Q-learning算法是比较经典的强化学习入门算法,本文以FrozenLake-V0为例,介绍Q-learning的相关实现。
首先定义一个Agent类,sample函数就是使用epsilon-greedy的采样方法,predict则是根据当前的观察值来预测输出的动作,learn就是通过输入当前的观察值obs,当前的动作action,奖励reward以及下一个时刻的观察值next_obs来更新Q值表。
代码:
class QLearningAgent(object):
def __init__(self, obs_n, act_n, learning_rate=0.01, gamma=0.9, e_greed=0.1):
self.act_n = act_n # 动作维度,有几个动作可选
self.lr = learning_rate # 学习率
self.gamma = gamma # reward的衰减率
self.epsilon = e_greed # 按一定概率随机选动作
self.Q = np.zeros((obs_n, act_n))
# 根据输入观察值,采样输出的动作值,带探索
def sample(self, obs):
rd_p = np.random.uniform(0, 1)
if rd_p <= self.epsilon:
action = np.random.choice(self.act_n)
else:
action = self.predict(obs)
return action
# 根据输入观察值,预测输出的动作值
def predict(self, obs):
Q_max = np.max(self.Q[obs, :])
action_list = np.where(self.Q[obs, :] == Q_max)[0]
action = np.random.choice(action_list)
return action
# 学习方法,也就是更新Q-table的方法
def learn(self, obs, action, reward, next_obs, done):
""" off-policy
obs: 交互前的obs, s_t
action: 本次交互选择的action, a_t
reward: 本次动作获得的奖励r
next_obs: 本次交互后的obs, s_t+1
done: episode是否结束
"""
predict_Q = self.Q[obs, action]
if done:
target_Q = reward
else:
# target_Q = reward + self.gamma*np.max(self.Q[obs,:])
target_Q = reward + self.gamma * np.max(self.Q[next_obs, :])
# 迭代更新Q表
self.Q[obs, action] += self.lr * (target_Q - predict_Q)
# 保存Q表格数据到文件
def save(self):
npy_file = './q_table.npy'
np.save(npy_file, self.Q)
print(npy_file + ' saved.')
# 从文件中读取数据到Q表格中
def restore(self, npy_file='./q_table.npy'):
self.Q = np.load(npy_file)
print(npy_file + ' loaded.')
然后定义训练和测试的方法,env是训练的环境, 此处使用的gym的环境。
def run_episode(env, agent, render=False):
total_steps = 0 # 记录每个episode走了多少step
total_reward = 0
obs = env.reset() # 重置环境, 重新开一局(即开始新的一个episode)
while True:
action = agent.sample(obs) # 根据算法选择一个动作
next_obs, reward, done, _ = env.step(action) # 与环境进行一个交互
# 训练 Q-learning算法
agent.learn(obs, action, reward, next_obs, done)
obs = next_obs # 存储上一个观察值
total_reward += reward
total_steps += 1 # 计算step数
if render:
env.render() #渲染新的一帧图形
if done:
break
return total_reward, total_steps
def test_episode(env, agent):
total_reward = 0
obs = env.reset()
while True:
action = agent.predict(obs) # greedy
next_obs, reward, done, _ = env.step(action)
total_reward += reward
obs = next_obs
time.sleep(0.5)
env.render()
if done:
break
return total_reward
最后将定义的agent放到环境中进行训练和测试
# 使用gym创建迷宫环境,设置is_slippery为False降低环境难度
env = gym.make("FrozenLake-v0", is_slippery=False) # 0 left, 1 down, 2 right, 3 up
# 创建一个agent实例,输入超参数
agent = QLearningAgent(
obs_n=env.observation_space.n,
act_n=env.action_space.n,
learning_rate=0.1,
gamma=0.9,
e_greed=0.3)
# 训练500个episode,打印每个episode的分数
for episode in range(500):
ep_reward, ep_steps = run_episode(env, agent, False)
print('Episode %s: steps = %s , reward = %.1f' % (episode, ep_steps, ep_reward))
# 全部训练结束,查看算法效果
test_reward = test_episode(env, agent)
print('test reward = %.1f' % (test_reward))
使用gym的FrozenLake-V0环境进行训练,如下图所示,F为frozen lake,H为hole,S为起点,G为终点,掉到hole里就游戏结束,可以有上每一步可以有上下左右四个方向的走法,只有走到终点G才能得1分。
经过500次episode训练,可以找到一条比较好的路径:
本文的学习资料出自 <百度强化学习7日打卡营-世界冠军带你从零实践>课程。