RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)

本专栏按照 https://lilianweng.github.io/lil-log/2018/04/08/policy-gradient-algorithms.html 顺序进行总结 。


文章目录

  • 原理解析
    • 理论部分推导
      • 1. PG算法回顾
      • 2. PG方法的小tip
      • 3. PPO算法原理简介
      • 4. 特殊说明
  • 算法实现
    • 总体流程
    • 代码实现


近端策略优化算法
P P O \color{red}PPO PPO :[ paper | code ]


原理解析

PPO在原目标函数的基础上添加了KL divergence 部分,用来表示两个分布之前的差别,差别越大则该值越大。那么施加在目标函数上的惩罚也就越大,因此要尽量使得两个分布之间的差距小,才能保证较大的目标函数。

TRPO 与 PPO 之间的差别在于它使用了 KL divergence(KL散度) 作为约束,即没有放到式子里,而是当做了一个额外的约束式子,这就使得TRPO的计算非常困难,因此较少使用。

理论部分推导

1. PG算法回顾

Actor对于一个特定的任务,都有自己的一个策略 π π π,策略 π π π 通常用一个神经网络表示,其参数为 θ θ θ 。从一个特定的状态state出发,一直到任务的结束,被称为一个完整的eposide,在每一步,我们都能获得一个奖励 r r r,一个完整的任务所获得的最终奖励被称为 R R R。这样,一个有 T T T 个时刻的eposide,Actor 不断与环境交互,形成如下的序列 τ τ τ
RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第1张图片
这样一个序列 τ τ τ 是不确定的,因为Actor在不同state下所采取的action可能是不同的,一个序列 τ τ τ 发生的概率为:

RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第2张图片
序列 τ τ τ 所获得的奖励为每个阶段所得到的奖励的和,称为 R ( τ ) R(τ) R(τ) 。因此,在Actor的策略为 π π π 的情况下,所能获得的期望奖励为:
在这里插入图片描述
而我们的期望是调整Actor的策略 π π π,使得期望奖励最大化,于是我们有了策略梯度的方法,既然我们的期望函数已经有了,我们只要使用梯度提升的方法更新我们的网络参数 θ θ θ(即更新策略 π π π)就好了,所以问题的重点变为了求参数的梯度。梯度的求解过程如下
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上面的过程中,我们首先利用 log 函数求导的特点进行转化,随后用 N N N 次采样的平均值来近似期望,最后,我们将 p θ p_θ pθ 展开,将与 θ θ θ 无关的项去掉,即得到了最终的结果。

所以,一个PG方法的完整过程如下:

RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第4张图片
我们首先采集数据,然后基于前面得到的梯度提升的式子更新参数,随后再根据更新后的策略再采集数据,再更新参数,如此循环进行。注意到图中的大红字only used once,因为在更新参数后,我们的策略已经变了,而先前的数据是基于更新参数前的策略得到的。

2. PG方法的小tip

增加一个基线

通过上面的介绍你可能发现了,PG方法在更新策略时,基本思想就是增加reward大的动作出现的概率,减小reward小的策略出现的概率。假设现在有一种情况,我们的reward在无论何时都是正的,对于没有采样到的动作,它的reward是0。因此,如果一个比较好的动作没有被采样到,而采样到的不好的动作得到了一个比较小的正reward,那么没有被采样到的好动作的出现概率会越来越小,这显然是不合适的,因此我们需要增加一个奖励的基线,让reward有正有负。
一般增加的基线是所获得奖励的平均值

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变为reward-to-go

往往一个动作的reward跟之前的reward没有什么关系。所以这里,将这个序列的reward变为 这个动作及其之后的reward的加和:
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增加折扣因子

这个很容易理解,就像买股票一样,未来的1块钱的价值要小于当前1块钱的价值,因此未来的1块钱变成现在的价值,需要进行一定的折扣
RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第7张图片

使用优势函数

我们之前介绍的PG方法,对于同一个eposide中的所有数据,使用的奖励都是一样的,其实我们可以将其变为与 s t s_t st a t a_t at 相关的。这里我们使用的是优势函数,即 Q π ( s t , a t ) − V π ( s t ) Q_π(s_t,a_t) - V_π(s_t) Qπ(st,at)Vπ(st) 。其中 Q π ( s t , a t ) Q_π(s_t,a_t) Qπ(st,at) 可以使用从当前状态开始到eposide结束的奖励折现和得到, V π ( s t ) V_π(s_t) Vπ(st) 可以通过一个critic来计算得到。
RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第8张图片

3. PPO算法原理简介

接着上面的讲,PG方法一个很大的缺点就是参数更新慢,因为我们每更新一次参数都需要进行重新的采样,这其实是中on-policy的策略,即我们想要训练的agent和与环境进行交互的agent是同一个agent;与之对应的就是off-policy的策略,即想要训练的agent和与环境进行交互的agent不是同一个agent,简单来说,就是拿别人的经验来训练自己。

那么为了提升我们的训练速度,让采样到的数据可以重复使用,我们可以将on-policy的方式转换为off-policy的方式。即我们的训练数据通过另一个Actor(对应的网络参数为 θ ′ θ' θ 得到。这要怎么做呢?通过下面的思路:

  • 重要性采样技术将其改为off-policy,重要性采样(IS)的介绍如下

E x ∼ p ( x ) [ f ( x ) ] = ∫ p ( x ) f ( x ) d x = ∫ p ( x ) q ( x ) q ( x ) f ( x ) d x = E x ∼ q ( x ) [ f ( x ) p ( x ) q ( x ) ] ; 红色部分是重要性权重 \begin{aligned} E_{x\sim p(x)}[f(x)]&=\int p(x)f(x)dx\\ &=\int \frac{p(x)}{q(x)}q(x)f(x)dx\\ &=E_{x\sim q(x)}[f(x)\textcolor{red}{\frac{p(x)}{q(x)}}]& \scriptstyle{\text{; 红色部分是重要性权重}}\\ \end{aligned} Exp(x)[f(x)]=p(x)f(x)dx=q(x)p(x)q(x)f(x)dx=Exq(x)[f(x)q(x)p(x)]红色部分是重要性权重

通过重要性采样这种方式,我们的 p ( x ) p(x) p(x) q ( x ) q(x) q(x) 的分布不能差别太大,否则需要进行非常多次的采样,才能得到近似的结果;下面通过一个例子进行说明。

RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第9张图片

  • 如上图所示,很显然,在 x x x 服从 p ( x ) p(x) p(x) 分布时,由图可见,在左半部分 x < 0 x<0 x<0 的时候概率较大,此时 f ( x ) f(x) f(x) 的期望为负;
  • 那么此时我们从 q ( x ) q(x) q(x) 中来采样少数的 x x x,那么我们采样到的 x x x 很有可能都分布在右半部分,此时 f ( x ) f(x) f(x) 大于0,我们很容易得到 f ( x ) f(x) f(x) 的期望为正的结论,这就会出现问题,因此需要进行大量的采样。

所以修正后的off-policy style的PG算法的目标函数变为
∇ R ‾ θ = E τ ∼ p θ ′ ( τ ) [ p θ ( τ ) p θ ′ ( τ ) R ( τ ) ∇ l o g p θ ( τ ) ] \nabla \overline R_{\theta} = E_{\tau\sim p_{\theta^{'}}(\tau)}[\frac{p_\theta(\tau)}{p_{\theta^{'}}(\tau)}R(\tau)\nabla log p_\theta(\tau)] Rθ=Eτpθ(τ)[pθ(τ)pθ(τ)R(τ)logpθ(τ)]

根据上个小节所述的tips,引入baselines方法【减小方差】,同时引入折扣因子(reward-to-go考虑长期收益影响),引入对当前action相对平均值有多好的评价函数,即优势函数 A π ( s t , a t ) A^\pi(s_t,a_t) Aπ(st,at)

推导可以得到新的目标函数如下:
RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第10张图片
上式中 最后一项因为我们假设两个分布不能差太远,所以认为他们是相等的,为了求解方便,我们直接划掉。此时似然函数变为:
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由梯度变为似然函数,使用的是下面式子 ∇ f ( x ) = f ( x ) ∇ l o g f ( x ) \nabla f(x) = f(x) \nabla log f(x) f(x)=f(x)logf(x),大家可以自己手动算一下。

我们前面介绍了,我们希望 θ θ θ θ ′ θ' θ 不能差太远,这并不是说参数的值不能差太多,而是说,输入同样的state,网络得到的动作的概率分布不能差太远得到动作的概率分布的相似程度,我们可以用KL散度来计算,将其加入PPO模型的似然函数中,变为:

RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第12张图片
在实际中,我们会动态改变对 θ θ θ θ ′ θ' θ 分布差异的惩罚,如果KL散度值太大,我们增加这一部分惩罚,如果小到一定值,我们就减小这一部分的惩罚,基于此,我们得到了PPO算法的过程:
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PPO算法还有另一种实现方式,不将KL散度直接放入似然函数中,而是进行一定程度的裁剪

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上图中,绿色的线代表min中的第一项,即不做任何处理,蓝色的线为第二项,如果两个分布差距太大,则进行一定程度的裁剪。最后对这两项再取min,防止了 θ θ θ 更新太快。

总结一下:
PPO算法加入对off-policy策略引入中的 θ ′ \theta^{'} θ的约束,设定新的目标函数
C l i p p e d   V e r s i o n J ( θ ) = E t ^ [ min ⁡ ( r t ( θ ) A t π , c l i p ( r t ( θ , 1 − ϵ , 1 + ϵ ) ) A t π ) ] K L   P e n a l t y   V e r s i o n J ( θ ) = E t ^ [ r t ( θ ) A t π − β K L [ π θ ′ , π θ ] ] Clipped~Version\quad J(\theta) = \hat{E_t}[\min(r_t(\theta)A^\pi_t, clip(r_t(\theta, 1-\epsilon,1+\epsilon))A^\pi_t)]\\ KL~Penalty~Version\quad J(\theta) = \hat{E_t}[r_t(\theta)A^\pi_t-\beta\mathcal{KL}[\pi_{\theta^{'}},\pi_{\theta}]] Clipped VersionJ(θ)=Et^[min(rt(θ)Atπ,clip(rt(θ,1ϵ,1+ϵ))Atπ)]KL Penalty VersionJ(θ)=Et^[rt(θ)AtπβKL[πθ,πθ]]
where r t ( θ ) = π θ π θ ′ r_t(\theta)=\frac{\pi_{\theta}}{\pi_{\theta^{'}}} rt(θ)=πθπθ,两种方法的目的都是约束两次更新的网络参数分布距离较近,避免不稳定现象

通过以上介绍可以得到PPO算法的基本流程伪代码如下:

    for iteration=1,2,... do
    	for actor=1,2,...N do
    		Run policy \theta_{old} in env for T timesteps
    		Compute advantage estimates A
    	end for
    	Optimize L for params of actors and critic with batched data
    	\theta_{old} <-- \theta
    end for

4. 特殊说明

几点需要特别说明的

  • off-policy体现在只需要用上一次的actor中policy的old参数生成多个trajectory求得loss,再用梯度反向传播方法对新的参数进行更新一次,而不是需要每次都要重新生成数据
  • 两个分布相除是在对数域上相减得到
  • 算法中提到的 θ ′ \theta^{'} θ θ \theta θ是两次循环更新的值,由于重要性采样得到的公式可以看到期望值是在 θ ′ \theta^{'} θ上计算的,所以是先用未更新的网络生成trajectory计算loss,经过循环累加用来更新新的 θ \theta θ

算法实现

总体流程

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RL策略梯度方法之(十一):proximal policy optimization (PPO)_第16张图片

代码实现

创建环境

import gym
env = gym.make('Pendulum-v0').unwrapped

得到state、action、reward
这里我们首先得到state,action和即时奖励reward的序列,随后我们要计算折现的奖励和,get_v()是一个得到状态价值的函数。使用v(s) = r + gamma * v(s+1)不断进行循环。

for t in range(EP_LEN):    # in one episode
    env.render()
    a = ppo.choose_action(s) # 根据一个正态分布,选择一个action
    s_, r, done, _ = env.step(a)
    buffer_s.append(s)
    buffer_a.append(a)
    buffer_r.append((r+8)/8)    # normalize reward, find to be useful
    s = s_
    ep_r += r

    # update ppo
    if (t+1) % BATCH == 0 or t == EP_LEN-1:
        v_s_ = ppo.get_v(s_)
        discounted_r = []
        for r in buffer_r[::-1]:
            v_s_ = r + GAMMA * v_s_
            discounted_r.append(v_s_) # v(s) = r + gamma * v(s+1)
        discounted_r.reverse()

        bs, ba, br = np.vstack(buffer_s), np.vstack(buffer_a), np.array(discounted_r)[:, np.newaxis]
        buffer_s, buffer_a, buffer_r = [], [], []
        ppo.update(bs, ba, br)

定义critic计算优势函数
这里我们定义了一个critic来计算优势函数,状态价值定义了一个全联接神经网络来得到,而折扣奖励和我们之前已经计算过了:

#critic
with tf.variable_scope('critic'):
    l1 = tf.layers.dense(self.tfs,100,tf.nn.relu)
    self.v = tf.layers.dense(l1,1) # state-value
    self.tfdc_r = tf.placeholder(tf.float32,[None,1],'discounted_r')
    self.advantage = self.tfdc_r - self.v
    self.closs = tf.reduce_mean(tf.square(self.advantage))
    self.ctrain_op = tf.train.AdamOptimizer(C_LR).minimize(self.closs)

定义Actor
PPO里采用的是off-policy的策略,需要有一个单独的网络来收集数据,并用于策略的更新,同DQN的策略一样,我们定义了一个单独的网络,这个网络的参数是每隔一段时间由我们真正的Actor的参数复制过去的。

#actor
pi,pi_params = self._build_anet('pi',trainable=True)
oldpi,oldpi_params = self._build_anet('oldpi',trainable=False)
with tf.variable_scope('sample_action'):
    self.sample_op = tf.squeeze(pi.sample(1),axis=0)
with tf.variable_scope('update_oldpi'):
    self.update_oldpi_op = [oldp.assign(p) for p,oldp in zip(pi_params,oldpi_params)]

self.tfa = tf.placeholder(tf.float32,[None,A_DIM],'action')
self.tfadv = tf.placeholder(tf.float32,[None,1],'advantage')

而网络构建的代码如下,这里就比较神奇了,我们的Actor网络输出一个均值和方差,并返回一个由该均值和方差得到的正态分布,动作基于此正态分布进行采样:

def _build_anet(self,name,trainable):
    with tf.variable_scope(name):
        l1 = tf.layers.dense(self.tfs,100,tf.nn.relu,trainable=trainable)
        mu = 2 * tf.layers.dense(l1,A_DIM,tf.nn.tanh,trainable=trainable)
        sigma = tf.layers.dense(l1,A_DIM,tf.nn.softplus,trainable=trainable)
        norm_dist = tf.distributions.Normal(loc=mu,scale=sigma) # 一个正态分布
    params = tf.get_collection(tf.GraphKeys.GLOBAL_VARIABLES,scope=name)
    return norm_dist,params

损失计算

采用KL散度或者裁切的方式,损失计算方式不同:

with tf.variable_scope('loss'):
    with tf.variable_scope('surrogate'):
        ratio = pi.prob(self.tfa)/oldpi.prob(self.tfa)
        surr = ratio * self.tfadv

    if METHOD['name'] == 'kl_pen':
        self.tflam = tf.placeholder(tf.float32,None,'lambda')
        kl = tf.distributions.kl_divergence(oldpi,pi)
        self.kl_mean = tf.reduce_mean(kl)
        self.aloss = -tf.reduce_mean(surr-self.tflam * kl)

    else:
        self.aloss = -tf.reduce_mean(tf.minimum(surr,tf.clip_by_value(ratio,1.-METHOD['epsilon'],1.+METHOD['epsilon'])*self.tfadv))


本文的代码地址为:https://github.com/princewen/tensorflow_practice/tree/master/RL/Basic-PPO-Demo

参考的是莫烦老师的代码:https://github.com/MorvanZhou/Reinforcement-learning-with-tensorflow/blob/master/contents/12_Proximal_Policy_Optimization/simply_PPO.py

作者:文哥的学习日记
链接:https://www.jianshu.com/p/9f113adc0c50
来源:简书
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