Sept algorithmes d'apprentissage par renforcement et implémentations de code populaires-IA-php.cn

Les algorithmes d'apprentissage par renforcement actuellement populaires incluent Q-learning, SARSA, DDPG, A2C, PPO, DQN et TRPO. Ces algorithmes ont été utilisés dans diverses applications telles que les jeux, la robotique et la prise de décision, et ces algorithmes populaires sont constamment développés et améliorés. Dans cet article, nous en donnerons une brève introduction.

Sept algorithmes dapprentissage par renforcement et implémentations de code populaires

1. Q-learning

Q-learning : Q-learning est un algorithme d'apprentissage par renforcement sans modèle et sans stratégie. Il estime la fonction de valeur d'action optimale à l'aide de l'équation de Bellman, qui met à jour de manière itérative la valeur estimée pour une paire état-action donnée. Q-learning est connu pour sa simplicité et sa capacité à gérer de grands espaces d’états continus.

Ce qui suit est un exemple simple d'utilisation de Python pour implémenter Q-learning :

import numpy as np
 
 # Define the Q-table and the learning rate
 Q = np.zeros((state_space_size, action_space_size))
 alpha = 0.1
 
 # Define the exploration rate and discount factor
 epsilon = 0.1
 gamma = 0.99
 
 for episode in range(num_episodes):
 current_state = initial_state
 while not done:
 # Choose an action using an epsilon-greedy policy
 if np.random.uniform(0, 1) < epsilon:
 action = np.random.randint(0, action_space_size)
 else:
 action = np.argmax(Q[current_state])
 
 # Take the action and observe the next state and reward
 next_state, reward, done = take_action(current_state, action)
 
 # Update the Q-table using the Bellman equation
 Q[current_state, action] = Q[current_state, action] + alpha * (reward + gamma * np.max(Q[next_state]) - Q[current_state, action])
 
 current_state = next_state

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Dans l'exemple ci-dessus, state_space_size et action_space_size sont respectivement le nombre d'états et d'actions dans l'environnement. num_episodes est le nombre de tours pour lesquels exécuter l'algorithme. initial_state est l'état de départ de l'environnement. take_action(current_state, action) est une fonction qui prend en entrée l'état actuel et une action et renvoie l'état suivant, la récompense et un booléen indiquant si le tour est terminé.

Dans la boucle while, utilisez la stratégie epsilon-greedy pour sélectionner une action en fonction de l'état actuel. Utilisez la probabilité epsilon pour choisir une action aléatoire et utilisez la probabilité 1-epsilon pour choisir l'action avec la valeur Q la plus élevée pour l'état actuel.

Après avoir agi, observez l'état et la récompense suivants, et mettez à jour q à l'aide de l'équation de Bellman. et met à jour l'état actuel vers l'état suivant. Ceci n'est qu'un simple exemple de Q-learning et ne prend pas en compte l'initialisation de la Q-table et les détails spécifiques du problème à résoudre.

2. SARSA

SARSA : SARSA est un algorithme d'apprentissage par renforcement sans modèle et basé sur des politiques. Il utilise également l'équation de Bellman pour estimer la fonction de valeur d'action, mais elle est basée sur la valeur attendue de l'action suivante, plutôt que sur l'action optimale comme dans Q-learning. SARSA est connu pour sa capacité à gérer les problèmes de dynamique stochastique.

import numpy as np
 
 # Define the Q-table and the learning rate
 Q = np.zeros((state_space_size, action_space_size))
 alpha = 0.1
 
 # Define the exploration rate and discount factor
 epsilon = 0.1
 gamma = 0.99
 
 for episode in range(num_episodes):
 current_state = initial_state
 action = epsilon_greedy_policy(epsilon, Q, current_state)
 while not done:
 # Take the action and observe the next state and reward
 next_state, reward, done = take_action(current_state, action)
 # Choose next action using epsilon-greedy policy
 next_action = epsilon_greedy_policy(epsilon, Q, next_state)
 # Update the Q-table using the Bellman equation
 Q[current_state, action] = Q[current_state, action] + alpha * (reward + gamma * Q[next_state, next_action] - Q[current_state, action])
 current_state = next_state
 action = next_action

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state_space_size et action_space_size sont respectivement le nombre d'états et d'opérations dans l'environnement. num_episodes est le nombre de tours pendant lesquels vous souhaitez exécuter l'algorithme SARSA. Initial_state est l'état initial de l'environnement. take_action(current_state, action) est une fonction qui prend l'état actuel et l'action en entrée et renvoie l'état suivant, la récompense et un booléen indiquant si l'intrigue est terminée.

Dans la boucle while, utilisez la politique epsilon-greedy définie dans une fonction distincte epsilon_greedy_policy(epsilon, Q, current_state) pour sélectionner une action basée sur l'état actuel. Choisissez une action aléatoire en utilisant la probabilité epsilon et l'action avec la valeur Q la plus élevée pour l'état actuel en utilisant la probabilité 1-epsilon.

Ce qui précède est identique au Q-learning, mais après avoir effectué une action, il utilise ensuite une stratégie gourmande pour choisir l'action suivante tout en observant l'état et la récompense suivants. et mettez à jour la table q en utilisant l'équation de Bellman.

3. DDPG

DDPG est un algorithme sans modèle et sans politique pour les espaces d'action continus. Il s'agit d'un algorithme acteur-critique dans lequel un réseau d'acteurs est utilisé pour sélectionner les actions et un réseau critique est utilisé pour évaluer les actions. DDPG est particulièrement utile pour le contrôle des robots et d'autres tâches de contrôle continu.

import numpy as np
 from keras.models import Model, Sequential
 from keras.layers import Dense, Input
 from keras.optimizers import Adam
 
 # Define the actor and critic models
 actor = Sequential()
 actor.add(Dense(32, input_dim=state_space_size, activation='relu'))
 actor.add(Dense(32, activation='relu'))
 actor.add(Dense(action_space_size, activation='tanh'))
 actor.compile(loss='mse', optimizer=Adam(lr=0.001))
 
 critic = Sequential()
 critic.add(Dense(32, input_dim=state_space_size, activation='relu'))
 critic.add(Dense(32, activation='relu'))
 critic.add(Dense(1, activation='linear'))
 critic.compile(loss='mse', optimizer=Adam(lr=0.001))
 
 # Define the replay buffer
 replay_buffer = []
 
 # Define the exploration noise
 exploration_noise = OrnsteinUhlenbeckProcess(size=action_space_size, theta=0.15, mu=0, sigma=0.2)
 
 for episode in range(num_episodes):
 current_state = initial_state
 while not done:
 # Select an action using the actor model and add exploration noise
 action = actor.predict(current_state)[0] + exploration_noise.sample()
 action = np.clip(action, -1, 1)
 
 # Take the action and observe the next state and reward
 next_state, reward, done = take_action(current_state, action)
 
 # Add the experience to the replay buffer
 replay_buffer.append((current_state, action, reward, next_state, done))
 
 # Sample a batch of experiences from the replay buffer
 batch = sample(replay_buffer, batch_size)
 
 # Update the critic model
 states = np.array([x[0] for x in batch])
 actions = np.array([x[1] for x in batch])
 rewards = np.array([x[2] for x in batch])
 next_states = np.array([x[3] for x in batch])
 
 target_q_values = rewards + gamma * critic.predict(next_states)
 critic.train_on_batch(states, target_q_values)
 
 # Update the actor model
 action_gradients = np.array(critic.get_gradients(states, actions))
 actor.train_on_batch(states, action_gradients)
 
 current_state = next_state

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Dans cet exemple, state_space_size et action_space_size sont respectivement le nombre d'états et d'actions dans l'environnement. num_episodes est le nombre de tours. Initial_state est l'état initial de l'environnement. Take_action (current_state, action) est une fonction qui accepte l'état et l'action actuels en entrée et renvoie l'action suivante.

4. A2C

A2C (Advantage Actor-Critic) est un algorithme stratégique acteur-critique qui utilise la fonction Advantage pour mettre à jour la stratégie. L'algorithme est simple à mettre en œuvre et peut gérer des espaces d'action discrets et continus.

import numpy as np
 from keras.models import Model, Sequential
 from keras.layers import Dense, Input
 from keras.optimizers import Adam
 from keras.utils import to_categorical
 
 # Define the actor and critic models
 state_input = Input(shape=(state_space_size,))
 actor = Dense(32, activation='relu')(state_input)
 actor = Dense(32, activation='relu')(actor)
 actor = Dense(action_space_size, activation='softmax')(actor)
 actor_model = Model(inputs=state_input, outputs=actor)
 actor_model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=Adam(lr=0.001))
 
 state_input = Input(shape=(state_space_size,))
 critic = Dense(32, activation='relu')(state_input)
 critic = Dense(32, activation='relu')(critic)
 critic = Dense(1, activation='linear')(critic)
 critic_model = Model(inputs=state_input, outputs=critic)
 critic_model.compile(loss='mse', optimizer=Adam(lr=0.001))
 
 for episode in range(num_episodes):
 current_state = initial_state
 done = False
 while not done:
 # Select an action using the actor model and add exploration noise
 action_probs = actor_model.predict(np.array([current_state]))[0]
 action = np.random.choice(range(action_space_size), p=action_probs)
 
 # Take the action and observe the next state and reward
 next_state, reward, done = take_action(current_state, action)
 
 # Calculate the advantage
 target_value = critic_model.predict(np.array([next_state]))[0][0]
 advantage = reward + gamma * target_value - critic_model.predict(np.array([current_state]))[0][0]
 
 # Update the actor model
 action_one_hot = to_categorical(action, action_space_size)
 actor_model.train_on_batch(np.array([current_state]), advantage * action_one_hot)
 
 # Update the critic model
 critic_model.train_on_batch(np.array([current_state]), reward + gamma * target_value)
 
 current_state = next_state

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Dans cet exemple, le modèle d'acteur est un réseau de neurones avec 2 couches cachées de 32 neurones chacune avec une fonction d'activation relu et une couche de sortie avec une fonction d'activation softmax. Le modèle critique est également un réseau de neurones avec 2 couches cachées, 32 neurones dans chaque couche, une fonction d'activation relu et une couche de sortie avec une fonction d'activation linéaire.

Utilisez la fonction de perte d'entropie croisée catégorique pour entraîner le modèle d'acteur et utilisez la fonction de perte d'erreur quadratique moyenne pour entraîner le modèle critique. Les actions sont sélectionnées en fonction des prédictions du modèle d'acteur, avec du bruit ajouté pour l'exploration.

5. PPO

PPO (Proximal Policy Optimization) est un algorithme de politique qui utilise la méthode d'optimisation du domaine de confiance pour mettre à jour la politique. Il est particulièrement utile dans les environnements comportant des espaces d’observation de grande dimension et d’action continue. Le PPO est connu pour sa stabilité et sa haute efficacité d’échantillonnage.

import numpy as np
 from keras.models import Model, Sequential
 from keras.layers import Dense, Input
 from keras.optimizers import Adam
 
 # Define the policy model
 state_input = Input(shape=(state_space_size,))
 policy = Dense(32, activation='relu')(state_input)
 policy = Dense(32, activation='relu')(policy)
 policy = Dense(action_space_size, activation='softmax')(policy)
 policy_model = Model(inputs=state_input, outputs=policy)
 
 # Define the value model
 value_model = Model(inputs=state_input, outputs=Dense(1, activation='linear')(policy))
 
 # Define the optimizer
 optimizer = Adam(lr=0.001)
 
 for episode in range(num_episodes):
 current_state = initial_state
 while not done:
 # Select an action using the policy model
 action_probs = policy_model.predict(np.array([current_state]))[0]
 action = np.random.choice(range(action_space_size), p=action_probs)
 
 # Take the action and observe the next state and reward
 next_state, reward, done = take_action(current_state, action)
 
 # Calculate the advantage
 target_value = value_model.predict(np.array([next_state]))[0][0]
 advantage = reward + gamma * target_value - value_model.predict(np.array([current_state]))[0][0]
 
 # Calculate the old and new policy probabilities
 old_policy_prob = action_probs[action]
 new_policy_prob = policy_model.predict(np.array([next_state]))[0][action]
 
 # Calculate the ratio and the surrogate loss
 ratio = new_policy_prob / old_policy_prob
 surrogate_loss = np.minimum(ratio * advantage, np.clip(ratio, 1 - epsilon, 1 + epsilon) * advantage)
 
 # Update the policy and value models
 policy_model.trainable_weights = value_model.trainable_weights
 policy_model.compile(optimizer=optimizer, loss=-surrogate_loss)
 policy_model.train_on_batch(np.array([current_state]), np.array([action_one_hot]))
 value_model.train_on_batch(np.array([current_state]), reward + gamma * target_value)
 
 current_state = next_state

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6, DQN

DQN (Deep Q Network) est un algorithme sans modèle et sans politique qui utilise des réseaux de neurones pour se rapprocher de la fonction Q. DQN est particulièrement utile pour les jeux Atari et d'autres problèmes similaires où l'espace d'état est de grande dimension et où un réseau neuronal est utilisé pour approximer la fonction Q.

import numpy as np
 from keras.models import Sequential
 from keras.layers import Dense, Input
 from keras.optimizers import Adam
 from collections import deque
 
 # Define the Q-network model
 model = Sequential()
 model.add(Dense(32, input_dim=state_space_size, activation='relu'))
 model.add(Dense(32, activation='relu'))
 model.add(Dense(action_space_size, activation='linear'))
 model.compile(loss='mse', optimizer=Adam(lr=0.001))
 
 # Define the replay buffer
 replay_buffer = deque(maxlen=replay_buffer_size)
 
 for episode in range(num_episodes):
 current_state = initial_state
 while not done:
 # Select an action using an epsilon-greedy policy
 if np.random.rand() < epsilon:
 action = np.random.randint(0, action_space_size)
 else:
 action = np.argmax(model.predict(np.array([current_state]))[0])
 
 # Take the action and observe the next state and reward
 next_state, reward, done = take_action(current_state, action)
 
 # Add the experience to the replay buffer
 replay_buffer.append((current_state, action, reward, next_state, done))
 
 # Sample a batch of experiences from the replay buffer
 batch = random.sample(replay_buffer, batch_size)
 
 # Prepare the inputs and targets for the Q-network
 inputs = np.array([x[0] for x in batch])
 targets = model.predict(inputs)
 for i, (state, action, reward, next_state, done) in enumerate(batch):
 if done:
 targets[i, action] = reward
 else:
 targets[i, action] = reward + gamma * np.max(model.predict(np.array([next_state]))[0])
 
 # Update the Q-network
 model.train_on_batch(inputs, targets)
 
 current_state = next_state

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上面的代码，Q-network有2个隐藏层，每个隐藏层有32个神经元，使用relu激活函数。该网络使用均方误差损失函数和Adam优化器进行训练。

7、TRPO

TRPO （Trust Region Policy Optimization）是一种无模型的策略算法，它使用信任域优化方法来更新策略。它在具有高维观察和连续动作空间的环境中特别有用。

TRPO 是一个复杂的算法，需要多个步骤和组件来实现。TRPO不是用几行代码就能实现的简单算法。

所以我们这里使用实现了TRPO的现有库，例如OpenAI Baselines，它提供了包括TRPO在内的各种预先实现的强化学习算法，。

要在OpenAI Baselines中使用TRPO，我们需要安装:

pip install baselines

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然后可以使用baselines库中的trpo_mpi模块在你的环境中训练TRPO代理，这里有一个简单的例子:

import gym
 from baselines.common.vec_env.dummy_vec_env import DummyVecEnv
 from baselines.trpo_mpi import trpo_mpi
 
 #Initialize the environment
 env = gym.make("CartPole-v1")
 env = DummyVecEnv([lambda: env])
 
 # Define the policy network
 policy_fn = mlp_policy
 
 #Train the TRPO model
 model = trpo_mpi.learn(env, policy_fn, max_iters=1000)

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我们使用Gym库初始化环境。然后定义策略网络，并调用TRPO模块中的learn()函数来训练模型。

还有许多其他库也提供了TRPO的实现，例如TensorFlow、PyTorch和RLLib。下面时一个使用TF 2.0实现的样例

import tensorflow as tf
 import gym
 
 # Define the policy network
 class PolicyNetwork(tf.keras.Model):
 def __init__(self):
 super(PolicyNetwork, self).__init__()
 self.dense1 = tf.keras.layers.Dense(16, activation='relu')
 self.dense2 = tf.keras.layers.Dense(16, activation='relu')
 self.dense3 = tf.keras.layers.Dense(1, activation='sigmoid')
 
 def call(self, inputs):
 x = self.dense1(inputs)
 x = self.dense2(x)
 x = self.dense3(x)
 return x
 
 # Initialize the environment
 env = gym.make("CartPole-v1")
 
 # Initialize the policy network
 policy_network = PolicyNetwork()
 
 # Define the optimizer
 optimizer = tf.optimizers.Adam()
 
 # Define the loss function
 loss_fn = tf.losses.BinaryCrossentropy()
 
 # Set the maximum number of iterations
 max_iters = 1000
 
 # Start the training loop
 for i in range(max_iters):
 # Sample an action from the policy network
 action = tf.squeeze(tf.random.categorical(policy_network(observation), 1))
 
 # Take a step in the environment
 observation, reward, done, _ = env.step(action)
 
 with tf.GradientTape() as tape:
 # Compute the loss
 loss = loss_fn(reward, policy_network(observation))
 
 # Compute the gradients
 grads = tape.gradient(loss, policy_network.trainable_variables)
 
 # Perform the update step
 optimizer.apply_gradients(zip(grads, policy_network.trainable_variables))
 
 if done:
 # Reset the environment
 observation = env.reset()

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在这个例子中，我们首先使用TensorFlow的Keras API定义一个策略网络。然后使用Gym库和策略网络初始化环境。然后定义用于训练策略网络的优化器和损失函数。

在训练循环中，从策略网络中采样一个动作，在环境中前进一步，然后使用TensorFlow的GradientTape计算损失和梯度。然后我们使用优化器执行更新步骤。

这是一个简单的例子，只展示了如何在TensorFlow 2.0中实现TRPO。TRPO是一个非常复杂的算法，这个例子没有涵盖所有的细节，但它是试验TRPO的一个很好的起点。