[人工智能]AC & A2C & A3C

基本概念

Actor-Critic（AC）

AC全称Actor-Critic，中文名演员-评论家算法。AC算法是一种既基于值函数、又基于策略函数的算法。这里所说的基于值函数的算法，主要指的是算法本身输出的所有动作的价值，根据最高价值来选择动作，这类算法不能选取连续的动作。而基于值函数的算法指算法本身输出下一步要采取各种动作的概率，然后根据概率来选取动作。

如上图所示，一个简单的AC算法（QAC）的策略梯度学习分成两部分：
1、Critic：使用状态动作价值函数$q_{\omega }(s,a)$，采用线性Q-值函数（$?(s,a{)}^T\omega$）逼近。并使用$TD(\lambda )$来更新参数$\omega$；
2、Actor：使用Critic得到的价值函数$q_{\omega }(s,a)$引导策略函数参数θ的更新。

QAC算法的伪代码如下图所示：

Advanced Actor-Critic（A2C）

A2C全称Advanced Actor-Critic，中文名优势动作价值算法。在AC中，Critic使用的状态动作价值函数$q_{\omega }(s,a)$对应的策略梯度为：

A2C较AC的优化体现在定义目标函数时减去基准线函数$B(s)$，这样可以减少方差。此时策略梯度为：

取$B(s)=v_{{\pi }_{\theta }}(s)$，$A^{{\pi }_{\theta }}(s,a)=q_{\omega }(s,a)?v_{{\pi }_{\theta }}(s)$，其中$A^{{\pi }_{\theta }}(s,a)$称为优势函数，它表征一个状态-动作对相对于平均状态-动作对的好坏程度。如果优势函数大于零，则说明该动作比平均动作好，如果优势函数小于零，则说明当前动作还不如平均动作好。

Actor中参数$\theta$的更新方式为：

Critic中不再使用参数$\omega$，而是使用参数$v$。参数$v$的更新方式为:

其中:
,

A2C的基本结构如下：

Asynchronous Advantage Actor-Critic（A3C)

A3C全称为 Asynchronous Advantage Actor-Critic ，中文名字是异步优势动作评价算法。因为该算法的前三个单词的首字母都是A，所以简写为A3C。相比Actor-Critic，A3C的优化主要有3点，分别是异步训练框架，网络结构优化，Critic评估点的优化。其中异步训练框架是最大的优化。

A3C使用异步训练框架，基本框架还是AC框架。不再利用单个线程，而是利用多个线程。每个线程相当于一个智能体在随机探索，多个智能体共同探索，并行计算策略梯度，维持一个总的更新量。公共部分的网络模型就是我们要学习的模型，而线程里的网络模型主要是用于和环境交互使用的，这些线程里的模型可以帮助线程更好的和环境交互，拿到高质量的数据帮助模型更快收敛。

第二个优化也是网络结构的优化。在AC框架中Actor和Critic是互相分开的，而在A3C中将Actor、Critic两个网络放在了一起。如上图所示，输入状态$s$，输出策略$\pi$和价值$v$。当然也可以将Actor和Critic看成两个独立的部分。

第三个优化就是Critic评估点的优化。在单步采样中，优势函数$A(s,t)$去掉动作可以表示为：

在A3C中采用多步采样，以加速收敛。此时优势函数为：

在A3C的目标函数（损失函数）中，加入策略函数$\pi$的熵项，系数为c。

A3C算法的伪代码如下图所示：

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