【翻译】Sklearn与TensorFlow机器学习实用指南 —— 第16章强化学习（上）

发表: 2018-07-18 浏览: 1668

大数据 Python

作者：ApacheCN【翻译】 Python机器学习爱好者

Python爱好者社区专栏作者

GitHub：https://github.com/apachecn/hands_on_Ml_with_Sklearn_and_TF

前文传送门：

强化学习（RL）如今是机器学习的一大令人激动的领域，当然之前也是。自从 1950 年被发明出来后，它在这些年产生了一些有趣的应用，尤其是在游戏（例如 TD-Gammon，一个西洋双陆棋程序）和及其控制领域，但是从未弄出什么大新闻。直到 2013 年一个革命性的发展：来自英国的研究者发起了一项 Deepmind 项目，这个项目可以学习去玩任何从头开始的 Atari 游戏，甚至多数比人类玩的还要好，它仅使用像素作为输入而没有使用游戏规则的任何先验知识。这是一系列令人惊叹的壮举中的第一个，并在 2016 年 3 月以他们的系统阿尔法狗战胜了世界围棋冠军李世石而告终。从未有程序能勉强打败这个游戏的大师，更不用说世界冠军了。今天，RL 的整个领域正在沸腾着新的想法，其都具有广泛的应用范围。DeepMind 在 2014 被谷歌以超过 5 亿美元收购。

那么他们是怎么做到的呢？事后看来，原理似乎相当简单：他们将深度学习运用到强化学习领域，结果却超越了他们最疯狂的设想。在本章中，我们将首先解释强化学习是什么，以及它擅长于什么，然后我们将介绍两个在深度强化学习领域最重要的技术：策略梯度和深度 Q 网络（DQN），包括讨论马尔可夫决策过（MDP）。我们将使用这些技术来训练一个模型来平衡移动车上的杆子，另一个玩 Atari 游戏。同样的技术可以用于各种各样的任务，从步行机器人到自动驾驶汽车。

学习优化奖励

在强化学习中，智能体在环境（environment）中观察（observation）并且做出决策（action），随后它会得到奖励（reward）。它的目标是去学习如何行动能最大化期望奖励。如果你不在意去拟人化的话，你可以认为正奖励是愉快，负奖励是痛苦（这样的话奖励一词就有点误导了）。简单来说，智能体在环境中行动，并且在实验和错误中去学习最大化它的愉快，最小化它的痛苦。

这是一个相当广泛的设置，可以适用于各种各样的任务。以下是几个例子（详见图 16-1）：

智能体可以是控制一个机械狗的程序。在此例中，环境就是真实的世界，智能体通过许多的传感器例如摄像机或者传感器来观察，它可以通过给电机发送信号来行动。它可以被编程设置为如果到达了目的地就得到正奖励，如果浪费时间，或者走错方向，或摔倒了就得到负奖励。
智能体可以是控制 MS.Pac-Man 的程序。在此例中，环境是 Atari 游戏的仿真，行为是 9 个操纵杆位（上下左右中间等等），观察是屏幕，回报就是游戏点数。
相似地，智能体也可以是棋盘游戏的程序例如：围棋。
智能体也可以不用去控制一个实体（或虚拟的）去移动。例如它可以是一个智能程序，当它调整到目标温度以节能时会得到正奖励，当人们需要自己去调节温度时它会得到负奖励，所以智能体必须学会预见人们的需要。
智能体也可以去观测股票市场价格以实时决定买卖。奖励的依据显然为挣钱或者赔钱。

其实没有正奖励也是可以的，例如智能体在迷宫内移动，它每分每秒都得到一个负奖励，所以它要尽可能快的找到出口！还有很多适合强化学习的领域，例如自动驾驶汽车，在网页上放广告，或者控制一个图像分类系统让它明白它应该关注于什么。

策略搜索

被智能体使用去改变它行为的算法叫做策略。例如，策略可以是一个把观测当输入，行为当做输出的神经网络（见图16-2）。

这个策略可以是你能想到的任何算法，它甚至可以不被确定。举个例子，例如，考虑一个真空吸尘器，它的奖励是在 30 分钟内捡起的灰尘数量。它的策略可以是每秒以概率P向前移动，或者以概率1-P随机地向左或向右旋转。旋转角度将是-R和+R之间的随机角度，因为该策略涉及一些随机性，所以称为随机策略。机器人将有一个不确定的轨迹，它保证它最终会到达任何可以到达的地方，并捡起所有的灰尘。问题是：30分钟后它会捡起多少灰尘？

你怎么训练这样的机器人？你可以调整两个策略参数：概率P和角度范围R。一个想法是这些参数尝试许多不同的值，并选择执行最佳的组合（见图 16-3）。这是一个策略搜索的例子，在这种情况下使用野蛮的方法。然而，当策略空间太大（通常情况下），以这样的方式找到一组好的参数就像是大海捞针。

另一种搜寻策略空间的方法是遗传算法。例如你可以随机创造一个包含 100 个策略的第一代基因，随后杀死 80 个糟糕的策略，随后让 20 个幸存策略繁衍 4 代。一个后代只是它父辈基因的复制品加上一些随机变异。幸存的策略加上他们的后代共同构成了第二代。你可以继续以这种方式迭代代，直到找到一个好的策略。

另一种方法是使用优化技术，通过评估奖励关于策略参数的梯度，然后通过跟随梯度向更高的奖励（梯度上升）调整这些参数。这种方法被称为策略梯度（policy gradient, PG），我们将在本章后面详细讨论。例如，回到真空吸尘器机器人，你可以稍微增加概率P并评估这是否增加了机器人在 30 分钟内拾起的灰尘的量；如果确实增加了，就相对应增加P，否则减少P。我们将使用 Tensorflow 来实现 PG 算法，但是在这之前我们需要为智能体创造一个生存的环境，所以现在是介绍 OpenAI 的时候了。

OpenAI 的介绍

强化学习的一个挑战是，为了训练智能体，首先需要有一个工作环境。如果你想设计一个可以学习 Atari 游戏的程序，你需要一个 Atari 游戏模拟器。如果你想设计一个步行机器人，那么环境就是真实的世界，你可以直接在这个环境中训练你的机器人，但是这有其局限性：如果机器人从悬崖上掉下来，你不能仅仅点击“撤消”。你也不能加快时间；增加更多的计算能力不会让机器人移动得更快。一般来说，同时训练 1000 个机器人是非常昂贵的。简而言之，训练在现实世界中是困难和缓慢的，所以你通常需要一个模拟环境，至少需要引导训练。

OpenAI gym 是一个工具包，它提供各种各样的模拟环境（Atari 游戏，棋盘游戏，2D 和 3D 物理模拟等等），所以你可以训练，比较，或开发新的 RL 算法。

让我们安装 OpenAI gym。可通过pip安装：

$ pip install --upgrade gym

接下来打开 Python shell 或 Jupyter 笔记本创建您的第一个环境：

>>> import gym 

>>> env = gym.make("CartPole-v0") 

[2016-10-14 16:03:23,199] Making new env: MsPacman-v0 

>>> obs = env.reset() 

>>> obs 

array([-0.03799846,-0.03288115,0.02337094,0.00720711]) 

>>> env.render()

使用make()函数创建一个环境，在此例中是 CartPole 环境。这是一个 2D 模拟，其中推车可以被左右加速，以平衡放置在它上面的平衡杆（见图 16-4）。在创建环境之后，我们需要使用reset()初始化。这会返回第一个观察结果。观察取决于环境的类型。对于 CartPole 环境，每个观测是包含四个浮点的 1D Numpy 向量：这些浮点数代表推车的水平位置（0 为中心）、其速度、杆的角度（0 维垂直）及其角速度。最后，render()方法显示如图 16-4 所示的环境。

如果你想让render()让图像以一个 NUMPY 数组格式返回，可以将mode参数设置为rgb_array（注意其他环境可能支持不同的模式）：

>>> img = env.render(mode="rgb_array") 

>>> img.shape  # height, width, channels (3=RGB) 

(400, 600, 3)

不幸的是，即使将mode参数设置为rgb_array，CartPole（和其他一些环境）还是会将将图像呈现到屏幕上。避免这种情况的唯一方式是使用一个 fake X 服务器，如 XVFB 或 XDimMy。例如，可以使用以下命令安装 XVFB 和启动 Python：xvfb-run -s "screen 0 1400x900x24" python。或者使用xvfbwrapper包。

让我们来询问环境什么动作是可能的：

>>> env.action_space 

Discrete(2)

Discrete(2)表示可能的动作是整数 0 和 1，表示向左（0）或右（1）的加速。其他环境可能有更多的动作，或者其他类型的动作（例如，连续的）。因为杆子向右倾斜，让我们向右加速推车：

>>> action = 1  # accelerate right 

>>> obs, reward, done, info = env.step(action) 

>>> obs 

array([-0.03865608,  0.16189797,  0.02351508, -0.27801135]) 

>>> reward 

1.0 

>>> done 

False 

>>> info 

{}

step()表示执行给定的动作并返回四个值：

obs:

这是新的观测，小车现在正在向右走（obs[1]>0，注：当前速度为正，向右为正）。平衡杆仍然向右倾斜（obs[2]>0），但是他的角速度现在为负（obs[3]<0），所以它在下一步后可能会向左倾斜。

reward：

在这个环境中，无论你做什么，每一步都会得到 1.0 奖励，所以游戏的目标就是尽可能长的运行。

done：

当游戏结束时这个值会为True。当平衡杆倾斜太多时会发生这种情况。之后，必须重新设置环境才能重新使用。

info：

该字典可以在其他环境中提供额外的调试信息。这些数据不应该用于训练（这是作弊）。

让我们硬编码一个简单的策略，当杆向左倾斜时加速左边，当杆向右倾斜时加速。我们使用这个策略来获得超过 500 步的平均回报：

def basic_policy(obs):    

    angle = obs[2]    

    return 0 if angle < 0 else 1



totals = [] 

for episode in range(500):    

    episode_rewards = 0    

    obs = env.reset()    

    for step in range(1000): # 最多1000 步，我们不想让它永远运行下去        

        action = basic_policy(obs)        

        obs, reward, done, info = env.step(action)        

        episode_rewards += reward        

        if done:            

            break    

    totals.append(episode_rewards)

这个代码希望能自我解释。让我们看看结果：

>>> import numpy as np 

>>> np.mean(totals), np.std(totals), np.min(totals), np.max(totals) 

(42.125999999999998, 9.1237121830974033, 24.0, 68.0)

即使有 500 次尝试，这一策略从未使平衡杆在超过 68 个连续的步骤里保持直立。这不太好。如果你看一下 Juyter Notebook 中的模拟，你会发现，推车越来越强烈地左右摆动，直到平衡杆倾斜太多。让我们看看神经网络是否能提出更好的策略。

神经网络策略

让我们创建一个神经网络策略。就像之前我们编码的策略一样，这个神经网络将把观察作为输入，输出要执行的动作。更确切地说，它将估计每个动作的概率，然后我们将根据估计的概率随机地选择一个动作（见图 16-5）。在 CartPole 环境中，只有两种可能的动作（左或右），所以我们只需要一个输出神经元。它将输出动作 0（左）的概率p，动作 1（右）的概率显然将是1 - p。

例如，如果它输出 0.7，那么我们将以 70% 的概率选择动作 0，以 30% 的概率选择动作 1。

你可能奇怪为什么我们根据神经网络给出的概率来选择随机的动作，而不是选择最高分数的动作。这种方法使智能体在探索新的行为和利用那些已知可行的行动之间找到正确的平衡。举个例子：假设你第一次去餐馆，所有的菜看起来同样吸引人，所以你随机挑选一个。如果菜好吃，你可以增加下一次点它的概率，但是你不应该把这个概率提高到 100%，否则你将永远不会尝试其他菜肴，其中一些甚至比你尝试的更好。

还要注意，在这个特定的环境中，过去的动作和观察可以被安全地忽略，因为每个观察都包含环境的完整状态。如果有一些隐藏状态，那么你也需要考虑过去的行为和观察。例如，如果环境仅仅揭示了推车的位置，而不是它的速度，那么你不仅要考虑当前的观测，还要考虑先前的观测，以便估计当前的速度。另一个例子是当观测是有噪声的的，在这种情况下，通常你想用过去的观察来估计最可能的当前状态。因此，CartPole 问题是简单的；观测是无噪声的，而且它们包含环境的全状态。

import tensorflow as tf 

from tensorflow.contrib.layers import fully_connected

# 1. 声明神经网络结构 

n_inputs = 4  # == env.observation_space.shape[0] 

n_hidden = 4  # 这只是个简单的测试，不需要过多的隐藏层

n_outputs = 1 # 只输出向左加速的概率

initializer = tf.contrib.layers.variance_scaling_initializer()

# 2. 建立神经网络 

X = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, n_inputs]) hidden = fully_connected(X, n_hidden, activation_fn=tf.nn.elu,weights_initializer=initializer) # 隐层激活函数使用指数线性函数                

logits = fully_connected(hidden, n_outputs, activation_fn=None,weights_initializer=initializer)                   

outputs = tf.nn.sigmoid(logits)

# 3. 在概率基础上随机选择动作

p_left_and_right = tf.concat(axis=1, values=[outputs, 1 - outputs]) 

action = tf.multinomial(tf.log(p_left_and_right), num_samples=1)

init = tf.global_variables_initializer()

让我们通读代码：

在导入之后，我们定义了神经网络体系结构。输入的数量是观测空间的大小（在 CartPole 的情况下是 4 个），我们只有 4 个隐藏单元，并且不需要更多，并且我们只有 1 个输出概率（向左的概率）。
接下来我们构建了神经网络。在这个例子中，它是一个 vanilla 多层感知器，只有一个输出。注意，输出层使用 Logistic（Sigmoid）激活函数，以便输出从 0 到 1 的概率。如果有两个以上的可能动作，每个动作都会有一个输出神经元，相应的你将使用 Softmax 激活函数。
最后，我们调用multinomial()函数来选择一个随机动作。该函数独立地采样一个（或多个）整数，给定每个整数的对数概率。例如，如果通过设置num_samples=5，令数组为[np.log(0.5), np.log(0.2), np.log(0.3)]来调用它，那么它将输出五个整数，每个整数都有 50% 的概率是 0，20% 为 1，30% 为 2。在我们的情况下，我们只需要一个整数来表示要采取的行动。由于输出张量（output）仅包含向左的概率，所以我们必须首先将 1 - output 连接它，以得到包含左和右动作的概率的张量。请注意，如果有两个以上的可能动作，神经网络将不得不输出每个动作的概率，这时你就不需要连接步骤了。

好了，现在我们有一个可以观察和输出动作的神经网络了，那我们怎么训练它呢？

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