Python-DQN代码阅读-填充回放记忆（replay memory）

1.代码

def populate_replay_mem(sess, env, state_processor, replay_memory_init_size, policy, epsilon_start, epsilon_end, epsilon_decay_steps, VALID_ACTIONS, Transition):
    """
    填充回放记忆（replay memory）的函数

    参数：
        sess: TensorFlow 会话对象
        env: 环境对象
        state_processor: 状态处理器对象
        replay_memory_init_size: 回放记忆的初始大小
        policy: 策略函数，用于生成动作概率分布
        epsilon_start: 初始 epsilon 值
        epsilon_end: 最终 epsilon 值
        epsilon_decay_steps: epsilon 衰减的步数
        VALID_ACTIONS: 有效的动作列表
        Transition: 用于构建回放记忆的过渡对象类

    返回：
        replay_memory: 填充完毕的回放记忆列表
    """
    state = env.reset()  # 初始化环境状态
    state = state_processor.process(sess, state)  # 处理状态

    delta_epsilon = (epsilon_start - epsilon_end) / float(epsilon_decay_steps)  # 计算 epsilon 的衰减步长

    replay_memory = []  # 初始化回放记忆列表

    for i in range(replay_memory_init_size):
        epsilon = max(epsilon_start - float(i) * delta_epsilon, epsilon_end)  # 根据当前步数计算当前的 epsilon 值

        action_probs = policy(sess, state, epsilon)  # 生成动作概率分布
        action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=action_probs)  # 根据动作概率分布选择动作

        env.render()  # 渲染环境

        next_state, reward, done, _ = env.step(VALID_ACTIONS[action])  # 执行选中的动作并观察下一个状态、奖励和终止状态

        next_state = state_processor.process(sess, next_state)  # 处理下一个状态
        next_state = np.append(state[:, :, 1:], np.expand_dims(next_state, 2), axis=2)  # 将下一个状态添加到当前状态中

        replay_memory.append(Transition(state, action, reward, next_state, done))  # 构建过渡对象并添加到回放记忆中

        if done:
            state = env.reset()  # 如果当前状态为终止状态，则重新初始化环境状态
            state = state_processor.process(sess, state)  # 处理状态
            state = np.stack([state] * 4, axis=2)  # 将状态复制四份并形成新的状态
        else:
            state = next_state  # 否则，更新当前状态为下一个状态

    return replay_memory  # 返回填充完毕的回放记忆列表

2.代码阅读

这段代码是用于填充回放记忆（replay memory）的函数，其中包含了以下步骤：

1. 初始化环境状态：通过调用 env.reset() 方法来获取环境的初始状态，并通过 state_processor.process() 方法对状态进行处理。
2. 初始化 epsilon：根据当前步数 i，使用线性插值的方式计算当前的 epsilon 值，以便在探索和利用之间进行平衡。
3. 根据当前状态和 epsilon 值生成动作概率分布：通过调用输入的策略函数 policy，传入当前的会话对象 sess、当前状态 state 和 epsilon 值，获取动作概率分布 action_probs。
4. 根据动作概率分布选择动作：通过 np.random.choice() 方法从动作概率分布中选择一个动作，并记录选中的动作 action。
5. 执行选中的动作并观察下一个状态、奖励和终止状态：通过调用env.step() 方法执行选中的动作，并获取下一个状态 next_state、奖励 reward、终止状态 done。
6. 对下一个状态进行处理并添加到回放记忆中：通过调用 state_processor.process() 方法对下一个状态进行处理，将其添加到当前状态中并形成新的状态 next_state，然后将当前状态、动作、奖励、下一个状态和终止状态构成一个 Transition 对象，并添加到回放记忆 replay_memory 中。
7. 更新当前状态：如果当前状态为终止状态，则通过调用 env.reset() 方法重新初始化环境状态；否则，将下一个状态赋值给当前状态 state。
8. 返回填充完毕的回放记忆：当回放记忆的大小达到预定的初始大小 replay_memory_init_size 时，函数将返回填充完毕的回放记忆 replay_memory。

2.1 epsilon = max(epsilon_start - float(i) * delta_epsilon, epsilon_end)

epsilon = max(epsilon_start - float(i) * delta_epsilon, epsilon_end)

这行代码是用来计算当前步数下的 epsilon 值的。

epsilon 在强化学习中通常用于探索与利用之间的权衡，控制智能体在选择动作时的随机性程度。

具体解释如下：

• epsilon_start：初始 epsilon 值，表示智能体在开始时对探索的偏好程度。
• epsilon_end：最终 epsilon 值，表示智能体在训练过程中对探索的偏好程度。
• delta_epsilon：epsilon 衰减步长，表示每一步 epsilon 需要减少的大小。
• i：当前步数，表示当前训练的轮数。
• float(i) * delta_epsilon：根据当前步数计算的 epsilon 的衰减值。
• max(epsilon_start - float(i) * delta_epsilon, epsilon_end)：取 epsilon_start 和 epsilon_end 中较大的值，确保 epsilon 的值不会小于 epsilon_end。随着训练步数的增加，epsilon 会逐渐减小，探索的随机性会逐渐降低。

这段代码的作用是根据训练步数 i 和设定的初始、最终 epsilon 值以及 epsilon 衰减步长，计算当前步数下的 epsilon 值，用于控制智能体在训练过程中的探索策略。随着训练的进行，epsilon 的值会逐渐减小，从而让智能体更加倾向于选择利用已有的经验来进行决策，而不是完全随机选择动作。

2.2 action_probs = policy(sess, state, epsilon)

action_probs = policy(sess, state, epsilon)

这行代码调用了 policy 函数，用于根据当前状态 state 和当前的 epsilon 值 epsilon 来计算动作的概率分布 action_probs。

具体解释如下：

• policy 函数是一个策略函数，接受当前状态 state 和当前的 epsilon 值 epsilon 作为输入，输出一个动作概率分布。
• epsilon 值用于控制智能体在选择动作时的随机性程度，较大的 epsilon 值会导致较高的探索概率，而较小的 epsilon 值会导致较高的利用概率。
• action_probs 是一个一维数组，表示每个可能动作的概率。数组的长度应与可选动作的数量相同。
• action_probs 中的每个元素表示对应动作的选择概率，这些概率的和应为1。

这段代码的作用是根据当前状态 state 和当前的 epsilon 值，通过调用 policy 函数来计算动作的概率分布，从而用于后续的动作选择。具体的策略函数实现会根据具体的强化学习算法而定，例如 ε-greedy 策略、Softmax 策略等。

2.3 action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=action_probs)

action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=action_probs)

这行代码使用 np.random.choice 函数根据动作概率分布 action_probs 来随机选择一个动作，并将选中的动作赋值给 action。

具体解释如下：

• np.random.choice 函数用于从给定的一维数组中进行随机采样，并返回一个随机选中的元素。
• np.arange(len(action_probs)) 生成了一个从 0 到 len(action_probs)-1 的整数数组，用于作为随机采样的候选动作。
• p=action_probs 参数指定了每个候选动作的选择概率，即动作概率分布。
• action 是从候选动作中随机选中的动作，作为智能体当前时刻的动作选择。

这段代码的作用是根据动作概率分布 action_probs 来随机选择一个动作，并将选中的动作赋值给 action 变量，作为智能体在当前时刻的动作选择。选中的动作会用于后续的环境交互和经验存储。

2.4 env.render()

env.render()

这行代码调用了 env.render() 函数，用于在环境中渲染当前状态，以便可视化显示。

具体解释如下：

• env.render() 是一个用于在环境中渲染当前状态的方法，它可以将环境状态以图像或其他形式展示出来，便于观察智能体在环境中的行为。
• 渲染函数通常在调试、测试或演示时使用，可以帮助开发者和用户更直观地了解智能体的行为和环境的状态。
• 注意，在实际训练过程中，由于渲染操作可能会消耗较多的计算资源，通常会在训练时禁用渲染以提高训练效率，仅在需要可视化时才会启用渲染。

2.5 next_state, reward, done, _ = env.step(VALID_ACTIONS[action])

next_state, reward, done, _ = env.step(VALID_ACTIONS[action])

这行代码调用了 env.step() 函数，用于执行智能体选择的动作并更新环境状态。

具体解释如下：

• env.step(action) 是一个用于执行智能体选择的动作并更新环境状态的方法，它接受智能体选择的动作作为输入，并返回下一步的状态、奖励、是否完成、以及其他相关信息。
• VALID_ACTIONS[action] 是从动作概率中选择的动作索引，它通过 np.random.choice() 函数生成。
• next_state 是执行动作后的下一步状态，表示智能体在环境中执行了选择的动作后得到的新状态。
• reward 是执行动作后获得的奖励，表示智能体在执行动作后根据环境的反馈获得的奖励值。
• done 是一个布尔值，表示智能体是否在当前步骤完成了任务或者达到了终止条件。
• _ 是一个占位符，通常用于存储其他不需要使用的信息，例如调试信息等。在这里，它表示返回的其他相关信息，但在后续的代码中并没有被使用。

VALID_ACTIONS[action] 是从预定义的动作空间 VALID_ACTIONS 中根据随机选择的动作索引 action 取得对应的具体动作。

具体解释如下：

• VALID_ACTIONS 是一个包含所有可用动作的列表或数组。每个动作在这个列表中都有一个对应的索引。
• action 是一个整数，表示在动作空间中随机选择的动作的索引。
• VALID_ACTIONS[action] 通过索引 action 取得在 VALID_ACTIONS 列表中对应的具体动作，用于传递给环境的 step() 函数执行。

2.6 next_state = state_processor.process(sess, next_state)

next_state = state_processor.process(sess, next_state)

这行代码调用了 state_processor.process() 方法，用于处理环境返回的下一步状态。

具体解释如下：

• state_processor 是一个用于处理状态的对象，可能包含了对状态进行预处理或者特征提取的逻辑。
• sess 是 TensorFlow 会话，用于执行 TensorFlow 计算图中的操作。
• next_state 是从环境中获得的下一步状态，通过 env.step() 函数返回。
• state_processor.process(sess, next_state) 是对下一步状态进行处理的方法，它接受 TensorFlow 会话和下一步状态作为输入，并返回处理后的状态。
• 处理后的状态会被赋值给 next_state 变量，供后续使用。

2.7 next_state = np.append(state[:, :, 1:], np.expand_dims(next_state, 2), axis=2)

next_state = np.append(state[:, :, 1:], np.expand_dims(next_state, 2), axis=2)

这行代码通过 np.append() 函数将下一步状态 next_state 和当前状态 state 中的最近的 3 个状态（即 state[:,:,1:]）在第三维度（axis=2）上进行拼接。

具体解释如下：

• state 是当前状态，是一个形状为 (height, width, num_frames) 的三维数组，其中 height 和 width 是状态图像的高度和宽度，num_frames 是保存的连续帧数。
• next_state 是下一步状态，与 state 的形状相同。
• state[:,:,1:] 表示将 state 中的第一个维度和第二个维度保持不变，从第三个维度开始（即 state[:,:,1:]），取所有的值，这样就得到了 state 中的最近的 3 个状态，即除去最旧的状态。
• np.expand_dims(next_state, 2) 表示将 next_state 在第三维度上扩展一个维度，从形状为 (height, width) 变为 (height, width, 1)，这样就能与 state[:,:,1:] 在第三个维度上保持一致。
• np.append(state[:,:,1:], np.expand_dims(next_state, 2), axis=2) 将 state[:,:,1:] 和 np.expand_dims(next_state, 2) 在第三维度上进行拼接，得到形状为 (height, width, num_frames) 的新状态 next_state。
• 最后，将拼接后的新状态赋值给 next_state 变量，供后续使用。

2.8 replay_memory.append(Transition(state, action, reward, next_state, done))

replay_memory.append(Transition(state, action, reward, next_state, done))

这行代码将当前状态 state、执行的动作 action、获得的奖励 reward、下一步状态 next_state、以及是否终止 done 作为一个 Transition 对象添加到回放记忆 replay_memory 列表中。

具体解释如下：

• Transition 是一个自定义的类或命名元组，用于存储状态转移的信息。它可以包含当前状态、动作、奖励、下一步状态以及终止状态等信息。
• Transition() 是一个用于创建经验回放缓冲区中的经验转换对象的构造函数。它通常在强化    学习中用于保存在环境中执行的经验。
• Transition(state, action, reward, next_state, done) 创建一个 Transition 对象，使用当前状态 state、执行的动作 action、获得的奖励 reward、下一步状态 next_state，以及是否终止 done 作为参数进行初始化。
• replay_memory.append(Transition(state, action, reward, next_state, done)) 将初始化后的 Transition 对象添加到回放记忆 replay_memory 列表中，用于后续的经验回放训练过程。