tensorflow
Q-learning

Esempio minimo

Q-learning è una variante dell'apprendimento di rinforzo senza modello. In Q-learning vogliamo che l'agente valuti quanto sia buona una coppia (stato, azione) in modo che possa scegliere le buone azioni in ogni stato. Questo viene fatto approssimando una funzione valore-azione (Q) che rientra nell'equazione di seguito:

Dove s e a sono stato e azione al passo temporale attuale. R è la ricompensa immediata e è il fattore di sconto. E, s ' è lo stato successivo osservato.

Quando l'agente interagisce con l'ambiente, vede uno stato in cui si trova, esegue un'azione, ottiene la ricompensa e osserva il nuovo stato in cui è stata spostata. Questo ciclo continua fino a quando l'agente raggiunge uno stato di terminazione. Poiché Q-learning è un metodo off-policy, possiamo salvare ciascuno (stato, azione, ricompensa, next_state) come esperienza in un buffer di riproduzione. Queste esperienze sono campionate in ogni iterazione di allenamento e utilizzate per migliorare la nostra stima di Q. Ecco come:

1. Da next_state calcola il valore Q per il prossimo passo assumendo che l'agente scelga avidamente un'azione in quello stato, da cui il np.max(next_state_value) nel codice sottostante.
2. Il valore Q del prossimo passo è scontato e aggiunto alla ricompensa immediata osservata dall'agente: (stato, azione, ricompensa , stato ')
3. Se una azione dello stato porta alla conclusione dell'episodio, usiamo Q = reward invece dei passaggi 1 e 2 sopra (apprendimento episodico). Quindi dobbiamo aggiungere anche il flag di terminazione a ogni esperienza che viene aggiunta al buffer: (stato, azione, ricompensa, next_state, terminato)
4. A questo punto, abbiamo un valore Q calcolato da reward e next_state e abbiamo anche un altro valore Q che è l'output dell'approssimatore della funzione q-network. Modificando i parametri dell'approssimatore della funzione q-network utilizzando la discesa del gradiente e riducendo al minimo la differenza tra questi due valori di azione, l'approssimatore della funzione Q converge verso i veri valori dell'azione.

Ecco un'implementazione della rete Q profonda.

import tensorflow as tf
import gym
import numpy as np

def fullyConnected(name, input_layer, output_dim, activation=None):
    """
    Adds a fully connected layer after the `input_layer`. `output_dim` is
    the size of next layer. `activation` is the optional activation 
    function for the next layer.
    """
    initializer = tf.random_uniform_initializer(minval=-.003, maxval=.003)

    input_dims = input_layer.get_shape().as_list()[1:]
    weight = tf.get_variable(name + "_w", shape=[*input_dims, output_dim],
                             dtype=tf.float32, initializer=initializer)
    bias = tf.get_variable(name + "_b", shape=output_dim, dtype=tf.float32,
                           initializer=initializer)
    next_layer = tf.matmul(input_layer, weight) + bias

    if activation:
        next_layer = activation(next_layer, name=name + "_activated")

    return next_layer

class Memory(object):
    """
    Saves experiences as (state, action, reward, next_action, 
    termination). It only supports discrete action spaces.
    """

    def __init__(self, size, state_dims):
        self.length = size

        self.states = np.empty([size, state_dims], dtype=float)
        self.actions = np.empty(size, dtype=int)
        self.rewards = np.empty((size, 1), dtype=float)
        self.states_next = np.empty([size, state_dims], dtype=float)
        self.terminations = np.zeros((size, 1), dtype=bool)

        self.memory = [self.states, self.actions,
                       self.rewards, self.states_next, self.terminations]

        self.pointer = 0
        self.count = 0

    def add(self, state, action, reward, next_state, termination):
        self.states[self.pointer] = state
        self.actions[self.pointer] = action
        self.rewards[self.pointer] = reward
        self.states_next[self.pointer] = next_state
        self.terminations[self.pointer] = termination
        self.pointer = (self.pointer + 1) % self.length
        self.count += 1

    def sample(self, batch_size):
        index = np.random.randint(
            min(self.count, self.length), size=(batch_size))
        return (self.states[index], self.actions[index],
            self.rewards[index], self.states_next[index],
            self.terminations[index])

class DQN(object):
    """
    Deep Q network agent. 
    """

    def __init__(self, state_dim, action_dim, memory_size, layer_dims,
                 optimizer):

        self.action_dim = action_dim
        self.state = tf.placeholder(
            tf.float32, [None, state_dim], "states")
        self.action_ph = tf.placeholder(tf.int32, [None], "actions")
        self.action_value_ph = tf.placeholder(
            tf.float32, [None], "action_values")
        self.memory = Memory(memory_size, state_dim)

        def _make():
            flow = self.state
            for i, size in enumerate(layer_dims):
                flow = fullyConnected(
                    "layer%i" % i, flow, size, tf.nn.relu)

            return fullyConnected(
                "output_layer", flow, self.action_dim)

        # generate the learner network
        with tf.variable_scope('learner'):
            self.action_value = _make()
        # generate the target network
        with tf.variable_scope('target'):
            self.target_action_value = _make()

        # get parameters for learner and target networks
        from_list = tf.get_collection(
            tf.GraphKeys.TRAINABLE_VARIABLES, scope='learner')
        target_list = tf.get_collection(
            tf.GraphKeys.TRAINABLE_VARIABLES, scope='target')

        # create a copy operation from parameters of learner 
        # to parameters of target network
        from_list = sorted(from_list, key=lambda v: v.name)
        target_list = sorted(target_list, key=lambda v: v.name)
        self.update_target_network = []
        for i in range(len(from_list)):
            self.update_target_network.append(target_list[i].assign(from_list[i]))

        # gather the action-values of the performed actions
        row = tf.range(0, tf.shape(self.action_value)[0])
        indexes = tf.stack([row, self.action_ph], axis=1)
        action_value = tf.gather_nd(self.action_value, indexes)

        # calculate loss of Q network
        self.single_loss = tf.square(action_value - self.action_value_ph)
        self._loss = tf.reduce_mean(self.single_loss)

        self.train_op = optimizer.minimize(self._loss)

    def train(self, session, batch=None, discount=.97):
        states, actions, rewards, next_states, terminals =\
            self.memory.sample(batch)
        next_state_value = session.run(
            self.target_action_value, {self.state: next_states})
        observed_value = rewards + discount * \
            np.max(next_state_value, 1, keepdims=True)
        observed_value[terminals] = rewards[terminals]

        _, batch_loss = session.run([self.train_op, self._loss], {
            self.state: states, self.action_ph: actions,
            self.action_value_ph: observed_value[:, 0]})
        return batch_loss

    def policy(self, session, state):
        return session.run(self.action_value, {self.state: [state]})[0]

    def memorize(self, state, action, reward, next_state, terminal):
        self.memory.add(state, action, reward, next_state, terminal)

    def update(self, session):
        session.run(self.update_target_network)

Nella rete Q profonda sono utilizzati pochi meccanismi per migliorare la convergenza dell'agente. Uno è l'enfasi sul campionamento casuale delle esperienze dal buffer di riproduzione per prevenire qualsiasi relazione temporale tra le esperienze campionate. Un altro meccanismo utilizza la rete di destinazione nella valutazione del valore Q per il next_state . La rete di destinazione è simile alla rete dello studente, ma i suoi parametri vengono modificati molto meno frequentemente. Inoltre, la rete di destinazione non viene aggiornata dalla discesa del gradiente, ma ogni tanto i suoi parametri vengono copiati dalla rete del discente.

Il codice seguente è un esempio di questo agente che impara a eseguire azioni in un ambiente cartpole .

ENVIRONMENT = 'CartPole-v1'  # environment name from `OpenAI`.
MEMORY_SIZE = 50000  # how many of recent time steps should be saved in agent's memory
LEARNING_RATE = .01  # learning rate for Adam optimizer
BATCH_SIZE = 8  # number of experiences to sample in each training step
EPSILON = .1  # how often an action should be chosen randomly. This encourages exploration
EPXILON_DECAY = .99  # the rate of decaying `EPSILON`
NETWORK_ARCHITECTURE = [100] # shape of the q network. Each element is one layer
TOTAL_EPISODES = 500  # number of total episodes
MAX_STEPS = 200  # maximum number of steps in each episode
REPORT_STEP = 10  # how many episodes to run before printing a summary

env = gym.make(ENVIRONMENT)  # initialize environment
state_dim = env.observation_space.shape[
    0]  # dimensions of observation space
action_dim = env.action_space.n

optimizer = tf.train.AdamOptimizer(LEARNING_RATE)
agent = DQN(state_dim, action_dim, MEMORY_SIZE,
            NETWORK_ARCHITECTURE, optimizer)

eps = [EPSILON]

def runEpisode(env, session):
    state = env.reset()
    total_l = 0.
    total_reward = 0.
    for i in range(MAX_STEPS):
        if np.random.uniform() < eps[0]:
            action = np.random.randint(action_dim)
        else:
            action_values = agent.policy(session, state)
            action = np.argmax(action_values)

        next_state, reward, terminated, _ = env.step(action)

        if terminated:
            reward = -1

        total_reward += reward

        agent.memorize(state, action, reward, next_state, terminated)
        state = next_state
        total_l += agent.train(session, BATCH_SIZE)

        if terminated:
            break

    eps[0] *= EPXILON_DECAY
    i += 1

    return i, total_reward / i, total_l / i

session = tf.InteractiveSession()
session.run(tf.global_variables_initializer())

for i in range(1, TOTAL_EPISODES + 1):
    leng, reward, loss = runEpisode(env, session)
    agent.update(session)
    if i % REPORT_STEP == 0:
        print(("Episode: %4i " +
               "| Episod Length: %3i " +
               "| Avg Reward: %+.3f " +
               "| Avg Loss: %6.3f " +
               "| Epsilon: %.3f") %
              (i, leng, reward, loss, eps[0]))