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[人工智能]强化学习_03_表格方法实践(CartPole-v0 And MontoCarlo)

已经学好全部的表格方法训练Agent,所以,自己拿一个游戏环境进行智能体的训练。

一、选取游戏

打开 gym官网文档 ,里面就是对CartPole-v0的介绍,感觉这个游戏也挺有意思。但是这个游戏环境的状态是连续的。不过从游戏的画面看,参数空间应该不是很大,所以决定探索整个状态空间之后再决定是否更换游戏。

import gym
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

env = gym.make('CartPole-v0')
s = env.reset()
print('High: ', env.observation_space.high,
      '\nLow: ',env.observation_space.low)
"""
High:  [4.8000002e+00 3.4028235e+38 4.1887903e-01 3.4028235e+38]
Low:  [-4.8000002e+00 -3.4028235e+38 -4.1887903e-01 -3.4028235e+38]
"""

可以看出第一个状态元素的范围是 [-4.8, 4.8],第三个状态元素的范围是 [-0.4, 0.4],第二个和第四个元素没有上限需要看一下元素的分布。


env = gym.make('CartPole-v0')
s = env.reset()
print('High: ', env.observation_space.high,
      '\nLow: ',env.observation_space.low)
np.round(-4.1887903e-01, 1)

ob_list = []
for _ in range(10000):
    env.render()
    a = env.action_space.sample()
    n_state, reward, done, info = env.step(a)
    ob_list.append(np.take(n_state, [1, 3]))

env.close()

ob_arr = np.stack(ob_list)
fig, axes = plt.subplots(2, 1, figsize=(16, 4))
for i in range(2):
    axes[i].plot(ob_arr[:, i])
    max_ = ob_arr[:, i].max()
    min_ = ob_arr[:, i].min()
    x = 1 if i == 0 else 3
    axes[i].set_title(f'observation-[{x}] max: ${max_:.2f}$   min: ${min_:.2f}$')
    axes[i].set_xticks([])

plt.show()

在这里插入图片描述
随机运动的分布有点尴尬。我们可以换一个思路, 如果我们训练有效的话,剩余的状态元素一定会停在一定的区间,所以我们现在可以假定状态元素1和状态元素3都在[-3, 3]之间

二、构建智能体

因为我们的状态空间非常大, 如果用Actor-Critic 方法训练需要存两个"表格",构建初始状态表会非常耗时,并且环境的结束反馈和一般表格游戏不一样,该游戏都是以reward为0结束,所以用Actor-Critic 以及SARSA会学习不到太多信息。于是我们选择monta carlo方法进行迭代学习。
__make_Q_table就是按刚刚的思路构建的状态空间会非常巨大,以精度0.1计算,就有3百70万多的状态。

s1_num = (4.8 + 4.8) * 10  + 2
s2_num = 6 * 10  + 2
s3_num = 0.8 * 10  + 2
s4_num = 6 * 10  + 2
"""
>>> s1_num*s2_num*s3_num*s4_num
3767120.0
"""

显然,这么庞大的状态空间,我们是无法进行很好的训练的(做好心理准备),但是一定可以训练出在一定的移动空间内,木板的平衡。


class CartPoleActor:
    def __init__(self, env, epsilon=-1, round_num=2):
        self.epsilon = epsilon
        self.round_num = round_num
        self.actions = list(range(env.action_space.n))
        self.a_low, self.b_low = np.round(np.take(env.observation_space.low, [0, 2]), self.round_num)
        self.a_high, self.b_high = np.round(np.take(env.observation_space.high, [0, 2]), self.round_num)
        self.Q = self.__make_Q_table()

    def get_distrubution_arr(self, a_low, a_high, round_num):
        a_cnt = int((a_high - a_low) * (10 ** round_num) + 1)
        a = np.round(np.linspace(a_low, a_high, a_cnt), round_num)
        if not np.sum(0 == a):
            a = np.concatenate([a, np.array([-0., 0.])])
        else:
            a = np.concatenate([a, np.array([-0.])])
        return a

    def __make_Q_table(self):
        a = self.get_distrubution_arr(self.a_low, self.a_high, self.round_num)
        b = self.get_distrubution_arr(-3., 3., self.round_num)
        c = self.get_distrubution_arr(self.b_low, self.b_high, self.round_num)
        d = self.get_distrubution_arr(-3., 3., self.round_num)
        Q_dict = dict()
        for s1 in a:
            for s2 in b:
                for s3 in c:
                    for s4 in d:
                        Q_dict[str(np.round(np.array([s1, s2, s3, s4]), self.round_num))
                            ] = np.random.uniform(0, 1, len(self.actions))
        print('len(Q_dict) = ', len(Q_dict))
        return Q_dict

    @staticmethod
    def softmax(x):
        return np.exp(x) / np.sum(np.exp(x), axis=0)

    def policy(self, s):
        return np.random.choice(self.actions, size=1, 
                                p=self.softmax(self.Q[s]))[0]

二、训练智能体

class CartPoleMontoCarlo:
    def __init__(self, actor_cls, round_num):
        self.actor_cls = actor_cls
        self.round_num = round_num
    
    def take_state(self, state):
        if type(state) == str:
            return state
        s1, s2, s3, s4 = np.round(state, self.round_num)
        s1 = np.clip(s1, -4.8, 4.8)
        s2 = np.clip(s3, -3., 3.)
        s3 = np.clip(s2, -0.4, 0.4)
        s4 = np.clip(s4, -3., 3.)
        return str(np.round(np.array([s1, s2, s3, s4]), self.round_num))

    def train(self, env, gamma=0.9, learning_rate=0.1, epoches=1000, render=False):
        actor = self.actor_cls(env, round_num = self.round_num)
        loop_cnt_list = []
        for e in range(epoches):
            # one-game
            s = env.reset()
            done = False
            loop_cnt = 0
            state_list = []
            action_list = []
            reward_list = []
            while not done:
                if render and (e % 50 == 0):
                    env.render()

                s = self.take_state(s)
                a = actor.policy(s)
                n_state, reward, done, info = env.step(a)
                n_state = self.take_state(n_state)
                
                state_list.append(s)
                action_list.append(a)
                reward_list.append(reward)
                s = n_state
                loop_cnt += 1
            else:
                loop_cnt_list.append(loop_cnt)

            # update
            game_len = len(state_list)
            for i in range(game_len):
                s, a = state_list[i], action_list[i]
                G, t = 0, 0
                for j in range(i, game_len):
                    G += np.power(gamma, t) * reward_list[j]
                    t += 1

                actor.Q[s][a] += learning_rate * (G - actor.Q[s][a])

            if render and (e % 50 == 0):
                env.close()

            if e % 50 == 0:
                m_ = np.mean(loop_cnt_list[-50:])
                std_ = np.std(loop_cnt_list[-50:])
                reward_m = np.mean(reward_list[-50:])
                print(f'Epoch [{e}]: balance last {m_:.2f} (+/- {std_:.3f}) times - rewards {reward_m:.3f}')
        return actor, loop_cnt_list, reward_list


trainer = CartPoleActorCritic(CartPoleActor, round_num=1)
env = gym.make('CartPole-v0')
actor, loop_cnt_list, reward_list = trainer.train(
    env, 
    epoches=15000,
    gamma=0.9, 
    learning_rate=0.1,
    render=False)

# look rewards
smooth_cnt = []
for idx in range(len(loop_cnt_list)-1000):
    smooth_cnt.append(np.mean(loop_cnt_list[idx:idx+1000]))

plt.plot(smooth_cnt)
plt.show()

从图中我们可以看出,我们训练的智能体能保持130回合左右的稳定。
在这里插入图片描述

观测训练出的智能体的表现

因为训练的智能体的状态空间有限,reset的观测的时候会时好时差,因为我们的平均良好表现在130回合,而现在我们观察240回合,不过多次尝试中也可以看到,有时候也是表现的不错的。

# view
env = gym.make('CartPole-v0')
s = env.reset()
for _ in range(240):
    env.render()
    s_for_a = trainer.take_state(s) 
    a = actor.policy(s_for_a)
    n_state, reward, done, info = env.step(a)
    print(_, s_for_a, actor.Q[s_for_a],  reward, done)
    s = n_state

env.close()

在这里插入图片描述

四、深度强化学习的必要性

从上述的实践中我们可以看出,表格方法在这种连续的任务中难度非常大。所以需要深度强化学习的出场。等学好深度强化学习后再重新训练当前的游戏环境再做比较。

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