强化学习实战——Q-Learing和SASAR悬崖探宝

image source from unsplash.com by Daniel Cheung

之前我们介绍了Q-learning和SASAR算法的理论，这篇文章就理论结合实际用Q-learning 和SASAR算法指导智能体，完成悬崖探宝任务。

同样的，为了方便与读者交流，所有的代码都放在了这里：

https://github.com/zht007/tensorflow-practice

1. 环境简介

智能体在下图4 *12的格子世界中活动，"x"代表起点和智能体当前的位置，"T"代表终点，"C"代表悬崖，"o"代表其他位置。

o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o
o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o
o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o
x  C  C  C  C  C  C  C  C  C  C  T

状态(States)：当前位置

奖励(Rewards)：终点为1，悬崖为-100，其他地方为1

行动(Action)：上下左右，四个方向

2. SARSA算法

SARSA全称State–Action–Reward–State–Action，是on-policy的算法，即只有一个策略指挥行动并同时被更新。顾名思义，该算法需要5个数据，当前的 state, reward，action和下一步state和action。两步action和state均由epsilon greedy策略指导。

2.1 定义epsilon greedy的策略

为了保证On-Policy的算法能访问到所有的状态，SARSA所有的行动策略必须是epsilon greedy的，这里定义的epsilon greedy策略与前文中是一样的。

def make_epsilon_greedy_policy(Q, epsilon, nA):
    def policy_fn(observation):
        A = np.ones(nA, dtype=float) * epsilon / nA
        best_action = np.argmax(Q[observation])
        A[best_action] += (1.0 - epsilon)
        return A
    return policy_fn

该部分代码参考github with MIT license

2.2 定义SARSA算法

首先，根据当前策略迈出第一步，获得当前的S和A。

policy = make_epsilon_greedy_policy(Q, epsilon, env.action_space.n)
for i_episode in range(num_episodes):
        # First action
        state = env.reset()
        action_probs = policy(state)
        action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=action_probs)

该部分代码参考github with MIT license

然后，进入循环，直到游戏结束(if done: break)。该循环是为了获得当前的R和下一步的S‘，和A‘。并带入公式更新Q(S ,A)，由于策略是通过Q(S, A)生成的，所以更新Q(S,A)的同时，策略也更新了。
$$
Q(S, A) \leftarrow Q(S, A)+\alpha\left[R+\gamma Q\left(S^{\prime}, A^{\prime}\right)-Q(S, A)\right]
$$

                while True:
            next_state, reward, done, _ = env.step(action)
            
            next_action_probs = policy(next_state)         
            next_action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)),         p=next_action_probs)
            
            Q[state][action] += alpha * (reward + discount_factor * Q[next_state][next_action] - Q[state][action])
            
            if done:
                break
            state = next_state
            action = next_action 
   return Q

该部分代码参考github with MIT license

将当前S和A替换成下一步S‘和A‘，直到游戏结束，最终得到优化后的Q表。

3. Q-Learning算法

Q-learning 与 SASAR有非常多的相似之处，但是本质上，Q-learning是Off-Policy的算法。也就是说Q-learning有两套Policy，Behavior Policy 和 Target Policy, 一个用于探索另一个用于优化。

与SARSA一样Q-Learning 也需要定义相同的epsilon greedy的策略，这里略过，我们看看算法本身的代码。

policy = make_epsilon_greedy_policy(Q, epsilon, env.action_space.n)
    
    for i_episode in range(num_episodes):
        state = env.reset()
        
        while True:
            action_probs = policy(state)
            action = np.random.choice(np.arange(len(action_probs)), p=action_probs)
            next_state, reward, done, _ = env.step(action)
            best_action = np.argmax(Q[state])
            
            Q[state][action] += alpha * (reward + discount_factor * Q[next_state][best_action] - Q[state][action])
                  
            if done:
                break
            state = next_state
    
    return Q

该部分代码参考github with MIT license

该算法与SARSA的区别是，Q-Learning在行动的时候采用epsilon greedy的策略(Behavior Policy)，但是在更新 Target Policy 的Q(S,A)时候，采用的是greedy的策略，即下一步的最大回报(best_action = np.argmax(Q[state]))

4. 总结

上文介绍的SASAR和Q-learning都属于单步Temporal Difference (时间差分TD(0))算法，其通用的更新公式为

Q[s, a]+=learning_rate *(td_target-Q[s, a])

其中 td_target - Q[s,a] 部分又叫做 TD Error.

SARSA算法:

td_target =R[t+1] + discout_factor*Q[s',a']

Q-learning:

td_target =R[t+1] + discout_factor*max(Q[s'])

关于两个算法的对比，我们可以看看两者最终的行动轨迹，首先定义渲染函数

def render_evn(Q):
    state = env.reset()
    while True:
        next_state, reward, done, _  = env.step(np.argmax(Q[state]))
        env.render()
        if done:
            break
        state = next_state

SARSA算法

Q1, stats1 = sarsa(env, 500)
render_evn(Q1)

----output---
x  x  x  x  x  x  x  x  x  x  x  x
x  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  x
x  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  x
x  C  C  C  C  C  C  C  C  C  C  T

Q-learing

Q1, stats1 = sarsa(env, 500)
render_evn(Q1)

----output---
o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o
o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o  o
x  x  x  x  x  x  x  x  x  x  x  x
x  C  C  C  C  C  C  C  C  C  C  T

可以看出Q-learning得到的policy是沿着悬崖的最短(最佳)路径，获得的奖励最多，然而这样做却十分危险，因为在行动中由于采用的epsilon greedy的策略，有一定的几率掉进悬崖。SARSA算法由于是On-policy的在更新的时候意识到了掉进悬崖的危险，所以它选择了一条更加安全的路径，即多走两步，绕开悬崖。

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参考资料

[1] Reinforcement Learning: An Introduction (2nd Edition)

[2] David Silver's Reinforcement Learning Course (UCL, 2015)

[3] Github repo: Reinforcement Learning

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