。

对比结果如下(DA for DAgger, BC for Behavioral Cloning)：

可以看到DAgger基本上在同样的参数下都能接近专家策略的return了。

关于更多DAgger算法的问题，请详细的学习CS294第二节。

好了，这就是我们本次对模仿学习的讲解，我们正式踏入了强化学习的门框233。强化学习里非常重要的算法我们后续也都会接触到，不要着急哦。

では、おやすみ～！

下期预告：CS234 Assignment1 值迭代和策略迭代作业详解