强化学习入门（四）策略梯度方法 Policy Gradient 求解强化学习问题

本文内容源自百度强化学习 7 日入门课程学习整理
感谢百度 PARL 团队李科浇老师的课程讲解

一、回顾 Value-based 和 Policy-based

1.1 基本概念

• 基于价值

  • 优化策略价值函数，即 Q 的函数
  • 优化好了以后，直接选取最优路径即可
  • 如：Sarsa，Q-learning，DQN

• 基于策略

  • 不依赖于价值函数
  • 一个策略走到底，看最后的总收益来决定该动作的好坏
  • 如：Policy Gradient

1.2 区别

区别点一：

• Value-based：神经网络输入状态 S，输出 Q，优化的也是 Q 函数
  • 动作的输出要看最大的 Q 值，所以是间接输出动作
• Policy-based：输入状态 S，输出动作 A

区别点二：

• Value-based：先优化 Q 函数

  • 优化到最优的时候，Q 表固定
  • 根据 Q 表得到最优动作
  • 所以动作选择是固定的，即确定性策略

• Policy-based：输出动作的概率

  • 这里我们用 $π_θ(a_t|s_t)$ 表示 policy 策略， $θ$ 是神经网络的参数，在 $s_t$ 状态下，做出 $a_t$ 动作的概率
  • 所以如果我们在一个状态下只有 3 个动作，则可以表示为：

  $π(a_1|s,θ) = p(a_1,s)=0.3 \\ π(a_2|s,θ) = p(a_2,s)=0.5 \\ π(a_3|s,θ) = p(a_3,s)=0.2$

  • 这里 3 个动作的概率相加为 1
  • 输出动作的时候，是根据概率进行随机采样，即概率越高采用这个动作的可能性越高（并不是一定采用概率最高的动作）
  • 举例：这种随机策略适合于 “剪刀石头布” 这样随机性很大的游戏（DQN就不行，因为是确定性策略），最后优化可能 3 种动作都是 33.33% 的概率
  • 为了输出概率，那自然神经网络的输出层用的是 “softmax” 激活函数
    

二、Policy Gradient 算法

2.1 随机策略中的 softmax 函数

softmax 的作用，就是把输出映射到 0～1 的区间内，并使得所有的输出相加等于 1，于是就可以等同于不同选择的概率了

• 常常用于分类任务

计算方法：

• 每个输出值求一个自然对数
• 然后除以所有输出的自然对数的和

例如：在打乒乓球游戏中

• 输入的是游戏图像（像素矩阵）
• 输出的是动作选择概率（向上 88%，向下 12%，停留不动 0%），向量形式：[0.88, 0.12, 0]
• 然后根据概率随机挑选动作

2.2 一局游戏 episode

当我们选择一个动作以后，其实并不知道动作的优劣，而只有最终游戏结束得到结果的时候，我们才能反推之前的动作优劣

• 每一个 episode 中，agent 不断和环境交互，输出动作，直到该 episode 结束
• 然后开启另一个 episode

优化策略的目的：让 “每一个” episode 的 “总的” reward 尽可能大

• 单个 episode 有很多 step 组成，每个 step 会获得 reward
• 所有 episode 总的 reward 希望最大
• 所以怎么去量化我的优化目标就是个难点！

2.3 轨迹的期望回报

轨迹 Trajectory ：

• 从初始状态出发，有不同的概率选择动作

• 然后状态发生变化（环境的随机性，会导致环境的变化也是个概率分布，即状态转移概率 $p(s'|s,a)$）

• 在新的状态下，再通过不同概率选择动作

• 状态继续发生变化

  • 这里我们能够优化的是智能体的选择，而环境的随机变化（状态转移概率）是客观存在的，无法优化（控制）

• 不断地交互，直到完成一个 episode（一局游戏结束）

• 把这个 episode 中所有的连续的 s 变化 和 a 选择串起来，就是一个 episode 的轨迹 Trajectory

• 轨迹： $τ\ =\ \{s_1,a_1,s_2,a_2,...s_T,a_T\}$

轨迹的概率：

• 轨迹的每一步概率连乘即可：
• $p_θ(τ)\ = \ p(s_1)π_θ(a_1|s_1)p(s_2|s_1,a_1)π_θ(a_1|s_1)p(s_2|s_1,a_1)...$

轨迹的总 reward：

• 即每一步获得的 reward 之和
• $R(τ)\ = \ \sum_{t=1}^Tr_t$

我们和环境交互的轨迹可以有千千万万条，所以当我们跑了很多 episode ，获得许多轨迹后，我们可以获得 “期望回报”：

• $π_θ(a|s)$ 的期望回报：所有 episode 的平均回报

• $\overline{R_θ}\ =\ \sum_{τ}R(τ)p_θ(τ)$

• 策略 $π_θ(a|s)$ 下的期望回报就可以用来评价我们的策略优劣

难点：

• 无法穷举所有的轨迹
• 无法获得 “环境转移概率”

解决方法：取近似值

• $\overline{R_θ}\ =\ \sum_{τ}R(τ)p_θ(τ)\ \approx\ {1\over N}\sum_{n=1}^NR(τ)$
• 这里我们取得 N 条轨迹后（N足够大），假设每条轨迹都是概率相等（随机）
• 这个过程称作：采样（采样 N 个 episode 来计算期望回报）
• 这样就不需要知道 “环境转移概率” 了

2.4 优化策略函数

我们可以用期望回报 $\overline{R_θ}$ 来优化策略函数 $π_θ(s,a)$

• 在 DQN 中，我们的 loss 函数是来源于 目标 Q 和 预测 Q 之间的差别，我们希望优化过程是 预测 Q 不断逼近 目标 Q，降低 loss（越小越好）

• 所以在 DQN 中，目标 Q 担任的是一个正确的 label 指导

• 但是在 Policy 网络中，没有这样一个 正确的 label 指导

• 所以需要用到 $\overline{R_θ}$

优化目标：

• $J(θ)\ =\ \overline{R_θ}$ 越大越好
• 这里是一个梯度上升过程

策略梯度：

• 我们需要求解 $\overline{R_θ}$ 对与 $θ$ 的梯度，用这个梯度去更新网络
• 首先需要产生 N 条 episode 轨迹
• 每一条轨迹获有一个总回报 $R(τ)$
• 获得期望回报 $\overline{R_θ}$
• 然后求 $\overline{R_θ}$ 对与 $θ$ 的导数
• $\triangledown \overline{R_θ}\ \approx\ {1\over N}\sum_{n=1}^N\sum_{t=1}^{T_n}R(τ^n)\triangledown \logπ_θ(a_t^n|s_t^n)$
• 求导的过程中，可以约去不可知的 “环境转移概率”
• 更新网络后，让分数高的轨迹概率可以更大
• 所以 loss 的公式前面要加上负号，这样就可以让梯度下降变成梯度上升
• $Loss = -R(τ)\log π_θ(a_t|s_t)$

策略梯度公式推导过程：

三、采样方式：REINFORCE

3.1 蒙特卡洛 MC 与 时序差分 TD

梯度策略分为 蒙特卡洛 MC 与 时序差分 TD

• 蒙特卡洛：算法完成一个 episode，进行学习一次 learn()
  • 完整运行一个 episode，我们可以知道每一步 step 的未来总收益 $G_t$
  • 比如 ：REINFORCE 算法（最简单，经典）
• 时序差分：
  • 每一个 step 都更新一次，更新频率更高
  • 使用 Q 函数来近似表示未来总收益
  • 比如：Actor-Critic 算法

3.2 REINFORCE 算法

流程：

• 首先拿到每一步的收益 $[r_1, r_2,r_3...r_T]$
• 那自然可以计算出每一步的未来总收益 $[G_1,G_2,G_3...G_T]$
• 未来总收益，代表的是每一个动作的真正价值
• 这样就可以把每一个 $G_t$ 代入公式 $\triangledown \overline{R_θ}\ \approx\ {1\over N}\sum_{n=1}^N\sum_{t=1}^{T_n}G_t^n\triangledown \logπ_θ(a_t^n|s_t^n)$ 去优化每一个 action 的输出

def calc_reward_to_go(reward_list, gamma=1.0):
    for i in range(len(reward_list) - 2, -1, -1):
        # G_t = r_t + γ·r_t+1 + ... = r_t + γ·G_t+1
        reward_list[i] += gamma * reward_list[i + 1]  # Gt
    return np.array(reward_list)

这里的代码就是把每一步的收益，转成每一步的未来总收益

连续的 step 之间未来总收益有相关性： $G_t\ = \ \sum_{t=k+1}^Tγ^{k-t-1}r_t\ =\ r_t\ +\ γG_{t+1}$

所以在代码实现上，是从后往前计算，先计算 $G_T$，再计算 $G_{T-1}$，依次进行

假设实际执行的动作 $a_t$ 是 [0,1,0]，计算得到的概率 $π(a|s,θ)$ 是 [0.2,0.5,0.3]，对每一个 action： $Loss = -G_t\ ·\ [0,1,0]\ ·\ \log[0.2,0.5,0.3]$

类比监督学习：

• 输出的概率分布要尽可能贴近真实的情况
• 比如手写数字识别中，如果一个数字是 8，那网络预测这个数字概率越高越好，比如 0.999 ，真实值 8 对应的是 1
• 通过迭代更新，希望识别 8 的时候，这个概率可以远高于其他数字的概率
• 这里我们使用交叉熵 Cross Entropy表示两个概率分布之间的差别
• 目标是缩小差距，即把 Loss 传入优化器自动优化

Policy Gradient 中：

• 输出预测行动的概率，和真实采用的概率做比较
• 真实采用的动作是随机选择的 action，并不代表正确的 action
• 所以前面要乘以一个累计回报 $G_t$ 作为对真实所采用的 action 的评价
• $G_t$ 越大，说明当前输出的 action 是优质的，我们就越是希望预测概率向实际动作逼近
• $G_t$ 越小，说明当前输出的 action 不好，所以 loss 的权重也更小，即不强求预测概率向该动作逼近
• $Loss = -R(P'_{left}\ * \ \log (P_{left})\ +\ P'_{still}\ *\ log(P_{still})\ +\ P'_{right}\ *\ \log(P_{right}))$
• 其中 $R=G_t$， $P'$代表实际执行的动作 $a_t$（是 one-hot 向量，比如 [0,1,0] ）， $P$ 代表神经网络预测的动作概率（比如 [0.5, 0.3, 0.2] ）
• 由于我们可以拿到 episode 的整个轨迹，所以可以对这个 episode 中每一个 action 都计算一个 Loss
• 累加所有的 Loss，然后让优化器去优化
  

    def learn(self, obs, action, reward): # 输入的就是获得的轨迹，reward代表未来总收益
        """ 用policy gradient 算法更新policy model
        """
        act_prob = self.model(obs)  # 获取输出动作概率（由神经网络预测得到）
        # log_prob = layers.cross_entropy(act_prob, action) # 交叉熵
        log_prob = layers.reduce_sum(
            -1.0 * layers.log(act_prob) * layers.one_hot(
                action, act_prob.shape[1]),
            dim=1)
        cost = log_prob * reward # 乘的是当前 action 的未来总收益
        cost = layers.reduce_mean(cost) # 所有 step 要取均值

        optimizer = fluid.optimizer.Adam(self.lr)
        optimizer.minimize(cost)
        return cost

REINFORCE 流程图：

• 首先要有一个 Policy Model 来输出动作概率
• 用 sample() 函数得到具体的动作
• 动作和环境交互，得到 reward
• 一个 episode 运行完，得到轨迹数据（包含 3 个 list：S，a，G）
• 执行 learn() 函数，用轨迹数据构造 loss 函数（该部分可以进行抽取封装）
• loss 函数放入优化器进行优化

PARL 中的 Policy Gradient 算法：

分成了 model，algorithm，agent 三个类

• model 定义网络结构
• algorithm 预测动作输出，构造 loss 函数，实现 learn() 函数
• agent 实现执行动作，和环境交互，获取环境数据

四、数据处理技巧

4.1 简单场景的图片预处理

• 把图片转为灰度
• resize 到 80 * 80 * 1 的形状
• 最后把图片转为 1 维向量

比如在 Pong 的乒乓球游戏环境中：

# Pong 图片预处理
def preprocess(image):
    """ 预处理 210x160x3 uint8 frame into 6400 (80x80) 1维 float vector """
    image = image[35:195] # 裁剪
    image = image[::2,::2,0] # 下采样，缩放2倍
    image[image == 144] = 0 # 擦除背景 (background type 1)
    image[image == 109] = 0 # 擦除背景 (background type 2)
    image[image != 0] = 1 # 转为灰度图，除了黑色外其他都是白色
    return image.astype(np.float).ravel()

当然我们也可以用 CNN 网络，但是对于简单图像的环境，其实也可以这样处理，就不用 CNN 网络了

4.2 使用衰减 reward 并 normalize reward

因为有些游戏一个 episode 的时间很长，比如乒乓球游戏 Pong，一方拿到 21 分游戏才结束，所以整个过程有非常多的 step

所以要设计一个衰减因子，不需要考虑太长时间以后的收益，一般会设置为 0.99

另外需要对一个 episode 拿到的收益做 normalize，让我们获取的收益有正有负，基本在原点两侧均衡分布

通常这种归一化的做法是为了加速训练，对于 action 的快速收敛更有效果

# 根据一个episode的每个step的reward列表，计算每一个Step的Gt
def calc_reward_to_go(reward_list, gamma=0.99):
    """calculate discounted reward"""
    reward_arr = np.array(reward_list)
    for i in range(len(reward_arr) - 2, -1, -1):
        # G_t = r_t + γ·r_t+1 + ... = r_t + γ·G_t+1
        reward_arr[i] += gamma * reward_arr[i + 1]
    # normalize episode rewards
    reward_arr -= np.mean(reward_arr)
    reward_arr /= np.std(reward_arr)
    return reward_arr

五、Policy Gradient 代码详解

强化学习算法 Policy Gradient 解决 CartPole 问题，代码逐条详解