Alphago Zero的原理及实现：Mastering the game of Go without human knowledge

近年来强化学习算法广泛应用于游戏对抗上，通用的强化学习模型一般包含了Actor模型和Critic模型，其中Actor模型根据状态生成下一步动作，而Critic模型估计状态的价值，这两个模型通过相互迭代训练（该过程称为Generalized Policy Iteration GPI过程），最终将收敛到某个近优的点。

但对于围棋游戏来说，早些年很多人作为通过计算机来战胜人类顶尖棋手是不可能的，因为围棋总共下法大概在范围，比可观测宇宙的原子数目都要大很多，如此巨大的状态空间和动作空间，通过传统的强化学习方法来进行探索几乎是不可能的。

早期Alphago所采用方法是先通过监督学习专家决策序列，然后再通过强化学习策略来优化。而Alphago Zero是Alphago的升级版，它完全依赖自我对弈的强化学习，无需人类专家的动作监督。

Alphago Zero通过采用MCTS策略，从大量的动作空间中搜索当前最优的动作序列，然后让模型根据这些最优动作序列进行训练，不需要先监督学习专家决策，就能通过自我学习达成最优的效果。

Alphago Zero的训练主要分为了self-play、训练网络和网络评估三个阶段：

1. self-play阶段

在self-play阶段，采用了一种高效样本探索策略MCTS（Monte Carlo Tree Search），其从庞大的动作空间中寻找出当前最优的动作序列，并将其作为后续强化模型训练的优质样本。通过这种方式，MCTS能够在大规模、复杂的环境中做出明智且有效的决策，并帮忙逐步优化强化模型的学习。

在每轮self-play过程中，都会通过MCTS策略采样生成一系列的游戏轮数，每轮游戏都是指游戏结束（直接出现获胜者）或者游戏步数达到设定最大值（以当前游戏得分判定获胜者）。

每轮游戏都包含围棋双方在整轮过程全部（状态State、动作Action、价值Value）元组，其都是根据MCTS策略进行决策和计算的。每轮游戏在开始前，会构建一个搜索树，然后依次根据当前状态决策动作，具体决策动作方式：

在每轮self-play过程中，通过MCTS策略进行采样，生成一系列的游戏轮次。每轮游戏以两种方式结束：一是游戏直接出现获胜者，二是游戏步数达到设定的最大值，此时根据当前游戏得分判定获胜者。

每轮游戏都会记录下围棋双方的完整过程，包括每步中状态State、动作Action和价值Value等信息，这些数据都是基于MCTS策略进行决策和计算的。

1. 状态State：这是围棋的当前局面，包括棋盘上的黑白棋子布局、提子情况等。

2. 动作Action：这是围棋的下一步行动（如落子在棋盘的某个位置）。

3. 价值Value：当前状态下的获胜概率

每轮游戏在开始之前会构建一个搜索树，然后根据当前状态依次决策动作。具体决策动作的方式如下：

• 动作选择概率计算，其中是归一化因子，是温度控制的超参数，可以随着本轮动作进行，会越趋向于选择概率最大的动作。

• 
• 的计算逻辑：
• 如果已经在搜索树中，即该轮游戏已经探索。
  • 选择最优的动作，此时为的一次访问
  • 是一个平衡先验后验动作概率的超参数。

  • 表示当前状态-动作的价值估计累计值，表示从继续探索直到遇到一个未探索的结点，表示当未探索结点为对手状态时取负号，否则为正号。

  • 表示当前状态-动作在本轮游戏的访问次数，每轮访问后$+1$

  • 表示当前状态的本轮游戏的访问次数

  • 

  • 表示归一化的模型先验预估动作概率

• 如果不在搜索树中，即未被探索。

  • 通过模型求解、，并返回。

• 上述过程也可以用select、expand、Backup、play四个阶段来表示：

  • Select：表示选择最优的动作
  • Expand：表示在选择最优动作后，一直继续探索直到一个未探索的结点，通过模型预估其先验动作概率及状态价值，如果是中途遇到已探索的结点，通过Select选择最优的动作。
  • Backup：表示在探索直到一个未探索的结点后，沿路径更新树上各状态结点的、
  • Play：该轮游戏采样并确定动作，进入下一状态。

2. 训练网络阶段

经过每轮self-play后，会生成一系列的游戏轮数，每轮游戏都会保存正反双方在每步的状态、动作概率、价值，作为此轮网络训练阶段的数据，其中：

• 表示当前状态所属棋方最终是否胜出，其值为,分别表示负平胜。

• 表示根据该轮游戏在过程中的双方的得分数归一化的值。

• 表示该轮游戏总共的走子数，该项主要是为了平衡初始开局的噪声。

最终loss包含了三个部分：动作分类交叉熵损失、价值预估的MSE损失、参数正则项

3. 网络评估阶段

该阶段主要判断上述经过新一轮训练后的新模型是否是最优，如果是最优的替换最优模型进入下一轮的self-play阶段。

评估最优的方式同self-play阶段是类似的，每一步动作都是还需要通过MCTS策略来进行决策。只不过正反双方分别基于基线模型和更新模型来进行比较。

4. 特征组织形式

• 状态的维度为，其中表示围棋棋盘的二维结构，并在第3维叠加黑白双方在过去8步的位置信息，另外为了区分当前走子是黑子还是白子，增加了一维来标识。

• 动作的维度为，表示在棋盘中下子的位置以及不走子的动作。在实际决策动作时，会直接将不合法的动作概率置为0。

5. 模型结构

• 输入卷积层：

• 残差模块层

• policy层

• value层