实战深度强化学习DQN-理论和实践

全文共3061字，11张图，预计阅读时间15分钟。

Q-Learning回顾

Q-learning 的 算法过程如下图所示：

在Q-learning中，我们维护一张Q值表，表的维数为：状态数S * 动作数A，表中每个数代表在当前状态S下可以采用动作A可以获得的未来收益的折现和。我们不断的迭代我们的Q值表使其最终收敛，然后根据Q值表我们就可以在每个状态下选取一个最优策略。

Q值表的更新公式为：

公式中，Q(S,A) 我们可以称做Q估计值，即我们当前估计的Q值，而：

称为Q-target，即我们使用贝尔曼方程加贪心策略认为实际应该得到的奖励，我们的目标就是使我们的Q值不断的接近Q-target值。

深度Q网络（Deep-Q-Network）

DQN简介

为什么会出现DQN呢

在普通的Q-learning中，当状态和动作空间是离散且维数不高时可使用Q-Table储存每个状态动作对的Q值，而当状态和动作空间是高维连续时，使用Q-Table不现实。

两篇DQN奠基之作

[1]Playing Atari with Deep Reinforcement Learning

[2]Human-level control through deep reinforcement learning

如何将原始的Q-learning转换成深度学习问题

将Q-Table的更新问题变成一个函数拟合问题，相近的状态得到相近的输出动作。如下式，通过更新参数 θ 使Q函数逼近最优Q值 。因此，DQN就是要设计一个神经网络结构，通过函数来拟合Q值，即：

DL和RL结合带来的问题

1、DL需要大量带标签的样本进行监督学习；RL只有reward返回值，而且伴随着噪声，延迟（过了几十毫秒才返回），稀疏（很多State的reward是0）等问题；

2、DL的样本独立；RL前后state状态相关；

3、DL目标分布固定；RL的分布一直变化，比如你玩一个游戏，一个关卡和下一个关卡的状态分布是不同的，所以训练好了前一个关卡，下一个关卡又要重新训练；

4、过往的研究表明，使用非线性网络表示值函数时出现不稳定等问题。

DQN解决问题方法

那么DQN是如何解决上述问题的呢？

1、通过Q-Learning使用reward来构造标签（对应问题1）

2、通过experience replay（经验池）的方法来解决相关性及非静态分布问题（对应问题2、3）

3、使用一个神经网络产生当前Q值，使用另外一个神经网络产生Target Q值（对应问题4）

构造标签

对于函数优化问题，监督学习的一般方法是先确定Loss Function，然后求梯度，使用随机梯度下降等方法更新参数。DQN则基于Q-Learning来确定Loss Function。我们想要使q-target值和q-eval值相差越小越好。DQN中的损失函数是：

这里yi是根据上一个迭代周期或者说target-net网络的参数计算出的q-target值，跟当前网络结构中的参数无关，yi的计算如下：

这样，整个目标函数就可以通过随机梯度下降方法来进行优化：

经验回放

经验池的功能主要是解决相关性及非静态分布问题。具体做法是把每个时间步agent与环境交互得到的转移样本 (st,at,rt,st+1) 储存到回放记忆单元，要训练时就随机拿出一些（minibatch）来训练。（其实就是将游戏的过程打成碎片存储，训练时随机抽取就避免了相关性问题）

双网络结构

在Nature 版本的DQN中提出了这个改进，使用另一个网络（这里称为target_net）产生Target Q值。具体地，Q(s,a;θi) 表示当前网络eval_net的输出，用来评估当前状态动作对的值函数；Q(s,a;θ−i) 表示target_net的输出，代入上面求 TargetQ 值的公式中得到目标Q值。根据上面的Loss Function更新eval_net的参数，每经过N轮迭代，将MainNet的参数复制给target_net。

引入target_net后，再一段时间里目标Q值使保持不变的，一定程度降低了当前Q值和目标Q值的相关性，提高了算法稳定性。

DQN算法流程

NIPS 版

Nature 版

可以看到，两版的DQN都使用了经验池，而版的DQN增加了target-net，提高了算法稳定性。

DQN实现DEMO

找了很多DQN的例子，有原版的实现Atari的，也有Flappy Bird的，但是最简单的还是莫烦大神的Demo，github地址是：/MorvanZhou/Reinforcement-learning-with-tensorflow。

在介绍整个Demo前，我们介绍两种DQN的实现方式，一种是将s和a输入到网络，得到q值，另一种是只将s输入到网络，输出为s和每个a结合的q值。这里莫烦大神的代码采取了后一种方式。

如果你对DQN的原理有比较深刻的认识，那么读莫烦大神的代码也并不是十分困难。这里我们想要实现的效果类似于寻宝。

其中，红色的方块代表寻宝人，黑色的方块代表陷阱，黄色的方块代表宝藏，我们的目标就是让寻宝人找到最终的宝藏。

这里，我们的状态可以用横纵坐标表示，而动作有上下左右四个动作。使用tkinter来做这样一个动画效果。宝藏的奖励是1，陷阱的奖励是-1，而其他时候的奖励都为0。

接下来，我们重点看一下我们DQN相关的代码。

定义相关输入

这了，我们用s代表当前状态，用a代表当前状态下采取的动作，r代表获得的奖励，s_代表转移后的状态。

self.s=tf.placeholder(tf.float32,[None,self.n_features],name='s')

self.s_=tf.placeholder(tf.float32,[None,self.n_features],name='s_')

self.r=tf.placeholder(tf.float32,[None,],name='r')

self.a=tf.placeholder(tf.int32,[None,],name='a')

经验池

defstore_transition(self,s,a,r,s_):

ifnothasattr(self,'memory_counter'):

self.memory_counter=0

#hstack:Stackarraysinsequencehorizontally

transition=np.hstack((s,[a,r],s_))

index=self.memory_counter%self.memory_size

self.memory[index,:]=transition

self.memory_counter+=1

双网络结构

target_net和eval_net的网络结构必须保持一致，这里我们使用的是两层全链接的神经网络，值得注意的一点是对于eval_net来说，网络的输入是当前的状态s，而对target_net网络来说，网络的输入是下一个状态s_，因为target_net的输出要根据贝尔曼公式计算q-target值，即

代码如下：

w_initializer,b_initializer=tf.random_normal_initializer(0.,0.3),tf.constant_initializer(0.1)

#------------------buildevaluate_net------------------

withtf.variable_scope('eval_net'):

e1=tf.layers.dense(self.s,20,tf.nn.relu,kernel_initializer=w_initializer,

bias_initializer=b_initializer,name='e1'

)

self.q_eval=tf.layers.dense(e1,self.n_actions,kernel_initializer=w_initializer,

bias_initializer=b_initializer,name='q')

#------------------buildtarget_net------------------

withtf.variable_scope('target_net'):

t1=tf.layers.dense(self.s_,20,tf.nn.relu,kernel_initializer=w_initializer,

bias_initializer=b_initializer,name='t1')

self.q_next=tf.layers.dense(t1,self.n_actions,kernel_initializer=w_initializer,

bias_initializer=b_initializer,name='t2')

每隔一定的步数，我们就要将target_net中的参数复制到eval_net中：

t_params=tf.get_collection(tf.GraphKeys.GLOBAL_VARIABLES,scope='target_net')

e_params=tf.get_collection(tf.GraphKeys.GLOBAL_VARIABLES,scope='eval_net')

withtf.variable_scope('soft_replacement'):

self.target_replace_op=[tf.assign(t,e)fort,einzip(t_params,e_params)]

计算损失并优化

首先，对于eval_net来说，我们只要得到当前的网络输出即可，但是我们定义的网络输出是四个动作对应的q-eval值，我们要根据实际的a来选择对应的q-eval值，这一部分的代码如下：

withtf.variable_scope('q_eval'):

#tf.stack

#a=tf.constant([1,2,3])

#b=tf.constant([4,5,6])

#c=tf.stack([a,b],axis=1)

#[[14]

#[25]

#[36]]

a_indices=tf.stack([tf.range(tf.shape(self.a)[0],dtype=tf.int32),self.a],axis=1)

#用indices从张量params得到新张量

#indices=[[0,0],[1,1]]

#params=[['a','b'],['c','d']]

#output=['a','d']

#这里self.q_eval是batch*action_number,a_indices是batch*1，也就是说选择当前估计每个动作的Q值

self.q_eval_wrt_a=tf.gather_nd(params=self.q_eval,indices=a_indices)

中间有几个函数不太了解的，上面都有详细的注释，如果还不是很理解的话，大家可以百度或者阅读相应函数的源码。

对于target_net网络来说，我们要根据下面的式子来计算q-target值：

第一部分的R我们是已经得到了的，剩下的就是根据贪心策略选择四个输出中最大的一个即可：

withtf.variable_scope('q_target'):

q_target=self.r+self.gamma*tf.reduce_max(self.q_next,axis=1,name='Qmax_s_')

#一个节点被stop之后，这个节点上的梯度，就无法再向前BP了

self.q_target=tf.stop_gradient(q_target)

接下来，我们就可以定义我们的损失函数并选择优化器进行优化：

withtf.variable_scope('loss'):

self.loss=tf.reduce_mean(tf.squared_difference(self.q_target,self.q_eval_wrt_a,name='TD_error'))

withtf.variable_scope('train'):

self._train_op=tf.train.RMSPropOptimizer(self.lr).minimize(self.loss)

网络的训练

每隔一定的步数，我们就要将eval_net中的参数复制到target_net中，同时我们要从经验池中选择batch大小的数据输入到网络中进行训练。

deflearn(self):

ifself.learn_step_counter%self.replace_target_iter==0:

self.sess.run(self.target_replace_op)

print('\ntarget_params_replaced\n')

ifself.memory_counter>self.memory_size:

sample_index=np.random.choice(self.memory_size,size=self.batch_size)

else:

sample_index=np.random.choice(self.memory_counter,size=self.batch_size)

batch_memory=self.memory[sample_index,:]

_,cost=self.sess.run(

[self._train_op,self.loss],

feed_dict={

self.s:batch_memory[:,:self.n_features],

self.a:batch_memory[:,self.n_features],

self.r:batch_memory[:,self.n_features+1],

self.s_:batch_memory[:,-self.n_features:]

}

)

剩下的代码就不介绍啦，大家不妨去github上fork大神的代码，跟着进行练习，相信会对DQN的原理有一个更进一步的认识。

参考文献

1、深度强化学习——DQN：/u013236946/article/details/72871858

2、莫烦的github：/MorvanZhou/Reinforcement-learning-with-tensorflow

原文链接：https://mp./s?__biz=MzI1MzY0MzE4Mg==&mid=2247483825&idx=1&sn=f46eef050363da1eb4eae10fddfbcb12&chksm=e9d01170dea79866d4ee375e31b3e5b686c84741d4ed9b777301c4daa7cb9292ea227e7d48f0&scene=21#wechat_redirect

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